Wat is pleiotropie? Definitie en voorbeelden

Pleiotropie verwijst naar de expressie van meerdere eigenschappen door een single gen. Deze uitgedrukte eigenschappen kunnen al dan niet gerelateerd zijn. Pleitropie werd voor het eerst opgemerkt door geneticus Gregor Mendel, die bekend staat om zijn beroemde studies met erwtenplanten. Mendel merkte op dat de bloemkleur van de plant (wit of paars) altijd gerelateerd was aan de kleur van de blad oksel (gebied op een plantstam bestaande uit de hoek tussen het blad en het bovenste deel van de stengel) en zaadvacht.

De studie van pleitrope genen is belangrijk voor de genetica, omdat het ons helpt te begrijpen hoe bepaalde eigenschappen met genetische ziekten verband houden. Pleitropie kan in verschillende vormen worden genoemd: genpleiotropie, ontwikkelingspleiotropie, selectieve pleiotropie en antagonistische pleiotropie.

Belangrijkste punten: wat is pleiotropie?

Bij pleiotropie regelt één gen de expressie van verschillende fenotypische eigenschappen. Fenotypes zijn eigenschappen die fysiek worden uitgedrukt, zoals kleur, lichaamsvorm en hoogte. Het is vaak moeilijk om te detecteren welke eigenschappen het gevolg kunnen zijn van pleitoropie, tenzij a mutatie komt voor in een gen. Omdat pleiotrope genen meerdere eigenschappen beheersen, zal een mutatie in een pleiotroop gen meer dan één eigenschap beïnvloeden.

Typisch worden eigenschappen bepaald door twee allelen (variant van een gen). Specifieke allelcombinaties bepalen de productie van eiwitten die de processen voor de ontwikkeling van fenotypische eigenschappen aansturen. Een in een gen voorkomende mutatie verandert de DNA-sequentie van het gen. Het veranderen van sequenties van gensegmenten leidt meestal tot het niet functioneren eiwitten. In een pleiotroop gen zullen alle eigenschappen die met het gen zijn geassocieerd, worden gewijzigd door de mutatie.

Gene pleiotropie, ook wel moleculaire gen-pleiotropie genoemd, richt zich op het aantal functies van een bepaald gen. De functies worden bepaald door het aantal eigenschappen en biochemische factoren dat door een gen wordt beïnvloed. Biochemische factoren zijn onder meer het aantal enzym reacties gekatalyseerd door de eiwitproducten van het gen.

Ontwikkelingspleiotropie richt zich op mutaties en hun invloed op meerdere eigenschappen. De mutatie van een enkel gen manifesteert zich in de wijziging van verschillende eigenschappen. Ziekten met mutationele pleiotropie worden gekenmerkt door tekortkomingen in meerdere organen die verschillende lichaamssystemen beïnvloeden.

Selectieve pleiotropie richt zich op het aantal afzonderlijke fitnesscomponenten dat wordt beïnvloed door een genmutatie. De term fitness heeft betrekking op hoe succesvol een bepaald organisme is in het overdragen van zijn genen aan de volgende generatie seksuele reproductie. Dit type pleiotropie houdt zich alleen bezig met de impact van natuurlijke selectie op eigenschappen.

Een voorbeeld van pleiotropie dat bij mensen voorkomt, is sikkelcelziekte. Sikkelcelaandoeningen zijn het gevolg van de ontwikkeling van abnormaal gevormde rode bloedcellen. Normale rode bloedcellen hebben een biconcave, schijfachtige vorm en bevatten enorme hoeveelheden van een eiwit dat hemoglobine wordt genoemd.

Hemoglobine helpt rode bloedcellen te binden aan en transporteren van zuurstof naar cellen en weefsels van het lichaam. Sikkelcel is het resultaat van een mutatie in het bèta-globine-gen. Deze mutatie resulteert in sikkelvormige rode bloedcellen, waardoor ze samenklonteren en vast komen te zitten in de bloedvaten, waardoor de normale bloedstroom wordt geblokkeerd. De enkele mutatie van het bèta-globine-gen resulteert in verschillende gezondheidscomplicaties en veroorzaakt schade aan meerdere organen, waaronder de hart, hersenen, en longen.

