KAJ JE PLEIOTROPIJA? (S PRIMERI) - BIOLOGIJA - 2025

Pleiotropija je genetski fenomen, v katerem izražanje gena pri posamezniku vpliva na izražanje fenotipa drugih nepovezanih znakov. Etimološko pleiotropija pomeni "več sprememb" ali "veliko učinkov": to je več učinkov, kot je pričakovano od izražanja enega samega gena. Znan je tudi kot polifenija (veliko fenotipov), vendar je izraz redko uporabljen.

Eden od pojavov dedovanja, ki je najbolj zmedel genetike v povojih te znanosti, je bil mutacija, ki je vplivala na več znakov.

Sprva je veljalo, da vsak lik nadzoruje en sam gen. Potem smo ugotovili, da lahko pri manifestaciji značaja sodeluje več genov.

Najbolj preseneča pa, da lahko en gen vpliva na manifestacijo več kot naslednih lastnosti, kar je v bistvu tisto, kar določa pleiotropijo.

Na splošno je ob dokazovanju pleiotropije primerneje reči, da ima odgovorni gen pleiotropne učinke kot pa gen pleiotropnih.

Čeprav se vsi ne držijo te konvencije, je pomembno opozoriti, da pleiotropni gen kodira določeno lastnost in ne pleiotropije kot take.

V nasprotnem primeru "normalnost" ne bi bila nič drugega kot pleiotropna manifestacija delovanja divjega alela določenega gena na druge. Vendar pa je to genetsko napačno.

Zgodovina

Izraz pleiotropija je prvič uporabil nemški genetik z imenom Ludwig Plate leta 1910. Plate je izraz uporabil za razlago pojava več različnih fenotipskih lastnosti, ki se vedno pojavljajo skupaj in se lahko zdi, da so v korelaciji. Po njegovem mnenju je ta pojav, ko se pojavi, posledica enote pleiotropnega dedovanja.

Drugi Nemec Hans Gruneberg je pleiotropijo razdelil na "pristne" in "lažne". Za prvi je bil značilen pojav dveh različnih primarnih izdelkov z ene lokacije.

Drugi se po navedbah tega avtorja nanaša na en sam primarni izdelek, ki je bil uporabljen na različne načine. Danes je Grunebergov pomen resnične pleiotropije zavržen, medtem ko lažni pleiotropija velja kot pleiotropija.

Drugo delitev pleiotropnega koncepta je naredil Ernst Hadorn, ki je poudaril, da obstajata dve vrsti pleiotropije: mozaični in relacijski. Prvo se zgodi, ko gen kodira informacije, ki vplivajo na dve različni fenotipični lastnosti.

Relativna pleiotropija se po drugi strani pojavi, ko gen določi začetek različnih dogodkov, povezanih drug z drugim, ki vplivajo na več neodvisnih lastnosti.

Kacser in Burns sta izpostavila, da vsaka sprememba v katerem koli delu genoma neposredno ali posredno vpliva na vse lastnosti. Ta ideja je znana po imenu univerzalne pleiotropije.

Primeri genov s pleiotropnimi učinki

Pleiotropija, ki je pojav, ki opisuje nekatere posledice interakcije med produkti genov, je univerzalen.

Virusi, pa tudi vsi organizmi celične narave, imajo gene, katerih produkti so pomembni za manifestacijo drugih znakov. Ti geni, katerih divje vrste in mutantni aleli imajo pleiotropne učinke, so drugačne narave.

-Vestigialni gen v Drosophili

Pri Drosophili (sadni muhi) vestigialni gen določa stopnjo razvoja kril. Ko bo ta gen podedovan od obeh staršev, bo potomka muha predstavila vestigialna krila in ne bo mogla leteti.

Vendar to ne bodo edini učinki vestigialnega gena. Ta gen je pleiotropni in njegova prisotnost vodi tudi do zmanjšanja števila jajčec v jajčnikovih jajčnikih. Prav tako spremeni število in razporeditev ščetin v prsnem košu in skrajša življenjsko dobo.

-Pigmentacija in gluhost pri mačkah

Gen, ki kodira informacije o pigmentaciji pri mačkah, je pleiotropni gen. Zaradi tega je dokaj visok odstotek mačk z belim krznom in modrimi očmi tudi gluh.

Tudi bele mačke, ki imajo modro oko in rumeno oko, so gluhe le v ušesu, ki je na isti strani glave kot modro oko.

Pleiotropija pri mačkah. Bela mačka s heterokromijo. Vzeto in urejeno iz: Keith Kissel, prek Wikimedia Commons.

