CO TO JEST PLEJOTROPIA? (Z PRZYKŁADAMI) - BIOLOGIA - 2026

Plejotropia jest zjawisko genetycznej, w których ekspresja genu u osobnika wpływa na ekspresję fenotypową innych niepowiązanych znaków. Etymologicznie plejotropia oznacza „więcej zmian” lub „wiele efektów”: to znaczy więcej efektów niż oczekiwano z ekspresji pojedynczego genu. Jest również znany jako polifenia (wiele fenotypów), ale jest to rzadko używany termin.

Jednym ze zjawisk dziedziczenia, które najbardziej zdezorientowanych genetyków w okresie niemowlęctwa tej nauki, były mutacje, które dotyczyły więcej niż jednej postaci.

Początkowo sądzono, że każda postać jest kontrolowana przez jeden gen. Wtedy zdaliśmy sobie sprawę, że manifestacja postaci może wymagać udziału więcej niż jednego genu.

Najbardziej zaskakujące jest jednak to, że pojedynczy gen może wpływać na manifestację więcej niż jednej cechy dziedzicznej, co zasadniczo definiuje plejotropię.

Ogólnie rzecz biorąc, gdy wykazana jest plejotropia, bardziej właściwe jest stwierdzenie, że odpowiedzialny gen ma skutki plejotropowe, niż że gen jest plejotropowy.

Chociaż nie wszyscy przestrzegają tej konwencji, ważne jest, aby zauważyć, że gen plejotropowy koduje określoną cechę, a nie plejotropię per se.

W przeciwnym razie „normalność” nie byłaby niczym więcej niż plejotropową manifestacją działania dzikiego allelu określonego genu na innych. Jednak jest to błędne genetycznie.

Historia

Termin plejotropia został po raz pierwszy użyty przez niemieckiego genetyka Ludwig Plate w 1910 roku. Plate użył tego terminu, aby wyjaśnić pojawienie się kilku różnych cech fenotypowych, które zawsze występują razem i mogą wydawać się skorelowane. Według niego zjawisko to, gdy zachodzi, wynika z jednostki dziedziczenia plejotropowego.

Inny Niemiec, Hans Gruneberg, podzielił plejotropię na „prawdziwą” i „fałszywą”. Pierwsza charakteryzowała się pojawieniem się dwóch odrębnych produktów podstawowych z jednego miejsca.

Drugi, zdaniem tego autora, dotyczył pojedynczego produktu podstawowego, który był używany na różne sposoby. Dziś odrzucono Grunebergowskie znaczenie prawdziwej plejotropii, podczas gdy fałszywa plejotropia jest uważana po prostu za plejotropię.

Kolejnego podziału koncepcji plejotropii dokonał Ernst Hadorn, wskazując, że istnieją dwa rodzaje plejotropii: mozaikowa i relacyjna. Pierwsza pojawia się, gdy gen koduje informacje wpływające na dwie różne cechy fenotypowe.

Z drugiej strony plejotropia relacyjna występuje, gdy gen determinuje zapoczątkowanie różnych powiązanych ze sobą zdarzeń, które wpłyną na wiele niezależnych cech.

Ze swojej strony Kacser i Burns wskazali, że każda zmiana dowolnej części genomu wpływa na wszystkie cechy w różnym stopniu, bezpośrednio lub pośrednio. Idea ta znana jest pod nazwą plejotropii uniwersalnej.

Przykłady genów z efektami plejotropowymi

Plejotropia, będąca zjawiskiem opisującym niektóre konsekwencje interakcji między produktami genów, ma charakter uniwersalny.

Wirusy, podobnie jak wszystkie organizmy o charakterze komórkowym, posiadają geny, których produkty są ważne dla manifestacji innych postaci. Te geny, których allele typu dzikiego i zmutowane mają działanie plejotropowe, mają inny charakter.

- Szczątkowy gen u Drosophila

U Drosophila (muszki owocówki) szczątkowy gen determinuje poziom rozwoju skrzydeł. Kiedy ten gen zostanie odziedziczony od obojga rodziców, potomek muchy będzie miał szczątkowe skrzydła i nie będzie w stanie latać.

Jednak nie będą to jedyne skutki szczątkowego genu. Gen ten jest plejotropowy, a jego obecność prowadzi również do zmniejszenia liczby jaj w jajnikach muchy. Zmienia również liczbę i rozmieszczenie włosia w klatce piersiowej i skraca żywotność.

-Pigmentacja i głuchota u kotów

Gen kodujący informację o pigmentacji u kotów jest genem plejotropowym. Z tego powodu dość wysoki odsetek kotów o białej sierści i niebieskich oczach jest również głuchy.

Nawet białe koty, które mają niebieskie i żółte oko, są głuche tylko w uchu, które znajduje się po tej samej stronie głowy co niebieskie oko.

Plejotropia u kotów. Biały kot z heterochromią. Zrobione i zredagowane przez: Keith Kissel, za pośrednictwem Wikimedia Commons.

