Pléiotropie

Pléiotropie
n., pluriel : pléiotropies

Définition : la condition d’avoir des effets multiples, comme dans gène pléiotropique.

La mucoviscidose est-elle un exemple de pléiotropie ?

La mucoviscidose est une maladie génétique et constitue l’un des exemples courants de pléiotropie. Dans cette maladie, les infections pulmonaires sont persistantes. Cette maladie peut également affecter le système digestif et d’autres organes du corps. La mutation du  » gène régulateur de la conductance transmembranaire de la mucoviscidose  » arrête le bon fonctionnement de ce gène, ce qui entraîne la mucoviscidose.

L’albinisme est-il une pléiotropie ?

Oui, l’albinisme est également dû à une pléiotropie causée par une mutation du gène de la tyrosinase (TYR). Cette mutation modifie la production de mélanine dans le corps de l’individu atteint.

Les gènes qui contrôlent les comportements et la fonctionnalité de plusieurs gènes qui ont des caractéristiques non liées sont appelés gènes pléiotropiques. Parfois, il a été observé que ces traits sont très similaires dans la nature tandis qu’à de nombreuses occasions, ils ont tendance à être très non-identiques avec d’autres. Les problèmes qui surviennent en raison des gènes pléiotropiques sont parfois appelés traits pléiotropiques. (Voir Figure 1)

Comment un gène affecte-t-il les traits d’un humain ?

Les traits qui sont physiquement exprimés tels que la forme du corps, la taille, la couleur, le physique et la hauteur sont connus comme le phénotype. Un trait monogénique peut être défini comme un trait régi ou contrôlé par un gène particulier. Il peut être difficile de détecter l’existence de traits pléiotropiques à moins que le processus de mutation ne se produise dans le gène.

Les changements relatifs qui se produisent dans les séquences de l’ADN sont appelés mutations. Le type le plus courant de mutation génétique est la mutation ponctuelle qui est ensuite classée en mutations silencieuses, mutations non-sens et mutations faux-sens. (En savoir plus sur les mutations génétiques : tutoriel gratuit sur les mutations génétiques)

Il a été observé via diverses publications que les deux allèles, qui sont la forme variante d’un gène, déterminent généralement la nature des caractères. La production de protéines qui dérivent le processus de développement du trait phénotypique est déterminée par les combinaisons de l’allèle spécifique, tandis que la séquence d’ADN du gène est altérée par la mutation survenant dans le gène. Ainsi, le non-fonctionnement des protéines est le résultat des changements dans les séquences des segments de gènes. Par conséquent, dans le processus de pléiotropie, tous les traits disponibles qui sont associés à un seul trait seront modifiés par les progressions de la mutation.

La pléiotropie en génétique

L’idée de pléiotropie en biologie a été donnée par un célèbre généticien, Gregor Mendel, connu dans l’histoire grâce à ses remarquables réalisations sur les plantes de pois. Il a réalisé une série d’expériences avec des plantes à fleurs violettes et des plantes à fleurs blanches. Il a remarqué que les fleurs colorées et les aisselles des feuilles colorées sont toujours présentées par les plantes dont l’enveloppe des graines est colorée. Les parties des plantes qui sont reliées aux tiges sont appelées un axe.

Il a été témoin que spécifiquement dans les plantes de pois, qui étaient le centre de la recherche, montraient toujours les fleurs blanches même si les téguments des graines étaient incolores dans la nature sans pigmentation dans leur axe. Ainsi, après avoir résumé ses recherches, il a été conclu que la couleur de l’aisselle de la plante et le tégument sont les facteurs importants qui vont décider de la couleur de la plante qui va présenter des fleurs blanches ou violettes. Ainsi, aujourd’hui, ces observations ont été considérées en raison du résultat en pléiotropie où un seul gène contribue à de multiples traits phénotypiques.

La pléiotropie peut souvent se produire en raison de mécanismes très chevauchants mais distincts tels que la pléiotropie de développement, la pléiotropie génique et la pléiotropie de sélection.

Dans la pléiotropie génique, l’accent est mis sur la fonctionnalité du gène particulier et cette forme de pléiotropie est également connue sous le nom de pléiotropie génique moléculaire. Le nombre de traits et les facteurs biochimiques impactés par le gène déterminent généralement les fonctions d’un trait particulier. Le nombre de réactions enzymatiques catalysées par les produits protéiques du gène est inclus dans les facteurs biochimiques.

