Pleiotropie

Pleiotropie
n., Plural: Pleiotropien

Definition: der Zustand, mehrere Wirkungen zu haben, wie bei pleiotropem Gen.

Pleiotropie Definition

Wenn ein einzelnes Gen mehrere Eigenschaften von Lebewesen beeinflusst, wird dieses Phänomen als Pleiotropie bezeichnet. Eine Mutation in einem Gen kann zu einer Pleiotropie führen. Ein Beispiel für Pleiotropie ist das Marfan-Syndrom, eine menschliche Erbkrankheit, die das Bindegewebe betrifft. Diese Krankheit betrifft häufig die Augen, das Herz, die Blutgefäße und das Skelett. Das Marfan-Syndrom wird durch eine Mutation in einem menschlichen Gen verursacht, die zu einer Pleiotropie führt.

Ist Mukoviszidose ein Beispiel für Pleiotropie?

Mukoviszidose ist eine genetische Erkrankung und ist eines der häufigsten Beispiele für Pleiotropie. Bei dieser Erkrankung kommt es zu hartnäckigen Lungeninfektionen. Diese Krankheit kann auch das Verdauungssystem und andere Organe im Körper betreffen. Eine Mutation im „Mukoviszidose-Transmembranleitfähigkeitsregulator-Gen“ stoppt die korrekte Funktion dieses Gens, was zu Mukoviszidose führt.

Ist Albinismus eine Pleiotropie?

Ja, Albinismus ist ebenfalls auf ein pleiotropes Gen zurückzuführen, das durch eine Mutation des Tyrosinase (TYR)-Gens verursacht wird. Die Mutation verändert die Produktion von Melanin im Körper des betroffenen Individuums.

Gene, die das Verhalten und die Funktionalität mehrerer Gene kontrollieren, die nicht miteinander verwandte Eigenschaften haben, werden pleiotrope Gene genannt. Manchmal wurde beobachtet, dass diese Merkmale sehr ähnlich sind, während sie bei vielen Gelegenheiten dazu neigen, nicht identisch mit anderen zu sein. Die Probleme, die durch pleiotrope Gene entstehen, werden manchmal als pleiotrope Traits bezeichnet. (Siehe Abbildung 1)

Wie wirkt sich ein Gen auf die Merkmale eines Menschen aus?

Die Merkmale, die physisch zum Ausdruck kommen, wie z. B. Körperform, Größe, Farbe, Körperbau und Größe, werden als Phänotyp bezeichnet. Ein einzelnes Genmerkmal kann als ein Merkmal definiert werden, das von einem bestimmten Gen gesteuert oder kontrolliert wird. Es kann schwierig sein, das Vorhandensein von pleiotropen Merkmalen zu erkennen, wenn der Prozess der Mutation im Gen nicht stattfindet.

Die relativen Veränderungen, die in den Sequenzen der DNA auftreten, werden Mutationen genannt. Die häufigste Art der Genmutation ist die Punktmutation, die weiter in stille Mutationen, Nonsense-Mutationen und Missense-Mutationen unterteilt wird. (Erfahren Sie mehr über Genmutationen: kostenloses Tutorial über genetische Mutationen)

Es wurde in der Literatur beobachtet, dass die beiden Allele, also die variante Form eines Gens, in der Regel die Ausprägung der Merkmale bestimmen. Die Produktion von Proteinen, die den Prozess der phänotypischen Merkmalsausprägung ableiten, wird durch die Kombinationen der spezifischen Allele bestimmt, während die DNA-Sequenz des Gens durch die im Gen auftretende Mutation verändert wird. Somit ist die Nichtfunktionalität der Proteine das Ergebnis der Veränderungen in den Gensegmentsequenzen. Im Prozess der Pleiotropie werden also alle verfügbaren Merkmale, die mit einem einzigen Merkmal verbunden sind, durch die Progression der Mutation verändert.

Pleiotropie in der Genetik

Die Idee der Pleiotropie in der Biologie stammt von einem berühmten Genetiker, Gregor Mendel, der durch seine bemerkenswerten Leistungen bei Erbsenpflanzen in die Geschichte eingegangen ist. Er führte eine Reihe von Experimenten mit violett blühenden Pflanzen und weiß blühenden Pflanzen durch. Er bemerkte, dass die farbigen Blüten und farbigen Blattachseln immer von den Pflanzen mit farbigen Samenhüllen gezeigt werden. Die Teile der Pflanzen, die mit den Stängeln verbunden sind, werden als Achse bezeichnet.

