Pleiotropia

Pleiotropia
n., plurale: pleiotropie

Definizione: la condizione di avere effetti molteplici, come in gene pleiotropico.

Definizione di pleiotropia

Quando un singolo gene inizia ad influenzare più tratti degli organismi viventi, questo fenomeno è noto come pleiotropia. Una mutazione in un gene può provocare la pleiotropia. Un esempio di pleiotropia è la sindrome di Marfan, una malattia genetica umana che colpisce i tessuti connettivi. Questa malattia colpisce comunemente gli occhi, il cuore, i vasi sanguigni e lo scheletro. La sindrome di Marfan è causata dalla mutazione di un gene umano con conseguente pleiotropia.

La fibrosi cistica è un esempio di pleiotropia?

La fibrosi cistica è una malattia genetica ed è uno dei comuni esempi di pleiotropia. In questo disturbo, le infezioni polmonari sono persistenti. Questa malattia può anche colpire il sistema digestivo e altri organi del corpo. La mutazione nel “gene regolatore della conduttanza transmembrana della fibrosi cistica” blocca la funzione corretta di questo gene con conseguente fibrosi cistica.

L’albinismo è una pleiotropia?

Sì, anche l’albinismo è dovuto a un gene pleiotropico causato da una mutazione del gene della tirosinasi (TYR). La mutazione altera la produzione di melanina nel corpo dell’individuo affetto.

I geni che controllano i comportamenti e la funzionalità di più geni che hanno caratteristiche non correlate sono chiamati geni pleiotropici. A volte è stato osservato che questi tratti sono molto simili in natura mentre in molte occasioni tendono ad essere molto non identici con altri. I problemi che sorgono a causa dei geni pleiotropici sono talvolta indicati come tratti pleiotropici. (Vedi Figura 1)

Come fa un gene a influenzare i tratti di un essere umano?

I tratti che sono fisicamente espressi come la forma del corpo, l’altezza, il colore, il fisico e l’altezza sono noti come fenotipo. Un tratto di un singolo gene può essere definito come un tratto governato o controllato da un particolare gene. Può essere difficile rilevare l’esistenza di tratti pleiotropici a meno che il processo di mutazione non avvenga nel gene.

I cambiamenti relativi che avvengono nelle sequenze del DNA sono chiamati mutazioni. Il tipo più comune di mutazione genica è la mutazione puntiforme che è ulteriormente classificata in mutazioni silenziose, mutazioni nonsense e mutazioni missenso. (Per saperne di più sulle mutazioni genetiche: Tutorial gratuito sulle mutazioni genetiche)

Si è osservato tramite varie pubblicazioni che i due alleli, che sono la forma variante di un gene, di solito determinano la natura dei tratti. La produzione di proteine che derivano il processo di sviluppo del tratto fenotipico è determinata dalle combinazioni dell’allele specifico, mentre la sequenza del DNA del gene è alterata dalla mutazione che si verifica nel gene. Così, il non funzionamento delle proteine è il risultato dei cambiamenti nelle sequenze dei segmenti genici. Quindi, nel processo di pleiotropia, tutti i tratti disponibili che sono associati a un singolo tratto saranno cambiati dalle progressioni nella mutazione.

Pleiotropia in genetica

L’idea della pleiotropia in biologia fu data da un famoso genetista, Gregor Mendel, che è noto nella storia per i suoi notevoli risultati nelle piante di piselli. Egli fece una serie di esperimenti con piante dai fiori viola e piante dai fiori bianchi. Notò che i fiori colorati e le ascelle delle foglie colorate sono sempre mostrati dalle piante con i rivestimenti dei semi colorati. Le parti delle piante che sono collegate agli steli sono chiamate asse.

Ha visto che in particolare le piante di piselli, che erano il centro della ricerca, mostravano sempre i fiori bianchi anche se i rivestimenti dei semi erano incolori in natura senza pigmentazione nel loro asse. Così, dopo aver riassunto la sua ricerca, si è concluso che il colore dell’ascella della pianta e il cappotto della sede sono i fattori importanti che stanno per decidere il colore di che se la pianta sta per esibire i fiori bianchi o il viola. Così, oggi queste osservazioni sono state considerate a causa del risultato della pleiotropia in cui un singolo gene contribuisce a tratti fenotipici multipli.

La pleiotropia può spesso sorgere a causa di meccanismi molto sovrapposti ma distinti come la pleiotropia di sviluppo, la pleiotropia genica e la pleiotropia selettiva.

