COS'È LA PLEIOTROPIA? (CON ESEMPI) - BIOLOGIA - 2025

La pleiotropia è il fenomeno genetico in cui l'espressione di un gene in un individuo influenza l'espressione fenotipica di altri caratteri non correlati. Etimologicamente, pleiotropia significa "più cambiamenti" o "molti effetti": cioè più effetti di quelli attesi dall'espressione di un singolo gene. È anche noto come polifenia (molti fenotipi), ma è un termine usato raramente.

Uno dei fenomeni di ereditarietà che più confuse i genetisti durante l'infanzia di questa scienza era quello delle mutazioni che interessavano più di un carattere.

All'inizio si credeva che ogni personaggio fosse controllato da un singolo gene. Poi ci siamo resi conto che la manifestazione di un carattere poteva richiedere la partecipazione di più di un gene.

Ciò che è più sorprendente, tuttavia, è che un singolo gene può influenzare la manifestazione di più di un tratto ereditabile, che è essenzialmente ciò che definisce la pleiotropia.

In generale, quando la pleiotropia è dimostrata è più appropriato dire che il gene responsabile ha effetti pleiotropici piuttosto che il gene è pleiotropico.

Sebbene non tutti aderiscano a questa convenzione, è importante notare che il gene pleiotropico codifica un tratto particolare e non la pleiotropia di per sé.

Altrimenti, la "normalità" non sarebbe altro che la manifestazione pleiotropica dell'azione di un allele selvaggio di un particolare gene sugli altri. Tuttavia, questo è geneticamente sbagliato.

Storia

Il termine pleiotropia fu usato per la prima volta da un genetista tedesco di nome Ludwig Plate nel 1910. Plate usò il termine per spiegare la comparsa di diversi tratti fenotipici che si verificano sempre insieme e possono sembrare correlati. Secondo lui, questo fenomeno, quando si verifica, è dovuto a un'unità di eredità pleiotropica.

Un altro tedesco, Hans Gruneberg, ha diviso la pleiotropia in "genuina" e "spuria". Il primo è stato caratterizzato dall'emergere di due prodotti primari distinti da un'unica posizione.

Il secondo, secondo questo autore, si riferiva a un singolo prodotto primario che veniva utilizzato in modi diversi. Oggi il significato di Gruneberg di vera pleiotropia è stato scartato, mentre la pleiotropia spuria è considerata semplicemente come pleiotropia.

Un'altra divisione del concetto di pleiotropia è stata fatta da Ernst Hadorn, che ha sottolineato che c'erano due tipi di pleiotropia: a mosaico e relazionale. Il primo si verifica quando un gene codifica informazioni che influenzano due diversi tratti fenotipici.

La pleiotropia relazionale, d'altra parte, si verifica quando un gene determina l'inizio di diversi eventi correlati tra loro e che influenzeranno più tratti indipendenti.

Kacser e Burns, da parte loro, hanno sottolineato che qualsiasi variazione in qualsiasi parte del genoma influenza tutti i tratti in misura diversa, direttamente o indirettamente. Questa idea è conosciuta con il nome di pleiotropia universale.

Esempi di geni con effetti pleiotropici

La pleiotropia, essendo un fenomeno che descrive alcune delle conseguenze dell'interazione tra i prodotti dei geni, è universale.

I virus, così come tutti gli organismi di natura cellulare, possiedono geni i cui prodotti sono importanti per la manifestazione di altri caratteri. Questi geni, i cui alleli wild-type e mutanti hanno effetti pleiotropici, sono di natura diversa.

-Il gene vestigiale della Drosophila

Nella Drosophila (la mosca della frutta), il gene vestigiale determina il livello di sviluppo delle ali. Quando questo gene viene ereditato da entrambi i genitori, la mosca discendente presenterà ali vestigiali e non sarà in grado di volare.

Tuttavia, questi non saranno gli unici effetti del gene vestigiale. Questo gene è pleiotropico e la sua presenza porta anche ad una riduzione del numero di uova nelle ovaie della mosca. Inoltre modifica il numero e la disposizione delle setole nel torace e riduce la durata della vita.

-Pigmentazione e sordità nei gatti

Il gene che codifica le informazioni sulla pigmentazione nei gatti è un gene pleiotropico. Per questo motivo, anche una percentuale abbastanza alta di gatti con pelo bianco e occhi azzurri è sorda.

Anche i gatti bianchi che hanno un occhio blu e un occhio giallo sono sordi solo nell'orecchio che si trova sullo stesso lato della testa dell'occhio blu.

