WAS IST PLEIOTROPIE? (MIT BEISPIELEN) - BIOLOGIE - 2025

Die Pleiotropie ist das genetische Phänomen, bei dem die Expression eines Gens in einem Individuum die phänotypische Expression anderer nicht verwandter Merkmale beeinflusst. Etymologisch bedeutet Pleiotropie "mehr Veränderungen" oder "viele Effekte", dh mehr Effekte als von der Expression eines einzelnen Gens erwartet. Es ist auch als Polyphenie (viele Phänotypen) bekannt, aber es ist ein selten verwendeter Begriff.

Eines der Vererbungsphänomene, das die Genetiker in den Kinderschuhen dieser Wissenschaft am meisten verwirrte, waren Mutationen, die mehr als einen Charakter betrafen.

Zuerst wurde angenommen, dass jedes Zeichen von einem einzelnen Gen kontrolliert wurde. Dann wurde uns klar, dass die Manifestation eines Charakters die Beteiligung von mehr als einem Gen erfordern könnte.

Am überraschendsten ist jedoch, dass ein einzelnes Gen die Manifestation von mehr als einem vererbbaren Merkmal beeinflussen kann, was im Wesentlichen die Pleiotropie definiert.

Wenn Pleiotropie nachgewiesen wird, ist es im Allgemeinen angemessener zu sagen, dass das verantwortliche Gen pleiotrope Wirkungen hat, als dass das Gen pleiotrop ist.

Obwohl nicht alle diese Konvention einhalten, ist es wichtig zu beachten, dass das pleiotrope Gen ein bestimmtes Merkmal und nicht die Pleiotropie an sich codiert.

Andernfalls wäre "Normalität" nichts anderes als die pleiotrope Manifestation der Wirkung eines wilden Allels eines bestimmten Gens auf andere. Dies ist jedoch genetisch falsch.

Geschichte

Der Begriff Pleiotropie wurde erstmals 1910 von einem deutschen Genetiker namens Ludwig Plate verwendet. Plate verwendete den Begriff, um das Auftreten mehrerer verschiedener phänotypischer Merkmale zu erklären, die immer zusammen auftreten und möglicherweise korreliert erscheinen. Ihm zufolge ist dieses Phänomen, wenn es auftritt, auf eine Einheit der pleiotropen Vererbung zurückzuführen.

Ein anderer Deutscher, Hans Gruneberg, teilte die Pleiotropie in "echt" und "falsch" ein. Das erste war durch die Entstehung von zwei unterschiedlichen Primärprodukten an einem einzigen Standort gekennzeichnet.

Das zweite bezog sich laut diesem Autor auf ein einzelnes Primärprodukt, das auf unterschiedliche Weise verwendet wurde. Heute wurde die Gruneberg-Bedeutung von echter Pleiotropie verworfen, während falsche Pleiotropie einfach als Pleiotropie angesehen wird.

Eine weitere Unterteilung des Pleiotropiekonzepts erfolgte durch Ernst Hadorn, der darauf hinwies, dass es zwei Arten von Pleiotropie gibt: Mosaik und relationale. Das erste tritt auf, wenn ein Gen Informationen codiert, die zwei verschiedene phänotypische Merkmale beeinflussen.

Relationale Pleiotropie tritt andererseits auf, wenn ein Gen die Initiierung verschiedener miteinander zusammenhängender Ereignisse bestimmt, die mehrere unabhängige Merkmale beeinflussen.

Kacser und Burns wiesen ihrerseits darauf hin, dass jede Variation in irgendeinem Teil des Genoms alle Merkmale entweder direkt oder indirekt in unterschiedlichem Maße beeinflusst. Diese Idee ist unter dem Namen universelle Pleiotropie bekannt.

Beispiele für Gene mit pleiotropen Effekten

Die Pleiotropie ist ein Phänomen, das einige der Folgen der Wechselwirkung zwischen den Produkten von Genen beschreibt.

Viren sowie alle Organismen zellulärer Natur besitzen Gene, deren Produkte für die Manifestation anderer Charaktere wichtig sind. Diese Gene, deren Wildtyp- und mutierte Allele pleiotrope Wirkungen haben, sind unterschiedlicher Natur.

-Das Restgen in Drosophila

Bei Drosophila (der Fruchtfliege) bestimmt das Restgen den Entwicklungsstand der Flügel. Wenn dieses Gen von beiden Elternteilen geerbt wird, zeigt die Nachkommenfliege Reste und kann nicht fliegen.

Dies sind jedoch nicht die einzigen Auswirkungen des Restgens. Dieses Gen ist pleiotrop und sein Vorhandensein führt auch zu einer Verringerung der Anzahl der Eier in den Eierstöcken der Fliege. Es verändert auch die Anzahl und Anordnung der Borsten im Thorax und verkürzt die Lebensdauer.

-Pigmentierung und Taubheit bei Katzen

Das Gen, das Pigmentinformationen bei Katzen codiert, ist ein pleiotropes Gen. Aus diesem Grund ist auch ein relativ hoher Prozentsatz von Katzen mit weißem Fell und blauen Augen taub.

