¿Qué es la pleiotropía? (con ejemplos)
¿Qué es la pleiotropía?
La pleiotropía es el fenómeno genético en el cual un solo gen afecta en un individuo la manifestación fenotípica de otros caracteres distintos y no relacionados.
Etimológicamente, pleiotropía significa “más cambios” o “muchos efectos”: es decir, más efectos de lo esperado por la expresión de un único gen. También se le conoce como polifenia (muchos fenotipos), pero es un término poco empleado.
Ejemplos de pleiotropía son el albinismo en los animales, la talasemia, un tipo de anemia celular, o el síndrome de Marfan, un trastorno genético producido por un gen.
Uno de los fenómenos de la herencia que confundió más a los genetistas durante el comienzo de esta ciencia fue el de las mutaciones que afectaban a más de un carácter.
En un principio se creía que cada carácter era controlado por un único gen. Luego nos dimos cuenta de que la manifestación de un carácter podía requerir de la participación de más de un gen.
Lo más sorprendente, sin embargo, es que un único gen puede afectar la manifestación de más de un rasgo heredable, que es en esencia lo que define a la pleiotropía.
En general, cuando se demuestra pleiotropía es más apropiado decir que el gen responsable tiene efectos pleiotrópicos a que el gen es pleiotrópico.
Aunque no todos respeten esta convención, es importante destacar que el gen con efecto pleiotrópico codifica para un rasgo particular y no para la pleiotropía per se.
En caso contrario, la “normalidad” no sería más que la manifestación pleiotrópica efecto de la acción de un alelo silvestre de un gen particular sobre otros. Sin embargo, esto es genéticamente erróneo.
Historia
El término pleiotropía fue usado por primera vez por un genetista alemán llamado Ludwig Plate en 1910. Plate empleó el término para explicar la aparición de varios rasgos fenotípicos distintos que ocurren siempre juntos y pueden parecer correlacionados. Según él, este fenómeno, cuando ocurre, se debe a una unidad de herencia pleiotrópica.
Otro alemán, Hans Gruneberg, dividió la pleiotropía en “genuina” y “espuria”. La primera se caracterizaba por el surgimiento de dos productos primarios distintos de un solo lugar.
La segunda, según este autor, se refería a un solo producto primario que se utilizaba de diferentes maneras. Hoy en día se ha desechado la acepción de pleiotropía genuina de Gruneberg, mientras que la pleiotropía espuria es considerada simplemente como pleiotropía.
Otra división del concepto pleiotropía fue realizada por Ernst Hadorn, quien señaló que existían dos tipos de pleiotropía: de mosaico y relacional. La primera ocurre cuando un gen codifica información que afecta a dos rasgos fenotípicos diferentes.
La pleiotropía relacional, en cambio, ocurre cuando un gen determina el inicio de diferentes eventos relacionados entre sí y que van a afectar múltiples rasgos independientes.
Kacser y Burns, por su parte, señalaron que cualquier variación en cualquier parte del genoma afecta en diferentes grados todos los rasgos, ya sea directa o indirectamente. Esta idea es conocida con el nombre de pleiotropía universal.
Ejemplos de genes con efectos pleiotrópicos
La pleiotropía, siendo un fenómeno que describe algunas de las consecuencias de la interacción entre los productos de los genes, es de carácter universal.
Los virus, así como todos los organismos de naturaleza celular, poseen genes cuyos productos son importantes para la manifestación de otros caracteres. Estos genes, cuyos alelos silvestres y mutantes tienen efectos pleiotrópicos, son de distinta naturaleza.
El gen vestigial en Drosophila
En Drosophila (la mosca de la fruta), el gen vestigial determina el nivel de desarrollo de las alas. Cuando este gen es heredado de ambos progenitores, la mosca descendiente presentará alas vestigiales y no podrá volar.
Sin embargo, estos no serán los únicos efectos del gen vestigial. Este gen es pleiotrópico y su presencia también conduce a una reducción en el número de óvulos en los ovarios de la mosca. También modifica el número y disposición de las cerdas en el tórax y reduce el tiempo de vida de esta.
Pigmentación y sordera en gatos
El gen que codifica la información de la pigmentación en gatos es un gen pleiotrópico. Debido a ello, un porcentaje bastante elevado de los gatos que presentan pelaje blanco y ojos azules, también son sordos.
