Alleeli

Alleelit ovat tietyn geenin vaihtoehtoisia muotoja. Monista geeneistä on useita alleeleita. Alleelien kokonaisuus eli genotyyppi määrittää eliön ulkoiset ominaisuudet eli fenotyypin. Aitotumaisten geenit ovat pääosin kromosomeissa, mutta osa niistä voi olla mitokondrioissa tai viherhiukkasissa. Bakteereissa taas voi kromosomien lisäksi olla geenejä plasmideissa.
Ihmisten ja monien muiden aitotumaisten soluista pääosa on diploideja, eli niissä on kaksi kopiota kustakin autosomaalisesta eli ei-sukupuolikromosomeihin kuuluvasta kromosomista. Vaikka kopioiden geenit ovat yleensä samat, voivat niiden alleelit olla erilaiset. Diploidien eliöiden suvullisessa lisääntymisessä jälkeläinen perii puolet autosomaalisista alleeleistaan yhdeltä vanhemmalta ja loput toiselta vanhemmalta. Yksinkertaisissa tapauksissa tietyn autosomaalisen geenin alleeleista vain yhden alleelin määrittämä ominaisuus eli fenotyyppi ilmenee diploidissa eliössä ja toinen saman geenin alleelin fenotyyppi taas ei ilmene. Esille tuleva alleeli on dominoiva ja ei-ilmenevä alleeli on resessiivinen. Resessiivisen alleelin fenotyyppi ilmenee vain jos molemmat eliön autosomaalisen geenin alleeleista ovat resessiivisiä. Fenotyyppi voi olla mitä tahansa – esimerkiksi jotkin perinnölliset sairaudet johtuvat yhden geenin virheellisestä alleelista. Ihmisillä ilmenevän Huntingtonin taudin aiheuttaa autosomaalinen dominoiva tautialleeli, eli jos yhdellä vanhemmista on yksi tautialleeli, tauti voi ilmetä 50%:lla vanhempien jälkeläisistä. Kystisen fibroosin taas aiheuttaa autosomaalinen resessiivinen tautialleeli, eli jos yhdellä vanhemmista on yksi tautialleeli, tauti ei ilmene jälkeläisillä. Taas jos molemmilla vanhemmilla on yksi kystisen fibroosin tautialleeli, voi tauti ilmetä 25%:lla jälkeläisistä.
Tuntemalla alleelien väliset vuorovaikutukset voidaan esimerkiksi ennustaa niiden fenotyyppien periytyminen jälkeläisille. Tätä voidaan hyödyntää vaikkapa sairauksien tutkimisessa ja jalostuksessa. Kaikki autosomaaliset alleelit eivät noudata yksinkertaista dominoiva/resessiivinen alleeli -tyyppistä periytymistä. Sukupuolikromosomien, mitokondrioiden ja viherhiukkasten alleelien periytyminen poikkeaa myös edellä kuvatusta autosomaalisesta periytymisestä.
Johdanto.
Eliöissä geeneistä muodostuu transkriptiossa mRNA:ta, joka yleensä muuntuu translaation kautta geenin koodin määrittämäksi proteiiniksi. Translaatio ei tosin tapahdu kaikkien geenien kohdalla, kuten ribotsyymien tapauksessa. Eliön geenien vaihtoehtomuotojen eli alleelien kokonaisuutta sanotaan genotyypiksi. Genotyyppi määrää eliön ulkomuodon eli fenotyypin. Eliöpopulaation yleisintä tai yleisimpiä alleeleita kutsutaan nimellä villityyppi. Jos yleisiä alleeleita on monia, kutsutaan tätä ilmiötä nimellä geneettinen polymorfismi.
Ihmisissä ja muissa aitotumaisissa alleelit ovat pääosin kromosomeissa, mutta osa niistä voi olla mitokondrioissa tai viherhiukkasissa. Bakteereissa taas voi kromosomien lisäksi olla alleeleita plasmideissa. Geenin sijaintia kromosomissa sanotaan joskus nimellä lokus. Mikäli solussa on kutakin kromosomia vain yksi kappale, solu on haploidi. Ihmisten siittiöt ja munasolut ovat haploideja. Solu on diploidi, mikäli siinä on kaksi kopiota kustakin kromosomista ja siten vähintään kaksi kopiota kustakin geenistä. Normaalisti pääosa ihmisten soluista on diploideja. Poikkeuksena edeltäviin ovat sairauksiin usein liittyvät geenien monistumiset ja aneuploidiat eli poikkeavat kromosomien lukumäärät. Diploideissa soluissa on siis kaksi kopiota kustakin kromosomista, joiden geenit ovat keskenään samat, mutta niiden alleelit voivat olla erilaiset ainakin osittain. Mikäli tietyn geenin alleelit ovat eri, solun sanotaan olevan heterotsygootti tämän geenin suhteen. Jos alleelit ovat samat, solu on homotsygootti geenin suhteen. Muun muassa ihmisissä poikkeuksena ovat geeneiltään erilaiset sukupuolikromosomit X ja Y. Miehissä on vain yksi X- ja Y-kromosomi, joten miehet eivät voi olla hetero- tai homotsygootteja X- tai Y-kromosomien alleelien suhteen. Naisilla on kaksi X-kromosomia, joten he voivat olla hetero- tai homotsygootteja X-kromosomien alleelien suhteen.
