Аллельные гены: определение и функции¶

Аллельные гены — это различные формы одного и того же гена, расположенные в идентичных локусах (участках) гомологичных хромосом и определяющие альтернативные варианты развития одного признака. Термин происходит от греческого слова «аллель» (др.-греч. ἀλλήλων — взаимно), что подчёркивает парный характер этих генетических элементов. В диплоидном организме, включая человека, каждая соматическая клетка содержит две копии каждого гена — по одной от каждого родителя, и именно эти парные копии называются аллелями.

¶Сущность и локализация

Аллельные гены занимают строго определённое положение — локус — в гомологичных хромосомах. Гомологичными называются хромосомы, образующие пару: одна унаследована от матери, другая — от отца. Они имеют одинаковую структуру и несут гены, отвечающие за одни и те же признаки. Если в обоих локусах находятся идентичные по нуклеотидной последовательности аллели, организм является гомозиготным по данному гену; если последовательности различаются — гетерозиготным.

Совокупность всех аллелей организма составляет его генотип, а проявление конкретного варианта признака — фенотип. В популяциях один ген может существовать не в двух, а во множестве аллельных форм — это явление называется множественным аллелизмом. Классическим примером служит ген группы крови системы AB0 у человека, который представлен тремя аллелями: Iᴬ, Iᴮ и i. Однако у конкретного диплоидного индивида одновременно присутствуют не более двух аллелей.

¶Взаимодействие аллельных генов

Характер проявления признака зависит от типа взаимодействия между аллелями в гетерозиготном состоянии. Выделяют несколько основных форм взаимодействия.

¶Полное доминирование

Наиболее распространённый тип: доминантный аллель полностью подавляет проявление рецессивного. Фенотип гетерозиготы (Aa) неотличим от фенотипа гомозиготы по доминанте (AA). Например, у гороха жёлтая окраска семян (A) доминирует над зелёной (a), поэтому генотипы AA и Aa дают одинаковые жёлтые семена. Этот принцип был сформулирован Грегором Менделем в 1865 году и лёг в основу законов наследственности.

¶Неполное доминирование

При этом типе гетерозигота имеет промежуточный фенотип. Например, при скрещивании растений ночной красавицы (Mirabilis jalapa) с красными и белыми цветками все гибриды первого поколения имеют розовые цветки. Расщепление по фенотипу во втором поколении совпадает с расщеплением по генотипу — 1:2:1.

¶Кодоминирование

Оба аллеля проявляются в фенотипе одновременно, без подавления. Классический пример — наследование групп крови AB0: у человека с генотипом IᴬIᴮ формируется четвёртая группа крови (AB), при которой на эритроцитах присутствуют оба антигена — и A, и B.

¶Сверхдоминирование

Гетерозигота (Aa) превосходит по жизнеспособности или продуктивности обе гомозиготы (AA и aa). Это явление лежит в основе гетерозиса — «гибридной силы», широко используемой в селекции растений и животных.

¶Множественный аллелизм

Взаимодействие в рамках серии аллелей одного локуса может образовывать иерархию доминирования. Помимо системы AB0, примером служит наследование окраски шерсти у кроликов: аллель сплошной окраски доминирует над всеми остальными, гималайская окраска доминирует над белой, но рецессивна по отношению к агути.

¶Законы Менделя и аллельные гены

Изучение аллельных генов составляет основу менделевской генетики. Первый закон Менделя (единообразия гибридов первого поколения) описывает результат скрещивания гомозиготных родителей: все потомки единообразны и несут доминантный признак. Второй закон (расщепления) гласит, что во втором поколении наблюдается расщепление по фенотипу 3:1 при полном доминировании и 1:2:1 при неполном. Третий закон (независимого наследования) касается генов из разных хромосом, однако аллельные гены одной пары всегда наследуются сцепленно, подчиняясь правилу чистоты гамет: в каждую гамету попадает только один аллель из пары.

¶Молекулярная природа аллелей

На молекулярном уровне аллели различаются последовательностью нуклеотидов в ДНК. Различия могут заключаться в точечных мутациях (замене одного нуклеотида), делециях, вставках или других перестройках. Даже единичная замена нуклеотида способна изменить аминокислотную последовательность белка и его функцию. Пример — серповидноклеточная анемия: замена аденина на тимин в шестом кодоне гена β-глобина приводит к замене глутаминовой кислоты на валин, что изменяет структуру гемоглобина и форму эритроцитов.

Не все мутации приводят к изменению фенотипа: нейтральные аллели могут различаться, но кодировать функционально идентичные белки. Полиморфизм нуклеотидных последовательностей (SNP) — основа генетического разнообразия человечества.

¶Аллельные гены и хромосомная теория наследственности

Согласно хромосомной теории Томаса Моргана, аллельные гены расположены в гомологичных хромосомах. В процессе мейоза гомологичные хромосомы конъюгируют и могут обмениваться участками — происходит кроссинговер. Это приводит к рекомбинации аллелей и создаёт новые комбинации генетического материала. Частота кроссинговера между генами пропорциональна расстоянию между ними, что позволило построить генетические карты хромосом.

У половых хромосом существует особенность: гены, локализованные в негомологичном участке X-хромосомы, у мужчин (XY) представлены одной копией и называются гемизиготными. Для них неприменимо понятие парности аллелей — рецессивные заболевания, такие как гемофилия или дальтонизм, проявляются у мужчин даже при единственной копии мутантного аллеля.

¶Практическое значение

Понимание природы аллельных генов имеет ключевое значение в медицине для оценки риска наследственных заболеваний. Рецессивные патологии (муковисцидоз, фенилкетонурия) проявляются только у гомозигот по мутантному аллелю; гетерозиготные носители фенотипически здоровы. Доминантные заболевания (хорея Гентингтона) развиваются при наличии одной мутантной копии.

В судебной медицине анализ аллельных вариантов коротких тандемных повторов (STR-локусов) используется для идентификации личности и установления родства. В сельском хозяйстве селекционеры направленно комбинируют аллели для получения сортов и пород с желаемыми качествами, используя явления доминирования и гетерозиса.

¶Интересные факты

• В геноме человека насчитывается около 20 тысяч генов, и большинство из них полиморфны, то есть существуют в виде нескольких аллелей.
• Группа крови по системе AB0 была открыта Карлом Ландштейнером в 1900 году, а генетическая природа множественного аллелизма установлена Феликсом Бернштейном в 1924 году.
• Некоторые гены имеют сотни аллелей: например, гены главного комплекса гистосовместимости (HLA) у человека чрезвычайно полиморфны, что обеспечивает разнообразие иммунного ответа, но затрудняет подбор совместимых доноров органов.