HVAD ER PLEIOTROPI? (MED EKSEMPLER) - BIOLOGI

Den pleiotropi er den genetiske fænomen, hvor ekspressionen af et gen i et individ påvirker den fænotypiske ekspression af andre ubeslægtede karakterer. Etymologisk betyder pleiotropi "flere ændringer" eller "mange effekter": det vil sige flere effekter end forventet fra ekspressionen af et enkelt gen. Det er også kendt som polyfeni (mange fænotyper), men det er et sjældent anvendt udtryk.

Et af de arvsfænomener, som mest forvirrede genetikere i løbet af denne videnskab var fra mutationer, der påvirkede mere end en karakter.

Først troede man, at hver karakter blev kontrolleret af et enkelt gen. Derefter indså vi, at manifestationen af en karakter kunne kræve deltagelse af mere end et gen.

Det, der dog er mest overraskende, er, at et enkelt gen kan påvirke manifestationen af mere end en arvelig egenskab, hvilket i det væsentlige er det, der definerer pleiotropi.

Generelt, når pleiotropi demonstreres, er det mere passende at sige, at det ansvarlige gen har pleiotropiske virkninger end at genet er pleiotropisk.

Selvom ikke alle overholder denne konvention, er det vigtigt at bemærke, at det pleiotropiske gen koder for en særlig egenskab og ikke i sig selv pleiotropi.

Ellers ville "normalitet" kun være den pleiotropiske manifestation af virkningen af en vild allel af et bestemt gen på andre. Dette er imidlertid genetisk forkert.

Historie

Udtrykket pleiotropi blev først brugt af en tysk genetiker ved navn Ludwig Plate i 1910. Pladen brugte udtrykket til at forklare forekomsten af flere forskellige fænotype træk, der altid forekommer sammen og kan synes at være korrelerede. Ifølge ham skyldes dette fænomen, når det forekommer, en enhed af pleiotropisk arv.

En anden tysker, Hans Gruneberg, delte pleiotropi i "ægte" og "falsk." Den første blev karakteriseret ved fremkomsten af to forskellige primære produkter fra et enkelt sted.

Den anden henviste ifølge denne forfatter til et enkelt primært produkt, der blev brugt på forskellige måder. I dag er Gruneberg-betydningen af ægte pleiotropi bortkastet, mens falsk pleiotropi blot betragtes som pleiotropi.

En anden opdeling af pleiotropikonceptet blev foretaget af Ernst Hadorn, der påpegede, at der var to typer af pleiotropi: mosaik og relationel. Den første opstår, når et gen koder for information, der påvirker to forskellige fænotype træk.

Relationel pleiotropi forekommer på den anden side, når et gen bestemmer initieringen af forskellige begivenheder relateret til hinanden, og det vil påvirke flere uafhængige træk.

Kacser og Burns påpegede på sin side, at enhver variation i en del af genomet påvirker alle træk i forskellige grader, enten direkte eller indirekte. Denne idé er kendt under navnet universal pleiotropi.

Eksempler på gener med pleiotropiske effekter

Pleiotropy, der er et fænomen, der beskriver nogle af konsekvenserne af interaktionen mellem genprodukterne, er universel.

Viraer såvel som alle organismer af cellulær karakter har gener, hvis produkter er vigtige for manifestationen af andre karakterer. Disse gener, hvis vildtype og mutante alleler har pleiotropiske virkninger, er af en anden karakter.

-Den vestigiale gen i Drosophila

I Drosophila (frugtfluen) bestemmer det vestigiale gen niveauet for vingenes udvikling. Når dette gen er arvet fra begge forældre, vil efterkommerfluen præsentere vestigiale vinger og vil ikke være i stand til at flyve.

Disse vil dog ikke være de eneste effekter af vestigialgenet. Dette gen er pleiotropisk og dets tilstedeværelse fører også til en reduktion i antallet af æg i fluens æggestokke. Det ændrer også antallet og arrangementet af børsten i brystkassen og reducerer levetiden er dette.

-Pigmentering og døvhed hos katte

Genet, der koder for pigmenteringsinformation hos katte, er et pleiotropisk gen. På grund af dette er en forholdsvis høj procentdel af katte med hvid pels og blå øjne også døve.

Selv hvide katte, der har et blåt øje og et gult øje, er kun døve i øret, der er på samme side af hovedet som det blå øje.

Pleiotropi hos katte. Hvid kat med heterokromi. Taget og redigeret fra: Keith Kissel, via Wikimedia Commons.

