Γονότυπος

Ο γονότυπος ενός οργανισμού είναι το πλήρες σύνολο του γενετικού υλικού του. Ωστόσο, ο όρος χρησιμοποιείται συχνά για να αναφέρεται σε ένα μόνο γονίδιο ή σε ένα σύνολο γονιδίων, όπως ο γονότυπος για το χρώμα των ματιών. Τα γονίδια καθορίζουν εν μέρει τα παρατηρήσιμα χαρακτηριστικά ενός οργανισμού (τον φαινότυπό του, όπως το χρώμα των μαλλιών, το ύψος κ.λπ.. Παράδειγμα ενός χαρακτηριστικού που προσδιορίζεται από έναν γονότυπο είναι το χρώμα του πετάλου σε ένα φυτό αρακά. Η συλλογή όλων των γενετικών δυνατοτήτων για ένα μόνο χαρακτηριστικό ονομάζεται αλληλόμορφα. Δύο αλληλόμορφα για το χρώμα του ανθόφυλλου είναι βιολετί και λευκό.Ο γονότυπος είναι ένας από τους τρεις παράγοντες που καθορίζουν τον φαινότυπο. Οι άλλοι δύο είναι οι περιβαλλοντικοί (μη κληρονομικοί) και οι επιγενετικοί (κληρονομικοί) παράγοντες. Δεν φαίνονται ή δεν ενεργούν όλα τα άτομα με τον ίδιο γονότυπο με τον ίδιο τρόπο επειδή η εμφάνιση και η συμπεριφορά τροποποιούνται από περιβαλλοντικές και αναπτυσσόμενες συνθήκες. Ομοίως, δεν έχουν όλοι οι οργανισμοί που μοιάζουν κατ' ανάγκη τον ίδιο γονότυπο. Κάποιος συνήθως αναφέρεται στον γονότυπο ενός ατόμου σε σχέση με ένα συγκεκριμένο γονίδιο ενδιαφέροντος και στον συνδυασμό αλληλομόρφων που φέρει το άτομο (ομόζυγος, ετερόζυγος). Οι γονότυποι συχνά συμβολίζονται με γράμματα, για παράδειγμα Bb, όπου το B σημαίνει ένα αλληλόμορφο και b ένα άλλο. Σωματικές μεταλλάξεις που αποκτώνται παρά κληρονομούνται, όπως είναι οι καρκίνοι, δεν αποτελούν μέρος του γονότυπου του ατόμου. Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες και οι ιατροί αναφέρονται μερικές φορές στον γονότυπο ενός συγκεκριμένου καρκίνου, δηλαδή της νόσου ως διαφορετικής από τους ασθενείς. Ο όρος γονότυπος επινοήθηκε από τον δανέζο βοτανολόγο Wilhelm Johannsen το 1903.

 Κάθε δεδομένο γονίδιο προκαλεί συνήθως μια παρατηρήσιμη αλλαγή σε έναν οργανισμό, γνωστό ως φαινότυπος. Οι όροι γονότυπος και φαινότυπος διακρίνονται για τουλάχιστον δύο λόγους: Για να διακρίνουμε την πηγή της γνώσης ενός παρατηρητή (μπορεί κανείς να μάθει για τον γονότυπο παρατηρώντας το DNA. Μπορεί κάποιος να ξέρει για τον φαινότυπο παρατηρώντας την εξωτερική εμφάνιση ενός οργανισμού). Ο γονότυπος και ο φαινότυπος δεν συσχετίζονται πάντα άμεσα. Μερικά γονίδια εκφράζουν μόνο έναν δεδομένο φαινότυπο σε ορισμένες περιβαλλοντικές συνθήκες. Αντίθετα, ορισμένοι φαινότυποι θα μπορούσαν να είναι το αποτέλεσμα πολλαπλών γονοτύπων. Ο γονότυπος αναμιγνύεται συνήθως με τον φαινότυπο που περιγράφει το τελικό αποτέλεσμα τόσο των γενετικών όσο και των περιβαλλοντικών παραγόντων που δίνουν την παρατηρούμενη έκφραση (π.