Allozymyalleliczne formy białka (enzymu), kodowane przez jeden polimorficzny locus genowy, różniące się strukturą pierwszorzędową. Mogą być rozdzielone przy pomocy analizy elektroforetycznej.

Zymogram przedstawiający polimorfizm locus GPI (izomerazy fosfoglukozowej) w próbie wyizolowanych z jeziora osobników wioślarek (w każdej pionowej ścieżce analizowano homogenat z pojedynczego osobnika). Osobniki homozygotyczne mają jeden prążek w ścieżce (FF: w ścieżkach nr 1, 2, 12; MM: w ścieżkach nr 3, 7, 11, SS: w ścieżce nr 10), ponieważ enzym jest dimerem osobniki heterozygotyczne mają trzy prążki (SM: w ścieżkach nr 4, 5, 6, 8; MF w ścieżce nr 9).

OpisEdytuj

Pierwszorzędowa struktura podjednostek enzymów jest zakodowana w DNA osobnika. Jeżeli locus genowy, kodujący dany enzym, jest monomorficzny (tj. występuje w nim tylko jeden allel), u wszystkich osobników jego produkty (enzymy) są identyczne. Jeżeli jednak w locusie występują różne allele, kodowane przez nie formy danego enzymu mogą różnić się nieznacznie pod względem składu aminokwasów. Takie enzymy, odmienne pod względem budowy aminokwasowej, lecz katalizujące tę samą reakcję i kodowane przez jeden locus, nazywane są allozymami[1][2]. Allozymy podlegają dziedziczeniu zgodnie z prawami Mendla (z wyjątkiem organizmów o specyficznych systemach rozrodu, np. rozmnażających się przez hybrydogenezę)[3][4].

Ponieważ aminokwasy różnią się od siebie m.in. masą cząsteczkową i ładunkiem elektrycznym, podstawienie jednego aminokwasu przez inny może spowodować zmianę masy, ładunku elektrycznego i kształtu cząsteczki enzymu. Dlatego allozymy rozróżnić można poprzez rozdział metodą analizy elektroforetycznej, w trakcie której sprawdza się prędkość migracji biocząsteczek w polu elektrycznym[1]. Nie wszystkie podstawienia aminokwasów prowadzą do zmiany ładunku lub kształtu cząsteczki enzymu[5], nie wszystkie są na tyle znaczące, by tak zmienić prędkość migracji allozymów w czasie elektroforezy, by można je było rozróżnić w praktyce, dlatego stosowanie tej techniki do wykrywania allozymów zaniżać może poziom zmienności w populacji[1][6]. Ponadto ze względu na zdegenerowanie kodu genetycznego ten sam allozym może być produktem ekspresji kilku różnych alleli genu[7], i tak np. w locus kodującym dehydrogenazę alkoholową (ADH) u Drosophila melanogaster na 14 podstawień nukleotydów w eksonach wszystkie poza jednym były synonimiczne, i to właśnie ten jeden wyjątek powodował różnice w prędkości migracji pomiędzy produktami alleli AdhS i AdhF[a][8].

Bardziej wyrafinowane, cechujące się zwiększoną rozdzielczością badania elektroforetyczne (będące np. kombinacją migracji w polu elektrycznym, gradientach gęstości, pH, ze wstępną denaturacją białek itd.) pozwoliły wykryć większą zmienność allozymatyczną niż ta ujawniana w standardowych badaniach elektroforetycznych – np. u Drosophila w locus dehydrogenazy ksantynowej (XDH), w którym za pomocą standardowych technik elektoroforezy białek zidentyfikowano początkowo 6 alleli, po zastosowaniu metod o zwiększonej rozdzielczości wykryto kilkadziesiąt kolejnych alleli[9]. Z tego względu (pojedynczy prążek na zymogramie uzyskanym w standardowej „rozdzielczości” może składać się z więcej niż jednej formy allelicznej białka) wykrywane w trakcie elektroforezy elektromorfy-allozymy są uważane raczej za grupy białek-enzymów niż za formy alleliczne w sensie ścisłym[10][11].

Polimorfizm allozymatyczny a dostosowanie fenotypuEdytuj

Różnice pomiędzy allozymami w składzie aminokwasowym mogą (choć nie muszą) przekładać się na różnice w kinetyce katalizowanej reakcji[12] – a w rezultacie mogą (choć nie muszą) mieć znaczenie fizjologiczne i dostosowawcze. Np. u myszy zaroślowej istnieje polimorfizm w locus fosfoglukomutazy (PGM), ważnego enzymu w metabolizmie węglowodanów: myszy z allozymem kodowany przez allel a tego genu szybciej uruchamiają zapasy glukozy niż myszy z allozymem b, jednocześnie przeżywalność homozygot z allelem b w warunkach zimowych jest niższa niż homozygot z allelem a[13].

