genotyp

Genotyp — zespół wszystkich genów stanowiących kompletną informację genetyczną danego osobnika i determinujących, wraz z czynnikami środowiskowymi, całokształt swoistych cech anatomicznych, morfologicznych, fizjologicznych, biochemicznych bądź behawioralnych tego osobnika (tzw. fenotyp). Genotyp definiowany jest jako sparowany układ alleli jednego lub kilku genów zajmujących określone miejsce na chromosomie (tzw. locus), odpowiedzialnych za wytworzenie konkretnej cechy fenotypowej (np. barwy kwiatów grochu zwyczajnego; liczby nasion kukurydzy; barwy tła i układu pasków na muszli ślimaka; umaszczenia kota domowego; wysokości ciała, koloru oczu i włosów bądź podatności na choroby u człowieka). Badanie zależności między genotypami i determinowanymi przez nie cechami fenotypowymi umożliwia przewidywanie oddziaływania poszczególnych genów, co wykorzystywane jest m.in. w selektywnej hodowli roślin i zwierząt użytkowych, ocenie ryzyka zapadalności na choroby (np. choroby nowotworowe), farmakogenetyce i diagnostyce chorób genetycznych.

Właściwości genotypu

Genotyp (gr. génos – rasa, potomstwo + týpos – wzór, norma) definiowany jest jako zespół genów chromosomowych stanowiących kompletną informację genetyczną danego osobnika, współdziałający z czynnikami środowiskowymi w determinacji całokształtu swoistych cech wyróżniających tego osobnika (tzw. fenotypu). Genotyp występuje u wszystkich organizmów żywych posiadających materiał genetyczny (bakterii, protistów, grzybów, roślin, zwierząt), przy czym każdy z tych organizmów charakteryzuje się unikalnym zbiorem stanowiących go genów (z wyjątkiem bliźniąt jednojajowych o identycznej konstrukcji genetycznej). Termin „genotyp” został wprowadzony przez duńskiego botanika Wilhelma Johannsena w 1903 r.

Genotyp definiowany jest jako sparowany układ alleli jednego lub kilku genów zlokalizowany w określonym miejscu w obrębie chromosomu homologicznego (tzw. locus), odpowiedzialny za wytwarzanie konkretnej cechy fenotypowej u danego osobnika (np. długości łodyg, barwy kwiatów i strąków czy kształtu nasion grochu zwyczajnego; liczby nasion w kolbie kukurydzy; barwy tła i układu pasów na muszli ślimaka; wzoru umaszczenia kota domowego; wysokości ciała, koloru oczu i włosów, kształtu uszu, grupy krwi i podatności na choroby u człowieka).

Organizmy żywe, w zależności od rodzaju alleli obecnych w określonym locus chromosomu homologicznego, mogą wykazywać następujące warianty genotypów:

• genotyp homozygotyczny – organizmy (homozygoty) posiadające parę identycznych alleli danego genu – allele dominujące (AA) (np. allele fioletowej barwy kwiatów grochu) lub allele recesywne (aa) (np. allele białej barwy kwiatów grochu);
• genotyp heterozygotyczny – organizmy (heterozygoty) posiadające parę różnych alleli danego genu – jeden allel dominujący (A) (np. allel fioletowej barwy kwiatów grochu) i jeden allel recesywny (a) (np. allel białej barwy kwiatów grochu).

Homozygoty (dominujące i recesywne) są czystej linii, gdyż wszystkie wytwarzane przez nie gamety zawierają te same allele (A lub a), a powstałe w wyniku ich skrzyżowania potomstwo jest jednolite pod względem genotypowym (Aa) i fenotypowym (fioletowa barwa kwiatów). Heterozygoty nie są czystej linii, ponieważ wytwarzają gamety zawierające różne allele (A i a), w związku z czym powstałe z ich skrzyżowania potomstwo jest zróżnicowane zarówno pod względem genotypowym (AA, Aa, aa), jak i fenotypowym (fioletowa i biała barwa kwiatów).