-Kyllinger med krøllede fjer

Hos kyllinger producerer et dominerende gen virkningen af ruffede fjer. Dette gen blev vist at have en pleiotropisk effekt, da det manifesterer andre fænotype effekter: øget stofskifte, øget kropstemperatur, større fødevareforbrug.

Derudover viser kyllinger med dette gen forsinket seksuel modenhed og nedsat fertilitet.

-I mennesker

Marfan syndrom

Symptomer på dette syndrom inkluderer: usædvanligt høj kropsstørrelse, progressive hjertesygdomme, dislokation af linsen i øjet, lungeforstyrrelser.

Alle disse symptomer er direkte relateret til en enkelt genmutation. Dette gen, kaldet FBN1, er pleiotropisk, da dets funktion er at kode et glycoprotein, der bruges i bindevæv i forskellige dele af kroppen.

Holt-Oram syndrom

Patienter med dette syndrom har abnormiteter i karpale knogler og andre knogler i forbenene. Derudover har ca. 3 ud af 4 patienter med dette syndrom hjerteproblemer.

Nijmegen syndrom

Det er kendetegnet ved det faktum, at de, der lider af det, har mikrocephali, immunsvigt, udviklingsforstyrrelser og en tilbøjelighed til lymfekræft og leukæmi.

-Phenylketonuria

Et velkendt tilfælde af pleiotropisk effekt forårsages af mutante alleler, der er ansvarlige for phenylketonuri.

Phenylketonuria, en metabolisk sygdom, skyldes mutationen af et enkelt gen, der koder for enzymet fenylalaninhydroxylase. Det inaktive mutantenzym er ikke i stand til at nedbryde aminosyren phenylalanin; når dette ophobes, bliver organismen beruset.

Derfor er effekten observeret hos individer, der bærer de to kopier af det muterede gen, multiple (pleiotropisk).

Årsagen til sygdommen eller syndromet er manglen på metabolisk aktivitet, der forårsager hududbrud, neurologiske lidelser, mikrocephaly, lys hud og blå øjne (på grund af manglen på generering af melanin) osv. Gennem forskellige ruter.

Ingen af de gener, der er involveret i den ændrede manifestation af disse andre træk, er nødvendigvis muteret.

-Andre metaboliske veje

Det er meget almindeligt det tilfælde, hvor flere enzymer deler eller bruger den samme cofaktor til at være aktiv. Denne kofaktor er slutproduktet af den samordnede virkning af adskillige andre proteiner, der deltager i denne biosyntetiske vej.

Hvis der genereres en mutation i nogen af de gener, der koder for proteinerne i denne vej, produceres kofaktoren ikke. Disse mutationer vil have en pleiotropisk effekt, da ingen af de proteiner, der afhænger af cofaktoren for at være aktive, vil være i stand til at være aktive, selvom deres egne gener er perfekt funktionelle.

Molybdæn

I både prokaryoter og eukaryoter er for eksempel molybdæn essentielt for funktionen af visse enzymer.

Molybdæn, der skal være biologisk anvendelig, skal være kompleksbundet med et andet organisk molekyle, produktet af virkningen af forskellige enzymer i en kompleks metabolisk vej.

Når denne cofaktor, der er kompleks med molybdæn, er dannet, vil den blive brugt af alle molybdoproteiner til hver udøvelse af sin egen funktion.

Den pleiotropiske virkning i en mutation, der forhindrer syntese af molybdocofaktor, vil manifesteres ikke kun i fravær af den, men også i tabet af den enzymatiske aktivitet af alle molybdoenzymer hos den person, der bærer mutationen.

-Laminopathies

Den nukleare lamina er et kompliceret net inde i kernen, der er dynamisk bundet til dets indre membran. Den nukleare lamina regulerer strukturen af kernen, fordelingen mellem euchromatin og heterochromatin, genekspression samt DNA-replikation blandt andet.

Kernelaminaen består af få proteiner, der samlet kaldes lamininer. Da dette er strukturelle proteiner, som en mangfoldighed af mange andre interagerer med, vil enhver mutation, der påvirker dine gener, have pleiotropiske effekter.

De pleiotropiske virkninger af mutationer i laminingener vil manifestere sig som sygdomme, der kaldes laminopati.

Det vil sige, en laminopati er den pleiotropiske manifestation, der er resultatet af mutationer i laminingener. De kliniske manifestationer af laminopatier inkluderer, men er ikke begrænset til, Progeria, Emery-Dreifuss muskeldystrofi og en række andre tilstande.

-Transkriptionelle regulatorer

Andre gener, hvis mutationer giver anledning til en række forskellige pleiotropiske effekter, er de, der koder for transkriptionelle regulatorer.

