Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Преимущество гетерозигот описывает случай , в котором гетерозиготный генотип имеет более высокую относительную пригодность , чем либо гомозиготный доминантный или гомозиготный рецессивный генотип. Конкретный случай преимущества гетерозигот за счет одного локуса известен как сверхдоминирование . [1] [2] Чрезмерное доминирование - это генетическое состояние, при котором фенотип гетерозиготы выходит за пределы фенотипического диапазона обоих гомозиготных родителей, а гетерозиготные особи имеют более высокую приспособленность, чем гомозиготные.

Полиморфизм может поддерживаться отбором в пользу гетерозиготы, и этот механизм используется для объяснения возникновения некоторых видов генетической изменчивости . Типичным примером является случай, когда гетерозигота обладает как преимуществами, так и недостатками, в то время как обе гомозиготы демонстрируют недостаток. Хорошо установленный случай преимущества гетерозигот - гена, участвующего в серповидно-клеточной анемии .

Часто описываемые преимущества и недостатки довольно сложны, потому что более одного гена могут влиять на данный признак или морф . Основные гены почти всегда обладают множественными эффектами ( плейотропизм ), которые могут одновременно передавать отдельные полезные и неблагоприятные черты одному и тому же организму. В этом случае состояние окружающей среды организма будет обеспечивать отбор с чистым эффектом либо в пользу гена, либо противодействуя ему, пока не будет достигнуто равновесие, определяемое окружающей средой.

Преимущество гетерозигот является основным механизмом, лежащим в основе гетерозиса или «гибридной силы», которая представляет собой улучшенную или повышенную функцию любого биологического качества в гибридном потомстве. Предыдущие исследования, сравнивающие показатели доминирования, избыточного доминирования и эпистаза (в основном у растений), показали, что большинство случаев гетерозиготного преимущества было связано с комплементацией (или доминированием), маскировкой вредных рецессивных аллелей аллелями дикого типа, как обсуждалось в статьи « Гетерозис» и « Дополнение» (генетика) , но также были обнаружены случаи чрезмерного доминирования , особенно в отношении риса. [2] Более поздние исследования, однако, установили, что существует также эпигенетическаявклад в преимущество гетерозигот, в первую очередь, как определено у растений [3] [4], хотя также сообщалось и у мышей. [5]

Теоретически [ править ]

Когда две популяции любого полового организма разделены и содержатся изолированными друг от друга, частота вредных мутаций в этих двух популяциях со временем будет отличаться из-за генетического дрейфа . Однако маловероятно, что одни и те же вредные мутации будут распространены в обеих популяциях после длительного периода разделения. Так как с потерей функции мутации имеют тенденцию быть рецессивным (при условии , что доминантные мутации этого типа обычно предотвращают организм от воспроизведения и , таким образом передавая ген к следующему поколению), результат любого скрещивания две популяции будет монтера , чем родитель.

В этой статье рассматривается конкретный случай превышения пригодности , когда преимущество скрещивания в приспособленности обусловлено гетерозиготностью только по одному конкретному локусу.

Экспериментальное подтверждение [ править ]

Случаи преимущества гетерозигот были продемонстрированы на нескольких организмах, включая человека. Первое экспериментальное подтверждение преимущества гетерозигот было на Drosophila melanogaster , плодовой мушке, которая была модельным организмом для генетических исследований. В классическом исследовании мутации эбенового дерева Калмус продемонстрировал, как полиморфизм может сохраняться в популяции благодаря преимуществу гетерозигот. [6]

Если бы слабость была единственным эффектом мутантного аллеля, а значит, она несла только недостатки, естественный отбор отсеял бы эту версию гена до тех пор, пока он не исчезнет из популяции. Однако та же мутация также имеет преимущества, обеспечивая улучшенную жизнеспособность гетерозиготных особей. Гетерозигота не проявляла никаких недостатков гомозигот, но приобрела улучшенную жизнеспособность. Гомозигота дикого типа была совершенно здоровой, но не обладала повышенной жизнеспособностью гетерозиготы и, таким образом, находилась в невыгодном положении по сравнению с гетерозиготой в плане выживаемости и воспроизводства.

