Was ist Pleiotropie? Definition und Beispiele

Pleiotropie bezieht sich auf die Expression multipler Merkmale durch ein einzelnes Gen. Diese geäußerten Merkmale können verwandt sein oder auch nicht. Die Pleitropie wurde erstmals vom Genetiker Gregor Mendel bemerkt, der für seine berühmten Studien mit Erbsenpflanzen bekannt ist. Mendel bemerkte, dass die Farbe der Pflanzenblüte (weiß oder lila) immer mit der Farbe der Blattachse (Fläche auf einem Pflanzenstamm, die aus dem Winkel zwischen Blatt und Stängeloberteil besteht) und der Samenschale zusammenhängt.

Das Studium der pleitropen Gene ist für die Genetik wichtig, da es uns hilft zu verstehen, wie bestimmte Merkmale bei genetischen Erkrankungen zusammenhängen. Von Pleitropie kann in verschiedenen Formen gesprochen werden: Gen-Pleiotropie, Entwicklungs-Pleiotropie, Selektions-Pleiotropie und antagonistische Pleiotropie.

Wichtige Erkenntnisse: Was ist Pleiotropie??

• Pleiotropie ist die Expression mehrerer Merkmale durch ein einzelnes Gen..
• Gen-Pleiotropie konzentriert sich auf die Anzahl der Merkmale und biochemischen Faktoren, die von einem Gen beeinflusst werden.
• Entwicklungspleiotropie konzentriert sich auf Mutationen und deren Einfluss auf mehrere Merkmale.
• Selektionspleiotropie konzentriert sich auf die Anzahl separater Fitnesskomponenten, die von einer Genmutation betroffen sind. 
• Antagonistische Pleiotropie konzentriert sich auf die Prävalenz von Genmutationen, die früh im Leben Vorteile und später im Leben Nachteile haben.

Pleiotropiedefinition

Bei der Pleiotropie steuert ein Gen die Expression mehrerer phänotypischer Merkmale. Phänotypen sind Merkmale, die physisch ausgedrückt werden, z. B. Farbe, Körperform und Größe. Es ist oft schwierig festzustellen, welche Merkmale das Ergebnis einer Pleitoropie sein können, es sei denn, in einem Gen tritt eine Mutation auf. Da pleiotrope Gene mehrere Merkmale steuern, wirkt sich eine Mutation in einem pleiotropen Gen auf mehr als ein Merkmal aus. 

Typischerweise werden Merkmale durch zwei Allele (Variantenform eines Gens) bestimmt. Spezifische Allelkombinationen bestimmen die Produktion von Proteinen, die die Prozesse zur Entwicklung phänotypischer Merkmale vorantreiben. Eine in einem Gen vorkommende Mutation verändert die DNA-Sequenz des Gens. Das Ändern von Gensegmentsequenzen führt am häufigsten zu nicht funktionierenden Proteinen. In einem pleiotropen Gen werden alle mit dem Gen verbundenen Merkmale durch die Mutation verändert.

Gen-Pleiotropie, Auch als molekulare Gen-Pleiotropie bezeichnet, konzentriert sich auf die Anzahl der Funktionen eines bestimmten Gens. Die Funktionen werden durch die Anzahl der von einem Gen beeinflussten Merkmale und biochemischen Faktoren bestimmt. Zu den biochemischen Faktoren gehört die Anzahl der Enzymreaktionen, die durch die Proteinprodukte des Gens katalysiert werden.

Entwicklungspleiotropie konzentriert sich auf Mutationen und deren Einfluss auf mehrere Merkmale. Die Mutation eines einzelnen Gens manifestiert sich in der Veränderung mehrerer verschiedener Merkmale. Krankheiten, an denen eine mutationsbedingte Pleiotropie beteiligt ist, sind durch Mängel in mehreren Organen gekennzeichnet, die mehrere Körpersysteme betreffen.

Selektionspleiotropie konzentriert sich auf die Anzahl separater Fitnesskomponenten, die von einer Genmutation betroffen sind. Der Begriff Fitness bezieht sich darauf, wie erfolgreich es einem bestimmten Organismus gelingt, seine Gene durch sexuelle Reproduktion auf die nächste Generation zu übertragen. Diese Art der Pleiotropie befasst sich nur mit dem Einfluss der natürlichen Selektion auf die Merkmale.

Pleiotropiebeispiele

Ein Beispiel für Pleiotropie, die beim Menschen auftritt, ist Sichelzellenanämie. Sichelzellenstörung resultiert aus der Entwicklung abnormal geformter roter Blutkörperchen. Normale rote Blutkörperchen haben eine bikonkave, scheibenartige Form und enthalten enorme Mengen eines Proteins namens Hämoglobin.

Vergleich von Sichelzellen und normalen roten Blutkörperchen. ttsz / Getty Images Plus

Hämoglobin hilft roten Blutkörperchen, Sauerstoff an Zellen und Gewebe des Körpers zu binden und zu transportieren. Sichelzellen sind das Ergebnis einer Mutation im Beta-Globin-Gen. Diese Mutation führt zu sichelförmigen roten Blutkörperchen, die sich verklumpen und in Blutgefäßen stecken bleiben und den normalen Blutfluss blockieren. Die einzelne Mutation des Beta-Globin-Gens führt zu verschiedenen gesundheitlichen Komplikationen und schädigt mehrere Organe, einschließlich Herz, Gehirn und Lunge.

