CO JE PLEIOTROPY? (S PŘÍKLADY) - BIOLOGIE - 2025

Pleiotropie je genetický jev, při kterém je exprese genu u jedince ovlivňuje fenotypovou expresi jiných nesouvisejících znaků. Etymologicky znamená pleiotropy „více změn“ nebo „mnoho účinků“: to znamená více účinků, než se očekávalo od exprese jediného genu. To je také známé jako polyfenie (mnoho fenotypů), ale je to zřídka používaný termín.

Jedním z jevů dědičnosti, které nejvíce zmatení genetici během dětství této vědy byli, je mutace, které ovlivnily více než jednu postavu.

Nejprve se věřilo, že každá postava byla řízena jediným genem. Pak jsme si uvědomili, že projev charakteru může vyžadovat účast více než jednoho genu.

Nejpřekvapivější je však to, že jediný gen může ovlivnit projev více než jednoho dědičného znaku, což je v podstatě to, co definuje pleiotropy.

Obecně, když je prokázána pleiotropie, je vhodnější říci, že odpovědný gen má pleiotropní účinky než ten gen je pleiotropní.

Ačkoli ne všichni dodržují tuto úmluvu, je důležité si uvědomit, že pleiotropní gen kóduje konkrétní vlastnost a ne pleiotropy jako takovou.

Jinak by „normalita“ nebyla ničím jiným než pleiotropním projevem působení divoké alely konkrétního genu na ostatní. To je však geneticky špatné.

Dějiny

Termín pleiotropy byl poprvé použit německým genetikem jménem Ludwig Plate v roce 1910. Plate použil tento termín k vysvětlení vzhledu několika různých fenotypových znaků, které se vždy vyskytují společně a mohou se jevit jako korelované. Podle něj je tento jev, když k němu dojde, způsoben jednotkou pleiotropního dědictví.

Jiný Němec, Hans Gruneberg, rozdělil pleiotropy na „pravou“ a „falešnou“. První byl charakterizován vznikem dvou různých primárních produktů z jednoho místa.

Druhý, podle tohoto autora, se odkazoval na jediný primární produkt, který byl používán různými způsoby. Dnes je Grunebergův význam pravé pleiotropy vyřazen, zatímco falešná pleiotropy je považována jednoduše za pleiotropy.

Další rozdělení konceptu pleiotropy provedl Ernst Hadorn, který zdůraznil, že existují dva typy pleiotropy: mozaika a relační. První nastane, když gen kóduje informace, které ovlivňují dva různé fenotypové znaky.

Na druhé straně k relační pleiotropy dochází, když gen určuje iniciaci různých vzájemně souvisejících událostí, které ovlivní několik nezávislých znaků.

Kacser a Burns naopak zdůraznili, že jakákoli variace v jakékoli části genomu ovlivňuje všechny rysy do různých stupňů, ať už přímo nebo nepřímo. Tato myšlenka je známá pod názvem univerzální pleiotropy.

Příklady genů s pleiotropními účinky

Pleiotropy je fenomén, který popisuje některé důsledky interakce mezi produkty genů, je univerzální.

Viry, stejně jako všechny organismy buněčné povahy, mají geny, jejichž produkty jsou důležité pro projev dalších znaků. Tyto geny, jejichž divoké a mutantní alely mají pleiotropní účinky, mají odlišnou povahu.

- Vestigiální gen v Drosophile

U Drosophily (ovocná muška) určuje zbytkový gen úroveň vývoje křídel. Když je tento gen zděděn od obou rodičů, potomek bude předvádět pozvolná křídla a nebude schopen létat.

Nebudou to však jen účinky zbytkového genu. Tento gen je pleiotropní a jeho přítomnost také vede ke snížení počtu vajíček ve vaječnících mouchy. Upravuje také počet a uspořádání štětin v hrudníku a snižuje tak životnost.

-Pigmentace a hluchota u koček

Gen, který kóduje pigmentační informace u koček, je pleiotropní gen. Z tohoto důvodu je hluché také poměrně vysoké procento koček s bílou srstí a modrýma očima.

Dokonce i bílé kočky, které mají modré oko a žluté oko, jsou hluché pouze v uchu, které je na stejné straně hlavy jako modré oko.

Pleiotropie u koček. Bílá kočka s heterochromií. Převzato a upraveno: Keith Kissel, prostřednictvím Wikimedia Commons.