Эта мутация, которая на первый взгляд казалась вредной, дала гетерозиготам достаточно преимуществ, чтобы сделать ее полезной, так что она оставалась в динамическом равновесии в генофонде. Kalmus ввел мух с мутацией черного дерева в популяцию дикого типа. Аллель эбенового дерева сохранялся у многих поколений мух, участвовавших в исследовании, с частотами генотипов, которые варьировались от 8% до 30%. В экспериментальных популяциях аллель эбенового дерева был более распространен и, следовательно, полезен, когда мух выращивали при низких, сухих температурах, но меньше - в теплой и влажной среде.

В генетике человека [ править ]

Серповидно-клеточная анемия [ править ]

Серповидно-клеточная анемия (SCA) - это генетическое заболевание, вызванное наличием двух не полностью рецессивных аллелей. Когда эритроциты больного подвергаются воздействию условий с низким содержанием кислорода , клетки теряют свою здоровую круглую форму и становятся серповидными. Эта деформация клеток может привести к их застреванию в капиллярах, что лишает другие части тела достаточного количества кислорода. При отсутствии лечения человек с SCA может страдать от периодических болезненных приступов, часто вызывающих повреждение внутренних органов , инсульты или анемию . Обычно болезнь заканчивается преждевременной смертью.

Возможное преимущество гетерозиготности по серповидно-клеточной анемии (A) по сравнению с нормальным ответом клеток крови (B) при заражении малярией.

Поскольку генетическое заболевание является не полностью рецессивным, у человека только с одним аллелем SCA и одним незатронутым аллелем будет «смешанный» фенотип : больной не испытает пагубных последствий болезни, но все равно будет обладать чертой серповидно-клеточной анемии., в результате чего некоторые из красных кровяных телец подвергаются доброкачественному воздействию SCA, но ничего достаточно серьезного, чтобы быть вредным. Люди, страдающие серповидно-клеточной активностью, также известны как носители: если у двух носителей есть ребенок, существует 25% -ная вероятность того, что у их ребенка будет SCA, 50% -ная вероятность, что их ребенок будет носителем, и 25% -ная вероятность, что ребенок не будет ни иметь SCA, ни быть носителем. Если бы присутствие аллеля SCA придавало только отрицательные признаки, можно было бы ожидать, что частота его аллеля будет уменьшаться от поколения к поколению, пока его присутствие не будет полностью устранено путем отбора и случайно.

Однако убедительные данные показывают, что в районах со стойкими вспышками малярии люди с гетерозиготным состоянием имеют явное преимущество (и именно поэтому люди с гетерозиготными аллелями гораздо чаще встречаются в этих районах). [7] [8]Люди с доброкачественным серповидным синдромом обладают устойчивостью к малярийной инфекции. Патоген, вызывающий заболевание, проводит часть своего цикла в эритроцитах и ​​вызывает аномальное падение уровня кислорода в клетке. У носителей этого снижения достаточно, чтобы вызвать полную серповидно-клеточную реакцию, которая приводит к быстрому удалению инфицированных клеток из кровообращения и сильно ограничивает развитие инфекции. Эти люди обладают высокой устойчивостью к инфекции и имеют больше шансов выжить во вспышках. Однако люди с двумя аллелями SCA могут пережить малярию, но обычно умирают от своего генетического заболевания, если у них нет доступа к передовой медицинской помощи. Те из гомозиготных «нормальных» или «диких» случаев будут иметь больше шансов успешно передать свои гены,в том, что у их потомков нет шансов страдать SCA; тем не менее, они более восприимчивы к смерти от малярийной инфекции, прежде чем у них появится шанс передать свои гены.

Эта устойчивость к инфекции является основной причиной, по которой аллель SCA и болезнь SCA все еще существуют. Наиболее часто она встречается в группах населения, где малярия была и часто остается серьезной проблемой. Примерно каждый десятый афроамериканец является носителем, [9]поскольку их недавние предки происходят из регионов, пораженных малярией. Другие популяции в Африке, Индии, Средиземноморье и на Ближнем Востоке также имеют более высокие частоты аллелей. Поскольку эффективное противомалярийное лечение становится все более доступным для населения, пораженного малярией, ожидается, что частота аллелей SCA будет снижаться, пока лечение SCA недоступно или только частично. Если эффективные методы лечения серповидноклеточной анемии станут доступными в той же степени, частота аллелей в этих популяциях должна оставаться на нынешнем уровне. В этом контексте «эффективность лечения» относится к репродуктивной способности, которую оно обеспечивает, а не к степени облегчения страданий.

