WAT IS PLEIOTROPIE? (MET VOORBEELDEN) - BIOLOGIE - 2025

De pleiotropie is het genetische fenomeen waarbij de expressie van een gen in een individu de fenotypische expressie van andere niet-verwante karakters beïnvloedt. Etymologisch betekent pleiotropie "meer veranderingen" of "veel effecten": dat wil zeggen, meer effecten dan verwacht van de expressie van een enkel gen. Het is ook bekend als polyfenie (veel fenotypes), maar het is een zelden gebruikte term.

Een van de verschijnselen van overerving die de meeste genetici tijdens de kinderjaren van deze wetenschap verwarde, was dat van mutaties die meer dan één karakter beïnvloedden.

Aanvankelijk werd aangenomen dat elk personage werd bestuurd door een enkel gen. Toen realiseerden we ons dat de manifestatie van een personage de deelname van meer dan één gen kan vereisen.

Het meest verrassende is echter dat een enkel gen de manifestatie van meer dan één erfelijke eigenschap kan beïnvloeden, wat in wezen bepalend is voor pleiotropie.

In het algemeen is het, wanneer pleiotropie wordt aangetoond, passender om te zeggen dat het verantwoordelijke gen pleiotrope effecten heeft dan dat het gen pleiotroop is.

Hoewel niet iedereen zich aan deze conventie houdt, is het belangrijk op te merken dat het pleiotrope gen codeert voor een bepaald kenmerk en niet per se pleiotropie.

Anders zou "normaliteit" niets meer zijn dan de pleiotrope manifestatie van de werking van een wild allel van een bepaald gen op anderen. Dit is echter genetisch onjuist.

Geschiedenis

De term pleiotropie werd voor het eerst gebruikt door een Duitse geneticus genaamd Ludwig Plate in 1910. Plate gebruikte de term om het verschijnen van verschillende fenotypische eigenschappen die altijd samen voorkomen en met elkaar gecorreleerd lijken te verklaren. Volgens hem is dit verschijnsel, wanneer het optreedt, te wijten aan een eenheid van pleiotrope overerving.

Een andere Duitser, Hans Gruneberg, verdeelde pleiotropie in 'echt' en 'onecht'. De eerste werd gekenmerkt door het ontstaan ​​van twee verschillende primaire producten vanuit één locatie.

De tweede verwees volgens deze auteur naar een enkel primair product dat op verschillende manieren werd gebruikt. Tegenwoordig is de Gruneberg-betekenis van echte pleiotropie verworpen, terwijl onechte pleiotropie eenvoudigweg als pleiotropie wordt beschouwd.

Een andere indeling van het pleiotropie-concept werd gemaakt door Ernst Hadorn, die erop wees dat er twee soorten pleiotropie zijn: mozaïek en relationeel. De eerste treedt op wanneer een gen codeert voor informatie die twee verschillende fenotypische eigenschappen beïnvloedt.

Relationele pleiotropie, aan de andere kant, treedt op wanneer een gen het begin bepaalt van verschillende gebeurtenissen die met elkaar verband houden en die meerdere onafhankelijke kenmerken zullen beïnvloeden.

Kacser en Burns, van hun kant, wezen erop dat elke variatie in een deel van het genoom alle eigenschappen in verschillende mate beïnvloedt, direct of indirect. Dit idee staat bekend onder de naam universele pleiotropie.

Voorbeelden van genen met pleiotrope effecten

Pleiotropie, een fenomeen dat enkele van de gevolgen van de interactie tussen de producten van genen beschrijft, is universeel.

Virussen, evenals alle organismen van cellulaire aard, bezitten genen waarvan de producten belangrijk zijn voor de manifestatie van andere karakters. Deze genen, waarvan de wild-type en mutante allelen pleiotrope effecten hebben, zijn van verschillende aard.

-Het rudimentaire gen in Drosophila

Bij Drosophila (de fruitvlieg) bepaalt het rudimentaire gen het ontwikkelingsniveau van de vleugels. Wanneer dit gen van beide ouders wordt geërfd, zal de afstammingsvlieg rudimentaire vleugels vertonen en niet kunnen vliegen.

Dit zullen echter niet de enige effecten zijn van het rudimentaire gen. Dit gen is pleiotroop en de aanwezigheid ervan leidt ook tot een vermindering van het aantal eitjes in de eierstokken van de vlieg. Het wijzigt ook het aantal en de plaatsing van de borstelharen in de thorax en verkort hierdoor de levensduur.

-Pigmentatie en doofheid bij katten

Het gen dat pigmentatie-informatie bij katten codeert, is een pleiotroop gen. Hierdoor is een vrij hoog percentage katten met witte vacht en blauwe ogen ook doof.

Zelfs witte katten met een blauw oog en een geel oog zijn alleen doof in het oor dat zich aan dezelfde kant van het hoofd bevindt als het blauwe oog.

Pleiotropie bij katten. Witte kat met heterochromie. Genomen en bewerkt van: Keith Kissel, via Wikimedia Commons.

