Генетическая архитектура - Genetic architecture

Генетическая архитектура лежит в основе генетической основы фенотипический черта и его вариационные свойства.[1] Фенотипическая изменчивость для количественные признаки является, на самом базовом уровне, результатом сегрегация аллелей в локусы количественных признаков (QTL).[2] Факторы окружающей среды и другие внешние воздействия также могут играть роль в фенотипической изменчивости. Генетическая архитектура - это широкий термин, который может быть описан для любого конкретного человека на основе информации о количестве гена и аллеля, распределении аллельных и мутационных эффектов и паттернах плейотропия, господство, и эпистаз.[1]

Существует несколько различных экспериментальных взглядов на генетическую архитектуру. Некоторые исследователи признают, что взаимодействие различных генетических механизмов невероятно сложно, но полагают, что эти механизмы можно усреднить и рассматривать более или менее как статистический шум.[3] Другие исследователи утверждают, что взаимодействие каждого гена имеет значение и что необходимо измерять и моделировать эти индивидуальные системные влияния на эволюционную генетику.[1]

Приложения

Карта генотипа-фенотипа
Очень простая карта генотип-фенотип, которая показывает только аддитивные эффекты плейотропии.

Генетическую архитектуру можно изучать и применять на самых разных уровнях. На самом базовом, индивидуальном уровне, генетическая архитектура описывает генетическую основу различий между людьми, видами и популяциями. Это может включать, среди прочего, количество генов, участвующих в конкретном фенотипе, и то, как взаимодействия генов, такие как эпистаз, влияют на этот фенотип.[1] Линия-кросс-анализ и QTL анализы можно использовать для изучения этих различий.[2] Это, пожалуй, наиболее распространенный способ изучения генетической архитектуры, и, хотя он полезен для предоставления фрагментов информации, он, как правило, не дает полной картины генетической архитектуры в целом.

Генетическая архитектура также может использоваться для обсуждения эволюции популяций.[1] Классические модели количественной генетики, например, разработанные Р.А. Фишер, основаны на анализе фенотипа с точки зрения вкладов различных генов и их взаимодействий.[3] Генетическая архитектура иногда изучается с помощью Карта генотип-фенотип, который графически отображает взаимосвязь между генотипом и фенотипом.[4]

Генетическая архитектура невероятно важна для понимания эволюционная теория потому что он описывает фенотипические вариации в лежащих в их основе генетических терминах и, таким образом, дает нам ключ к пониманию эволюционного потенциала этих вариаций. Следовательно, генетическая архитектура может помочь нам ответить на биологические вопросы о видообразовании, эволюции пола и рекомбинации, выживании небольших популяций, инбридинге, понимании болезней, селекции животных и растений и многом другом.[1]

Эволюционируемость

Эволюционируемость буквально определяется как способность развиваться. С точки зрения генетики, эволюционируемость - это способность генетической системы производить и поддерживать потенциально адаптивные генетические варианты. Есть несколько аспектов генетической архитектуры, которые сильно способствуют развитию системы, включая автономию, изменчивость, координацию, эпистаз, плейотропию, полигению и устойчивость.[1][2]

  • Автономность: существование квазинезависимых персонажей с потенциалом эволюционной автономии.[5]
  • Мутабельность: возможность генетической мутации.
  • Координация: такое явление, как развитие, во время которого одновременно происходит множество различных генетических процессов и изменений.
  • Эпистаз: явление, в котором ген зависит от наличия одного или нескольких генов-модификаторов.
  • Полигения: феномен, при котором несколько генов способствуют определенному фенотипическому признаку.
  • Плейотропия: явление, при котором один ген влияет на одну или несколько фенотипических характеристик.
  • Надежность: способность фенотипа оставаться постоянным, несмотря на генетическая мутация.

Примеры

Модель цвета кожи
Спекулятивная основа эволюционной истории, лежащая в основе современных фенотипических вариаций пигментации кожи человека, основанная на сходствах и различиях, обнаруженных в различных генотипах.

В исследовании, опубликованном в 2006 году, филогенез использовался для сравнения генетической архитектуры различного цвета кожи человека. В этом исследовании исследователи смогли предложить теоретическую основу эволюционной истории, лежащую в основе современных фенотипических вариаций пигментации кожи человека, на основе сходства и различий, которые они обнаружили в генотипе.[6] История эволюции - важный фактор в понимании генетической основы любого признака, и это исследование было одним из первых, в котором эти концепции использовались в парном режиме для определения информации о генетике, лежащей в основе фенотипического признака.

В 2013 году группа исследователей использовала полногеномные исследования ассоциации (GWAS) и полногеномные исследования взаимодействия (GWIS) для определения риска врожденные пороки сердца у пациентов, страдающих Синдром Дауна.[7] Синдром Дауна - это генетическое заболевание, вызванное трисомией хромосомы 21 человека. Текущая гипотеза относительно фенотипов врожденного порока сердца у людей с синдромом Дауна состоит в том, что три копии функциональных геномных элементов на 21 хромосоме и генетическая вариация хромосомы 21 и нехромосомных 21 локусов предрасполагают пациенты с аномальным развитием сердца. Это исследование выявило несколько локусов риска врожденных пороков сердца у людей с синдромом Дауна, а также три вариация количества копий (CNV) регионы, которые могут способствовать врожденным порокам сердца у людей с синдромом Дауна.

