HVA ER PLEIOTROPI? (MED EKSEMPLER) - BIOLOGI - 2026

Den pleiotropi er den genetiske fenomen, i hvilken ekspresjonen av et gen i et individ påvirker den fenotypiske ekspresjonen av andre ubeslektede tegn. Etymologisk betyr pleiotropi "flere endringer" eller "mange effekter": det vil si flere effekter enn forventet av uttrykk for et enkelt gen. Det er også kjent som polyfeni (mange fenotyper), men det er et sjelden brukt begrep.

Et av arvsfenomenene som mest forvirrede genetikere i begynnelsen av denne vitenskapen var mutasjoner som påvirket mer enn én karakter.

Først ble det antatt at hver karakter ble kontrollert av et enkelt gen. Da innså vi at manifestasjonen av en karakter kunne kreve deltakelse av mer enn ett gen.

Det som imidlertid er mest overraskende, er at et enkelt gen kan påvirke manifestasjonen av mer enn en arvelig egenskap, som egentlig er det som definerer pleiotropi.

Generelt, når pleiotropi er påvist, er det mer passende å si at det ansvarlige genet har pleiotropiske effekter enn at genet er pleiotropisk.

Selv om ikke alle overholder denne konvensjonen, er det viktig å merke seg at det pleiotropiske genet koder for en spesiell egenskap og ikke pleiotropi per se.

Ellers ville "normalitet" ikke være noe mer enn den pleiotropiske manifestasjonen av virkningen av en vill allel av et bestemt gen på andre. Dette er imidlertid genetisk galt.

Historie

Begrepet pleiotropi ble først brukt av en tysk genetiker ved navn Ludwig Plate i 1910. Plate brukte begrepet for å forklare utseendet til flere forskjellige fenotypiske egenskaper som alltid forekommer sammen og kan se ut til å være korrelert. I følge ham skyldes dette fenomenet, når det oppstår, en enhet av pleiotropisk arv.

En annen tysker, Hans Gruneberg, delte pleiotropi i "ekte" og "falsk." Den første var preget av fremveksten av to distinkte primære produkter fra et enkelt sted.

Den andre refererte ifølge denne forfatteren til et enkelt primærprodukt som ble brukt på forskjellige måter. I dag er Gruneberg-betydningen av ekte pleiotropi blitt forkastet, mens falsk pleiotropi ganske enkelt blir sett på som pleiotropi.

En annen inndeling av pleiotropykonseptet ble gjort av Ernst Hadorn, som påpekte at det var to typer pleiotropi: mosaikk og relasjonell. Den første oppstår når et gen koder for informasjon som påvirker to forskjellige fenotypiske egenskaper.

Relasjonell pleiotropi oppstår derimot når et gen bestemmer initiering av forskjellige hendelser relatert til hverandre, og som vil påvirke flere uavhengige egenskaper.

Kacser og Burns på sin side påpekte at enhver variasjon i hvilken som helst del av genomet påvirker alle egenskaper i forskjellige grader, enten direkte eller indirekte. Denne ideen er kjent under navnet universal pleiotropi.

Eksempler på gener med pleiotropiske effekter

Pleiotropy, som er et fenomen som beskriver noen av konsekvensene av samspillet mellom produktene av gener, er universell.

Virus, så vel som alle organismer av cellulær karakter, har gener hvis produkter er viktige for manifestasjonen av andre tegn. Disse genene, hvis villtype og mutante alleler har pleiotropiske effekter, er av en annen karakter.

-Vestigialgenet i Drosophila

I Drosophila (fruktflue) bestemmer vestigialgenet vingenes utvikling. Når dette genet blir arvet fra begge foreldrene, vil etterkommende flue presentere vestigiale vinger og vil ikke kunne fly.

Dette vil imidlertid ikke være de eneste effektene av vestigialgenet. Dette genet er pleiotropisk, og dets tilstedeværelse fører også til en reduksjon i antall egg i fluens eggstokker. Det endrer også antall og arrangement av busten i brystkassen og reduserer levetiden er dette.

-Pigmentering og døvhet hos katter

Genet som koder for pigmenteringsinformasjon hos katter er et pleiotropisk gen. På grunn av dette er også en ganske høy prosentandel av katter med hvit pels og blå øyne døve.

Selv hvite katter som har et blått øye og et gult øye, er bare døve i øret som er på samme side av hodet som det blå øyet.

Pleiotropi hos katter. Hvit katt med heterokromi. Tatt og redigert fra: Keith Kissel, via Wikimedia Commons.

