Pleiotropia
Pleiotropia
n., liczba mnoga: plejotropia
Definicja: stan posiadania wielu efektów, jak w genie plejotropowym.
Tablica treści
Pleiotropia Definicja
Gdy jeden pojedynczy gen zaczyna wpływać na wiele cech organizmów żywych, zjawisko to znane jest jako plejotropia. Mutacja w genie może powodować plejotropię. Jednym z przykładów plejotropii jest zespół Marfana, ludzkie zaburzenie genetyczne wpływające na tkanki łączne. Choroba ta powszechnie dotyka oczy, serce, naczynia krwionośne i układ kostny. Zespół Marfana jest spowodowany mutacją w ludzkim genie skutkującą plejotropią.
trepein, co oznacza „wpływanie”.
Czy mukowiscydoza jest przykładem plejotropii?
Mukowiscydoza jest chorobą genetyczną i jest jednym z powszechnych przykładów plejotropii. W tym zaburzeniu infekcje płuc są uporczywe. Choroba ta może również wpływać na układ pokarmowy i inne narządy w organizmie. Mutacja w „cystic fibrosis transmembrane conductance regulator gene” zatrzymuje prawidłową funkcję tego genu powodując mukowiscydozę.
Czy bielactwo jest plejotropią?
Tak, bielactwo jest również spowodowane genem plejotropowym spowodowanym mutacją genu tyrozynazy (TYR). Mutacja ta zmienia produkcję melaniny w organizmie osoby dotkniętej chorobą.
Geny, które kontrolują zachowania i funkcjonalność wielu genów, które mają niepowiązane cechy, nazywane są genami plejotropowymi. Czasami obserwuje się, że te cechy są bardzo podobne w naturze, podczas gdy na wiele okazji mają tendencję do być bardzo nieidentyczne z innymi. Problemy, które powstają z powodu genów plejotropowych są czasami określane jako cechy plejotropowe. (Patrz Rysunek 1)
Jak gen wpływa na cechy człowieka?
Cechy, które są fizycznie wyrażone, takie jak kształt ciała, wzrost, kolor, budowa ciała i wzrost, są znane jako fenotyp. Cecha pojedynczego genu może być zdefiniowana jako cecha rządzona lub kontrolowana przez konkretny gen. To może być trudne do wykrycia istnienia cech plejotropowych, chyba że proces mutacji występuje w genie.
Względne zmiany, które występują w sekwencjach DNA są nazywane mutacje. Najczęstszym typem mutacji genowej jest mutacja punktowa, która jest dalej klasyfikowana jako mutacja cicha, mutacja nonsensowna i mutacja chybiona. (Dowiedz się więcej o mutacjach genowych: free Tutorial on Genetic Mutations)
Zostało zaobserwowane przez różne literatury, że dwa allele, które są formą wariantu genu, zazwyczaj określają charakter cech. Produkcja białek, które wywołują proces rozwoju cech fenotypowych jest określona przez kombinacje konkretnych alleli, natomiast sekwencja DNA genu jest zmieniona przez mutację występującą w genie. Tak więc niefunkcjonowanie białek jest wynikiem zmian w sekwencjach odcinków genów. Stąd, w procesie plejotropii, wszystkie dostępne cechy, które są związane z pojedynczą cechą, zostaną zmienione przez postępy w mutacji.
Plejotropia w genetyce
Pomysł na plejotropię w biologii dał słynny genetyk Gregor Mendel, który jest znany w historii dzięki swoim niezwykłym osiągnięciom na roślinach grochu. Przeszedł on serię eksperymentów z roślinami o fioletowych kwiatach i roślinami o białych kwiatach. Zauważył, że kolorowe kwiaty i kolorowe osie liści są zawsze pokazywane przez rośliny z kolorowymi płaszczami nasiennymi. Części roślin, które są połączone z łodygami są nazywane osi.
On świadkiem, że szczególnie w roślin grochu, które były centrum badań, zawsze pokazał białe kwiaty, mimo że płaszcze nasienne były bezbarwne w przyrodzie bez pigmentacji w ich osi. Tak więc, po podsumowaniu jego badań, stwierdzono, że kolor osi rośliny i płaszcz siedzenia są ważne czynniki, które będą decydować o kolorze, że czy roślina będzie wystawiać białe kwiaty lub fioletowy jeden. Tak więc obecnie te obserwacje zostały uznane za wynik w plejotropii, gdzie pojedynczy gen przyczynia się do wielu cech fenotypowych.
Plejotropia może często powstać z powodu bardzo nakładających się, ale odrębnych mechanizmów, takich jak plejotropia rozwojowa, plejotropia genowa i plejotropia selekcyjna.
