Взаимодействие генотипа и окружающей среды — это процесс, при котором на основе определённого генотипа и влияния факторов среды проявляется фенотип. В узком понимании и с точки зрения генетической эпидемиологии оно представляет собой сочетание двух факторов риска (генетический и средовой), которое приводит к резкому изменению фенотипа, отличному от привычного.
Особенности взаимодействия генов и среды
Взаимодействие генотипа и среды представляет интерес в ходе описания нелинейных изменений фенотипа. Это важно в рамках качественных скачков и переходе от нормального (здорового) фенотипа к патологическому состоянию. Их нельзя объяснять простым сложением действий генетических факторов (вариантов гена) и воздействием среды при исключении данного фактора.
Категория «взаимодействия генов и окружающей среды» сопутствует феномену наследуемости, которая рассматривается при описании вклада генетической изменчивости и перемены факторов среды в развитии фенотипа. В самом понимании наследуемости предполагается, что взаимодействие данных факторов отсутствует. Этот феномен называется дисперсией, которая связана с влиянием гена и окружающей среды. Тем не менее, не все фенотипические признаки моделируются лишь на основе идентификации генотипических вариантов и воздействия среды (не учитывается взаимодействие генов со средой).
Подходы к взаимодействию
С точки зрения методологии есть несколько подходов к определению и измерению взаимодействия. Они предполагают применение аддитивных и мультипликативных моделей. В первом случае происходит расчет сравнительного риска развития фенотипа. Это относится к независимому действию каждого из двух факторов и риску, который наступает в случае одновременного воздействия факторов.
Если экспериментально подтверждается более высокий или более низкий риск в сравнении с суммой отдельных рисков, то констатируют взаимодействие. Оно может получать возможную интерпретацию, которая иногда также определяется в качестве синергетического воздействия.
Использование мультипликативного подхода характеризуется применением взаимодействия в качестве отдельного параметра. В этой ситуации происходит вычисление вероятности и размера коэффициента взаимодействия в рамках регрессионного анализа. Существование статистической достоверности и отличие коэффициента от нулевого значения, как правило, указывает на наличие взаимодействия между параметрами модели.
Не представляется возможной прямая интерпретация такого взаимодействия. Можно сказать, что данные способы оценки взаимодействия не включают непосредственного механического воздействия, когда один фактор напрямую влияет на другой. Здесь больше видна связь в метаболизме посредством цепочки воздействия внешних и генетических факторов.
Медицина содержит информацию о нескольких примерах взаимодействия генов и факторов среды. В частности, описан эффект взаимодействия генетических вариантов и курения. Это сочетание ведет к развитию аутоиммунных заболеваний. Исследуя популяцию больных с ревматоидным артритом, ученые выявили, что у курильщика с определенной аллелью (ген HLA-DRB1) во много раз выше риск возникновения серопозитивного заболевания. Сравнение производились с некурящими людьми или с людьми, у которых отсутствует эта аллель.
Похожий эффект обнаружен при анализе взаимодействия курения и аллелей HLA-A 02 и HLA-DRB1 15. Благодаря этому взаимодействию нашли риск развития рассеянного склероза.
Существование взаимодействия между генами и факторами среды объясняет относительно низкий эффект генетического варианта в качестве фактора риска комплексных заболеваний. Изучение генетических факторов, исключающее учет воздействия среды, не предполагает рассмотрение синергического эффекта.
Проблемы взаимодействия «генотип – среда»
Проблема взаимодействия между генотипом и средой известна давно. С этим вопросом связаны основные сложности в труде селекционеров, так как генотип-средовое взаимодействие становится причиной того, что новые сорта не подтверждают собственных преимуществ перед стандартами при испытании, которые происходили различных экологических условиях.
Взаимодействие, характерное для генотипа и среды, рассматривалось на примере количественных признаков, включая урожайность. Оно состоит в том, что в разное время и в различных местах они начинают отличаться рангами. Именно этот фактор учитывают в дисперсионном анализе как эффект взаимодействия. Перемена в местоположении сортов в рамках ранжированных по величине признака рядах (от среды к среде) чаще всего объясняют следующими причинами:
- Различные генотипы не одинаково проявляют реакцию на одну и ту же среду;
- Одинаковый генотип разным образом показывает реакцию на разные среды.
Гены проявляют природу действия в более сложных случаях. Если обратиться к действию генов и их аллелей, то важно учесть воздействие внешней среды на проявление признаков, включая модифицирующее воздействие остальных генов.
Практически невозможно увидеть однозначное соответствие гена и фенотипа. Справедливость данного факта подтверждает феномен множественного действия генов, названный плейотропией (воздействие гена на несколько признаков). Подобное действие гена чаще всего будет зависеть от того, на каком этапе онтогенеза происходит его проявление (чем раньше проявится ген, тем более выраженным будет его плейотропный эффект). Часть генетиков считает, что все гены в определенной степени или ситуации будут плейотропными.
Еще одно явление, которое отражает сложность взаимодействия, представлено наличием генов-модификаторов. Генетический анализ показывает, что помимо «базовых» генов, которые определяют проявление признака, есть еще гены-модификаторы. Они влияют на него. Ученые до конца не выяснили, представляют ли они специальную группу генов в отношении данного конкретного признака или их воздействие связано с плейотропным эффектом.
