ČO JE PLEIOTROPIA? (S PRÍKLADMI) - BIOLÓGIE - 2025

Pleiotropie je genetický jav, pri ktorom je expresia génu u jedinca ovplyvňuje fenotypovú expresiu iných nesúvisiacich znakov. Etymologicky znamená pleiotropia „viac zmien“ alebo „veľa účinkov“: to znamená viac účinkov, ako sa očakáva z expresie jedného génu. To je tiež známe ako polyfénia (mnoho fenotypov), ale je to zriedka používaný termín.

Jedným z javov dedičstva, ktoré najviac zmätení genetici v detstve tejto vedy boli mutácie, ktoré ovplyvnili viac ako jednu postavu.

Najprv sa verilo, že každá postava bola riadená jediným génom. Potom sme si uvedomili, že prejav charakteru môže vyžadovať účasť viac ako jedného génu.

Čo je však najviac prekvapujúce, je to, že jediný gén môže ovplyvniť prejav viac ako jedného dedičného znaku, čo je v podstate to, čo definuje pleiotropiu.

Vo všeobecnosti, keď sa preukáže pleiotropia, je vhodnejšie povedať, že zodpovedný gén má pleiotropné účinky ako gén pleiotropný.

Aj keď nie všetci dodržiavajú tento dohovor, je dôležité si uvedomiť, že pleiotropný gén kóduje konkrétny znak a nie pleiotropiu per se.

Inak by „normálnosť“ nebola ničím iným než pleiotropným prejavom pôsobenia divokej alely konkrétneho génu na iných. Je to však geneticky nesprávne.

histórie

Termín pleiotropy bol prvýkrát použitý nemeckým genetikom menom Ludwig Plate v roku 1910. Platnička používa tento výraz na vysvetlenie vzhľadu niekoľkých rôznych fenotypových znakov, ktoré sa vždy vyskytujú spolu a môžu sa javiť ako korelované. Podľa neho je tento jav, keď k nemu dôjde, dôsledkom jednotky pleiotropného dedičstva.

Ďalší nemec, Hans Gruneberg, rozdelil pleiotropiu na „pravú“ a „falošnú“. Prvý bol charakterizovaný vznikom dvoch rôznych primárnych produktov z jedného miesta.

Druhý sa podľa tohto autora odvolával na jediný primárny produkt, ktorý sa používal rôznymi spôsobmi. Dnes je gruzbergský význam pravej pleiotropie vyradený, zatiaľ čo falošná pleiotropia sa považuje za pleiotropiu.

Ďalšie rozdelenie koncepcie pleiotropie urobil Ernst Hadorn, ktorý zdôraznil, že existujú dva typy pleiotropie: mozaika a relačné. Prvý výskyt nastane, keď gén kóduje informácie, ktoré ovplyvňujú dva rôzne fenotypové znaky.

Na druhej strane k relačnej pleiotropii dochádza, keď gén určuje iniciáciu rôznych súvisiacich udalostí, ktoré ovplyvnia viac nezávislých znakov.

Kacser a Burns naopak zdôraznili, že akákoľvek zmena v ktorejkoľvek časti genómu má priamy alebo nepriamy vplyv na všetky znaky v rôznej miere. Táto myšlienka sa nazýva univerzálna pleiotropia.

Príklady génov s pleiotropickými účinkami

Pleiotropia, ktorá je javom, ktorý opisuje niektoré z dôsledkov interakcie medzi produktmi génov, je univerzálna.

Vírusy, ako aj všetky organizmy bunkovej povahy, majú gény, ktorých produkty sú dôležité pre prejav iných znakov. Tieto gény, ktorých divoké a mutantné alely majú pleiotropné účinky, majú odlišnú povahu.

- Pozostatkový gén v Drosophile

V Drosophile (ovocná muška) určuje stopový gén úroveň vývoja krídel. Ak je tento gén zdedený po oboch rodičoch, potomok potomstva bude mať krídla a nebude môcť lietať.

Nebudú to však len účinky pozostatkového génu. Tento gén je pleiotropný a jeho prítomnosť tiež vedie k zníženiu počtu vajíčok vo vaječníkoch muchy. Modifikuje tiež počet a usporiadanie štetín v hrudníku a znižuje tak životnosť.

- Pigmentácia a hluchota u mačiek

Gén, ktorý kóduje informácie o pigmentácii u mačiek, je pleiotropný gén. Z tohto dôvodu je hluché pomerne veľké percento mačiek s bielou kožušinou a modrými očami.

Dokonca aj biele mačky, ktoré majú modré oko a žlté oko, sú hluché iba v uchu, ktoré je na rovnakej strane hlavy ako modré oko.

Pleiotropia u mačiek. Biela mačka s heterochrómiou. Prevzaté a upravené: Keith Kissel, prostredníctvom Wikimedia Commons.