L’accent principal qui est mis dans le développement de la pléiotropie est sur les mutations et leur impact relatif sur les nombreux traits. On constate que les mutations d’un seul gène ont généralement des effets plus larges en modifiant plusieurs autres traits possibles. De plus, les maladies qui impliquent la pléiotropie mutationnelle, sont catégorisées par des déficiences dans les nombreux organes qui affectent le bon fonctionnement de nombreux systèmes corporels.

Le dernier mécanisme qui résulte de la pléiotropie est appelé pléiotropie sélective, dont l’objectif premier est l’effet des mutations génétiques sur le nombre de composants distincts de la fitness. Le processus par lequel l’organisme particulier transfère ses gènes de sa génération à la génération suivante par le biais de la reproduction sexuée est généralement déterminé par les niveaux de fitness de ces derniers. La pléiotropie sélective s’intéresse souvent aux impacts de la sélection sur les traits de manière naturelle.

Polygénique vs pléiotropie

C’est une observation très courante que de nombreuses personnes mélangent la signification de l’héritage polygénique avec la pléiotropie. La principale raison qui les différencie est que lorsqu’un seul gène affecte plusieurs caractéristiques est appelé pléiotropie alors que lorsqu’un seul trait est contrôlé par plusieurs des gènes entre dans la définition de l’héritage polygénique comme la pigmentation de la peau.

Pléiotropie vs épistasie

Une autre chose importante est de comprendre le concept et la signification de l’épistasie et sa relation avec la pléiotropie. L’interaction de plusieurs gènes dans la détermination des résultats phénotypiques est connue sous le nom d’épistasie. (Réf. 1)

L’étude du gène pléiotrope est d’une importance significative en biologie car elle aide à comprendre comment on voit souvent certains gènes participer à certains des troubles génétiques.

Il existe de nombreux exemples de pléiotropie que l’on peut facilement trouver dans la nature. Les mouches à fruits et le gène vestigial, les poulets et leurs traits de frisure, le processus de pigmentation et la surdité chez les chats, la pléiotropie des drépanocytoses chez l’homme et la phénylcétonurie (également écrite PKU), sont quelques-uns des exemples courants de conditions pléiotropiques. Ils sont développés ci-dessous.

Exemples de pléiotropie

Les exemples de pléiotropie que l’on retrouve dans diverses études bibliographiques sont dus à l’influence de la pléiotropie directe et indirecte. Par exemple, on peut prendre l’exemple d’une souris aveugle née en raison de l’altération d’un seul gène et dans lesdits exemples, les chances sont très élevées que la souris aveugle née soit très mauvaise dans l’apprentissage visuel des tâches confirmant qu’un seul gène est vu impliqué dans de multiples voies. Ainsi, il y a beaucoup de tels exemples de pléiotropie directe et indirecte, dont certains sont élaborés ci-dessous sections.

Le gène vestigial et les mouches à fruits

Les gènes vestigiaux jouent un rôle très important dans le développement de l’aile de la drosophile, qui est une mouche à fruits. Elles développent des ailes courtes et sont incapables de voler de manière appropriée si ces mouches sont soumises à l’homozygotie de la forme récessive du gène vestigial (VG). Ainsi, le gène vestigial est pléiotrope et entraîne l’absence de développement des ailes de la drosophile. De plus, la réduction du nombre d’œufs présents dans les ovaires des mouches, le changement de l’emplacement des soies sur le scutellum des mouches, et la réduction de la durée du cycle de vie des mouches sont d’autres effets indirects de la pléiotropie chez les mouches à fruits. L’élaboration de la pléiotropie est illustrée à la figure 2. On peut voir que les ailes de la première abeille ne sont pas complètement développées par rapport à la deuxième abeille qui a des ailes complètement développées. (Réf. 2)

Surdité et pigmentation chez les chats

Il a été rapporté qu’environ quarante pour cent des chats qui présentent une fourrure blanche et des yeux bleus s’avèrent être sourds (Figure 3). Bien que ce fait soit assez fascinant car nous n’avons probablement pas prêté attention à ces chats dans toute notre vie. Au début de la recherche, on a observé que les chats blancs qui avaient un œil bleu et un autre jaune étaient aveugles d’un œil, principalement de l’œil bleu, mais on a constaté par la suite que ce phénomène de cécité n’était pas toujours valable pour toutes les races de chats. Chez l’homme, un trouble similaire est le syndrome de Waardenburg.