χ. γαλάζια μάτια, χρώμα μαλλιών ή διάφορες κληρονομικές ασθένειες).Ένα απλό παράδειγμα για την απεικόνιση του γονότυπου που διαφέρει από τον φαινότυπο είναι το χρώμα των ανθών στα φυτά αρακά. Υπάρχουν τρεις διαθέσιμοι γονότυποι, PP (ομόζυγο επικρατές), Pp (ετερόζυγο) και pp (ομόζυγο υπολειπόμενο). Και οι τρεις έχουν διαφορετικούς γονότυπους, αλλά οι δύο πρώτοι έχουν τον ίδιο φαινότυπο (βιολετής) και διαφορετικό από τον τρίτο (λευκό). Ένα πιο τεχνικό παράδειγμα για την απεικόνιση του γονότυπου είναι ο πολυμορφισμός ενός νουκλεοτιδίου ή SNP. Ένα SNP εμφανίζεται όταν αντίστοιχες αλληλουχίες DNA από διαφορετικά άτομα διαφέρουν σε μία βάση DNA, για παράδειγμα όπου η αλληλουχία AAGCCTA αλλάζει σε AAGCTTA. Αυτό περιέχει δύο αλληλόμορφα: Τα C και T. Τα SNP έχουν συνήθως τρεις γονότυπους, που γενικά υποδηλώνονται AA Aa και aa. Στο παραπάνω παράδειγμα, οι τρεις γονότυποι θα ήταν CC, CT και TT. Άλλοι τύποι γενετικού δείκτη, όπως μικροδορυφόροι, μπορούν να έχουν περισσότερα από δύο αλληλόμορφα, και έτσι πολλούς διαφορετικούς γονότυπους. Η διεισδυτικότητα (ή εκδηλωτικότητα) είναι το ποσοστό των ατόμων που εμφανίζουν έναν καθορισμένο γονότυπο στον φαινότυπο τους υπό ένα δεδομένο σύνολο περιβαλλοντικών συνθηκών. Η διάκριση μεταξύ γονότυπου και φαινοτύπου είναι συνήθως γνωστή κατά τη μελέτη οικογενειακών προτύπων για ορισμένες κληρονομικές ασθένειες ή καταστάσεις, για παράδειγμα, αιμορροφιλία. Οι άνθρωποι και τα περισσότερα ζώα είναι διπλοειδή. Έτσι υπάρχουν δύο αλληλόμορφα για κάθε δεδομένο γονίδιο. Αυτά τα αλληλόμορφα μπορεί να είναι τα ίδια (ομόζυγα) ή διαφορετικά (ετερόζυγα), ανάλογα με το άτομο. Με ένα επικρατές αλληλόμορφο, όπως με σκούρα μαλλιά, ο απόγονος είναι εγγυημένος ότι θα εμφανίζει το εν λόγω χαρακτηριστικό ανεξάρτητα από το δεύτερο αλληλόμορφο. Στην περίπτωση αλφισμού με υπολειπόμενο αλληλόμορφο (aa), ο φαινότυπος εξαρτάται από το άλλο αλληλόμορφο (Aa, aA, aa ή AA). Ένα επηρεαζόμενο άτομο που ζευγαρώνει με ένα ετερόζυγο άτομο (Aa ή aA, επίσης φορέα) υπάρχει πιθανότητα 50-50 ο απόγονος να έχει αλφικό φαινότυπο. Εάν ένας ετεροζυγώτης ζευγαρώσει με άλλο ετεροζυγώτη, υπάρχει πιθανότητα 75% να περάσει το γονίδιο και μόνο 25% πιθανότητα να εμφανιστεί το γονίδιο. Ένα ομόζυγο επικρατές άτομο (ΑΑ) έχει φυσιολογικό φαινότυπο και δεν υπάρχει κίνδυνος μη φυσιολογικών απογόνων. Ένα ομόζυγο υπολειπόμενο άτομο έχει έναν ανώμαλο φαινότυπο και είναι εγγυημένο ότι μεταδίδει το ανώμαλο γονίδιο στον απόγονο. Στην περίπτωση της αιμορροφιλίας, αχρωματοψίας, ή άλλων χαρακτηριστικών