Муковисцидоз [ править ]

Муковисцидоз (МВ) - аутосомно-рецессивное наследственное моногенное заболевание легких , потовых желез и пищеварительной системы . Расстройство вызвано неисправностью CFTR белка, который контролирует среди мембранного транспорта из хлоридных ионов, который имеет жизненно важное значение для поддержания равновесия воды в организме. Неисправный белок вызывает образование вязкой слизи в легких и кишечном тракте. Раньше ожидаемая продолжительность жизни детей, рожденных с МВ, составляла всего несколько лет, но современная медицина дала возможность этим людям дожить до взрослой жизни. Однако даже у этих людей МВ обычно вызывает мужское бесплодие.. Это наиболее распространенное генетическое заболевание среди людей европейского происхождения.

Наличие единственной мутации CF может влиять на выживаемость людей, страдающих заболеваниями, связанными с потерей жидкости организма, обычно из-за диареи. Наиболее распространенной из этих болезней является холера , которая начала убивать европейцев только через тысячелетия после того, как частота мутаций CF уже была установлена ​​в популяции. Еще одно заболевание, от которого может защитить CF, - это брюшной тиф . [10] Больные холерой часто умирают от обезвоживания из-за потери воды в кишечнике. Модель CF на мышах использовалась для изучения устойчивости к холере, и результаты были опубликованы в Science.в 1994 г. (Габриэль и др.). Гетерозиготные (носители) мыши имели меньшую секреторную диарею, чем нормальные мыши, не являющиеся носителями. Таким образом, какое-то время казалось, что устойчивость к холере объясняет селективное преимущество того, что она является носителем CF, и почему состояние носительства встречается так часто.

Эта теория была поставлена ​​под сомнение. Hogenauer, et al. [11] оспорили эту популярную теорию с помощью исследования на людях. Предыдущие данные были основаны исключительно на экспериментах на мышах. Эти авторы обнаружили, что состояние гетерозиготы неотличимо от состояния без носителя.

Другая теория распространенности мутации CF заключается в том, что она обеспечивает устойчивость к туберкулезу . Туберкулез стал причиной 20% всех случаев смерти в Европе в период с 1600 по 1900 год, поэтому даже частичная защита от болезни может объяснить текущую частоту гена. [12]

Самая последняя гипотеза, опубликованная в Журнале теоретической биологии, предполагала, что единственная мутация CF дала респираторное преимущество ранним европейцам, мигрировавшим на север в пыльные пустоши, оставленные Последним ледниковым максимумом . [13]

По состоянию на 2016 г. давление отбора в связи с высокой распространенностью мутаций МВ по-прежнему остается неопределенным и может быть вызвано несмещенным генетическим дрейфом, а не преимуществом отбора. Примерно каждый 25 человек европейского происхождения является носителем этого заболевания, и каждый из 2500–3000 рожденных детей страдает муковисцидозом.

Триозофосфат-изомераза [ править ]

Триозофосфат-изомераза (TPI) - это центральный фермент гликолиза , основной путь, по которому клетки получают энергию путем метаболизма сахаров . У людей определенные мутации в этом ферменте , которые влияют на димеризацию этого белка, являются причиной редкого заболевания - дефицита триозофосфат-изомеразы . Другие мутации, инактивирующие фермент (= нулевые аллели ), являются летальными при гомозиготном наследовании (две дефектные копии гена TPI), но не имеют очевидного эффекта у гетерозигот.(одна бракованная и одна нормальная копия). Однако частота гетерозиготных нулевых аллелей намного выше, чем ожидалось, что указывает на гетерозиготное преимущество нулевых аллелей TPI. Причина неизвестна; однако новые научные результаты показывают, что клетки со сниженной активностью TPI более устойчивы к окислительному стрессу . PlosOne, декабрь 2006 г.