Er beobachtete, dass speziell bei den Erbsenpflanzen, die im Zentrum der Forschung standen, immer die weißen Blüten gezeigt wurden, obwohl die Samenschalen in der Natur farblos waren und keine Pigmentierung in der Achse hatten. Nachdem er seine Forschungen zusammengefasst hatte, kam er zu dem Schluss, dass die Farbe der Achselhöhle der Pflanze und des Samenmantels die wichtigen Faktoren sind, die darüber entscheiden, ob die Pflanze weiße oder violette Blüten zeigen wird. Daher werden diese Beobachtungen heute als Ergebnis der Pleiotropie betrachtet, bei der ein einzelnes Gen zu mehreren phänotypischen Merkmalen beiträgt.

Pleiotropie kann oft durch sich überschneidende, aber unterschiedliche Mechanismen wie Entwicklungspleiotropie, Genpleiotropie und Selektionspleiotropie entstehen.

Bei der Gen-Pleiotropie wird der Fokus auf die Funktionalität des jeweiligen Gens gelegt und diese Form der Pleiotropie wird auch als molekulare Gen-Pleiotropie bezeichnet. Die Anzahl der Merkmale und die biochemischen Faktoren, die durch das Gen beeinflusst werden, bestimmen in der Regel die Funktionen eines bestimmten Merkmals. Zu den biochemischen Faktoren gehört die Anzahl der Enzymreaktionen, die durch die Proteinprodukte des Gens katalysiert werden.

Das Hauptaugenmerk, das bei der Entwicklung der Pleiotropie gelegt wird, liegt auf den Mutationen und ihrem relativen Einfluss auf die vielen Merkmale. Es wird gesehen, dass die Mutationen in einem einzelnen Gen in der Regel breitere Auswirkungen auf die Veränderung mehrerer anderer möglicher Merkmale haben. Darüber hinaus werden die Krankheiten, die Mutationspleiotropie beinhalten, durch Mängel in den vielen Organen kategorisiert, die das reibungslose Funktionieren vieler Körpersysteme beeinflussen.

Der letzte Mechanismus, der zur Pleiotropie führt, wird selektive Pleiotropie genannt, deren Hauptaugenmerk auf der Wirkung von Genmutationen auf die Anzahl der einzelnen Fitnesskomponenten liegt. Der Prozess, mit dem der jeweilige Organismus seine Gene von seiner Generation auf die nächste Generation durch sexuelle Fortpflanzung überträgt, wird in der Regel durch die Fitnesswerte der Gene bestimmt. Die Selektionspleiotropie befasst sich oft mit den Auswirkungen der Selektion auf natürliche Merkmale.

Polygene vs. Pleiotropie

Es ist eine sehr häufige Beobachtung, dass viele Menschen die Bedeutung der polygenen Vererbung mit der Pleiotropie vermischen. Der Hauptgrund, der sie unterscheidet, ist, dass, wenn ein einzelnes Gen mehrere Merkmale beeinflusst, dies als Pleiotropie bezeichnet wird, während, wenn ein einzelnes Merkmal von vielen der vielen Gene kontrolliert wird, dies unter die Definition der polygenen Vererbung fällt, wie z.B. die Hautpigmentierung.

Pleiotropie vs. Epistase

Eine weitere wichtige Sache ist es, das Konzept und die Bedeutung der Epistase und ihre Beziehung zur Pleiotropie zu verstehen. Die Interaktion mehrerer Gene bei der Bestimmung des phänotypischen Ergebnisses wird als Epistase bezeichnet. (Ref. 1)

Das Studium der pleiotropen Gene ist von großer Bedeutung in der Biologie, da es hilft zu verstehen, wie bestimmte Gene oft an einigen der genetischen Störungen beteiligt sind.

Es gibt viele Beispiele für Pleiotropie, die leicht in der Natur gefunden werden können. Fruchtfliegen und rudimentäre Gene, Hühner und ihre krausen Merkmale, der Prozess der Pigmentierung und Taubheit bei Katzen, die pleiotrope Sichelzellenkrankheit beim Menschen und die Phenylketonurie (auch als PKU geschrieben) sind einige der häufigsten Beispiele für pleiotrope Bedingungen. Sie werden im Folgenden näher erläutert.

