Czym jest plejotropia? (z przykładami)



The plejotropia jest to zjawisko genetyczne, w którym ekspresja genu wpływa na jednostkę fenotypową manifestację innych niespokrewnionych postaci. Etymologicznie, plejotropia oznacza „więcej zmian” lub „wiele efektów”: to znaczy więcej efektów niż oczekiwano przez ekspresję pojedynczego genu. Jest również znany jako polifenia (wiele fenotypów), ale jest to termin trochę używany.

Jednym ze zjawisk dziedziczenia, które bardziej myliły genetyków w dzieciństwie tej nauki, były mutacje, które wpływały na więcej niż jedną postać..

Początkowo wierzono, że każda postać jest kontrolowana przez pojedynczy 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 dziedzicznej cechy, która zasadniczo definiuje plejotropię..

Ogólnie rzecz biorąc, gdy wykazano, że plejotropia jest bardziej odpowiednia, należy powiedzieć, że odpowiedzialny gen ma plejotropowe działanie na gen jest plejotropowy.

Chociaż nie wszyscy szanują tę konwencję, ważne jest, aby podkreślić, że gen z efektem plejotropowym koduje określoną cechę, a nie pleotropię. per se.

W przeciwnym razie „normalność” byłaby niczym innym, jak plejotropowym efektem manifestacji działania dzikiego allelu określonego genu na inne. Jest to jednak genetycznie błędne.

Indeks

  • 1 Historia
  • 2 Przykłady genów z efektami plejotropowymi
    • 2.1 - Szczątkowy gen u Drosophila
    • 2.2 -Pigmentacja i głuchota u kotów
    • 2.3 - Kędzierzawe kurczaki opierzone
    • 2.4 - U ludzi
    • 2.5 - Fenyloketonuria
    • 2.6 - Inne szlaki metaboliczne
    • 2.7 - Patologie
    • 2.8 - Regulatory transkrypcji
  • 3 Plejotropia i epigenetyka
  • 4 Plejotropia i starzenie
  • 5 Plejotropia i specjacja
  • 6 Plejotropia i adaptacja
  • 7 referencji

Historia

Termin plejotropia został użyty po raz pierwszy przez niemieckiego genetyka Ludwiga 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, to zjawisko, gdy się pojawi, jest wynikiem jednostki plejotropowego dziedziczenia.

Inny Niemiec, Hans Gruneberg, podzielił pleotropię na „prawdziwą” i „fałszywą”. Pierwszy charakteryzował się pojawieniem się dwóch różnych podstawowych produktów z jednego miejsca.

Drugi, według tego autora, odnosił się do jednego podstawowego produktu, który był używany na różne sposoby. Dzisiejsze znaczenie plejotropii Gruneberga zostało odrzucone, podczas gdy fałszywa plejotropia jest po prostu uważana za plejotropię..

Inny podział koncepcji plejotropii opracował Ernst Hadorn, który wskazał, że istnieją dwa typy plejotropii: mozaika i relacja. Pierwszy występuje, gdy gen koduje informacje, które wpływają na dwie różne cechy fenotypowe.

Z drugiej strony, relatywna pleiotropia występuje, gdy gen określa początek różnych powiązanych ze sobą zdarzeń, które wpłyną na wiele niezależnych cech.

Z drugiej strony Kacser i Burns wskazywali, że każda zmiana w jakiejkolwiek części genomu wpływa na wszystkie cechy w różnym stopniu, bezpośrednio lub pośrednio. Ta idea jest znana jako uniwersalna plejotropia.

Przykłady genów z efektami plejotropowymi

Plejotropia, będąca zjawiskiem opisującym niektóre konsekwencje interakcji między produktami genów, jest uniwersalna.

Wirusy, jak również wszystkie organizmy o charakterze komórkowym, posiadają geny, których produkty są ważne dla manifestacji innych postaci. Te geny, których dzikie allele i mutanty mają efekty plejotropowe, mają różny charakter.

-Szczątkowy gen w Drosophila

W Drosophila (muszka owocowa), szczątkowy gen określa poziom rozwoju skrzydeł. Kiedy ten gen zostanie odziedziczony od obojga rodziców, potomek będzie miał szczątkowe skrzydła i nie będzie w stanie latać.

