Аллель [ 1] или аллеломорф — это вариант последовательности нуклеотидов в определенном месте или локусе молекулы ДНК . [2]
Аллели могут различаться в одном положении посредством однонуклеотидного полиморфизма (SNP) [3] , но они также могут иметь вставки и делеции длиной до нескольких тысяч пар оснований . [4]
Большинство наблюдаемых аллелей приводят к незначительным изменениям или вообще к их отсутствию в функции генного продукта, который они кодируют. Однако иногда разные аллели могут приводить к разным наблюдаемым фенотипическим признакам , таким как разная пигментация . Ярким примером этого является открытие Грегора Менделя о том, что белый и фиолетовый цвета цветов у растений гороха являются результатом одного гена с двумя аллелями.
Почти все многоклеточные организмы в какой-то момент своего биологического жизненного цикла имеют два набора хромосом ; то есть они диплоидны . В этом случае хромосомы могут быть парными . Каждая хромосома в паре содержит одни и те же гены в одном и том же порядке и в одном и том же месте по длине хромосомы. Для данного гена , если две хромосомы содержат один и тот же аллель, они и организм гомозиготны по этому гену. Если аллели разные, они и организм гетерозиготны по этому гену.
Популярные определения «аллеля» обычно относятся только к различным аллелям внутри генов. Например, группа крови АВО контролируется геном АВО , имеющим шесть общих аллелей (вариантов). В популяционной генетике фенотип почти каждого живого человека по гену АВО представляет собой комбинацию именно этих шести аллелей. [5] [6]
Слово «аллель» — это краткая форма слова «аллеломорф» («другая форма», слово, придуманное британскими генетиками Уильямом Бейтсоном и Эдит Ребеккой Сондерс ) в 1900-х годах, [7] [8] которое использовалось в первые дни генетика для описания вариантов форм гена, обнаруженных как разные фенотипы . Оно происходит от греческого префикса ἀλληλο-, аллело- , означающего «взаимный», «взаимный» или «друг друга», который сам по себе связан с греческим прилагательным ἄλλος, allos (родственным латинскому alius ), означающим «другой».
Во многих случаях генотипические взаимодействия между двумя аллелями в локусе можно описать как доминантные или рецессивные , в зависимости от того, на какой из двух гомозиготных фенотипов больше всего похожа гетерозигота . Если гетерозигота неотличима от одной из гомозигот, экспрессируемый аллель приводит к «доминантному» фенотипу, [9] [10] , а другой аллель называется «рецессивным». Степень и характер доминирования варьируются в зависимости от локуса. Этот тип взаимодействия был впервые формально описан Грегором Менделем . Однако многие признаки не поддаются этой простой классификации, и фенотипы моделируются кодоминированием и полигенным наследованием . [11]
Термин « аллель дикого типа » иногда используется для описания аллели, которая, как считается, вносит вклад в типичный фенотипический признак, наблюдаемый в «диких» популяциях организмов, таких как плодовые мухи ( Drosophila melanogaster ). Такой аллель «дикого типа» исторически считался ведущим к доминантному (подавляющему – всегда выраженному), общему и нормальному фенотипу, в отличие от « мутантных » аллелей, которые приводят к рецессивным, редким и часто вредным фенотипам. Раньше считалось, что большинство людей были гомозиготны по аллели «дикого типа» в большинстве генных локусов и что любой альтернативный «мутантный» аллель обнаруживался в гомозиготной форме у небольшого меньшинства «пораженных» людей, часто как генетические заболевания . чаще в гетерозиготной форме у « носителей » мутантного аллеля. Сейчас понятно, что большинство или все генные локусы высоко полиморфны, имеют множество аллелей, частоты которых варьируются от популяции к популяции, и что значительная часть генетических вариаций скрыта в форме аллелей, которые не вызывают очевидных фенотипических различий. Аллели дикого типа часто обозначаются верхним индексом плюс ( т.е. p + для аллели p ) . [12]
Популяция или вид организмов обычно включает в себя несколько аллелей в каждом локусе у разных особей. Аллельную изменчивость в локусе можно измерить как количество присутствующих аллелей ( полиморфизм ) или долю гетерозигот в популяции. Нулевой аллель — это вариант гена, в котором отсутствует нормальная функция гена, поскольку он либо не экспрессируется, либо экспрессируемый белок неактивен.