Chez les chats, cette condition implique des gènes pléiotropes provoquant non seulement la surdité mais affectant également la pigmentation. Les chercheurs ont cherché à comprendre comment la capacité auditive et le processus de pigmentation sont corrélés. Les expériences ont été menées sur des souris et ils ont découvert que la pigmentation joue un rôle très important dans le maintien de la circulation des fluides dans les canaux de l’oreille. Ceux qui manquent de pigmentation manquent également de la circulation des fluides dans les canaux de l’oreille, ce qui entraîne son éclatement, et finalement la surdité. (Réf 3)

Les caractères de frimousse chez les poulets

Il existe divers gènes pléiotropiques chez les poulets. Il a été observé par Walter Landauer et Elizabeth Upham en 1963 que les poulets qui présentent les gènes dominants frizzle produisent principalement des plumes qui s’enroulent sur tout leur corps au lieu de rester à plat contre leur peau. Cet effet était lié aux effets phénotypiques des gènes. En outre, il a été constaté que ces caractères de frizzle ont provoqué de nombreux changements chez les poulets, notamment des températures corporelles anormales, des débits sanguins élevés, des taux métaboliques élevés et une capacité digestive accrue. En outre, les poulets présentant les traits pléiotropiques ont pondu moins d’œufs que les œufs sauvages normaux, ce qui a affecté leur taux de reproduction. L’existence des traits de friture chez le poulet est visible dans la vidéo ci-dessous.

Le syndrome de Marfan

La maladie héréditaire qui entraîne des problèmes de connectivité dans les tissus est appelée le syndrome de Marfan. Ce type de syndrome affecte surtout les yeux, le cœur, le squelette et les vaisseaux sanguins. Les personnes souffrant de ces syndromes ont généralement un corps long et mince, avec de longues jambes, de longs bras, des doigts et des orteils. Les dommages causés par le syndrome de Marfan peuvent être légers ou graves. Les symptômes du syndrome peuvent varier d’une famille à l’autre et dépendent également de l’âge. Certains ressentent des symptômes très faibles et beaucoup sont confrontés à des complications potentiellement mortelles. L’anévrisme aortique, la dissection aortique et les malformations valvulaires sont les résultats des complications cardiovasculaires. D’autre part, les complications oculaires, les luxations du cristallin, les problèmes de rétine et le glaucome à début précoce aussi appelé cataracte sont très importants. (Réf. 4)

Maladie drépanocytaire

Les exemples très courants de pléiotropie qui se produisent habituellement chez les êtres humains sont appelés maladie drépanocytaire qui se produit en raison du trouble développé des globules rouges de forme irrégulière alors que les globules rouges normaux ont une forme biconcave, en forme de disque, et des quantités importantes d’hémoglobine sont trouvées.

En quoi l’anémie falciforme est-elle un exemple de pléiotropie ?

La responsabilité première des globules rouges dans le sang est de lier les tissus et de transporter l’oxygène vers toutes les cellules disponibles. Les mutations du gène de la bêta-globine entraînent généralement la formation de cellules falciformes. Il s’agit donc de cellules sanguines de forme irrégulière, qui se regroupent, forment un bloc dans les veines et bloquent finalement la circulation du sang dans les veines. Ce blocage entraîne de nombreux problèmes de santé et endommage de nombreux organes humains vitaux tels que le cœur, le cerveau et les poumons. La comparaison entre le globule rouge normal et les cellules falciformes a été montrée dans la figure 5. (Réf. 5)

Phénylcétonurie ou PCU

Un autre exemple courant de pléiotropie est la phénylcétonurie ou PCU qui provoque un retard mental, une réduction des cheveux et un changement des couleurs ou de la pigmentation de la peau. Ces maladies se manifestent généralement par un grand nombre de mutations dans un seul gène sur un chromosome. Ces gènes sont responsables de la production d’enzymes connues sous le nom de phénylalanine hydroxylase. Ces enzymes décomposent généralement les acides aminés phénylalanine que nous obtenons par la digestion des protéines. Si, en raison de la pléiotropie, le niveau d’acides aminés augmente, cela provoque des dommages au système nerveux.

