KAS IR PLEIOTROPIJA? (AR PIEMĒRIEM) - BIOLOĢIJA - 2025

Plejotropija ir ģenētiska parādība, kurā izteiksme no gēna, kas indivīdam ietekmē fenotipa izpausmi citu nesaistītu rakstzīmes. Etimoloģiski pleiotropija nozīmē "vairāk izmaiņu" vai "daudz efektu": tas ir, vairāk efektu, nekā paredzēts no viena gēna ekspresijas. To sauc arī par polifeniju (daudziem fenotipiem), taču tas ir reti lietots termins.

Viena no mantojuma parādībām, kas šīs zinātnes sākumstadijā visvairāk mulsināja ģenētiķus, bija mutācijas, kas ietekmē vairāk nekā vienu rakstzīmi.

Sākumā tika uzskatīts, ka katru varoni kontrolē viens gēns. Tad mēs sapratām, ka rakstura izpausmei var būt nepieciešama vairāku gēnu līdzdalība.

Pārsteidzošākais ir tas, ka viens gēns var ietekmēt vairāk nekā vienas iedzimtas pazīmes izpausmi, kas būtībā ir tas, kas nosaka pleiotropiju.

Kopumā, demonstrējot pleiotropiju, ir pareizāk teikt, ka atbildīgajam gēnam ir pleiotropiska iedarbība nekā tam, ka gēns ir pleiotropisks.

Lai arī ne visi ievēro šo konvenciju, ir svarīgi atzīmēt, ka gēns ar pleiotropisko efektu kodē noteiktu iezīmi, nevis pleiotropiju per se.

Pretējā gadījumā "normalitāte" nebūtu nekas vairāk kā pleiotropiska konkrēta gēna savvaļas alēles darbības izpausme citiem. Tomēr tas ir ģenētiski nepareizi.

Vēsture

Terminu pleiotropija pirmo reizi lietoja vācu ģenētiķis Ludvigs Plate 1910. gadā. Plate lietoja terminu, lai izskaidrotu vairāku dažādu fenotipisko pazīmju parādīšanos, kas vienmēr notiek kopā un var šķist savstarpēji saistītas. Pēc viņa teiktā, šī parādība, kad tā notiek, ir saistīta ar pleiotropo mantojuma vienību.

Cits vācietis Hanss Grunebergs sadalīja pleiotropiju uz “īstu” un “neīstu”. Pirmo raksturoja divu atšķirīgu primāro produktu parādīšanās no vienas vietas.

Otrais, pēc šī autora domām, attiecās uz vienu primāro produktu, kas tika izmantots dažādos veidos. Mūsdienās patiesās pleiotropijas Gruneberga nozīme ir atmesta, savukārt maldinošā pleiotropija tiek uzskatīta vienkārši par pleiotropiju.

Citu pleiotropijas jēdziena sadalījumu izdarīja Ernsts Hadorns, kurš norādīja, ka pastāv divi pleiotropijas veidi: mozaīka un relācija. Pirmais notiek tad, kad gēns kodē informāciju, kas ietekmē divas dažādas fenotipiskās iezīmes.

Relāciju pleiotropija, no otras puses, rodas, kad gēns nosaka dažādu ar otru saistītu notikumu sākšanos, un tas ietekmēs vairākas neatkarīgas pazīmes.

Kacsers un Burns no savas puses norādīja, ka jebkuras genoma daļas variācijas tieši vai netieši ietekmē visas pazīmes dažādās pakāpēs. Šī ideja ir pazīstama ar universālās pleiotropijas vārdu.

Gēnu piemēri ar pleiotropiskiem efektiem

Pleiotropija, kas ir parādība, kas apraksta dažas gēnu produktu mijiedarbības sekas, ir universāla.

Vīrusiem, kā arī visiem šūnu rakstura organismiem ir gēni, kuru produkti ir svarīgi citu rakstzīmju izpausmei. Šiem gēniem, kuru savvaļas tipa un mutējošajām alēlēm ir pleiotropiska iedarbība, ir atšķirīgs raksturs.