-Pisklęta z zakręconymi piórami

U kurczaków dominujący gen wywołuje efekt potarganych piór. Wykazano, że gen ten ma działanie plejotropowe, ponieważ przejawia inne efekty fenotypowe: zwiększone tempo metabolizmu, podwyższoną temperaturę ciała, większe spożycie pokarmu.

Dodatkowo kurczaki z tym genem wykazują opóźnioną dojrzałość płciową i zmniejszoną płodność.

-W ludziach

zespół Marfana

Objawy tego zespołu obejmują: niezwykle wysoki wzrost ciała, postępujące choroby serca, zwichnięcie soczewki oka, choroby płuc.

Wszystkie te objawy są bezpośrednio związane z mutacją pojedynczego genu. Ten gen, zwany FBN1, jest plejotropowy, ponieważ jego funkcją jest kodowanie glikoproteiny, która jest wykorzystywana w tkankach łącznych w różnych częściach ciała.

Zespół Holta-Orama

Pacjenci z tym zespołem mają nieprawidłowości w kościach nadgarstka i innych kościach kończyn przednich. Ponadto około 3 na 4 pacjentów z tym zespołem ma problemy z sercem.

Zespół Nijmegena

Charakteryzuje się tym, że osoby na nią cierpiące mają małogłowie, niedobór odporności, zaburzenia rozwojowe oraz skłonność do raka limfatycznego i białaczki.

-Fenyloketonuria

Dobrze znany przypadek efektu plejotropowego jest spowodowany przez zmutowane allele odpowiedzialne za fenyloketonurię.

Fenyloketonuria, choroba metaboliczna, jest spowodowana mutacją pojedynczego genu, który koduje enzym hydroksylazę fenyloalaninową. Nieaktywny zmutowany enzym nie jest w stanie rozłożyć aminokwasu fenyloalaniny; kiedy to się nagromadzi, organizm zostaje odurzony.

Dlatego efekt obserwowany u osób posiadających dwie kopie zmutowanego genu jest wielokrotny (plejotropowy).

Przyczyną choroby lub zespołu jest brak aktywności metabolicznej, która różnymi drogami powoduje wykwity skórne, zaburzenia neurologiczne, małogłowie, jasną karnację i niebieskie oczy (z powodu braku wytwarzania melaniny) itp.

Żaden z genów zaangażowanych w zmienioną manifestację tych innych cech nie jest koniecznie zmutowany.

-Inne szlaki metaboliczne

Bardzo często zdarza się, że kilka enzymów korzysta z tego samego kofaktora, aby być aktywnym. Ten kofaktor jest końcowym produktem wspólnego działania kilku innych białek, które uczestniczą w tym szlaku biosyntezy.

Jeśli mutacja zostanie wygenerowana w którymkolwiek z genów kodujących białka tego szlaku, kofaktor nie zostanie wyprodukowany. Mutacje te będą miały efekt plejotropowy, ponieważ żadne z białek, których aktywność zależy od kofaktora, nie będzie mogło być aktywne, chociaż ich własne geny są doskonale funkcjonalne.

Molibden

Na przykład u prokariontów i eukariontów molibden jest niezbędny do funkcjonowania niektórych enzymów.

Molibden, aby był biologicznie użyteczny, musi być skompleksowany z inną cząsteczką organiczną, produktem działania różnych enzymów w złożonym szlaku metabolicznym.

Gdy ten kofaktor skompleksowany z molibdenem zostanie utworzony, będzie używany przez wszystkie molibdoproteiny do każdego ćwiczenia ich własnej funkcji.

Efekt plejotropowy w mutacji uniemożliwiającej syntezę molibdokofaktora przejawi się nie tylko w przypadku jego braku, ale także utratą aktywności enzymatycznej wszystkich molibdoenzymów osobnika będącego nosicielem mutacji.

-Laminopatie

Blaszka jądrowa to skomplikowana siatka wewnątrz jądra, dynamicznie połączona z jego wewnętrzną błoną. Blaszka jądrowa reguluje między innymi architekturę jądra, podział między euchromatyną i heterochromatynę, ekspresję genów, a także replikację DNA.

Blaszka rdzeniowa składa się z kilku białek zwanych łącznie lamininami. Ponieważ są to białka strukturalne, z którymi oddziałuje wiele innych, każda mutacja wpływająca na twoje geny będzie miała skutki plejotropowe.

Plejotropowe skutki mutacji w genach lamininy przejawiają się jako choroby zwane laminopatiami.

Oznacza to, że laminopatia jest plejotropową manifestacją wynikającą z mutacji genów lamininy. Kliniczne objawy laminopatii obejmują między innymi Progerię, dystrofię mięśniową Emery'ego-Dreifussa i wiele innych stanów.

-Transkrypcyjne regulatory

Inne geny, których mutacje powodują wiele różnych efektów plejotropowych, to te, które kodują regulatory transkrypcji.

