در ژنتیک ، فنوتیپ (از یونانی باستان φαίνω ( phaínō ) «ظاهر، نشان دادن» و τύπος ( túpos ) «علامت، نوع») مجموعه ای از ویژگی ها یا صفات قابل مشاهده یک موجود زنده است . [1] [2] این اصطلاح مورفولوژی ارگانیسم (شکل و ساختار فیزیکی)، فرآیندهای رشد ، خواص بیوشیمیایی و فیزیولوژیکی، رفتار آن ، و محصولات رفتاری را در بر می گیرد. فنوتیپ یک موجود زنده ناشی از دو عامل اساسی است: بیان کد ژنتیکی یک موجود زنده ( ژنوتیپ آن ) و تأثیر عوامل محیطی. هر دو عامل ممکن است با هم تعامل داشته باشند و بر فنوتیپ بیشتر تأثیر بگذارند. هنگامی که دو یا چند فنوتیپ کاملاً متفاوت در یک جمعیت یک گونه وجود داشته باشد، این گونه چندشکلی نامیده می شود . یک مثال به خوبی مستند از چندشکلی رنگ آمیزی لابرادور رتریور است . در حالی که رنگ کت به ژن های زیادی بستگی دارد، به وضوح در محیط به صورت زرد، سیاه و قهوه ای دیده می شود. ریچارد داوکینز در سال 1978 [3] و سپس در سال 1982 در کتاب خود به نام فنوتیپ توسعه یافته پیشنهاد کرد که می توان لانه های پرندگان و سایر سازه های ساخته شده مانند لاروهای کادیس و سدهای بیش از حد را به عنوان "فنوتیپ های توسعه یافته" در نظر گرفت.
ویلهلم یوهانسن در سال 1911 تمایز ژنوتیپ-فنوتیپ را پیشنهاد کرد تا تفاوت بین ماده ارثی یک موجود زنده و آنچه که آن ماده ارثی تولید می کند روشن شود. [4] [5] این تمایز شبیه به آنچه توسط آگوست ویزمن (1834-1914) پیشنهاد شد، که بین پلاسمای زایا (وراثت) و سلول های جسمی (بدن) تمایز قائل شد. اخیراً، داوکینز در ژن خودخواه (1976) این مفاهیم را به عنوان شبیه سازها و وسایل نقلیه متمایز کرد.
مفهوم فنوتیپ علیرغم تعریف به ظاهر ساده آن ظرافت های پنهانی دارد. ممکن است به نظر برسد که هر چیزی که به ژنوتیپ وابسته باشد یک فنوتیپ است، از جمله مولکول هایی مانند RNA و پروتئین ها . بیشتر مولکول ها و ساختارهای کدگذاری شده توسط ماده ژنتیکی در ظاهر یک موجود زنده قابل مشاهده نیستند (مثلاً با وسترن بلات ) و بنابراین بخشی از فنوتیپ هستند. گروه های خونی انسان نمونه ای است. ممکن است به نظر برسد که این فراتر از مقاصد اصلی این مفهوم با تمرکز بر موجود زنده (زنده) در خود است. در هر صورت، اصطلاح فنوتیپ شامل صفات ذاتی یا ویژگی هایی است که قابل مشاهده هستند یا صفاتی که می توانند با برخی روش های فنی قابل مشاهده باشند. [ نیازمند منبع ]
اصطلاح "فنوتیپ" گاهی اوقات به اشتباه به عنوان خلاصه ای برای تفاوت فنوتیپی بین جهش یافته و نوع وحشی آن استفاده می شود ، که منجر به این جمله نادرست می شود که "جهش فنوتیپ ندارد". [6]
رفتارها و پیامدهای آنها نیز فنوتیپ هستند، زیرا رفتارها ویژگی های قابل مشاهده هستند. فنوتیپ های رفتاری شامل الگوهای شناختی، شخصیتی و رفتاری است. برخی از فنوتیپ های رفتاری ممکن است اختلالات روانپزشکی [7] یا سندرم ها را مشخص کنند. [8] [9]
یک پدیده مجموعه ای از تمام صفات است که توسط یک سلول ، بافت ، اندام ، ارگانیسم یا گونه بیان می شود . این اصطلاح برای اولین بار توسط دیویس در سال 1949 استفاده شد، "ما در اینجا نام پدیده را برای مجموع بخش های خارج از ژن و غیر خود تولیدی سلول، چه سیتوپلاسمی یا هسته ای، پیشنهاد می کنیم. ژنوم اساس مادی ژنوتیپ است ." [10]
اگرچه سالهاست که از پدیده استفاده میشود، اما تمایز بین استفاده از فنوم و فنوتیپ مشکلساز است. یک تعریف پیشنهادی برای هر دو اصطلاح به عنوان "کلیت فیزیکی همه صفات یک موجود زنده یا یکی از زیرسیستم های آن" توسط ماهنر و کاری در سال 1997 ارائه شد، آنها استدلال می کنند که اگرچه دانشمندان تمایل دارند به طور شهودی از این و اصطلاحات مرتبط به روشی استفاده کنند. که مانعی برای تحقیق نباشد، اصطلاحات به خوبی تعریف نشده باشند و استفاده از اصطلاحات سازگار نباشد. [11]
