MIKÄ ON PLEIOTROPIA? (ESIMERKKEINÄ) - BIOLOGIA - 2025

Pleiotropia on geneettinen ilmiö, jossa geenin ilmentymistä yksilössä vaikuttaa fenotyyppisen ilmentymisen muiden liity merkkiä. Etyologisesti pleiotropia tarkoittaa "enemmän muutoksia" tai "monia vaikutuksia": toisin sanoen enemmän vaikutuksia kuin yhden geenin ekspressiosta odotettiin. Se tunnetaan myös nimellä polyfenia (monet fenotyypit), mutta se on harvoin käytetty termi.

Yksi perinnöllisyyden ilmiöistä, joka sekoitti geneetikot eniten tämän tutkimuksen alkuvaiheessa, oli mutaatiot, jotka koskivat useampaa kuin yhtä merkkiä.

Aluksi uskottiin, että kutakin merkkiä kontrolloi yksi geeni. Sitten tajusimme, että hahmon esiintyminen voi edellyttää useamman kuin yhden geenin osallistumista.

Yllättävintä on kuitenkin se, että yksi geeni voi vaikuttaa useamman kuin yhden periytyvän piirteen ilmenemiseen, mikä määrittelee pohjimmiltaan pleiotroopian.

Yleensä kun pleiotroopiaa osoitetaan, on tarkoituksenmukaisempaa sanoa, että vastuussa olevalla geenillä on pleiotrooppisia vaikutuksia kuin että geenillä on pleiotropiini.

Vaikka kaikki eivät noudata tätä yleissopimusta, on tärkeää huomata, että pleiotrooppinen geeni koodaa tiettyä ominaisuutta eikä pleiotroopiaa sinänsä.

Muuten "normaalisuus" ei olisi muuta kuin tietyn geenin villin alleelin vaikutuksen pleiotrooppinen ilmenemismuoto muille. Tämä on kuitenkin geneettisesti väärin.

Historia

Termiä pleiotropia käytti ensimmäisen kerran saksalainen geneetikko nimeltä Ludwig Plate vuonna 1910. Plate käytti termiä selittämään useiden erilaisten fenotyyppisten piirteiden esiintyminen, jotka esiintyvät aina yhdessä ja saattavat näyttää korreloivilta. Hänen mukaansa tämä ilmiö, kun se tapahtuu, johtuu pleiotrooppisesta perinnöstä.

Toinen saksalainen, Hans Gruneberg, jakoi pleiotroopian "aitoksi" ja "harhaan". Ensimmäiselle oli ominaista kahden erillisen päätuotteen syntyminen yhdestä paikasta.

Toinen, tämän kirjoittajan mukaan, viittasi yhteen ainoaan alkutuotteeseen, jota käytettiin eri tavoin. Nykyään Grunebergin todellisen pleiotroopian merkitys on hylätty, kun taas harhaa pleiotroopiaa pidetään yksinkertaisesti pleiotroopiana.

Toisen jaon pleiotropiikkakonseptin teki Ernst Hadorn, joka huomautti, että pleiotroopiaa oli kahta tyyppiä: mosaiikki ja relaatiot. Ensimmäinen tapahtuu, kun geeni koodaa tietoa, joka vaikuttaa kahteen erilaiseen fenotyyppiseen ominaisuuteen.

Suhteellinen pleiotropia sitä vastoin tapahtuu, kun geeni määrittelee toisiinsa liittyvien erilaisten tapahtumien alkamisen ja jotka vaikuttavat useisiin riippumattomiin piirteisiin.

Kacser ja Burns huomauttivat puolestaan, että mikä tahansa genomin osan variaatio vaikuttaa kaikkiin piirteisiin eri asteissa, joko suoraan tai epäsuorasti. Tämä ajatus tunnetaan nimellä universaali pleiotropia.

Esimerkkejä geeneistä, joilla on pleiotrooppisia vaikutuksia

Pleiotropia, joka on ilmiö, joka kuvaa joitain geenituotteiden välisen vuorovaikutuksen seurauksia, on universaali.

Viruksilla, kuten myös kaikilla solutyyppisillä organismeilla, on geenejä, joiden tuotteet ovat tärkeitä muiden hahmojen ilmentymiselle. Nämä geenit, joiden villityypin ja mutanttialleelillä on pleiotrooppisia vaikutuksia, ovat luonteeltaan erilaisia.