-Kuikens met gekrulde veren

Bij kippen produceert een dominant gen het effect van gegolfde veren. Dit gen bleek een pleiotroop effect te hebben omdat het andere fenotypische effecten vertoont: verhoogde stofwisseling, verhoogde lichaamstemperatuur, meer voedselconsumptie.

Bovendien vertonen kippen met dit gen een vertraagde geslachtsrijpheid en verminderde vruchtbaarheid.

-In mensen

Marfan-syndroom

Symptomen van dit syndroom zijn onder meer: ​​ongewoon grote lichaamsgrootte, progressieve hartaandoeningen, ontwrichting van de lens van het oog, longaandoeningen.

Al deze symptomen houden rechtstreeks verband met een enkele genmutatie. Dit gen, FBN1 genaamd, is pleiotroop, omdat het de functie heeft om te coderen voor een glycoproteïne dat wordt gebruikt in bindweefsel in verschillende delen van het lichaam.

Holt-Oram-syndroom

Patiënten met dit syndroom hebben afwijkingen in de carpale botten en andere botten van de voorpoten. Bovendien hebben ongeveer 3 op de 4 patiënten met dit syndroom hartproblemen.

Nijmegen syndroom

Het wordt gekenmerkt door het feit dat degenen die eraan lijden microcefalie, immunodeficiëntie, ontwikkelingsstoornissen en een neiging tot lymfatische kanker en leukemie hebben.

-Fenylketonurie

Een bekend geval van pleiotroop effect wordt veroorzaakt door mutante allelen die verantwoordelijk zijn voor fenylketonurie.

Fenylketonurie, een stofwisselingsziekte, wordt veroorzaakt door de mutatie van een enkel gen dat codeert voor het enzym fenylalaninehydroxylase. Het inactieve mutante enzym is niet in staat het aminozuur fenylalanine af te breken; wanneer dit zich ophoopt, raakt het organisme bedwelmd.

Daarom is het effect dat wordt waargenomen bij individuen die de twee exemplaren van het gemuteerde gen dragen, meervoudig (pleiotroop).

De oorzaak van de ziekte of het syndroom is het gebrek aan metabolische activiteit dat huiduitslag, neurologische aandoeningen, microcefalie, lichte huid en blauwe ogen veroorzaakt (door het ontbreken van melaninegeneratie), enz., Via verschillende routes.

Geen van de genen die betrokken zijn bij de veranderde manifestatie van deze andere eigenschappen, is noodzakelijkerwijs gemuteerd.

-Andere metabole routes

Het is heel gebruikelijk dat verschillende enzymen dezelfde cofactor delen of gebruiken om actief te zijn. Deze cofactor is het eindproduct van de gezamenlijke actie van verschillende andere eiwitten die deelnemen aan deze biosynthetische route.

Als een mutatie wordt gegenereerd in een van de genen die coderen voor de eiwitten van deze route, wordt de cofactor niet geproduceerd. Deze mutaties zullen een pleiotroop effect hebben, aangezien geen van de eiwitten die afhankelijk zijn van de cofactor om actief te zijn, actief zal kunnen zijn, hoewel hun eigen genen perfect functioneel zijn.

Molybdeen

In zowel prokaryoten als eukaryoten is molybdeen bijvoorbeeld essentieel voor het functioneren van bepaalde enzymen.

Om biologisch bruikbaar te zijn, moet molybdeen worden gecomplexeerd met een ander organisch molecuul, het product van de werking van verschillende enzymen in een complexe metabole route.

Zodra deze cofactor, gecomplexeerd met molybdeen, is gevormd, zal deze door alle molybdoproteïnen worden gebruikt om elk hun eigen functie uit te oefenen.

Het pleiotrope effect bij een mutatie die de synthese van molybdocofactor verhindert, zal niet alleen tot uiting komen in afwezigheid ervan, maar ook in het verlies van de enzymatische activiteit van alle molybdoenzymen van het individu dat de mutatie draagt.

-Laminopathieën

De nucleaire lamina is een ingewikkeld netwerk in de kern, dynamisch verbonden met het binnenmembraan. De nucleaire lamina reguleert onder andere de architectuur van de kern, de scheiding tussen euchromatine en heterochromatine, genexpressie en DNA-replicatie.

De kernlamina bestaat uit enkele eiwitten die gezamenlijk bekend staan ​​als laminins. Omdat dit structurele eiwitten zijn waarmee een groot aantal van vele andere een interactie aangaat, zal elke mutatie die uw genen beïnvloedt, pleiotrope effecten hebben.

De pleiotrope effecten van mutaties in laminine-genen zullen zich manifesteren als ziekten die laminopathieën worden genoemd.

Dat wil zeggen, een laminopathie is de pleiotrope manifestatie die het gevolg is van mutaties in lamininegenen. De klinische manifestaties van laminopathieën omvatten, maar zijn niet beperkt tot, Progeria, Emery-Dreifuss spierdystrofie en een groot aantal andere aandoeningen.