Устойчивость к инфекции вируса гепатита С [ править ]

Имеются данные о том, что генетическая гетерозиготность у людей обеспечивает повышенную устойчивость к определенным вирусным инфекциям. Среди случаев, инфицированных ВГС, существует значительно меньшая доля гетерозиготности по HLA-DRB1, чем среди неинфицированных случаев. Различия были более выражены с аллелями, представленными как функциональные супертипы (P = 1,05 × 10 −6 ), чем с аллелями, представленными как генотипы с низким разрешением (P = 1,99 × 10 −3 ). Эти результаты представляют собой свидетельство того, что гетерозиготность обеспечивает преимущество среди носителей различных аллелей HLA-DRB1 супертипа против прогрессирования инфекции ВГС до конечной стадии заболевания печени в крупномасштабном, долгосрочном исследовании населения. [14]

Гетерозиготность MHC и человеческие вкусовые предпочтения [ править ]

Многочисленные исследования показали, что в двойных слепых экспериментах самки предпочитают запах самцов, гетерозиготных по всем трем локусам MHC . [15] [16] Причины, предложенные для этих выводов, являются умозрительными; однако утверждалось, что гетерозиготность по локусам MHC приводит к большему количеству аллелей для борьбы с более широким спектром заболеваний, что, возможно, увеличивает выживаемость при более широком спектре инфекционных заболеваний. [17] Последнее утверждение было проверено в эксперименте, который показал, что аутбридинговые мыши демонстрируют гетерозиготность по MHC, улучшая их здоровье и выживаемость против инфекций с множественными штаммами. [18]

BAFF и аутоиммунное заболевание [ править ]

Фактор активации В-клеток (BAFF) представляет собой цитокин, кодируемый геном TNFSF13B. Вариант гена, содержащий делецию (GCTGT-> A), воспроизводит более короткий транскрипт мРНК, который избегает деградации микроРНК , тем самым увеличивая экспрессию BAFF, что, следовательно, активирует гуморальный иммунный ответ. Этот вариант связан с системной красной волчанкой и рассеянным склерозом , но гетерозиготные носители этого варианта имеют пониженную восприимчивость к инфекции малярии. [19]

См. Также [ править ]

  • Сбалансированный полиморфизм
  • Гибридная сила
  • Смешанные браки
  • Чрезмерное доминирование
  • Полиморфизм (биология)

Заметки [ править ]

