En raison de la sélection naturelle, différents allèles sont plus susceptibles de conférer un avantage de survie dans différents environnements. Les cycles de prévalence et de virulence des maladies infectieuses reflètent souvent la sélection naturelle.
Polymorphisme équilibré
Si la sélection naturelle élimine les individus ayant des phénotypes nuisibles d’une population, alors pourquoi les allèles mutants nocifs persistent-ils dans un pool génétique? Une maladie peut rester répandue lorsque les hétérozygotes ont un autre avantage sur les individus qui ont deux copies de l’allèle de type sauvage. Lorsque les porteurs présentent des avantages qui permettent à un allèle préjudiciable de persister dans une population, un polymorphisme équilibré est à l’œuvre. Cette forme de polymorphisme entraîne souvent une hétérozygotie pour une maladie héréditaire qui protège contre une maladie infectieuse. Les exemples sont fascinants.
Drépanocytose
La drépanocytose est un trouble autosomique récessif qui provoque une anémie, des douleurs articulaires, une rate enflée et des infections fréquentes et graves. Il illustre un polymorphisme équilibré car les porteurs sont résistants au paludisme, une infection par le parasite Plasmodium falciparum qui provoque des cycles de frissons et de fièvre. Le parasite passe la première étape de son cycle de vie dans les glandes salivaires du moustique Anopheles gambiae. Lorsqu’un moustique infecté pique un être humain, le parasite du paludisme pénètre dans les globules rouges, qui le transportent vers le foie. Les globules rouges éclatent, libérant le parasite dans tout le corps.
En 1949, le généticien britannique Anthony Allison a découvert que la fréquence des porteurs de drépanocytose en Afrique tropicale était plus élevée dans les régions où le paludisme sévissait toute l’année. Des analyses de sang d’enfants hospitalisés avec le paludisme ont révélé que presque tous étaient homozygotes pour le type sauvage d’allèle drépanocytaire. Les quelques porteurs de drépanocytose parmi eux avaient les cas les plus légers de paludisme. La présence du paludisme sélectionnait-elle en quelque sorte l’allèle drépanocytaire en abattant des personnes qui n’en héritaient pas? Le fait que la drépanocytose soit beaucoup moins fréquente aux États-Unis, où le paludisme est rare, soutient l’idée que l’hétérozygotie drépanocytaire procure un effet protecteur.
Une autre preuve de l’avantage d’un porteur de drépanocytose dans un environnement frappé par le paludisme est le fait que l’augmentation de la drépanocytose est parallèle à la culture de cultures qui fournissent des terrains de reproduction pour les moustiques anophèles. Vers 1 000 av.J.-C., des marins malayo-polynésiens d’Asie du Sud-Est se sont rendus en canoës en Afrique de l’Est, apportant de nouvelles cultures de bananes, d’ignames, de taros et de noix de coco. Lorsque la jungle a été nettoyée pour cultiver ces cultures, l’espace ouvert a fourni un terrain de reproduction pour les moustiques. Les insectes, à leur tour, ont offert un habitat pour une partie du cycle de vie du parasite du paludisme.
Le gène de la drépanocytose peut avoir été introduit en Afrique par des personnes migrant du sud de l’Arabie et de l’Inde, ou il peut être apparu par mutation directement en Afrique de l’Est. Cependant, les personnes qui ont hérité d’une copie de l’allèle drépanocytaire avaient des membranes de globules rouges qui n’admettaient pas le parasite. Les porteurs ont eu plus d’enfants et ont transmis l’allèle protecteur à environ la moitié d’entre eux. Peu à peu, la fréquence de l’allèle drépanocytaire en Afrique de l’Est est passée de 0,1% à un pourcentage spectaculaire de 45% en trente-cinq générations. Les porteurs ont payé le prix de cette protection génétique, chaque fois que deux produisaient un enfant atteint de drépanocytose.
Un cycle mis en place. Les colonies avec un grand nombre de porteurs de drépanocytose ont échappé au paludisme débilitant. Ils étaient donc assez forts pour défricher encore plus de terres pour cultiver de la nourriture et soutenir les moustiques porteurs de maladies. Aujourd’hui encore, la drépanocytose est plus répandue dans les sociétés agricoles que chez les personnes qui chassent et ramassent leur nourriture.
Déficit en glucose-6-Phosphate déshydrogénase
Le déficit en G6PD est un déficit enzymatique lié au sexe qui affecte 400 millions de personnes dans le monde. Il provoque une anémie hémolytique potentiellement mortelle, dans laquelle les globules rouges éclatent. Cependant, il ne se développe que dans des conditions spécifiques – manger des fèves, inhaler certains types de pollen, prendre certains médicaments ou contracter certaines infections. Des études sur des enfants africains atteints de paludisme sévère montrent que les femmes hétérozygotes et les hommes hémizygotes pour déficit en G6PD sont sous-représentés. Cela suggère que l’héritage du gène du déficit enzymatique protège en quelque sorte contre le paludisme.