- Kurčatá so skrúteným perím

U kurčiat vyvoláva dominantný gén účinok rozcuchaného peria. Ukázalo sa, že tento gén má pleiotropný účinok, pretože vykazuje ďalšie fenotypové účinky: zvýšené metabolické rýchlosti, zvýšená telesná teplota, vyššia spotreba potravín.

Okrem toho kurčatá s týmto génom vykazujú oneskorenú sexuálnu zrelosť a zníženú plodnosť.

- U ľudí

Marfanov syndróm

Medzi príznaky tohto syndrómu patrí: nezvyčajne vysoká veľkosť tela, progresívne srdcové poruchy, dislokácia šošovky oka, pľúcne poruchy.

Všetky tieto príznaky priamo súvisia s mutáciou jedného génu. Tento gén, nazývaný FBN1, je pleiotropný, pretože jeho funkciou je kódovať glykoproteín, ktorý sa používa v spojivových tkanivách v rôznych častiach tela.

Holt-Oramov syndróm

Pacienti s týmto syndrómom majú abnormality v karpálnych kostiach a iných kostiach predných končatín. Okrem toho majú asi 3 zo 4 pacientov s týmto syndrómom srdcové problémy.

Nijmegenov syndróm

Vyznačuje sa tým, že tí, ktorí ňou trpia, vykazujú mikrocefáliu, imunodeficienciu, vývojové poruchy a tendenciu k lymfatickej rakovine a leukémii.

-Phenylketonuria

Známy prípad pleiotropného účinku je spôsobený mutantnými alelami zodpovednými za fenylketonúriu.

Fenylketonúria, metabolické ochorenie, je spôsobená mutáciou jedného génu, ktorý kóduje enzým fenylalanínhydroxyláza. Neaktívny mutantný enzým nie je schopný štiepiť aminokyselinu fenylalanín; keď sa hromadí, organizmus sa intoxikuje.

Preto je účinok pozorovaný u jedincov nesúcich dve kópie mutovaného génu mnohonásobný (pleiotropický).

Príčinou choroby alebo syndrómu je nedostatok metabolickej aktivity, ktorá spôsobuje rôzne kožné vyrážky, neurologické poruchy, mikrocefáliu, zdravú pokožku a modré oči (v dôsledku nedostatku tvorby melanínu) atď.

Žiadny z génov zapojených do zmenenej manifestácie týchto ďalších znakov nie je nevyhnutne mutovaný.

-Ostatné metabolické cesty

Je veľmi bežné, že niekoľko enzýmov zdieľa alebo používa rovnaký kofaktor na to, aby bol aktívny. Tento kofaktor je konečným produktom spoločného pôsobenia niekoľkých ďalších proteínov, ktoré sa podieľajú na tejto biosyntetickej ceste.

Ak je mutácia vytvorená v ktoromkoľvek z génov, ktoré kódujú proteíny tejto dráhy, kofaktor nebude produkovaný. Tieto mutácie budú mať pleiotropný účinok, pretože žiadny z proteínov, ktoré závisia od aktívneho kofaktora, nebude schopný byť aktívny, hoci ich vlastné gény sú dokonale funkčné.

molybdén

Napríklad v prokaryotoch aj eukaryotoch je molybdén nevyhnutný pre fungovanie určitých enzýmov.

Molybdén, aby bol biologicky užitočný, musí byť komplexovaný s inou organickou molekulou, ktorá je produktom pôsobenia rôznych enzýmov v komplexnej metabolickej dráhe.

Po vytvorení tohto kofaktora komplexovaného s molybdénom ho všetky molybdoproteíny použijú na vykonávanie svojej vlastnej funkcie.

Pleiotropný účinok pri mutácii, ktorý bráni syntéze molybdocofaktoru, sa prejaví nielen v prípade, že nie je prítomný, ale tiež v strate enzymatickej aktivity všetkých molybdoenzýmov jedinca nesúceho mutáciu.

-Laminopathies

Jadrová lamina je zložitá sieťka vo vnútri jadra, dynamicky spojená s jej vnútornou membránou. Jadrová lamina reguluje okrem iného architektúru jadra, rozdelenie medzi euchromatínom a heterochromatínom, génovú expresiu a replikáciu DNA.

Jadro jadra je tvorené niekoľkými proteínmi, ktoré sú súhrnne známe ako laminíny. Pretože sa jedná o štrukturálne proteíny, s ktorými interaguje množstvo ďalších, každá mutácia, ktorá ovplyvňuje vaše gény, bude mať pleiotropné účinky.

Pleiotropné účinky mutácií v laminínových génoch sa prejavia ako choroby, ktoré sa nazývajú laminopatie.

To znamená, že laminopatia je pleiotropný prejav vyplývajúci z mutácií v laminínových génoch. Klinické prejavy laminopatie zahŕňajú, ale nie sú obmedzené na, progeriu, Emery-Dreifussovu svalovú dystrofiu a množstvo ďalších stavov.

