Vad är en allel?

Begreppet gen är kanske det mest kritiska för studenter inom molekylärbiologi att förstå. Även människor med liten exponering för vetenskap vet vanligtvis att "genetisk" avser egenskaper som människor är födda med och kan överföra till sina avkommor, även om de inte har någon kunskap om den underliggande mekanismen för detta. På samma sätt är en typisk vuxen medveten om att barn ärver egenskaper från båda föräldrarna, och att oavsett anledning, vissa egenskaper "vinner ut" över andra.

Den som har sett en familj med till exempel en blond mamma, en mörkhårig far, fyra mörkhåriga och ett blondt barn har ett intuitivt grepp om idén att vissa fysiska egenskaper, vare sig de är fysiskt tydliga sådana som hårfärg eller höjd eller mindre uppenbara egenskaper som matallergier eller metaboliska problem, är mer benägna att bibehålla en stark närvaro i befolkningen än andra.

Den vetenskapliga enhet som länkar samman alla dessa begrepp är allel. En allel är inget annat än en form av en gen, som i sin tur är en längd av DNA, eller deoxiribonukleinsyra, som kodar för en viss proteinprodukt i kropparna av levande saker. Människor har två kopior av varje kromosom och har därför två alleler för varje gen, belägna på motsvarande delar av matchande kromosomer. Upptäckten av gener, alleler och de övergripande mekanismerna för arv och deras konsekvenser för medicin och forskning erbjuder ett verkligt fascinerande studieområde för alla vetenskapsentusiaster.

I mitten av 1800-talet var en europeisk munk vid namn Gregor Mendel upptagen med att ägna sitt liv åt att utveckla en förståelse för hur egenskaper överförs från en generation organismer till nästa. I århundraden uppfödde jordbrukare djur och växter på strategiska sätt och hade för avsikt att producera avkommor med värderade egenskaper baserade på föräldrarnas organismer. Eftersom det exakta sättet med vilket ärftlig information överfördes från föräldrar till avkomma var okänd var dessa i bästa fall oförsiktiga ansträngningar.

Mendel fokuserade sitt arbete på ärter, vilket var meningsfullt eftersom växternas genereringstider är korta och det inte fanns några etiska problem i spel som det kunde ha varit med djurämnen. Hans viktigaste upptäckt var ursprungligen att om han odlade växter tillsammans som hade tydligt olika egenskaper, dessa blandades inte i avkomman utan visade sig hela eller inte alls. Dessutom kan vissa egenskaper som var uppenbara i en generation men som inte var uppenbara i nästa återuppstå i senare generationer.

Till exempel är blommorna som är associerade med ärtplantor antingen vita eller lila, utan några mellanfärger (som lavendel eller lila) förekommer i avkommor från dessa växter; med andra ord, dessa växter uppförde sig inte som färg eller bläck. Denna iakttagelse var i strid med den rådande hypotesen om den biologiska gemenskapen vid den tiden, där konsensus gynnade någon form av blandning genom generationer. Allt sagt identifierade Mendel sju olika egenskaper hos ärtplantor som manifesterades på binära sätt, utan nr mellanliggande former: blommafärg, fröfärg, podfärg, podform, fröform, blomposition och stam längd.

Mendel insåg att för att lära sig så mycket han kunde om arv måste han vara säker att moderplantorna var renrasiga, även om han ännu inte visste hur detta hände vid molekyläret nivå. Så när han studerade genetiken för blommafärg började han med att välja en förälder från ett antal blommor som hade producerade bara lila blommor under många generationer och den andra från en sats härrörande från många generationer av exklusivt vitt blommor. Resultatet var övertygande: Alla dotterplantorna i denna första generation (F1) var lila.

Ytterligare avel av dessa F1-växter producerade en F2-generation av blommor som var både lila och vita, men i ett 3-till-1-förhållande. De oundvikliga slutsatserna var att den faktor som producerar lila färg på något sätt var dominerande över den faktor som producerade vit färg, och också att dessa faktorer kan förbli latenta men ändå överföras till efterföljande generationer och återkomma som om ingenting hade gjort hände.

Förhållandet 3-till-1 lila-blomma-till-vitt-blomma av F2-växterna, som innehöll de andra sex ärt-växtegenskaperna i exemplar från renrasiga föräldrar, fångade Mendels uppmärksamhet på grund av konsekvenserna av detta relation. Det är uppenbart att en parning av strikt vita växter och strikt lila växter måste ha producerat dotterväxter som bara fick den lila "faktorn" från den lila förälder och bara den vita "faktorn" från den vita föräldern, och i teorin måste dessa faktorer ha varit närvarande i lika stora mängder trots att F1-växterna alla är lila.

Den lila faktorn var tydligt dominerande och kan skrivas med versal P; den vita faktorn kallades recessiv och kan representeras av motsvarande liten bokstav p. Var och en av dessa faktorer blev senare kända som alleler; de är helt enkelt två varianter av samma gen, och de visas alltid på samma fysiska plats. Exempelvis kan genen för pälsfärg vara på kromosom 11 hos en given varelse; detta betyder att oavsett om allelen kodar för brunt eller om det kodar för svart, kan det på ett tillförlitligt sätt hittas på den platsen på båda kopiorna av den 11: e kromosomen som bärs av varelsen.

