VAD ÄR PLEIOTROPI? (MED EXEMPEL) - BIOLOGI - 2025

Den pleiotropy är den genetiska fenomen i vilka uttrycket av en gen i en individ påverkar fenotypisk expression av andra obesläktade tecken. Etymologiskt betyder pleiotropi "fler förändringar" eller "många effekter": det vill säga fler effekter än väntat från uttrycket av en enda gen. Det är också känt som polyfeni (många fenotyper), men det är en sällan som används.

Ett av de arvsfenomen som de mest förvirrade genetikerna under veckans barndom var mutationer som påverkade mer än en karaktär.

Först trodde man att varje karaktär kontrollerades av en enda gen. Då insåg vi att manifestationen av en karaktär kan kräva deltagande av mer än en gen.

Det mest överraskande är dock att en enda gen kan påverka manifestationen av mer än ett ärftligt drag, vilket i huvudsak är det som definierar pleiotropi.

I allmänhet när pleiotropi demonstreras är det lämpligare att säga att den ansvariga genen har pleiotropiska effekter än att genen är pleiotropisk.

Även om inte alla följer denna konvention, är det viktigt att notera att den pleiotropiska genen kodar för ett speciellt drag och inte periotropi i sig.

Annars skulle "normalitet" bara vara den pleiotropiska manifestationen av handlingen av en vild allel av en viss gen på andra. Detta är dock genetiskt fel.

Historia

Begreppet pleiotropi användes först av en tysk genetiker vid namn Ludwig Plate 1910. Plate använde termen för att förklara utseendet på flera olika fenotypiska egenskaper som alltid förekommer tillsammans och kan tyckas vara korrelerade. Enligt honom beror detta fenomen, när det inträffar, på en enhet av pleiotropiskt arv.

En annan tyskare, Hans Gruneberg, delade pleiotropin i "äkta" och "falska". Den första kännetecknades av uppkomsten av två distinkta primära produkter från en enda plats.

Den andra hänvisade enligt denna författare till en enda primärprodukt som användes på olika sätt. Idag har Gruneberg-betydelsen av äkta pleiotropi förkastats, medan falsk pleiotropi bara betraktas som pleiotropi.

En annan uppdelning av pleiotropikonceptet gjordes av Ernst Hadorn, som påpekade att det fanns två typer av pleiotropi: mosaik och relationellt. Den första inträffar när en gen kodar information som påverkar två olika fenotypiska egenskaper.

Relational pleiotropi, å andra sidan, uppstår när en gen bestämmer initieringen av olika händelser relaterade till varandra och det kommer att påverka flera oberoende egenskaper.

Kacser och Burns påpekade för sin del att varje variation i någon del av genomet påverkar alla egenskaper i olika grader, antingen direkt eller indirekt. Denna idé är känd under namnet universal pleiotropi.

Exempel på gener med pleiotropiska effekter

Pleiotropy, som är ett fenomen som beskriver några av konsekvenserna av interaktionen mellan genprodukterna, är universell.

Virus, liksom alla organismer av cellulär karaktär, har gener vars produkter är viktiga för manifestationen av andra karaktärer. Dessa gener, vars vildtyp och mutanta alleler har pleiotropiska effekter, är av en annan karaktär.

-Vestigialgenen i Drosophila

I Drosophila (fruktflugan) bestämmer den vestigiala genen utvecklingsnivån för vingarna. När denna gen ärvs från båda föräldrarna kommer den efterkommande flugan att presentera vestigiala vingar och kommer inte att kunna flyga.

Dessa kommer emellertid inte att vara de enda effekterna av den vestigiala genen. Denna gen är pleiotropisk och dess närvaro leder också till en minskning av antalet ägg i flugan äggstockar. Det ändrar också antalet och arrangemanget av borsten i bröstkorgen och minskar livslängden är detta.

-Pigmentering och dövhet hos katter

Genen som kodar information om pigmentering hos katter är en pleiotropisk gen. På grund av detta är också en ganska hög andel katter med vit päls och blå ögon döva.

Även vita katter som har ett blått öga och ett gult öga är döva endast i örat som är på samma sida av huvudet som det blå ögat.

Pleiotropi hos katter. Vit katt med heterokromi. Hämtad och redigerad från: Keith Kissel, via Wikimedia Commons.

