Apa itu pleiotropi? (dengan contoh)

pleiotropy adalah fenomena genetik di mana ekspresi gen dalam individu mempengaruhi ekspresi fenotipik karakter yang tidak terkait lainnya. Secara etimologis, pleiotropi berarti “lebih banyak perubahan” atau “banyak efek”: yaitu, lebih banyak efek daripada yang diharapkan dari ekspresi satu gen. Ini juga dikenal sebagai polifenia (banyak fenotipe), tetapi ini adalah istilah yang jarang digunakan.

Salah satu fenomena pewarisan yang paling membingungkan para ahli genetika selama masa kanak-kanak ilmu ini adalah mutasi yang mempengaruhi lebih dari satu karakter.

Pada awalnya diyakini bahwa setiap karakter dikendalikan oleh satu gen. Kemudian kita menyadari bahwa perwujudan suatu karakter dapat memerlukan partisipasi lebih dari satu gen.

Yang paling mengejutkan, bagaimanapun, adalah bahwa satu gen dapat mempengaruhi manifestasi lebih dari satu sifat yang diwariskan, yang pada dasarnya adalah apa yang mendefinisikan pleiotropi.

Secara umum, ketika pleiotropi ditunjukkan, lebih tepat untuk mengatakan bahwa gen yang bertanggung jawab memiliki efek pleiotropik daripada gen tersebut pleiotropik.

Meskipun tidak semua mematuhi konvensi ini, penting untuk dicatat bahwa gen pleiotropik mengkodekan sifat tertentu dan bukan pleiotropi semata .

Kalau tidak, “normalitas” tidak lebih dari manifestasi pleiotropik dari aksi alel liar dari gen tertentu pada yang lain. Namun, ini secara genetik salah.

Indeks artikel

Sejarah

Istilah pleiotropi pertama kali digunakan oleh seorang ahli genetika Jerman bernama Ludwig Plate pada tahun 1910. Plate menggunakan istilah tersebut untuk menjelaskan munculnya beberapa sifat fenotipik berbeda yang selalu muncul bersamaan dan dapat tampak berkorelasi. Menurutnya, fenomena ini, bila terjadi, disebabkan oleh satu unit pewarisan pleiotropik.

Orang Jerman lainnya, Hans Gruneberg, membagi pleiotropi menjadi “asli” dan “palsu.” Yang pertama ditandai dengan munculnya dua produk utama yang berbeda dari satu lokasi.

Yang kedua, menurut penulis ini, mengacu pada satu produk utama yang digunakan dengan cara yang berbeda. Hari ini arti Gruneberg dari pleiotropi asli telah dibuang, sementara pleiotropi palsu dianggap hanya sebagai pleiotropi.

Pembagian lain dari konsep pleiotropi dibuat oleh Ernst Hadorn, yang menunjukkan bahwa ada dua jenis pleiotropi: mosaik dan relasional. Yang pertama terjadi ketika gen mengkodekan informasi yang mempengaruhi dua sifat fenotipik yang berbeda.

Pleiotropi relasional, di sisi lain, terjadi ketika gen menentukan inisiasi berbagai peristiwa yang saling terkait yang akan memengaruhi banyak sifat independen.

Kacser dan Burns, pada bagian mereka, menunjukkan bahwa setiap variasi di bagian mana pun dari genom mempengaruhi semua sifat pada derajat yang berbeda, baik secara langsung maupun tidak langsung. Gagasan ini dikenal dengan nama pleiotropi universal.

Contoh gen dengan efek pleiotropik

Pleiotropi, sebagai fenomena yang menggambarkan beberapa konsekuensi interaksi antara produk gen, bersifat universal.

Virus, serta semua organisme yang bersifat seluler, memiliki gen yang produknya penting untuk manifestasi karakter lain. Gen-gen ini, yang alel tipe liar dan mutannya memiliki efek pleiotropik, memiliki sifat yang berbeda.

-Gen sisa pada Drosophila

Pada Drosophila (lalat buah), gen vestigial menentukan tingkat perkembangan sayap. Ketika gen ini diwarisi dari kedua orang tuanya, lalat keturunan akan menampilkan sayap sisa dan tidak akan bisa terbang.

Namun, ini bukan satu-satunya efek dari gen vestigial. Gen ini bersifat pleiotropik dan keberadaannya juga menyebabkan penurunan jumlah telur dalam ovarium lalat. Ini juga mengubah jumlah dan susunan bulu di dada dan mengurangi masa pakainya.

-Pigmentasi dan tuli pada kucing

Gen yang mengkode informasi pigmentasi pada kucing adalah gen pleiotropic. Karena itu, persentase kucing dengan bulu putih dan mata biru yang cukup tinggi juga tuli.

Bahkan kucing putih yang bermata biru dan bermata kuning tuli hanya pada telinga yang berada di sisi kepala yang sama dengan mata biru.

Pleiotropi pada kucing. Kucing putih dengan heterochromia. Diambil dan diedit dari: Keith Kissel [CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)], melalui Wikimedia Commons.

