En genética , el fenotipo (del griego antiguo φαίνω ( phaínō ) 'aparecer, mostrar', y τύπος ( túpos ) 'marcar, tipo') es el conjunto de características o rasgos observables de un organismo . [1] [2] El término cubre la morfología del organismo (forma y estructura física), sus procesos de desarrollo , sus propiedades bioquímicas y fisiológicas, su comportamiento y los productos del comportamiento. El fenotipo de un organismo resulta de dos factores básicos: la expresión del código genético de un organismo (su genotipo ) y la influencia de factores ambientales. Ambos factores pueden interactuar, afectando aún más el fenotipo. Cuando en una misma población de una especie existen dos o más fenotipos claramente diferentes, la especie se denomina polimórfica . Un ejemplo bien documentado de polimorfismo es la coloración del Labrador Retriever ; Si bien el color del pelaje depende de muchos genes, se ve claramente en el medio ambiente como amarillo, negro y marrón. Richard Dawkins en 1978 [3] y luego nuevamente en su libro de 1982 The Extended Phenotype sugirió que se pueden considerar los nidos de pájaros y otras estructuras construidas, como las cajas de larvas de mosca caddis y las presas de castores, como "fenotipos extendidos".
Wilhelm Johannsen propuso la distinción genotipo-fenotipo en 1911 para dejar clara la diferencia entre el material hereditario de un organismo y lo que ese material hereditario produce. [4] [5] La distinción se asemeja a la propuesta por August Weismann (1834-1914), quien distinguió entre plasma germinal (herencia) y células somáticas (el cuerpo). Más recientemente, en The Selfish Gene (1976), Dawkins distinguió estos conceptos como replicadores y vehículos.
A pesar de su definición aparentemente sencilla, el concepto de fenotipo tiene sutilezas ocultas. Puede parecer que todo lo que depende del genotipo es un fenotipo, incluidas moléculas como el ARN y las proteínas . La mayoría de las moléculas y estructuras codificadas por el material genético no son visibles en la apariencia de un organismo, sin embargo, son observables (por ejemplo mediante transferencia Western ) y, por lo tanto, son parte del fenotipo; Los grupos sanguíneos humanos son un ejemplo. Puede parecer que esto va más allá de las intenciones originales del concepto con su enfoque en el organismo (vivo) en sí mismo. De cualquier manera, el término fenotipo incluye rasgos inherentes o características que son observables o rasgos que pueden hacerse visibles mediante algún procedimiento técnico.
El término "fenotipo" a veces se ha utilizado incorrectamente como abreviatura de la diferencia fenotípica entre un mutante y su tipo salvaje , lo que llevaría a la afirmación falsa de que una "mutación no tiene fenotipo". [6]
Las conductas y sus consecuencias también son fenotipos, ya que las conductas son características observables. Los fenotipos conductuales incluyen patrones cognitivos, de personalidad y de comportamiento. Algunos fenotipos de comportamiento pueden caracterizar trastornos psiquiátricos [7] o síndromes. [8] [9]
Un fenómeno es el conjunto de todos los rasgos expresados por una célula , tejido , órgano , organismo o especie . El término fue utilizado por primera vez por Davis en 1949: "Proponemos aquí el nombre de fenómeno para la suma total de porciones extragénicas y no autorreproductivas de la célula, ya sean citoplasmáticas o nucleares. El fenoma sería la base material del fenotipo, así como el genoma es la base material del genotipo ". [10]
Aunque el fenoma se ha utilizado durante muchos años, la distinción entre el uso del fenoma y el fenotipo es problemática. Mahner y Kary propusieron una definición para ambos términos en 1997 como la "totalidad física de todos los rasgos de un organismo o de uno de sus subsistemas", quienes sostienen que aunque los científicos tienden a usar intuitivamente estos y términos relacionados de una manera eso no impide la investigación, los términos no están bien definidos y el uso de los términos no es consistente. [11]
Algunos usos del término sugieren que el fenómeno de un organismo determinado se entiende mejor como una especie de matriz de datos que representa la manifestación física del fenotipo. Por ejemplo, las discusiones dirigidas por A. Varki entre quienes habían utilizado el término hasta 2003 sugirieron la siguiente definición: "El conjunto de información que describe los fenotipos de un organismo, bajo la influencia de factores genéticos y ambientales". [12] Otro equipo de investigadores caracteriza "el fenómeno humano [como] un espacio de búsqueda multidimensional con varios niveles neurobiológicos, que abarca el proteoma, los sistemas celulares (por ejemplo, vías de señalización), los sistemas neuronales y los fenotipos cognitivos y conductuales". [13]
Los biólogos vegetales han comenzado a explorar el fenómeno en el estudio de la fisiología vegetal. [14]
En 2009, un equipo de investigación demostró la viabilidad de identificar asociaciones genotipo-fenotipo utilizando registros médicos electrónicos (EHR) vinculados a biobancos de ADN . Llamaron a este método estudio de asociación de fenómenos completos (PheWAS). [15]