برخی از کاربردهای این اصطلاح نشان می دهد که پدیده یک ارگانیسم به بهترین وجه به عنوان نوعی ماتریس از داده ها که نشان دهنده تجلی فیزیکی فنوتیپ است درک می شود. به عنوان مثال، بحث هایی که توسط A. Varki در میان کسانی که تا سال 2003 از این واژه استفاده کرده بودند، تعریف زیر را پیشنهاد کرد: "مجموعه اطلاعاتی که فنوتیپ های یک ارگانیسم را توصیف می کند، تحت تأثیر عوامل ژنتیکی و محیطی". [12] تیم دیگری از محققان «پدیده انسان [به عنوان] فضای جستجوی چند بعدی با چندین سطح عصبی زیستی، که شامل پروتئوم، سیستم های سلولی (به عنوان مثال، مسیرهای سیگنالینگ)، سیستم های عصبی و فنوتیپ های شناختی و رفتاری است، توصیف می کنند. [13]
زیست شناسان گیاهی شروع به کشف این پدیده در مطالعه فیزیولوژی گیاهی کرده اند. [14]
در سال 2009، یک تیم تحقیقاتی امکان شناسایی ارتباط ژنوتیپ-فنوتیپ را با استفاده از پرونده الکترونیک سلامت (EHRs) مرتبط با بانکهای زیستی DNA نشان داد . آنها این روش را مطالعه ارتباط گسترده پدیده (PheWAS) نامیدند . [15]
با الهام از تکامل از ژنوتیپ به ژنوم به پان ژنوم ، در سال 2023 مفهومی برای کاوش در رابطه بین پان پدیده، پان ژنوم و پان محیط ارائه شد. [16]
تنوع فنوتیپی (به دلیل تنوع ژنتیکی وراثتی زمینه ای ) یک پیش نیاز اساسی برای تکامل توسط انتخاب طبیعی است . این موجود زنده به عنوان یک کل است که به نسل بعدی کمک می کند (یا نه)، بنابراین انتخاب طبیعی ساختار ژنتیکی جمعیت را به طور غیرمستقیم از طریق مشارکت فنوتیپ ها تحت تأثیر قرار می دهد. بدون تنوع فنوتیپی، هیچ تکاملی توسط انتخاب طبیعی وجود نخواهد داشت. [17]
برهمکنش بین ژنوتیپ و فنوتیپ اغلب با رابطه زیر مفهوم سازی شده است:
یک نسخه ظریف تر از رابطه این است:
ژنوتیپ ها اغلب انعطاف پذیری زیادی در اصلاح و بیان فنوتیپ ها دارند. در بسیاری از موجودات این فنوتیپ ها در شرایط محیطی متفاوت بسیار متفاوت هستند. گیاه Hieracium umbellatum در دو زیستگاه مختلف در سوئد رشد می کند . یکی از زیستگاهها صخرههای صخرهای کنار دریا است که در آن گیاهان بوتهای با برگهای پهن و گلآذین منبسط شدهاند . دیگری در میان تپه های ماسه ای است که در آن گیاهان به صورت سجده دار با برگ های باریک و گل آذین فشرده رشد می کنند. این زیستگاه ها به طور متناوب در امتداد سواحل سوئد و زیستگاهی که دانه های Hieracium umbellatum در آن فرود می آیند، فنوتیپ رشد را تعیین می کند. [18]
نمونهای از تغییرات تصادفی در مگسهای مگس سرکه ، تعداد اوماتیدیاها است که ممکن است (به طور تصادفی) بین چشم چپ و راست در یک فرد، به همان اندازه که بین ژنوتیپهای مختلف به طور کلی، یا بین کلونهایی که در محیطهای مختلف پرورش یافتهاند، متفاوت باشد. [ نیازمند منبع ]
مفهوم فنوتیپ را می توان به تغییرات زیر سطح ژن که بر تناسب اندام ارگانیسم تأثیر می گذارد تعمیم داد. برای مثال، جهشهای خاموشی که توالی اسید آمینه مربوط به یک ژن را تغییر نمیدهند، ممکن است فرکانس جفتهای باز گوانین - سیتوزین ( محتوای GC ) را تغییر دهند. این جفتهای پایه پایداری حرارتی ( نقطه ذوب ) بالاتری نسبت به آدنین - تیمین دارند ، خاصیتی که ممکن است در میان موجوداتی که در محیطهای با دمای بالا زندگی میکنند، یک مزیت انتخابی را نسبت به انواع غنیشده با محتوای GC منتقل کند. [ نیازمند منبع ]