-Prepisové regulátory

Iné gény, ktorých mutácie spôsobujú množstvo rôznych pleiotropných účinkov, sú gény, ktoré kódujú transkripčné regulátory.

Sú to proteíny, ktoré špecificky kontrolujú génovú expresiu; existujú aj iné, ktoré sú všeobecnými regulátormi transkripcie. V každom prípade neprítomnosť týchto produktov určuje, že iné gény nie sú transkribované (to znamená, nie sú exprimované).

Mutácia, ktorá určuje neprítomnosť alebo poruchu všeobecného alebo špecifického transkripčného regulátora, bude mať na organizmus pleiotropné účinky, pretože nebude exprimovaný žiadny gén pod jeho kontrolou.

Pleiotropia a epigenetika

Objav mechanizmov zmeny v génovej expresii, ktoré nezávisia od zmien v nukleotidovej sekvencii génov (epigenetika), obohatil našu víziu pleiotropie.

Jedným z najviac študovaných aspektov epigenetiky je pôsobenie endogénnych mikroRNA. Jedná sa o produkt transkripcie génov nazývaných mir.

Transkripcia génu mir vedie k vzniku RNA, ktorá po spracovaní pôsobí v cytoplazme ako malá inaktivujúca RNA.

Tieto RNA sa nazývajú malé umlčajúce RNA, pretože majú schopnosť byť komplementárne k cieľovým messengerovým RNA. Pripojením sa posol degraduje a charakter nie je vyjadrený.

V niektorých prípadoch sa táto malá molekula môže viazať na viac ako jedného odlišného posla, čo samozrejme vedie k pleiotropickému účinku.

Pleiotropia a starnutie

Vysvetlenie prírodných príčin starnutia by mohlo spočívať v účinku pleiotropných génov. Podľa hypotézy GC Williamsa je senesencia dôsledkom toho, čo nazval antagonistická pleiotropia.

Ak existujú gény, ktorých produkty majú antagonistické účinky v rôznych štádiách života organizmu, tieto gény by mohli prispieť k starnutiu.

Ak sa priaznivé účinky prejavia pred rozmnožovaním a škodlivé účinky po ňom, potom by boli uprednostňované prirodzeným výberom. Ale inak by prirodzený výber pôsobil proti týmto génom.

Týmto spôsobom, ak sú gény skutočne pleiotropné, starnutie by bolo nevyhnutné, pretože prirodzený výber by vždy pôsobil v prospech génov, ktoré uprednostňujú reprodukciu.

Pleiotropia a špekulácia

Sympatická špekulácia je typ špekulácie, ku ktorej dochádza bez geografických bariér medzi populáciami. Tento typ špekulácie očividne podporujú pleiotropné mutácie.

Matematické simulačné modely vyvinuté Kondrashovom ukazujú, že k reprodukčnej izolácii medzi sympatickými populáciami môže dôjsť v dôsledku objavenia sa ekologicky dôležitých kvantitatívnych znakov pod narušujúcim výberom.

Rovnaké modely naznačujú, že tieto vlastnosti musia súvisieť s pleiotropickými génmi. Ak sú zmeny spôsobené niekoľkými génmi, a nie pleiotropným, rekombinácia génov počas reprodukcie by zabránila špekuláciám. Pleiotropia by zabránila rušivým účinkom rekombinácie.

Pleiotropia a adaptácia

Krajina sa neustále mení. Organizácie sa musia neustále meniť, aby sa prispôsobili novým podmienkam. Tieto zmeny vedú k tzv. Evolúcii.

Mnoho autorov tvrdí, že evolúcia vedie k zvyšovaniu zložitosti organizmov. Táto zložitosť môže byť morfologická, keď sa konkrétny charakter môže vyvíjať nezávisle od iného v špecifických podmienkach prostredia.

Keď sa však organizmy stanú komplexnejšími, ich schopnosť reagovať na zmeny sa spomaľuje. Tomu sa hovorí „vývojové náklady na komplexnosť“.

Matematické modely tvrdia, že úpravy v dôsledku zmien v pleiotropných génoch by boli menej nákladné ako úpravy v dôsledku zmien v charakteroch kódovaných jednotlivými génmi.

Referencie

1. Brooker, RJ (2017). Genetika: analýza a princípy. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, USA.
2. Goodenough, UW (1984) Genetics. WB Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, USA.
3. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Úvod do genetickej analýze (11 ^th ed.). New York: WH Freeman, New York, NY, USA.
4. Ho, R., Hegele, RA (2018) Komplexné účinky mutácií laminopatie na jadrovú štruktúru a funkciu. Clinical Genetics, doi: 10,111 / cge.13455.
5. Lobo, I. (2008). Pleiotropia: jeden gén môže ovplyvniť viacero znakov. Nature Education, 1:10.
6. Stitzer, MC, Ross-Ibarra, J. (2018) Domestikácia kukurice a génová interakcia. The New Phytologist, 220: 395-408.