Pleiotropie-Beispiele

Die Beispiele für Pleiotropie, die in verschiedenen Literaturstudien zu finden sind, beruhen auf dem Einfluss von sowohl direkter als auch indirekter Pleiotropie. Zum Beispiel kann das Beispiel einer blinden Maus genommen werden, die aufgrund von Veränderungen in einem einzelnen Gen geboren wird, und in den genannten Beispielen ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass die blind geborene Maus sehr schlecht im visuellen Lernen von Aufgaben ist, was bestätigt, dass ein einzelnes Gen in mehreren Pfaden beteiligt ist. Es gibt also viele solcher Beispiele sowohl für direkte als auch für indirekte Pleiotropie, von denen einige in den folgenden Abschnitten näher erläutert werden.

Das Vestigialgen und die Fruchtfliegen

Die Vestigialgene spielen eine sehr wichtige Rolle bei der Entwicklung der Flügel der Drosophila, einer Fruchtfliege. Werden diese Fliegen homozygot für die rezessive Form des vestigialen Gens (VG) gehalten, entwickeln sie kurze Flügel und sind nicht in der Lage, in der entsprechenden Weise zu fliegen. Das vestigiale Gen ist also pleiotrop, was dazu führt, dass sich die Flügel der Fruchtfliege Drosophila nicht entwickeln. Darüber hinaus sind die reduzierte Anzahl von Eiern in den Eierstöcken der Fliegen, die Veränderung der Orte der Borsten auf dem Scutellum der Fliegen und die reduzierte Zeitspanne des Lebenszyklus der Fliegen einige andere indirekte Effekte der Pleiotropie in den Fruchtfliegen. Die Ausprägung der Pleiotropie ist in Abb. 2 dargestellt. Es ist zu sehen, dass die Flügel bei der ersten Biene nicht voll entwickelt sind im Vergleich zu der zweiten Biene, die voll entwickelte Flügel hat. (Ref. 2)

Taubheit und Pigmentierung bei Katzen

Es wurde berichtet, dass etwa vierzig Prozent der Katzen, die ein weißes Fell und blaue Augen aufweisen, taub sind (Abbildung 3). Diese Tatsache ist ziemlich faszinierend, da wir wahrscheinlich in unserem ganzen Leben nicht auf diese Katzen geachtet haben. In der Anfangsphase der Forschung wurde beobachtet, dass die weißen Katzen, die ein blaues und ein gelbes Auge haben, auf einem Auge blind sind, und das war meistens das blaue Auge, aber später wurde festgestellt, dass dieses Phänomen der Blindheit nicht immer für alle Katzenrassen gilt. Beim Menschen ist eine ähnliche Störung das Waardenburg-Syndrom.

Bei Katzen sind bei diesem Zustand pleiotrope Gene beteiligt, die nicht nur Taubheit verursachen, sondern auch die Pigmentierung beeinflussen. Die Forscher wollten verstehen, wie das Hörvermögen und der Prozess der Pigmentierung miteinander zusammenhängen. Die Experimente wurden an Mäusen durchgeführt und sie fanden heraus, dass die Pigmentierung eine sehr wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des Flüssigkeitsflusses in den Gehörgängen spielt. Denjenigen, denen die Pigmentierung fehlte, fehlte auch der Flüssigkeitsfluss in den Ohrkanälen, was zu deren Platzen und schließlich zur Taubheit führt. (Ref 3)

Frizzle Traits in Chickens

Es gibt verschiedene Gene, die von den Hühnern als Ergebnis von pleiotropen Genen gezeigt werden. Walter Landauer und Elizabeth Upham beobachteten 1963, dass die Hühner, die die dominanten Frizzle-Gene aufweisen, meist Federn produzieren, die sich am ganzen Körper kräuseln, anstatt flach auf der Haut zu liegen. Dieser Effekt wurde mit den phänotypischen Auswirkungen der Gene in Verbindung gebracht. Zusätzlich wurde festgestellt, dass diese Frizzle-Merkmale viele Veränderungen in den Hühnern verursachten, von denen die abnormen Körpertemperaturen, die hohen Blutflussraten, die hohen Stoffwechselraten und die gesteigerte Kapazität im Verdauungstrakt die bemerkenswertesten sind. Darüber hinaus legten die Hühner mit den pleiotropen Merkmalen weniger Eier im Vergleich zu den normalen wilden Eiern, was ihre Reproduktionsrate beeinträchtigte. Das Vorhandensein der frizzle traits bei den Hühnern ist im folgenden Video zu sehen.

