Pleiotropija — definīcija ģenētikā: gēna ietekme uz vairākiem fenotipiem

Pleiotropija ir ģenētikas jēdziens, kas apraksta situāciju, kad viens gēns ietekmē vairākas fenotipiskās pazīmes vienā organismā. Šie pleiotropiskie efekti bieži šķiet savstarpēji nesaistīti, jo viens un tas pats gēns var darboties vairākos dažādos audos vai attīstības posmos, radot atšķirīgas ietekmes katrā no tiem. Tādēļ pleiotropija ir plaši izplatīta — daudzi gēni ietekmē vairāk nekā vienu audu veidu vai fizioloģisku procesu.

Galvenie mehāniski iemesli

Gēna ekspresijas daudzveidība: viens gēns tiek izteikts vairākos audos vai attīstības laikos, radot dažādus fenotipus.
Dažādu proteīna domēnu funkcijas: viena proteīna atsevišķas daļas veic atšķirīgas funkcijas dažādās šūnās.
Signālu kaskādes un regulācija: gēna produkts var būt regulatora molekula (piem., transkripcijas faktors vai hormons), kas ietekmē daudzus mērķus un tādējādi rada vairākus fenotipus.
Alternatīvā splicinga un posmtulkošanas modifikācijas: dažādu izteiksmju formu radīšana var mainīt proteīna funkciju dažādos audos.
Ķēdes efekti: izmaiņas vienā bioloģiskā ceļā var sekmēt virkni blakusparādību citos procesos.

Piemēri

Kušinga sindroms un Marfana sindroms — ģenētiskas mutācijas, kas ietekmē vairākus orgānu sistēmas (skelets, muskuļi, sirds un asinsvadi, acu struktūras).
Fenilketonūrija (PKU) — PAH gēna defekts rada intelektuālas attīstības traucējumus, bet arī ietekmē ādas pigments un smaržu.
Ciāstiskā fibroze (CFTR) — viena mutācija ietekmē plaušas, aizkuņģa dziedzeri un vīriešu auglību.
Anēmija un palielināta izturība pret malāriju pie HbS (sickle cell) mutācijas — piemērs, kas ilustrē arī evolūcijas kompromisus.

Atšķirība no pleiomorfisma un citiem jēdzieniem

Pleiotropiju nereti mēdz sajaukt ar pleiomorfismu. Pleiomorfija apraksta gadījumu, kad ģenētiski viendabīga populācija uzrāda dažādus fenotipus (piem., atšķirīgas ģeogrāfiskas formas vai fenotipu variācijas), savukārt pleiotropija attiecas uz vienu gēnu, kas izraisa vairākas dažādas pazīmes vienā indivīdā. Tāpat pleiotropiju atšķir no saistības (linkage) un poligēniskām ietekmēm — tās ir dažādas ģenētiskas parādības ar atšķirīgiem mehānismiem.

Kliniskā un evolūcijas nozīme

Diagnostika un ārstēšana: pleiotropija var apgrūtināt slimību interpretāciju — viena mutācija var radīt daudzveidīgu klīnisko attēlu. Ārstniecībā tas nozīmē, ka terapijas mērķiem jāņem vērā iespējamās blakusparādības citās orgānu sistēmās.
Ģenētiskā konsultācija: prognozēt slimības izpausmes var būt sarežģīti, jo viena mutācija var radīt plašu fenotipu spektru.
Evolūcija: antagoniska pleiotropija var radīt kompromisus — mutācija, kas dod priekšrocību vienā aspektā (piem., auglībā), vienlaikus var būt kaitīga citur (piem., paaugstināta mirstība vēlākā vecumā). Šādas pretrunas ir svarīgas, izprotot novecošanas un saglabāšanas mehānismus populācijās.

Kā pleiotropiju atklāj un pēta

Genētiskā analīze un monogēnas slimību pētījumi — klīniskie apraksti, ģimenes pētījumi un ģenētiskā kartēšana.
Knockout un transgēnu dzīvnieku modeļi — viena gēna izslēgšana/izmainīšana parāda vairākas fenotipiskas sekas.
GWAS un populāciju genomi — viena varianta saistība ar vairākām fenotipiskām pazīmēm.
Transkriptomikas un proteomikas pētījumi — gēna ekspresijas profili dažādos audos palīdz saprast, kā rodas pleiotropiski efekti.

Secinot, pleiotropija ir būtiska ģenētikas parādība ar plašām sekām gan bioloģiskās izpētes, gan klīniskās prakses jomā. Sapratne par to palīdz skaidrot, kā viena ģenētiska izmaiņa var vienlaikus ietekmēt vairākus fenotipus un kā tas ietekmē ārstēšanas stratēģijas, diagnostiku un evolūcijas procesus.

Skatīt arī: ģenētikā.

Evolūcijas ietekme

Plejotropijai ir nozīme evolūcijas teorijā. Bieži tiek apgalvots, ka dažas dzīvnieku iedzimtās īpašības nav dabiskās atlases adaptācijas rezultāts. Daudz ko no tā var izskaidrot ar pleiotropismu. Spēcīga atlase vienam vai diviem gēnu funkcijas aspektiem automātiski radīs arī citas pleiotropas pazīmes. Šīs citas iezīmes, lai gan tās ir iedzimtas, var būt neitrālas vai pat nedaudz kaitīgas selekcijas ziņā.

Antagonistiskā pleiotropija attiecas uz gēna ekspresiju, kas izraisa vairākas konkurējošas ietekmes, no kurām dažas ir labvēlīgas, bet citas kaitīgas organismam. Iespējami trīs apstākļi:

1. Vienlaikus gēns var izraisīt kaitīgas iezīmes, ko atsver pozitīvo iezīmju izdzīvošanas vērtība.

2. Gēns var paaugstināt fizisko sagatavotību jaunākā, auglīgā organismā, bet vēlāk dzīves laikā pazemināt fizisko sagatavotību. Reproduktīvā ietekme jaunākajos dzīves posmos nodrošinās šāda gēna izplatīšanos.

3. Gēns var palielināt piemērotību dažos biotopos, bet ne citos. Tad tā izdzīvošana populācijā ir līdzsvarota. Piemērs ir baktēriju gēns, kas uzlabo glikozes izmantošanu uz citu enerģijas avotu (piemēram, laktozes) izmantošanas rēķina. Tam ir pozitīva ietekme, ja ir daudz glikozes, bet tas var būt letāls, ja vienīgais pieejamais barības avots ir laktoze.