Incluso, gatos blancos que presentan un ojo azul y otro amarillo, son sordos solo del oído que está en el mismo lado que el ojo azul.
Los pollos de plumas encrespadas
En pollos, un gen dominante produce el efecto de plumas encrespadas. Este gen demostró que es de efecto pleiotrópico, pues manifiesta otros efectos fenotípicos: aumento de las tasas metabólicas, incremento de la temperatura corporal, mayor consumo de alimento.
Adicionalmente, los pollos con este gen presentan retardo en la madurez sexual y disminución de la fecundidad.
En seres humanos
Síndrome de Marfan
Entre los síntomas de este síndrome se encuentran: talla corporal inusualmente elevada, desórdenes cardíacos progresivos, dislocación del cristalino del ojo, desórdenes pulmonares.
Todos estos síntomas están directamente relacionados con la mutación de un solo gen. Este gen, denominado FBN1, es pleiotrópico, pues su función es codificar una glicoproteína que es empleada en tejidos conectivos de distintas partes del cuerpo.
Síndrome de Holt-Oram
Los pacientes de este síndrome tienen anomalía en los huesos carpianos y en otros huesos de las extremidades anteriores. Adicionalmente, cerca de 3 de cada 4 pacientes con este síndrome presenta problemas cardiacos.
Síndrome de Nijmegen
Se caracteriza porque quienes la padecen presentan microcefalia, inmunodeficiencia, trastornos de desarrollo y propensión a cáncer linfático y leucemia.
Fenilcetonuria
Un caso muy conocido de efecto pleiotrópico es el causado por alelos mutantes responsables de la fenilcetonuria.
La fenilcetonuria, una enfermedad de naturaleza metabólica, se debe a la mutación de un único gen que codifica para la enzima fenilalanina hidroxilasa. La enzima mutante inactiva es incapaz de descomponer al amino ácido fenilalanina. Al acumularse este, el organismo se intoxica.
Por lo tanto, el efecto que se observa en los individuos portadores de las dos copias del gen mutado es múltiple (pleiotrópico).
La causa de la enfermedad, o síndrome, es la falta de una actividad metabólica que provoca erupciones cutáneas, desórdenes neurológicos, microcefalia, piel clara y ojos azules (por la falta de generación de melanina), etc., por distintas vías.
Ninguno de los genes que participan en la manifestación alterada de estos otros caracteres está necesariamente mutado.
Otras vías metabólicas
Es muy común el caso en el que varias enzimas comparten o emplean un mismo cofactor para ser activas. Este cofactor es el producto final de la acción conjunta de varias otras proteínas que participan en esta vía biosintética.
Si se genera una mutación en cualquiera de los genes que codifican para las proteínas de esta vía, no se producirá el cofactor.
Estas mutaciones tendrán efecto pleiotrópico, ya que ninguna de las proteínas que dependen del cofactor para ser activas podrán serlo, aunque sus propios genes sean perfectamente funcionales.
Molibdeno
Tanto en procariotas como en eucariotas, por ejemplo, el molibdeno es esencial para el funcionamiento de ciertas enzimas.
El molibdeno, para ser biológicamente útil, debe estar acomplejado a otra molécula orgánica, producto de la acción de varias enzimas en una vía metabólica compleja.
Una vez formado este cofactor acomplejado con el molibdeno, el mismo será empleado por todas las molibdoproteínas para ejercer cada una su función propia.
El efecto pleiotrópico en una mutación que impida la síntesis del molibdocofactor se verá manifestada no solo en la ausencia de este, sino en la pérdida de la actividad enzimática de todas las molibdoenzimas del individuo portador de la mutación.
Laminopatías
La lámina nuclear es una intricada malla en el interior del núcleo, adosada dinámicamente a su membrana interna. La lámina nuclear regula la arquitectura del núcleo, la partición entre eucromatina y heterocromatina, la expresión genética, así como la replicación del ADN, entre otras cosas.
La lámina del núcleo está formada por pocas proteínas colectivamente conocidas como lamininas. Como estas son proteínas estructurales con las que interactúa una multitud de muchas otras, cualquier mutación que afecte sus genes tendrá efectos pleiotrópicos.
Los efectos pleiotrópicos de mutaciones en los genes de las lamininas se manifestarán como enfermedades que se denominan laminopatías.