Nella pleiotropia genica, l’attenzione è posta sulla funzionalità di un particolare gene e questa forma di pleiotropia è anche conosciuta come pleiotropia genica molecolare. Il numero di tratti e i fattori biochimici influenzati dal gene di solito determinano le funzioni di un particolare tratto. Il numero di reazioni enzimatiche catalizzate dai prodotti proteici del gene è incluso nei fattori biochimici.

L’attenzione principale che viene fatta nello sviluppo della pleiotropia è sulle mutazioni e il loro impatto relativo sui molti tratti. Si è visto che le mutazioni nel singolo gene di solito hanno effetti più ampi nel cambiare diversi altri possibili tratti. Inoltre, le malattie che coinvolgono la pleiotropia mutazionale, sono classificate da carenze in molti organi che influenzano il buon funzionamento di molti sistemi corporei.

L’ultimo meccanismo che risulta nella pleiotropia è chiamato pleiotropia selettiva, il cui obiettivo principale è l’effetto delle mutazioni geniche sul numero di componenti separate di fitness. Il processo con cui un particolare organismo trasferisce i suoi geni dalla sua generazione alla generazione successiva attraverso la riproduzione sessuale è solitamente determinato dai livelli di fitness degli stessi. La pleiotropia selettiva è spesso interessata agli impatti della selezione sui tratti in modo naturale.

Poligenia vs pleiotropia

È stata un’osservazione molto comune che molte persone confondono il significato dell’eredità poligenica con la pleiotropia. La ragione principale che li differenzia è che quando un singolo gene influenza più caratteristiche si chiama pleiotropia mentre quando un singolo tratto è controllato da molti dei geni multipli rientra nella definizione di eredità poligenica come la pigmentazione della pelle.

Pleiotropia vs epistasi

Un’altra cosa importante è capire il concetto e il significato di epistasi e la sua relazione con la pleiotropia. L’interazione di più geni nel determinare i risultati fenotipici è nota come epistasi. (Rif. 1)

Lo studio del gene pleiotropico è di significativa importanza in biologia in quanto aiuta a capire come certi geni sono spesso visti partecipare ad alcuni disturbi genetici.

Ci sono molti esempi di pleiotropia che possono essere facilmente trovati in natura. I moscerini della frutta e il gene vestigiale, i polli e i loro tratti frizzanti, il processo di pigmentazione e la sordità nei gatti, la pleiotropia delle malattie falciformi negli esseri umani e la fenilchetonuria (scritta anche come PKU), sono alcuni degli esempi comuni di condizioni pleiotropiche. Essi sono elaborati di seguito.

Esempi di pleiotropia

Gli esempi di pleiotropia che si trovano in vari studi di letteratura sono dovuti all’influenza della pleiotropia sia diretta che indiretta. Per esempio, l’esempio di un topo cieco nato a causa delle alterazioni in un singolo gene può essere preso e in detti esempi, le probabilità sono molto alte che il topo nato cieco sarà molto povero nell’apprendimento visivo dei compiti confermando che un singolo gene è visto coinvolto in percorsi multipli. Così, ci sono molti esempi di pleiotropia sia diretta che indiretta, alcuni dei quali sono elaborati nelle sezioni seguenti.

Il gene vestigiale e i moscerini della frutta

I geni vestigiali svolgono un ruolo molto significativo nello sviluppo dell’ala della Drosophila, che è un moscerino della frutta. Sviluppano ali corte e non sono in grado di volare in modo appropriato se queste mosche sono soggette all’omozigote per la forma recessiva del gene vestigiale (VG). Così, il gene vestigiale è pleiotropico che risulta nel mancato sviluppo delle ali del moscerino della frutta drosophila. Inoltre, il numero ridotto di uova presenti nelle ovaie delle mosche, il cambiamento nei luoghi delle setole sullo scutello delle mosche, e la durata ridotta del ciclo di vita delle mosche sono alcuni altri effetti indiretti della pleiotropia nelle mosche della frutta. L’elaborazione della pleiotropia è mostrata nella figura 2. Si può vedere che le ali nella prima ape non sono completamente sviluppate rispetto alla seconda ape che ha le ali completamente sviluppate. (Rif. 2)

Sordità e pigmentazione nei gatti

È stato riportato che circa il quaranta per cento dei gatti che esibiscono pelliccia bianca e occhi blu sono risultati sordi (Figura 3). Anche se questo fatto è abbastanza affascinante in quanto probabilmente non abbiamo prestato attenzione a questi gatti in tutta la nostra vita. È stato osservato nelle prime fasi della ricerca che i gatti bianchi che hanno un occhio blu e un altro giallo erano ciechi da un occhio e che era soprattutto l’occhio blu, ma in seguito si è visto che questo fenomeno di cecità non è sempre valido per tutte le razze di gatti. Negli esseri umani, un disordine simile è la sindrome di Waardenburg.