-Vestiģiālais gēns Drosofilā

Drosofilā (augļu muša) vestiģiskais gēns nosaka spārnu attīstības līmeni. Kad šis gēns tiks mantots no abiem vecākiem, pēcnācēju muša uzliks vestiģiskus spārnus un nespēs lidot.

Tomēr šie nebūs vienīgie vestiģiskā gēna efekti. Šis gēns ir pleiotropisks, un tā klātbūtne arī samazina olu skaitu mušas olnīcās. Tas arī maina saru skaitu un izvietojumu krūškurvī un samazina šo dzīves ilgumu.

-Pigmentācija un kurlums kaķiem

Gēns, kas kodē informāciju par pigmentāciju kaķiem, ir pleiotrops gēns. Sakarā ar to diezgan augsts kaķu procents ar baltu kažokādu un zilām acīm ir arī kurls.

Pat balti kaķi, kuriem ir zila un dzeltena acs, ir kurli tikai ausī, kas atrodas tajā pašā galvas pusē kā zilā acs.

Pleiotropija kaķiem. Balts kaķis ar heterohromiju. Uzņemts un rediģēts no: Keita Kisela, izmantojot Wikimedia Commons.

-Cāļi ar krokainām spalvām

Cāļiem dominējošais gēns rada saboztu spalvu efektu. Tika pierādīts, ka šim gēnam ir pleiotropisks efekts, jo tas izpaužas citos fenotipiskos efektos: palielināts vielmaiņas ātrums, paaugstināta ķermeņa temperatūra, lielāks pārtikas patēriņš.

Turklāt cāļiem ar šo gēnu ir kavēta dzimumgatavība un samazināta auglība.

-Cilvēkos

Marfana sindroms

Šī sindroma simptomi ir: neparasti augsts ķermeņa izmērs, progresējoši sirdsdarbības traucējumi, acs lēcas dislokācija, plaušu darbības traucējumi.

Visi šie simptomi ir tieši saistīti ar viena gēna mutāciju. Šis gēns, ko sauc par FBN1, ir pleiotropisks, jo tā funkcija ir kodēt glikoproteīnu, kas tiek izmantots saistaudos dažādās ķermeņa daļās.

Holta-Orama sindroms

Pacientiem ar šo sindromu ir novirzes karpālā kaulā un citos pieres kaulos. Turklāt aptuveni 3 no 4 pacientiem ar šo sindromu ir sirdsdarbības traucējumi.

Neimegena sindroms

To raksturo tas, ka tiem, kas cieš no tā, ir mikrocefālija, imūndeficīts, attīstības traucējumi un tieksme pēc limfātiskā vēža un leikēmijas.

-Fenilketonūrija

Plaši pazīstamu pleiotropiskas iedarbības gadījumu izraisa mutācijas alēles, kas ir atbildīgas par fenilketonūriju.

Fenilketonūrija, vielmaiņas slimība, rodas viena gēna mutācijas dēļ, kas kodē fermentu fenilalanīna hidroksilāzi. Neaktīvais mutants ferments nespēj sadalīt aminoskābi fenilalanīnu; kad tas uzkrājas, organisms kļūst apreibināts.

Tādēļ indivīdiem, kas nes mutācijas gēna abus eksemplārus, novērotā ietekme ir daudzveidīga (pleiotropiska).

Slimības vai sindroma cēlonis ir metabolisma aktivitātes trūkums, kas dažādos veidos izraisa ādas izvirdumus, neiroloģiskus traucējumus, mikrocefāliju, gaišu ādu un zilas acis (melanīna paaudzes trūkuma dēļ) utt.

Neviens no gēniem, kas iesaistīti šo citu pazīmju mainītajā izpausmē, nav obligāti mutējams.