-Kyllinger med krøllete fjær

Hos kyllinger gir et dominerende gen effekten av ruffede fjær. Dette genet ble vist å ha en pleiotropisk effekt da det manifesterer andre fenotypiske effekter: økt metabolsk hastighet, økt kroppstemperatur, større matforbruk.

I tillegg viser kyllinger med dette genet en forsinket seksuell modenhet og nedsatt fruktbarhet.

-I mennesker

Marfan syndrom

Symptomer på dette syndromet inkluderer: uvanlig høy kroppsstørrelse, progressive hjertesykdommer, dislokasjon av øyelinsen, lungeforstyrrelser.

Alle disse symptomene er direkte relatert til en enkelt genmutasjon. Dette genet, kalt FBN1, er pleiotropisk, siden dets funksjon er å kode et glykoprotein som brukes i bindevev i forskjellige deler av kroppen.

Holt-Oram syndrom

Pasienter med dette syndromet har avvik i karpale bein og andre bein i forbenene. I tillegg har omtrent 3 av 4 pasienter med dette syndromet hjerteproblemer.

Nijmegen syndrom

Det er preget av det faktum at de som lider av det har mikrocefalie, immunsvikt, utviklingsforstyrrelser og en tilbøyelighet til lymfekreft og leukemi.

-Phenylketonuria

Et velkjent tilfelle av pleiotropisk effekt er forårsaket av mutante alleler som er ansvarlige for fenylketonuri.

Fenylketonuri, en metabolsk sykdom, skyldes mutasjonen av et enkelt gen som koder for enzymet fenylalaninhydroksylase. Det inaktive mutante enzymet klarer ikke å bryte ned aminosyren fenylalanin; når dette samler seg, blir organismen beruset.

Derfor er effekten som er observert hos individer som bærer de to kopiene av det muterte genet multippel (pleiotropisk).

Årsaken til sykdommen, eller syndromet, er mangelen på metabolsk aktivitet som forårsaker hudutbrudd, nevrologiske lidelser, mikrocefali, lys hud og blå øyne (på grunn av mangel på generering av melanin), etc., gjennom forskjellige ruter.

Ingen av genene som er involvert i den endrede manifestasjonen av disse andre egenskapene, er nødvendigvis mutert.

-Andre metabolske veier

Det er veldig vanlig at flere enzymer deler eller bruker den samme kofaktoren for å være aktiv. Denne kofaktoren er sluttproduktet av den samordnede virkningen av flere andre proteiner som deltar i denne biosyntetiske banen.

Hvis det genereres en mutasjon i noen av genene som koder for proteinene i denne veien, vil ikke kofaktoren bli produsert. Disse mutasjonene vil ha en pleiotropisk effekt, siden ingen av proteinene som er avhengige av at kofaktoren er aktive, vil være i stand til å være aktive, selv om deres egne gener er perfekt funksjonelle.

molybden

I både prokaryoter og eukaryoter, for eksempel, er molybden viktig for at enzymer skal fungere.

For å være biologisk nyttig må molybden være kompleksbundet med et annet organisk molekyl, produktet av virkningen av forskjellige enzymer i en kompleks metabolske vei.

Når denne kofaktoren kompleks med molybden er dannet, vil den bli brukt av alle molybdoproteiner til å utøve sin egen funksjon.

Den pleiotropiske effekten i en mutasjon som forhindrer syntese av molybdokofaktor vil bli manifestert ikke bare i fravær av den, men også i tapet av den enzymatiske aktiviteten til alle molybdoenzymer hos individet som bærer mutasjonen.

-Laminopathies

Kjernelaminaen er et intrikat nett inni kjernen, dynamisk festet til den indre membranen. Den nukleære laminaen regulerer arkitekturen til kjernen, delingen mellom eukromatin og heterokromatin, genuttrykk, samt DNA-replikasjon, blant annet.

Kjernelaminaen består av få proteiner som samlet kalles lamininer. Ettersom dette er strukturelle proteiner som et mangfold av mange andre samhandler med, vil enhver mutasjon som påvirker genene dine ha pleiotropiske effekter.

De pleiotropiske effektene av mutasjoner i laminingener vil manifestere seg som sykdommer som kalles laminopatier.

Det vil si at en laminopati er den pleiotropiske manifestasjonen som følge av mutasjoner i laminingener. De kliniske manifestasjonene av laminopatier inkluderer, men er ikke begrenset til, Progeria, Emery-Dreifuss muskeldystrofi og en rekke andre tilstander.

