Genotyp a fenotyp – czym są i jakie mają właściwości?

Dlaczego pacjenci z tą samą mutacją genową chorują inaczej i w jaki sposób najlepiej ich leczyć?

Genotyp, czyli pula wszystkich genów, obecnych w materiale genetycznym danego osobnika decyduje przede wszystkim o tym, jakie białka jest on w stanie produkować. To, w jaki sposób ta informacja przekłada się na powstawanie określonych cech budowy lub fizjologii nie zawsze jednak jest jednoznaczne i może zależeć od tego, w jakich warunkach rozwija się dany organizm. Choć w genach zapisane są wszystkie instrukcje dotyczące tego, jak mamy wyglądać i na jakie choroby możemy zachorować, to na to jaki mamy fenotyp lub jak u różnych osób manifestuje się ta sama choroba, wpływa również środowisko i styl życia, a także inne, nie poznane jeszcze do końca czynniki, pozostające w obszarze badań naukowych.

Co to jest genotyp?

Genotyp jest to pełen zestaw genów, które posiada dany organizm. Swój genotyp mają wszystkie istoty żywe, wyposażone w materiał genetyczny- od bakterii, przez rośliny i zwierzęta, na człowieku oczywiście kończąc. Genotyp, zawierający kompletną informację genetyczną, współdziałając ze środowiskiem zewnętrznym, odpowiada za wszystkie cechy organizmu, nazywane inaczej fenotypem, zarówno te dotyczące budowy i wyglądu, jak i fizjologii, czy skłonności do chorób.

Zestaw cech, zapisany w genach jest unikalny dla danego osobnika. Dotyczy to także ludzi- poza bliźniętami jednojajowymi, nie ma na świecie dwóch osób o identycznym genotypie.

Co to jest fenotyp?

Fenotyp jest to zestaw wszystkich cech, wykształconych w trakcie rozwoju danego organizmu, które można opisać i skategoryzować. Stanowi on zewnętrzny przejaw aktywności genów, czyli genotypu. Typowymi cechami fenotypowymi są cechy morfologiczne, czyli budowa ciała, wzrost, waga, kolor włosów i oczu, odcień skóry, kształt uszu lub innych części ciała. Duża część fenotypu osobnika nie jest jednak widoczna na pierwszy rzut oka. Skłonność do chorób, zwłaszcza genetycznych, grupa krwi, płodność, czy temperament również zależą od tego, co znajduje się w genach i wchodzą w skład fenotypu.

Fenotyp kształtowany jest zarówno przez genotyp, jak i warunki środowiskowe. Czynniki takie jak: rodzaj i ilość dostępnego pożywienia, klimat, stopień zanieczyszczenia środowiska, narażenie na stres, promieniowanie, czy niektóre substancje chemiczne, mogą wpływać na to, w jaki sposób rozwinie się dana cecha, zapisana w genotypie. Przykładem cechy zależnej w dużym stopniu od środowiska jest np. wzrost. Choć dzieci wysokich rodziców są najczęściej obdarzone predyspozycjami do równie wysokiego wzrostu, to jeżeli wychowują się w warunkach ograniczonego dostępu do składników odżywczych lub palą papierosy w okresie dojrzewania, to mogą nie osiągnąć genetycznie zaprogramowanej maksymalnej wysokości ciała.

Zależności między genotypem a fenotypem w przypadku wielu cech mogą być bardzo złożone i wciąż stanowią przedmiot badań naukowych.

Jednym z ważniejszych przykładów takich zależności jest np. występowanie dziedzicznych postaci chorób nowotworowych, związanych z mutacjami w genach BRCA1 i BRCA2. Osoby, w rodzinie których pojawiały się przypadki nowotworów piersi lub jajnika, mogą być nosicielami mutacji w obrębie jednego z tych genów. Fakt posiadania takiej mutacji nie oznacza jednak, że dana osoba z całą pewnością zachoruje na raka. Ma ona jedynie zwiększone predyspozycje do tych typów nowotworów, a to czy zachoruje zależy od udziału szeregu innych czynników, zwłaszcza czynników środowiskowych.