-Ayam berbulu acak-acakan

Pada ayam, gen dominan menghasilkan efek bulu acak-acakan. Gen ini terbukti memiliki efek pleiotropik karena memanifestasikan efek fenotipik lainnya: peningkatan laju metabolisme, peningkatan suhu tubuh, peningkatan konsumsi makanan.

Selain itu, ayam dengan gen ini menunjukkan keterlambatan kematangan seksual dan penurunan kesuburan.

-Pada manusia

Sindrom Marfan

Gejala sindrom ini antara lain: ukuran tubuh yang luar biasa tinggi, gangguan jantung progresif, dislokasi lensa mata, gangguan paru.

Semua gejala ini berhubungan langsung dengan mutasi gen tunggal. Gen ini, yang disebut FBN1, adalah pleiotropic, karena fungsinya untuk mengkodekan glikoprotein yang digunakan dalam jaringan ikat di berbagai bagian tubuh.

Sindrom Holt-Oram

Pasien dengan sindrom ini memiliki kelainan pada tulang karpal dan tulang kaki depan lainnya. Selain itu, sekitar 3 dari 4 pasien dengan sindrom ini memiliki masalah jantung.

Sindrom Nijmegen

Hal ini ditandai karena mereka yang menderita itu memiliki mikrosefali, imunodefisiensi, gangguan perkembangan dan kecenderungan untuk kanker limfatik dan leukemia.

-fenilketonuria

Kasus efek pleiotropik yang terkenal adalah yang disebabkan oleh alel mutan yang bertanggung jawab atas fenilketonuria.

Fenilketonuria, penyakit metabolik, disebabkan oleh mutasi gen tunggal yang mengkode enzim fenilalanin hidroksilase. Enzim mutan yang tidak aktif tidak dapat memecah asam amino fenilalanin; ketika ini terakumulasi, organisme menjadi mabuk.

Oleh karena itu, efek yang diamati pada individu yang membawa dua salinan gen yang bermutasi adalah multipel (pleiotropik).

Penyebab penyakit, atau sindrom, adalah kurangnya aktivitas metabolisme yang menyebabkan erupsi kulit, gangguan neurologis, mikrosefali, kulit putih dan mata biru (karena kurangnya generasi melanin), dll., Melalui rute yang berbeda.

Tak satu pun dari gen yang terlibat dalam manifestasi yang berubah dari sifat-sifat lain ini harus bermutasi.

-Jalur metabolisme lainnya

Sangat umum kasus di mana beberapa enzim berbagi atau menggunakan kofaktor yang sama untuk menjadi aktif. Kofaktor ini adalah produk akhir dari aksi bersama dari beberapa protein lain yang berpartisipasi dalam jalur biosintetik ini.

Jika mutasi dihasilkan pada salah satu gen yang mengkode protein dari jalur ini, kofaktor tidak akan diproduksi. Mutasi ini akan memiliki efek pleiotropik, karena tidak ada protein yang bergantung pada kofaktor untuk aktif akan dapat aktif, meskipun gen mereka sendiri berfungsi sempurna.

molibdenum

Pada prokariota dan eukariota, misalnya, molibdenum sangat penting untuk berfungsinya enzim tertentu.

Molibdenum, agar berguna secara biologis, harus dikomplekskan dengan molekul organik lain, produk aksi berbagai enzim dalam jalur metabolisme kompleks.

Setelah kofaktor yang dikomplekskan dengan molibdenum ini terbentuk, kofaktor ini akan digunakan oleh semua molibdoprotein untuk menjalankan fungsinya sendiri.

Efek pleiotropik dalam mutasi yang mencegah sintesis molibdokofaktor akan dimanifestasikan tidak hanya jika tidak ada, tetapi juga dalam hilangnya aktivitas enzimatik semua molibdoenzim individu yang membawa mutasi.

-Laminopati

Lamina nukleus adalah jaring yang rumit di dalam nukleus, yang secara dinamis melekat pada membran bagian dalamnya. Lamina nuklir mengatur arsitektur nukleus, partisi antara eukromatin dan heterokromatin, ekspresi genetik, serta replikasi DNA , antara lain.

Lamina inti terdiri dari beberapa protein yang secara kolektif dikenal sebagai laminin. Karena ini adalah protein struktural yang berinteraksi dengan banyak protein lainnya, setiap mutasi yang memengaruhi gen Anda akan memiliki efek pleiotropik.

Efek pleiotropik dari mutasi pada gen laminin akan bermanifestasi sebagai penyakit yang disebut laminopati.

Artinya, laminopati adalah manifestasi pleiotropik yang dihasilkan dari mutasi pada gen laminin. Manifestasi klinis laminopati termasuk, tetapi tidak terbatas pada, Progeria, distrofi otot Emery-Dreifuss, dan sejumlah kondisi lainnya.

-Regulator transkripsional

Gen lain yang mutasinya menimbulkan banyak efek pleiotropik yang berbeda adalah gen yang mengkode regulator transkripsi.