-Čičke z zavihanim perjem

Pri piščancih prevladujoči gen proizvaja učinek raztrganega perja. Izkazalo se je, da ima ta gen pleiotropni učinek, saj kaže na druge fenotipske učinke: povečano hitrost presnove, povečano telesno temperaturo, povečano uživanje hrane.

Poleg tega piščanci s tem genom kažejo na upočasnjeno spolno zrelost in zmanjšano plodnost.

-V ljudeh

Marfanov sindrom

Simptomi tega sindroma so: nenavadno visoka telesna velikost, progresivne motnje srca, dislokacija očesne leče, pljučne motnje.

Vsi ti simptomi so neposredno povezani z mutacijo enega gena. Ta gen, imenovan FBN1, je pleiotropni, saj je njegova funkcija kodiranje glikoproteina, ki se uporablja v vezivnih tkivih na različnih delih telesa.

Holt-Oramov sindrom

Bolniki s tem sindromom imajo nepravilnosti v karpalnih kosteh in drugih kosteh sprednjih nog. Poleg tega imajo približno 3 od štirih bolnikov s tem sindromom težave s srcem.

Nijmegen sindrom

Zanj je značilno, da imajo tisti, ki zbolijo, mikrocefalijo, imunodeficienco, razvojne motnje in nagnjenost k limfnemu raku in levkemiji.

-Fenilketonurija

Dobro poznan primer pleiotropnega učinka povzročajo mutantni aleli, odgovorni za fenilketonurijo.

Fenilketonurija, presnovna bolezen, je posledica mutacije enega samega gena, ki kodira encim fenilalanin hidroksilazo. Neaktivni mutantni encim ne more razgraditi aminokisline fenilalanin; ko se to kopiči, organizem postane opijen.

Zato je učinek, opažen pri posameznikih, ki nosijo dve kopiji mutiranega gena, več (pleiotropni).

Vzrok bolezni ali sindroma je pomanjkanje presnovne aktivnosti, ki povzroča izbruhe kože, nevrološke motnje, mikrocefalijo, svetlo kožo in modre oči (zaradi pomanjkanja nastajanja melanina) itd., Na različne načine.

Noben gen, ki sodeluje pri spremenjeni manifestaciji teh drugih lastnosti, ni nujno mutiran.

-Druge presnovne poti

Zelo pogost je primer, ko več encimov deli ali uporabi isti kofaktor, da je aktiven. Ta kofaktor je končni produkt usklajenega delovanja več drugih proteinov, ki sodelujejo na tej biosintetski poti.

Če nastane mutacija v katerem koli od genov, ki kodira beljakovine na tej poti, kofaktor ne bo proizveden. Te mutacije bodo imele pleiotropni učinek, saj noben protein, ki je odvisen od kofaktorja, ki bo aktiven, ne bo mogel biti aktiven, čeprav so lastni geni popolnoma funkcionalni.

Molibden

Tako prokarioti kot evkarioti so na primer molibden ključnega pomena za delovanje nekaterih encimov.

Molibden mora biti biološko uporaben z drugo organsko molekulo, proizvodom delovanja različnih encimov v zapleteni presnovni poti.

Ko se ta kofaktor, zapleten z molibdenom, oblikuje, ga bodo vsi molibdoproteini uporabili za izvajanje vsake svoje funkcije.

Pleiotropni učinek pri mutaciji, ki preprečuje sintezo molibdokofaktorja, se bo pokazal ne le v odsotnosti le-tega, ampak tudi v izgubi encimske aktivnosti vseh molibdoencimov posameznika, ki je mutiral.

-Laminopatije

Jedrska lamina je zapletena mreža znotraj jedra, dinamično pritrjena na njeno notranjo membrano. Jedrska lamina uravnava arhitekturo jedra, delitev med evromatinom in heterokromatinom, ekspresijo genov in med drugim tudi podvajanje DNK.

Jedro lamine tvori nekaj beljakovin, skupaj znanih kot laminini. Ker gre za strukturne beljakovine, s katerimi sodeluje množica mnogih drugih, bo vsaka mutacija, ki vpliva na vaše gene, imela pleiotropne učinke.

Pleiotropni učinki mutacij v genih laminina se bodo pokazali kot bolezni, ki jih imenujemo laminopatije.

Se pravi, laminopatija je pleiotropna manifestacija, ki je posledica mutacij v genih laminina. Klinične manifestacije laminopatije vključujejo, vendar niso omejene na, Progeria, mišično distrofijo Emery-Dreifuss in vrsto drugih stanj.

-Prenosni regulatorji

Drugi geni, katerih mutacije povzročajo množico različnih pleiotropnih učinkov, so tisti, ki kodirajo regulatorje transkripcije.

