Allel

Der Begriff Allel (UK: /ˈæliːl/, /əˈliːl/; US: /əˈliːl/; moderne Bildung aus griechisch ἄλλος állos, "anders") ⓘ

bezeichnet die Variante eines bestimmten Gens. In der Genetik ist es normal, dass Gene Abweichungen oder Diversität aufweisen - alle Allele zusammen bilden die Gesamtheit der genetischen Information, die ein Gen definiert. So wird beispielsweise die ABO-Blutgruppeneinteilung durch das ABO-Gen gesteuert, das sechs gemeinsame Varianten (Allele) aufweist. In der Populationsgenetik ist der Phänotyp des ABO-Gens bei fast jedem lebenden Menschen eine Kombination aus genau diesen sechs Allelen. ⓘ

Ein Allel ist eine Variation der gleichen Nukleotidsequenz, die für die Synthese eines Genprodukts an der gleichen Stelle eines langen DNA-Moleküls kodiert. Im untersten Extremfall kann ein Allel auf einem einzelnen Nukleotid-Polymorphismus (SNP) beruhen. Bei den höheren Extremen kann es auf Unterschieden von bis zu mehreren tausend Basenpaaren beruhen. ⓘ

Die meisten beobachteten Allele führen zu einer geringen oder gar keiner Veränderung der Funktion des Genprodukts, für das sie kodieren. Manchmal jedoch können unterschiedliche Allele zu unterschiedlichen beobachtbaren phänotypischen Merkmalen führen, wie etwa einer unterschiedlichen Pigmentierung. Ein bemerkenswertes Beispiel hierfür ist Gregor Mendels Entdeckung, dass die weißen und violetten Blütenfarben bei Erbsenpflanzen auf ein einziges Gen mit zwei Allelen zurückzuführen sind. ⓘ

Fast alle mehrzelligen Organismen haben zu einem bestimmten Zeitpunkt in ihrem Lebenszyklus zwei Chromosomensätze, d. h. sie sind diploid. In diesem Fall können die Chromosomen gepaart sein. Jedes Chromosom des Paares enthält die gleichen Gene in der gleichen Reihenfolge und an der gleichen Stelle entlang der Chromosomenlänge. Wenn die beiden Chromosomen für ein bestimmtes Gen das gleiche Allel enthalten, sind sie und der Organismus in Bezug auf dieses Gen homozygot. Wenn die Allele unterschiedlich sind, sind sie und der Organismus in Bezug auf dieses Gen heterozygot. ⓘ

Die Auswirkungen der Allelie auf die Vererbung von genotypischen und vor allem von phänotypischen Eigenschaften sind so vielfältig, dass dieser Artikel nur das Grundmuster beschreiben kann. Die hier betrachteten Lebewesen sind Diplonten. Das heißt, sie produzieren Keimzellen, Gameten, mit einem einfachen Chromosomensatz, und alle übrigen, die ‚somatischen‘ Zellen haben zwei Chromosomensätze, je einen von den in der Befruchtung zur Zygote vereinigten Keimzellen. Insbesondere betrifft das Folgende den Menschen, da er zu den Diplonten gehört. ⓘ

Etymologie

Das Wort "Allel" ist eine Kurzform von allelomorph ("andere Form", ein von den britischen Genetikern William Bateson und Edith Rebecca Saunders geprägtes Wort), das in den Anfängen der Genetik verwendet wurde, um variante Formen eines Gens zu beschreiben, die als unterschiedliche Phänotypen nachgewiesen wurden. Der Begriff leitet sich von der griechischen Vorsilbe ἀλληλο-, allelo-, ab, die "gegenseitig", "wechselseitig" oder "einander" bedeutet, was wiederum mit dem griechischen Adjektiv ἄλλος, allos (verwandt mit dem lateinischen alius), das "anders" bedeutet, verwandt ist. ⓘ

William Bateson verteidigte in seiner Schrift Mendel’s Principles of Heredity von 1902 die Annahme Mendels, dass es zwei Varianten der Erbfaktoren in jeder diploiden Zelle gebe. Er nannte die Kopie des Erbfaktors nach dem griechischen Wort für „Andere“ Allelomorph. Dieser Begriff wurde später zu Allel verkürzt. ⓘ