Pleiotropia nei gatti. Gatto bianco con eterocromia. Tratto e modificato da: Keith Kissel, tramite Wikimedia Commons.

-Pulcini con piume arricciate

Nei polli, un gene dominante produce l'effetto delle piume arruffate. Questo gene ha dimostrato di avere un effetto pleiotropico in quanto manifesta altri effetti fenotipici: aumento del metabolismo, aumento della temperatura corporea, maggiore consumo di cibo.

Inoltre, i polli con questo gene mostrano una maturità sessuale ritardata e una fertilità ridotta.

-Negli umani

Sindrome di Marfan

I sintomi di questa sindrome includono: corporatura insolitamente alta, disturbi cardiaci progressivi, lussazione del cristallino, disturbi polmonari.

Tutti questi sintomi sono direttamente correlati a una singola mutazione genetica. Questo gene, chiamato FBN1, è pleiotropico, poiché la sua funzione è quella di codificare una glicoproteina che viene utilizzata nei tessuti connettivi in ​​diverse parti del corpo.

Sindrome di Holt-Oram

I pazienti con questa sindrome presentano anomalie nelle ossa carpali e in altre ossa degli arti anteriori. Inoltre, circa 3 pazienti su 4 con questa sindrome hanno problemi cardiaci.

Sindrome di Nimega

È caratterizzato dal fatto che coloro che ne soffrono hanno microcefalia, immunodeficienza, disturbi dello sviluppo e una propensione al cancro linfatico e alla leucemia.

-Fenilchetonuria

Un caso ben noto di effetto pleiotropico è causato da alleli mutanti responsabili della fenilchetonuria.

La fenilchetonuria, una malattia metabolica, è dovuta alla mutazione di un singolo gene che codifica per l'enzima fenilalanina idrossilasi. L'enzima mutante inattivo non è in grado di abbattere l'amminoacido fenilalanina; quando questo si accumula, l'organismo si intossica.

Pertanto, l'effetto osservato negli individui portatori delle due copie del gene mutato è multiplo (pleiotropico).

La causa della malattia, o sindrome, è la mancanza di attività metabolica che provoca eruzioni cutanee, disturbi neurologici, microcefalia, pelle chiara e occhi azzurri (a causa della mancanza di produzione di melanina), ecc., Attraverso diverse vie.

Nessuno dei geni coinvolti nella manifestazione alterata di questi altri tratti è necessariamente mutato.

-Altre vie metaboliche

È molto comune il caso in cui più enzimi condividono o utilizzano lo stesso cofattore per essere attivi. Questo cofattore è il prodotto finale dell'azione concertata di molte altre proteine ​​che partecipano a questo percorso biosintetico.

Se viene generata una mutazione in uno qualsiasi dei geni che codificano per le proteine ​​di questo percorso, il cofattore non verrà prodotto. Queste mutazioni avranno un effetto pleiotropico, poiché nessuna delle proteine ​​che dipendono dal cofattore per essere attiva potrà essere attiva, sebbene i propri geni siano perfettamente funzionali.

Molibdeno

Sia nei procarioti che negli eucarioti, ad esempio, il molibdeno è essenziale per il funzionamento di alcuni enzimi.

Il molibdeno, per essere biologicamente utile, deve essere complessato con un'altra molecola organica, prodotto dell'azione di vari enzimi in una complessa via metabolica.

Una volta formato questo cofattore complessato con molibdeno, sarà utilizzato da tutte le molibdoproteine ​​per esercitare ciascuna la propria funzione.

L'effetto pleiotropico in una mutazione che impedisce la sintesi di molibdocofattore si manifesterà non solo in assenza di esso, ma anche nella perdita dell'attività enzimatica di tutti i molibdoenzimi dell'individuo portatore della mutazione.

-Laminopatie

La lamina nucleare è una maglia intricata all'interno del nucleo, attaccata dinamicamente alla sua membrana interna. La lamina nucleare regola l'architettura del nucleo, la partizione tra eucromatina ed eterocromatina, l'espressione genica e la replicazione del DNA, tra le altre cose.

La lamina centrale è costituita da poche proteine ​​note collettivamente come laminine. Poiché si tratta di proteine ​​strutturali con cui interagiscono una moltitudine di molte altre, qualsiasi mutazione che colpisce i tuoi geni avrà effetti pleiotropici.

Gli effetti pleiotropici delle mutazioni nei geni della laminina si manifesteranno come malattie chiamate laminopatie.