Selbst weiße Katzen mit einem blauen und einem gelben Auge sind nur im Ohr taub, das sich auf derselben Seite des Kopfes befindet wie das blaue Auge.

Pleiotropie bei Katzen. Weiße Katze mit Heterochromie. Entnommen und bearbeitet von: Keith Kissel über Wikimedia Commons.

-Küken mit gekräuselten Federn

Bei Hühnern erzeugt ein dominantes Gen die Wirkung von gekräuselten Federn. Es wurde gezeigt, dass dieses Gen eine pleiotrope Wirkung hat, da es andere phänotypische Wirkungen zeigt: erhöhte Stoffwechselraten, erhöhte Körpertemperatur, höhere Nahrungsaufnahme.

Zusätzlich zeigen Hühner mit diesem Gen eine verzögerte Geschlechtsreife und eine verminderte Fruchtbarkeit.

-In Menschen

Marfan-Syndrom

Zu den Symptomen dieses Syndroms gehören: ungewöhnlich große Körpergröße, fortschreitende Herzerkrankungen, Luxation der Augenlinse, Lungenerkrankungen.

Alle diese Symptome stehen in direktem Zusammenhang mit einer einzelnen Genmutation. Dieses als FBN1 bezeichnete Gen ist pleiotrop, da seine Funktion darin besteht, ein Glykoprotein zu codieren, das in Bindegeweben in verschiedenen Körperteilen verwendet wird.

Holt-Oram-Syndrom

Patienten mit diesem Syndrom haben Anomalien in den Handwurzelknochen und anderen Knochen der Vorderbeine. Zusätzlich haben etwa 3 von 4 Patienten mit diesem Syndrom Herzprobleme.

Nijmegen-Syndrom

Es ist gekennzeichnet durch die Tatsache, dass diejenigen, die darunter leiden, an Mikrozephalie, Immunschwäche, Entwicklungsstörungen und einer Neigung zu Lymphkrebs und Leukämie leiden.

-Phenylketonurie

Ein bekannter Fall einer pleiotropen Wirkung wird durch mutierte Allele verursacht, die für Phenylketonurie verantwortlich sind.

Phenylketonurie, eine Stoffwechselerkrankung, beruht auf der Mutation eines einzelnen Gens, das für das Enzym Phenylalaninhydroxylase kodiert. Das inaktive mutierte Enzym kann die Aminosäure Phenylalanin nicht abbauen; Wenn sich dies ansammelt, wird der Organismus berauscht.

Daher ist der bei Personen, die die zwei Kopien des mutierten Gens tragen, beobachtete Effekt mehrfach (pleiotrop).

Die Ursache der Krankheit oder des Syndroms ist der Mangel an Stoffwechselaktivität, der Hautausschläge, neurologische Störungen, Mikrozephalie, helle Haut und blaue Augen (aufgrund des Mangels an Melaninbildung) usw. auf verschiedenen Wegen verursacht.

Keines der Gene, die an der veränderten Manifestation dieser anderen Merkmale beteiligt sind, ist notwendigerweise mutiert.

-Andere Stoffwechselwege

Es ist sehr häufig der Fall, dass mehrere Enzyme denselben Cofaktor teilen oder verwenden, um aktiv zu sein. Dieser Cofaktor ist das Endprodukt der konzertierten Wirkung mehrerer anderer Proteine, die an diesem Biosyntheseweg beteiligt sind.

Wenn in einem der Gene, die für die Proteine ​​dieses Weges kodieren, eine Mutation erzeugt wird, wird der Cofaktor nicht produziert. Diese Mutationen haben eine pleiotrope Wirkung, da keines der Proteine, die vom aktiven Cofaktor abhängen, aktiv sein kann, obwohl ihre eigenen Gene perfekt funktionieren.

Molybdän

Beispielsweise ist Molybdän sowohl in Prokaryoten als auch in Eukaryoten für die Funktion bestimmter Enzyme essentiell.

Molybdän muss, um biologisch nützlich zu sein, mit einem anderen organischen Molekül komplexiert werden, dem Produkt der Wirkung verschiedener Enzyme in einem komplexen Stoffwechselweg.

Sobald dieser mit Molybdän komplexierte Cofaktor gebildet ist, wird er von allen Molybdoproteinen verwendet, um jeweils seine eigene Funktion auszuüben.

Der pleiotrope Effekt in einer Mutation, der die Synthese des Molybdocofaktors verhindert, manifestiert sich nicht nur in dessen Fehlen, sondern auch im Verlust der enzymatischen Aktivität aller Molybdoenzyme des Individuums, das die Mutation trägt.

-Laminopathien

Die Kernschicht ist ein kompliziertes Netz innerhalb des Kerns, das dynamisch an seiner inneren Membran befestigt ist. Die Kernschicht reguliert unter anderem die Architektur des Kerns, die Verteilung zwischen Euchromatin und Heterochromatin, die Genexpression sowie die DNA-Replikation.

Die Kernschicht besteht aus wenigen Proteinen, die zusammen als Laminine bekannt sind. Da es sich um Strukturproteine ​​handelt, mit denen eine Vielzahl von anderen interagieren, hat jede Mutation, die Ihre Gene beeinflusst, pleiotrope Auswirkungen.