που σχετίζονται με το φύλο, το γονίδιο μεταφέρεται μόνο στο χρωμόσωμα Χ. Επομένως, μόνο άτομα με δύο χρωμοσώματα Χ (γυναίκες) μπορούν να είναι φορείς στις οποίες δεν εμφανίζεται η ανωμαλία. Αυτό το άτομο έχει φυσιολογικό φαινότυπο, αλλά έχει 50-50 πιθανότητες, με έναν μη επηρεασμένο σύντροφο, να μεταδώσει το ανώμαλο γονίδιο του στον απόγονο της. Εάν ζευγαρώσει με έναν άνδρα με αιμορροφιλία (έναν άλλο φορέα) θα υπήρχε πιθανότητα 75% να μεταδοθεί το γονίδιο. Ορισμένοι φαινότυποι δεν ακολουθούν τα ίδια πρότυπα που καθορίζονται από τη μεντελική γενετική. Αυτό οφείλεται συχνά στο ότι ο τελικός φαινότυπος καθορίζεται από πολλά γονίδια. Ο προκύπτων φαινότυπος αυτών των συσχετισμένων γονιδίων είναι γενικά ένας συνδυασμός των μεμονωμένων γονιδίων, δημιουργώντας μια ακόμη μεγαλύτερη ποικιλία. Η σύνδεση με πολλαπλά γονίδια αυξάνει δραματικά τον αριθμό των πιθανών γονότυπων για το χαρακτηριστικό. Με τα παραδείγματα που βρέθηκαν στη μεντελική γενετική, κάθε χαρακτηριστικό είχε ένα γονίδιο, με δύο πιθανά κληρονομικά αλληλόμορφα και 3 πιθανούς συνδυασμούς αυτών των αλληλομόρφων. Εάν κάθε γονίδιο εξακολουθεί να έχει μόνο δύο αλληλόμορφα, ο γονότυπος για ένα χαρακτηριστικό που περιλαμβάνει 2 θα έχει τώρα εννέα πιθανούς γονότυπους. Για παράδειγμα, μπορεί να έχετε ένα γονίδιο εκφρασμένο με "A" για το επικρατές αλληλόμορφο και "a" για το υπολειπόμενο αλληλόμορφο και το άλλο γονίδιο να χρησιμοποιεί "B" και "b" με τον ίδιο τρόπο. Οι πιθανοί γονότυποι για αυτό το χαρακτηριστικό είναι οι AABB, AaBB, aaBB, AABb, AaBb, aaBb, aaBB, aaBb και aabb. Παρακάτω θα συζητήσουμε μερικούς τρόπους με τους οποίους τα γονίδια μπορούν να αλληλεπιδράσουν για να συμβάλουν σε ένα μόνο χαρακτηριστικό. Επίσταση Η επίσταση είναι όταν ο φαινότυπος ενός γονιδίου επηρεάζεται από ένα ή περισσότερα άλλα γονίδια. Αυτό συμβαίνει συχνά μέσω κάποιου είδους επικάλυψης του ενός γονιδίου στο άλλο. Για παράδειγμα, το γονίδιο "Α" κωδικοποιεί το χρώμα των μαλλιών, το επικρατές αλληλόμορφο "Α" κωδικοποιεί τα καστανά μαλλιά και ένα υπολειπόμενο αλληλόμορφο "a" τα ξανθά μαλλιά, αλλά ένα ξεχωριστό γονίδιο "Β" ελέγχει την ανάπτυξη των μαλλιών και ένα υπολειπόμενο αλληλόμορφο "b" προκαλεί φαλάκρα. Εάν το άτομο έχει τον γονότυπο BB ή Bb, τότε παράγει μαλλιά και μπορεί να παρατηρηθεί ο φαινότυπος του χρώματος των μαλλιών, αλλά εάν το άτομο έχει γονότυπο bb, τότε το άτομο είναι φαλακρό που καλύπτει πλήρως το γονίδιο Α. Πολυγονιδιακά χαρακτηριστικά Ένα πολυγονιδιακό χαρακτηριστικό είναι εκείνο του οποίου ο φαινότυπος εξαρτάται από τα πρόσθετα αποτελέσματα πολλαπλών γονιδίων. Οι