Nie będą to jednak jedyne skutki szczątkowego genu. Ten gen jest plejotropowy, a jego obecność prowadzi również do zmniejszenia liczby jajników w jajnikach muchy. Zmienia także liczbę i rozmieszczenie włosia w klatce piersiowej i skraca czas życia.

-Pigmentacja i głuchota u kotów

Gen kodujący informacje o pigmentacji u kotów jest genem plejotropowym. Z tego powodu dość wysoki odsetek kotów o białym futrze i niebieskich oczach jest również głuchy.

Nawet białe koty z jednym niebieskim i jednym żółtym okiem są głuche tylko z ucha po tej samej stronie głowy, co niebieskie oko.

-Kurczaki z podkurczonymi piórami

U kurcząt dominujący gen wywołuje efekt zwiniętych piór. Gen ten wykazał, że ma efekt plejotropowy, ponieważ wykazuje inne efekty fenotypowe: wzrost tempa metabolizmu, wzrost temperatury ciała, większe spożycie żywności.

Ponadto kurczaki z tym genem opóźniają dojrzałość płciową i zmniejszają płodność.

-U ludzi

Zespół Marfana

Do objawów tego zespołu należą: niezwykle duża wielkość ciała, postępujące zaburzenia serca, zwichnięcie soczewki oka, zaburzenia 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 stosowana w tkankach łącznych z różnych części 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 cierpią na nią mikrocefalia, 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 o charakterze metabolicznym, wynika z mutacji pojedynczego genu kodującego enzym hydroksylazę fenyloalaniny. Nieaktywny zmutowany enzym nie jest zdolny do rozkładu aminokwasu fenyloalaniny; kiedy to się gromadzi, organizm staje się odurzony.

Dlatego efekt obserwowany u osobników niosących dwie kopie zmutowanego genu jest wielokrotny (plejotropowy).

Przyczyną choroby lub zespołu jest brak aktywności metabolicznej powodującej wysypki skórne, zaburzenia neurologiczne, mikrocefalię, czystą skórę i niebieskie oczy (z powodu braku wytwarzania melaniny) itp., Na różne sposoby..

Żaden z genów zaangażowanych w zmienioną manifestację tych innych postaci 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 skoordynowanego działania kilku innych białek, które uczestniczą w tym szlaku biosyntezy.

Jeśli w którymkolwiek z genów kodujących białka w tym szlaku powstaje mutacja, kofaktor nie zostanie wyprodukowany. Mutacje te będą miały efekt plejotropowy, ponieważ żadne z białek, które zależą od aktywnego kofaktora, nie będzie w stanie być, chociaż ich własne geny są doskonale funkcjonalne.

Molibden

Na przykład u prokariotów i eukariotów molibden jest niezbędny do funkcjonowania niektórych enzymów.

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

Po utworzeniu tego kofaktora skompleksowanego z molibdenem, wszystkie molibdoproteiny będą wykorzystywane do wywierania na siebie własnej funkcji.

Plejotropowy efekt w mutacji, która zapobiega syntezie molibdokofaktora, przejawi się nie tylko w braku tego, ale w utracie aktywności enzymatycznej wszystkich molibdoenzymów osobnika niosącego mutację.

-Laminopatie

Blaszka jądrowa jest skomplikowaną siatką wewnątrz jądra, dynamicznie przyczepioną do jej wewnętrznej błony. Arkusz jądrowy reguluje między innymi architekturę jądra, podział między euchromatyną i heterochromatyną, ekspresję genetyczną, a także replikację DNA.

Blaszka jądra jest utworzona przez kilka białek zwanych łącznie lamininami. Ponieważ są to białka strukturalne, z którymi oddziałuje wiele innych, każda mutacja wpływająca na ich geny będzie miała efekty plejotropowe.

Plejotropowe efekty mutacji w genach lamininy będą objawiać się jako choroby zwane laminopatiami.

Oznacza to, że laminopatia jest manifestacją plejotropową wynikającą z mutacji genów lamininy. Objawy kliniczne laminopatii obejmują między innymi progerię, dystrofię mięśniową Emery-Dreifussa i wiele innych dolegliwości..

