Phänotyp
In der Genetik ist der Phänotyp (von altgriechisch φαίνω (phaínō) "erscheinen, zeigen, leuchten" und τύπος (túpos) "Zeichen, Typ") die Gesamtheit der beobachtbaren Merkmale oder Eigenschaften eines Organismus. Der Begriff umfasst die Morphologie oder physische Form und Struktur des Organismus, seine Entwicklungsprozesse, seine biochemischen und physiologischen Eigenschaften, sein Verhalten und die Produkte des Verhaltens. Der Phänotyp eines Organismus ergibt sich aus zwei grundlegenden Faktoren: der Ausprägung des genetischen Codes oder Genotyps eines Organismus und dem Einfluss von Umweltfaktoren. Beide Faktoren können interagieren und den Phänotyp weiter beeinflussen. Wenn zwei oder mehr deutlich unterschiedliche Phänotypen in derselben Population einer Art vorkommen, wird die Art als polymorph bezeichnet. Ein gut dokumentiertes Beispiel für Polymorphismus ist die Färbung des Labrador Retrievers; obwohl die Fellfarbe von vielen Genen abhängt, ist sie in der Umwelt eindeutig als gelb, schwarz und braun zu erkennen. Richard Dawkins schlug 1978 und dann wieder 1982 in seinem Buch The Extended Phenotype vor, dass man Vogelnester und andere gebaute Strukturen wie Köcher für Köcherfliegenlarven und Biberdämme als "erweiterte Phänotypen" betrachten kann. ⓘ
Wilhelm Johannsen schlug 1911 die Unterscheidung zwischen Genotyp und Phänotyp vor, um den Unterschied zwischen dem Erbgut eines Organismus und dem, was dieses Erbgut hervorbringt, deutlich zu machen. Diese Unterscheidung ähnelt der von August Weismann (1834-1914), der zwischen Keimplasma (Vererbung) und somatischen Zellen (Körper) unterschied. In jüngerer Zeit hat Richard Dawkins in seinem Buch Das egoistische Gen (1976) diese Konzepte als Replikatoren und Vehikel unterschieden. ⓘ
Die Unterscheidung zwischen Genotyp und Phänotyp sollte nicht mit dem zentralen Dogma der Molekularbiologie von Francis Crick verwechselt werden, einer Aussage über die Richtungsabhängigkeit des Flusses molekularer sequentieller Informationen von der DNA zum Protein und nicht umgekehrt. ⓘ
Phänotypen und phänotypische Variationen werden durch das Zusammenwirken von Erbanlagen und Umweltfaktoren (Modifikation) bestimmt. Inwieweit der Phänotyp durch Umwelteinflüsse beeinflussbar ist, hängt von der Reaktionsnorm ab. Diese Möglichkeit, auf Umwelteinflüsse zu reagieren, ist durch den Genotyp genetisch festgelegt. Verfahren, mit denen Rückschlüsse vom Erbgut, d. h. der individuellen Desoxyribonukleinsäure (DNS), auf den Phänotyp eines Individuums geschlossen werden, werden DNA-Phänotypisierung genannt. ⓘ
Definitionsschwierigkeiten
Trotz seiner scheinbar einfachen Definition hat das Konzept des Phänotyps versteckte Feinheiten. Es mag den Anschein haben, dass alles, was vom Genotyp abhängt, ein Phänotyp ist, einschließlich Molekülen wie RNA und Proteinen. Die meisten Moleküle und Strukturen, die durch das genetische Material kodiert werden, sind im Erscheinungsbild eines Organismus nicht sichtbar, aber dennoch beobachtbar (z. B. durch Western Blotting) und somit Teil des Phänotyps; die menschlichen Blutgruppen sind ein Beispiel dafür. Es mag den Anschein haben, dass dies über die ursprünglichen Absichten des Konzepts mit seinem Schwerpunkt auf dem (lebenden) Organismus an sich hinausgeht. In jedem Fall umfasst der Begriff Phänotyp inhärente Merkmale oder Eigenschaften, die beobachtbar sind, oder Merkmale, die durch ein technisches Verfahren sichtbar gemacht werden können. Eine bemerkenswerte Erweiterung dieser Idee ist das Vorhandensein von "organischen Molekülen" oder Metaboliten, die von Organismen durch chemische Reaktionen von Enzymen erzeugt werden. ⓘ