-Transcriptionele regulatoren

Andere genen waarvan de mutaties aanleiding geven tot een groot aantal verschillende pleiotrope effecten, zijn genen die coderen voor transcriptionele regulatoren.

Dit zijn eiwitten die specifiek de genexpressie regelen; er zijn andere die algemene regulatoren van transcriptie zijn. De afwezigheid van deze producten bepaalt in ieder geval dat andere genen niet worden getranscribeerd (dat wil zeggen, niet tot expressie worden gebracht).

Een mutatie die de afwezigheid of storing van een algemene of specifieke transcriptionele regulator bepaalt, zal pleiotrope effecten hebben in het organisme, aangezien geen gen onder zijn controle tot expressie zal worden gebracht.

Pleiotropie en epigenetica

De ontdekking van veranderingsmechanismen in genexpressie die niet afhankelijk zijn van veranderingen in de nucleotidesequentie van genen (epigenetica) heeft onze visie op pleiotropie verrijkt.

Een van de meest bestudeerde aspecten van epigenetica is de werking van endogene microRNA's. Deze zijn het product van de transcriptie van genen die mir worden genoemd.

De transcriptie van een mir-gen geeft aanleiding tot een RNA dat na verwerking in het cytoplasma werkt als een klein inactiverend RNA.

Deze RNA's worden kleine silencing-RNA's genoemd omdat ze complementair kunnen zijn aan de doelwit-boodschapper-RNA's. Door zich bij hen aan te sluiten, wordt de boodschapper gedegradeerd en wordt het karakter niet uitgedrukt.

In sommige gevallen kan dit kleine molecuul aan meer dan één verschillende boodschapper binden, wat natuurlijk aanleiding geeft tot een pleiotroop effect.

Pleiotropie en veroudering

De verklaring voor de natuurlijke oorzaken van veroudering zou kunnen liggen in het effect van pleiotrope genen. Volgens een hypothese van GC Williams is veroudering het gevolg van wat hij antagonistische pleiotropie noemde.

Als er genen zijn waarvan de producten antagonistische effecten hebben in verschillende stadia van het leven van een organisme, dan kunnen deze genen bijdragen aan veroudering.

Als de gunstige effecten zich manifesteren vóór de voortplanting en de schadelijke effecten erna, dan zouden ze worden begunstigd door natuurlijke selectie. Maar anders zou natuurlijke selectie tegen die genen werken.

Op deze manier zou, als de genen echt pleiotroop zijn, veroudering onvermijdelijk zijn, aangezien natuurlijke selectie altijd zou werken in het voordeel van genen die de voortplanting bevorderen.

Pleiotropie en soortvorming

Sympatrische soortvorming is een soort soortvorming die optreedt zonder geografische barrières tussen populaties. Dit type soortvorming wordt blijkbaar begunstigd door pleiotrope mutaties.

Wiskundige simulatiemodellen ontwikkeld door Kondrashov laten zien dat reproductieve isolatie tussen sympatrische populaties kan optreden als gevolg van het verschijnen van ecologisch belangrijke kwantitatieve kenmerken onder disruptieve selectie.

Deze zelfde modellen geven aan dat deze eigenschappen gerelateerd moeten zijn aan pleiotrope genen. Als de veranderingen te wijten zijn aan verschillende genen, en niet aan een pleiotrope, zou recombinatie van genen tijdens reproductie soortvorming voorkomen. Pleiotropie zou de verstorende effecten van recombinatie vermijden.

Pleiotropie en aanpassing

Het land verandert voortdurend. Organismen moeten voortdurend veranderen om zich aan nieuwe omstandigheden aan te passen. Deze veranderingen leiden tot wat bekend staat als evolutie.

Veel auteurs stellen dat evolutie leidt tot een toenemende complexiteit van organismen. Deze complexiteit kan morfologisch zijn, waarbij een bepaald personage onafhankelijk van een ander onder specifieke omgevingsomstandigheden kan evolueren.

Naarmate organismen echter complexer worden, vertraagt ​​hun vermogen om op veranderingen te reageren. Dit wordt de "evolutionaire kosten van complexiteit" genoemd.

Wiskundige modellen stellen dat aanpassingen als gevolg van veranderingen in pleiotrope genen evolutionair minder duur zouden zijn dan die als gevolg van veranderingen in karakters gecodeerd door individuele genen.

Referenties

1. Brooker, RJ (2017). Genetica: analyse en principes. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, VS.
2. Goodenough, UW (1984) Genetics. WB Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, VS.
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, VS.
4. Ho, R., Hegele, RA (2018) Complexe effecten van laminopathiemutaties op nucleaire structuur en functie. Klinische genetica, doi: 10.1111 / cge.13455.
5. Lobo, I. (2008). Pleiotropie: één gen kan meerdere eigenschappen beïnvloeden. Natuureducatie, 1:10.
6. Stitzer, MC, Ross-Ibarra, J. (2018) Maïs-domesticatie en geninteractie. De nieuwe fytoloog, 220: 395-408.