Dominoivat ja resessiiviset alleelit.
Diploidissa eliössä kustakin sukupuolikromosomeihin kuulumattomasta eli autosomaalisesta geenistä on vähintään kaksi alleelia, jotka voivat olla keskenään samanlaiset tai erilaiset. Esimerkiksi jotkin perinnölliset sairaudet johtuvat yksittäisen geenin virheellisistä alleeleista eli "tautialleeleista". Jos taudin ilmenemiseen riittää diploidissa eliössä yksittäinen tautialleeli, on tautialleeli vallitseva eli dominoiva. Jos sairauden ilmenemiseksi molempien eliön alleelien tulee olla tautialleelit, on tautialleeli väistyvä eli resessiivinen. Vain yhden resessiivisen tautialleelin omaavat diploidit eliöt ovat alleelin "oireettomia kantajia", sillä ne voivat siirtää sen jälkeläisilleen. Dominoivuus ja resessiivisyys voivat liittyä tautien lisäksi muihin alleelien määrittämiin eliöiden ominaisuuksiin. Erilaisissa esitystavoissa dominoivien alleelien symboleina käytetään yleensä isoja kirjaimia ja resessiivisten alleelien symboleina pieniä kirjaimia.
Mendelistinen autosomaalinen periytyminen.
Alleelien periytyvyyttä voidaan tarkastella Punnett-neliöiden avulla, jotka on nimetty Reginald Punnettin mukaan (kuva). Suvullisesti lisääntyvissä diploideissa eliöissä kummaltakin vanhemmalta 50% autosomaalisista alleeleista siirtyy satunnaisesti jälkeläiselle. Siksi niihin pätee alla kuvailtu periytyminen. Oletetaan että "B" on dominoiva tautialleeli ja "a" on terve alleeli. Jos diploidin eliön vanhempien autosomaaliset alleelit ovat
Huntingtonin tauti noudattaa yllä olevaa periytymistapaa, sillä sen aiheuttaa autosomaalinen dominoiva tautialleeli.
Jos "b" on resessiivinen tautialleeli, "a" on terve alleeli ja vanhempien autosomaaliset alleelit ovat
Sirppisoluanemia noudattaa yllä olevaa periytymistapaa, sillä sen aiheuttaa autosomaalinen resessiivinen tautialleeli.
Edeltävät esimerkit noudattavat niin sanottua Mendelististä periytyvyyttä, jonka Gregor Mendel kuvaili tutkimuksissaan. Joissain tapauksissa dominanssi voi olla epätäydellistä, eli dominoivan alleelin aiheuttama ominaisuus on vahvempi kahta dominoivaa alleelia kantavilla eli homotsygooteilla (BB yllä olevissa esimerkeissä), kuin yhtä dominoivaa alleelia kantavilla eli heterotsygooteilla (aB yllä olevissa esimerkeissä).
Sukupuolikromosomaalinen periytyminen.
Aitotumaisissa alleeleita on autosomien lisäksi sukupuolikromosomeissa. Eliöissä, joissa sukupuoli määräytyy X-kromosomien ja Y-kromosomien perusteella, naaras omaa 2 X-kromosomia (XX) ja uros yhden X- ja Y-kromosomin (XY). Naaraan sukusolussa (esimerkiksi munasolussa) on siksi X-kromosomi ja uroksen sukusolussa (esimerkiksi siittiössä) on X- tai Y-kromosomi. Uroksen sukusolu siis määrää jälkeläisen sukupuolen, joten Y-kromosomin alleelit periytyvät aina isältä pojalle. X-kromosomien alleelit voivat olla dominoivia tai resessiivisiä. Esimerkki ihmisten X-kromosomaalisesta resessiivisestä sairaudesta on hemofilia A, joka johtuu tekijä VIII:n virheellisestä alleelista. Tällaiset sairaudet ovat yleisempiä miehillä, sillä heillä on vain yksi X-kromosomi. Esimerkki X-kromosomaalisesta dominantista sairaudesta taas on Rettin oireyhtymä.
Ekstrakromosomaalinen periytyminen.