Allele, die zu dominanten oder rezessiven Phänotypen führen

In vielen Fällen können genotypische Interaktionen zwischen den beiden Allelen an einem Locus als dominant oder rezessiv bezeichnet werden, je nachdem, welchem der beiden homozygoten Phänotypen der Heterozygote am meisten ähnelt. Ist der Heterozygote von einem der Homozygoten nicht zu unterscheiden, ist das exprimierte Allel dasjenige, das zum "dominanten" Phänotyp führt, und das andere Allel wird als "rezessiv" bezeichnet. Der Grad und das Muster der Dominanz variiert zwischen den Loci. Diese Art der Interaktion wurde erstmals von Gregor Mendel formell beschrieben. Viele Merkmale entziehen sich jedoch dieser einfachen Kategorisierung, und die Phänotypen werden durch Ko-Dominanz und polygene Vererbung modelliert. ⓘ

Der Begriff "Wildtyp"-Allel wird manchmal verwendet, um ein Allel zu beschreiben, von dem man annimmt, dass es zu den typischen phänotypischen Merkmalen beiträgt, wie sie in "wilden" Populationen von Organismen, z. B. Fruchtfliegen (Drosophila melanogaster), zu finden sind. Ein solches "Wildtyp"-Allel wurde in der Vergangenheit als dominant (übermächtig - immer exprimiert), häufig und normal angesehen, im Gegensatz zu "mutierten" Allelen, die zu rezessiven, seltenen und häufig schädlichen Phänotypen führen. Früher ging man davon aus, dass die meisten Individuen homozygot für das "Wildtyp"-Allel an den meisten Genorten sind und dass jedes alternative "mutierte" Allel in homozygoter Form bei einer kleinen Minderheit "betroffener" Individuen gefunden wird, oft als genetische Krankheiten, und häufiger in heterozygoter Form bei "Trägern" des mutierten Allels. Heute weiß man, dass die meisten oder alle Genorte hochgradig polymorph sind, mit multiplen Allelen, deren Häufigkeit von Population zu Population variiert, und dass ein großer Teil der genetischen Variation in Form von Allelen verborgen ist, die keine offensichtlichen phänotypischen Unterschiede hervorrufen. ⓘ

Mehrere Allele

Die Augenfarbe ist ein vererbtes Merkmal, das von mehr als einem Gen beeinflusst wird, darunter OCA2 und HERC2. Das Zusammenspiel mehrerer Gene - und die Variation dieser Gene ("Allele") zwischen einzelnen Personen - tragen dazu bei, den Phänotyp der Augenfarbe einer Person zu bestimmen. Die Augenfarbe wird durch die Pigmentierung der Iris und die Frequenzabhängigkeit der Lichtstreuung durch das trübe Medium im Stroma der Iris beeinflusst. ⓘ

Im ABO-Blutgruppensystem weist eine Person mit Blutgruppe A A-Antigene auf und kann den Genotyp IAIA oder IAi haben. Eine Person mit Blutgruppe B weist B-Antigene auf und kann den Genotyp IBIB oder IBi haben. Eine Person mit Blutgruppe AB weist sowohl A- als auch B-Antigene auf und hat den Genotyp IAIB und eine Person mit Blutgruppe O, die keines der beiden Antigene aufweist, hat den Genotyp ii. ⓘ

In einer Population oder Spezies von Organismen gibt es in der Regel mehrere Allele an jedem Locus bei verschiedenen Individuen. Die allelische Variation an einem Locus ist messbar als die Anzahl der vorhandenen Allele (Polymorphismus) oder der Anteil der Heterozygoten in der Population. Ein Null-Allel ist eine Genvariante, der die normale Funktion des Gens fehlt, weil sie entweder nicht exprimiert wird oder das exprimierte Protein inaktiv ist. ⓘ