- Vestigiaaligeeni Drosophilassa

Drosophilassa (hedelmäkärpäs) vestigiaaligeeni määrittää siipien kehitysasteen. Kun tämä geeni on peritty molemmilta vanhemmilta, jälkeläinen perho tuottaa eturauhasen siipiä eikä voi lentää.

Nämä eivät kuitenkaan ole eturauhasen geenin ainoita vaikutuksia. Tämä geeni on pleiotrooppinen ja sen esiintyminen johtaa myös munien lukumäärän vähentymiseen kärpäsen munasarjoissa. Se muuttaa myös harjasten määrää ja järjestelyä rintakehässä ja lyhentää tätä käyttöikää.

-Pigmentaatio ja kuurous kissoissa

Geenit, jotka koodaavat pigmentointitietoja kissoilla, on pleiotrooppinen geeni. Tästä johtuen myös melko suuri prosenttiosuus kissoista, joilla on valkoinen turkis ja siniset silmät, ovat myös kuuroja.

Jopa valkoiset kissat, joilla on sininen ja keltainen silmä, ovat kuuroja vain korvassa, joka on samalla pään puolella kuin sininen silmä.

Pleiotropia kissoissa. Valkoinen kissa heterokromia. Kuvannut ja muokannut: Keith Kissel, Wikimedia Commonsin kautta.

-Pisat ja kiertyneet höyhenet

Kanoissa hallitseva geeni tuottaa rypistettyjen höyhenten vaikutuksen. Tällä geenillä osoitettiin olevan pleiotrooppinen vaikutus, koska sillä ilmenee muita fenotyyppisiä vaikutuksia: lisääntynyt metabolia, lisääntynyt kehon lämpötila, suurempi ruuan kulutus.

Lisäksi kanoilla, joilla on tämä geeni, on viivästynyt sukukypsyys ja heikentynyt hedelmällisyys.

-Ihmisillä

Marfanin oireyhtymä

Tämän oireyhtymän oireita ovat: epätavallisen pitkä kehon koko, etenevät sydänsairaudet, silmän linssin dislokaatio, keuhkohäiriöt.

Kaikki nämä oireet liittyvät suoraan yhteen geenimutaatioon. Tämä geeni, nimeltään FBN1, on pleiotrooppinen, koska sen tehtävänä on koodata glykoproteiini, jota käytetään sidekudoksissa kehon eri osissa.

Holt-Oram-oireyhtymä

Potilailla, joilla on tämä oireyhtymä, on rintakehän luiden ja muiden raajojen luiden poikkeavuuksia. Lisäksi noin 3/4 potilaasta, joilla on tämä oireyhtymä, on sydänvaivoja.

Nijmegenin oireyhtymä

Sille on ominaista, että siitä kärsivillä esiintyy mikrosefaalia, immuunikato, kehityshäiriöt ja taipumus imusyöpään ja leukemiaan.

-Phenylketonuria

Fenyyliketonuriasta vastuussa olevat mutanttialleelit aiheuttavat tunnetun pleiotrooppisen vaikutustapauksen.

Fenyyliketonuria, metabolinen sairaus, johtuu yhden geenin mutaatiosta, joka koodaa entsyymiä fenyylialaniinihydroksylaasia. Passiivinen mutanttientsyymi ei kykene hajottamaan aminohappoa fenyylialaniinia; kun tämä kertyy, organismi tulee päihteeksi.

Siksi yksilöillä, jotka kantavat mutatoidun geenin kahta kopiota, havaittu vaikutus on moninkertainen (pleiotrooppinen).

Sairauden tai oireyhtymän syy on metaboolisen toiminnan puute, joka aiheuttaa ihon purkauksia, neurologisia häiriöitä, mikrosefaliaa, vaaleaa ihoa ja sinisiä silmiä (melaniinin muodostumisen puutteen vuoksi) jne. Eri reittien kautta.

Mitään näiden muiden ominaisuuksien muuttuneeseen ilmentymiseen osallistuvista geeneistä ei välttämättä mutatoidu.

