Введение

Взаимодействие генотипа с окружающей средой (или взаимодействие генотипа с окружающей средой или G × E) происходит, когда два разных генотипа реагируют на изменение окружающей среды по-разному. Норма реакции - это график, показывающий взаимосвязь между генами и факторами окружающей среды, когда фенотипические различия непрерывны. Они могут помочь проиллюстрировать взаимодействия GxE. Когда норма реакции не параллельна, как показано на рисунке ниже, происходит взаимодействие гена с окружающей средой. Это указывает на то, что каждый генотип реагирует на изменение окружающей среды по-разному. Вращения окружающей среды могут быть физическими, химическими, биологическими, поведенческими или жизненными событиями. Взаимодействие генов и окружающей среды изучается для лучшего понимания различных явлений. В генетической эпидемиологии взаимодействие генов и окружающей среды полезно для понимания некоторых заболеваний. Иногда чувствительность к факторам риска заболевания в окружающей среде передается по наследству, а не сама болезнь. На людей с разными генотипами воздействие одних и тех же факторов окружающей среды влияет по-разному, и, таким образом, взаимодействие генов и окружающей среды может привести к различным фенотипам заболевания. Например, воздействие солнечного света оказывает более сильное влияние на риск рака кожи у людей с светлой кожей, чем у людей с более темной кожей. Эти взаимодействия представляют особый интерес для генетических эпидемиологов для прогнозирования частоты заболеваний и методов профилактики в отношении общественного здравоохранения. Для подтверждения этих взаимодействий между генами и окружающей средой необходимо использовать статистический анализ генетических и экологических различий, способствующих фенотипу. В генетике развития причинно-следственное взаимодействие достаточно для подтверждения взаимодействия генов и окружающей среды.

История определения

История определения взаимодействия генов и окружающей среды восходит к 1930-м годам и остается предметом дискуссий и сегодня. Первый случай дебатов произошел между Рональдом Фишером и Ланселот Хогбен. Фишер стремился исключить взаимодействие из статистических исследований, поскольку это явление можно было устранить с помощью изменения масштаба. Хогбен считал, что взаимодействие следует исследовать, а не исключать, поскольку оно дает информацию о причинно-следственной связи некоторых элементов развития. Схожий аргумент столкнулся с несколькими учеными в 1970-х годах. Артур Дженсен опубликовал исследование "Насколько мы можем повысить IQ и успеваемость в школе?" которое, помимо критики, также столкнулось с спором ученых Ричарда Левонтина и Дэвида Лейзера. Левонтин и Лейзер утверждали, что для вывода причинно-следственных механизмов взаимодействие между генами и окружающей средой не может быть проигнорировано в контексте исследования, в то время как Дженсен защищал то, что взаимодействие было чисто статистическим явлением и не было связано с развитием. Примерно в то же время Кеннет Ротман поддержал использование статистического определения взаимодействия, в то время как исследователи Куппер и Хоган считали, что определение и существование взаимодействия зависят от используемой модели. Последние критические замечания были вызваны исследованиями Моффитта и Каспи по 5 HTTLPR и стрессу и его влиянию на депрессию. В отличие от предыдущих дебатов, Моффит и Каспи теперь использовали статистический анализ, чтобы доказать, что взаимодействие существует и может быть использовано для выявления механизмов признака уязвимости. Контент пришел от Замита, Оуэна и Льюиса, которые повторили озабоченность Фишера в том, что статистический эффект не был связан с процессом развития и не был бы воспроизводим с разницей в масштабе. назвал их биометрическими и развитием взаимодействия, в то время как Сесардик использует термины статистического и здравого смысла взаимодействия. Биометрическая (или статистическая) концепция берет свое начало в исследовательских программах, которые стремятся измерить относительные пропорции генетического и экологического вклада в фенотипическую вариацию внутри популяций. Взаимодействие биометрических генов и окружающей среды особенно распространено в генетике популяций и поведенческой генетике. Взаимодействие генов и окружающей среды в процессе развития - это понятие, которое чаще всего используется генетиками и психобиологами. Взаимодействие в развитии не рассматривается только как статистическое явление. Независимо от того, присутствует ли статистическое взаимодействие или нет, взаимодействие развития в любом случае проявляется в причинном взаимодействии генов и окружающей среды при производстве фенотипа индивида.

Исследования близнецов

Используя монозиготных близнецов, можно было наблюдать влияние различных сред на идентичные генотипы. В более поздних исследованиях используются методы биометрического моделирования, чтобы включить сравнение двоеродных близнецов, чтобы в конечном итоге определить различные уровни экспрессии генов в разных средах.

Взаимодействие с несколькими генами

Поскольку один и тот же фактор окружающей среды может взаимодействовать с несколькими генами, для анализа взаимодействий GxE может быть использован полигенный подход. Полигенный балл формируется с использованием аллелей, связанных с признаком, и их соответствующих весов, основанных на эффекте, и исследуется в сочетании с воздействием окружающей среды. Хотя этот метод исследования еще не в стадии разработки, он согласуется с психическими расстройствами. В результате совпадения эндофенотипов среди расстройств это предполагает, что результаты взаимодействия генов и окружающей среды применимы к различным диагнозам. Гипотеза дифференциальной восприимчивости была подтверждена с помощью подходов, охватывающих весь геном.

Отсутствие репликации

Особую озабоченность в исследованиях взаимодействия генов и окружающей среды вызывает отсутствие воспроизводимости. Исследования особенно сложных признаков подвергаются тщательному изучению за получение результатов, которые нельзя воспроизвести. Например, исследования гена 5 HTTLPR и стресса, приводящего к измененному риску депрессии, имели противоречивые результаты.

