ЩО ТАКЕ ПЛЕЙОТРОПІЯ? (ІЗ ПРИКЛАДАМИ) - БІОЛОГІЯ - 2025

Плейотропія є генетичним явищем , в якому експресія гена у індивідуума впливає на фенотипічну експресію інших неспоріднених символів. Етимологічно плейотропія означає «більше змін» або «багато ефектів»: тобто більше ефектів, ніж очікувалося від експресії одного гена. Він також відомий як поліфенія (багато фенотипів), але це рідко вживаний термін.

Одним із явищ успадкування, яке найбільше плутало генетиків у дитинстві цієї науки, було мутації, що впливали на більше ніж одного персонажа.

Спочатку вважалося, що кожен персонаж контролюється одним геном. Тоді ми зрозуміли, що прояв характеру може вимагати участі більше одного гена.

Найдивовижніше, однак, це те, що один ген може впливати на прояв більш ніж однієї спадкової ознаки, що по суті є тим, що визначає плейотропію.

Взагалі, при демонстрації плейотропії доцільніше сказати, що відповідальний ген має плейотропну дію, ніж ген плейотропний.

Хоча не всі дотримуються цієї конвенції, важливо зазначити, що плейотропний ген кодує певну ознаку, а не плейотропію як такої.

В іншому випадку «нормальність» була б не чим іншим, як плейотропним проявом дії дикого алеля певного гена на інших. Однак це генетично неправильно.

Історія

Термін плейотропія вперше був використаний німецьким генетиком на ім'я Людвіг Плита в 1910 році. Плита використовувала цей термін для пояснення появи декількох різних фенотипічних ознак, які завжди зустрічаються разом і можуть здаватися кореляційними. За його словами, це явище, коли воно відбувається, зумовлене одиницею плейотропного успадкування.

Ще один німець, Ганс Грюнеберг, поділив плейотропію на "справжню" та "хибну". Перший характеризувався появою двох чітких первинних продуктів з одного місця.

Другий, на думку цього автора, стосувався єдиного первинного продукту, який використовувався по-різному. Сьогодні значення Грунеберга для справжньої плейотропії було відкинуто, тоді як хибні плейотропії розглядаються просто як плейотропія.

Інший поділ концепції плейотропії здійснив Ернст Хадорн, який зазначив, що існують два типи плейотропії: мозаїчна та реляційна. Перше відбувається, коли ген кодує інформацію, яка впливає на дві різні фенотипічні ознаки.

Реляційна плейотропія, з іншого боку, виникає, коли ген визначає ініціювання різних подій, пов'язаних один з одним, і які впливатимуть на кілька незалежних ознак.

Касер та Бернс, зі свого боку, вказували, що будь-яка зміна будь-якої частини геному впливає на всі ознаки в різній мірі, прямо чи опосередковано. Ця ідея відома під назвою універсальної плейотропії.

Приклади генів з плейотропною дією

Плейотропія, будучи явищем, яке описує деякі наслідки взаємодії між продуктами генів, є універсальним.

Віруси, як і всі організми клітинної природи, мають гени, продукти яких важливі для прояву інших символів. Ці гени, чиї алелі дикого типу та мутанти мають плейотропну дію, мають різну природу.

-Вестигіальний ген дрозофіли

У дрозофіли (плодова муха) вестигіальний ген визначає рівень розвитку крил. Коли цей ген успадковується від обох батьків, муха нащадка подарує вестигіальні крила і не зможе літати.

Однак це будуть не єдині наслідки вестигіального гена. Цей ген є плейотропним і його наявність також призводить до зменшення кількості яєць в яєчниках мухи. Це також змінює кількість і розташування щетин у грудної клітки і скорочує тривалість життя.

-Пігментація і глухота у кішок

Ген, що кодує інформацію про пігментацію у кішок, - це плейотропний ген. Через це досить високий відсоток кішок з білим хутром та блакитними очима також глухий.

Навіть білі кішки, які мають блакитне і жовте око, глухі лише у вусі, що знаходиться на тій же стороні голови, що і блакитний очей.

Плейотропія у кішок. Білий кіт з гетерохромією. Знято та відредаговано від: Кіт Кіссель, через Wikimedia Commons.