  1. ^ Charlesworth D, Уиллис JH (ноябрь 2009 г.). «Генетика инбридинговой депрессии». Nat. Преподобный Жене . 10 (11): 783–96. DOI : 10.1038 / nrg2664 . PMID  19834483 . S2CID  771357 .
  2. ^ a b Карр Д.Е., Дудаш М.Р. (июнь 2003 г.). «Современные подходы к генетическим основам инбридинговой депрессии у растений» . Филос. Пер. R. Soc. Лондон. B Biol. Sci . 358 (1434): 1071–84. DOI : 10.1098 / rstb.2003.1295 . PMC 1693197 . PMID 12831473 .  
  3. ↑ Chen ZJ (февраль 2010 г.). «Молекулярные механизмы полиплоидии и силы гибридов» . Trends Plant Sci . 15 (2): 57–71. DOI : 10.1016 / j.tplants.2009.12.003 . PMC 2821985 . PMID 20080432 .  
  4. ^ Baranwal В.К., Mikkilineni V, Zehr UB, Tyagi А.К., Kapoor S (ноябрь 2012). «Гетерозис: новые идеи о гибридной силе» . J. Exp. Бот . 63 (18): 6309–14. DOI : 10.1093 / JXB / ers291 . PMID 23095992 . [ постоянная мертвая ссылка ]
  5. ^ Хан Z, Mtango NR, Patel BG, Sapienza C, Латам KE (октябрь 2008). «Гибридная сила и трансгенерационные эпигенетические эффекты на фенотип ранних эмбрионов мышей» . Биол. Репродукция . 79 (4): 638–48. DOI : 10.1095 / biolreprod.108.069096 . PMC 2844494 . PMID 18562704 .  
  6. ^ Kalmus, H. (1945). «Адаптивные и селективные ответы популяции Drosophila melanogaster, содержащей е и е +, на различия в температуре, влажности и на отбор по скорости развития». Журнал генетики . 47 : 58–63. DOI : 10.1007 / BF02989038 . S2CID 27175926 . 
  7. Перейти ↑ Bridges, Kenneth (2 апреля 2002 г.). «Малярия и серповидный ген гемоглобина» . Информационный центр серповидно-клеточных и талассемических заболеваний . Архивировано из оригинального 27 ноября 2011 года.
  8. ^ Bunn, Х. Франклин (1 ноября 2012). «Победа добра над злом: защита серповидноклеточного гена от малярии». Кровь . 10 (1182): 20–24.
  9. ^ Лазарин Г.А.; Хак IS; Назарет S .; Иори К .; Паттерсон А.С.; Якобсон JL; Маршалл-младший; Зельцер В.К .; Патрицио П .; Evans EA; Сринивасан Б.С. (2013). «Эмпирическая оценка несущих частот для 400+ причинных менделевских вариантов: результаты этнически разнообразной клинической выборки из 23 453 человек» . Genet. Med . 15 (3): 178–186. DOI : 10.1038 / gim.2012.114 . PMC 3908551 . PMID 22975760 .  
  10. ^ Джозефсон, Deborah (16 мая 1998). «Ген CF может защитить от брюшного тифа». Британский медицинский журнал . 316 (7143): 1481. DOI : 10.1136 / bmj.316.7143.1477j . PMID 9616022 . S2CID 27062771 .  
  11. ^ Högenauer С, Санта - Ана Калифорния, Портер JL, и др. (Декабрь 2000 г.). «Активная кишечная секреция хлорида у людей-носителей мутаций муковисцидоза: оценка гипотезы о том, что гетерозиготы имеют субнормальную активную кишечную секрецию хлорида» . Являюсь. J. Hum. Genet . 67 (6): 1422–7. DOI : 10.1086 / 316911 . PMC 1287919 . PMID 11055897 .  
  12. ^ Маккензи, Дебора (2006-09-07). «Ген муковисцидоза защищает от туберкулеза» . Новый ученый.
  13. ^ Borzan В, Tomašević В, Kurbel S (2014). «Гипотеза: возможные респираторные преимущества для гетерозиготных носителей муковисцидоза, связанных с муковисцидозом, в условиях пыльного климата последнего оледенения». J Theor Biol . 363 : 164–168. DOI : 10.1016 / j.jtbi.2014.08.015 . PMID 25150458 . 
  14. ^ Hraber P, Куикен C, Юсит K (декабрь 2007). «Доказательства преимущества гетерозиготного лейкоцитарного антигена человека против вирусной инфекции гепатита С» . Гепатология . 46 (6): 1713–21. DOI : 10.1002 / hep.21889 . PMID 17935228 . 
  15. ^ Rikowski A, Граммер K (май 1999). «Запах человеческого тела, симметрия и привлекательность» . Proc. Биол. Sci . 266 (1422): 869–74. DOI : 10,1098 / rspb.1999.0717 . PMC 1689917 . PMID 10380676 .  
  16. ^ Торнхилл R, S Gangestad Миллер R, G Scheyd, McCollough J, Франклин M (март-апрель 2013). «Основные гены комплекса гистосовместимости, симметрия и привлекательность тела у мужчин и женщин» . Поведенческая экология . 14 (5): 668–678. DOI : 10.1093 / beheco / arg043 .
  17. Перейти ↑ Buss, David M. (2005). Справочник по эволюционной психологии . Джон Вили и сыновья. п. 357. ISBN. 978-0-471-72722-4.
  18. Перейти ↑ Penn DJ, Damjanovich K, Potts WK (август 2002 г.). «Гетерозиготность по MHC дает селективное преимущество против множественных штаммов инфекций» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 376 (17): 11260–4. Bibcode : 2002PNAS ... 9911260P . DOI : 10.1073 / pnas.162006499 . PMC 123244 . PMID 12177415 .  
  19. ^ Стери М. и др. (Апрель 2017 г.). «Сверхэкспрессия цитокинов BAFF и риск аутоиммунитета» . Медицинский журнал Новой Англии . 46 (17): 1615–26. DOI : 10.1056 / NEJMoa1610528 . PMC 5605835 . PMID 28445677 .