Inspirándose en la evolución del genotipo al genoma y al pangenoma , en 2023 se propuso un concepto para explorar la relación, en última instancia, entre el panfenoma, el pangenoma y el panambiente . [16]
La variación fenotípica (debida a una variación genética hereditaria subyacente ) es un prerrequisito fundamental para la evolución por selección natural . Es el organismo vivo en su conjunto el que contribuye (o no) a la siguiente generación, por lo que la selección natural afecta la estructura genética de una población indirectamente a través de la contribución de los fenotipos. Sin variación fenotípica no habría evolución por selección natural. [17]
La interacción entre genotipo y fenotipo a menudo se ha conceptualizado mediante la siguiente relación:
Una versión más matizada de la relación es:
Los genotipos suelen tener mucha flexibilidad en la modificación y expresión de los fenotipos; en muchos organismos estos fenotipos son muy diferentes en diferentes condiciones ambientales. La planta Hieracium umbellatum crece en dos hábitats diferentes en Suecia. Un hábitat son los acantilados rocosos junto al mar , donde las plantas son tupidas con hojas anchas e inflorescencias expandidas ; el otro está entre dunas de arena donde las plantas crecen postradas con hojas estrechas e inflorescencias compactas. Estos hábitats se alternan a lo largo de la costa de Suecia y el hábitat en el que aterrizan las semillas de Hieracium umbellatum determina el fenotipo que crece. [18]
Un ejemplo de variación aleatoria en las moscas Drosophila es el número de omatidios , que pueden variar (al azar) entre los ojos izquierdo y derecho de un solo individuo tanto como lo hacen entre diferentes genotipos en general, o entre clones criados en diferentes ambientes. [ cita necesaria ]
El concepto de fenotipo puede extenderse a variaciones por debajo del nivel del gen que afectan la aptitud de un organismo. Por ejemplo, las mutaciones silenciosas que no cambian la secuencia de aminoácidos correspondiente de un gen pueden cambiar la frecuencia de los pares de bases guanina - citosina ( contenido de GC ). Estos pares de bases tienen una mayor estabilidad térmica ( punto de fusión ) que la adenina - timina , una propiedad que podría transmitir, entre los organismos que viven en ambientes de alta temperatura, una ventaja selectiva sobre las variantes enriquecidas en contenido de GC. [ cita necesaria ]
Richard Dawkins describió un fenotipo que incluía todos los efectos que un gen tiene en su entorno, incluidos otros organismos, como un fenotipo extendido, argumentando que "el comportamiento de un animal tiende a maximizar la supervivencia de los genes 'para' ese comportamiento, ya sea que esos genes sean o no Los genes resultan estar en el cuerpo del animal en particular que lo realiza". [3] Por ejemplo, un organismo como un castor modifica su entorno construyendo una presa de castores ; esto puede considerarse una expresión de sus genes , al igual que lo son sus dientes incisivos , que utiliza para modificar su entorno. De manera similar, cuando un pájaro se alimenta de un parásito de cría , como un cuco , está extendiendo involuntariamente su fenotipo; y cuando los genes de una orquídea afectan el comportamiento de las abejas de las orquídeas para aumentar la polinización, o cuando los genes de un pavo real afectan las decisiones copuladoras de las pavas, nuevamente, el fenotipo se está ampliando. En opinión de Dawkins, los genes se seleccionan por sus efectos fenotípicos. [19]
Otros biólogos coinciden en general en que el concepto de fenotipo extendido es relevante, pero consideran que su papel es en gran medida explicativo, en lugar de ayudar en el diseño de pruebas experimentales. [20]
Los fenotipos están determinados por una interacción de genes y el medio ambiente, pero el mecanismo para cada gen y fenotipo es diferente. Por ejemplo, un fenotipo albino puede ser causado por una mutación en el gen que codifica la tirosinasa , que es una enzima clave en la formación de melanina . Sin embargo, la exposición a la radiación ultravioleta puede aumentar la producción de melanina, por lo que el medio ambiente también influye en este fenotipo. Para la mayoría de los fenotipos complejos, el mecanismo genético preciso sigue siendo desconocido. Por ejemplo, no está claro cómo los genes determinan la forma de los huesos o del oído humano. [ cita necesaria ]
La expresión genética juega un papel crucial en la determinación de los fenotipos de los organismos. El nivel de expresión genética puede afectar el fenotipo de un organismo. Por ejemplo, si un gen que codifica una enzima particular se expresa en niveles altos, el organismo puede producir más de esa enzima y, como resultado, exhibir un rasgo particular. Por otro lado, si el gen se expresa en niveles bajos, el organismo puede producir menos enzima y exhibir un rasgo diferente. [22]
La expresión genética está regulada en varios niveles y, por lo tanto, cada nivel puede afectar ciertos fenotipos, incluida la regulación transcripcional y postranscripcional.