-Чурки із завитими пір’ям

У курей домінантний ген справляє ефект пір'яних пір'я. Показано, що цей ген має плейотропну дію, оскільки проявляє інші фенотипічні ефекти: підвищення швидкості обміну речовин, підвищення температури тіла, збільшення споживання їжі.

Крім того, кури з цим геном демонструють затримку статевої зрілості та зниження фертильності.

-У людей

Синдром Марфана

Симптоми цього синдрому включають: незвично високий розмір тіла, прогресуючі серцеві розлади, вивих кришталика ока, легеневі розлади.

Всі ці симптоми безпосередньо пов'язані з мутацією одного гена. Цей ген, який називається FBN1, є плейотропним, оскільки його функція полягає в кодуванні глікопротеїну, який використовується в сполучних тканинах в різних частинах тіла.

Синдром Холта-Орама

Пацієнти з цим синдромом мають порушення в зап’ясткових кістках та інших кістках передніх кінцівок. Крім того, приблизно 3 з 4 пацієнтів із цим синдромом мають проблеми із серцем.

Синдром Неймегена

Він характеризується тим, що у тих, хто страждає на нього, спостерігається мікроцефалія, імунодефіцит, порушення розвитку та схильність до раку лімфи та лейкемії.

-Фенілкетонурія

Добре відомий випадок плейотропної дії викликається мутантними алелями, відповідальними за фенілкетонурію.

Фенілкетонурія, хвороба метаболічного характеру, обумовлена ​​мутацією одного гена, який кодує фермент фенілаланін гідроксилазу. Неактивний мутантний фермент не здатний розщеплювати амінокислоту фенілаланін; коли це накопичується, організм стає сп’янілим.

Отже, ефект, що спостерігається у осіб, які переносять дві копії мутованого гена, є множинним (плейотропним).

Причиною захворювання або синдрому є відсутність метаболічної активності, яка викликає висипання шкіри, неврологічні порушення, мікроцефалію, світлу шкіру та блакитні очі (через брак вироблення меланіну) тощо, різними шляхами.

Жоден з генів, що беруть участь у зміненому прояві цих інших ознак, не обов'язково мутується.

-Інші метаболічні шляхи

Дуже поширений випадок, коли кілька ферментів ділять або використовують один і той же кофактор, щоб бути активними. Цей кофактор є кінцевим продуктом узгодженої дії кількох інших білків, які беруть участь у цьому шляху біосинтезу.

Якщо мутація генерується в будь-якому з генів, кодуючих білки цього шляху, кофактор не вироблятиметься. Ці мутації матимуть плейотропний ефект, оскільки жоден з білків, які залежать від активного кофактора, не зможе бути активним, хоча власні гени є ідеально функціональними.

Молібден

Як прокаріоти, так і еукаріоти, наприклад, молібден має важливе значення для функціонування певних ферментів.

Молібден, щоб бути біологічно корисним, повинен комплексуватися з іншою органічною молекулою, продуктом дії різних ферментів у складному метаболічному шляху.

Після того, як цей кофактор, укомплектований молібденом, буде сформований, він буде використаний усіма молібдопротеїнами для виконання кожної своєї функції.

Плейотропний ефект при мутації, що перешкоджає синтезу молібдокофактора, проявиться не лише у його відсутності, але й у втраті ферментативної активності всіх молібдоферментів людини, що переносить мутацію.

-Ламінопатії

Ядерна пластинка - це складна сітка всередині ядра, динамічно прикріплена до її внутрішньої мембрани. Ядерна пластинка регулює архітектуру ядра, розподіл між еухроматином та гетерохроматином, експресію генів, а також реплікацію ДНК, серед іншого.

Основна пластинка складається з кількох білків, спільно відомих як ламініни. Оскільки це структурні білки, з якими взаємодіє безліч багатьох інших, будь-яка мутація, яка впливає на ваші гени, матиме плейотропний ефект.

Плейотропні ефекти мутацій у генах ламінажу проявлятимуться як захворювання, які називаються ламінопатіями.

Тобто, ламінатопатія - це плейотропний прояв, що виникає внаслідок мутацій генів ламіну. Клінічні прояви ламінопатій включають, але не обмежуються цим, прогерію, м'язову дистрофію Емері-Дрейфуса та ряд інших станів.

