Aufgrund der natürlichen Selektion verleihen verschiedene Allele in verschiedenen Umgebungen eher einen Überlebensvorteil. Zyklen der Prävalenz und Virulenz von Infektionskrankheiten spiegeln häufig die natürliche Selektion wider.
Ausgeglichener Polymorphismus
Wenn die natürliche Selektion Individuen mit schädlichen Phänotypen aus einer Population eliminiert, warum bleiben dann schädliche mutierte Allele in einem Genpool bestehen? Eine Krankheit kann vorherrschend bleiben, wenn Heterozygoten einen anderen Vorteil gegenüber Individuen haben, die zwei Kopien des Wildtyp-Allels haben. Wenn Träger Vorteile haben, die es einem schädlichen Allel ermöglichen, in einer Population zu bestehen, ist ein ausgewogener Polymorphismus am Werk. Diese Form des Polymorphismus bringt oft Heterozygotie für eine Erbkrankheit mit sich, die vor einer Infektionskrankheit schützt. Beispiele sind faszinierend.
Sichelzellenanämie
Die Sichelzellenanämie ist eine autosomal-rezessive Erkrankung, die Anämie, Gelenkschmerzen, eine geschwollene Milz und häufige, schwere Infektionen verursacht. Es zeigt einen ausgewogenen Polymorphismus, da Träger gegen Malaria resistent sind, eine Infektion durch den Parasiten Plasmodium falciparum, die Schüttelfrost und Fieber verursacht. Der Parasit verbringt die erste Phase seines Lebenszyklus in den Speicheldrüsen der Mücke Anopheles gambiae. Wenn eine infizierte Mücke einen Menschen beißt, dringt der Malariaparasit in die roten Blutkörperchen ein, die ihn in die Leber transportieren. Die roten Blutkörperchen platzen und setzen den Parasiten im ganzen Körper frei.
1949 stellte der britische Genetiker Anthony Allison fest, dass die Häufigkeit von Sichelzellenträgern im tropischen Afrika in Regionen, in denen Malaria das ganze Jahr über wütete, höher war. Bluttests von Kindern, die mit Malaria ins Krankenhaus eingeliefert wurden, ergaben, dass fast alle für den Wildtyp des Sichelzellenallels homozygot waren. Die wenigen Sichelzellenträger unter ihnen hatten die mildesten Fälle von Malaria. War das Vorhandensein von Malaria irgendwie für das Sichelzellenallel verantwortlich, indem Menschen, die es nicht geerbt hatten, gefällt wurden? Die Tatsache, dass Sichelzellenkrankheit in den Vereinigten Staaten, wo Malaria selten ist, weit weniger verbreitet ist, unterstützt die Idee, dass Sichelzellen-Heterozygotie eine schützende Wirkung hat.
Ein weiterer Beweis für den Vorteil eines Sichelzellträgers in einer von Malaria heimgesuchten Umgebung ist die Tatsache, dass der Anstieg der Sichelzellkrankheit parallel zum Anbau von Kulturpflanzen verläuft, die Brutstätten für Anopheles-Mücken bieten. Um 1.000 v. Chr. reisten malayo-polynesische Seeleute aus Südostasien in Kanus nach Ostafrika und brachten neue Ernten von Bananen, Yamswurzeln, Taros und Kokosnüssen. Als der Dschungel gerodet wurde, um diese Pflanzen anzubauen, bot der offene Raum einen Nährboden für Moskitos. Die Insekten wiederum boten einen Lebensraum für einen Teil des Lebenszyklus des Malariaparasiten.
Das Sichelzellgen kann von Menschen aus Südarabien und Indien nach Afrika gebracht worden sein oder durch Mutation direkt in Ostafrika entstanden sein. Es kam jedoch vor, dass Menschen, die eine Kopie des Sichelzellenallels geerbt hatten, Membranen roter Blutkörperchen hatten, die den Parasiten nicht zuließen. Träger hatten mehr Kinder und gaben das schützende Allel an ungefähr die Hälfte von ihnen weiter. Allmählich stieg die Häufigkeit des Sichelzellenallels in Ostafrika von 0,1 Prozent auf spektakuläre 45 Prozent in fünfunddreißig Generationen. Träger zahlten den Preis für diesen genetischen Schutz, wenn zwei ein Kind mit Sichelzellenkrankheit hervorbrachten.
