Wat is een allel?

Het concept van het gen is misschien wel het meest kritische voor studenten moleculaire biologie om te begrijpen. Zelfs mensen die weinig kennis hebben van de wetenschap weten meestal dat 'genetisch' verwijst naar eigenschappen waarmee mensen worden geboren met en kunnen doorgeven aan hun nakomelingen, zelfs als ze geen kennis hebben van het onderliggende mechanisme hiervoor. Op dezelfde manier is een gemiddelde volwassene zich ervan bewust dat kinderen eigenschappen van beide ouders erven, en dat om wat voor reden dan ook, bepaalde eigenschappen het "overwinnen" van andere.

Iedereen die een gezin heeft gezien met bijvoorbeeld een blonde moeder, een donkerharige vader, vier donkerharige en een blond kind, heeft een intuïtief begrip van het idee dat sommige fysieke eigenschappen, of dat nu fysiek duidelijke kenmerken zoals haarkleur of lengte of minder voor de hand liggende kenmerken zoals voedselallergieën of stofwisselingsproblemen, hebben meer kans om een ​​sterke aanwezigheid in de bevolking te behouden dan anderen.

De wetenschappelijke entiteit die al deze concepten met elkaar verbindt, is de allel. Een allel is niets meer dan een vorm van een gen, dat op zijn beurt een stuk DNA is, of deoxyribonucleïnezuur, dat codeert voor een bepaald eiwitproduct in de lichamen van levende wezens. Mensen hebben twee kopieën van elk chromosoom en hebben daarom twee allelen voor elk gen, gelokaliseerd op overeenkomstige delen van overeenkomende chromosomen. De ontdekking van genen, allelen en de algemene mechanismen van overerving en hun implicaties voor geneeskunde en onderzoek bieden een werkelijk fascinerend studiegebied voor elke wetenschapsliefhebber.

Halverwege de 19e eeuw was een Europese monnik, Gregor Mendel genaamd, bezig zijn leven te wijden aan het ontwikkelen van een begrip van hoe eigenschappen worden doorgegeven van de ene generatie organismen naar de volgende. Eeuwenlang hadden boeren op strategische manieren dieren en planten gekweekt, met de bedoeling nakomelingen te produceren met gewaardeerde eigenschappen op basis van de eigenschappen van de ouderorganismen. Omdat de exacte manier waarop erfelijke informatie van ouders op nakomelingen werd doorgegeven onbekend was, waren dit op zijn best onnauwkeurige inspanningen.

Mendel concentreerde zijn werk op erwtenplanten, wat logisch was omdat de generatietijden van planten kort zijn en er geen ethische bezwaren in het spel waren, zoals bij dieren. Zijn belangrijkste bevinding was aanvankelijk dat als hij samen planten kweekte die duidelijk... verschillende kenmerken, deze werden niet gemengd in het nageslacht, maar kwamen in plaats daarvan geheel of niet naar voren helemaal niet. Bovendien kunnen sommige eigenschappen die in de ene generatie wel zichtbaar waren, maar in de volgende niet duidelijk zijn, in latere generaties weer de kop opsteken.

De bloemen die bij erwtenplanten horen, zijn bijvoorbeeld wit of paars, zonder tussenliggende kleuren (zoals lavendel of mauve) in de nakomelingen van deze planten; met andere woorden, deze planten gedroegen zich niet als verf of inkt. Deze observatie was in strijd met de heersende hypothese van de biologische gemeenschap in die tijd, waar de consensus voorstander was van een soort vermenging van generatie op generatie. Alles bij elkaar identificeerde Mendel zeven verschillende eigenschappen van erwtenplanten die zich op binaire manieren manifesteerden, zonder... tussenvormen: bloemkleur, zaadkleur, peulkleur, peulvorm, zaadvorm, bloemstand en stengel lengte.

Mendel erkende dat hij zeker moest zijn om zoveel mogelijk te leren over erfenissen dat de ouderplanten raszuiver waren, ook al wist hij nog niet hoe dit op de moleculaire niveau. Dus toen hij de genetica van bloemkleur bestudeerde, begon hij met het selecteren van één ouder uit een partij bloemen die… produceerde vele generaties alleen paarse bloemen en de andere van een partij die was afgeleid van vele generaties uitsluitend witte bloemen. Het resultaat was overtuigend: alle dochterplanten in deze eerste generatie (F1) waren paars.