-Muut aineenvaihduntareitit

On hyvin yleistä tapaus, jossa useat entsyymit jakavat saman kofaktorin tai käyttävät sitä ollakseen aktiivisia. Tämä kofaktori on lopputuote useille muille proteiineille, jotka osallistuvat tähän biosynteesireittiin.

Jos mutaatio syntyy jollakin geenistä, joka koodaa tämän reitin proteiineja, kofaktoria ei tuoteta. Näillä mutaatioilla on pleiotrooppinen vaikutus, koska yksikään proteiineista, jotka riippuvat aktiivisesta kofaktorista, ei pysty olemaan aktiivisia, vaikka niiden omat geenit ovat täysin toiminnallisia.

molybdeeni

Esimerkiksi sekä prokaryooteissa että eukaryooteissa molybdeeni on välttämätön tiettyjen entsyymien toiminnalle.

Molybdeeni, jotta se olisi biologisesti käyttökelpoinen, on kompleksoitava toisen orgaanisen molekyylin kanssa, joka on tuote erilaisten entsyymien vaikutuksesta monimutkaisessa metaboliareitissä.

Kun tämä molybdeenin kanssa kompleksoitunut kofaktori on muodostettu, kaikki molybdoproteiinit käyttävät sitä kullekin oman tehtävänsä hoitamiseen.

Poliotrooppinen vaikutus mutaatiossa, joka estää molybdocofactorin synteesiä, ilmenee paitsi sen puuttuessa, myös myös mutaatiota kantavan yksilön kaikkien molybdoentsyymien entsymaattisen aktiivisuuden menetyksenä.

-Laminopathies

Ydinkerros on monimutkainen verkko ytimen sisällä, joka on kiinnitetty dynaamisesti sen sisäkalvoon. Ydinlaminaatti säätelee muun muassa ytimen arkkitehtuuria, jakautumista euchromatiinin ja heterokromatiinin välillä, geeniekspressiota sekä DNA: n replikaatiota.

Ydinlaminaatti koostuu harvoista proteiineista, joita kutsutaan yhdessä laminaineiksi. Koska nämä ovat rakenteellisia proteiineja, joiden kanssa monien muiden kanssa tapahtuu vuorovaikutusta, mutaatioilla, jotka vaikuttavat geeneihisi, on pleiotrooppisia vaikutuksia.

Laminaatigeenien mutaatioiden pleiotrooppiset vaikutukset ilmenevät sairauksina, joita kutsutaan laminopatioiksi.

Toisin sanoen laminopatia on pleiotrooppinen manifestaatio, joka johtuu laminiinigeenien mutaatioista. Laminopatioiden kliinisiin ilmenemismuotoihin kuuluvat, mutta niihin rajoittumatta, Progeria, Emery-Dreifuss-lihasdystrofia ja joukko muita tiloja.

-Transkription säätimet

Muut geenit, joiden mutaatiot aiheuttavat monia erilaisia ​​pleiotrooppisia vaikutuksia, ovat niitä, jotka koodaavat transkription säätelijöitä.

Nämä ovat proteiineja, jotka kontrolloivat spesifisesti geeniekspressiota; toiset ovat transkription yleisiä säätelijöitä. Joka tapauksessa näiden tuotteiden puuttuminen määrittää, että muita geenejä ei transkriptoida (ts. Ei ekspressoida).

Mutaatiolla, joka määrittää yleisen tai spesifisen transkription säätelijän puuttumisen tai toimintahäiriön, on organismissa pleiotrooppisia vaikutuksia, koska mitään sen valvonnassa olevaa geeniä ei ekspressoida.

Pleiotropia ja epigenetiikka

Geeniekspression muutosmekanismien löytäminen, jotka eivät riipu geenien nukleotidisekvenssin muutoksista (epigenetiikka), on rikastuttanut näkemystämme pleiotropiasta.

Yksi tutkituimmista epigenetiikan näkökohdista on endogeenisten mikroRNA: ien toiminta. Nämä ovat mir-nimisten geenien transkription tuote.

Mir-geenin transkriptio saa aikaan RNA: n, joka prosessoinnin jälkeen toimii sytoplasmassa pienenä inaktivoivana RNA: na.

