Войти
Взаимодействие ген-среда (или Взаимодействие генотип-среда или GxE или G × E ) - это когда два разных генотипа по-разному реагируют на изменение среды. норма реакции - это график, который показывает взаимосвязь между генами и факторами окружающей среды, когда фенотипические различия непрерывны. Они могут помочь проиллюстрировать взаимодействие GxE. Когда норма реакции не параллельна, как показано на рисунке ниже, существует ген по взаимодействию с окружающей средой. Это указывает на то, что каждый генотип по-разному реагирует на изменение окружающей среды. Вариации окружающей среды могут быть физическими, химическими, биологическими, образцами поведения или жизненными событиями.
Эта норма реакции показывает линии, которые не параллельны, указывая на взаимодействие гена с окружающей средой. Каждый генотип по-разному реагирует на изменение окружающей среды. Взаимодействие ген-среда изучается, чтобы лучше понять различные явления. В генетической эпидемиологии взаимодействия генов и окружающей среды полезны для понимания некоторых болезней. Иногда чувствительность к экологическим факторам риска заболевания передается по наследству, а не сама болезнь. На людей с разными генотипами по-разному влияют одни и те же факторы окружающей среды, и, таким образом, взаимодействия генов и окружающей среды могут приводить к различным фенотипам заболевания. Например, воздействие солнечных лучей оказывает более сильное влияние на риск рака кожи у людей со светлой кожей, чем у людей с более темной кожей.
Эти взаимодействия представляют особый интерес для генетических эпидемиологов для прогнозирования заболеваемости и методов профилактики в отношении общественного здравоохранения. Этот термин также используется психобиологами развития, чтобы лучше понять индивидуальное и эволюционное развитие.
В спорах между природой и воспитанием предполагается, что вариации черты характера в первую очередь связаны либо с генетическими различиями, либо с различиями окружающей среды. Тем не менее, согласно нынешнему научному мнению, ни генетические различия, ни различия в окружающей среде не являются единственной причиной фенотипической изменчивости, и что практически на все признаки влияют как генетические, так и экологические различия.
Статистический анализ генетических и экологических различий. вклад в фенотип должен быть использован для подтверждения этих взаимодействий между генами и окружающей средой. В генетике развития причинно-следственного взаимодействия достаточно для подтверждения взаимодействия генов и окружающей среды.
История определения взаимодействия ген – среда восходит к до 1930-х годов и остается предметом дискуссий сегодня. Первый случай спора произошел между Рональдом Фишером и Ланселотом Хогбеном. Фишер стремился исключить взаимодействие из статистических исследований, поскольку это явление можно было устранить с помощью изменения масштаба. Хогбен считал, что взаимодействие следует исследовать, а не устранять, поскольку оно дает информацию о причинной связи определенных элементов развития.
Подобный аргумент возникал у многих ученых в 1970-х годах. Артур Дженсен опубликовал исследование «Насколько мы можем повысить IQ и успеваемость? », которое среди множества критических замечаний также вызвало разногласия со стороны ученых Ричард Левонтин и Дэвид Лейзер. Левонтин и Лейзер утверждали, что для того, чтобы сделать вывод о причинных механизмах, взаимодействие гена с окружающей средой нельзя игнорировать в контексте исследования, в то время как Дженсен защищал, что взаимодействие было чисто статистическим явлением и не связано с развитием.
Примерно в то же время Кеннет Дж. Ротман поддержал использование статистического определения взаимодействия, в то время как исследователи Куппер и Хоган полагали, что определение и существование взаимодействия зависело от используемой модели.
Самые последние критические замечания были вызваны Исследования Моффитта и Каспи по 5-HTTLPR и стрессу и его влиянию на депрессию. В отличие от предыдущих дебатов, Моффитт и Каспи теперь использовали статистический анализ, чтобы доказать, что взаимодействие существует и может быть использовано для раскрытия механизмов признака уязвимости. Разногласия исходили от Заммита, Оуэна и Льюиса, которые повторили озабоченность Фишера тем, что статистический эффект не был связан с процессом развития и не может быть воспроизведен с разницей в масштабе.
Сегодня существуют две разные концепции взаимодействия генов и окружающей среды. Табери назвал их биометрическими и развивающими взаимодействиями, в то время как Сезардик использует термины статистическое взаимодействие и взаимодействие на основе здравого смысла.
Биометрическая (или статистическая) концепция берет свое начало в исследовательских программах, которые стремятся измерить относительные пропорции генетических и экологических вкладов в фенотипические вариации внутри популяций. Взаимодействие биометрических генов и окружающей среды особенно актуально в популяционной генетике и поведенческой генетике. Любое взаимодействие приводит к нарушению аддитивности основных эффектов наследственности и окружающей среды, но присутствует ли такое взаимодействие в конкретных условиях - вопрос эмпирический. Биометрическое взаимодействие актуально в контексте исследования индивидуальных различий, а не в контексте развития конкретного организма.