Например, в локусе гена углеводных антигенов группы крови АВО у человека [13] классическая генетика распознает три аллеля: IA , IB и i, которые определяют совместимость переливания крови . Любой человек имеет один из шести возможных генотипов (IA I A , I A i, I B I B , I B i, I A I B и ii), которые производят один из четырех возможных фенотипов : «Тип A» (произведенный I A I A гомозиготный и I A i гетерозиготный генотипы), «Тип B» (продуцируемый гомозиготными I B I B и I B i гетерозиготными генотипами), «Тип AB», продуцируемый гетерозиготным генотипом I A I B , и «Тип O "продуцируется ii гомозиготным генотипом. (Сейчас известно, что каждый из аллелей A, B и O на самом деле представляет собой класс множества аллелей с разными последовательностями ДНК, которые продуцируют белки с идентичными свойствами: в локусе ABO известно более 70 аллелей. [14] Отсюда Человек с кровью «типа А» может быть гетерозиготой АО, гомозиготой АА или гетерозиготой АА с двумя разными аллелями «А».)
Частоту аллелей в диплоидной популяции можно использовать для прогнозирования частот соответствующих генотипов (см. принцип Харди-Вайнберга ). Для простой модели с двумя аллелями;
где p — частота одного аллеля, а q — частота альтернативного аллеля, сумма которых обязательно равна единице. Тогда p 2 представляет собой долю популяции, гомозиготную по первому аллелю, 2 pq представляет собой долю гетерозигот и q 2 представляет собой долю гомозиготной по альтернативному аллелю. Если первый аллель доминирует над вторым, то доля популяции, которая будет демонстрировать доминантный фенотип, равна p 2 + 2 pq , а фракция с рецессивным фенотипом равна q 2 .
С тремя аллелями:
В случае наличия нескольких аллелей в диплоидном локусе количество возможных генотипов (G) с количеством аллелей (а) определяется выражением:
Ряд генетических нарушений возникает, когда человек наследует два рецессивных аллеля одного генного признака. Рецессивные генетические нарушения включают альбинизм , муковисцидоз , галактоземию , фенилкетонурию (ФКУ) и болезнь Тея-Сакса . Другие нарушения также обусловлены рецессивными аллелями, но поскольку локус гена расположен на Х-хромосоме, так что у мужчин имеется только одна копия (то есть они гемизиготны ), они чаще встречаются у мужчин, чем у женщин. Примеры включают красно-зеленую дальтонизм и синдром хрупкой Х-хромосомы .
Другие заболевания, такие как болезнь Хантингтона , возникают, когда человек наследует только один доминантный аллель.
Хотя наследственные признаки обычно изучаются с точки зрения генетических аллелей, эпигенетические метки, такие как метилирование ДНК , могут быть унаследованы в определенных областях генома у определенных видов - процесс, называемый трансгенерационным эпигенетическим наследованием . Термин эпиаллель используется, чтобы отличить эти наследственные метки от традиционных аллелей, которые определяются нуклеотидной последовательностью . [15] У мышей и людей был обнаружен особый класс эпиаллелей, метастабильные эпиаллели, который характеризуется стохастическим (вероятностным) установлением эпигенетического состояния, которое может наследоваться митотически. [16] [17]
Термин «идиоморф» от греческого «morphos» (форма) и «idio» (единственное, уникальное) был введен в 1990 году вместо «аллеля» для обозначения последовательностей в одном и том же локусе у разных штаммов, которые не имеют сходства последовательностей и не имеют сходства. вероятно, не имеют общих филогенетических отношений. Его используют главным образом в генетических исследованиях микологии . [18] [19]