-Citi metabolisma ceļi

Ļoti bieži ir gadījums, kad vairākiem fermentiem ir vienāds kofaktors vai tiek izmantots tas, lai tie būtu aktīvi. Šis kofaktors ir vairāku citu olbaltumvielu, kas piedalās šajā biosintētiskajā ceļā, saskaņotās darbības gala produkts.

Ja kādā no gēniem, kas kodē šī ceļa olbaltumvielas, tiek radīta mutācija, kofaktors netiks ražots. Šīm mutācijām būs pleiotropisks efekts, jo neviens no proteīniem, kas ir atkarīgi no kofaktora, nebūs aktīvs, kaut arī viņu pašu gēni ir pilnīgi funkcionāli.

Molibdēns

Piemēram, gan prokariotos, gan eikariotos, molibdēns ir būtisks noteiktu fermentu darbībai.

Molibdēns, lai tas būtu bioloģiski noderīgs, ir jāveido kompleksā ar citu organisko molekulu, dažādu enzīmu iedarbības produktu sarežģītā vielmaiņas ceļā.

Kad būs izveidots šis ar molibdēna kompleksu saistītais faktors, visi molibdoproteīni to izmantos katram savam mērķim.

Pleiotropā iedarbība mutācijā, kas novērš molibdokofaktora sintēzi, izpaudīsies ne tikai tā neesamības gadījumā, bet arī visu indivīdu, kas nes mutāciju, molibdoenzīmu fermentatīvās aktivitātes zudumā.

-Laminopātijas

Kodola lamina ir sarežģīta acs kodola iekšpusē, dinamiski piestiprināta pie tās iekšējās membrānas. Kodola lamina cita starpā regulē kodola arhitektūru, sadalījumu starp euchromatin un heterochromatin, gēnu ekspresiju, kā arī DNS replikāciju.

Lamina kodolu veido daži proteīni, ko kopīgi sauc par laminīniem. Tā kā tie ir strukturālie proteīni, ar kuriem mijiedarbojas daudzi citi cilvēki, visām mutācijām, kas ietekmē jūsu gēnus, būs pleiotropiska iedarbība.

Laminīna gēnu mutāciju pleiotropā iedarbība izpaudīsies kā slimības, ko sauc par laminopātijām.

Tas ir, laminopātija ir pleiotropiska izpausme, kas rodas laminīna gēnu mutāciju rezultātā. Laminopātiju klīniskās izpausmes ietver, bet ne tikai, Progeria, Emery-Dreifuss muskuļu distrofiju un daudzus citus nosacījumus.

-Transkripcijas regulatori

Citi gēni, kuru mutācijas rada daudz dažādu pleiotropisku efektu, ir tie, kas kodē transkripcijas regulatorus.

Tie ir proteīni, kas īpaši kontrolē gēnu ekspresiju; ir arī citi, kas ir vispārīgi transkripcijas regulatori. Jebkurā gadījumā šo produktu neesamība nosaka, ka citi gēni netiek transkribēti (tas ir, nav izteikti).

Mutācijai, kas nosaka vispārēja vai specifiska transkripcijas regulatora neesamību vai nepareizu darbību, organismā būs pleiotropiska iedarbība, jo neviens tā kontrolē esošais gēns netiks izteikts.

Pleiotropija un epigenētika

Gēnu ekspresijas izmaiņu mehānismu atklāšana, kas nav atkarīgi no izmaiņām gēnu nukleotīdu secībā (epigenētika), ir bagātinājusi mūsu redzējumu par pleiotropiju.

Viens no visvairāk izpētītajiem epiģenētikas aspektiem ir endogēno mikroRNS darbība. Tie ir gēnu, ko sauc par mir, transkripcijas produkts.

Mir gēna transkripcija rada RNS, kas pēc pārstrādes citoplazmā darbojas kā maza inaktivējoša RNS.

Šīs RNS sauc par mazām klusinošām RNS, jo tām ir spēja būt papildinošām mērķa kurjeru RNS. Pievienojoties viņiem, kurjers tiek degradēts un raksturs netiek izteikts.