Disse er proteiner, der specifikt styrer genekspression; der er andre, der er generelle regulatorer for transkription. Under alle omstændigheder bestemmer fraværet af disse produkter, at andre gener ikke transkriberes (dvs. ikke udtrykkes).

En mutation, der bestemmer fraværet eller funktionsfejlen af en generel eller specifik transkriptionel regulator, vil have pleiotropiske virkninger i organismen, da intet gen under dens kontrol vil blive udtrykt.

Pleiotropi og epigenetik

Opdagelsen af mekanismer til ændring i genekspression, som ikke afhænger af ændringer i nukleotidsekvensen for gener (epigenetik), har beriget vores vision om pleiotropi.

Et af de mest studerede aspekter af epigenetik er virkningen af endogene mikroRNA'er. Dette er produktet af transkription af gener kaldet mir.

Transkriptionen af et mir-gen giver anledning til et RNA, der, efter at det er blevet behandlet, fungerer i cytoplasmaet som et lille inaktiverende RNA.

Disse RNA'er kaldes små lyddæmpende RNA'er, fordi de har evnen til at være komplementære til mål messenger RNA'er. Ved at slutte sig til dem forringes messenger, og karakteren udtrykkes ikke.

I nogle tilfælde kan dette lille molekyle binde til mere end en anden messenger og naturligvis give anledning til en pleiotropisk effekt.

Pleiotropi og aldring

Forklaringen på de naturlige årsager til senescens kan ligge i virkningen af pleiotropiske gener. I henhold til en hypotese fremsat af GC Williams er senescence konsekvensen af det, han kaldte antagonistisk pleiotropi.

Hvis der er gener, hvis produkter har antagonistiske virkninger på forskellige stadier i en organisms liv, kan disse gener bidrage til aldring.

Hvis de gavnlige virkninger manifesteres før reproduktion og de skadelige virkninger derpå, ville de blive foretrukket af naturlig selektion. Men ellers ville naturlig selektion arbejde imod disse gener.

På denne måde, hvis generne virkelig er pleiotropiske, ville senescens være uundgåelig, da naturlig udvælgelse altid vil fungere til fordel for gener, der favoriserer reproduktion.

Pleiotropi og speciation

Sympatrisk specifikation er en type specifikation, der forekommer uden geografiske barrierer mellem populationer. Denne type speciation er tilsyneladende foretrukket af pleiotropiske mutationer.

Matematiske simuleringsmodeller udviklet af Kondrashov viser, at reproduktiv isolering mellem sympatriske populationer kan forekomme på grund af udseendet af økologisk vigtige kvantitative egenskaber under forstyrrende valg.

Disse samme modeller viser, at disse træk skal være relateret til pleiotropiske gener. Hvis ændringerne skyldes flere gener og ikke en pleiotropisk en, ville rekombination af gener under reproduktion forhindre specifikation. Pleiotropy ville undgå de forstyrrende virkninger af rekombination.

Pleiotropi og tilpasning

Landet ændrer sig konstant. Organismer skal konstant ændre sig for at tilpasse sig nye forhold. Disse ændringer fører til det, der kaldes evolution.

Mange forfattere argumenterer for, at evolution fører til en stigende kompleksitet af organismer. Denne kompleksitet kan være morfologisk, hvor en bestemt karakter kan udvikle sig uafhængigt af en anden under specifikke miljøforhold.

Efterhånden som organismer bliver mere komplekse, forsinkes deres evne til at reagere på ændringer. Det er, hvad der kaldes ”udviklingsomkostningerne ved kompleksitet”.

Matematiske modeller hævder, at tilpasninger på grund af ændringer i pleiotropiske gener ville være mindre evolutionært dyre end dem på grund af ændringer i karakterer, der kodes af individuelle gener.

Referencer

Brooker, RJ (2017). Genetik: analyse og principper. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, USA.
Goodenough, UW (1984) Genetik. WB Saunders Co. Ltd, Pkil Philadelphia, PA, USA.
Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). En introduktion til Genetisk analyse (11 ^th ed.). New York: WH Freeman, New York, NY, USA.
Ho, R., Hegele, RA (2018) Komplekse effekter af laminopati-mutationer på nuklear struktur og funktion. Clinical Genetics, doi: 10.1111 / cge.13455.
Lobo, I. (2008). Pleiotropy: Et gen kan påvirke flere træk. Naturundervisning, 1:10.
Stitzer, MC, Ross-Ibarra, J. (2018) Majs domesticering og geninteraktion. Den nye fytolog, 220: 395-408.

HVAD ER PLEIOTROPI? (MED EKSEMPLER) - BIOLOGI - 2025