Die pleiotropen Wirkungen von Mutationen in Laminin-Genen manifestieren sich als Krankheiten, die als Laminopathien bezeichnet werden.

Das heißt, eine Laminopathie ist die pleiotrope Manifestation, die aus Mutationen in Laminin-Genen resultiert. Die klinischen Manifestationen von Laminopathien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Progerie, Emery-Dreifuss-Muskeldystrophie und eine Vielzahl anderer Erkrankungen.

-Transkriptionsregulatoren

Andere Gene, deren Mutationen zu einer Vielzahl unterschiedlicher pleiotroper Effekte führen, sind solche, die für Transkriptionsregulatoren kodieren.

Dies sind Proteine, die spezifisch die Genexpression steuern; Es gibt andere, die allgemeine Regulatoren der Transkription sind. In jedem Fall bestimmt das Fehlen dieser Produkte, dass andere Gene nicht transkribiert (dh nicht exprimiert) werden.

Eine Mutation, die das Fehlen oder die Fehlfunktion eines allgemeinen oder spezifischen Transkriptionsregulators bestimmt, hat pleiotrope Wirkungen im Organismus, da kein Gen unter seiner Kontrolle exprimiert wird.

Pleiotropie und Epigenetik

Die Entdeckung von Mechanismen zur Veränderung der Genexpression, die nicht von Veränderungen der Nukleotidsequenz von Genen (Epigenetik) abhängen, hat unsere Vision von Pleiotropie bereichert.

Einer der am meisten untersuchten Aspekte der Epigenetik ist die Wirkung endogener microRNAs. Dies ist das Produkt der Transkription von Genen, die mir genannt werden.

Die Transkription eines mir-Gens führt zu einer RNA, die nach ihrer Verarbeitung im Zytoplasma als kleine inaktivierende RNA wirkt.

Diese RNAs werden als kleine Silencing-RNAs bezeichnet, da sie zu Ziel-Messenger-RNAs komplementär sein können. Durch das Verbinden wird der Bote erniedrigt und der Charakter wird nicht ausgedrückt.

In einigen Fällen kann dieses kleine Molekül an mehr als einen anderen Botenstoff binden, was natürlich zu einem pleiotropen Effekt führt.

Pleiotropie und Altern

Die Erklärung für die natürlichen Ursachen der Seneszenz könnte in der Wirkung pleiotroper Gene liegen. Nach einer von GC Williams vorgebrachten Hypothese ist Seneszenz die Folge dessen, was er als antagonistische Pleiotropie bezeichnete.

Wenn es Gene gibt, deren Produkte in verschiedenen Stadien des Lebens eines Organismus antagonistische Wirkungen haben, könnten diese Gene zum Altern beitragen.

Wenn sich die vorteilhaften Wirkungen vor der Fortpflanzung und die schädlichen Wirkungen danach manifestieren, würden sie durch natürliche Selektion begünstigt. Andernfalls würde die natürliche Selektion gegen diese Gene wirken.

Auf diese Weise wäre eine Seneszenz unvermeidlich, wenn die Gene wirklich pleiotrop sind, da die natürliche Selektion immer zugunsten von Genen wirkt, die die Reproduktion begünstigen.

Pleiotropie und Speziation

Sympatrische Speziation ist eine Art von Speziation, die ohne geografische Barrieren zwischen Populationen auftritt. Diese Art der Speziation wird offenbar durch pleiotrope Mutationen begünstigt.

Von Kondrashov entwickelte mathematische Simulationsmodelle zeigen, dass aufgrund des Auftretens ökologisch wichtiger quantitativer Merkmale bei disruptiver Selektion eine reproduktive Isolation zwischen sympatrischen Populationen auftreten kann.

Dieselben Modelle weisen darauf hin, dass diese Merkmale mit pleiotropen Genen zusammenhängen müssen. Wenn die Veränderungen auf mehrere Gene zurückzuführen sind und nicht auf ein pleiotropes, würde eine Rekombination von Genen während der Reproduktion die Speziation verhindern. Pleiotropie würde die störenden Auswirkungen der Rekombination vermeiden.

Pleiotropie und Anpassung

Das Land verändert sich ständig. Organismen müssen sich ständig ändern, um sich an neue Bedingungen anzupassen. Diese Veränderungen führen zu einer sogenannten Evolution.

Viele Autoren argumentieren, dass Evolution zu einer zunehmenden Komplexität von Organismen führt. Diese Komplexität kann morphologisch sein, wobei sich ein bestimmter Charakter unter bestimmten Umgebungsbedingungen unabhängig von einem anderen entwickeln kann.

Wenn Organismen jedoch komplexer werden, verlangsamt sich ihre Fähigkeit, auf Veränderungen zu reagieren. Dies nennt man die „evolutionären Kosten der Komplexität“.

Mathematische Modelle argumentieren, dass Anpassungen aufgrund von Änderungen in pleiotropen Genen weniger evolutionär kostspielig wären als Anpassungen aufgrund von Änderungen in Zeichen, die von einzelnen Genen codiert werden.

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