To so beljakovine, ki posebej nadzirajo izražanje genov; obstajajo tudi drugi, ki so splošni regulatorji transkripcije. Vsekakor pa odsotnost teh produktov določa, da se drugi geni ne prepisujejo (torej ne izražajo).

Mutacija, ki določa odsotnost ali nepravilno delovanje splošnega ali specifičnega regulatorja transkripcije, bo imela v organizmu pleiotropne učinke, saj noben gen, ki je pod njegovim nadzorom, ne bo izražen.

Pleiotropija in epigenetika

Odkritje mehanizmov spremembe v ekspresiji genov, ki niso odvisne od sprememb v nukleotidnem zaporedju genov (epigenetika), je obogatilo našo vizijo pleiotropije.

Eden najbolj preučenih vidikov epigenetike je delovanje endogenih mikroRNA. To so produkt prepisovanja genov, imenovanih mir.

Transkripcija mirnega gena povzroči nastanek RNK, ki po predelavi deluje v citoplazmi kot majhna inaktivirajoča RNA.

Te RNK imenujemo majhne utišalne RNK, ker lahko dopolnjujejo ciljne RNK. Če se jim pridružite, se glasnik razvrednoti in lik se ne izrazi.

V nekaterih primerih se lahko ta majhna molekula veže na več različnih sporočil, kar seveda povzroči pleiotropni učinek.

Pleiotropija in staranje

Razlaga naravnih vzrokov staranja lahko leži v učinku pleiotropnih genov. Glede na hipotezo GC Williams je staranje zaradi posledic tistega, kar je imenoval antagonistična pleiotropija.

Če obstajajo geni, katerih produkti imajo antagonistične učinke v različnih fazah v življenju organizma, potem lahko ti geni prispevajo k staranju.

Če bi se koristni učinki kazali pred razmnoževanjem in škodljivi učinki po njem, bi jim naklonili naravno selekcijo. V nasprotnem primeru bi naravna selekcija delovala proti tem genom.

Če so geni res pleiotropni, bi bilo staranje neizogibno, saj bi naravna selekcija vedno delovala v korist genov, ki spodbujajo reprodukcijo.

Pleiotropija in specifikacija

Simpatična specifikacija je vrsta specifikacije, ki se pojavi brez geografskih ovir med populacijami. Ta vrsta specifikacije je očitno naklonjena pleiotropnim mutacijam.

Matematični simulacijski modeli, ki jih je razvil Kondrashov, kažejo, da se reproduktivna izolacija med simpatičnimi populacijami lahko pojavi zaradi pojava ekološko pomembnih kvantitativnih lastnosti pod motečo selekcijo.

Ti isti modeli kažejo, da morajo biti te lastnosti povezane s pleiotropnimi geni. Če bi spremembe nastale zaradi več genov in ne pleiotropnih, bi rekombinacija genov med reprodukcijo preprečila specifikacijo. Pleiotropija bi se izognila motečim učinkom rekombinacije.

Pleiotropija in prilagoditev

Zemljišče se nenehno spreminja. Organizmi se morajo nenehno spreminjati, da se prilagodijo novim razmeram. Te spremembe vodijo k temu, kar je znano kot evolucija.

Številni avtorji trdijo, da evolucija vodi do vse večje zapletenosti organizmov. Ta kompleksnost je lahko morfološka, ​​kjer se lahko določen značaj v določenih okoljskih pogojih razvija neodvisno od drugega.

Ker pa organizmi postajajo bolj kompleksni, se njihova sposobnost odzivanja na spremembe upočasni. Temu pravimo "evolucijski stroški zapletenosti".

Matematični modeli trdijo, da bi bile prilagoditve zaradi sprememb pleiotropnih genov evolucijsko manj drage od sprememb zaradi znakov, kodiranih s posameznimi geni.

Reference

1. Brooker, RJ (2017). Genetika: analiza in načela. McGraw-Hill High Education, New York, NY, ZDA.
2. Goodenough, UW (1984) Genetika. WB Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, ZDA.
3. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Uvod v genetsko analizo (11 ^th ed.). New York: WH Freeman, New York, NY, ZDA.
4. Ho, R., Hegele, RA (2018) Kompleksni učinki mutacij laminopatije na jedrsko strukturo in delovanje. Clinical Genetics, doi: 10.1111 / cge.13455.
5. Lobo, I. (2008). Pleiotropija: en gen lahko vpliva na več lastnosti. Izobraževanje v naravi, 1:10.
6. Stitzer, MC, Ross-Ibarra, J. (2018) Pridružitev koruze in genska interakcija. Novi fitolog, 220: 395-408.