Взаимодействие гена развития и окружающей среды - это концепция, более широко используемая генетиками развития и психобиологи развития. Взаимодействие в процессе развития рассматривается не только как статистический феномен. Независимо от того, присутствует ли статистическое взаимодействие или нет, оно в любом случае проявляется в причинном взаимодействии генов и окружающей среды при создании фенотипа человека.
В эпидемиологии следующие модели можно использовать для группировки различных взаимодействий между геном и окружающей средой.
Модель A описывает генотип, который увеличивает уровень экспрессии фактора риска, но не вызывает само заболевание. Например, ген PKU приводит к более высоким уровням фенилаланина, чем обычно, что, в свою очередь, вызывает умственную отсталость.
Фактор риска в модели B, напротив, имеет прямое влияние на восприимчивость к заболеванию, которое усиливается генетической предрасположенностью. Модель C изображает обратное, где генетическая восприимчивость напрямую влияет на болезнь, а фактор риска усиливает этот эффект. В каждой независимой ситуации фактор, непосредственно влияющий на болезнь, может сам вызвать болезнь.
Модель D отличается, поскольку ни один из факторов в этой ситуации не может повлиять на риск заболевания, однако, когда присутствуют и генетическая предрасположенность, и фактор риска, риск увеличивается. Например, ген дефицита G6PD в сочетании с потреблением бобов фава приводит к гемолитической анемии. Это заболевание не возникает у людей, которые едят фасоль и не имеют дефицита G6PD, а также у людей с дефицитом G6PD, которые не едят фасоль.
Наконец, Модель E описывает сценарий, в котором фактор риска окружающей среды и генетическая предрасположенность могут по отдельности влиять на риск заболевания. Однако в сочетании их влияние на риск заболевания различно.
Модели ограничены тем фактом, что переменные являются бинарными и поэтому не учитывают сценарии полигенных или непрерывных масштабных переменных.
Исследования усыновления использовались для изучения того, насколько люди, которые были усыновлены, похожи на своих биологических родителей, с которыми они не жили в одной среде. Кроме того, усыновленных сравнивают с их приемной семьей из-за разницы в генах, но общей среды. Например, исследование усыновления показало, что шведские мужчины с неблагополучной средой усыновления и генетической предрасположенностью чаще злоупотребляли алкоголем.
Использование монозиготных близнецов, может наблюдаться влияние различных сред на идентичные генотипы. В более поздних исследованиях используются методы биометрического моделирования, включающие сравнения дизиготных близнецов, чтобы в конечном итоге определить различные уровни экспрессии генов в разных средах.
Семейные исследования сосредоточены на сравнении низких - контроль рисков для детей из группы высокого риска для определения воздействия окружающей среды на субъектов с различным уровнем генетического риска. Например, датское исследование детей из группы высокого риска с матерями-шизофрениками показало, что дети без постоянного опекуна связаны с повышенным риском шизофрении.
Часто используемый метод для обнаружения взаимодействий ген – среда - это изучение влияния одной вариации гена (ген-кандидат ) на конкретную среду. Однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) сравниваются с единичными бинарными факторами воздействия для определения любых эффектов.
Подобные исследования требуют сильных биологических гипотез, которые в настоящее время трудно выбрать из-за слабого понимания биологических механизмов, которые приводят к более высокому риску.
Эти исследования также часто трудно воспроизвести из-за небольшого размера выборки, что обычно приводит к спорным результатам.
полигенная природа сложных фенотипов предполагает, что исследования одного кандидата могут быть неэффективными при определении различных эффектов меньшего масштаба от большого количества влияющих вариантов генов.
Поскольку один и тот же фактор окружающей среды может взаимодействовать с множеством генов, для анализа взаимодействий GxE может быть использован полигенный подход. Полигенный показатель генерируется с использованием аллелей, связанных с признаком, и их соответствующих весов на основе эффекта и исследуется в сочетании с воздействием окружающей среды. Хотя этот метод исследования еще находится на ранней стадии, он совместим с психическими расстройствами. В результате совпадения эндофенотипов среди расстройств это говорит о том, что результаты взаимодействия генов с окружающей средой применимы для различных диагнозов.
Геном Подход широкого сканирования взаимодействий (GEWIS) исследует взаимодействие между средой и большим количеством независимых SNP. Эффективный подход к этому всеобъемлющему исследованию состоит из двух этапов, когда геном сначала фильтруется с использованием тестов на уровне генов и анализа набора генов на основе путей. На втором этапе используются SNP с ассоциацией G – E и тесты на взаимодействие.
Гипотеза дифференциальной восприимчивости была подтверждена с помощью общегеномных подходов.
Особую озабоченность при изучении взаимодействия генов с окружающей средой вызывает отсутствие воспроизводимости. В частности, исследования сложных характеристик подверглись тщательной проверке на предмет получения результатов, которые невозможно воспроизвести. Например, исследования гена 5-HTTLPR и стресса, приводящего к изменению риска депрессии, дали противоречивые результаты.
Возможное объяснение противоречивых результатов - интенсивное использование множественных тестов. Предполагается, что исследования дают неточные результаты из-за изучения множества фенотипов и факторов окружающей среды в отдельных экспериментах.