Le fait que le déficit en G6PD soit lié au sexe introduit une possibilité que nous ne voyons pas avec la drépanocytose, qui est autosomique récessive. Étant donné que les hétérozygotes et les hémizygotes sont sélectionnés pour, l’allèle mutant devrait éventuellement prédominer dans une population exposée au paludisme. Cependant, cela n’arrive pas – il y a encore des mâles hémizygotes et des femelles homozygotes pour l’allèle de type sauvage. La raison concerne encore une fois la sélection naturelle. Les personnes atteintes du déficit enzymatique – les mâles hémizygotes et les femelles homozygotes – sont sélectionnées parmi la population par l’anémie. Par conséquent, la sélection naturelle agit dans deux directions sur les mâles hémizygotes: la sélection pour l’allèle mutant car elle protège contre l’infection paludéenne, mais la sélection contre elle en raison d’un déficit enzymatique. C’est l’essence du polymorphisme équilibré.
PCU
La phénylcetnonurie est une erreur innée du métabolisme dans laquelle une enzyme manquante provoque l’accumulation de l’acide aminé phénylalanine, avec des effets dévastateurs sur le système nerveux à moins que l’individu ne suive un régime restrictif. Les porteurs de cette maladie autosomique récessive ont des niveaux élevés de phénylalanine – des niveaux qui ne sont pas suffisamment élevés pour provoquer des symptômes, mais qui sont suffisamment élevés pour qu’ils puissent avoir un effet protecteur pendant la grossesse. Les médecins ont observé que les femmes porteuses de PCU ont une incidence de fausse couche beaucoup plus faible que la moyenne. Une théorie est que l’excès de phénylalanine inactive en quelque sorte un poison, appelé ochratoxine A, que certains champignons produisent et qui est connu pour provoquer un avortement spontané.
L’historique fournit la preuve que l’hétérozygotie de la PCU est liée à la protection contre une toxine fongique. La PCU est la plus fréquente en Irlande et dans l’ouest de l’Écosse, et de nombreuses familles touchées vivant ailleurs trouvent leurs racines dans cette partie du monde. Si les porteurs de la PCU étaient plus susceptibles d’avoir des enfants que les non-porteurs en raison des effets protecteurs du gène de la PCU, au fil du temps, l’allèle responsable de la maladie augmenterait la population.
Maladie de Tay-Sachs
Le porteur de la maladie de Tay-Sachs peut protéger contre la tuberculose (TB). Dans les populations ashkénazes, jusqu’à 11% des personnes sont porteuses de Tay-Sachs. Pendant la Seconde Guerre mondiale, la tuberculose sévit dans les colonies juives d’Europe de l’Est. Souvent, les parents en bonne santé d’enfants atteints de la maladie de Tay-Sachs n’ont pas contacté la tuberculose, même lorsqu’ils étaient exposés à plusieurs reprises. La protection contre la tuberculose qu’offrait apparemment l’hétérozygotie de la maladie de Tay-Sachs est restée parmi le peuple juif parce qu’il était empêché de quitter les ghettos. L’allèle mutant a augmenté en fréquence à mesure que la TUBERCULOSE abattait sélectivement ceux qui ne le portaient pas et que les porteurs avaient des enfants l’un avec l’autre. La dérive génétique a peut-être également contribué à isoler l’allèle Tay-Sachs, par hasard, dans des groupes de survivants de l’holocauste. On ignore précisément comment les niveaux réduits du produit génétique, une enzyme appelée hexoséaminidase A, protègent contre la tuberculose.
Fibrose kystique
Un polymorphisme équilibré peut expliquer pourquoi la fibrose kystique est si fréquente – le défaut anatomique qui sous-tend la mucoviscidose protège contre les maladies diarrhéiques, telles que le choléra.
Les épidémies de choléra ont laissé leur marque sur les populations humaines, provoquant des décès généralisés en quelques jours seulement. À l’été 1831, une épidémie a tué 10% de la population de Saint-Louis et, en 1991, une épidémie a balayé le Pérou. La bactérie du choléra provoque la diarrhée, qui déshydrate rapidement le corps et peut entraîner un choc et une insuffisance rénale et cardiaque. La bactérie produit une toxine qui ouvre des canaux de chlorure dans l’intestin grêle. Lorsque le sel (NaCl) quitte les cellules, l’eau suit, dans une tendance chimique naturelle à diluer le sel. L’eau qui sort des cellules intestinales quitte le corps sous forme de diarrhée.
En 1989, lorsque les généticiens ont identifié le gène CF et décrit son produit protéique comme un régulateur d’un canal chlorure dans certaines cellules sécrétrices, une explication possible de la prévalence du trouble héréditaire est apparue. Le choléra ouvre les canaux de chlorure, laissant le chlorure et l’eau quitter les cellules. La protéine CFTR fait exactement le contraire, fermant les canaux de chlorure et piégeant le sel et l’eau dans les cellules, ce qui assèche le mucus et les autres sécrétions. Une personne atteinte de mucoviscidose ne peut pas contracter le choléra, car la toxine ne peut pas ouvrir les canaux chlorhydriques de l’intestin grêle.
Les porteurs de FC bénéficient de la bénédiction mixte d’un polymorphisme équilibré. Ils n’ont pas assez de canaux chlorés anormaux pour provoquer la respiration laborieuse et le pancréas bouché de la fibrose kystique, mais ils ont suffisamment de défauts pour empêcher le choléra de s’installer. Au cours des épidémies dévastatrices de choléra qui ont émaillé l’histoire, les individus porteurs d’allèles CF mutants avaient un avantage sélectif, et ils ont transmis ces allèles de manière disproportionnée aux générations futures. Cependant, comme la mucoviscidose est apparue en Europe occidentale et le choléra en Afrique, une augmentation initiale de l’hertérozygotie de la mucoviscidose était peut-être une réponse à une infection diarrhéique différente.