-Transcriptional regulatorer

Andre gener hvis mutasjoner gir opphav til en rekke forskjellige pleiotropiske effekter er de som koder for transkripsjonsregulatorer.

Dette er proteiner som spesifikt styrer genuttrykk; det er andre som er generelle regulatorer for transkripsjon. Uansett bestemmer fraværet av disse produktene at andre gener ikke blir transkribert (det vil si ikke uttrykt).

En mutasjon som bestemmer fravær eller funksjonsfeil av en generell eller spesifikk transkripsjonsregulator vil ha pleiotropiske effekter i organismen, siden intet gen under dens kontroll vil bli uttrykt.

Pleiotropi og epigenetikk

Oppdagelsen av mekanismer for endring i genuttrykk som ikke er avhengig av endringer i nukleotidsekvensen til gener (epigenetikk) har beriket vår visjon om pleiotropi.

Et av de mest studerte aspektene ved epigenetikk er virkningen av endogene mikroRNA. Dette er produktet av transkripsjonen av gener som kalles mir.

Transkripsjonen av et mir-gen gir opphav til et RNA som etter prosessering fungerer i cytoplasma som et lite inaktiverende RNA.

Disse RNA-ene kalles små lyddempende RNA-er fordi de har evnen til å være komplementære til RMS-er for messenger. Ved å bli med dem blir messenger degradert, og karakteren blir ikke uttrykt.

I noen tilfeller kan dette lille molekylet binde seg til mer enn en annen messenger, og naturligvis gi opphav til en pleiotropisk effekt.

Pleiotropi og aldring

Forklaringen på de naturlige årsakene til alderdom kan ligge i effekten av pleiotropiske gener. I følge en hypotese fremmet av GC Williams, er senescence konsekvensen av det han kalte antagonistisk pleiotropi.

Hvis det er gener hvis produkter har antagonistiske effekter i forskjellige stadier i en organisms liv, kan disse genene bidra til aldring.

Hvis de gunstige effektene manifesteres før reproduksjon og de skadelige effektene etter det, ville de bli foretrukket av naturlig seleksjon. Men ellers ville naturlig seleksjon virke mot disse genene.

På denne måten, hvis genene virkelig er pleiotropiske, ville senescence være uunngåelig, siden naturlig seleksjon alltid vil fungere til fordel for gener som favoriserer reproduksjon.

Pleiotropi og spesiasjon

Sympatrisk spesiasjon er en type spesiasjon som oppstår uten geografiske barrierer mellom populasjoner. Denne typen spesiering er tilsynelatende foretrukket av pleiotropiske mutasjoner.

Matematiske simuleringsmodeller utviklet av Kondrashov viser at reproduktiv isolasjon mellom sympatriske populasjoner kan oppstå på grunn av utseendet til økologisk viktige kvantitative trekk under forstyrrende seleksjon.

De samme modellene indikerer at disse trekkene må være relatert til pleiotropiske gener. Hvis endringene skyldes flere gener, og ikke en pleiotropisk en, ville rekombinasjon av gener under reproduksjon forhindre spesiasjon. Pleiotropi ville unngå forstyrrende effekter av rekombinasjon.

Pleiotropi og tilpasning

Landet er i stadig endring. Organismer må stadig endres for å tilpasse seg nye forhold. Disse endringene fører til det som kalles evolusjon.

Mange forfattere hevder at evolusjon fører til en økende kompleksitet av organismer. Denne kompleksiteten kan være morfologisk, der en spesiell karakter kan utvikle seg uavhengig av en annen under spesifikke miljøforhold.

Når organismer blir mer komplekse, reduseres imidlertid deres evne til å svare på endringer. Dette er det som kalles "evolusjonære kostnader for kompleksitet".

Matematiske modeller hevder at tilpasninger på grunn av endringer i pleiotropiske gener vil være evolusjonært mindre kostbare enn de på grunn av endringer i tegn som er kodet av individuelle gener.

referanser

1. Brooker, RJ (2017). Genetikk: analyse og prinsipper. 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). An Introduction to Genetic Analysis (11 ^th ed.). New York: WH Freeman, New York, NY, USA.
4. Ho, R., Hegele, RA (2018) Komplekse effekter av laminopatimutasjoner på nukleær struktur og funksjon. Clinical Genetics, doi: 10.1111 / cge.13455.
5. Lobo, I. (2008). Pleiotropi: ett gen kan påvirke flere egenskaper. Naturopplæring, 1:10.
6. Stitzer, MC, Ross-Ibarra, J. (2018) Majs domesticering og geninteraksjon. Den nye fytologen, 220: 395-408.