Nei gatti, questa condizione coinvolge geni pleiotropici che causano non solo la sordità ma anche la pigmentazione. I ricercatori hanno cercato di capire come la capacità uditiva e il processo di pigmentazione siano correlati. Gli esperimenti sono stati condotti nei topi e hanno scoperto che la pigmentazione gioca un ruolo chiave nel mantenere il flusso di fluidi nei canali dell’orecchio. Quelli che mancano di pigmentazione mancano anche del flusso di fluidi nei canali dell’orecchio, il che si traduce nella sua rottura, e alla fine nella sordità. (Rif 3)

Tratti frizzanti nei polli

Ci sono vari geni che sono esibiti dai polli come risultato di geni pleiotropici. È stato osservato da Walter Landauer e Elizabeth Upham nel 1963 che i polli che esibiscono i geni dominanti frizzle producono per lo più piume che si arricciano su tutto il corpo invece di giacere piatte contro la loro pelle. Questo effetto era legato agli effetti fenotipici dei geni. Inoltre, si è visto che questi tratti frizzle hanno causato molti cambiamenti nei polli tra cui le temperature corporee anormali, alti tassi di flusso sanguigno, alti tassi metabolici, e la capacità potenziata nel digestivo sono quelli notevoli. Inoltre, i polli che mostravano i tratti pleiotropici hanno deposto meno uova rispetto alle normali uova selvatiche, il che ha influenzato i loro tassi di riproduzione. L’esistenza dei tratti pleiotropici nel pollo può essere vista nel video qui sotto.

Sindrome di Marfan

La malattia ereditaria che provoca problemi di connettività nei tessuti è chiamata sindrome di Marfan. Questo tipo di sindrome colpisce soprattutto gli occhi, il cuore, lo scheletro e i vasi sanguigni. Le persone che soffrono di queste sindromi sono di solito corpi lunghi e sottili con gambe, braccia, dita delle mani e dei piedi lunghi, mentre ci possono essere danni lievi o gravi causati dalla sindrome di Marfan. I sintomi della sindrome possono variare da una famiglia all’altra e dipende anche dall’età dove alcuni sentono sintomi molto bassi e molti affrontano complicazioni pericolose per la vita. L’aneurisma aortico, la dissezione aortica e le malformazioni delle valvole sono i risultati delle complicazioni cardiovascolari. D’altra parte, le complicazioni oculari, le dislocazioni del cristallino, i problemi alla retina e il glaucoma a insorgenza precoce, noto anche come cataratta, sono molto importanti. (Rif. 4)

Malattia falciforme

Gli esempi molto comuni di pleiotropia che di solito si verifica negli esseri umani sono chiamati malattia falciforme che si verifica a causa del disturbo sviluppato globuli rossi di forma irregolare, mentre i globuli rossi normali hanno una forma biconcava, a disco, e si trovano grandi quantità di emoglobina.

In che modo l’anemia falciforme è un esempio di pleiotropia?

La responsabilità principale dei globuli rossi nel sangue è di legare i tessuti e trasportare l’ossigeno a tutte le cellule disponibili. Le mutazioni nel gene della beta-globina portano generalmente alla formazione di cellule falciformi. Così, le cellule del sangue che sono di forma irregolare, si raggruppano insieme, formando un blocco nelle vene e infine bloccando il flusso di sangue nelle vene. Questo blocco provoca molti problemi di salute e causa danni a molti organi umani vitali come il cuore, il cervello e i polmoni. Il confronto tra il globulo rosso normale e le cellule falciformi è stato mostrato nella figura 5. (Rif. 5)

Fenilchetonuria o PKU

Un altro esempio comune di pleiotropia è la Fenilchetonuria o PKU che causa ritardo mentale, riduzione dei capelli, e cambiamento nei colori della pelle o pigmentazione. Queste malattie di solito si verificano in un gran numero di mutazioni nel singolo gene su un cromosoma. Questi geni sono responsabili della produzione di enzimi noti come fenilalanina idrossilasi. Questi enzimi generalmente scompongono gli aminoacidi fenilalanina che otteniamo dalla digestione delle proteine. Se a causa della pleiotropia, il livello di aminoacidi aumenta, questo causa il danneggiamento del sistema nervoso.