Są to białka, które specyficznie kontrolują ekspresję genów; są inne, które są ogólnymi regulatorami transkrypcji. W każdym razie brak tych produktów oznacza, że ​​inne geny nie podlegają transkrypcji (to znaczy nie ulegają ekspresji).

Mutacja, która determinuje brak lub nieprawidłowe działanie ogólnego lub specyficznego regulatora transkrypcji, będzie miała plejotropowe skutki w organizmie, ponieważ żaden gen podlegający jej kontroli nie zostanie wyrażony.

Plejotropia i epigenetyka

Odkrycie mechanizmów zmian w ekspresji genów, które nie zależą od zmian w sekwencji nukleotydów genów (epigenetyka), wzbogaciło naszą wizję plejotropii.

Jednym z najlepiej zbadanych aspektów epigenetyki jest działanie endogennych mikroRNA. Są to produkty transkrypcji genów zwanych mir.

Transkrypcja genu mir prowadzi do powstania RNA, który po przetworzeniu działa w cytoplazmie jako małe inaktywujące RNA.

Te RNA nazywane są małymi wyciszającymi RNA, ponieważ mają zdolność komplementarności z docelowymi informacyjnymi RNA. Dołączając do nich, posłaniec zostaje zdegradowany, a charakter nie zostaje wyrażony.

W niektórych przypadkach ta mała cząsteczka może wiązać się z więcej niż jednym różnym przekaźnikiem, dając oczywiście efekt plejotropowy.

Plejotropia i starzenie się

Wyjaśnienie naturalnych przyczyn starzenia się może leżeć w działaniu genów plejotropowych. Zgodnie z hipotezą wysuniętą przez GC Williamsa, starzenie się jest konsekwencją tego, co nazwał antagonistyczną plejotropią.

Jeśli istnieją geny, których produkty mają antagonistyczne działanie na różnych etapach życia organizmu, to te geny mogą przyczyniać się do starzenia.

Jeśli korzystne skutki ujawnią się przed rozmnażaniem, a szkodliwe skutki po nim, wówczas sprzyjałby im dobór naturalny. Ale w przeciwnym razie dobór naturalny działałby przeciwko tym genom.

W ten sposób, jeśli geny są rzeczywiście plejotropowe, starzenie się byłoby nieuniknione, ponieważ dobór naturalny zawsze działałby na korzyść genów sprzyjających reprodukcji.

Plejotropia i specjacja

Specjacja sympatyczna to rodzaj specjacji, który występuje bez barier geograficznych między populacjami. Ten typ specjacji jest najwyraźniej faworyzowany przez mutacje plejotropowe.

Matematyczne modele symulacyjne opracowane przez Kondrashova pokazują, że izolacja reprodukcyjna między populacjami sympatycznymi może wystąpić z powodu pojawienia się ekologicznie ważnych cech ilościowych w ramach destrukcyjnej selekcji.

Te same modele wskazują, że te cechy muszą być powiązane z genami plejotropowymi. Jeśli zmiany są spowodowane kilkoma genami, a nie jednym plejotropowym, rekombinacja genów podczas reprodukcji uniemożliwiłaby specjację. Plejotropia pozwoliłaby uniknąć niszczących skutków rekombinacji.

Plejotropia i adaptacja

Ziemia ciągle się zmienia. Organizmy muszą nieustannie się zmieniać, aby dostosować się do nowych warunków. Te zmiany prowadzą do tego, co nazywamy ewolucją.

Wielu autorów twierdzi, że ewolucja prowadzi do rosnącej złożoności organizmów. Złożoność ta może mieć charakter morfologiczny, gdzie określony charakter może ewoluować niezależnie od innego w określonych warunkach środowiskowych.

Jednak w miarę jak organizmy stają się bardziej złożone, ich zdolność do reagowania na zmiany spada. Nazywa się to „ewolucyjnym kosztem złożoności”.

Modele matematyczne utrzymują, że adaptacje spowodowane zmianami w genach plejotropowych byłyby mniej kosztowne ewolucyjnie niż te wynikające ze zmian w charakterach kodowanych przez poszczególne geny.

Bibliografia

1. Brooker, RJ (2017). Genetyka: analiza i zasady. McGraw-Hill Higher Education, Nowy Jork, NY, USA.
2. Goodenough, UW (1984) Genetyka. WB Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, USA.
3. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Wprowadzenie do Analiza genetyczna (11 ^th ed.). Nowy Jork: WH Freeman, Nowy Jork, NY, USA.
4. Ho, R., Hegele, RA (2018) Złożone skutki mutacji laminopatii na strukturę i funkcję jądra. Clinical Genetics, doi: 10.1111 / cge.13455.
5. Lobo, I. (2008). Plejotropia: jeden gen może wpływać na wiele cech. Edukacja przyrodnicza, 1:10.
6. Stitzer, MC, Ross-Ibarra, J. (2018) Udomowienie kukurydzy i interakcja genów. The New Phytologist, 220: 395–408.