Les déficiences intellectuelles, les problèmes cardiaques, les retards de développement et les crises d’épilepsie sont quelques-uns des autres troubles qui sont causés par la phénylcétonurie. La PCU la plus courante est appelée PCU classique, qui touche généralement les nouveau-nés. La fréquence de ces maladies varie d’un endroit à l’autre. Plus précisément, aux États-Unis, une naissance sur dix mille souffre de cette maladie. Cependant, la bonne chose est que les médecins peuvent détecter la PCU chez les bébés via leurs symptômes précoces, ce qui permet au médecin de commencer les traitements précoces sauvant ainsi les enfants des effets graves de cette maladie.

Pléiotropie antagoniste

Une théorie proposée pour expliquer la sénescence ou le vieillissement biologique qui peut être attribuée à la sélection naturelle de certains allèles pléiotropes est appelée pléiotropie antagoniste. Un allèle qui pourrait avoir un impact négatif sur l’organisme peut être favorisé dans la sélection naturelle si l’allèle produit également des facteurs avantageux en pléiotropie antagoniste. De plus, les allèles qui augmentent l’aptitude à la reproduction au début de la vie mais favorisent le vieillissement biologique plus tard dans la vie sont normalement sélectionnés dans la sélection naturelle.

L’exemple le plus courant de pléiotropie antagoniste est celui des drépanocytaires où la mutation de l’allèle Hb-S du gène de l’hémoglobine procure divers avantages et inconvénients pour leur survie. Les homozygotes pour l’allèle Hb-S qui possèdent un couple d’allèles Hb-S de l’allèle de l’hémoglobine ont une durée de vie relativement plus courte en raison des impacts négatifs des traits drépanocytaires, tandis que les hétérozygotes qui possèdent généralement un allèle normal et un seul allèle Hb-S sont fortement résistants à la malaria et ne connaissent pas le même degré de symptômes négatifs. En outre, on peut conclure que la fréquence de l’allèle Hb-S est plus élevée dans les lieux géographiques où les taux de transfert du paludisme sont plus élevés.

Les allèles qui provoquent la mort de la personne qui les porte sont appelés allèles létaux. Généralement, ils sont le résultat des mutations des gènes qui sont extrêmement vitaux pour le développement et la croissance des individus. Un allèle peut être dominant, récessif ou codominant. Un exemple d’allèle codominant est celui d’une personne ayant un groupe sanguin AB dans lequel la personne possède les deux allèles, c’est-à-dire l’allèle A et l’allèle B.

Résumé

On peut résumer à partir de la discussion ci-dessus que la propriété qui montre que plusieurs gènes ont de nombreux effets phénotypiques est appelée pléiotropie. La pléiotropie peut souvent survenir à travers certains des mécanismes très chevauchants mais distincts tels que la pléiotropie de développement, la pléiotropie génique et la pléiotropie de sélection. Dans le cas de la pléiotropie génique, l’accent est mis sur la fonctionnalité d’un gène particulier, tandis que dans le cas de la pléiotropie de développement et de la pléiotropie sélective, l’accent est mis sur les mutations et leur impact relatif sur les nombreux traits, ainsi que sur l’effet des mutations génétiques sur le nombre de composantes distinctes de l’aptitude, respectivement. L’étude du gène pléiotrope est d’une importance significative en biologie car elle aide à comprendre comment certains gènes sont souvent vus comme participant à certaines des maladies génétiques, car de nombreuses maladies génétiques citées dans la littérature sont causées par la pléiotropie. La surdité et la pigmentation chez les chats, l’existence de traits de frisottis chez les chats, le syndrome de Marfan chez les humains, les maladies de la drépanocytose, la phénylcétonurie ou PKU, l’albinisme, l’Austin et la schizophrénie sont quelques-uns des nombreux exemples de pléiotropie.

1. « Pleiotropie et allèles létaux ». (2018). Khanacademy.org.

2. Muskopf, S. (2020). « Génétique- Oreilles de lopette ». Biologycorner.com, 2020.

3. Rajaratnam, R., Sunquist, M., Rajaratnam, L. et Ambu, L. (2007). « Régime alimentaire et sélection de l’habitat du chat léopard (Prionailurus bengalensis borneoensis) dans un paysage agricole à Sabah, Bornéo malaisien ». 23,2 : 209-217, 2007.

4. Ramirez, F. et De Backer, J. ( 2019). « Syndrome de Marfan ». Pathobiochimie humaine : Springer. pp. 241-254.

5. Bailey, R. (2019). « Qu’est-ce que la pléiotropie ? Définition et exemples ». Thoughtco.com