-Kycklingar med krullade fjädrar

Hos kycklingar ger en dominerande gen effekten av rufsade fjädrar. Denna gen visade sig ha en pleiotropisk effekt eftersom den manifesterar andra fenotypiska effekter: ökad metabolism, ökad kroppstemperatur, ökad matkonsumtion.

Dessutom visar kycklingar med denna gen försenad sexuell mognad och minskad fertilitet.

-I människor

Marfan syndrom

Symtom på detta syndrom inkluderar: ovanligt hög kroppsstorlek, progressiva hjärtsjukdomar, förflyttning av ögatlinsen, lungstörningar.

Alla dessa symtom är direkt relaterade till en enda genmutation. Denna gen, kallad FBN1, är pleiotropisk, eftersom dess funktion är att koda ett glykoprotein som används i bindvävnader i olika delar av kroppen.

Holt-Oram syndrom

Patienter med detta syndrom har avvikelser i karpala ben och andra ben i förbenen. Dessutom har cirka 3 av 4 patienter med detta syndrom hjärtproblem.

Nijmegen syndrom

Det kännetecknas av det faktum att de som lider av det har mikrocefali, immunbrist, utvecklingsstörningar och en benägenhet för lymfatisk cancer och leukemi.

-Phenylketonuria

Ett välkänt fall av pleiotropisk effekt orsakas av mutanta alleler ansvariga för fenylketonuri.

Fenylketonuri, en metabolisk sjukdom, beror på mutationen av en enda gen som kodar för enzymet fenylalaninhydroxylas. Det inaktiva mutanta enzymet kan inte bryta ner aminosyran fenylalanin; när detta ackumuleras blir organismen berusad.

Därför är effekten som observeras hos individer som bär de två kopiorna av den muterade genen multipel (pleiotropisk).

Orsaken till sjukdomen, eller syndromet, är bristen på metabolisk aktivitet som orsakar hudutbrott, neurologiska störningar, mikrocefali, ljus hud och blå ögon (på grund av brist på generering av melanin), etc., genom olika vägar.

Ingen av de gener som är involverade i den förändrade manifestationen av dessa andra egenskaper är nödvändigtvis muterade.

-Andra metaboliska vägar

Det är mycket vanligt att flera enzymer delar eller använder samma kofaktor för att vara aktiva. Denna kofaktor är slutprodukten av den samordnade verkan av flera andra proteiner som deltar i denna biosyntetiska väg.

Om en mutation genereras i någon av de gener som kodar för proteinerna i denna väg kommer kofaktorn inte att produceras. Dessa mutationer kommer att ha en pleiotropisk effekt, eftersom inga av de proteiner som är beroende av kofaktorn för att vara aktiva kommer att kunna vara aktiva, även om deras egna gener är perfekt funktionella.

Molybden

I både prokaryoter och eukaryoter, till exempel, är molybden viktigt för funktionen av vissa enzymer.

Molybden, för att vara biologiskt användbar, måste komplexeras med en annan organisk molekyl, produkten från verkan av olika enzymer i en komplex metabolisk väg.

När denna kofaktor komplex med molybden bildas kommer den att användas av alla molybdoproteiner för att utöva sin egen funktion.

Den pleiotropiska effekten i en mutation som förhindrar syntesen av molybdokofaktor kommer att manifesteras inte bara i frånvaro av den, utan också i förlusten av den enzymatiska aktiviteten hos alla molybdoenzymer hos den individ som bär mutationen.

-Laminopathies

Kärnlamina är ett intrikat nät inuti kärnan, dynamiskt fäst vid dess inre membran. Kärnlamina reglerar kärnans arkitektur, fördelningen mellan euchromatin och heterokromatin, genuttryck, liksom DNA-replikering, bland annat.

Kärnlamina består av få proteiner som tillsammans kallas lamininer. Eftersom det här är strukturella proteiner som en mängd många andra interagerar med, kommer varje mutation som påverkar dina gener att ha pleiotropiska effekter.

De pleiotropiska effekterna av mutationer i laminingener kommer att manifestera som sjukdomar som kallas laminopatier.

Det vill säga en laminopati är den pleiotropiska manifestationen som härrör från mutationer i laminingener. De kliniska manifestationerna av laminopatier inkluderar, men är inte begränsade till, Progeria, Emery-Dreifuss muskeldystrofi och en mängd andra tillstånd.

-Transcriptional regulatorer

Andra gener vars mutationer ger upphov till en mängd olika pleiotropiska effekter är de som kodar för transkriptionella regulatorer.