Zróżnicowanie genotypowe i fenotypowe potomstwa otrzymanego w wyniku krzyżówki osobników homozygotycznych i heterozygotycznych grochu zwyczajnego (Pisum sativum). Autor: Kicky_princess/shutterstock.com

Zależności między genotypem i fenotypem

Fenotyp (gr. phaínomai – przejawiać się + týpos – wzór, norma) stanowi zespół swoistych cech anatomicznych, morfologicznych, fizjologicznych, biochemicznych i behawioralnych wyróżniających danego osobnika, który determinowany jest wzajemnym oddziaływaniem jego konstrukcji genetycznej (genotypu) i czynników środowiskowych (np. rodzaju i ilości dostępnego pożywienia, warunków klimatycznych, stopnia zanieczyszczenia środowiska, obecności patogenów, ekspozycji na promieniowanie i szkodliwe substancje chemiczne). Genotyp danego osobnika wyznacza więc zakres możliwości wytworzenia określonych cech fenotypowych, którego realizacja zależy od oddziaływania jego najbliższego otoczenia.

Zależności pomiędzy układem alleli jednego lub kilku genów i determinowanym przez niego fenotypem obejmują:

• zupełną dominację jednego z alleli (allelu dominującego) nad drugim allelem w parze (allelem recesywnym) – fenotyp heterozygoty (Aa) jest identyczny z fenotypem homozygoty dominującej (AA) (np. fioletowa barwa kwiatów grochu, brązowy kolor oczu człowieka); cechy recesywne ujawniają się w fenotypie pod nieobecność allelu dominującego (np. biała barwa kwiatów grochu, niebieski kolor oczu człowieka);
• niezupełną dominację alleli – fenotyp heterozygoty (Aa) jest pośredni w stosunku do fenotypów homozygoty dominującej (AA) i homozygoty recesywnej (aa); np. różowa barwa kwiatów osobników heterozygotycznych dziwaczka (Mirabilis jalapa) i wyżlina większego, tzw. lwiej paszczy (Antirrhinum majus) stanowi cechę pośrednią między czerwoną i białą barwą kwiatów osobników homozygotycznych;
• kodominację alleli (dopełnianie się alleli) – fenotyp heterozygoty determinowany jest przez dwa równorzędne allele danego genu; np. grupa krwi AB w układzie grupowym krwi AB0 (allele I^A i I^B), grupa krwi MN w układzie grupowym krwi MN (allele M i N), umaszczenie dereszowate (czerwono-białe) u koni i bydła (allele R i W), umaszczenie szylkretowe (rudo-czarne) u samic kota domowego (allele X^O i X^o);
• allele wielokrotne – cecha fenotypowa w populacji jest determinowana przez więcej niż dwie formy alleliczne pojedynczego genu (tzw. allele wielokrotne); np. ludzkie grupy krwi układu grupowego AB0 (A, B, AB, 0) determinowane są przez trzy allele pojedynczego genu (I^A, I^B, i); podstawowe typy umaszczenia królików warunkowane są przez trzy allele pojedynczego genu (B, b^h, b);
• plejotropię – dwie lub większa ilość cech fenotypowych determinowana jest przez parę alleli pojedynczego genu; np. barwa kwiatów i kolor osłonki na powierzchni nasiona grochu zwyczajnego; zespół objawów związanych z chorobami dziedzicznymi człowieka (fenyloketonurią, mukowiscydozą, niedokrwistością sierpowatokrwinkową);
• epistazę – ujawnienie się cechy fenotypowej determinowanej przez allele danego genu zależy od fenotypowej ekspresji drugiego genu zlokalizowanego w innym locus na chromosomie; np. ekspresja genu decydującego o odkładaniu się pigmentu (E/e) warunkuje ekspresję genu determinującego barwę sierści u labradorów (B/b);
• dziedziczenie poligeniczne – pojedyncza cecha fenotypowa determinowana jest przez ekspresję alleli dwóch lub większej ilości genów; np. dziedziczenie kształtu i struktury skrzydeł; liczby szczecinek czuciowych u muszki owocowej (Drosophila melanogaster); dziedziczenie wzrostu, odcienia skóry, koloru oczu i włosów u człowieka.

