Kiểu gen của tính trạng tế bào hình liềm nào có khả năng sinh học cao nhất ở Châu Phi?

Một gen được gọi là HbS là trung tâm của một câu chuyện trinh thám về y học và tiến hóa bắt đầu vào giữa những năm 1940 ở Châu Phi. Các bác sĩ nhận thấy rằng những bệnh nhân mắc bệnh máu di truyền nghiêm trọng có nhiều khả năng sống sót hơn , một căn bệnh giết chết khoảng 1. 2 triệu người mỗi năm. Điều khó hiểu là tại sao bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm lại phổ biến ở một số quần thể người châu Phi

Làm thế nào một thứ "xấu" - nguyên nhân gây ra bệnh hồng cầu hình liềm đôi khi gây chết người - lại có thể có lợi?

Đột biến tế bào hình liềm giống như một lỗi đánh máy trong mã gen cho cơ thể biết cách tạo ra một dạng huyết sắc tố (Hb), phân tử vận ​​chuyển oxy trong máu của chúng ta. Mỗi người có hai bản sao của gen huyết sắc tố. Thông thường, cả hai gen đều tạo ra protein huyết sắc tố bình thường. Khi ai đó thừa hưởng hai bản sao đột biến của gen huyết sắc tố, dạng protein huyết sắc tố bất thường sẽ khiến các tế bào hồng cầu mất oxy và cong thành hình lưỡi liềm trong thời gian hoạt động mạnh. Những tế bào hình liềm này bị mắc kẹt trong các mạch máu nhỏ, gây ra cơn "khủng hoảng" đau đớn, sốt, sưng tấy và tổn thương mô có thể dẫn đến tử vong. Đây là bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm

Nhưng phải mất hai bản sao của gen đột biến, mỗi bản sao từ bố và mẹ, để gây ra căn bệnh toàn diện cho một người nào đó. Nhiều người chỉ có một bản sao, các bản sao khác là bình thường. Những người mang tế bào hình liềm gần như không bị bệnh nặng

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng gen tế bào hình liềm đặc biệt phổ biến ở các khu vực châu Phi bị ảnh hưởng nặng nề bởi bệnh sốt rét. Ở một số vùng, có tới 40% dân số mang ít nhất một gen HbS

Hóa ra, ở những khu vực này, những người mang HbS đã được , bởi vì đặc điểm này tạo ra một số khả năng chống lại bệnh sốt rét. Các tế bào hồng cầu của chúng, chứa một số huyết sắc tố bất thường, có xu hướng hình liềm khi chúng bị nhiễm ký sinh trùng sốt rét. Những tế bào bị nhiễm bệnh này chảy qua lá lách, lá lách sẽ loại bỏ chúng vì hình dạng lưỡi liềm của chúng -- và ký sinh trùng cũng bị loại bỏ cùng với chúng

Các nhà khoa học tin rằng gen tế bào hình liềm xuất hiện và biến mất trong quần thể nhiều lần, nhưng đã được thiết lập vĩnh viễn sau khi một dạng bệnh sốt rét đặc biệt nguy hiểm lây từ động vật sang người ở Châu Á, Trung Đông và Châu Phi

Ở những khu vực phổ biến gen hồng cầu hình liềm, khả năng miễn dịch được trao đã trở thành một lợi thế chọn lọc. Thật không may, đó cũng là một bất lợi vì khả năng sinh ra bị thiếu máu hồng cầu hình liềm là tương đối cao

Đối với những bậc cha mẹ đều mang đặc điểm tế bào hình liềm, khả năng con của họ cũng sẽ có đặc điểm này - và miễn dịch với bệnh sốt rét - là 50%. Có 25% khả năng đứa trẻ sẽ không bị thiếu máu hồng cầu hình liềm cũng như không có đặc điểm cho phép miễn dịch với bệnh sốt rét. Cuối cùng, khả năng con của họ sẽ có hai bản sao của gen, và do đó bị thiếu máu hồng cầu hình liềm, cũng là 25%. Tình huống này là một ví dụ rõ ràng về sự thỏa hiệp di truyền, hoặc một "sự đánh đổi" tiến hóa. "

Một lợi thế dị hợp tử mô tả trường hợp trong đó kiểu gen dị hợp tử có thể lực tương đối cao hơn so với kiểu gen đồng hợp tử trội hoặc đồng hợp tử lặn. Các locus thể hiện ưu thế dị hợp tử là một thiểu số nhỏ các locus. Trường hợp cụ thể của ưu thế dị hợp tử do một locus duy nhất được gọi là ưu thế vượt trội. Tính trạng vượt trội là một tình trạng hiếm gặp trong di truyền học khi kiểu hình của cá thể dị hợp tử nằm ngoài phạm vi kiểu hình của cả bố và mẹ đồng hợp tử và các cá thể dị hợp tử có thể lực cao hơn các cá thể đồng hợp tử