Plastyczność fenotypowa

Relacje pomiędzy genotypem a fenotypem są czasami nazywane plastycznością fenotypową. O plastyczności mówi się najczęściej w kontekście dwóch przypadków. Po pierwsze w sytuacji, gdy z tego samego genotypu powstają różne fenotypy, po drugie- gdy dwa organizmy o bardzo podobnych cechach fenotypowych, okazują się mieć zupełnie inne genotypy.

Zjawisko plastyczności fenotypowej jest podstawowym mechanizmem umożliwiającym osobnikom adaptację do środowiska, w którym przyszło im żyć. Dzięki plastyczności możliwe jest wytworzenie kilku odmiennych fenotypów na bazie jednego genotypu, w zależności od tego jakie czynniki zewnętrzne oddziaływują na dany organizm. Umożliwia to optymalne przystosowanie się do warunków środowiskowych i wytworzenie takiego fenotypu, który będzie najkorzystniejszy dla osobnika.

Dodatkowo, duża część cech człowieka jest determinowana przez więcej niż jeden gen- jest to tzw. dziedziczenie wielogenowe. Przykładami dziedziczonych w ten sposób cech są m. in.: barwa oczu, kolor i struktura włosów, prawo- i leworęczność, masa ciała, wzrost, czy stężenie cholesterolu we krwi. Cechy te są szczególnie podatne na wpływ środowiska i zjawisko plastyczności fenotypowej.

Genotyp i fenotyp w badaniach genetycznych

Poza plastycznością fenotypową, na fenotyp mogą również wpływać mutacje, czyli nieprawidłowe zmiany, zachodzące w materiale genetycznym. Zmiany te mogą prowadzić do powstawania nieprawidłowych form białek, kodowanych przez zmutowane geny, w wyniku czego dochodzi do chorób genetycznych lub powstawania wad wrodzonych. Część mutacji może być dziedziczona z pokolenia na pokolenie, część zaś powstaje już w trakcie życia danego osobnika.

Choroby genetyczne, nawet w obrębie tej samej jednostki chorobowej, mogą różnić się w zakresie obserwowanych i zgłaszanych przez pacjenta objawów, a ich nasilenie może być zmienne nawet w obrębie członków tej samej rodziny. Choć zjawisko to może przypominać efekty wynikające z plastyczności fenotypowej, to ich prawdziwą przyczyną jest tzw. zmienna penetracja mutacji  lub  różnice w ekspresji genu.

Penetracja mutacji genu jest to częstość występowania określonej cechy, czyli objawu choroby, w populacji wszystkich nosicieli zmutowanego genu. W przypadku niektórych chorób penetracja jest 100%-owa, co oznacza, że wszyscy nosiciele zmiany w materiale genetycznym chorują na daną jednostkę chorobową, natomiast w przypadku innych- mniejsza, czyli niepełna. Na zmniejszenie penetracji mutacji mogą wpływać m. in. czynniki środowiskowe- w tym także styl życia pacjenta, a istnienie tego zjawiska znacznie utrudnia proces diagnostyki genetycznej  i przewidywania ryzyka choroby u dzieci i innych krewnych badanej osoby.

Ekspresja genu określa z jaką częstotliwością dany gen manifestuje się w postaci cechy fenotypowej. Jeżeli ekspresja genu związanego z chorobą genetyczną jest zmienna, to nosiciele tej samej mutacji genetycznej, mogą wykazywać odmienne objawy choroby, o zupełnie innym nasileniu. Przykładami chorób, w których występuje to zjawisko są m. in. zespół Marfana, nerwiakowłókniakowatość typu I, holoprozencefalia, czy zespół Van der Woude. Zarówno niepełna penetracja, jak i zmienna ekspresja genu, są czynnikami utrudniającymi rozpoznawanie chorób genetycznych oraz prawidłową interpretację wyników badań genetycznych, którym są poddawani pacjenci. Dlatego tak ważne jest, aby przy wyborze badań i analizowaniu wyników zawsze konsultować się z doświadczonym lekarzem– specjalistą genetyki klinicznej TUTAJ.