Dessa är proteiner som specifikt styr genuttryck; det finns andra som är allmänna regulatorer för transkription. I vilket fall som helst bestämmer frånvaron av dessa produkter att andra gener inte transkriberas (det vill säga inte uttryckta).

En mutation som bestämmer frånvaron eller funktionsfel hos en allmän eller specifik transkriptionsregulator kommer att ha pleiotropiska effekter i organismen, eftersom ingen gen under dess kontroll kommer att uttryckas.

Pleiotropi och epigenetik

Upptäckten av mekanismer för förändring i genuttryck som inte är beroende av förändringar i nukleotidsekvensen för gener (epigenetik) har berikat vår vision om pleiotropi.

En av de mest studerade aspekterna av epigenetiken är effekten av endogena mikroRNA. Dessa är produkten från transkription av gener som kallas mir.

Transkriptionen av en mir-gen ger upphov till ett RNA som, efter bearbetning, fungerar i cytoplasman som ett litet inaktiverande RNA.

Dessa RNA kallas små tystande RNA eftersom de har förmågan att vara komplementära till mål messenger RNA. Genom att gå med i dem försämras budbäraren och karaktären uttrycks inte.

I vissa fall kan denna lilla molekyl binda till mer än en annan budbärare, vilket naturligtvis ger upphov till en pleiotropisk effekt.

Pleiotropi och åldrande

Förklaringen till de naturliga orsakerna till senescens kan ligga i effekten av pleiotropiska gener. Enligt en hypotes som framförts av GC Williams, är senescens konsekvensen av vad han kallade antagonistisk pleiotropi.

Om det finns gener vars produkter har antagonistiska effekter i olika stadier i en organisms liv, kan dessa gener bidra till åldrandet.

Om de gynnsamma effekterna visar sig före reproduktionen och de skadliga effekterna efter det, skulle de gynnas av naturligt urval. Men annars skulle naturligt urval fungera mot dessa gener.

På detta sätt, om generna verkligen är pleiotropiska, skulle senescence vara oundvikligt, eftersom naturligt urval alltid skulle fungera till förmån för gener som gynnar reproduktion.

Pleiotropi och speciation

Sympatrisk specifikation är en typ av specifikation som inträffar utan geografiska barriärer mellan populationer. Denna typ av speciering föredras uppenbarligen av pleiotropiska mutationer.

Matematiska simuleringsmodeller utvecklade av Kondrashov visar att reproduktiv isolering mellan sympatriska populationer kan uppstå på grund av uppkomsten av ekologiskt viktiga kvantitativa egenskaper under störande urval.

Samma modeller indikerar att dessa egenskaper måste vara relaterade till pleiotropiska gener. Om förändringarna beror på flera gener, och inte en pleiotropisk, skulle rekombination av gener under reproduktion förhindra speciation. Pleiotropi skulle undvika störande effekter av rekombination.

Pleiotropi och anpassning

Landet förändras ständigt. Organismer måste ständigt förändras för att anpassa sig till nya förhållanden. Dessa förändringar leder till vad som kallas evolution.

Många författare hävdar att evolution leder till en ökande komplexitet hos organismer. Denna komplexitet kan vara morfologisk, där en viss karaktär kan utvecklas oberoende av en annan under specifika miljöförhållanden.

När organismer blir mer komplexa saknar emellertid deras förmåga att svara på förändringar. Det här är vad som kallas "evolutionära kostnader för komplexitet".

Matematiska modeller hävdar att anpassningar på grund av förändringar i pleiotropiska gener skulle vara mindre evolutionärt kostsamma än de på grund av förändringar i karaktärer som kodas av enskilda gener.

referenser

1. Brooker, RJ (2017). Genetik: Analys och principer. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, USA.
2. Goodenough, UW (1984) Genetics. WB Saunders Co. Ltd, Pkil Philadelphia, PA, USA.
3. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). En introduktion till genetisk analys (11: ^e upplagan). New York: WH Freeman, New York, NY, USA.
4. Ho, R., Hegele, RA (2018) Komplexa effekter av laminopati-mutationer på kärnstruktur och funktion. Clinical Genetics, doi: 10.1111 / cge.13455.
5. Lobo, I. (2008). Pleiotropi: en gen kan påverka flera drag. Naturutbildning, 1:10.
6. Stitzer, MC, Ross-Ibarra, J. (2018) Majshemning och geninteraktion. Den nya fytologen, 220: 395-408.