Ein Zyklus setzt ein. Siedlungen mit einer großen Anzahl von Sichelzellenträgern entkamen der schwächenden Malaria. Sie waren daher stark genug, um noch mehr Land zu roden, um Nahrung anzubauen – und die krankmachenden Mücken zu unterstützen. Noch heute ist die Sichelzellenkrankheit in landwirtschaftlichen Gesellschaften häufiger als bei Menschen, die jagen und ihre Nahrung sammeln.
Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase-Mangel
G6PD-Mangel ist ein geschlechtsgebundener Enzymmangel, von dem weltweit 400 Millionen Menschen betroffen sind. Es verursacht eine lebensbedrohliche hämolytische Anämie, bei der rote Blutkörperchen platzen. Es entwickelt sich jedoch nur unter bestimmten Bedingungen – Fava-Bohnen essen, bestimmte Arten von Pollen einatmen, bestimmte Medikamente einnehmen oder bestimmte Infektionen bekommen. Studien an afrikanischen Kindern mit schwerer Malaria zeigen, dass heterozygote Frauen und hemizygote Männer mit G6PD-Mangel unterrepräsentiert sind. Dies deutet darauf hin, dass die Vererbung des Enzymmangelgens irgendwie vor Malaria schützt.
Die Tatsache, dass der G6PD-Mangel geschlechtsgebunden ist, führt zu einer Möglichkeit, die wir bei der autosomal-rezessiven Sichelzellenanämie nicht sehen. Da sowohl Heterozygoten als auch Hemizygoten ausgewählt werden, sollte das mutierte Allel schließlich in einer Malaria-exponierten Population vorherrschen. Dies geschieht jedoch nicht – es gibt immer noch Männer hemizygot und Frauen homozygot für das Wildtyp-Allel. Der Grund bezieht sich wiederum auf die natürliche Selektion. Menschen mit dem Enzymmangel – hemizygote Männer und homozygote Frauen – werden von der Anämie aus der Bevölkerung ausgewählt. Daher wirkt die natürliche Selektion in zwei Richtungen auf die hemizygoten Männchen – Selektion für das mutierte Allel, weil es vor Malariainfektionen schützt, aber Selektion dagegen, weil ein Enzymmangel vorliegt. Dies ist die Essenz eines ausgewogenen Polymorphismus.
PKU
Phenylketonurie ist ein angeborener Fehler des Stoffwechsels, bei dem ein fehlendes Enzym die Aminosäure Phenylalanin aufbaut, mit verheerenden Auswirkungen auf das Nervensystem, es sei denn, das Individuum folgt einer restriktiven Diät. Träger dieser autosomal-rezessiven Erkrankung haben erhöhte Phenylalaninspiegel – Spiegel, die nicht hoch genug sind, um Symptome zu verursachen, aber hoch genug sind, dass sie während der Schwangerschaft eine schützende Wirkung haben können. Ärzte haben beobachtet, dass Frauen, die PKU-Träger sind, eine viel niedrigere als die durchschnittliche Inzidenz von Fehlgeburten haben. Eine Theorie besagt, dass überschüssiges Phenylalanin irgendwie ein Gift namens Ochratoxin A inaktiviert, das bestimmte Pilze produzieren und von dem bekannt ist, dass es spontane Abtreibungen verursacht.
Die Geschichte liefert den Beweis, dass die Heterozygotie der PKU mit dem Schutz vor einem Pilztoxin verbunden ist. PKU ist am häufigsten in Irland und Westschottland, und viele betroffene Familien, die anderswo leben, haben ihre Wurzeln in diesem Teil der Welt. Wenn PKU-Träger aufgrund der schützenden Wirkung des PKU-Gens am ehesten Kinder hätten als Nicht-Träger, würde das krankheitsverursachende Allel im Laufe der Zeit die Population erhöhen.