Cechy fenotypowe ujawniające się u osobników o takim samym genotypie mogą się istotnie różnić w zależności od warunków środowiskowych, w których przebiegał ich rozwój. Zakres zmienności (tzw. plastyczności) fenotypów wytwarzanych przez genotyp, określany mianem normy reakcji, stanowi podstawowy mechanizm umożliwiający przystosowanie organizmów do zmian zachodzących w ich otoczeniu. Przykłady plastyczności fenotypowej obejmują m.in. różnopostaciowość liści roślin wodnych (tzw. heterofilię), wykształcanie form uskrzydlonych w warunkach przegęszczenia populacji u mszyc grochowych (Acyrthosiphon pisum).

Niezupełna dominacja alleli u heterozygot dziwaczka (Mirabilis jalapa). Autor: VectorMine/shutterstock.com

Zmienność genetyczna

Poziom zmienności genetycznej, czyli różnice w składzie genów i innych sekwencji DNA występujące między osobnikami w obrębie danej populacji, określany jest z wykorzystaniem współczynnika różnorodności genetycznej. Może być on definiowany jako względna częstość alleli genu w danym locus chromosomu, względna częstość poszczególnych genotypów w populacji, średni odsetek loci chromosomowych zawierających dwa różne allele danego genu (tzw. poziom heterozygotyczności) lub zróżnicowanie cech fenotypowych między osobnikami danej populacji wynikające z odmiennego składu ich genów (tzw. wariancja genetyczna).

Zależność pomiędzy częstością alleli genów i częstością genotypów w populacji przy braku określonych czynników zaburzających ilustruje prawo Hardy’ego-Weinberga. Zgodnie z jego założeniami, częstości dwóch alleli w danym locus wynoszą p (częstość allelu dominującego, A) i q (częstość allelu recesywnego, a) (p + q = 1) i nie zmieniają się z pokolenia na pokolenie, natomiast rozkład częstości genotypów w populacji zależy od częstości tych alleli i można go przedstawić w następującej postaci:

gdzie:

– p² – stanowi częstość homozygot dominujących (AA),

– 2pq- stanowi częstość heterozygot  (Aa),

– q² stanowi częstość homozygot recesywnych (aa).

Częstości alleli w danym locus i częstości genotypów w populacji utrzymują się na stałym poziomie, a populacja znajduje się w stanie równowagi genetycznej (równowagi Hardy’ego-Weinberga), jeżeli spełnione są następujące warunki:

• duża liczebność populacji – liczba osobników musi być na tyle duża, by wyeliminować ryzyko wystąpienia zdarzeń zaburzających częstość alleli (np. dryfu genetycznego);
• losowe kojarzenia w populacji (tzw. panmiksja) – w populacji musi istnieć takie samo prawdopodobieństwo kojarzenia się osobników o różnych genotypach;
• brak presji mutacyjnej – w populacji nie mogą występować mutacje, czyli losowe zmiany materiału genetycznego, przyczyniające się do zmiany częstości alleli;
• brak przepływu genów – osobniki nie mogą migrować pomiędzy populacjami, co zapobiega wymianie genów zmieniającej częstości alleli i genotypów;
• brak doboru naturalnego – nie działają mechanizmy zmieniające częstość alleli, gdyż nie występują różnice w przeżywalności i rozrodczości pomiędzy genotypami.