Disabilità intellettuali, problemi cardiaci, ritardi nello sviluppo e convulsioni sono alcuni degli altri disturbi che sono causati dalla fenilchetonuria. La PKU più comune è chiamata PKU classica, che in genere colpisce i neonati. La frequenza di queste malattie varia da un luogo all’altro. In particolare, negli Stati Uniti, un nato su diecimila soffre di questa malattia. Tuttavia, la cosa buona è che i medici possono rilevare la PKU nei bambini attraverso i loro primi sintomi, il che permette al medico di iniziare i trattamenti precoci salvando così i bambini dagli effetti gravi di questa malattia.

Pleiotropia antagonista

Una teoria proposta per spiegare la senescenza o l’invecchiamento biologico che può essere attribuita alla selezione naturale di certi alleli pleiotropici è chiamata pleiotropia antagonista. Un allele che potrebbe avere un impatto negativo sull’organismo può essere favorito nella selezione naturale se l’allele produce anche fattori vantaggiosi nella pleiotropia antagonista. Inoltre, gli alleli che aumentano la fitness riproduttiva all’inizio della vita ma promuovono l’invecchiamento biologico più tardi nella vita sono normalmente selezionati nella selezione naturale.

L’esempio più comune di pleiotropia antagonista è quello delle cellule falciformi dove la mutazione dell’allele Hb-S del gene dell’emoglobina fornisce vari vantaggi e svantaggi per la loro sopravvivenza. Gli omozigoti per l’allele Hb-S che possiedono una coppia di allele Hb-S dell’emoglobina hanno una durata di vita relativamente più breve a causa degli impatti negativi dei tratti falciformi mentre i tratti eterozigoti che di solito hanno un allele normale e un singolo allele Hb-S sono fortemente resistenti alla malaria e non sperimentano lo stesso grado di sintomi negativi. Inoltre, si può concludere che la frequenza dell’allele Hb-S è più alta nelle località geografiche dove i tassi di trasferimento della malaria sono più alti.

Gli alleli che causano la morte della persona che li porta sono chiamati alleli letali. Generalmente, sono il risultato delle mutazioni di geni che sono estremamente vitali per lo sviluppo e la crescita degli individui. Un allele può essere dominante, recessivo o codominante. Un esempio di allele codominante è una persona con un gruppo sanguigno AB in cui la persona ha entrambi gli alleli, cioè l’allele A e l’allele B.

Riassunto

Si può riassumere dalla discussione precedente che la proprietà che mostra che più geni hanno molti effetti fenotipici è chiamata pleiotropia. La pleiotropia può spesso sorgere attraverso alcuni meccanismi molto sovrapposti ma distinti, come la pleiotropia dello sviluppo, la pleiotropia genica e la pleiotropia selettiva. Nella pleiotropia genica, l’attenzione principale è sulla funzionalità del gene particolare, mentre nella pleiotropia di sviluppo e selettiva l’attenzione è sulle mutazioni e sul loro impatto relativo sui molti tratti e sull’effetto delle mutazioni geniche sul numero di componenti separate di fitness, rispettivamente. Lo studio del gene pleiotropico è di significativa importanza in biologia in quanto aiuta a capire come certi geni sono spesso visti partecipare ad alcune delle malattie genetiche in quanto ci sono molte malattie genetiche che sono citate in letteratura che sono causate dalla pleiotropia. La sordità e la pigmentazione nei gatti, l’esistenza di tratti frizzanti nei gatti, la sindrome di Marfan negli esseri umani, le malattie delle cellule falciformi, la fenilchetonuria o PKU, l’albinismo, Austin e la schizofrenia sono alcuni dei molti esempi di pleiotropia.

1. “Pleiotropia e alleli letali”. (2018). Khanacademy.org.

2. Muskopf, S. (2020). “Genetica – Orecchie a sventola”. Biologycorner.com, 2020.

3. Rajaratnam, R., Sunquist, M., Rajaratnam, L. e Ambu, L. (2007). “Dieta e selezione dell’habitat del gatto leopardo (Prionailurus bengalensis borneoensis) in un paesaggio agricolo in Sabah, Borneo malese”. 23,2: 209-217, 2007.

4. Ramirez, F. e De Backer, J. ( 2019). “Sindrome di Marfan”. Pathobiochemistry umano: Springer. pp. 241-254.

5. Bailey, R. (2019). “Che cos’è la pleiotropia? Definizione ed esempi”. Thoughtco.com