ze względu na dobór naturalny, różne allele są bardziej prawdopodobne, aby zapewnić przewagę przetrwania w różnych środowiskach. Cykle występowania chorób zakaźnych i zjadliwości często odzwierciedlają dobór naturalny.
zrównoważony polimorfizm
jeśli dobór naturalny eliminuje z populacji osoby o szkodliwych fenotypach, to dlaczego szkodliwe zmutowane allele utrzymują się w puli genowej? Choroba może pozostać rozpowszechniona, gdy heterozygoty mają inną przewagę nad osobami, które mają dwie kopie allelu typu dzikiego. Kiedy nosiciele mają zalety, które pozwalają na utrzymywanie się szkodliwego allelu w populacji, działa zrównoważony polimorfizm. Ta forma polimorfizmu często pociąga za sobą heterozygotyczność dla choroby dziedzicznej, która chroni przed chorobą zakaźną. Przykłady są fascynujące.
choroba sierpowatokrwinkowa
choroba sierpowatokrwinkowa jest chorobą autosomalną recesywną, która powoduje niedokrwistość, ból stawów, obrzęk śledziony i częste, ciężkie infekcje. Ilustruje zrównoważony polimorfizm, ponieważ nosiciele są odporni na malarię, zakażenie przez pasożyta Plasmodium falciparum, które powoduje cykle dreszczy i gorączki. Pasożyt pierwszy etap swojego cyklu życiowego spędza w gruczołach ślinowych komara Anopheles gambiae. Kiedy zainfekowany komar gryzie człowieka, pasożyt malarii dostaje się do czerwonych krwinek, które transportują go do wątroby. Czerwone krwinki pękają, uwalniając pasożyta w całym ciele.
w 1949 roku brytyjski genetyk Anthony Allison odkrył, że częstość nosicieli sierpowatych komórek w tropikalnej Afryce była wyższa w regionach, w których przez cały rok szalała malaria. Badania krwi dzieci hospitalizowanych z malarią wykazały, że prawie wszystkie były homozygotyczne dla dzikiego typu allelu sierpowatokrwinkowego. Nieliczni nosiciele sierpowatych komórek mieli najłagodniejsze przypadki malarii. Czy obecność malarii w jakiś sposób wybierała allel sierpowatokrwinkowy poprzez wycinanie ludzi, którzy go nie odziedziczyli? Fakt, że niedokrwistość sierpowatokrwinkowa jest znacznie mniej powszechna w Stanach Zjednoczonych, gdzie malaria jest rzadka, potwierdza ideę, że heterozygotyczność sierpowatokrwinkowa zapewnia efekt ochronny.
kolejnym dowodem na przewagę nosiciela sierpowatokrwinkowego w środowisku dotkniętym malarią jest fakt, że wzrost choroby sierpowatokrwinkowej jest równoległy do uprawy roślin, które zapewniają pożywienie Komarom Anopheles. Około 1000 p. n. e.malajsko-Polinezyjscy żeglarze z Azji Południowo-Wschodniej podróżowali kajakami do Afryki Wschodniej, przynosząc nowe uprawy bananów, pochrzynów, taros i kokosów. Kiedy dżungla została oczyszczona, aby uprawiać te uprawy, Otwarta przestrzeń zapewniła pożywienie Komarom. Owady z kolei stanowiły siedlisko dla części cyklu życiowego pasożyta malarii.
Gen sierpowatej komórki mógł zostać przywieziony do Afryki przez ludzi migrujących z południowej Arabii i Indii, lub mógł powstać w wyniku mutacji bezpośrednio w Afryce Wschodniej. Jednak tak się stało, ludzie, którzy odziedziczyli jedną kopię allelu sierpowatokrwinkowego, mieli błony krwinek czerwonych, które nie dopuszczały pasożyta. Nosiciele mieli więcej dzieci i przekazali allel ochronny około połowie z nich. Stopniowo częstotliwość allelu sierpowatego w Afryce Wschodniej wzrosła z 0,1% do spektakularnego 45% w ciągu trzydziestu pięciu pokoleń. Nosiciele płacili cenę za tę ochronę genetyczną, gdy dwoje rodziło dziecko z niedokrwistością sierpowatokrwinkową.
cykl ustawiony w. Osady z dużą liczbą nosicieli sierpowatokrwinkowych uniknęły wyniszczającej malarii. Były więc wystarczająco silne, aby oczyścić jeszcze więcej ziemi, aby uprawiać żywność – i wspierać przenoszące choroby komary. Nawet dzisiaj choroba sierpowata jest bardziej rozpowszechniona w społeczeństwach rolniczych niż wśród ludzi, którzy polują i zbierają żywność.
niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej
niedobór G6PD to związany z płcią niedobór enzymów, który dotyka 400 milionów ludzi na całym świecie. Powoduje zagrażającą życiu niedokrwistość hemolityczną, w której krwinki czerwone pękają. Jednak rozwija się tylko w określonych warunkach-jedzenie fasoli fava, wdychanie niektórych rodzajów pyłków, przyjmowanie niektórych leków lub zarażanie się pewnymi infekcjami. Badania na afrykańskich dzieciach z ciężką malarią pokazują, że heterozygotyczne samice i hemizygotyczne samce z niedoborem G6PD są niedostatecznie reprezentowane. Sugeruje to, że dziedziczenie genu niedoboru enzymu w jakiś sposób chroni przed malarią.
fakt, że niedobór G6PD jest związany z płcią, stwarza możliwość, której nie widzimy w przypadku choroby sierpowatokrwinkowej, która jest autosomalna recesywna. Ponieważ zarówno heterozygota, jak i hemizygota są wybierane, zmutowany allel powinien ostatecznie dominować w populacji narażonej na malarię. Jednak tak się nie dzieje – nadal istnieją samce hemizygotyczne i samice homozygotyczne dla allelu typu dzikiego. Powód ponownie odnosi się do doboru naturalnego. Osoby z niedoborem enzymu-hemizygotyczne mężczyźni i homozygotyczne kobiety-są wybierane z populacji przez anemię. Dlatego dobór naturalny działa w dwóch kierunkach na hemizygotycznych samców-wybierając zmutowany allel, ponieważ chroni przed infekcją malarii, a jednocześnie wybierając go z powodu niedoboru enzymu. To jest istota zrównoważonego polimorfizmu.