W plejotropii genowej nacisk kładziony jest na funkcjonalność danego genu i ta forma plejotropii znana jest również jako plejotropia genów molekularnych. Liczba cech i czynników biochemicznych, na które wpływa gen, zwykle określają funkcje danej cechy. Liczba reakcji enzymatycznych katalizowanych przez produkty białkowe genu jest zawarta w czynnikach biochemicznych.
Główny nacisk, który jest wykonany w rozwoju plejotropii jest na mutacje i ich względny wpływ na wiele cech. Zauważa się, że mutacje w pojedynczym genie mają zazwyczaj szerszy wpływ na zmianę kilku innych możliwych cech. Co więcej, choroby, które wiążą się z plejotropią mutacyjną, są kategoryzowane przez braki w wielu organach, co wpływa na sprawne działanie wielu układów ciała.
Ostatni mechanizm, który skutkuje plejotropią, nazywany jest plejotropią selekcyjną, której głównym celem jest wpływ mutacji genowych na liczbę odrębnych składników kondycji. Proces, w którym dany organizm przenosi swoje geny ze swojego pokolenia do następnego poprzez reprodukcję płciową, jest zwykle zdeterminowany przez poziom ich kondycji. Plejotropia selekcyjna często dotyczy wpływu selekcji na cechy w sposób naturalny.
Dziedziczenie poligeniczne vs plejotropia
Bardzo częstym zjawiskiem jest mieszanie przez wiele osób znaczenia dziedziczenia poligenicznego z plejotropią. Głównym powodem, który je rozróżnia jest to, że kiedy pojedynczy gen wpływa na wiele cech nazywany jest plejotropią, podczas gdy kiedy pojedyncza cecha jest kontrolowana przez wiele genów podlega pod definicję dziedziczenia poligenowego, jak np. pigmentacja skóry.
Plejotropia vs epistaza
Inną ważną rzeczą jest zrozumienie pojęcia i znaczenia epistazy i jej związku z plejotropią. Interakcja wielu genów w określaniu wyników fenotypowych jest znana jako epistaza. (Ref. 1)
Badanie genu plejotropowego ma istotne znaczenie w biologii, ponieważ pomaga zrozumieć, jak pewne geny są często postrzegane jako uczestniczące w niektórych zaburzeniach genetycznych.
Istnieje wiele przykładów plejotropii, które można łatwo znaleźć w przyrodzie. Muszki owocówki i vestigial gen, kurczaki i ich cechy frizzle, proces pigmentacji i głuchoty u kotów, plejotropia choroby sierpowatej u ludzi, i fenyloketonuria (również pisane jako PKU), są niektóre z powszechnych przykładów warunków plejotropowych. Są one opracowane poniżej.
Przykłady plejotropii
Przykłady plejotropii, które można znaleźć w różnych badaniach literaturowych, wynikają z wpływu zarówno bezpośredniej, jak i pośredniej plejotropii. Na przykład, przykład ślepej myszy urodzonej z powodu zmian w jednym genie może być podjęta i w wymienionych przykładach, szanse są bardzo wysokie, że ślepa urodzona mysz będzie bardzo biedny w wizualnej nauki zadań potwierdzających, że pojedynczy gen jest postrzegany zaangażowany w wielu ścieżek. Tak więc, istnieje wiele takich przykładów zarówno bezpośrednich i pośrednich plejotropii, z których niektóre są opracowane poniżej sekcji.
Gen westybulowy i muszki owocowe
Geny westybulowe odgrywają bardzo istotną rolę w rozwoju skrzydła Drosophila, która jest muszką owocową. Rozwijają one krótkie skrzydła i nie są w stanie latać w odpowiedni sposób, jeśli te muchy są poddane homozygotycznej dla recesywnej formy genu vestigial (VG). Tak więc, gen vestigial jest plejotropowy, co skutkuje brakiem rozwoju skrzydeł muszki owocowej drosophila. Ponadto, zredukowana liczba jaj obecnych w jajnikach muszek, zmiana miejsc szczecinek na łuskach muszek oraz skrócony czas trwania cyklu życiowego muszek to niektóre z innych pośrednich efektów plejotropii u muszek owocowych. Opracowanie plejotropii pokazano na ryc. 2. Można zauważyć, że skrzydła u pierwszej pszczoły nie są w pełni rozwinięte w porównaniu z drugą pszczołą, która ma w pełni rozwinięte skrzydła. (Ref. 2)
Głuchota i pigmentacja u kotów
Zgłoszono, że około czterdzieści procent kotów, które wykazują białe futro i niebieskie oczy, okazuje się być głuchymi (Rysunek 3). Chociaż fakt ten jest dość fascynujący, ponieważ prawdopodobnie nie zwracaliśmy uwagi na te koty przez całe nasze życie. Zaobserwowano na wczesnym etapie badań, że białe koty, które mają jedno niebieskie oko i inne żółte oko były ślepe z jednego oka i to było głównie niebieskie oko, ale później jeden widać, że to zjawisko ślepoty nie zawsze jest ważne dla wszystkich ras kotów. U ludzi, podobne zaburzenie jest zespół Waardenburga.