- Kuřata se zvlněným peřím

U kuřat vytváří dominantní gen účinek rozcuchaného peří. Ukázalo se, že tento gen má pleiotropní účinek, protože vykazuje další fenotypové účinky: zvýšená rychlost metabolismu, zvýšená tělesná teplota, vyšší spotřeba potravy.

Navíc kuřata s tímto genem vykazují opožděnou sexuální zralost a sníženou plodnost.

-V lidech

Marfanův syndrom

Mezi příznaky tohoto syndromu patří: neobvykle vysoká velikost těla, progresivní srdeční poruchy, dislokace oční čočky, plicní poruchy.

Všechny tyto příznaky přímo souvisejí s jedinou genovou mutací. Tento gen, nazývaný FBN1, je pleiotropní, protože jeho funkcí je kódování glykoproteinu, který se používá v pojivových tkáních v různých částech těla.

Holt-Oramův syndrom

Pacienti s tímto syndromem mají abnormality v karpálních kostech a dalších kostech předních končetin. Navíc přibližně 3 ze 4 pacientů s tímto syndromem mají srdeční problémy.

Nijmegenův syndrom

Je charakterizována skutečností, že ti, kteří ji trpí, mají mikrocefálii, imunodeficienci, vývojové poruchy a sklon k lymfatické rakovině a leukémii.

-Fenylketonurie

Známý případ pleiotropního účinku je způsoben mutantními alely odpovědnými za fenylketonurii.

Fenylketonurie, metabolické onemocnění, je způsobena mutací jediného genu, který kóduje enzym fenylalaninhydroxylázu. Neaktivní mutantní enzym není schopen štěpit aminokyselinu fenylalanin; když se hromadí, organismus se opije.

Účinek pozorovaný u jedinců nesoucích dvě kopie mutovaného genu je proto mnohonásobný (pleiotropický).

Příčinou nemoci nebo syndromu je nedostatek metabolické aktivity, která způsobuje kožní vyrážky, neurologické poruchy, mikrocefalu, světlou kůži a modré oči (kvůli nedostatku tvorby melaninu) atd., Různými cestami.

Žádný z genů zapojených do změněné manifestace těchto dalších znaků není nutně mutován.

-Ostatní metabolické cesty

Je velmi běžné, že několik enzymů sdílí nebo používá stejný kofaktor, aby byl aktivní. Tento kofaktor je konečným produktem společného působení několika dalších proteinů, které se účastní této biosyntetické dráhy.

Pokud je v kterémkoli z genů, které kódují proteiny této dráhy, vytvořena mutace, kofaktor nebude produkován. Tyto mutace budou mít pleiotropní účinek, protože žádný z proteinů, které závisí na aktivním kofaktoru, nebude schopen být aktivní, ačkoli jejich vlastní geny jsou dokonale funkční.

Molybden

Například v prokaryotech i eukaryotech je molybden nezbytný pro fungování určitých enzymů.

Molybden, aby byl biologicky užitečný, musí být komplexován s jinou organickou molekulou, produktem působení různých enzymů v komplexní metabolické cestě.

Jakmile se vytvoří tento kofaktor v komplexu s molybdenem, budou všechny molybdoproteiny použity pro každou svoji vlastní funkci.

Pleiotropický účinek v mutaci, která brání syntéze molybdocofaktoru, se projeví nejen v nepřítomnosti, ale také ve ztrátě enzymatické aktivity všech molybdoenzymů jedince nesoucího mutaci.

-Laminopatie

Jaderná vrstva je složitá síťka uvnitř jádra, dynamicky připojená k její vnitřní membráně. Jaderná lamina reguluje mimo jiné architekturu jádra, rozdělení mezi euchromatinem a heterochromatinem, genovou expresi a replikaci DNA.

Jádro lamina je tvořeno několika proteiny společně známými jako lamininy. Protože se jedná o strukturální proteiny, s nimiž interaguje mnoho dalších, každá mutace, která ovlivňuje vaše geny, bude mít pleiotropní účinky.

Pleiotropní účinky mutací v lamininových genech se projeví jako onemocnění, která se nazývají laminopatie.

To znamená, že laminopatie je pleiotropní projev vyplývající z mutací v lamininových genech. Klinické projevy laminopatie zahrnují, ale nejsou na ně omezeny, Progerii, Emery-Dreifussovu svalovou dystrofii a řadu dalších stavů.