Om den hellila F1-generationen då innehöll faktorerna P och p (en på varje kromosom), kunde alla "typer" av dessa växter vara skriftlig Pp. En parning mellan dessa växter, som som sagt resulterade i tre lila växter för varje vit växt, kunde ge dessa kombinationer:

PP, Pp, pP, pp

i lika stora proportioner, om och endast om varje allel överfördes till nästa generation oberoende, ett tillstånd som Mendel trodde vara uppfyllt av återuppkomsten av vita blommor i F2-generationen. Om man tittar på dessa bokstavskombinationer är det uppenbart att endast när två recessiva alleler uppträder i kombination (pp) produceras vita blommor; tre av fyra F2-växter innehöll minst en P-allel och var lila.

Med detta var Mendel på god väg till berömmelse och förmögenhet (egentligen inte; hans verk nådde sin topp 1866, men publicerades inte förrän 1900, efter att han hade gått vidare). Men lika banbrytande som idén om dominerande och recessiva alleler var det viktigare information att hämta från Mendels experiment.

Ovanstående diskussion handlar om blommans färg, men den kunde ha fokuserat på någon av de andra sex egenskaper som Mendel identifierade som härrörande från dominerande och recessiva alleler. När Mendel blöde växter som var rena för en egenskap (t.ex. hade en förälder uteslutande skrynkliga frön och den andra hade uteslutande runda frön), utseendet på andra egenskaper bar inget matematiskt förhållande till förhållandet mellan runda och skrynkliga frön i efterföljande generationer.

Det vill säga, Mendel såg inte att skrynkliga ärtor var mer eller mindre benägna att vara korta, vita eller bära några av de andra ärtdrag som han har identifierat som recessiva. Detta har blivit känt som principen för oberoende sortiment, vilket helt enkelt betyder att egenskaper ärvs oberoende av varandra. Forskare vet idag att detta härrör från hur kromosomer stämmer upp och annars beter sig under reproduktionen, och det bidrar till det viktigaste upprätthållandet av genetisk mångfald.

Principen för segregering är likartad, men relaterad till dynamik inom arv i stället för mellan dynamik. Enkelt uttryckt har de två allelerna du har ärvt ingen lojalitet mot varandra och reproduktionsprocessen gynnar inte någon av dem. Om ett djur har mörka ögon på grund av närvaron av ett par en dominerande allel och en recessiv allel för denna gen (kallar denna parning Dd), detta säger absolut ingenting om var och en av dessa alleler kommer att hamna i en efterföljande generation.

D-allelen kan överföras till ett visst babydjur, eller kanske inte, och på samma sätt för d-allelen. Termen dominerande allel förvirrar ibland människor i detta sammanhang, eftersom ordet verkar innebära större reproduktionskraft, till och med en form av medveten vilja. I själva verket är denna aspekt av evolutionen lika blind som alla andra, och "dominerande" hänvisar bara till vilka egenskaper vi råkar se i världen, inte vad som är "ordinerat".

En allel är återigen helt enkelt en variant av en gen. Som beskrivits ovan finns de flesta alleler i två former, varav den ena dominerar över den andra. Att hålla detta i åtanke hjälper till att undvika att vada i lerigt vatten när det gäller att stärka dessa begrepp i ditt sinne. Ett icke-biologiskt exempel på de ovan nämnda principerna kan emellertid ge tydlighet åt de begrepp som introduceras här.

Föreställ dig de viktiga detaljerna i ditt liv som motsvaras av en lång DNA-sträng. En del av denna del är avsatt för "jobb", en annan del för "bil", en annan för "husdjur" och så vidare. Tänk dig för enkelhetens skull (och för att vara trogen mot "DNA" -analogin) att du bara kan ha ett av två jobb: chef eller arbetare. Du kan också bara ha en av två fordonstyper: kompakt bil eller SUV.

Du kan gilla en av två filmgenrer: komedi eller skräck. I terminologin för genetik skulle detta innebära att det finns gener för "bil", "film" och "jobb" i "DNA" som beskriver grunderna för din vardag. Allelerna skulle vara de specifika valen vid varje "gen" -plats. Du skulle få en "allel" från din mamma och en från din far, och i varje fall om du sårade upp med en av varje "allel" för en given "gen", skulle en av dessa helt maskera närvaron av Övrig.

Antag till exempel att det att köra en kompakt bil var dominerande över att köra en SUV. Om du ärvde två kopior av kompaktbilens "allel" skulle du köra en kompakt bil, och om du istället ärvt två SUV-"alleler" skulle du köra ett sportfordon. Men om du ärvde en av varje typ skulle du köra en kompakt bil. Observera att för att utöka analogin ordentligt måste det betonas att en av varje allel inte kunde resultera i en preferens för en hybrid av en kompakt bil och en SUV, som en mini-SUV; alleler resulterar antingen i fullständiga manifestationer av de egenskaper de är associerade med eller så är de helt tysta. (Detta är inte alltid sant i naturen; faktiskt, egenskaper som bestäms av ett enda par alleler är faktiskt sällsynta. Men ämnet för ofullständig dominans ligger utanför ramen för denna utforskning; se resurserna för vidare lärande inom detta område.)

En annan viktig sak att komma ihåg är att i allmänhet ärver alleler som hör till en given gen oberoende av de alleler som hör till andra gener. Således, i den här modellen, har den typ av bil du föredrar att köra på grund av genetik inget att göra med din arbetssätt eller din filmsmak. Detta följer av principen om oberoende sortiment.