Marfan-Syndrom

Die vererbte Störung, die zu Konnektivitätsproblemen in den Geweben führt, wird als Marfan-Syndrom bezeichnet. Diese Art von Syndrom betrifft vor allem die Augen, das Herz, das Skelett und die Blutgefäße. Die Menschen, die an diesem Syndrom leiden, haben in der Regel lange, hochgewachsene, dünne Körper mit langen Beinen, Armen, Fingern und Zehen, wobei es zu leichten oder schweren Schäden durch das Marfan-Syndrom kommen kann. Die Symptome des Syndroms können von einer Familie zur anderen variieren und es hängt auch vom Alter ab, wobei einige nur sehr geringe Symptome verspüren und viele mit lebensbedrohlichen Komplikationen konfrontiert sind. Aortenaneurysma, Aortendissektion und Klappenfehlbildungen sind die Folgen der kardiovaskulären Komplikationen. Auf der anderen Seite sind Augenkomplikationen, Linsenverschiebungen, Netzhautprobleme und ein früh einsetzendes Glaukom, auch bekannt als Grauer Star, sehr wichtig. (Ref. 4)

Sichelzellkrankheit

Die sehr häufigen Beispiele für Pleiotropie, die normalerweise beim Menschen auftritt, werden Sichelzellkrankheit genannt, die aufgrund der Störung auftritt, die unregelmäßig geformte rote Blutkörperchen entwickelt, während die normalen roten Blutkörperchen eine bikonkave, scheibenartige Form haben und große Mengen an Hämoglobin gefunden werden.

Wie ist die Sichelzellenanämie ein Beispiel für Pleiotropie?

Die Hauptaufgabe der roten Blutkörperchen im Blut ist es, die Gewebe zu binden und Sauerstoff zu allen verfügbaren Zellen zu transportieren. Die Mutationen im Beta-Globin-Gen führen in der Regel zur Bildung von Sichelzellen. Dabei handelt es sich um Blutzellen, die eine unregelmäßige Form haben, sich zusammenballen, einen Block in den Venen bilden und schließlich den Blutfluss in den Venen blockieren. Diese Blockade führt zu vielen gesundheitlichen Problemen und verursacht Schäden an vielen lebenswichtigen menschlichen Organen wie Herz, Gehirn und Lunge. Der Vergleich zwischen dem normalen roten Blutkörperchen und den Sichelzellen ist in Abbildung 5 dargestellt. (Ref. 5)

Phenylketonurie oder PKU

Ein weiteres häufiges Beispiel für Pleiotropie ist die Phenylketonurie oder PKU, die geistige Retardierung, Haarausfall und eine Veränderung der Hautfarbe oder Pigmentierung verursacht. Diese Krankheiten treten in der Regel bei einer großen Anzahl von Mutationen in einem einzigen Gen auf einem Chromosom auf. Diese Gene sind für die Produktion von Enzymen verantwortlich, die als Phenylalaninhydroxylase bekannt sind. Diese Enzyme bauen in der Regel die Aminosäuren Phenylalanin ab, die wir bei der Verdauung der Proteine erhalten. Wenn aufgrund der Pleiotropie der Spiegel der Aminosäuren ansteigt, führt dies zu einer Schädigung des Nervensystems.

Intellektuelle Behinderungen, Herzprobleme, Entwicklungsverzögerungen und Krampfanfälle sind einige der anderen Störungen, die durch Phenylketonurie verursacht werden. Die häufigste PKU wird als klassische PKU bezeichnet, die typischerweise Neugeborene betrifft. Die Häufigkeit dieser Erkrankungen variiert von einem Ort zum anderen. Speziell in den Vereinigten Staaten leidet eine von zehntausend Geburten an dieser Krankheit. Das Gute ist jedoch, dass die Ärzte PKU bei Säuglingen durch ihre frühen Symptome erkennen können, was es dem Arzt ermöglicht, früh mit der Behandlung zu beginnen und so die Kinder vor den schweren Auswirkungen dieser Krankheit zu bewahren.