Los cambios en los niveles de expresión genética pueden verse influenciados por una variedad de factores, como las condiciones ambientales, las variaciones genéticas y las modificaciones epigenéticas . Estas modificaciones pueden verse influenciadas por factores ambientales como la dieta, el estrés y la exposición a toxinas, y pueden tener un impacto significativo en el fenotipo de un individuo. Algunos fenotipos pueden ser el resultado de cambios en la expresión genética debidos a estos factores, más que de cambios en el genotipo. Un experimento que involucre métodos de aprendizaje automático que utilicen la expresión genética medida a partir de la secuenciación de ARN puede contener suficiente señal para separar a los individuos en el contexto de la predicción del fenotipo. [23]
Aunque un fenotipo es el conjunto de características observables que muestra un organismo, la palabra fenómeno a veces se utiliza para referirse a un conjunto de rasgos, mientras que el estudio simultáneo de dicho conjunto se denomina fenómica . [24] [25] La fenómica es un campo de estudio importante porque puede usarse para descubrir qué variantes genómicas afectan los fenotipos que luego pueden usarse para explicar cosas como la salud, la enfermedad y la aptitud evolutiva. [26] La fenómica forma una gran parte del Proyecto Genoma Humano . [27]
La fenómica tiene aplicaciones en la agricultura. Por ejemplo, las variaciones genómicas, como la resistencia a la sequía y al calor, pueden identificarse mediante la fenómica para crear OGM más duraderos. [28] [29]
La fenómica puede ser un trampolín hacia la medicina personalizada , en particular la terapia farmacológica . [30] Una vez que la base de datos fenómica ha adquirido más datos, la información fenómica de una persona se puede utilizar para seleccionar medicamentos específicos adaptados a un individuo. [30]
Los exámenes genéticos a gran escala pueden identificar los genes o mutaciones que afectan el fenotipo de un organismo. El análisis de los fenotipos de genes mutantes también puede ayudar a determinar la función de los genes. [31] La mayoría de las pruebas genéticas han utilizado microorganismos, en los que los genes pueden eliminarse fácilmente. Por ejemplo, casi todos los genes han sido eliminados en E. coli [32] y muchas otras bacterias , pero también en varios organismos modelo eucariotas como la levadura de panadería [33] y la levadura de fisión . [34] Entre otros descubrimientos, estos estudios han revelado listas de genes esenciales.
Más recientemente, también se han utilizado análisis fenotípicos a gran escala en animales, por ejemplo, para estudiar fenotipos menos comprendidos, como el comportamiento . En una pantalla, se estudió el papel de las mutaciones en ratones en áreas como el aprendizaje y la memoria , el ritmo circadiano , la visión, las respuestas al estrés y la respuesta a los psicoestimulantes .
Este experimento involucró a la progenie de ratones tratados con ENU , o N-etil-N-nitrosourea, que es un potente mutágeno que causa mutaciones puntuales . Los ratones fueron examinados fenotípicamente en busca de alteraciones en los diferentes dominios de comportamiento para encontrar el número de supuestos mutantes (consulte la tabla para obtener más detalles). Luego se prueba la heredabilidad de los supuestos mutantes para ayudar a determinar el patrón de herencia y mapear las mutaciones. Una vez que se han mapeado, clonado e identificado, se puede determinar si una mutación representa un gen nuevo o no.
Estos experimentos demostraron que las mutaciones en el gen de la rodopsina afectaban la visión e incluso podían causar degeneración de la retina en ratones. [35] El mismo cambio de aminoácidos causa ceguera familiar en humanos , lo que muestra cómo el fenotipado en animales puede informar el diagnóstico médico y posiblemente la terapia.
El mundo del ARN es la supuesta etapa precelular en la historia evolutiva de la vida en la Tierra, en la que las moléculas de ARN autorreplicantes proliferaron antes de la evolución del ADN y las proteínas. [36] La estructura física tridimensional plegada de la primera molécula de ARN que poseía actividad ribozima promoviendo la replicación evitando al mismo tiempo la destrucción habría sido el primer fenotipo, y la secuencia de nucleótidos de la primera molécula de ARN autorreplicante habría sido el genotipo original. [36]
el conjunto de características observables de un individuo resultantes de la interacción de su genotipo con el medio ambiente.
El genotipo de un organismo es el conjunto de genes que porta.
El fenotipo de un organismo son todas sus características observables, que están influenciadas tanto por su genotipo como por el medio ambiente.