Es decir, una laminopatía es la manifestación pleiotrópica consecuencia de mutaciones en los genes de las lamininas. Las manifestaciones clínicas de las laminopatías incluyen, pero no se limitan a, la progeria, la distrofia muscular de Emery-Dreifuss y un sinfín de otras afectaciones más.
Reguladores transcripcionales
Otros genes cuyas mutaciones dan origen a multitud de diferentes efectos pleiotrópicos, son aquellos que codifican para reguladores transcripcionales.
Estos son proteínas que controlan la expresión de genes de manera específica. Hay otros que son reguladores generales de la transcripción. En cualquier caso, la ausencia de estos productos determina que no se expresen otros genes.
Una mutación que determine la ausencia o mal funcionamiento de un regulador transcripcional general o específico, tendrá efectos pleiotrópicos en el organismo, ya que no se expresará ningún gen bajo su control.
Pleiotropía y epigenética
El descubrimiento de mecanismos de alteración en la expresión genética que no dependen de cambios en la secuencia de nucleótidos de los genes (epigenética) ha enriquecido nuestra visión de la pleiotropía.
Uno de los aspectos más estudiados de la epigenética es el de la acción de los microARNs endógenos. Estos son producto de la transcripción de genes denominados mir.
La transcripción de un gen mir da origen a un ARN que, tras ser procesado, actúa en el citoplasma como un ARN pequeño inactivador.
Estos ARNs son llamados ARNs pequeños de silenciamiento porque poseen la capacidad de ser complementarios a ARNs mensajeros blanco. De unirse a ellos, el mensajero es degradado y el carácter no se expresa.
En algunos casos, esta pequeña molécula se puede unir a más de un mensajero distinto, dando origen, por supuesto, a un efecto pleiotrópico.
Pleiotropía y envejecimiento
La explicación de las causas naturales de la senescencia pudiera estar en el efecto de genes pleiotrópicos. Según una hipótesis planteada por G. C. Williams, la senescencia es consecuencia de lo que denominó pleiotropía antagonista.
Si existen genes cuyos productos posean efectos antagonistas en diferentes etapas de la vida de un organismo, entonces estos genes podrían contribuir al envejecimiento.
Si los efectos beneficiosos se manifiestan antes de la reproducción y los efectos perniciosos después de esta, entonces serían favorecidos por la selección natural. Pero en caso contrario, la selección natural actuaría en contra de esos genes.
De esta manera, si los genes son realmente pleiotrópicos, la senescencia sería inevitable, pues la selección natural siempre actuaría a favor de los genes que favorezcan la reproducción.
Pleiotropía y especiación
La especiación simpátrica es un tipo de especiación que ocurre sin que existan barreras geográficas entre poblaciones. Este tipo de especiación aparentemente es favorecida por mutaciones pleiotrópicas.
Modelos de simulación matemáticos desarrollados por Kondrashov muestran que el aislamiento reproductivo entre poblaciones simpátricas puede ocurrir por la aparición de rasgos cuantitativos ecológicamente importantes bajo selección disruptiva.
Esos mismos modelos señalan que dichos rasgos deben estar relacionados con genes pleiotrópicos. Si los cambios se deben a varios genes, y no a uno pleiotrópico, la recombinación de genes durante la reproducción impedirían la especiación. La pleiotropía evitaría los efectos disruptivos de la recombinación.
Pleiotropía y adaptación
La Tierra está en constante cambio. Los organismos deben cambiar continuamente para adaptarse a las nuevas condiciones. Estos cambios conducen a lo que se conoce como evolución.
Muchos autores sostienen que la evolución conlleva a una complejidad creciente de los organismos. Esta complejidad puede ser de tipo morfológica, donde un carácter particular podría evolucionar independiente de otro en condiciones ambientales específicas.
Sin embargo, a medida que los organismos se hacen más complejos, su capacidad de respuesta ante los cambios se hace más lenta. Es lo que se denomina “costo evolutivo de la complejidad”.
Modelos matemáticos sostienen que adaptaciones debidas a cambios en genes pleiotrópicos serían menos costosas evolutivamente que las debidas a cambios en caracteres codificados por genes individuales.
Referencias
- Goodenough, U. W. (1984). Genetics. W. B. Saunders Co. Ltd.
- Griffiths, A. J. F., Wessler, R., Carroll, S. B., Doebley, J. (2015). An Introduction to Genetic Analysis.
- Lobo, I. (2008). Pleiotropy: one gene can affect multiple traits. Nature Education.