Cioè, una laminopatia è la manifestazione pleiotropica derivante da mutazioni nei geni della laminina. Le manifestazioni cliniche delle laminopatie includono, ma non sono limitate a, Progeria, distrofia muscolare di Emery-Dreifuss e una serie di altre condizioni.

-Regolatori trascrizionali

Altri geni le cui mutazioni danno origine a una moltitudine di diversi effetti pleiotropici sono quelli che codificano per i regolatori trascrizionali.

Queste sono proteine ​​che controllano specificamente l'espressione genica; ce ne sono altri che sono regolatori generali della trascrizione. In ogni caso, l'assenza di questi prodotti determina che altri geni non vengono trascritti (cioè non espressi).

Una mutazione che determina l'assenza o il malfunzionamento di un regolatore trascrizionale generale o specifico avrà effetti pleiotropici nell'organismo, poiché nessun gene sotto il suo controllo sarà espresso.

Pleiotropia ed epigenetica

La scoperta di meccanismi di alterazione nell'espressione genica che non dipendono da cambiamenti nella sequenza nucleotidica dei geni (epigenetica) ha arricchito la nostra visione della pleiotropia.

Uno degli aspetti più studiati dell'epigenetica è l'azione dei microRNA endogeni. Questi sono il prodotto della trascrizione di geni chiamati mir.

La trascrizione di un gene mir dà origine ad un RNA che, dopo essere stato processato, agisce nel citoplasma come un piccolo RNA inattivante.

Questi RNA sono chiamati piccoli RNA di silenziamento perché hanno la capacità di essere complementari agli RNA messaggeri bersaglio. Unendosi a loro, il messaggero viene degradato e il carattere non si esprime.

In alcuni casi questa piccola molecola può legarsi a più di un messaggero diverso, dando luogo, ovviamente, ad un effetto pleiotropico.

Pleiotropia e invecchiamento

La spiegazione delle cause naturali della senescenza potrebbe risiedere nell'effetto dei geni pleiotropici. Secondo un'ipotesi avanzata da GC Williams, la senescenza è la conseguenza di quella che ha chiamato pleiotropia antagonista.

Se ci sono geni i cui prodotti hanno effetti antagonistici in diverse fasi della vita di un organismo, allora questi geni potrebbero contribuire all'invecchiamento.

Se gli effetti benefici si manifestano prima della riproduzione e gli effetti dannosi dopo di essa, allora sarebbero favoriti dalla selezione naturale. Altrimenti, la selezione naturale funzionerebbe contro quei geni.

In questo modo, se i geni fossero realmente pleiotropici, la senescenza sarebbe inevitabile, poiché la selezione naturale agirebbe sempre a favore dei geni che favoriscono la riproduzione.

Pleiotropia e speciazione

La speciazione simpatrica è un tipo di speciazione che si verifica senza barriere geografiche tra le popolazioni. Questo tipo di speciazione è apparentemente favorito dalle mutazioni pleiotropiche.

I modelli di simulazione matematica sviluppati da Kondrashov mostrano che l'isolamento riproduttivo tra popolazioni simpatriche può verificarsi a causa della comparsa di tratti quantitativi ecologicamente importanti sotto selezione dirompente.

Questi stessi modelli indicano che questi tratti devono essere correlati ai geni pleiotropici. Se i cambiamenti sono dovuti a più geni, e non a uno pleiotropico, la ricombinazione dei geni durante la riproduzione impedirebbe la speciazione. La pleiotropia eviterebbe gli effetti dirompenti della ricombinazione.

Pleiotropia e adattamento

La terra è in continua evoluzione. Gli organismi devono cambiare costantemente per adattarsi alle nuove condizioni. Questi cambiamenti portano a ciò che è noto come evoluzione.

Molti autori sostengono che l'evoluzione porti a una crescente complessità degli organismi. Questa complessità può essere morfologica, dove un particolare carattere potrebbe evolversi indipendentemente da un altro in condizioni ambientali specifiche.

Tuttavia, man mano che gli organismi diventano più complessi, la loro capacità di rispondere ai cambiamenti rallenta. Questo è quello che viene chiamato il "costo evolutivo della complessità".

I modelli matematici sostengono che gli adattamenti dovuti a cambiamenti nei geni pleiotropici sarebbero meno costosi dal punto di vista evolutivo di quelli dovuti ai cambiamenti nei caratteri codificati dai singoli geni.

Riferimenti

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