ریچارد داوکینز فنوتیپی را که شامل تمام اثراتی است که یک ژن بر محیط اطراف خود، از جمله موجودات دیگر، دارد، به عنوان یک فنوتیپ توسعه یافته توصیف می کند و استدلال می کند که "رفتار یک حیوان تمایل دارد تا بقای ژن های "برای" آن رفتار را به حداکثر برساند، چه آن ها یا نه. ژنها در بدن حیوان خاصی که آن را انجام میدهند وجود دارد." [3] به عنوان مثال، ارگانیسمی مانند بیور محیط خود را با ساختن سد بیور تغییر می دهد . این را می توان بیانی از ژن های آن در نظر گرفت ، درست مانند دندان های ثنایای آن - که از آن برای اصلاح محیط خود استفاده می کند. به طور مشابه، هنگامی که پرنده به انگل مولدین مانند فاخته غذا می دهد ، ناخواسته فنوتیپ خود را گسترش می دهد. و هنگامی که ژنهای موجود در یک ارکیده بر رفتار زنبور ارکیده برای افزایش گرده افشانی تأثیر میگذارند ، یا زمانی که ژنهای موجود در طاووس بر تصمیمات جفتی هلوها تأثیر میگذارند، دوباره فنوتیپ در حال گسترش است. از نظر داوکینز، ژن ها بر اساس اثرات فنوتیپی خود انتخاب می شوند. [19]
سایر زیست شناسان به طور گسترده موافق هستند که مفهوم فنوتیپ توسعه یافته مرتبط است، اما در نظر می گیرند که نقش آن تا حد زیادی توضیح دهنده است، نه کمک به طراحی آزمایش های تجربی. [20]
فنوتیپ ها با تعامل ژن ها و محیط تعیین می شوند، اما مکانیسم هر ژن و فنوتیپ متفاوت است. به عنوان مثال، یک فنوتیپ آلبینو ممکن است توسط یک جهش در ژن کد کننده تیروزیناز ایجاد شود که آنزیم کلیدی در تشکیل ملانین است . با این حال، قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش می تواند تولید ملانین را افزایش دهد، بنابراین محیط نیز در این فنوتیپ نقش دارد. برای بیشتر فنوتیپ های پیچیده مکانیسم ژنتیکی دقیق ناشناخته باقی مانده است. به عنوان مثال، تا حد زیادی مشخص نیست که چگونه ژن ها شکل استخوان ها یا گوش انسان را تعیین می کنند. [ نیازمند منبع ]
بیان ژن نقش مهمی در تعیین فنوتیپ موجودات دارد. سطح بیان ژن می تواند بر فنوتیپ ارگانیسم تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، اگر ژنی که آنزیم خاصی را کد می کند در سطوح بالایی بیان شود، ارگانیسم ممکن است مقدار بیشتری از آن آنزیم را تولید کند و در نتیجه ویژگی خاصی را نشان دهد. از سوی دیگر، اگر ژن در سطوح پایین بیان شود، ارگانیسم ممکن است آنزیم کمتری تولید کند و ویژگی متفاوتی از خود نشان دهد. [22]
بیان ژن در سطوح مختلف تنظیم می شود و بنابراین هر سطح می تواند بر فنوتیپ های خاصی از جمله تنظیم رونویسی و پس از رونویسی تأثیر بگذارد. [ نیازمند منبع ]
تغییرات در سطوح بیان ژن می تواند تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند شرایط محیطی، تغییرات ژنتیکی و تغییرات اپی ژنتیکی قرار گیرد. این تغییرات می تواند تحت تأثیر عوامل محیطی مانند رژیم غذایی، استرس و قرار گرفتن در معرض سموم باشد و می تواند تأثیر قابل توجهی بر فنوتیپ فرد داشته باشد. برخی از فنوتیپ ها ممکن است به جای تغییر در ژنوتیپ، نتیجه تغییرات در بیان ژن ناشی از این عوامل باشند. آزمایشی شامل روشهای یادگیری ماشینی با استفاده از بیانهای ژنی اندازهگیری شده از توالییابی RNA نشان داد که آنها میتوانند سیگنال کافی برای جداسازی افراد در زمینه پیشبینی فنوتیپ داشته باشند. [23]
