En genética , el fenotipo (del griego antiguo φαίνω ( phaínō ) 'aparecer, mostrar' y τύπος ( túpos ) 'marca, tipo') es el conjunto de características o rasgos observables de un organismo . [1] [2] El término cubre la morfología del organismo (forma física y estructura), 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 al fenotipo. Cuando existen dos o más fenotipos claramente diferentes en la misma población de una especie, 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 entorno como amarillo, negro y marrón. Richard Dawkins en 1978 [3] y luego nuevamente en su libro de 1982 El fenotipo extendido sugirió que uno puede considerar los nidos de pájaros y otras estructuras construidas, como los estuches de larvas de tricópteros y las presas de castor , 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 El gen egoísta (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, pero sí son observables (por ejemplo, mediante Western blot ) y, por lo tanto, forman 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 o características inherentes que son observables o rasgos que pueden hacerse visibles mediante algún procedimiento técnico. [ cita requerida ]
El término "fenotipo" se ha utilizado a veces incorrectamente como una 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 conducta. Algunos fenotipos conductuales pueden caracterizar trastornos psiquiátricos [7] o síndromes [8] [9] .
Un fenoma 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: "Aquí proponemos el nombre de fenoma para la suma total de porciones extragénicas, 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 término fenoma se ha utilizado durante muchos años, la distinción entre el uso de fenoma y fenotipo es problemática. En 1997, Mahner y Kary propusieron una definición de ambos términos como la "totalidad física de todos los rasgos de un organismo o de uno de sus subsistemas", y argumentaron que, aunque los científicos tienden a utilizar intuitivamente estos términos y otros relacionados de una manera que no impide la investigación, los términos no están bien definidos y su uso no es uniforme. [11]
Algunos usos del término sugieren que el fenoma de un organismo determinado se entiende mejor como una especie de matriz de datos que representan la manifestación física del fenotipo. Por ejemplo, las discusiones lideradas por A. Varki entre quienes habían usado 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 fenoma humano [como] un espacio de búsqueda multidimensional con varios niveles neurobiológicos, que abarca el proteoma, los sistemas celulares (por ejemplo, las vías de señalización), los sistemas neuronales y los fenotipos cognitivos y conductuales". [13]
Los biólogos vegetales han comenzado a explorar el fenomeno 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 (EHRs) vinculados a biobancos de ADN . Llamaron a este método estudio de asociación de todo el fenomeno (PheWAS). [15]
Inspirado por la evolución del genotipo al genoma y al pangenoma , en 2023 se propuso un concepto de exploración de la relación en última instancia entre panfenoma, pangenoma y panambiente. [ 16]
La variación fenotípica (debida a la 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 se ha conceptualizado a menudo mediante la siguiente relación:
Una versión más matizada de la relación es:
Los genotipos suelen tener mucha flexibilidad en la modificación y expresión de fenotipos; en muchos organismos estos fenotipos son muy diferentes en condiciones ambientales variables. La planta Hieracium umbellatum se encuentra creciendo 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 las 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 puede variar (aleatoriamente) entre los ojos izquierdo y derecho de un mismo individuo tanto como entre diferentes genotipos en general, o entre clones criados en diferentes entornos. [ cita requerida ]
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 estabilidad térmica ( punto de fusión ) más alta que los pares de bases adenina - timina , una propiedad que podría conferir, entre organismos que viven en ambientes de alta temperatura, una ventaja selectiva sobre las variantes enriquecidas en contenido de GC. [ cita requerida ]
Richard Dawkins describió un fenotipo que incluía todos los efectos que un gen tiene sobre su entorno, incluidos otros organismos, como un fenotipo extendido, argumentando que "la conducta de un animal tiende a maximizar la supervivencia de los genes 'para' esa conducta, ya sea que esos genes estén o no en el cuerpo del animal en particular que la realiza". [3] Por ejemplo, un organismo como un castor modifica su entorno construyendo una presa de castor ; esto puede considerarse una expresión de sus genes , al igual que sus dientes incisivos , que utiliza para modificar su entorno. De manera similar, cuando un pájaro alimenta a un parásito de cría como un cuco , está extendiendo involuntariamente su fenotipo; y cuando los genes de una orquídea afectan la conducta de las abejas de las orquídeas para aumentar la polinización, o cuando los genes de un pavo real afectan las decisiones copulatorias de las pavas, nuevamente, el fenotipo se está extendiendo. Los genes son, en la visión de Dawkins, seleccionados por sus efectos fenotípicos. [19]