συνεισφορές καθενός από αυτά τα γονίδια είναι συνήθως μικρές και προσθέτουν μέχρι έναν τελικό φαινότυπο με μεγάλη ποικιλία παραλλαγών. Ένα καλά μελετημένο παράδειγμα αυτού είναι ο αριθμός των αισθήριων τριχών στις μύγες. Αυτοί οι τύποι πρόσθετων αποτελεσμάτων είναι επίσης η εξήγηση για το ποσό της διακύμανσης στο χρώμα των ανθρώπινων ματιών. Γονοτύπηση είναι η διαδικασία της αποσαφήνισης του γονότυπου ενός ατόμου με βιολογική ανάλυση. Γνωστή επίσης ως γονοτυπική ανάλυση, οι τεχνικές περιλαμβάνουν PCR, ανάλυση θραυσμάτων DNA, ανιχνευτές αλληλομορφοειδικό ολιγονουκλεοτίδιο (allele specific oligonucleotide ή ASO) , αλληλούχιση DNA και υβριδοποίηση νουκλεϊκού οξέος σε μικροσυστοιχίες γονιδίων ή σφαιρίδια. Αρκετές κοινές τεχνικές γονοτύπησης περιλαμβάνουν πολυμορφισμός μήκους περιοριστικού θραύσματος (restriction fragment length polymorphism ή RFLP), πολυμορφισμός μήκους περιοριστικού θραύσματος τερματικού (terminal restriction fragment length polymorphism ή t-RFLP), ενισχυμένος πολυμορφισμός μήκους θραύσματος (amplified fragment length polymorphism η AFLP), και multiplex ligation-dependent probe amplification ή MLPA.Η ανάλυση θραυσμάτων DNA μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό γενετικών παρεκκλίσεων που προκαλούν ασθένειες, όπως μικροδορυφορική αστάθεια (microsatellite instability η MSI), τρισωμία, ή ανευπλοειδία και απώλεια ετεροζυγωτίας (loss of heterozygosity ή LOH). Η MSI και η LOH συγκεκριμένα έχουν συσχετιστεί με γονότυπους καρκινικών κυττάρων για το παχύ έντερο, τον μαστό και τον τράχηλο της μήτρας.Η πιο κοινή χρωμοσωμική ανευπλοειδία είναι η τρισωμία του χρωμοσώματος 21, η οποία εκδηλώνεται ως σύνδρομο Down. Οι τρέχοντες τεχνολογικοί περιορισμοί επιτρέπουν συνήθως μόνο ένα κλάσμα του γονότυπου ενός ατόμου να προσδιορίζεται αποτελεσματικά. Ο κόσμος RNA είναι το υποθετικό προκυτταρικό στάδιο της εξελικτικής ιστορίας της ζωής στη γη, στο οποίο αυτοαναπαραγόμενα μόρια RNA που πολλαπλασιάζονται πριν από την εξέλιξη του DNA και των πρωτεϊνών. Η Αυτοαναπαραγωγή που κατευθύνεται από το πρότυπο RNA ξεκίνησε πιθανώς όταν μια αλληλουχία RNA εμφανίστηκε στον πρεβιοτικό κόσμο που θα μπορούσε να δράσει καταλυτικά ως ριβοένζυμο για να διευκολύνει τη δική του αναπαραγωγή αποφεύγοντας τη δική του καταστροφή. Η αλληλουχία νουκλεοτιδίων του πρώτου αναδυόμενου αυτοαντιγραφόμενου μορίου RNA θα ήταν ο αρχικός γονότυπος. Η αναδιπλωμένη τρισδιάστατη φυσική δομή του πρώτου μορίου RNA που είχε ενεργότητα ριβοζύμου που προάγει την αντιγραφή ενώ αποφεύγει την καταστροφή θα ήταν ο πρώτος φαινότυπος Genetic nomenclature