Der Begriff "Phänotyp" wurde manchmal fälschlicherweise als Abkürzung für den phänotypischen Unterschied zwischen einer Mutante und ihrem Wildtyp verwendet, was (wenn nicht signifikant) zu der Aussage führt, dass eine "Mutation hat keinen Phänotyp". ⓘ
Eine andere Erweiterung fügt dem Phänotyp das Verhalten hinzu, da Verhaltensweisen beobachtbare Merkmale sind. Zu den Verhaltensphänotypen gehören kognitive, Persönlichkeits- und Verhaltensmuster. Einige Verhaltensphänotypen können psychiatrische Störungen oder Syndrome charakterisieren. ⓘ
Phänotypische Variation
Die phänotypische Variation (aufgrund der zugrunde liegenden vererbbaren genetischen Variation) ist eine grundlegende Voraussetzung für die Evolution durch natürliche Selektion. Es ist der lebende Organismus als Ganzes, der zur nächsten Generation beiträgt (oder nicht), so dass die natürliche Selektion die genetische Struktur einer Population indirekt über den Beitrag der Phänotypen beeinflusst. Ohne phänotypische Variation gäbe es keine Evolution durch natürliche Auslese. ⓘ
Die Interaktion zwischen Genotyp und Phänotyp wird häufig durch die folgende Beziehung beschrieben:
- Genotyp (G) + Umwelt (E) → Phänotyp (P) ⓘ
Eine nuanciertere Version der Beziehung lautet:
- Genotyp (G) + Umwelt (E) + Interaktionen zwischen Genotyp und Umwelt (GE) → Phänotyp (P) ⓘ
Genotypen haben oft eine große Flexibilität bei der Veränderung und Ausprägung von Phänotypen; bei vielen Organismen sind diese Phänotypen unter verschiedenen Umweltbedingungen sehr unterschiedlich (siehe ökophänotypische Variation). Die Pflanze Hieracium umbellatum wächst in Schweden in zwei verschiedenen Lebensräumen. Ein Lebensraum sind felsige, meerseitige Klippen, wo die Pflanzen buschig mit breiten Blättern und ausgedehnten Blütenständen wachsen; der andere ist zwischen Sanddünen, wo die Pflanzen niederliegend mit schmalen Blättern und kompakten Blütenständen wachsen. Diese Lebensräume wechseln sich entlang der schwedischen Küste ab, und der Lebensraum, in dem die Samen von Hieracium umbellatum landen, bestimmt den Phänotyp, der wächst. ⓘ
Ein Beispiel für die zufällige Variation bei Drosophila-Fliegen ist die Anzahl der Ommatidien, die (zufällig) zwischen dem linken und dem rechten Auge eines einzelnen Individuums ebenso variieren kann wie zwischen verschiedenen Genotypen insgesamt oder zwischen Klonen, die in unterschiedlichen Umgebungen aufgezogen wurden. ⓘ
Das Konzept des Phänotyps kann auf Variationen unterhalb der Genebene ausgedehnt werden, die sich auf die Fitness eines Organismus auswirken. So können beispielsweise stille Mutationen, die die entsprechende Aminosäuresequenz eines Gens nicht verändern, die Häufigkeit von Guanin-Cytosin-Basenpaaren (GC-Gehalt) verändern. Diese Basenpaare haben eine höhere thermische Stabilität (Schmelzpunkt) als Adenin-Thymin, eine Eigenschaft, die bei Organismen, die in Hochtemperaturumgebungen leben, einen Selektionsvorteil für Varianten mit hohem GC-Gehalt bedeuten könnte. ⓘ
Wenn Umwelteinflüsse eine starke Variabilität des Erscheinungsbildes eines Individuums hervorrufen können, spricht man von hoher phänotypischer Plastizität oder großer Variationsbreite oder Modifikabilität. Ist der Phänotyp jedoch weitgehend durch seinen Genotyp vorherbestimmt, deutet dies auf geringe Plastizität hin. Das Konzept der phänotypischen Plastizität beschreibt das Maß, in dem der Phänotyp eines Organismus durch seinen Genotyp vorherbestimmt ist. Ein hoher Wert der Plastizität bedeutet: Umwelteinflüsse haben einen starken Einfluss auf den sich individuell entwickelnden Phänotyp. Bei geringer Plastizität kann der Phänotyp aus dem Genotyp zuverlässig vorhergesagt werden, unabhängig von