Медицинское значение

Врачи хотят знать, можно ли предотвратить болезни, уменьшив воздействие вредных веществ. Некоторые люди переносят генетические факторы, которые придают им подверженность или устойчивость к определенному заболеванию в определенной среде. Взаимодействие между генетическими факторами и стимулами окружающей среды приводит к фенотипу заболевания. Использование взаимодействия генов и окружающей среды для профилактики или лечения заболеваний может иметь значительные преимущества для общественного здравоохранения. Ответ индивида на лекарство может быть результатом различных взаимодействий генов с окружающей средой. Эта информация также может помочь предотвратить расходы на здравоохранение, связанные с побочными реакциями на лекарства и неудобным назначением лекарств пациентам, которые, вероятно, не будут реагировать на них. Доступен каталог генетических вариантов, которые связаны с этими и связанными с ними кардиометаболическими фенотипами и модифицированы общими факторами окружающей среды. И наоборот, исследование заболеваний с использованием рака молочной железы, диабета 2 типа и ревматоидного артрита показывает, что включение взаимодействий GxE в модель прогнозирования риска не улучшает идентификацию риска.

Примеры

В Drosophila: классический пример взаимодействия генов и окружающей среды был выполнен на Drosophila Гупта и Левонтин в 1981 году. В своем эксперименте они показали, что среднее количество щетинок у дрозофилы может изменяться с изменением температуры. Как видно на графике справа, различные генотипы по-разному реагировали на изменение окружающей среды. Каждая линия представляет данный генотип, а наклон линии отражает изменяющийся фенотип (число щетины) с изменением температуры. У некоторых людей увеличилось количество щетинок с повышением температуры, в то время как у других резко уменьшилось количество щетинок с повышением температуры. Это показало, что нормы реакции не были параллельными для этих мух, доказывая, что существуют взаимодействия генов и окружающей среды. В растениях: Одним из очень интересных подходов к генотипу по стратегии взаимодействия с окружающей средой является его использование при выборе культиваторов сахарного тростника, адаптированных к различным средам. В этой статье они проанализировали двадцать генотипов сахарного тростника, выращенных в восьми разных местах в течение двух циклов урожая, чтобы определить мега-среды, связанные с более высокой урожайностью тростника, измеряемой в тоннах тростника на гектар (ТЦХ) и проценте сахарозы (Pol% тростника) с использованием биплотных многовариантных моделей ГЭИ. Затем авторы создали новую стратегию изучения обеих переменных доходности в двухсторонней сопряженной стратегии, хотя результаты показали среднюю отрицательную корреляцию. Благодаря анализу коинерции удалось определить наиболее подходящие генотипы для обеих переменных урожайности во всех средах. Использование этих новых стратегий, таких как коинерция в GEI, оказалось отличным анализом дополнения к AMMI и GGE, особенно когда улучшение урожайности подразумевает несколько переменных урожайности. Было собрано семь генетически различных растений и взято три отрезка от каждого растения. Один отрез каждого генотипа был посажен на низкой, средней и высокой высотах соответственно. Когда растения созрели, ни один генотип не рос лучше всех на разных высотах, и на каждой высоте семь генотипов росли по-разному. Например, один генотип рос самый высокий на средней высоте, но достиг только средней высоты на двух других высотах. Лучшие производители на низкой и высокой высоте плохо росли на средней высоте. Средняя высота дала худшие результаты, но все же получили один высокий и два средних высоких образца. Высота влияет на каждый генотип, но не в одинаковой степени и не одинаковым образом. В течение многих лет в семи различных географических регионах неоднократно выращивалась популяция сорго. Группе генотипов требуется одинаковый день роста (GDD) для цветения во всех средах, в то время как другой группе генотипов требуется меньше GDD в определенных средах, но более высокий GDD в различных средах для цветения. Сложные модели времени цветения объясняются взаимодействием основных генов времени цветения (Ma1, Ma6, FT, ELF3) и явного фактора окружающей среды, фототермального времени (PTT), улавливающего взаимодействие между температурой и фотопериодом. Фенилкетонурия (PKU) - это генетическое заболевание человека, вызванное мутациями в гене, кодирующем определенный фермент печени. При отсутствии этого фермента аминокислота, известная как фенилаланин, не превращается в следующую аминокислоту биохимическим путем, и поэтому слишком много фенилаланина проходит в кровь и другие ткани. Это нарушает развитие мозга, что приводит к умственной отсталости и другим проблемам. В США примерно 1 из 15 000 младенцев страдает от ПКУ. Новорожденных, у которых обнаружены высокие уровни фенилаланина в крови, можно назначать на специальную диету, не содержащую фенилаланина. Если их сразу же подключить к этой диете и придерживаться ее, эти дети избегают тяжелых последствий ФКУ. Этот пример показывает, что изменение окружающей среды (снижение потребления фенилаланина) может повлиять на фенотип определенной черты, демонстрируя взаимодействие гена и окружающей среды. Одиночный нуклеотидный полиморфизм rs1800566 в NAD(P) H хинонодегидрогеназе 1 (NQO1) изменяет риск развития астмы и общей травмы легких при взаимодействии с загрязняющими веществами NOx у людей с этой мутацией. Функциональный полиморфизм в промоторе гена моноаминооксидазы А (МАОА) может смягчить связь между ранней травмой и повышенным риском насилия и антисоциального п...