Am Genort für die Kohlenhydratantigene der ABO-Blutgruppe beim Menschen kennt die klassische Genetik beispielsweise drei Allele, IA, IB und i, die die Kompatibilität von Bluttransfusionen bestimmen. Jede Person hat einen von sechs möglichen Genotypen (IAIA, IAi, IBIB, IBi, IAIB und ii), die einen von vier möglichen Phänotypen erzeugen: "Typ A" (hervorgerufen durch die homozygoten und heterozygoten Genotypen IAIA und IAi), "Typ B" (hervorgerufen durch die homozygoten und heterozygoten Genotypen IBIB und IBi), "Typ AB", hervorgerufen durch den heterozygoten Genotyp IAIB, und "Typ O", hervorgerufen durch den homozygoten Genotyp ii. (Inzwischen weiß man, dass jedes der A-, B- und O-Allele eigentlich eine Klasse von mehreren Allelen mit unterschiedlichen DNA-Sequenzen ist, die Proteine mit identischen Eigenschaften produzieren: am ABO-Locus sind mehr als 70 Allele bekannt. Daher kann eine Person mit Blutgruppe A" ein AO-Heterozygote, ein AA-Homozygote oder ein AA-Heterozygote mit zwei verschiedenen A"-Allelen sein). ⓘ

Genotypische Häufigkeiten

Die Häufigkeit der Allele in einer diploiden Population kann zur Vorhersage der Häufigkeit der entsprechenden Genotypen verwendet werden (siehe Hardy-Weinberg-Prinzip). Für ein einfaches Modell mit zwei Allelen; ⓘ

$p+q=1\,$ ⓘ

$p^{2}+2pq+q^{2}=1\,$ ⓘ

wobei p die Häufigkeit des einen Allels und q die Häufigkeit des alternativen Allels ist, die sich notwendigerweise zu einer Einheit addieren. Dann ist p² der Anteil der Bevölkerung, der homozygot für das erste Allel ist, 2pq ist der Anteil der Heterozygoten und q² ist der Anteil der Homozygoten für das alternative Allel. Wenn das erste Allel gegenüber dem zweiten Allel dominant ist, beträgt der Anteil der Population, der den dominanten Phänotyp aufweist, p² + 2pq, und der Anteil mit dem rezessiven Phänotyp ist q². ⓘ

Mit drei Allelen:

$p+q+r=1\,$ und ⓘ

$p^{2}+q^{2}+r^{2}+2pq+2pr+2qr=1.\,$ ⓘ

Im Falle mehrerer Allele an einem diploiden Locus ist die Anzahl der möglichen Genotypen (G) mit einer Anzahl von Allelen (a) durch den Ausdruck gegeben:

$G={\frac {a(a+1)}{2}}.$ ⓘ

Alleldominanz bei genetischen Störungen

Eine Reihe von genetischen Störungen wird verursacht, wenn ein Individuum zwei rezessive Allele für ein einzelnes Genmerkmal erbt. Zu den rezessiven Erbkrankheiten gehören Albinismus, zystische Fibrose, Galaktosämie, Phenylketonurie (PKU) und Tay-Sachs-Krankheit. Andere Erkrankungen sind ebenfalls auf rezessive Allele zurückzuführen. Da sich der Genort jedoch auf dem X-Chromosom befindet, so dass Männer nur eine Kopie besitzen (d. h. hemizygot sind), treten sie bei Männern häufiger auf als bei Frauen. Beispiele hierfür sind die Rot-Grün-Farbenblindheit und das fragile X-Syndrom. ⓘ

Andere Erkrankungen, wie die Huntington-Krankheit, treten auf, wenn eine Person nur ein dominantes Allel erbt. ⓘ

Epiallele

Während vererbbare Merkmale in der Regel im Hinblick auf genetische Allele untersucht werden, können epigenetische Markierungen wie die DNA-Methylierung in bestimmten Genomregionen bei bestimmten Arten vererbt werden, ein Prozess, der als transgenerationale epigenetische Vererbung bezeichnet wird. Der Begriff Epiallele wird verwendet, um diese vererbbaren Merkmale von den herkömmlichen Allelen zu unterscheiden, die durch die Nukleotidsequenz definiert sind. Bei Mäusen und Menschen wurde eine spezielle Klasse von Epiallelen, die metastabilen Epiallele, entdeckt, die durch eine stochastische (probabilistische) Etablierung eines epigenetischen Zustands gekennzeichnet sind, der mitotisch vererbt werden kann. ⓘ