Ini adalah protein yang secara khusus mengontrol ekspresi gen; ada orang lain yang merupakan pengatur umum transkripsi. Bagaimanapun, tidak adanya produk ini menentukan bahwa gen lain tidak ditranskripsi (yaitu, tidak diekspresikan).

Mutasi yang menentukan tidak adanya atau malfungsi regulator transkripsi umum atau spesifik akan memiliki efek pleiotropik pada organisme, karena tidak ada gen yang akan diekspresikan di bawah kendalinya.

Pleiotropi dan epigenetik

Penemuan mekanisme perubahan ekspresi gen yang tidak bergantung pada perubahan urutan nukleotida gen (epigenetik) telah memperkaya visi kita tentang pleiotropi.

Salah satu aspek epigenetik yang paling banyak dipelajari adalah aksi microRNA endogen. Ini adalah produk dari transkripsi gen yang disebut mir .

Transkripsi gen mir memunculkan RNA yang, setelah diproses, bertindak di sitoplasma sebagai RNA kecil yang menonaktifkan.

RNA ini disebut RNA pembungkaman kecil karena mereka memiliki kemampuan untuk melengkapi RNA pembawa pesan target. Dengan bergabung dengan mereka, pembawa pesan terdegradasi dan karakter tidak terekspresikan.

Dalam beberapa kasus, molekul kecil ini dapat mengikat lebih dari satu pembawa pesan yang berbeda, tentu saja menimbulkan efek pleiotropik.

Pleiotropi dan penuaan

Penjelasan penyebab alami penuaan bisa jadi karena pengaruh gen pleiotropik. Menurut hipotesis yang diajukan oleh GC Williams, penuaan adalah konsekuensi dari apa yang disebutnya pleiotropi antagonis.

Jika ada gen yang produknya memiliki efek antagonis pada tahap yang berbeda dalam kehidupan suatu organisme, maka gen ini dapat berkontribusi pada penuaan.

Jika efek menguntungkan muncul sebelum reproduksi dan efek berbahaya setelahnya, maka mereka akan disukai oleh seleksi alam. Tetapi sebaliknya, seleksi alam akan bekerja melawan gen-gen itu.

Dengan cara ini, jika gen benar-benar pleiotropik, penuaan tidak dapat dihindari, karena seleksi alam akan selalu mendukung gen yang mendukung reproduksi.

Pleiotropi dan spesiasi

Spesiasi simpatrik adalah jenis spesiasi yang terjadi tanpa hambatan geografis antar populasi. Jenis spesiasi ini tampaknya disukai oleh mutasi pleiotropik.

Model simulasi matematika yang dikembangkan oleh Kondrashov menunjukkan bahwa isolasi reproduksi antara populasi simpatrik dapat terjadi karena munculnya sifat kuantitatif yang penting secara ekologis di bawah seleksi yang mengganggu.

Model yang sama ini menunjukkan bahwa sifat-sifat ini harus terkait dengan gen pleiotropik. Jika perubahan disebabkan oleh beberapa gen, dan bukan gen pleiotropik, rekombinasi gen selama reproduksi akan mencegah spesiasi. Pleiotropi akan menghindari efek mengganggu rekombinasi.

Pleiotropi dan adaptasi

Tanah terus berubah. Organisme harus terus-menerus berubah untuk beradaptasi dengan kondisi baru. Perubahan ini mengarah pada apa yang dikenal sebagai evolusi.

Banyak penulis berpendapat bahwa evolusi mengarah pada peningkatan kompleksitas organisme. Kompleksitas ini dapat bersifat morfologis, di mana karakter tertentu dapat berevolusi secara independen dari yang lain di bawah kondisi lingkungan tertentu.

Namun, ketika organisme menjadi lebih kompleks, kemampuan mereka untuk merespons perubahan melambat. Inilah yang disebut “biaya evolusioner dari kompleksitas”.

Model matematika berpendapat bahwa adaptasi karena perubahan gen pleiotropik akan lebih murah secara evolusi daripada adaptasi karena perubahan karakter yang dikodekan oleh gen individu.

Referensi

  1. Brooker, RJ (2017). Genetika: Analisis dan Prinsip. Pendidikan Tinggi McGraw-Hill, New York, NY, AS.
  2. Cukup baik, UW (1984) Genetika. WB Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, AS.
  3. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Sebuah Pengantar Analisis Genetika (11 th ed.). New York: WH Freeman, New York, NY, AS.
  4. Ho, R., Hegele, RA (2018) Efek kompleks dari mutasi laminopati pada struktur dan fungsi nuklir. Genetika Klinis, doi: 10.1111 / cge.13455.
  5. Lobo, I. (2008). Pleiotropi: satu gen dapat mempengaruhi banyak sifat. Pendidikan Alam, 1:10.
  6. Stitzer, MC, Ross-Ibarra, J. (2018) Domestikasi jagung dan interaksi gen. New Phytologist, 220: 395-408.