Tính đa hình có thể được duy trì bằng cách chọn lọc có lợi cho dị hợp tử và cơ chế này được sử dụng để giải thích sự xuất hiện của một số loại biến dị di truyền. Một ví dụ phổ biến là trường hợp dị hợp tử mang cả ưu điểm và nhược điểm, trong khi cả hai đồng hợp tử đều mang nhược điểm. Một trường hợp được chứng minh rõ ràng về lợi thế dị hợp tử là gen liên quan đến bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm

Thông thường, những ưu điểm và nhược điểm được truyền đạt khá phức tạp, bởi vì nhiều hơn một gen có thể ảnh hưởng đến một đặc điểm hoặc hình thái nhất định. Các gen chính hầu như luôn có nhiều hiệu ứng (pleiotropism), có thể đồng thời truyền các đặc điểm có lợi và bất lợi riêng biệt trên cùng một sinh vật. Trong trường hợp này, trạng thái môi trường của sinh vật sẽ cung cấp sự chọn lọc, với hiệu ứng ròng có lợi hoặc chống lại gen, cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng do môi trường xác định.

Lợi thế dị hợp tử là một cơ chế cơ bản chính cho ưu thế lai, hay "sức sống lai", là chức năng được cải thiện hoặc tăng lên của bất kỳ chất lượng sinh học nào ở thế hệ con lai. Nghiên cứu trước đây, so sánh các biện pháp thống trị, vượt trội và rụng trứng (hầu hết ở thực vật), đã phát hiện ra rằng phần lớn các trường hợp ưu thế dị hợp tử là do bổ sung (hoặc trội), che lấp các alen lặn có hại bởi các alen kiểu hoang dã, như đã thảo luận trong . Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu gần đây đã xác định rằng cũng có sự đóng góp biểu sinh vào lợi thế dị hợp tử, chủ yếu được xác định ở thực vật, mặc dù cũng được báo cáo ở chuột.

Về lý thuyết[sửa]

Khi hai quần thể của bất kỳ sinh vật hữu tính nào được phân tách và giữ cách ly với nhau, tần số của các đột biến có hại trong hai quần thể sẽ khác nhau theo thời gian, do sự trôi dạt di truyền. Tuy nhiên, rất khó có khả năng các đột biến có hại giống nhau sẽ phổ biến ở cả hai quần thể sau một thời gian dài phân tách. Vì các đột biến mất chức năng có xu hướng lặn (do các đột biến trội của loại này thường ngăn cản sinh vật sinh sản và do đó truyền gen cho thế hệ tiếp theo), nên kết quả của bất kỳ phép lai nào giữa hai quần thể sẽ tốt hơn so với đột biến mất chức năng.

Bài viết này đề cập đến trường hợp cụ thể về sự vượt trội về thể chất, trong đó lợi thế về thể chất của con lai là do dị hợp tử ở một locus cụ thể.

Xác nhận thực nghiệm[sửa | sửa mã nguồn]

Các trường hợp có cả lợi thế đồng hợp tử và dị hợp tử đã được chứng minh ở một số sinh vật, bao gồm cả con người. Xác nhận thử nghiệm đầu tiên về lợi thế dị hợp tử là với Drosophila melanogaster, một loài ruồi giấm đã từng là sinh vật mẫu cho nghiên cứu di truyền. Trong một nghiên cứu cổ điển về đột biến gỗ mun, Kalmus đã chứng minh làm thế nào tính đa hình có thể tồn tại trong quần thể thông qua lợi thế dị hợp tử.

Nếu điểm yếu là ảnh hưởng duy nhất của alen đột biến, tức là nó chỉ mang lại bất lợi, thì chọn lọc tự nhiên sẽ loại bỏ phiên bản gen này cho đến khi nó tuyệt chủng khỏi quần thể. Tuy nhiên, đột biến tương tự cũng mang lại lợi thế, mang lại khả năng sống sót được cải thiện cho các cá thể dị hợp tử. Thể dị hợp tử không biểu hiện bất kỳ nhược điểm nào của thể đồng hợp tử, nhưng vẫn đạt được khả năng sống sót được cải thiện. Loại hoang dã đồng hợp tử hoàn toàn khỏe mạnh, nhưng không có khả năng sống sót được cải thiện của dị hợp tử, và do đó gặp bất lợi so với dị hợp tử trong khả năng sống sót và sinh sản