Aitotumaisissa alleeleita on kromosomien lisäksi niiden ulkopuolisissa eli ekstrakromosomaalissa rakenteissa, kuten mitokondrioissa tai viherhiukkasissa. Suvullisessa lisääntymisessä tällaiset alleelit periytyvät yleensä vain naaraalta jälkeläisille, sillä urosten sukusoluissa, kuten siittiöissä tai siitepölyssä, ei usein ole mitokondrioita tai viherhiukkasia. Naaraiden sukusoluissa, kuten munasoluissa, niitä taas yleensä on. Joissain eliölajeissa ekstrakromosomaaliset alleelit voivat kuitenkin tulla molemmilta vanhemmilta tai vain urokselta. Ihmisissä jälkeläisen mitokondriot ovat usein peräisin äidiltä, jonka takia mitokondriosairaudet, kuten Leberin tauti, voivat periytyä äidin kautta. Kuitenkin 1–4 ihmisen siittiössä 100 000:sta on mitokondrio, joten harvinaisissa tapauksissa mitokondrioiden alleeleita voidaan periä myös isältä.
Penetranssi, ekspressiivisyys ja epistaasi.
Mendelistisessä periytymisessä dominoivan autosomaalisen alleelin omaavista heterotsygooteista 100% ilmentää alleelin ominaisuutta, mutta joissain tapauksissa dominoivan alleelin ominaisuuden ilmenevyys eli penetranssi voi olla pienempi. Jos 60% dominoivan alleelin suhteen heterotsygooteista eliöistä ilmentää tämän alleelin ominaisuutta, on alleelin penetranssi 60%. Esimerkiksi ihmisillä polydaktyliaa aiheuttavat alleelit ovat autosomaalisia ja dominoivia, mutta niiden penetranssi ei ole täydellistä. Polydaktyliaa potevan vanhemmilla ei siksi välttämättä ole tätä epämuodostumaa.
Myös ilmenevän ominaisuuden voimakkuus eli ekspressiivisyys voi vaihdella. Yksilössä, jossa ominaisuus ilmenee voimakkaammin, ekspressiivisyys on suurempi kuin ominaisuutta heikommin ilmentävässä yksilössä. Polydaktylian kohdalla ekspressiivisyyden voidaan sanoa olevan verrattain suurta jos sitä potevalla on kaikissa käsissä ja jaloissa yksi ylimääräinen sormi ja varvas, ja pientä, jos vaikkapa vain yhdessä kädessä on ylimääräinen sormi.
Alleelin penetranssin ja ekspressiivisyyden vaihtelu johtuu muun muassa yksilön muiden geenien alleelien vaikutuksesta ja elinympäristöstä. Esimerkiksi naalin turkin värin muutos talvella ilmenevästä valkeasta turkista kesällä ilmeneväksi ruskeaksi turkiksi johtuu ympäristön lämpötilan vaikutuksesta turkin väriin liittyvän alleelin ilmentymiseen. Puolestaan yhden tai usean geenin alleelien vaikutusta yksittäiseen alleeliin kutsutaan epistaasiksi. Epistaasissa esimerkiksi jokin eliön värjäävä proteiini voi muodostua kahden eri entsyymin kautta, jolloin kumpaakiin entsyymiä koodaavat alleelit vaikuttavat eliön väriin.
Kodominanssi.
Kaksi dominoivaa alleelia voi tuottaa eri ominaisuuden kuin yksistään, jolloin kyse on kodominanssista (eng. "codominance"). Esimerkki kodominanssista on ihmisten AB-veriryhmä. ABO-veriryhmäjärjestelmässä dominoivat alleelit ovat A ja B, ja resessiivinen alleeli on O. Yhdessä O-alleelin kanssa A tai B tuottavat vastaavasti A- tai B-veriryhmän, mutta jos henkilöllä on A- ja B-alleelit, hänen veriryhmänsä on AB, joka poikkeaa ominaisuuksiltaan A- ja B-veriryhmistä.
Ylidominanssi.
Ylidominanssi (eng. "overdominance") tarkoittaa tilannetta, jossa kahden eri alleelin omaaminen eli heterotsygotia on eliölle jollain tapaa edullisempaa kuin kahden samanlaisen alleelin omaaminen eli homotsygotia. Esimerkiksi ihmisillä ilmenevään sirppisoluanemiaan liittyy ylidominanssi. Se on resessiivinen autosomaalinen sairaus. Sirppisoluanemian ilmenemiseksi henkilöllä siis täytyy olla kaksi sirppisoluanemian aiheuttavaa alleelia. Terveillä ihmisillä ei ole sirppisoluanemiaa aiheuttavia alleeleita tai sitten heillä on yksi sirppisoluanemian aiheuttava alleeli. Yhden sirppisoluanemiaa aiheuttavan alleelin kantaminen on esimerkki ylidominanssista, sillä se suojaa malarialta, ja on siten edullisempaa kuin ei yhdenkään tautialleelin kanto tai kahden tautialleelin kanto eli sirppisoluanemian sairastaminen.