A causa della selezione naturale, diversi alleli hanno maggiori probabilità di conferire un vantaggio di sopravvivenza in ambienti diversi. I cicli di prevalenza e virulenza delle malattie infettive spesso riflettono la selezione naturale.
Polimorfismo bilanciato
Se la selezione naturale elimina individui con fenotipi dannosi da una popolazione, allora perché gli alleli mutanti dannosi persistono in un pool genetico? Una malattia può rimanere prevalente quando gli eterozigoti hanno qualche altro vantaggio rispetto agli individui che hanno due copie dell’allele di tipo selvaggio. Quando i portatori hanno vantaggi che consentono a un allele dannoso di persistere in una popolazione, il polimorfismo equilibrato è al lavoro. Questa forma di polimorfismo spesso comporta eterozigosi per una malattia ereditaria che protegge da una malattia infettiva. Gli esempi sono affascinanti.
Anemia falciforme
La malattia falciforme è una malattia autosomica recessiva che causa anemia, dolori articolari, milza gonfia e infezioni frequenti e gravi. Illustra il polimorfismo equilibrato perché i portatori sono resistenti alla malaria, un’infezione dal parassita Plasmodium falciparum che causa cicli di brividi e febbre. Il parassita trascorre la prima fase del suo ciclo vitale nelle ghiandole salivari della zanzara Anopheles gambiae. Quando una zanzara infetta morde un essere umano, il parassita della malaria entra nei globuli rossi, che lo trasportano al fegato. I globuli rossi scoppiano, rilasciando il parassita in tutto il corpo.
Nel 1949, il genetista britannico Anthony Allison scoprì che la frequenza dei portatori di cellule falciformi nell’Africa tropicale era più alta nelle regioni in cui la malaria infuriava tutto l’anno. Gli esami del sangue dei bambini ricoverati in ospedale con la malaria hanno scoperto che quasi tutti erano omozigoti per il tipo selvaggio di allele falciforme. I pochi portatori di cellule falciformi tra di loro avevano i casi più lievi di malaria. La presenza della malaria è stata in qualche modo selezionata per l’allele falciforme abbattendo persone che non l’hanno ereditata? Il fatto che l’anemia falciforme sia molto meno comune negli Stati Uniti, dove la malaria è rara, supporta l’idea che l’eterozigosi delle cellule falciformi fornisca un effetto protettivo.
Ulteriore prova del vantaggio di un vettore falciforme in un ambiente malarico è il fatto che l’aumento della malattia falciforme è parallelo alla coltivazione di colture che forniscono terreni di riproduzione per le zanzare Anopheles. Circa 1.000 AC, marinai maleo-polinesiani dal sud-est asiatico viaggiato in canoe in Africa orientale, portando nuove colture di banane, patate dolci, taros, e noci di cocco. Quando la giungla fu ripulita per coltivare queste colture, lo spazio aperto fornì terreno fertile per le zanzare. Gli insetti, a loro volta, hanno offerto un habitat per parte del ciclo di vita del parassita della malaria.
Il gene falciforme potrebbe essere stato portato in Africa da persone che migravano dall’Arabia meridionale e dall’India, o potrebbe essere sorto per mutazione direttamente nell’Africa orientale. Tuttavia è successo, le persone che hanno ereditato una copia dell’allele falciforme avevano membrane dei globuli rossi che non ammettevano il parassita. I portatori avevano più figli e passavano l’allele protettivo a circa la metà di loro. A poco a poco, la frequenza dell’allele falciforme nell’Africa orientale è passata dallo 0,1 per cento a uno spettacolare 45 per cento in trentacinque generazioni. I vettori hanno pagato il prezzo per questa protezione genetica, ogni volta che due hanno prodotto un bambino con anemia falciforme.
Un ciclo impostato in. Gli insediamenti con un gran numero di portatori di cellule falciformi sfuggirono alla malaria debilitante. Erano quindi abbastanza forti da liberare ancora più terra per coltivare cibo e sostenere le zanzare portatrici di malattie. Ancora oggi, l’anemia falciforme è più diffusa nelle società agricole che tra le persone che cacciano e raccolgono il loro cibo.
La carenza di glucosio-6-fosfato deidrogenasi
La carenza di G6PD è una carenza enzimatica legata al sesso che colpisce 400 milioni di persone in tutto il mondo. Provoca anemia emolitica pericolosa per la vita, in cui scoppiano i globuli rossi. Tuttavia, si sviluppa solo in condizioni specifiche: mangiare fave, inalare determinati tipi di polline, assumere determinati farmaci o contrarre determinate infezioni. Studi su bambini africani con malaria grave mostrano che le femmine eterozigoti e i maschi emizigoti per carenza di G6PD sono sottorappresentati. Ciò suggerisce che ereditare il gene della carenza enzimatica protegge in qualche modo dalla malaria.