Antagonistische Pleiotropie

Eine Theorie, die vorgeschlagen wurde, um die Seneszenz oder biologische Alterung zu erklären, die auf die natürliche Selektion bestimmter pleiotroper Allele zurückgeführt werden kann, wird antagonistische Pleiotropie genannt. Ein Allel, das einen negativen Einfluss auf den Organismus haben könnte, kann bei der natürlichen Selektion begünstigt werden, wenn das Allel bei der antagonistischen Pleiotropie auch vorteilhafte Faktoren produziert. Außerdem werden in der natürlichen Selektion normalerweise die Allele selektiert, die die reproduktive Fitness im frühen Leben erhöhen, aber das biologische Altern im späteren Leben fördern.

Das bekannteste Beispiel für antagonistische Pleiotropie sind die Sichelzellen, bei denen die Mutation des Hb-S-Allels des Hämoglobin-Gens verschiedene Vor- und Nachteile für ihr Überleben bringt. Die Homozygoten für das Hb-S-Allel, die ein Paar Hb-S-Allele des Hämoglobin-Gens besitzen, haben eine relativ kürzere Lebensspanne aufgrund der negativen Auswirkungen der Sichelzellen-Merkmale, während die Heterozygoten, die in der Regel ein normales Allel und ein einzelnes Hb-S-Allel besitzen, stark resistent gegen Malaria sind und nicht das gleiche Maß an negativen Symptomen erfahren. Außerdem lässt sich feststellen, dass die Häufigkeit des Hb-S-Allels in den geographischen Gebieten höher ist, in denen die Übertragungsraten von Malaria höher sind.

Die Allele, die den Tod der Person, die sie trägt, verursachen, werden als letale Allele bezeichnet. Sie sind in der Regel das Ergebnis der Mutationen von Genen, die für die Entwicklung und das Wachstum der Individuen extrem wichtig sind. Ein Allel kann dominant, rezessiv oder kodominant sein. Ein Beispiel für ein kodominantes Allel ist eine Person mit der Blutgruppe AB, bei der die Person beide Allele hat, d.h. Allel A und Allel B.

Zusammenfassung

Aus der obigen Diskussion lässt sich zusammenfassen, dass die Eigenschaft, die zeigt, dass mehrere Gene viele phänotypische Effekte haben, Pleiotropie genannt wird. Pleiotropie kann oft durch einige sich stark überschneidende, aber unterschiedliche Mechanismen wie Entwicklungspleiotropie, Genpleiotropie und Selektionspleiotropie entstehen. Bei der Gen-Pleiotropie liegt der Schwerpunkt auf der Funktionalität des jeweiligen Gens, während bei der Entwicklungs- und Selektions-Pleiotropie die Mutationen und ihre relative Auswirkung auf die vielen Merkmale bzw. die Auswirkung der Genmutationen auf die Anzahl der einzelnen Fitnesskomponenten im Vordergrund stehen. Das Studium des pleiotropen Gens ist von großer Bedeutung in der Biologie, da es hilft zu verstehen, wie bestimmte Gene an einigen der genetischen Krankheiten beteiligt sind, da es viele genetische Krankheiten gibt, die in der Literatur genannt werden, die durch Pleiotropie verursacht werden. Taubheit und Pigmentierung bei Katzen, die Existenz von Frizzle-Merkmalen bei Katzen, das Marfan-Syndrom beim Menschen, Sichelzellenkrankheiten, Phenylketonurie oder PKU, Albinismus, Austin und Schizophrenie sind einige der vielen Beispiele für Pleiotropie.

1. „Pleiotropy and lethal alleles“. (2018). Khanacademy.org.

2. Muskopf, S. (2020). „Genetics – Lop Ears“. Biologycorner.com, 2020.

3. Rajaratnam, R., Sunquist, M., Rajaratnam, L. und 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. und De Backer, J. ( 2019). „Marfan-Syndrom“. Human Pathobiochemistry: Springer. pp. 241-254.

5. Bailey, R. (2019). „What is Pleiotropy? Definition und Beispiele“. Thoughtco.com