Другое исследование, опубликованное в 2014 году, было направлено на определение генетической архитектуры психических расстройств. Исследователи в этом исследовании предположили, что существует большое количество локусов, которые связаны с различными психическими расстройствами.[8] Кроме того, они, как и многие другие, предположили, что генетический риск психических расстройств включает в себя комбинированные эффекты многих распространенных вариантов с небольшими эффектами - другими словами, небольшие эффекты большого количества вариантов в определенных локусах складываются вместе, чтобы произвести большое количество вариантов. , комбинированный эффект на общий фенотип человека. Они также признали наличие крупных, но редких мутаций, которые имеют большое влияние на фенотип. Это исследование демонстрирует сложность генетической архитектуры, предоставляя пример множества различных SNP и мутаций, работающих вместе, каждая с различным эффектом, для генерации данного фенотипа.

Другие исследования, касающиеся генетической архитектуры, многочисленны и разнообразны, но в большинстве используются аналогичные типы анализов для получения конкретной информации о локусах, участвующих в создании фенотипа. Исследование иммунной системы человека в 2015 году[9] использует те же общие концепции для идентификации нескольких локусов, участвующих в развитии иммунной системы, но, как и другие исследования, описанные здесь, не учитывают другие аспекты генетической архитектуры, такие как влияние окружающей среды. К сожалению, многие другие аспекты генетической архитектуры остаются трудными для количественной оценки.

Несмотря на то, что существует несколько исследований, направленных на изучение других аспектов генетической архитектуры, современные технологии не позволяют связать все части вместе, чтобы построить действительно всеобъемлющую модель генетической архитектуры. Например, в 2003 году исследование генетической архитектуры и окружающей среды показало связь социальной среды с вариациями размеров тела у животных. Drosophila melanogaster.[10] Однако это исследование не смогло установить прямую связь с конкретными генами, участвующими в этой вариации.

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм Хансен, Томас Ф. (01.01.2006). «Эволюция генетической архитектуры». Ежегодный обзор экологии, эволюции и систематики. 37 (1): 123–157. Дои:10.1146 / annurev.ecolsys.37.091305.110224.
  2. ^ а б c Mackay, Trudy F. C. (01.01.2001). «Генетическая архитектура количественных признаков». Ежегодный обзор генетики. 35 (1): 303–339. Дои:10.1146 / annurev.genet.35.102401.090633. PMID  11700286.
  3. ^ а б Фишер, Р. А. (1930-01-01). Генетическая теория естественного отбора. В Clarendon Press.
  4. ^ Стадлер, Питер Ф .; Штадлер, Бэрбель М. Р. (14 апреля 2015 г.). «Карты генотипа-фенотипа». Биологическая теория. 1 (3): 268–279. CiteSeerX  10.1.1.7.2128. Дои:10.1162 / biot.2006.1.3.268. ISSN  1555-5542.
  5. ^ Левонтин, Р. К. (1978-09-01). "Приспособление". Scientific American. 239 (3): 212–218, 220, 222 пасс. Bibcode:1978SciAm.239c.212L. Дои:10.1038 / scientificamerican0978-212. ISSN  0036-8733. PMID  705323.
  6. ^ Макэвой, Брайан; Белеза, Сандра; Шрайвер, Марк Д. (2006-10-15). «Генетическая архитектура нормальных изменений пигментации человека: эволюционная перспектива и модель». Молекулярная генетика человека. 15 (приложение 2): R176 – R181. Дои:10,1093 / hmg / ddl217. ISSN  0964-6906. PMID  16987881.
  7. ^ Сайлани, М. Реза; Макританасис, Периклис; Вальсезия, Арман; Santoni, Federico A .; Дойч, Самуэль; Попадин, Константин; Борель, Кристель; Мильявакка, Евгения; Шарп, Эндрю Дж. (01.09.2013). «Сложная генетическая архитектура SNP и CNV повышенного риска врожденных пороков сердца при синдроме Дауна». Геномные исследования. 23 (9): 1410–1421. Дои:10.1101 / гр.147991.112. ISSN  1549-5469. ЧВК  3759718. PMID  23783273.
  8. ^ Граттен, Джейкоб; Рэй, Наоми Р.; Келлер, Мэтью С .; Вишер, Питер М. (2014-06-01). «Крупномасштабная геномика раскрывает генетическую архитектуру психических расстройств». Природа Неврология. 17 (6): 782–790. Дои:10.1038 / номер 3708. ISSN  1546-1726. ЧВК  4112149. PMID  24866044.
  9. ^ Родерер, Марио; Куэй, Лидия; Мангино, Массимо; Беддалл, Маргарет Х .; Манке, Иоланда; Чаттопадхьяй, Пратип; Този, Изабелла; Наполитано, Лука; Терранова Барберио, Мануэла (09.04.2015). «Генетическая архитектура иммунной системы человека: биоресурсы для аутоиммунитета и патогенеза заболеваний». Клетка. 161 (2): 387–403. Дои:10.1016 / j.cell.2015.02.046. ISSN  0092-8674. ЧВК  4393780. PMID  25772697.
  10. ^ Вольф, Джейсон Б. (15 апреля 2003 г.). «Генетическая архитектура и эволюционные ограничения, когда среда содержит гены». Труды Национальной академии наук. 100 (8): 4655–4660. Дои:10.1073 / pnas.0635741100. ISSN  0027-8424. ЧВК  153611. PMID  12640144.

внешняя ссылка