Đột biến này, thoạt nhìn có vẻ có hại, đã tạo đủ lợi thế cho các dị hợp tử để biến nó thành có lợi, do đó nó duy trì ở trạng thái cân bằng động trong vốn gen. Kalmus đã giới thiệu những con ruồi có đột biến gỗ mun cho một quần thể hoang dã. Alen mun tồn tại qua nhiều thế hệ ruồi trong nghiên cứu, với tần số kiểu gen thay đổi từ 8% đến 30%. Trong các quần thể thí nghiệm, alen mun phổ biến hơn và do đó có lợi khi ruồi được nuôi ở nhiệt độ khô, thấp, nhưng ít hơn trong môi trường ẩm ướt và ấm áp.

Bất lợi dị hợp tử xảy ra khi "một dị hợp tử có thể lực tổng thể thấp hơn so với một trong hai đồng hợp tử. " Bất lợi dị hợp tử xảy ra ở động vật có vú, chim và côn trùng

Trong di truyền học của con người[sửa | sửa mã nguồn]

Bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm[sửa]

Bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm (SCA) là một rối loạn di truyền do sự hiện diện của hai alen lặn không hoàn toàn. Khi các tế bào hồng cầu của bệnh nhân tiếp xúc với điều kiện oxy thấp, các tế bào sẽ mất hình dạng tròn khỏe mạnh và trở thành hình lưỡi liềm. Sự biến dạng này của các tế bào có thể khiến chúng bị mắc kẹt trong các mao mạch, làm mất đi lượng oxy cần thiết cho các bộ phận khác của cơ thể. Khi không được điều trị, người bị SCA có thể bị đau theo chu kỳ, thường gây tổn thương các cơ quan nội tạng, đột quỵ hoặc thiếu máu. Thông thường, bệnh dẫn đến tử vong sớm

Lợi thế có thể có của dị hợp tử đối với bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm (A) so với. phản ứng tế bào máu bình thường (B) khi bị nhiễm sốt rét

Do rối loạn di truyền lặn không hoàn toàn nên một người chỉ có một alen SCA và một alen không bị ảnh hưởng sẽ có kiểu hình "hỗn hợp". Người mắc bệnh sẽ không gặp phải những tác động xấu của bệnh, nhưng vẫn có đặc điểm tế bào hình liềm, theo đó một số tế bào hồng cầu chịu tác động lành tính của SCA, nhưng không có gì đủ nghiêm trọng để gây hại. Những người mắc bệnh hồng cầu hình liềm còn được gọi là người mang mầm bệnh. Nếu hai người mang mầm bệnh có con, thì có 25% khả năng con của họ sẽ mắc SCA, 50% khả năng con của họ sẽ là người mang mầm bệnh và 25% khả năng đứa trẻ sẽ không mắc SCA cũng như không phải là người mang mầm bệnh. Nếu sự hiện diện của alen SCA chỉ tạo ra các tính trạng tiêu cực, thì tần số alen của nó sẽ giảm từ thế hệ này sang thế hệ khác, cho đến khi sự hiện diện của nó bị loại bỏ do chọn lọc và tình cờ.

Tuy nhiên, bằng chứng thuyết phục chỉ ra rằng, ở những khu vực có dịch sốt rét dai dẳng, những cá thể mang trạng thái dị hợp tử có một lợi thế khác biệt (và đây là lý do tại sao những cá thể mang alen dị hợp tử phổ biến hơn nhiều ở những khu vực này). Những người có đặc điểm hình liềm lành tính có khả năng chống nhiễm trùng sốt rét. Tác nhân gây bệnh dành một phần chu kỳ của nó trong các tế bào hồng cầu và gây ra sự sụt giảm bất thường nồng độ oxy trong tế bào. Ở những người mang mầm bệnh, sự sụt giảm này đủ để kích hoạt phản ứng hồng cầu hình liềm hoàn toàn, dẫn đến việc các tế bào bị nhiễm bệnh nhanh chóng bị loại bỏ khỏi hệ tuần hoàn và hạn chế mạnh mẽ quá trình lây nhiễm. Những cá nhân này có khả năng chống nhiễm trùng cao và có cơ hội sống sót cao hơn sau các đợt bùng phát. Tuy nhiên, những người có hai alen đối với SCA có thể sống sót sau bệnh sốt rét, nhưng thường sẽ chết vì căn bệnh di truyền trừ khi họ được tiếp cận với dịch vụ chăm sóc y tế tiên tiến. Những người thuộc trường hợp đồng hợp tử "bình thường" hoặc kiểu hoang dã sẽ có cơ hội truyền gen thành công cao hơn, trong đó không có khả năng con cái của họ bị SCA;