Idiomorph

Der Begriff "idiomorph", von griechisch "morphos" (Form) und "idio" (Singular, einzigartig), wurde 1990 anstelle von "Allel" eingeführt, um Sequenzen am selben Locus in verschiedenen Stämmen zu bezeichnen, die keine Sequenzähnlichkeit aufweisen und wahrscheinlich keine gemeinsame phylogenetische Beziehung haben. Er wird hauptsächlich in der genetischen Forschung der Mykologie verwendet. ⓘ

Allele im Phänotyp

Alle somatischen Zellen gehen durch Zellteilung aus der Zygote hervor und haben daher identische Chromosomen. Der betrachtete Genlokus zeigt auf den beiden homologen Chromosomen die von den zwei Keimzellen stammenden Allele. Sind die beiden Allele identisch, so heißt das Individuum homozygot, reinerbig, wenn sie verschieden sind, heterozygot oder mischerbig. ⓘ

Allele und Genotyp

Ist das Individuum homozygot mit einem Allel A am betrachteten Genlokus, so ist A ein Gen wie jedes andere und bewirkt die Ausprägung des (oder der) ihm zugeordneten Merkmals (Merkmale). Heterozygotie, ungleiche Allele A und B in den homologen Chromosomen, kann sich in verschiedener Weise auf den Phänotyp auswirken. ⓘ

Dominant/rezessiver Erbgang

Eine Möglichkeit ist, dass das eine Allel, etwa A, die ihm entsprechende Ausprägung gegenüber der von B durchsetzt. Der Phänotyp mit der Genkombination AB ist mit dem reinerbigen Phänotyp mit der Kombination AA identisch. Man sagt dann A dominiert B. In der Kombination AB heißt A dominant, B rezessiv. Man spricht von dominant/rezessivem Erbgang. Als Mendel reinerbig rotblütige mit reinerbig weißblütigen Erbsen kreuzte, RR mit WW, fand er in der ersten Generation nur rotblütige Nachkommen: RW ergab den gleichen Phänotyp wie RR. Rot war dominant, Weiß rezessiv. ⓘ

Intermediärer Erbgang

Auch bei der japanischen Wunderblume gibt es Allele R und W für rote oder weiße Blüten. Keines der beiden Gene ist jedoch dominant. Gemischterbige Individuen zeigen hier mit der Farbe Rosa eine Mischform beider Ausprägungen. Ein solcher Erbgang heißt intermediär. ⓘ

Kodominanter Erbgang

Auch die gleichzeitige Ausprägung beider den zwei Allelen entsprechenden Varianten des Merkmals ist möglich. Im Blutgruppensystem AB0 erzeugen A und B zwei verschiedene Antigene auf der Oberfläche von roten Blutkörperchen. Die Kombination AB bewirkt im Phänotyp, dass die Oberfläche der Blutkörperchen beide Antigene zeigt. Ein Erbgang, bei dem jedes Allel ungehindert vom anderen das Merkmal in der ihm eigenen Ausprägung erzeugt, heißt kodominant. ⓘ

Varianten

Von der obigen Darstellung gibt es viele Abweichungen. Einige Beispiele. Der Begriff ‚dominant‘ ist relativ zu verstehen. Auch das rezessive Allel kann seine Form des Merkmals in geringem Umfang erzeugen.– Viele Nutz- und einige Wildpflanzen sind tetra- oder oktoploid, also keine Diplonten. Der betrachtete Genlokus kann auf den vervielfachten Chromosomen mit unterschiedlichen Allelen besetzt sein, was viele verschiedene Genotypen ergibt. – Wird das von einem Gen codierte Protein in der Zelle in großen Mengen benötigt, so kann sich dieses Gen an mehreren, sogar an vielen Genloci finden, und das auf verschiedenen Chromosomen. Alle diese Genloci können jeweils mit unterschiedlichen Allelen besetzt sein.− Zum Geschlechtschromosom Y (Männer haben XY, Frauen XX) enthält die Zelle beim Mann kein Homologes und von den zwei X-Chromosomen der Frau ist eines ‚stumm geschaltet‘, also nicht aktiv. ⓘ