W kotach, warunek ten obejmuje geny plejotropowe powodujące nie tylko głuchotę, ale także wpływające na pigmentację. Naukowcy starali się zrozumieć, w jaki sposób zdolność słyszenia i proces pigmentacji są ze sobą skorelowane. Eksperymenty przeprowadzono na myszach i odkryto, że pigmentacja odgrywa bardzo kluczową rolę w utrzymaniu przepływu płynów w kanałach słuchowych. Osobom pozbawionym pigmentacji brakowało również przepływu płynów w kanałach słuchowych, co skutkowało jego pękaniem, a w konsekwencji głuchotą. (Ref 3)
Frizzle Traits in Chickens
W wyniku działania genów plejotropowych u kurcząt występują różne geny, które są przez nie wykazywane. Zostało to zaobserwowane przez Waltera Landauera i Elizabeth Upham w 1963 roku, że kurczaki, które wykazują dominujące geny frizzle głównie produkują pióra, które zwijają się na całym ciele zamiast leżeć płasko przy skórze. Efekt ten był związany z fenotypowym działaniem genów. Dodatkowo zaobserwowano, że te cechy frizzle spowodowały wiele zmian u kurcząt, wśród których na uwagę zasługuje nieprawidłowa temperatura ciała, wysokie tempo przepływu krwi, wysokie tempo przemiany materii oraz zwiększona zdolność trawienia. Ponadto, kurczęta wykazujące cechy plejotropowe znosiły mniej jaj w porównaniu z normalnymi jajami dzikimi, co wpływało na ich wskaźniki reprodukcji. Istnienie cech frizzle u kurczaka można zobaczyć na poniższym filmie.
Zespół Marfana
Dziedziczone zaburzenie, które powoduje problemy z łącznością w tkankach nazywane jest zespołem Marfana. Ten typ zespołu najczęściej dotyka oczu, serca, szkieletu i naczyń krwionośnych. Ludzie cierpiący na te zespoły są zazwyczaj długi wzrost, cienkie ciała z długimi nogami, ramionami, palcami i palcami, podczas gdy nie może być łagodne lub ciężkie uszkodzenia spowodowane przez zespół Marfana. Objawy zespołu mogą się różnić w zależności od rodziny i zależy to również od wieku, gdzie niektórzy czują się bardzo niskie objawy i wiele twarz zagrażające życiu powikłania. Tętniak aorty, rozwarstwienie aorty, wady zastawkowe są wynikiem powikłań sercowo-naczyniowych. Z drugiej strony, bardzo ważne są powikłania oczne, zwichnięcia soczewki, problemy z siatkówką i jaskra wczesna zwana również zaćmą. (Zał. 4)
Choroba sierpowatokrwinkowa
Bardzo powszechnym przykładem plejotropii, która zwykle występuje u ludzi jest choroba sierpowatokrwinkowa, która występuje z powodu zaburzenia rozwiniętego nieregularnego kształtu czerwonych krwinek, podczas gdy normalne czerwone krwinki mają dwuwklęsły, dyskopodobny kształt, a rozległe ilości hemoglobiny znajdują się.
Jak anemia sierpowata jest przykładem plejotropii?
Pierwszą odpowiedzialnością krwinek czerwonych we krwi jest wiązanie tkanek i transport tlenu do wszystkich dostępnych komórek. Mutacje w genie beta-globiny generalnie prowadzą do powstawania krwinek sierpowatych. Tak więc, krwinki , które są nieregularne w kształcie , skupiając się razem , tworząc blok w żyłach i ostatecznie blokując przepływ krwi w żyłach . Blokada ta powoduje wiele problemów zdrowotnych i powoduje uszkodzenia wielu ważnych narządów człowieka, takich jak serce, mózg i płuca. Porównanie pomiędzy normalną czerwoną krwinką a sierpowatą zostało przedstawione na Rysunku 5. (Ref. 5)
Fenyloketonuria lub PKU
Innym powszechnym przykładem plejotropii jest fenyloketonuria lub PKU, która powoduje opóźnienie umysłowe, redukcję włosów i zmianę kolorów skóry lub pigmentacji. Choroby te zazwyczaj występują w dużej liczbie mutacji w pojedynczym genie na chromosomie. Geny te są odpowiedzialne za produkcję enzymów znanych jako hydroksylaza fenyloalaniny. Enzymy te generalnie rozkładają aminokwasy fenyloalaniny, które otrzymujemy z trawienia białek. Jeśli z powodu plejotropii, poziom aminokwasów wzrasta, powoduje to uszkodzenie układu nerwowego.