PKU
Fenyloketnonuria jest wrodzonym błędem metabolizmu, w którym brakujący enzym powoduje gromadzenie się aminokwasu fenyloalaniny, co ma niszczący wpływ na układ nerwowy, chyba że osoba stosuje restrykcyjną dietę. Nosicielki tego autosomalnego recesywnego stanu mają podwyższony poziom fenyloalaniny – poziomy, które nie są wystarczająco wysokie, aby wywołać objawy, ale które są na tyle wysokie, że mogą mieć działanie ochronne w czasie ciąży. Lekarze zaobserwowali, że u kobiet będących nosicielami PKU częstość poronień jest znacznie mniejsza niż średnia. Jedna z teorii mówi, że nadmiar fenyloalaniny w jakiś sposób inaktywuje truciznę, zwaną ochratoksyną A, wytwarzaną przez niektóre grzyby i która jest znana z powodowania spontanicznej aborcji.
historia dostarcza dowodów, że łączy heterozygotyczność PKU z ochroną przed toksyną grzybiczą. PKU występuje najczęściej w Irlandii i zachodniej Szkocji, a wiele dotkniętych nią rodzin mieszkających gdzie indziej wywodzi swoje korzenie z tej części świata. Gdyby nosiciele PKU mieli najprawdopodobniej dzieci niż nosiciele niebędący nosicielami z powodu ochronnego działania genu PKU, z czasem allel powodujący chorobę zwiększyłby populację.
choroba Tay-Sachsa
przenoszenie choroby Tay-Sachsa może chronić przed gruźlicą (TB). W populacjach Aszkenazymskich aż 11 procent ludzi to nosiciele Tay-Sachs. W czasie ii Wojny Światowej gruźlica szerzyła się we wschodnioeuropejskich osiedlach żydowskich. Często zdrowi krewni dzieci z chorobą Tay-Sachsa nie kontaktowali się z gruźlicą, nawet po wielokrotnym narażeniu. Ochrona przed gruźlicą, którą najwyraźniej oferowała Tay-Sachs, pozostała wśród ludności żydowskiej, ponieważ uniemożliwiono jej opuszczenie gett. Zmutowany allel zwiększał częstotliwość, ponieważ gruźlica wybiórczo zwalczyła tych, którzy go nie nosili, a nosiciele mieli ze sobą dzieci. Dryf genetyczny mógł również pomóc wyizolować allel Tay-Sachsa, przez przypadek, w grupach ocalałych z Holokaustu. Nie wiadomo dokładnie, jak obniżony poziom produktu genowego, enzymu zwanego heksoseaminidazą A, chroni przed gruźlicą.
Mukowiscydoza
zrównoważony polimorfizm może wyjaśnić, dlaczego mukowiscydoza jest tak powszechna – wada anatomiczna, która leży u podstaw mukowiscydozy, chroni przed chorobami biegunkowymi, takimi jak cholera.
epidemie cholery odcisnęły swoje piętno na ludzkich populacjach, powodując powszechną śmierć w ciągu zaledwie kilku dni. Latem 1831 roku epidemia zabiła 10% populacji St. Louis, a w 1991 roku epidemia ogarnęła Peru. Bakterie cholery powodują biegunkę, która szybko odwadnia organizm i może prowadzić do wstrząsu oraz niewydolności nerek i serca. Bakteria wytwarza toksynę, która otwiera kanały chlorkowe w jelicie cienkim. Gdy sól (NaCl) opuszcza komórki, następuje woda, z naturalną chemiczną tendencją do rozcieńczania soli. Woda wypływająca z komórek jelitowych opuszcza ciało w postaci biegunki.
w 1989 roku, kiedy genetycy zidentyfikowali gen CF i opisali jego produkt białkowy jako regulator kanału chlorkowego w niektórych komórkach wydzielniczych, pojawiło się możliwe wyjaśnienie występowania choroby dziedzicznej. Cholera otwiera kanały chlorkowe, pozwalając chlorkom i wodzie opuścić komórki. Białko CFTR robi dokładnie odwrotnie, zamykając kanały chlorkowe i zatrzymując sól i wodę w komórkach, które wysycha śluz i inne wydzieliny. Osoba z mukowiscydozą nie może zarazić się cholerą, ponieważ toksyna nie może otworzyć kanałów chlorkowych w jelicie cienkim.
nosiciele CF cieszą się mieszanym błogosławieństwem zrównoważonego polimorfizmu. Nie mają wystarczającej ilości nieprawidłowych kanałów chlorkowych, aby spowodować utrudnione oddychanie i zatkane trzustki mukowiscydozy, ale mają wystarczająco dużo wady, aby zapobiec cholery. Podczas niszczycielskich epidemii cholery, które miały miejsce w historii, osoby noszące zmutowane allele CF miały selektywną przewagę i nieproporcjonalnie przenosiły te allele przyszłym pokoleniom. Ponieważ jednak mukowiscydoza pojawiła się w Europie Zachodniej, a cholera w Afryce, być może początkowy wzrost herterozygotyczności mukowiscydozy był odpowiedzią na inną infekcję biegunką.