Verdere veredeling van deze F1-planten leverde een F2-generatie bloemen op die zowel paars als wit waren, maar in een 3-op-1-verhouding. De onvermijdelijke conclusies waren dat de factor die paarse kleur produceerde op de een of andere manier dominant was over de factor die witte kleur produceerde, en ook dat deze factoren latent kunnen blijven, maar toch kunnen worden doorgegeven aan volgende generaties en weer verschijnen alsof er niets was gebeurde.

De verhouding van 3 tot 1 paarse bloem tot witte bloem van de F2-planten, die gold voor de andere zes erwtenplanteigenschappen in exemplaren afgeleid van raszuivere ouders, trokken de aandacht van Mendel vanwege de implicaties hiervan relatie. Het is duidelijk dat een paring van strikt witte planten en strikt paarse planten dochterplanten moet hebben opgeleverd die alleen de paarse "factor" van de paarse ouder en alleen de witte "factor" van de witte ouder, en in theorie moeten deze factoren in gelijke hoeveelheden aanwezig zijn geweest ondanks dat de F1-planten allemaal Purper.

De paarse factor was duidelijk dominant en kan worden geschreven met de hoofdletter P; de witte factor werd recessief genoemd en kan worden weergegeven door de bijbehorende kleine letter p. Elk van deze factoren werd later bekend als allelen; het zijn gewoon twee varianten van hetzelfde gen en ze verschijnen altijd op dezelfde fysieke locatie. Het gen voor vachtkleur kan bijvoorbeeld op chromosoom 11 van een bepaald wezen liggen; dit betekent dat of het allel nu codeert voor bruin of dat het codeert voor zwart, het op die plek betrouwbaar kan worden gevonden op beide exemplaren van het 11e chromosoom dat door het wezen wordt gedragen.

Als de volledig paarse F1-generatie de factoren P en p (één op elk chromosoom) zou bevatten, zouden alle "types" van deze planten kunnen worden geschreven pp. Een paring tussen deze planten, die zoals gezegd resulteerde in drie paarse planten per witte plant, zou deze kunnen opleveren yield combinaties:

PP, Pp, pP, pp

in gelijke verhoudingen, als en alleen als elk allel werd onafhankelijk overgedragen aan de volgende generatie, een voorwaarde waarvan Mendel geloofde dat er aan werd voldaan door het opnieuw verschijnen van witte bloemen in de F2-generatie. Als we naar deze lettercombinaties kijken, is het duidelijk dat alleen wanneer twee recessieve allelen in combinatie verschijnen (pp) witte bloemen worden geproduceerd; drie van de vier F2-planten bevatten ten minste één P-allel en waren paars.

Hiermee was Mendel goed op weg naar roem en fortuin (niet echt; zijn werk bereikte een hoogtepunt in 1866, maar werd pas in 1900 gepubliceerd, nadat hij was overleden). Maar hoe baanbrekend het idee van dominante en recessieve allelen ook was, er was meer essentiële informatie te halen uit Mendels experimenten.

De bovenstaande discussie gaat over bloemkleur, maar het had zich kunnen concentreren op een van de andere zes eigenschappen waarvan Mendel identificeerde dat ze voortkomen uit dominante en recessieve allelen. Wanneer Mendel planten bloedde die zuiver waren voor één eigenschap (bijv. de ene ouder had uitsluitend gerimpelde zaden en de andere uitsluitend ronde zaden), had het verschijnen van andere eigenschappen geen wiskundige relatie met de verhouding van ronde tot gerimpelde zaden in de daaropvolgende generaties.

Dat wil zeggen, Mendel zag niet dat gerimpelde erwten meer of minder waarschijnlijk kort of wit zouden zijn of een van de andere erwtenkenmerken zouden hebben die hij als recessief heeft geïdentificeerd. Dit is bekend geworden als het principe van onafhankelijk assortiment, wat simpelweg betekent dat eigenschappen onafhankelijk van elkaar worden geërfd. Wetenschappers weten tegenwoordig dat dit het gevolg is van de manier waarop chromosomen op één lijn liggen en zich anderszins gedragen tijdens de voortplanting, en het draagt ​​bij aan het allerbelangrijkste behoud van genetische diversiteit.