-Regulatory transkrypcji

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

Są to białka, które kontrolują ekspresję genów w określony sposób; istnieją inne, które są ogólnymi regulatorami transkrypcji. W każdym razie brak tych produktów określa, że ​​inne geny nie są transkrybowane (to znaczy nie są wyrażane).

Mutacja, która określa nieobecność lub wadliwe działanie ogólnego lub specyficznego regulatora transkrypcji, będzie miała efekty plejotropowe w organizmie, ponieważ żaden gen pod jego kontrolą nie będzie wyrażony.

Plejotropia i epigenetyka

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

Jednym z najbardziej badanych aspektów epigenetyki jest działanie endogennych mikroRNA. Są one produktem transkrypcji nazwanych genów spójrz.

Transkrypcja genu spójrz powoduje powstanie RNA, który po przetworzeniu działa w cytoplazmie jako mały inaktywujący RNA.

Te RNA są nazywane małymi RNA wyciszającymi, ponieważ posiadają zdolność do komplementarności z białymi matrycowymi RNA. Aby do nich dołączyć, posłaniec jest zdegradowany, a postać nie jest wyrażona.

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

Plejotropia i starzenie się

Wyjaśnienie naturalnych przyczyn starzenia może być skutkiem genów plejotropowych. Według hipotezy G. C. Williamsa starzenie się jest konsekwencją tego, co nazwał antagonistyczną plejotropią.

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

Jeśli korzystne efekty przejawiają się przed rozmnażaniem i szkodliwymi następstwami po nim, sprzyjałby im dobór naturalny. W przeciwnym razie dobór naturalny działałby przeciwko tym genom.

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

Plejotropia i specjacja

Specjacja sympatyczna jest rodzajem specjacji, która występuje bez barier geograficznych między populacjami. Ten typ specjacji jest najwyraźniej preferowany przez mutacje plejotropowe.

Matematyczne modele symulacyjne opracowane przez Kondrashova pokazują, że izolacja reprodukcyjna między populacjami sympatycznymi może wystąpić z powodu pojawienia się ważnych ilościowo cech ilościowych w wyniku destrukcyjnego wyboru.

Te same modele wskazują, że cechy te muszą być związane z genami plejotropowymi. Jeśli zmiany są spowodowane przez kilka genów, a nie przez plejotropowy, rekombinacja genów podczas reprodukcji zapobiegnie specjacji. Plejotropia pozwoliłaby uniknąć destrukcyjnych efektów rekombinacji.

Plejotropia i adaptacja

Ziemia ciągle się zmienia. Organizmy muszą stale się zmieniać, aby dostosować się do nowych warunków. Zmiany te prowadzą do tzw. Ewolucji.

Wielu autorów twierdzi, że ewolucja prowadzi do rosnącej złożoności organizmów. Ta złożoność może być typu morfologicznego, w którym określony charakter może ewoluować niezależnie od innego w określonych warunkach środowiskowych.

Jednakże, gdy organizmy stają się bardziej złożone, ich zdolność do reagowania na zmiany staje się wolniejsza. To się nazywa „ewolucyjny koszt złożoności”.

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

Referencje

  1. Brooker, R. J. (2017). Genetyka: analiza i zasady. McGraw-Hill Higher Education, Nowy Jork, NY, USA.
  2. Goodenough, U. W. (1984) Genetics. W. B. Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, USA.
  3. Griffiths, A.J.F., Wessler, R., Carroll, S.B., Doebley, J. (2015). Wprowadzenie do analizy genetycznej (11th red.). Nowy Jork: W. H. Freeman, Nowy Jork, NY, USA.
  4. Ho, R., Hegele, R. A. (2018) Złożone skutki mutacji laminopatii w strukturze i funkcji jądrowej. Genetyka kliniczna, doi: 10.1111 / cge.13455.
  5. Lobo, I. (2008). Plejotropia: jeden gen może wpływać na wiele cech. Edukacja przyrodnicza, 1:10.
  6. Stitzer, M.C., Ross-Ibarra, J. (2018) Udomowienie kukurydzy i interakcja genów. The New Phytologist, 220: 395-408.