Аллель: определение, виды и взаимодействие¶

Аллель (от греч. ἀλλήλων — «взаимно», «друг друга») — одна из альтернативных форм одного и того же гена, расположенная в одинаковых локусах гомологичных хромосом и определяющая вариант развития конкретного признака. Термин предложен датским ботаником Вильгельмом Йоханнсеном в 1909 году. Совокупность всех аллелей организма составляет его генотип, а конкретная комбинация аллелей определяет фенотип — совокупность внешних и внутренних признаков.

¶История изучения

Основы представлений об аллелях заложил Грегор Мендель в 1860-х годах, который, экспериментируя с горохом, обнаружил, что наследственные задатки существуют в парах и передаются потомкам независимо. Сам термин «аллель» появился позже, когда Йоханнсен ввёл его для обозначения «наследственных задатков» Менделя. В 1902 году Уолтер Саттон и Теодор Бовери сформулировали хромосомную теорию наследственности, связав поведение хромосом при мейозе с менделевским расщеплением признаков. Дальнейшее развитие генетики показало, что аллели — это не абстрактные единицы, а конкретные варианты нуклеотидных последовательностей ДНК.

¶Молекулярная природа аллелей

Аллели различаются по своей молекулярной структуре. Разница может заключаться в одной нуклеотидной замене (однонуклеотидный полиморфизм, SNP), во вставке или делеции фрагмента ДНК, в изменении числа тандемных повторов. Такие вариации могут приводить к изменению аминокислотной последовательности кодируемого белка, влиять на уровень экспрессии гена или на стабильность его мРНК. У диплоидных организмов каждая особь несёт по две копии каждого гена — по одной от каждого родителя, и эти копии могут быть представлены одинаковыми или разными аллелями.

¶Классификация аллелей

¶По отношению к дикому типу

• Аллели дикого типа — наиболее распространённые в природной популяции варианты, обычно обеспечивающие нормальное функционирование гена.
• Мутантные аллели — варианты, возникшие в результате мутаций и отличающиеся от дикого типа; могут быть нейтральными, вредными или редко — полезными.

¶По характеру взаимодействия

• Доминантные — аллели, фенотипический эффект которых проявляется даже в гетерозиготном состоянии (наличие одной копии достаточно для проявления признака).
• Рецессивные — аллели, эффект которых проявляется только в гомозиготном состоянии (требуются две копии).
• Кодоминантные — аллели, продукты которых проявляются одновременно (например, аллели групп крови системы AB0: IA и IB).
• Промежуточные (неполное доминирование) — гетерозигота имеет промежуточный фенотип (например, розовая окраска цветков у ночной красавицы при скрещивании красно- и белоцветковых форм).

¶По распространённости в популяции

• Полиморфные — аллели, встречающиеся с частотой более 1 % в популяции.
• Редкие — аллели с частотой менее 1 %, часто поддерживаемые мутационным давлением.

¶Множественный аллелизм

В популяции ген может существовать не в двух, а в трёх и более аллельных состояниях. Это явление называется множественным аллелизмом. Классический пример — наследование групп крови системы AB0 у человека, которое контролируется тремя аллелями: IA, IB и i. Другой известный пример — окраска шерсти у кроликов, определяемая серией из четырёх аллелей (C, cch, ch, c) с иерархией доминирования. Множественный аллелизм значительно увеличивает генетическое разнообразие популяций.

¶Генотипы и фенотипы

Сочетание двух аллелей одного гена у диплоидного организма называется генотипом по данному локусу. Возможны три основных комбинации для двух аллелей (A и a): AA (гомозигота по доминантному аллелю), Aa (гетерозигота), aa (гомозигота по рецессивному аллелю). При кодоминировании гетерозигота отличается от обеих гомозигот. Расщепление признаков у потомства при скрещивании гетерозигот подчиняется законам Менделя: при полном доминировании наблюдается соотношение фенотипов 3:1, при неполном — 1:2:1.

¶Аллели в медицинской генетике

Многие наследственные заболевания человека обусловлены мутациями в конкретных генах. Например, муковисцидоз вызывается мутациями в гене CFTR, причём описано более 2000 различных мутантных аллелей этого гена. Серповидноклеточная анемия связана с одной точковой мутацией в гене HBB (глобина), приводящей к замене глутаминовой кислоты на валин в шестой позиции β-цепи гемоглобина. Гетерозиготные носители этого аллеля обладают повышенной устойчивостью к малярии, что объясняет высокую частоту мутантного аллеля в регионах, эндемичных по этому заболеванию.

¶Эволюционное значение

Аллельное разнообразие — материал для естественного отбора. Новые аллели возникают в результате мутаций, а их частота в популяции меняется под действием отбора, дрейфа генов, миграций. Полезные аллели могут закрепляться, вредные — элиминироваться. Поддерживать полиморфизм могут также балансирующий отбор (например, при гетерозиготном преимуществе), частотно-зависимый отбор и другие механизмы. Изучение распределения аллелей в популяциях лежит в основе популяционной генетики и позволяет реконструировать историю человечества, миграционные процессы и родство между народами.

¶Применение в науке и практике

В сельском хозяйстве знание аллелей используется в селекции для выведения сортов растений и пород животных с нужными качествами. В судебной медицине ДНК-анализ по полиморфным аллелям (например, по STR-локусам) применяется для идентификации личности и установления родства. В медицине определение аллельных вариантов генов позволяет оценивать предрасположенность к заболеваниям, подбирать персонализированную терапию (фармакогенетика) и проводить медико-генетическое консультирование. В биотехнологии аллели используют для создания генетически модифицированных организмов с заданными свойствами.

¶Интересные факты

• У человека лишь около 1,5–2 % генома кодирует белки, однако аллельные различия затрагивают и некодирующие области, влияя на регуляцию генов.
• Некоторые гены существуют в виде сотен аллелей: например, гены главного комплекса гистосовместимости (HLA) у человека отличаются исключительным полиморфизмом, что обеспечивает эффективную защиту от патогенов, но затрудняет подбор совместимых доноров при трансплантации.
• Понятие «аллель» применимо не только к ядерным генам, но и к генам митохондрий и пластид, хотя эти органеллы наследуются, как правило, по материнской линии и не подчиняются менделевскому расщеплению.