Niepełnosprawność intelektualna, problemy z sercem, opóźnienia w rozwoju i napady to niektóre z innych zaburzeń, które są spowodowane przez fenyloketonurię. Najczęstsza postać PKU nazywana jest klasyczną PKU, która zazwyczaj dotyka noworodki. Częstotliwość występowania tych chorób różni się w zależności od lokalizacji. Konkretnie, w Stanach Zjednoczonych, jeden na dziesięć tysięcy urodzeń cierpi na tę chorobę. Jednak dobrą rzeczą jest to, że lekarze mogą wykryć PKU u niemowląt poprzez wczesne objawy, co pozwala lekarzom rozpocząć wczesne leczenie, ratując dzieci przed poważnymi skutkami tej choroby.
Plejotropia antagonistyczna
Teoria zaproponowana w celu wyjaśnienia starości lub biologicznego starzenia się, które można przypisać naturalnej selekcji niektórych alleli plejotropowych, jest nazywana plejotropią antagonistyczną. Allel, który może mieć negatywny wpływ na organizm, może być faworyzowany w doborze naturalnym, jeśli allel ten wytwarza również czynniki korzystne w plejotropii antagonistycznej. Co więcej, allele, które zwiększają sprawność reprodukcyjną we wczesnym okresie życia, ale promują biologiczne starzenie się w późniejszym okresie życia, są zwykle wybierane w doborze naturalnym.
Najczęstszym przykładem plejotropii antagonistycznej są komórki sierpowate, w których mutacja allelu Hb-S genu hemoglobiny zapewnia różne zalety i wady dla ich przeżycia. Homozygotyczne dla allelu Hb-S, który posiada parę Hb-S allelu hemoglobiny mają stosunkowo krótszy okres życia z powodu negatywnych skutków sierpowatych cech komórek, podczas gdy heterozygotyczne cechy, które zwykle mają jeden normalny allel i pojedynczy allel Hb-S są silnie odporne na malarię i nie doświadczają tego samego stopnia negatywnych objawów. Ponadto można stwierdzić, że częstość występowania allelu Hb-S jest wyższa w lokalizacjach geograficznych, w których wskaźniki przenoszenia malarii są wyższe.
Allele, które powodują śmierć osoby, która je nosi, nazywane są allelami letalnymi. Ogólnie rzecz biorąc, są one wynikiem mutacji genów, które są niezwykle istotne dla rozwoju i wzrostu jednostek. Allele mogą być dominujące, recesywne lub kodominujące. Przykładem allelu kodominującego jest osoba z grupą krwi AB, gdzie osoba posiada oba allele, tj. allel A i allel B.
Podsumowanie
Na podstawie powyższej dyskusji można podsumować, że właściwość, która pokazuje, że wiele genów ma wiele efektów fenotypowych, nazywa się plejotropią. Plejotropia może często powstawać poprzez niektóre z bardzo nakładających się, ale odrębnych mechanizmów, takich jak plejotropia rozwojowa, plejotropia genowa i plejotropia selekcyjna. W plejotropii genowej główny nacisk kładziony jest na funkcjonalność danego genu, natomiast w plejotropii rozwojowej i selekcyjnej nacisk kładziony jest na mutacje i ich względny wpływ na wiele cech oraz wpływ mutacji genowych na liczbę odrębnych składników kondycji. Badanie genów plejotropowych ma istotne znaczenie w biologii, ponieważ pomaga zrozumieć, jak niektóre geny są często postrzegane uczestniczących w niektórych chorób genetycznych, jak istnieje wiele chorób genetycznych, które są cytowane w literaturze, które są spowodowane przez plejotropii. Głuchota i pigmentacja u kotów, istnienie cech frizzle u kotów, zespół Marfana u ludzi, choroby sierpowatokrwinkowe, fenyloketonuria lub PKU, bielactwo, Austin i schizofrenia to niektóre z wielu przykładów plejotropii.
1. „Plejotropia i śmiertelne allele”. (2018). Khanacademy.org.
2. Muskopf, S. (2020). „Genetics- Lop Ears”. Biologycorner.com, 2020.
3. Rajaratnam, R., Sunquist, M., Rajaratnam, L. and Ambu, L. (2007). „Diet and habitat selection of the leopard cat (Prionailurus bengalensis borneoensis) in an agricultural landscape in Sabah, Malaysian Borneo”. 23,2: 209-217, 2007.
4. Ramirez, F. and De Backer, J. ( 2019). „Marfan Syndrome”. Human Pathobiochemistry: Springer. pp. 241-254.
5. Bailey, R. (2019). „What is Pleiotropy? Definition and Examples”. Thoughtco.com
.