Il fatto che la carenza di G6PD sia legata al sesso introduce una possibilità che non vediamo con l’anemia falciforme, che è autosomica recessiva. Poiché sia gli eterozigoti che gli emizigoti sono selezionati per, l’allele mutante dovrebbe eventualmente predominare in una popolazione esposta alla malaria. Tuttavia, questo non accade – ci sono ancora maschi emizigoti e femmine omozigoti per l’allele wild type. La ragione si riferisce ancora alla selezione naturale. Le persone con deficit enzimatico – maschi emizigoti e femmine omozigoti – vengono selezionate dalla popolazione dall’anemia. Pertanto, la selezione naturale agisce in due direzioni sui maschi emizigoti-selezionando per l’allele mutante perché protegge contro l’infezione malarica, ma selezionando contro di essa perché una carenza enzimatica. Questa è l’essenza del polimorfismo equilibrato.
PKU
La fenilchetnonuria è un errore innato del metabolismo in cui un enzima mancante provoca l’accumulo dell’amminoacido fenilalanina, con effetti devastanti sul sistema nervoso a meno che l’individuo non segua una dieta restrittiva. I portatori di questa condizione autosomica recessiva hanno livelli elevati di fenilalanina-livelli che non sono sufficientemente alti da causare sintomi, ma che sono abbastanza alti da poter avere un effetto protettivo durante la gravidanza. I medici hanno osservato che le donne che sono portatrici di PKU hanno un’incidenza di aborto molto inferiore a quella media. Una teoria è che l’eccesso di fenilalanina in qualche modo inattiva un veleno, chiamato ochatossina A, che alcuni funghi producono e che è noto per causare aborto spontaneo.
La storia fornisce la prova che collega l’eterozigosità della PKU alla protezione contro una tossina fungina. PKU è più comune in Irlanda e Scozia occidentale, e molte famiglie colpite che vivono altrove tracciano le loro radici in questa parte del mondo. Se i portatori di PKU avevano più probabilità di avere figli rispetto ai non portatori a causa degli effetti protettivi del gene PKU, nel tempo, l’allele che causa la malattia aumenterebbe la popolazione.
Malattia di Tay-Sachs
Portare la malattia di Tay-Sachs può proteggere contro la tubercolosi (TB). Nelle popolazioni Ashkenazim, fino all ‘ 11% delle persone sono portatori di Tay-Sachs. Durante la seconda guerra mondiale, la TUBERCOLOSI dilagava negli insediamenti ebraici dell’Europa orientale. Spesso, i parenti sani di bambini con malattia di Tay-Sachs non hanno contattato la TUBERCOLOSI, anche se ripetutamente esposti. La protezione contro la TBC che l’eterozigosi della malattia di Tay-Sachs apparentemente offriva rimase tra il popolo ebraico perché gli fu impedito di lasciare i ghetti. L’allele mutante aumentava di frequenza quando la TB abbatteva selettivamente coloro che non la portavano e i portatori avevano bambini l’uno con l’altro. La deriva genetica potrebbe anche aver contribuito a isolare l’allele Tay-Sachs, per caso, in gruppi di sopravvissuti all’olocausto. Esattamente come i livelli abbassati del prodotto del gene, un enzima chiamato hexoseaminidase A, proteggono contro TB non è conosciuto.
Fibrosi cistica
Il polimorfismo bilanciato può spiegare perché la fibrosi cistica è così comune – il difetto anatomico alla base della CF protegge dalle malattie diarroiche, come il colera.
Le epidemie di colera hanno lasciato il segno sulle popolazioni umane, causando la morte diffusa in pochi giorni. Nell’estate del 1831, un’epidemia uccise il 10 per cento della popolazione di St. Louis, e nel 1991, un’epidemia spazzò il Perù. I batteri del colera causano diarrea, che disidrata rapidamente il corpo e può portare a shock e insufficienza renale e cardiaca. Il batterio produce una tossina che apre i canali del cloruro nell’intestino tenue. Come sale (NaCl) lascia le cellule, l’acqua segue, in una tendenza chimica naturale per diluire il sale. L’acqua che fuoriesce dalle cellule intestinali lascia il corpo come diarrea.
Nel 1989, quando i genetisti identificarono il gene CF e descrissero il suo prodotto proteico come regolatore di un canale del cloruro in alcune cellule secretorie, emerse una possibile spiegazione per la prevalenza del disturbo ereditario. Il colera apre i canali del cloruro, lasciando che il cloruro e l’acqua lascino le cellule. La proteina CFTR fa esattamente l’opposto, chiudendo i canali del cloruro e intrappolando sale e acqua nelle cellule, che asciuga il muco e altre secrezioni. Una persona con CF non può contrarre il colera, perché la tossina non può aprire i canali del cloruro nell’intestino tenue.
I portatori di CF godono della benedizione mista di un polimorfismo equilibrato. Non hanno abbastanza canali anomali del cloruro per causare la respirazione affannosa e il pancreas ostruito della fibrosi cistica, ma hanno abbastanza di un difetto per impedire al colera di prendere piede. Durante le devastanti epidemie di colera che hanno infarcito la storia, gli individui portatori di alleli CF mutanti avevano un vantaggio selettivo e trasmettevano in modo sproporzionato quegli alleli alle generazioni future. Tuttavia, poiché la FC è sorta in Europa occidentale e il colera in Africa, forse un aumento iniziale della FC herterozygosity è stata una risposta a una diversa infezione diarroica.