PKU

PKU-Test. Scientifica / Getty Images Plus

Phenylketonurie oder PKU, ist eine andere Krankheit, die aus Pleiotropie resultiert. PKU wird durch eine Mutation des Gens verursacht, das für die Produktion eines Enzyms namens Phenylalaninhydroxylase verantwortlich ist. Dieses Enzym spaltet die Aminosäure Phenylalanin auf, die wir durch Proteinverdauung erhalten. Ohne dieses Enzym steigt der Spiegel der Aminosäure Phenylalanin im Blut und schädigt das Nervensystem bei Säuglingen. Eine PKU-Störung kann bei Säuglingen zu verschiedenen Erkrankungen führen, einschließlich geistiger Behinderungen, Anfällen, Herzproblemen und Entwicklungsverzögerungen.

Gekräuselte Federeigenschaft

Dieses Bild zeigt Aspekte des Phänotyps von Frizzle Chicken. Erwachsene homozygote krause Hühnerfedern krümmen sich vom Körper weg. Ng, Chen Siang et al. PLoS Genet 8 (7): e1002748. doi.org/10.1371/journal.pgen.1002748

Das gekräuselte Federeigenschaft ist ein Beispiel für Pleiotropie bei Hühnern. Hühner mit diesem mutierten Federgen zeigen Federn, die sich nach außen kräuseln und nicht flach liegen. Weitere pleiotrope Effekte sind neben gekräuselten Federn ein schnellerer Stoffwechsel und vergrößerte Organe. Das Einrollen der Federn führt zu einem Wärmeverlust des Körpers, der einen schnelleren Grundstoffwechsel erfordert, um die Homöostase aufrechtzuerhalten. Andere biologische Veränderungen sind ein höherer Lebensmittelkonsum, Unfruchtbarkeit und Verzögerungen der sexuellen Reifung.

Antagonistische Pleiotropie-Hypothese

Antagonistische Pleiotropie Diese Theorie erklärt, wie Seneszenz oder biologische Alterung auf die natürliche Selektion bestimmter pleiotroper Allele zurückgeführt werden kann. Bei der antagonistischen Pleiotropie kann ein Allel, das sich negativ auf einen Organismus auswirkt, durch natürliche Selektion begünstigt werden, wenn das Allel auch vorteilhafte Wirkungen erzeugt. Antagonistisch pleiotrope Allele, die die Fortpflanzungsfähigkeit zu einem frühen Zeitpunkt des Lebens erhöhen, aber die biologische Alterung im späteren Leben fördern, werden tendenziell durch natürliche Selektion ausgewählt. Die positiven Phänotypen des pleiotropen Gens werden früh exprimiert, wenn der Reproduktionserfolg hoch ist, während die negativen Phänotypen später im Leben exprimiert werden, wenn der Reproduktionserfolg niedrig ist.

SEM von Sichelzellen und normalen roten Blutkörperchen. Callista Images / Getty Images

Das Sichelzellenmerkmal ist insofern ein Beispiel für eine antagonistische Pleiotropie, als die Hb-S-Allelmutation des Hämoglobin-Gens Vor- und Nachteile für das Überleben bietet. Diejenigen, die für das Hb-S-Allel homozygot sind, was bedeutet, dass sie zwei Hb-S-Allele des Hämoglobin-Gens haben, haben aufgrund der negativen Auswirkungen (Schädigung mehrerer Körpersysteme) des Sichelzellenmerkmals eine kurze Lebensdauer. Diejenigen, die für das Merkmal heterozygot sind, was bedeutet, dass sie ein Hb-S-Allel und ein normales Allel des Hämoglobin-Gens haben, haben nicht das gleiche Ausmaß an negativen Symptomen und zeigen Resistenz gegen Malaria. Die Häufigkeit des Hb-S-Allels ist in Populationen und Regionen mit hohen Malariaraten höher.

Quellen

• Carter, Ashley Jr und Andrew Q Nguyen. "Antagonistische Pleiotropie als weit verbreiteter Mechanismus zur Aufrechterhaltung polymorpher Krankheitsallele." BMC Medical Genetics, vol. 12, nein. 1, 2011, doi: 10.1186 / 1471-2350-12-160.
• Ng, Chen Siang et al. "Die Chicken Frizzle Feather ist auf eine α-Keratin (KRT75) -Mutation zurückzuführen, die eine defekte Rachis verursacht." PLoS-Genetik, vol. 8, nein. 7, 2012, doi: 10.1371 / journal.pgen.1002748. 
• Paaby, Annalise B. und Matthew V. Rockman. "Die vielen Gesichter der Pleiotropie." Trends in der Genetik, vol. 29, nein. 2, 2013, S. 66-73., Doi: 10.1016 / j.tig.2012.10.010.  
• "Phenylketonurie." US National Library of Medicine, Nationale Gesundheitsinstitute, ghr.nlm.nih.gov/condition/phenylketonuria.