Fenylketonurie of PKU, is een andere ziekte die het gevolg is van pleiotropie. PKU wordt veroorzaakt door een mutatie van het gen dat verantwoordelijk is voor de productie van een enzym dat fenylalaninehydroxylase wordt genoemd. Dit enzym breekt de aminozuur fenylalanine dat we krijgen bij de vertering van eiwitten. Zonder dit enzym nemen de niveaus van het aminozuur fenylalanine in het bloed toe en beschadigen ze zenuwstelsel bij zuigelingen. PKU-stoornis kan bij baby's tot verschillende aandoeningen leiden, waaronder verstandelijke beperkingen, toevallen, hartproblemen en ontwikkelingsachterstanden.

De kroezige veereigenschap is een voorbeeld van pleiotropie bij kippen. Kippen met dit specifieke gemuteerde veergen vertonen veren die naar buiten krullen in plaats van plat liggen. Naast gekrulde veren omvatten andere pleiotrope effecten een sneller metabolisme en vergrote organen. Het omkrullen van de veren leidt tot een verlies van lichaamswarmte die een snellere basale stofwisseling vereist om de homeostase te behouden. Andere biologische veranderingen zijn onder meer hogere voedselconsumptie, onvruchtbaarheid en vertragingen bij seksuele rijping.

Antagonistische pleiotropie is een theorie die wordt voorgesteld om uit te leggen hoe veroudering, of biologische veroudering, kan worden toegeschreven aan de natuurlijke selectie van bepaalde pleiotrope allelen. Bij antagonistische pleiotropie kan een allel dat een negatief effect heeft op een organisme de voorkeur genieten door natuurlijke selectie als het allel ook gunstige effecten heeft. Antagonistisch pleiotrope allelen die toenemen reproductieve fitness vroeg in het leven, maar bevorder biologische veroudering later in het leven wordt meestal geselecteerd door natuurlijke selectie. De positieve fenotypen van het pleiotrope gen worden vroeg uitgedrukt wanneer het reproductief succes hoog is, terwijl de negatieve fenotypen later in het leven tot uitdrukking komen wanneer het reproductieve succes laag is.

Sikkelcel-eigenschap is een voorbeeld van antagonistische pleiotropie doordat de Hb-S-allelmutatie van het hemoglobine-gen voor- en nadelen biedt voor overleving. Degene die zijn homozygoot voor het Hb-S-allel, wat betekent dat ze twee Hb-S-allelen van het hemoglobine-gen hebben, hebben een korte levensduur als gevolg van de negatieve impact (schade aan meerdere lichaamssystemen) van de sikkelcel-eigenschap. Degene die zijn heterozygoot voor de eigenschap, wat betekent dat ze één Hb-S-allel en één normaal allel van het hemoglobine-gen hebben, niet dezelfde mate van negatieve symptomen ervaren en resistentie tegen malaria vertonen. De frequentie van het Hb-S-allel is hoger in populaties en regio's waar de malariacijfers hoog zijn.

• Carter, Ashley Jr en Andrew Q Nguyen. "Antagonistische pleiotropie als een wijdverbreid mechanisme voor het onderhoud van allelen van polymorfe ziekten." BMC medische genetica, vol. 12, nee. 1, 2011, doi: 10.1186 / 1471-2350-12-160.
• Ng, Chen Siang, et al. "De Chicken Frizzle Feather is te wijten aan een α-Keratin (KRT75) -mutatie die een defecte Rachis veroorzaakt." PLoS Genetica, vol. 8, nee. 7, 2012, doi: 10.1371 / journal.pgen.1002748.
• Paaby, Annalise B. en Matthew V. Rockman. 'De vele gezichten van Pleiaotropie.' Trends in de genetica, vol. 29, nee. 2, 2013, pp. 66–73., Doi: 10.1016 / j.tig.2012.10.010.
• 'Fenylketonurie.' Amerikaanse National Library of Medicine, National Institutes of Health, ghr.nlm.nih.gov/condition/phenylketonuria.