- Regulátory transkripce

Další geny, jejichž mutace způsobují mnoho různých pleiotropních účinků, jsou geny, které kódují transkripční regulátory.

Jedná se o proteiny, které specificky řídí expresi genu; existují další, které jsou obecnými regulátory transkripce. V každém případě nepřítomnost těchto produktů určuje, že jiné geny nejsou transkribovány (tj. Nejsou exprimovány).

Mutace, která určuje nepřítomnost nebo nesprávnou funkci obecného nebo specifického transkripčního regulátoru, bude mít na organismus pleiotropní účinky, protože nebude exprimován žádný gen pod jeho kontrolou.

Pleiotropy a epigenetika

Objev mechanismů změny v genové expresi, které nezávisí na změnách v nukleotidové sekvenci genů (epigenetika), obohatil naši vizi pleiotropy.

Jedním z nejvíce studovaných aspektů epigenetiky je působení endogenních mikroRNA. Jedná se o produkt transkripce genů zvaných mir.

Transkripce genu mir vede ke vzniku RNA, která po zpracování působí v cytoplazmě jako malá inaktivující RNA.

Tyto RNA se nazývají malé umlčující RNA, protože mají schopnost být komplementární k cílovým messengerovým RNA. Jejich spojením dochází k degradaci posla a charakter není vyjádřen.

V některých případech se tato malá molekula může vázat na více než jednoho odlišného posla, což samozřejmě vede k pleiotropnímu účinku.

Pleiotropie a stárnutí

Vysvětlení přirozených příčin stárnutí by mohlo spočívat v účinku pleiotropních genů. Podle hypotézy předložené GC Williamsem je senescence důsledkem toho, co nazval antagonistickou pleiotropy.

Pokud existují geny, jejichž produkty mají antagonistické účinky v různých stadiích života organismu, mohly by tyto geny přispět ke stárnutí.

Pokud by se příznivé účinky projevily před rozmnožováním a škodlivé účinky po něm, pak by byly zvýhodněny přirozeným výběrem. Ale jinak by přirozený výběr fungoval proti těmto genům.

Tímto způsobem, pokud jsou geny opravdu pleiotropní, by stárnutí bylo nevyhnutelné, protože přirozený výběr by vždy působil ve prospěch genů, které podporují reprodukci.

Pleiotropy a speciace

Sympatická speciace je typ speciace, ke kterému dochází bez geografických bariér mezi populacemi. Tento typ speciace je očividně podporován pleiotropními mutacemi.

Matematické simulační modely vyvinuté Kondrashovem ukazují, že k reprodukční izolaci mezi sympatickými populacemi může dojít kvůli výskytu ekologicky důležitých kvantitativních znaků pod narušujícím výběrem.

Stejné modely naznačují, že tyto vlastnosti musí souviset s pleiotropními geny. Pokud jsou změny způsobeny několika geny, a ne pleiotropním genem, rekombinace genů během reprodukce by zabránila speciaci. Pleiotropie by zabránila rušivým účinkům rekombinace.

Pleiotropie a adaptace

Země se neustále mění. Organismy se musí neustále měnit, aby se přizpůsobily novým podmínkám. Tyto změny vedou k tomu, co se nazývá evoluce.

Mnoho autorů tvrdí, že evoluce vede ke zvyšující se složitosti organismů. Tato složitost může být morfologická, kde se konkrétní charakter může vyvíjet nezávisle na jiném za specifických podmínek prostředí.

S rostoucí složitostí organismů se však jejich schopnost reagovat na změny zpomaluje. Tomu se říká „evoluční náklady na složitost“.

Matematické modely se domnívají, že adaptace v důsledku změn pleiotropních genů by byly méně evoluční než ty v důsledku změn v charakterech kódovaných jednotlivými geny.

Reference

1. Brooker, RJ (2017). Genetika: analýza a principy. 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 genetické analýze (11 ^th ed.). New York: WH Freeman, New York, NY, USA.
4. Ho, R., Hegele, RA (2018) Složité účinky mutací laminopatie na jadernou strukturu a funkci. Clinical Genetics, doi: 10,111 / cge.13455.
5. Lobo, I. (2008). Pleiotropy: jeden gen může ovlivnit více znaků. Nature Education, 1:10.
6. Stitzer, MC, Ross-Ibarra, J. (2018) Domestikace kukuřice a genová interakce. The New Phytologist, 220: 395-408.