Otros biólogos coinciden ampliamente en que el concepto de fenotipo extendido es relevante, pero consideran que su papel es en gran medida explicativo, más que ayudar en el diseño de pruebas experimentales. [20]
Los fenotipos están determinados por una interacción entre los genes y el medio ambiente, pero el mecanismo de 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 desempeña un papel en este fenotipo. En el caso de la mayoría de los fenotipos complejos, el mecanismo genético preciso sigue siendo desconocido. Por ejemplo, no está muy claro cómo los genes determinan la forma de los huesos o de la oreja humana. [ cita requerida ]
La expresión génica desempeña un papel crucial en la determinación de los fenotipos de los organismos. El nivel de expresión génica puede afectar al fenotipo de un organismo. Por ejemplo, si un gen que codifica una enzima en particular se expresa en niveles altos, el organismo puede producir más de esa enzima y exhibir un rasgo particular como resultado. Por otro lado, si el gen se expresa en niveles bajos, el organismo puede producir menos de la enzima y exhibir un rasgo diferente. [22]
La expresión genética se regula en varios niveles y, por lo tanto, cada nivel puede afectar ciertos fenotipos, incluida la regulación transcripcional y postranscripcional. [ cita requerida ]
Los cambios en los niveles de expresión génica 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 génica debido a estos factores, en lugar de cambios en el genotipo. Un experimento que involucró métodos de aprendizaje automático que utilizaron expresiones génicas medidas a partir de la secuenciación de ARN descubrió que pueden 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 fenoma se utiliza a veces para referirse a una colección de rasgos, mientras que el estudio simultáneo de dicha colección se conoce como fenómica . [24] [25] La fenómica es un campo de estudio importante porque se puede utilizar para determinar qué variantes genómicas afectan a los fenotipos que luego se pueden utilizar 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, se pueden identificar a través de la fenómica para crear OGM más duraderos. [28] [14]
La fenómica puede ser un trampolín hacia la medicina personalizada , en particular la terapia farmacológica . [29] Una vez que la base de datos fenómica ha adquirido suficientes datos, la información fenómica de una persona se puede utilizar para seleccionar medicamentos específicos adaptados al individuo. [29]
Los análisis genéticos a gran escala pueden identificar los genes o mutaciones que afectan el fenotipo de un organismo. El análisis de los fenotipos de los genes mutantes también puede ayudar a determinar la función de los genes. [30] La mayoría de los análisis genéticos han utilizado microorganismos, en los que los genes se pueden eliminar fácilmente. Por ejemplo, casi todos los genes se han eliminado en E. coli [31] y muchas otras bacterias , pero también en varios organismos modelo eucariotas como la levadura de panadería [32] y la levadura de fisión . [33] Entre otros descubrimientos, dichos estudios han revelado listas de genes esenciales.
Más recientemente, también se han utilizado pruebas fenotípicas a gran escala en animales, por ejemplo, para estudiar fenotipos menos conocidos, como el comportamiento . En una prueba, se estudió el papel de las mutaciones en ratones en áreas como el aprendizaje y la memoria , la ritmicidad circadiana , 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 para detectar alteraciones en los diferentes dominios de comportamiento con el fin de encontrar el número de posibles mutantes (ver la tabla para más detalles). A continuación, se prueba la heredabilidad de los posibles mutantes con el fin de ayudar a determinar el patrón de herencia, así como para mapear las mutaciones. Una vez que se han mapeado, clonado e identificado, se puede determinar si una mutación representa un nuevo gen 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. [34] El mismo cambio de aminoácido causa ceguera familiar humana , lo que demuestra cómo la fenotipificación en animales puede informar los diagnósticos médicos y posiblemente la terapia.
El mundo del ARN es la etapa precelular hipotética 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. [35] La estructura física tridimensional plegada de la primera molécula de ARN que poseía actividad de ribozima que promovía la replicación mientras evitaba la destrucción habría sido el primer fenotipo, y la secuencia de nucleótidos de la primera molécula de ARN autorreplicante habría sido el genotipo original. [35]
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.