besonderen Umweltverhältnissen während der Entwicklung. Hohe Plastizität lässt sich am Beispiel der Larven zweier Molcharten beobachten: Wenn diese Larven die Anwesenheit von Räubern wie Libellenlarven wahrnehmen, vergrößern sich Kopf und Schwanz im Verhältnis zum Körper, und die Haut wird dunkler pigmentiert. Larven mit diesen Merkmalen haben bessere Überlebenschancen gegenüber Räubern, wachsen aber langsamer als andere Phänotypen. Phänotypische Veränderungen aufgrund von Umwelteinflüssen heißen Modifikationen. So können zum Beispiel genetisch identische Pflanzen (zum Beispiel Stecklinge) an unterschiedlichen Standorten völlig unterschiedliche Wuchsformen entwickeln. ⓘ
Der erweiterte Phänotyp
Richard Dawkins beschrieb einen Phänotyp, der alle Auswirkungen eines Gens auf seine Umgebung, einschließlich anderer Organismen, umfasst, als erweiterten Phänotyp und argumentierte, dass "das Verhalten eines Tieres dazu tendiert, das Überleben der Gene für dieses Verhalten zu maximieren, unabhängig davon, ob sich diese Gene zufällig im Körper des jeweiligen Tieres befinden, das das Verhalten ausführt." Ein Organismus wie der Biber beispielsweise verändert seine Umwelt, indem er einen Biberdamm baut; dies kann als Ausdruck seiner Gene angesehen werden, ebenso wie seine Schneidezähne, die er zur Veränderung seiner Umwelt einsetzt. Ähnlich verhält es sich, wenn ein Vogel einen Brutparasiten wie den Kuckuck füttert und damit unwissentlich seinen Phänotyp erweitert; und wenn Gene in einer Orchidee das Verhalten von Orchideenbienen beeinflussen, um die Bestäubung zu steigern, oder wenn Gene in einem Pfau die Kopulationsentscheidungen von Pfauen beeinflussen, wird der Phänotyp ebenfalls erweitert. Nach Dawkins' Ansicht werden Gene durch ihre phänotypischen Auswirkungen selektiert. ⓘ
Andere Biologen sind sich weitgehend einig, dass das Konzept des erweiterten Phänotyps relevant ist, sind jedoch der Ansicht, dass seine Rolle weitgehend erklärend ist, anstatt bei der Planung experimenteller Tests zu helfen. ⓘ
Phänom und Phänomik
Obwohl ein Phänotyp die Gesamtheit der beobachtbaren Merkmale eines Organismus ist, wird das Wort Phänom manchmal für eine Sammlung von Merkmalen verwendet, während die gleichzeitige Untersuchung einer solchen Sammlung als Phänomik bezeichnet wird. Die Phänomik ist ein wichtiges Forschungsgebiet, da sich mit ihrer Hilfe herausfinden lässt, welche genomischen Varianten sich auf den Phänotyp auswirken, der dann zur Erklärung von Dingen wie Gesundheit, Krankheit und evolutionärer Fitness herangezogen werden kann. Die Phänomik ist ein wichtiger Teil des Humangenomprojekts. ⓘ
Die Phänomik findet auch in der Landwirtschaft Anwendung. So können beispielsweise genomische Variationen wie Trockenheits- und Hitzeresistenz durch Phänomik identifiziert werden, um widerstandsfähigere GVO zu schaffen. ⓘ
Die Phänomik kann ein Sprungbrett für die personalisierte Medizin sein, insbesondere für die Arzneimitteltherapie. Sobald die phänomische Datenbank mehr Daten erfasst hat, können die phänomischen Informationen einer Person genutzt werden, um spezifische, auf die jeweilige Person zugeschnittene Medikamente auszuwählen. ⓘ
Groß angelegte Phänotypisierung und genetische Screens
Mit groß angelegten genetischen Screens können die Gene oder Mutationen identifiziert werden, die den Phänotyp eines Organismus beeinflussen. Die Analyse des Phänotyps von mutierten Genen kann auch bei der Bestimmung der Genfunktion helfen. So wurde beispielsweise ein groß angelegter phänotypischer Screen verwendet, um weniger bekannte Phänotypen wie das Verhalten zu untersuchen. In diesem Screening wurde die Rolle von Mutationen bei Mäusen in Bereichen wie Lernen und Gedächtnis, zirkadiane Rhythmik, Sehvermögen, Reaktion auf Stress und Reaktion auf Psychostimulanzien untersucht (Einzelheiten siehe Tabelle). ⓘ