Dažos gadījumos šī mazā molekula var saistīties ar vairāk nekā vienu atšķirīgu kurjeru, kas, protams, rada pleiotropisku efektu.

Pleiotropija un novecošanās

Dabisko novecošanās cēloņu izskaidrojums varētu būt pleiotropo gēnu ietekme. Saskaņā ar hipotēzi, ko izvirzīja GC Williams, novecošanās ir sekas tam, ko viņš sauca par antagonistisku pleiotropiju.

Ja ir gēni, kuru produktiem dažādos organisma dzīves posmos ir antagonistiska iedarbība, šie gēni varētu veicināt novecošanos.

Ja labvēlīgā ietekme izpaužas pirms vairošanās un kaitīgā ietekme pēc tās, tad dabiskajai atlasei tie būtu labvēlīgi. Bet pretējā gadījumā dabiskā atlase darbotos pret šiem gēniem.

Tādā veidā, ja gēni patiešām ir pleiotropiski, novecošanās būtu neizbēgama, jo dabiskā atlase vienmēr rīkotos par labu gēniem, kas veicina reprodukciju.

Pleiotropija un specifikācija

Simpātiska specifikācija ir tāda veida specifikācija, kas notiek bez ģeogrāfiskiem šķēršļiem starp populācijām. Šāda veida specifikāciju acīmredzami atbalsta pleiotropās mutācijas.

Kondrašova izstrādātie matemātiskās simulācijas modeļi parāda, ka reproduktīvā izolācija starp simpatriskām populācijām var notikt sakarā ar ekoloģiski svarīgu kvantitatīvo īpašību parādīšanos traucējošā atlasē.

Šie paši modeļi norāda, ka šīm pazīmēm jābūt saistītām ar pleiotropiem gēniem. Ja izmaiņas notiek vairāku, nevis pleiotropisku gēnu dēļ, gēnu rekombinācija reproducēšanas laikā novērstu specifikāciju. Pleiotropija ļautu izvairīties no rekombinācijas graujošās ietekmes.

Pleiotropija un adaptācija

Zeme pastāvīgi mainās. Organismiem pastāvīgi jāmainās, lai pielāgotos jauniem apstākļiem. Šīs izmaiņas noved pie tā saucamās evolūcijas.

Daudzi autori apgalvo, ka evolūcija rada organismu sarežģītību. Šī sarežģītība var būt morfoloģiska, ja īpašs raksturs īpašos vides apstākļos var attīstīties neatkarīgi no cita.

Tomēr, tā kā organismi kļūst sarežģītāki, to spēja reaģēt uz izmaiņām palēninās. To sauc par “sarežģītības evolūcijas izmaksām”.

Matemātiskie modeļi apgalvo, ka adaptācija pleiotropo gēnu izmaiņu dēļ būtu evolucionāri lētāka nekā tie, kas saistīti ar rakstzīmju izmaiņām, kuras kodē atsevišķi gēni.

Atsauces

1. Brooker, RJ (2017). Ģenētika: analīze un principi. McGraw-Hill augstākā izglītība, Ņujorka, NY, ASV.
2. Goodenough, UW (1984) Ģenētika. WB Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, ASV.
3. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Ievads ģenētiskās analīzes (11 ^th ed.). Ņujorka: WH Freeman, Ņujorka, NY, ASV.
4. Ho, R., Hegele, RA (2018) Laminopātijas mutāciju sarežģītā ietekme uz kodola struktūru un darbību. Klīniskā ģenētika, doi: 10.1111 / cge.13455.
5. Lobo, I. (2008). Pleiotropija: viens gēns var ietekmēt vairākas pazīmes. Dabas izglītība, 1:10.
6. Sticers, MC, Ross-Ibarra, J. (2018) Kukurūzas mājināšana un gēnu mijiedarbība. Jaunais fitologs, 220: 395–408.