Zastosowanie analizy allozymówEdytuj

Analiza allozymów była pierwszą metodą zastosowaną w latach 60. XX wieku do oszacowania zasobów zmienności genetycznej w populacjach[1], jej zastosowanie miało duże znaczenie dla genetyki populacji, systematyki i ekologii. Dzięki niej stwierdzono po raz pierwszy istnienie olbrzymiej zmienność genetycznej w populacjach[5]. W klasycznej pracy z 1966 roku Richard Lewontin i John Lee Hubby stwierdzili, że 1/3 spośród 18 loci allozymatycznych w populacjach muchówki Drosophila pseudoobscura jest polimorficzna – reprezentowana przez dwa do sześciu alleli, kodujących allozymy rozróżnialne za pomocą elektroforezy, a częstość heterozygot wynosiła średnio około 0,12 (przeciętny osobnik w populacji był heterozygotyczny w 12% loci)[14]. Odkrycie tej zmienności przyczyniło się także do sformułowania koncepcji ewolucji neutralnej, inicjując debatę pomiędzy „neutralistami” a „selekcjonistami”, uważającymi że obserwowana zmienność genetyczna jest rezultatem doboru naturalnego[15].

Allozymy okazały się być wygodnym markerem genetycznym, pozwalającym na porównanie jak bardzo populacje i gatunki różnią się pomiędzy sobą pod względem genetycznym. Analiza allozymów pozwoliła np. na pierwsze próby tworzenia zegarów molekularnych i ustalania filogenezy na podstawie podobieństw genetycznych[16], ustalanie rodzicielstwa[17], na badanie przepływu genów u hybrydyzujących gatunków[18], wpływu doboru naturalnego na populacje (np. mechanizmów utrzymywania różnorodności biologicznej) i pozwoliła przetestować przewidywania koncepcji ewolucji neutralnej[19][20].

Analiza allozymów znalazła zastosowanie w medycynie sądowej i ochronie prawnej zagrożonych gatunków. Między innymi stosowana jest do identyfikacji biologicznego pochodzenia źródła materiału biologicznego (tkanek) w materiale dowodowym, np.: do ustalenia przynależności gatunkowej mięsa (tusz), gdy zachodzi podejrzenie, że zostało ono pozyskane nielegalnie w wyniku eksploatacji gatunków (populacji) podlegających ochronie[21].

Obecnie w badaniach populacyjnych częściej stosuje się analizy zmienności na poziomie DNA, jednak analiza allozymów w dalszym ciągu znajduje zastosowanie ze względu na względnie niższe koszty niż analizy DNA i łatwość przebadania nawet kilkunastu-kilkudziesięciu loci genowych u jednego osobnika[5].

Zobacz teżEdytuj

Izoenzym

UwagiEdytuj

  1. Litery wskazuja na prędkość migracji danego allelu w trakcie elektroforezy: S – od slow ang.=wolny, F – fast ang.=szybki.

PrzypisyEdytuj

  1. a b c d Futuyma 2008 ↓, s. 205.
  2. Krzanowska 1982 ↓, s. 148.
  3. Krzanowska 2002 ↓, s. 87.
  4. Avise 2008 ↓, s. 47.
  5. a b c Szymura 2002 ↓, s. 88.
  6. Krzanowska 1982 ↓, s. 77-78, 172-173.
  7. Hames 2010 ↓, s. 271.
  8. Kreitman M. 1983. Nucleotide polymorphism at the alcohol dehydrogenase locus of Drosophila melanogaster. Nature 304: 412-417.
  9. Singh R.S., Lewontin R.C., Felton A.A. 1976. Genetic heterogeneity within electrophoretic „alleles” of xanthine dehydrogenase in Drosophila pseudoobscura. Genetics 84: 609-629.
  10. Eanes W.F. 1999. Analysis of selection on enzyme polymorphisms. Ann. Rev. Ecol. Syst. 30: 301-326.
  11. Krzanowska 2002 ↓, s. 87-88.
  12. Hames 2010 ↓, s. 96-98.
  13. Krzanowska 1982 ↓, s. 168.
  14. Lewontin R.C. & Hubby J.L. 1966. A molecular approach to the study of genic heterozygosity in natural populations. II Amount of variation and degree of heterozygosity in natural populations of Drosophila pseudoobscura. Genetics 54: 595-609.
  15. Avise ↓, s. 29-38.
  16. Avise 2008 ↓, s. 58-59, 114-118.
  17. Avise 2008 ↓, s. 58.
  18. Szymura J. & Barton G. 1991. The genetic structure of the hybrid zone between the fire-bellied toads, Bombina bombina and B. variegata: comparisons between transects and between loci. Evolution 45: 237-261.
  19. Futuyma 2008 ↓, s. 206.
  20. Avise 2008 ↓, s. 29-38.
  21. Avise 2008 ↓, s. 505.

BibliografiaEdytuj

  • J.C. Avise: Markery molekularne, historia naturalna i ewolucja. Warszawa: Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, 2008. ISBN 978-83-235-0554-9.
  • D. Hames, N Hooper: Krótkie wykłady: Biochemia. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 2010. ISBN 978-83-01-16327-3.
  • Halina Krzanowska, Adam Łomnicki, Jan Rafiński: Wprowadzenie do genetyki populacji. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1982. ISBN 83-01-02225-6.
  • 3.5: Zmienność białek. W: H. Krzanowska, Łomnicki A., Rafiński J., Szarski H., J.M. Szymura: Zarys mechanizmów ewolucji. Wyd. III zmienione. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 2002. ISBN 83-01-13723-1.

Linki zewnętrzneEdytuj

  • Bader J.M. "Measuring Genetic Variability in Natural Populations by Allozyme Electrophoresis". Association for Biology Laboratory Education. pdf, dostęp: 9 marca 2016.