-Регулятори транскрипції

Інші гени, мутації яких спричиняють безліч різних плейотропних ефектів - це ті, що кодують регулятори транскрипції.

Це білки, які спеціально контролюють експресію генів; є й інші, які є загальними регуляторами транскрипції. У будь-якому випадку, відсутність цих продуктів визначає, що інші гени не транскрибуються (тобто не експресуються).

Мутація, що визначає відсутність або несправність загального або специфічного регулятора транскрипції, матиме плеотропні ефекти на організм, оскільки жоден ген, що знаходиться під його контролем, не буде виражений.

Плейотропія та епігенетика

Відкриття механізмів зміни в експресії генів, які не залежать від зміни нуклеотидної послідовності генів (епігенетика), збагатило наше бачення плейотропії.

Одним з найбільш вивчених аспектів епігенетики є дія ендогенних мікроРНК. Це продукт транскрипції генів під назвою mir.

Транскрипція мірного гена породжує РНК, яка після обробки перетворюється в цитоплазму як невелика інактивуюча РНК.

Ці РНК називаються малими замовчуючими РНК, оскільки вони мають можливість доповнювати цільові РНК месенджера. Приєднуючись до них, месенджер деградує і характер не виражається.

У деяких випадках ця маленька молекула може зв'язуватися з кількома різними месенджерами, що, безумовно, спричиняє плейотропний ефект.

Плейотропія та старіння

Пояснення природних причин старіння може полягати в ефекті плейотропних генів. Згідно з гіпотезою, висунутою Г. К. Вільямсом, старіння - це наслідок того, що він назвав антагоністичною плейотропією.

Якщо є гени, продукти яких мають антагоністичну дію на різних стадіях життєдіяльності організму, то ці гени можуть сприяти старінню.

Якщо сприятливі ефекти проявляться до розмноження, а шкідливі наслідки після нього, то їм сприятиме природний відбір. Але в іншому випадку природний відбір буде працювати проти цих генів.

Таким чином, якщо гени справді є плейотропними, старіння буде неминучим, оскільки природний відбір завжди діятиме на користь генів, які сприяють розмноженню.

Плейотропія та специфікація

Симпатична специфікація - це тип специфікації, що виникає без географічних бар'єрів між популяціями. Цей тип специфікації, очевидно, сприятливий для плейотропних мутацій.

Математичні імітаційні моделі, розроблені Кондрашовим, показують, що репродуктивна ізоляція між симпатичними популяціями може статися через появу екологічно важливих кількісних ознак при порушенні відбору.

Ці ж моделі вказують, що ці ознаки повинні бути пов’язані з плейотропними генами. Якщо зміни зумовлені декількома генами, а не плейотропними, рекомбінація генів під час розмноження перешкоджатиме конкретизації. Плейотропія дозволить уникнути руйнівної дії рекомбінації.

Плейотропія та адаптація

Земля постійно змінюється. Організми повинні постійно змінюватися, щоб адаптуватися до нових умов. Ці зміни призводять до того, що відомо як еволюція.

Багато авторів стверджують, що еволюція призводить до збільшення складності організмів. Ця складність може бути морфологічною, коли конкретний характер може еволюціонувати незалежно від іншого за конкретних умов навколишнього середовища.

Однак, оскільки організми стають складнішими, їх здатність реагувати на зміни сповільнюється. Це називається "еволюційною вартістю складності".

Математичні моделі стверджують, що адаптація через зміни плеотропних генів була б менш еволюційно затратною, ніж внаслідок зміни символів, кодованих окремими генами.

Список літератури

1. Брукер, RJ (2017). Генетика: аналіз та принципи. Вища освіта McGraw-Hill, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.
2. Goodenough, UW (1984) Генетика. WB Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, США.
3. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Вступ до генетичного аналізу (11- ^е видання). Нью-Йорк: WH Freeman, New York, NY, США.
4. Ho, R., Hegele, RA (2018) Складний вплив мутацій ламінопатії на структуру та функції ядер. Клінічна генетика, дої: 10.1111 / cge.13455.
5. Лобо, І. (2008). Плейотропія: один ген може впливати на кілька ознак. Натуральна освіта, 1:10.
6. Stitzer, MC, Ross-Ibarra, J. (2018) Одомашнення кукурудзи та взаємодія генів. Новий фітолог, 220: 395-408.