Idealna populacja spełniająca wszystkie założenia prawa Hardy’ego-Weinberga cechuje się stałą częstością alleli i genotypów, w związku z czym w jej obrębie nie mogą zachodzić żadne procesy ewolucyjne zmieniające skład jej puli genowej. W większości naturalnych populacji działają jednak czynniki przyczyniające się do zmiany częstości określonych alleli i genotypów oraz zaburzenia równowagi Hardy’ego-Weinberga. Do czynników tych należą m.in. nielosowe kojarzenia (np. chow wsobny), mała liczebność populacji, losowe zmiany częstości alleli (dryf genetyczny), przepływ genów między populacjami (migracje) mutacje oraz dobór naturalny.

Prawo Hardy’ego-Weinberga. Autor: Bany’s beautiful art/shutterstock.com

Metody badania genotypu i ich praktyczne zastosowania

Genotypowanie (ang. genotyping) jest terminem obejmującym szereg metod badawczych umożliwiających analizę niewielkich różnic w sekwencji nukleotydowej określonych rejonów DNA, m.in. wariantów genów (alleli) zlokalizowanych w tym samym locus na chromosomie, które mogą być wynikiem mutacji (np. insercji lub delecji pojedynczych nukleotydów) bądź zjawiska polimorfizmu pojedynczego nukleotydu (SNP, ang. single nucleotide polymorphism). Identyfikacja genotypów różnych organizmów i badanie determinowanych przez nie cech fenotypowych odbywa się z wykorzystaniem technik molekularnych, jak reakcja łańcuchowa polimerazy (PCR, ang. polymerase chain reaction), hybrydyzacja z mikromacierzami DNA, sekwencjonowanie DNA, testy allelowe z sondami oligonukleotydowymi specyficznymi dla alleli (ASO, ang. allele-specific oligonucleotide) i analiza polimorfizmu długości fragmentów restrykcyjnych genomowego DNA (RFLP, ang. restriction fragments length polymorphism).

Badanie zależności między genotypami i warunkowanymi przez nie cechami fenotypowymi umożliwia przewidywanie efektów oddziaływania genów, co ma powszechne zastosowanie w badaniach i diagnostyce klinicznej, medycynie, farmakogenetyce bądź rolnictwie. Techniki genotypowania umożliwiają ocenę ryzyka zapadalności na niektóre choroby (np. choroby układu krążenia, nowotwory), tworzenie spersonalizowanych leków bądź dobór optymalnej terapii dla konkretnych pacjentów. Genotypowanie jest także istotne w diagnostyce chorób genetycznych (np. mukowiscydozy, niedokrwistości sierpowatokrwinkowej). W diagnostyce klinicznej stosowane jest w badaniach odporności szczepów bakteryjnych na antybiotyki lub monitoringu rozprzestrzeniania się wariantów wirusa w populacji (np. wirusa SARS-CoV-2). Genotypowanie wykorzystywane jest również w selektywnej hodowli roślin i zwierząt w celu zwiększenia ich wartości użytkowej (np. plenności, odporności na patogeny i szkodniki).

Dziedziczenie mukowiscydozy. Autor: Zuzanae/shutterstock.com

Bibliografia:

1. Biologia molekularna – krótkie wykłady, Phil C. Turner, Alexander G. McLennan, Andy D. Bates, Mike R.H. White, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2011.
2. Biologia, Eldra Pearl Solomon, Linda R. Berg, Diana W. Martin, Claude A. Villee, Multico Oficyna Wydawnicza, Warszawa 1996.
3. Encyklopedia biologiczna T. III, VIII, Zdzisława Otałęga (red. nacz.), Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1998-1999.
4. Genetyka – krótkie wykłady, Hugh Fletcher, Ivor Hickey, Paul Winter, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2013.
5. Genomy, Terry A. Brown, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009.
6. Ewolucja, Douglas Futuyma, Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2008.
7. Biologia Campbella, Jane B. Reece, Lisa E. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson, Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2020.
8. Concepts of Genetics, William Klug, Michael Cummings, Charlotte Spencer, Michael Palladino, Darrell Killian, Pearson 2019.