Näitä RNA: ita kutsutaan pieniksi hiljentäviksi RNA: ksi, koska niillä on kyky olla komplementaarisia kohdelähetys-RNA: iin. Liittymällä heihin lähettiläs huononee eikä merkkiä ilmaista.

Joissain tapauksissa tämä pieni molekyyli voi sitoutua useampaan kuin yhteen erilliseen lähettihenkilöön, mikä tietenkin antaa pleiotrooppisen vaikutuksen.

Pleiotropia ja ikääntyminen

Selitys vanhenemisen luonnollisille syille voi olla pleiotrooppisten geenien vaikutuksessa. GC Williamsin esittämän hypoteesin mukaan vanheneminen on seurausta siitä, mitä hän kutsui antagonistiseksi pleiotroopiaksi.

Jos on geenejä, joiden tuotteilla on antagonistisia vaikutuksia organismin eri vaiheissa, nämä geenit voisivat osaltaan vaikuttaa ikääntymiseen.

Jos hyödylliset vaikutukset ilmenevät ennen lisääntymistä ja haitalliset vaikutukset sen jälkeen, luonnollinen valinta suosii niitä. Mutta muuten luonnollinen valinta toimisi näitä geenejä vastaan.

Tällä tavoin, jos geenit ovat todella pleiotrooppisia, vanheneminen olisi väistämätöntä, koska luonnollinen valinta toimisi aina lisääntymistä edistävien geenien puolesta.

Pleiotropia ja erikoistuminen

Sympatrinen spesifikaatio on eräänlainen spesifikaatio, jota esiintyy ilman maantieteellisiä esteitä väestöjen välillä. Pleiotrooppiset mutaatiot suosivat ilmeisesti tämän tyyppistä spesifikaatiota.

Kondrashovin kehittämät matemaattiset simulointimallit osoittavat, että sympatristen populaatioiden välinen lisääntymiseristys voi tapahtua johtuen ekologisesti tärkeiden kvantitatiivisten piirteiden esiintymisestä häiritsevän valinnan alla.

Nämä samat mallit osoittavat, että näiden ominaisuuksien on oltava sukua pleiotrooppisiin geeneihin. Jos muutokset johtuvat useista geeneistä, eikä pleiotrooppisista, geenien rekombinaatio lisääntymisen aikana estäisi spesifikaation. Pleiotropia välttää rekombinaation häiritseviä vaikutuksia.

Pleiotropia ja sopeutuminen

Maa muuttuu jatkuvasti. Organismien täytyy jatkuvasti muuttua sopeutuakseen uusiin olosuhteisiin. Nämä muutokset johtavat evoluutioon.

Monet kirjoittajat väittävät, että evoluutio johtaa organismien monimutkaisuuteen. Tämä monimutkaisuus voi olla morfologinen, jolloin tietty merkki voi kehittyä toisistaan ​​riippumatta tietyissä ympäristöolosuhteissa.

Organismien monimutkaistuessa niiden kyky reagoida muutoksiin kuitenkin hidastuu. Tätä kutsutaan ”monimutkaisuuden evoluutiokuluksi”.

Matemaattisten mallien mukaan pleiotrooppisten geenien muutoksista johtuvat mukautukset olisivat evoluution kannalta kalliimpia kuin ne, jotka johtuvat yksittäisten geenien koodaamien merkkien muutoksista.

Viitteet

1. Brooker, RJ (2017). Genetiikka: Analyysi ja periaatteet. McGraw-Hillin korkeakoulutus, New York, NY, Yhdysvallat.
2. Goodenough, UW (1984), Genetiikka. WB Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, Yhdysvallat.
3. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Johdatus Geneettinen analyysi (11 ^th ed.). New York: WH Freeman, New York, NY, Yhdysvallat.
4. Ho, R., Hegele, RA (2018) Laminopatian mutaatioiden monimutkaiset vaikutukset ydinrakenteeseen ja toimintaan. Kliininen genetiikka, doi: 10.1111 / cge.13455.
5. Lobo, I. (2008). Pleiotropia: yksi geeni voi vaikuttaa useisiin piirteisiin. Luontokasvatus, 1:10.
6. Stitzer, MC, Ross-Ibarra, J. (2018) Maissin koduttaminen ja geenien vuorovaikutus. The New Phytologist, 220: 395-408.