Tay-Sachs-Krankheit
Das Tragen der Tay-Sachs-Krankheit kann vor Tuberkulose (TB) schützen. In der aschkenasischen Bevölkerung sind bis zu 11 Prozent der Menschen Tay-Sachs-Träger. Während des Zweiten Weltkriegs war TB in osteuropäischen jüdischen Siedlungen weit verbreitet. Gesunde Verwandte von Kindern mit Tay-Sachs-Krankheit kontaktierten TB häufig nicht, selbst wenn sie wiederholt exponiert waren. Der Schutz vor TB, den die Heterozygotie der Tay-Sachs-Krankheit offenbar bot, blieb unter den Juden bestehen, weil sie daran gehindert wurden, die Ghettos zu verlassen. Das mutierte Allel nahm an Häufigkeit zu, da TB selektiv diejenigen fällte, die es nicht trugen, und die Träger Kinder miteinander hatten. Genetische Drift könnte auch dazu beigetragen haben, das Tay-Sachs-Allel zufällig in Gruppen von Holocaust-Überlebenden zu isolieren. Wie genau abgesenkte Spiegel des Genprodukts, eines Enzyms namens Hexoseaminidase A, vor TB schützen, ist nicht bekannt.
Zystische Fibrose
Ein ausgewogener Polymorphismus könnte erklären, warum zystische Fibrose so häufig ist – der anatomische Defekt, der CF zugrunde liegt, schützt vor Durchfallerkrankungen wie Cholera.
Cholera-Epidemien haben ihre Spuren in der menschlichen Bevölkerung hinterlassen und innerhalb weniger Tage zu weit verbreiteten Todesfällen geführt. Im Sommer 1831 tötete eine Epidemie 10 Prozent der Bevölkerung von St. Louis, und 1991 fegte eine Epidemie über Peru. Cholera-Bakterien verursachen Durchfall, der den Körper schnell dehydriert und zu Schock sowie Nieren- und Herzversagen führen kann. Das Bakterium produziert ein Toxin, das Chloridkanäle im Dünndarm öffnet. Wenn Salz (NaCl) die Zellen verlässt, folgt Wasser in einer natürlichen chemischen Tendenz, das Salz zu verdünnen. Wasser, das aus den Darmzellen strömt, verlässt den Körper als Durchfall.
Als Genetiker 1989 das CF-Gen identifizierten und sein Proteinprodukt als Regulator eines Chloridkanals in bestimmten sekretorischen Zellen beschrieben, ergab sich eine mögliche Erklärung für die Prävalenz der Erbkrankheit. Cholera öffnet Chloridkanäle und lässt Chlorid und Wasser die Zellen verlassen. Das CFTR-Protein macht genau das Gegenteil, schließt Chloridkanäle und fängt Salz und Wasser in Zellen ein, wodurch Schleim und andere Sekrete austrocknen. Eine Person mit CF kann keine Cholera bekommen, weil das Toxin die Chloridkanäle im Dünndarm nicht öffnen kann.
Träger von CF genießen den gemischten Segen eines ausgewogenen Polymorphismus. Sie haben nicht genug abnorme Chloridkanäle, um die mühsame Atmung und die verstopfte Bauchspeicheldrüse der Mukoviszidose zu verursachen, aber sie haben genug von einem Defekt, um zu verhindern, dass die Cholera greift. Während der verheerenden Cholera-Epidemien, die die Geschichte gespickt haben, hatten Individuen, die mutierte CF-Allele trugen, einen selektiven Vorteil, und sie übertrugen diese Allele überproportional auf zukünftige Generationen. Da CF jedoch in Westeuropa und Cholera in Afrika auftrat, war möglicherweise ein anfänglicher Anstieg der CF-Herterozygotie eine Reaktion auf eine andere Durchfallinfektion.