Существует две разные модели шкалы измерения, которая помогает определить если взаимодействие гена и окружающей среды существует в статистическом контексте. Существуют разногласия по поводу того, какой масштаб следует использовать. Согласно этому анализу, если объединенные переменные соответствуют какой-либо модели, то взаимодействия нет. Комбинированные эффекты должны быть больше для синергического эффекта или меньше, чем для антагонистического результата. Аддитивная модель измеряет различия в рисках, в то время как мультипликативная модель использует отношения для измерения эффектов. Было высказано предположение, что аддитивная модель лучше подходит для прогнозирования риска заболевания в популяции, в то время как мультипликативная модель больше подходит для этиологии заболевания.
Однако эпигенетика является примером лежащего в основе механизма воздействия генов на окружающую среду., он не делает вывод о том, являются ли эффекты окружающей среды аддитивными, мультипликативными или интерактивными.
Новые исследования также выявили интерактивное влияние множества факторов окружающей среды. Например, ребенок с некачественной окружающей средой будет более чувствителен к плохой среде, будучи взрослым, что в конечном итоге приведет к более высоким показателям психологического стресса. Это изображает трехстороннее взаимодействие Gene x Environment x Environment. В том же исследовании предлагается использовать подход на протяжении всей жизни для определения генетической чувствительности к воздействиям окружающей среды в рамках психических заболеваний.
Врачи заинтересованы в том, чтобы знать, есть ли болезнь можно предотвратить, уменьшив воздействие на окружающую среду. Некоторые люди являются носителями генетических факторов, которые определяют предрасположенность или устойчивость к определенному заболеванию в определенной среде. Взаимодействие между генетическими факторами и стимулами окружающей среды - вот что приводит к фенотипу заболевания. Использование взаимодействия генов с окружающей средой для предотвращения или лечения заболеваний может принести общественному здоровью значительную пользу.
Реакция человека на лекарство может быть результатом взаимодействия различных генов с окружающей средой. Таким образом, клиническая важность фармакогенетики и взаимодействия генов с окружающей средой проистекает из возможности того, что геномные данные, наряду с информацией об окружающей среде, позволят более точно прогнозировать реакцию человека на лекарства. Это позволит врачам более точно выбрать определенное лекарство и дозировку для достижения терапевтического ответа у пациента при минимизации побочных эффектов и побочных реакций на лекарства. Эта информация также может помочь предотвратить расходы на здравоохранение, связанные с побочными реакциями на лекарства и неудобным назначением лекарств пациентам, которые, вероятно, не будут на них реагировать.
Подобным образом человек может реагировать на другие стимулы окружающей среды. факторы или проблемы по-разному в зависимости от конкретных генетических различий или аллелей. Эти другие факторы включают диету и конкретные питательные вещества в рационе, физическую активность, употребление алкоголя и табака, сон (время отхода ко сну, продолжительность) и любое из ряда воздействий (или экспозом ), включая токсины, загрязняющие вещества, солнечный свет (широта к северу и югу от экватора) и многие другие. Диета, например, является изменяемой и оказывает значительное влияние на множество кардиометаболических заболеваний, включая сердечно-сосудистые заболевания, ишемическую болезнь сердца, ишемическую болезнь сердца, диабет 2 типа, гипертензию, инсульт, инфаркт миокарда и неалкогольная жировая болезнь печени. В клинике обычно оцениваются риски этих состояний, включая липиды крови (триглицериды и ЛПВП, ЛПНП и общий холестерин), гликемические характеристики (глюкоза и инсулин в плазме, HOMA-IR, функция бета-клеток как HOMA-BC), антропометрические показатели ожирения (ИМТ / ожирение, ожирение, масса тела, окружность талии, соотношение талии и бедер), сосудистые показатели (диастолическое и систолическое артериальное давление) и биомаркеры воспаления. Взаимодействия ген-окружающая среда могут модулировать неблагоприятные эффекты аллеля, который увеличивает риск заболевания, или может усугублять взаимосвязь генотип-фенотип и увеличивать риск, что часто называют нутригенетикой. Доступен каталог генетических вариантов, которые связаны с этими и родственными кардиометаболическими фенотипами и модифицированы общими факторами окружающей среды.
И наоборот, исследование заболеваний с использованием рака груди, диабета 2 типа и ревматоидного артрита показывает, что включение GxE-взаимодействий в модель прогнозирования риска не улучшает идентификацию риска.
Среднее количество щетинок на ° C 
время развития яйца в зависимости от температуры В отличие от В упомянутых выше примерах продолжительность развития яиц у Drosophila как функция температуры демонстрирует отсутствие взаимодействий ген-среда. На прилагаемом графике показаны нормы параллельных реакций для множества отдельных мух дрозофилы, показывая, что между двумя переменными не существует взаимодействия ген-среда. Другими словами, каждый генотип одинаково реагирует на изменяющуюся среду, производя аналогичные фенотипы. Для всех индивидуальных генотипов среднее время развития яиц уменьшается с повышением температуры. Окружающая среда влияет на каждый из генотипов одинаково предсказуемым образом.