اگرچه یک فنوتیپ مجموعه ای از ویژگی های قابل مشاهده است که توسط یک موجود زنده نشان داده می شود، گاهی اوقات کلمه پدیده برای اشاره به مجموعه ای از صفات استفاده می شود، در حالی که مطالعه همزمان چنین مجموعه ای به عنوان فنومیک نامیده می شود . [24] [25] فنومیک یک زمینه مهم مطالعه است زیرا می توان از آن برای فهمیدن اینکه کدام گونه های ژنومی بر فنوتیپ ها تأثیر می گذارند استفاده کرد و سپس می توان از آن برای توضیح مواردی مانند سلامتی، بیماری و تناسب تکاملی استفاده کرد. [26] فنومیک بخش بزرگی از پروژه ژنوم انسانی را تشکیل می دهد . [27]
فنومیکس در کشاورزی کاربرد دارد. به عنوان مثال، تغییرات ژنومی مانند مقاومت به خشکی و گرما را می توان از طریق فنومیک شناسایی کرد تا GMO بادوام تر ایجاد کند. [28] [14]
فنومیک ممکن است پله ای برای پزشکی شخصی سازی شده ، به ویژه درمان دارویی باشد . [29] هنگامی که پایگاه داده فنومیک داده های کافی را به دست آورد، از اطلاعات فنومیک فرد می توان برای انتخاب داروهای خاص متناسب با فرد استفاده کرد. [29]
نمایشگرهای ژنتیکی در مقیاس بزرگ می توانند ژن ها یا جهش هایی را که بر فنوتیپ یک ارگانیسم تأثیر می گذارند، شناسایی کنند. تجزیه و تحلیل فنوتیپ های ژن های جهش یافته نیز می تواند به تعیین عملکرد ژن کمک کند. [30] بیشتر صفحه نمایش های ژنتیکی از میکروارگانیسم هایی استفاده می کنند که در آنها ژن ها به راحتی حذف می شوند. برای مثال، تقریباً تمام ژنها در E. coli [31] و بسیاری از باکتریهای دیگر حذف شدهاند ، اما همچنین در چندین ارگانیسم مدل یوکاریوتی مانند مخمر نانوایی [32] و مخمر شکافت . [33] در میان اکتشافات دیگر، چنین مطالعاتی فهرستی از ژن های ضروری را نشان داده است.
اخیراً، صفحه نمایش فنوتیپی در مقیاس بزرگ نیز در حیوانات استفاده شده است، به عنوان مثال برای مطالعه فنوتیپ های کمتر شناخته شده مانند رفتار . در یک صفحه، نقش جهش ها در موش ها در زمینه هایی مانند یادگیری و حافظه ، ریتم شبانه روزی ، بینایی، پاسخ به استرس و پاسخ به محرک های روانی مورد بررسی قرار گرفت .
این آزمایش شامل نتاج موش های تحت درمان با ENU یا N-ethyl-N-nitrosourea بود که یک موتاژن قوی است که باعث جهش نقطه ای می شود . موش ها به طور فنوتیپی برای تغییرات در حوزه های رفتاری مختلف غربالگری شدند تا تعداد جهش یافته های احتمالی را بیابند (برای جزئیات به جدول مراجعه کنید). سپس موتانتهای فرضی برای وراثتپذیری آزمایش میشوند تا به تعیین الگوی وراثت و همچنین ترسیم جهشها کمک کنند. هنگامی که آنها نقشه برداری، شبیه سازی و شناسایی شدند، می توان تعیین کرد که آیا یک جهش نشان دهنده یک ژن جدید است یا خیر.
این آزمایش ها نشان داد که جهش در ژن رودوپسین بر بینایی تأثیر می گذارد و حتی می تواند باعث انحطاط شبکیه در موش شود. [34] همان تغییر اسید آمینه باعث کوری خانوادگی انسان می شود ، که نشان می دهد چگونه فنوتیپ در حیوانات می تواند به تشخیص پزشکی و احتمالاً درمان کمک کند.
دنیای RNA مرحله فرضی پیش سلولی در تاریخ تکاملی حیات روی زمین است که در آن مولکولهای RNA خودتکثیر شونده قبل از تکامل DNA و پروتئینها تکثیر میشوند. [35] ساختار فیزیکی سه بعدی چین خورده اولین مولکول RNA که دارای فعالیت ریبوزیمی بود که تکثیر را تقویت می کند و در عین حال از تخریب جلوگیری می کرد، اولین فنوتیپ بود و توالی نوکلئوتیدی اولین مولکول RNA خودتکثیر شونده ژنوتیپ اصلی بود. [35]
مجموعه ای از ویژگی های قابل مشاهده یک فرد ناشی از تعامل ژنوتیپ آن با محیط است.
ژنوتیپ یک موجود زنده مجموعه ای از ژن هایی است که حامل آن است. فنوتیپ یک ارگانیسم تمام ویژگی های قابل مشاهده آن است - که هم تحت تأثیر ژنوتیپ آن و هم از محیط است.