Khả năng chống nhiễm trùng này là lý do chính khiến alen SCA và bệnh SCA vẫn tồn tại. Nó được tìm thấy với tần suất cao nhất ở các quần thể nơi bệnh sốt rét đã và vẫn thường là một vấn đề nghiêm trọng. Khoảng một trong 10 người Mỹ gốc Phi là người mang mầm bệnh, vì tổ tiên gần đây của họ đến từ các vùng bị sốt rét. Các quần thể khác ở Châu Phi, Ấn Độ, Địa Trung Hải và Trung Đông cũng có tần số alen cao hơn. Khi phương pháp điều trị sốt rét hiệu quả ngày càng trở nên phổ biến đối với quần thể mắc bệnh sốt rét, tần số alen đối với SCA dự kiến ​​sẽ giảm, miễn là phương pháp điều trị SCA không có sẵn hoặc chỉ có hiệu quả một phần. Nếu các phương pháp điều trị bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm hiệu quả trở nên sẵn có ở cùng mức độ, thì tần số alen sẽ duy trì ở mức hiện tại trong các quần thể này. Trong bối cảnh này, 'hiệu quả điều trị' đề cập đến khả năng sinh sản mà nó mang lại, chứ không phải là mức độ giảm bớt đau khổ

Xơ nang[sửa]

Bệnh xơ nang (CF) là một bệnh đơn gen di truyền lặn trên nhiễm sắc thể thường của phổi, tuyến mồ hôi và hệ tiêu hóa. Rối loạn gây ra bởi sự trục trặc của protein CFTR, protein kiểm soát sự vận chuyển liên màng của các ion clorua, điều quan trọng để duy trì trạng thái cân bằng của nước trong cơ thể. Protein bị trục trặc khiến chất nhầy nhớt hình thành trong phổi và đường ruột. Trước thời hiện đại, trẻ em sinh ra với CF sẽ có tuổi thọ chỉ vài năm, nhưng y học hiện đại đã giúp những người này có thể sống đến tuổi trưởng thành. Tuy nhiên, ngay cả ở những người này, CF thường gây vô sinh nam. Đây là bệnh di truyền phổ biến nhất ở những người gốc châu Âu

Sự hiện diện của một đột biến CF đơn lẻ có thể ảnh hưởng đến sự sống sót của những người bị ảnh hưởng bởi các bệnh liên quan đến mất chất lỏng trong cơ thể, điển hình là do tiêu chảy. Căn bệnh phổ biến nhất trong số những căn bệnh này là bệnh tả, căn bệnh chỉ bắt đầu giết chết người châu Âu hàng thiên niên kỷ sau khi tần suất đột biến CF đã được thiết lập trong dân số. Một căn bệnh khác mà CF có thể bảo vệ chống lại là bệnh thương hàn. Những người mắc bệnh tả thường chết vì mất nước do mất nước trong ruột. Một mô hình chuột của CF đã được sử dụng để nghiên cứu khả năng kháng bệnh tả, và kết quả đã được công bố trên tạp chí Science năm 1994 (Gabriel, et al. ). Chuột dị hợp tử (người mang mầm bệnh) bị tiêu chảy bài tiết ít hơn so với chuột bình thường, không mang mầm bệnh. Vì vậy, trong một thời gian, có vẻ như khả năng kháng bệnh tả đã giải thích lợi thế chọn lọc để trở thành người mang mầm bệnh CF và tại sao tình trạng người mang mầm bệnh lại thường xuyên như vậy.

Lý thuyết này đã được gọi vào câu hỏi. Hogenauer và cộng sự. đã thách thức lý thuyết phổ biến này với một nghiên cứu của con người. Dữ liệu trước đây chỉ dựa trên các thí nghiệm trên chuột. Các tác giả này nhận thấy trạng thái dị hợp tử không thể phân biệt được với trạng thái không mang

Một giả thuyết khác về sự phổ biến của đột biến CF là nó cung cấp khả năng kháng bệnh lao. Bệnh lao là nguyên nhân gây ra 20% tổng số ca tử vong ở châu Âu từ năm 1600 đến năm 1900, do đó, ngay cả việc bảo vệ một phần chống lại căn bệnh này cũng có thể giải thích cho tần số gen hiện tại

Giả thuyết gần đây nhất, được công bố trên Tạp chí Sinh học lý thuyết, đề xuất rằng có một đột biến CF duy nhất mang lại lợi thế hô hấp cho những người châu Âu đầu tiên di cư về phía bắc vào vùng đất hoang đầy bụi do Cực đại băng hà cuối cùng để lại.