| Phänotypischer Bereich | Test | Anmerkungen | Software-Paket ⓘ |
|---|---|---|---|
| Zirkadianer Rhythmus | Radlaufverhalten | ClockLab | |
| Lernen und Gedächtnis | Furcht-Konditionierung | Videobildbasierte Bewertung des Einfrierens | FreezeFrame |
| Vorläufige Bewertung | Aktivität im offenen Feld und erhöhtes Plus-Labyrinth | Videobasierte Bewertung der Exploration | LimeLight |
| Psychostimulierende Reaktion | Hyperlokomotionsverhalten | Videobildgestützte Verfolgung der Fortbewegung | BigBrother |
| Sehvermögen | Elektroretinogramm und Fundusfotografie | L. Pinto und Kollegen |
Bei diesem Experiment wurden die Nachkommen von Mäusen untersucht, die mit ENU oder N-Ethyl-N-Nitrosoharnstoff behandelt wurden, einem starken Mutagen, das Punktmutationen verursacht. Die Mäuse wurden phänotypisch auf Veränderungen in den verschiedenen Verhaltensbereichen untersucht, um die Anzahl der mutmaßlichen Mutanten zu ermitteln (siehe Tabelle für Einzelheiten). Die mutmaßlichen Mutanten werden dann auf ihre Vererbbarkeit getestet, um das Vererbungsmuster zu bestimmen und die Mutationen zu kartieren. Sobald sie kartiert, kloniert und identifiziert sind, kann festgestellt werden, ob eine Mutation ein neues Gen darstellt oder nicht. ⓘ
| Phänotypischer Bereich | ENU Durchgeführte Nachkommenschaft | Mutmaßliche Mutanten | Mutmaßliche Mutantenlinien mit Nachkommenschaft | Bestätigte Mutanten ⓘ |
|---|---|---|---|---|
| Allgemeine Bewertung | 29860 | 80 | 38 | 14 |
| Lernen und Gedächtnis | 23123 | 165 | 106 | 19 |
| Psychostimulierende Reaktion | 20997 | 168 | 86 | 9 |
| Neuroendokrine Reaktion auf Stress | 13118 | 126 | 54 | 2 |
| Sehvermögen | 15582 | 108 | 60 | 6 |
Diese Experimente zeigten, dass Mutationen im Rhodopsin-Gen das Sehvermögen beeinträchtigen und bei Mäusen sogar eine Netzhautdegeneration verursachen können. Dieselbe Aminosäureveränderung verursacht beim Menschen familiäre Blindheit, was zeigt, wie die Phänotypisierung bei Tieren die medizinische Diagnostik und möglicherweise die Therapie beeinflussen kann. ⓘ
Evolutionärer Ursprung des Phänotyps
Die RNA-Welt ist das angenommene präzelluläre Stadium in der Evolutionsgeschichte des Lebens auf der Erde, in dem sich selbstreplizierende RNA-Moleküle vor der Entwicklung von DNA und Proteinen vermehrt haben. Die gefaltete dreidimensionale physikalische Struktur des ersten RNA-Moleküls, das über eine Ribozymaktivität verfügte, die die Replikation förderte und gleichzeitig die Zerstörung verhinderte, wäre der erste Phänotyp gewesen, und die Nukleotidsequenz des ersten selbstreplizierenden RNA-Moleküls wäre der ursprüngliche Genotyp gewesen. ⓘ
Phänokopie
Trifft ein exogener (nicht erblicher) Faktor in einer bestimmten Periode der Entwicklung auf einen Organismus, so kann ein Merkmal genau so ausgebildet werden wie im Falle einer genetischen Veränderung (Mutation). In diesem Fall spricht man von Phänokopie. ⓘ
Dramatyp
Im biomedizinischen Bereich, fast immer im Zusammenhang mit Tiermodellen in Tierversuchen, wird das Modell des Phänotyps gelegentlich um den „Dramatyp“ erweitert. Der Begriff wurde 1959 durch W.M.S. Russell and R.L. Burch eingeführt. Dieser stellt die, vor allem physiologische, Reaktion auf die unmittelbare, augenblickliche Umgebung dar, während sich die Entwicklung des Phänotyps auf einen längeren Zeitraum bezieht. Die Kenntnis des Dramatyps ermöglicht es, die Versuchsbedingungen besser zu standardisieren und damit die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu verbessern. ⓘ