Het principe van segregatie is vergelijkbaar, maar heeft meer te maken met de overervingsdynamiek binnen de kenmerken dan met de dynamiek tussen de kenmerken. Simpel gezegd, de twee allelen die je hebt geërfd, zijn niet loyaal aan elkaar, en het voortplantingsproces begunstigt geen van beide. Als een dier donkere ogen heeft vanwege de aanwezigheid van een paar één dominant allel en één recessief allel voor dit gen (noem deze koppeling Dd), dit zegt absoluut niets over waar elk van deze allelen in een volgende terecht zal komen generatie.

Het D-allel kan worden doorgegeven aan een bepaald babydier, of misschien niet, en op dezelfde manier voor het d-allel. De term dominant allel brengt mensen in deze context soms in verwarring, omdat het woord een grotere reproductieve kracht lijkt te impliceren, zelfs een vorm van bewuste wil. In feite is dit aspect van evolutie even blind als alle andere, en 'dominant' verwijst alleen naar de eigenschappen die we toevallig in de wereld zien, niet naar wat 'verordineerd' is.

Nogmaals, een allel is gewoon een variant van een gen. Zoals hierboven beschreven, hebben de meeste allelen twee vormen, waarvan de ene dominant is over de andere. Als u dit goed in gedachten houdt, voorkomt u dat u in modderige wateren waadt als het gaat om het verstevigen van deze concepten in uw geest. Een niet-biologisch voorbeeld van bovengenoemde principes kan echter duidelijkheid scheppen in de hier geïntroduceerde begrippen.

Stel je voor dat de belangrijke details van je leven worden weergegeven door het equivalent van een lange DNA-streng. Een deel van dit onderdeel is gereserveerd voor 'baan', een ander deel voor 'auto', een ander voor 'huisdier', enzovoort. Stel je voor de eenvoud (en met het oog op trouw aan de "DNA"-analogie) voor dat je maar één van de twee banen kunt hebben: manager of arbeider. U kunt ook maar één van de twee voertuigtypen hebben: compacte auto of SUV.

Je kunt een van de twee filmgenres leuk vinden: komedie of horror. In de terminologie van genetica zou dit betekenen dat er genen voor 'auto', 'film' en 'baan' in het 'DNA' zitten die de fundamenten van je dagelijks bestaan ​​beschrijven. De allelen zouden de specifieke keuzes zijn op elke "gen" -locatie. Je zou één "allel" van je moeder en één van je vader krijgen, en in elk geval, als je verwondt met een van elk "allel" voor een bepaald "gen", zou een van deze de aanwezigheid van de. volledig maskeren andere.

Stel bijvoorbeeld dat het besturen van een compacte auto dominant was over het besturen van een SUV. Als je twee exemplaren van het 'allelen' voor compacte auto's zou hebben geërfd, zou je in een compacte auto rijden, en als je in plaats daarvan twee SUV-'allelen' zou hebben geërfd, zou je een sport-utility-voertuig besturen. Maar als je een van elk type zou hebben geërfd, zou je in een compacte auto rijden. Merk op dat om de analogie goed uit te breiden, moet worden benadrukt dat een van elk allel niet kan leiden tot een voorkeur voor een hybride van een compacte auto en een SUV, zoals een mini-SUV; allelen resulteren ofwel in volledige manifestaties van de eigenschappen waarmee ze geassocieerd zijn of ze zijn volledig stil. (Dit is niet altijd het geval in de natuur; in feite zijn eigenschappen die worden bepaald door een enkel paar allelen eigenlijk zeldzaam. Maar het onderwerp van incomplete dominantie valt buiten het bestek van deze verkenning; raadpleeg de bronnen voor meer informatie op dit gebied.)

Een ander belangrijk ding om te onthouden is dat in het algemeen allelen die betrekking hebben op een bepaald gen onafhankelijk worden geërfd van de allelen die betrekking hebben op andere genen. Dus in dit model heeft het soort auto dat u het liefst rijdt, puur vanwege de genetica, niets te maken met uw werk of uw smaak in films. Dit volgt uit het principe van onafhankelijk assortiment.