Kể từ năm 2016, áp lực chọn lọc đối với tỷ lệ đột biến gen CF cao vẫn chưa chắc chắn và có thể là do sự trôi dạt di truyền không thiên vị hơn là lợi thế chọn lọc. Khoảng một trong 25 người gốc châu Âu là người mang mầm bệnh và cứ 2500 đến 3000 trẻ em sinh ra thì có một trẻ bị ảnh hưởng bởi bệnh xơ nang

Triosephosphate isomerase[sửa | sửa mã nguồn]

Triosephosphate isomerase (TPI) là một enzyme trung tâm của quá trình đường phân, là con đường chính để tế bào lấy năng lượng bằng cách chuyển hóa đường. Ở người, một số đột biến nhất định trong enzyme này, ảnh hưởng đến quá trình giảm thiểu protein này, là nguyên nhân gây ra một bệnh hiếm gặp, thiếu hụt triosephosphate isomerase. Các đột biến khác, làm bất hoạt enzyme (= alen null) gây chết người khi di truyền đồng hợp tử (hai bản sao khiếm khuyết của gen TPI), nhưng không có tác dụng rõ ràng ở người dị hợp tử (một khiếm khuyết và một bản sao bình thường). Tuy nhiên, tần số của các alen null dị hợp tử cao hơn nhiều so với dự kiến, cho thấy một lợi thế dị hợp tử đối với các alen null TPI. Lý do là không rõ; . PlosOne, tháng 12 năm 2006

Khả năng chống nhiễm virus viêm gan C[sửa | sửa mã nguồn]

Có bằng chứng cho thấy tính dị hợp tử di truyền ở người giúp tăng khả năng chống lại một số bệnh nhiễm vi-rút. Tỷ lệ dị hợp tử HLA-DRB1 thấp hơn đáng kể tồn tại trong số các trường hợp nhiễm HCV so với các trường hợp không bị nhiễm bệnh. Sự khác biệt rõ rệt hơn với các alen được biểu diễn dưới dạng siêu kiểu chức năng (P = 1. 05 × 10−6) so với các kiểu gen có độ phân giải thấp (P = 1. 99 × 10−3). Những phát hiện này tạo thành bằng chứng cho thấy tình trạng dị hợp tử mang lại lợi thế giữa những người mang các alen siêu loại HLA-DRB1 khác nhau chống lại sự tiến triển của nhiễm HCV thành bệnh gan giai đoạn cuối trong một quần thể nghiên cứu dài hạn, quy mô lớn

Dị hợp tử MHC và sở thích về mùi hương của con người[sửa | sửa mã nguồn]

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong các thí nghiệm mù đôi, con cái thích mùi hương của những con đực dị hợp tử ở cả ba locus MHC. Những lý do được đề xuất cho những phát hiện này là suy đoán; . Tuyên bố thứ hai đã được thử nghiệm trong một thí nghiệm, cho thấy những con chuột lai xa thể hiện tính dị hợp tử MHC đã tăng cường sức khỏe và tỷ lệ sống sót của chúng trước các bệnh nhiễm trùng đa chủng

BAFF và bệnh tự miễn dịch[sửa | sửa mã nguồn]

Yếu tố kích hoạt tế bào B (BAFF) là một cytokine được mã hóa bởi gen TNFSF13B. Một biến thể của gen chứa đoạn xóa (GCTGT—>A) biểu hiện bản phiên mã mARN ngắn hơn mà không bị phân hủy bởi microRNA, do đó làm tăng biểu hiện của BAFF, do đó điều chỉnh tăng đáp ứng miễn dịch dịch thể. Biến thể này có liên quan đến bệnh lupus ban đỏ hệ thống và bệnh đa xơ cứng, nhưng những người dị hợp tử mang biến thể này đã giảm khả năng nhiễm sốt rét

Các biến thể của MAP3K5 liên quan đến kinase có liên quan đến tuổi thọ. Trong một nghiên cứu giữa những người Mỹ gốc Nhật, những cá thể đồng hợp tử có tuổi thọ cao hơn những cá thể dị hợp tử, cho thấy một lợi thế của đồng hợp tử

Kiểu gen thiếu máu hồng cầu hình liềm nào có thể lực cao nhất ở khu vực có tỷ lệ mắc bệnh sốt rét cao?

Kiểu gen nào phổ biến nhất ở các khu vực châu Phi có tỷ lệ mắc bệnh sốt rét cao?

Tại sao những người dị hợp tử về đặc điểm tế bào hình liềm lại có lợi thế ở Châu Phi?

Kiểu gen nào có lợi cho bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm?