Кіріспе

Гетерозиготалық артықшылық – гетерозиготалық генотиптің гомозиготалық доминантты немесе гомозиготалық рецессивті генотипке қарағанда салыстырмалы түрде жоғары жарамдылығын сипаттайды. Гетерозиготалық артықшылықты көрсететін локустар локустардың аз бөлігін құрайды. Бір локустың нәтижесінде гетерозиготалардың артықшылығының нақты жағдайы үстемдік деп аталады. Үстемдік – гетерозиготаның фенотипі екі гомозиготалық ата-ананың фенотипілік диапазонынан тыс жататын және гетерозиготалық индивидтер гомозиготалық индивидтерге қарағанда жоғары жарамдылыққа ие болатын генетикадағы сирек кездесетін жағдай. Полиморфизмді гетерозиготаны жақсы көру арқылы сақтауға болады, және бұл механизм генетикалық өзгергіштіктің кейбір түрлерінің пайда болуын түсіндіру үшін қолданылады. Көбінесе гетерозигот артықшылықтар мен кемшіліктерді білдіреді, ал гомозиготалар кемшіліктерді көрсетеді. Гетерозиготалық артықшылықтың жақсы дәлелденген мысалы – серпалы жасушалы анемияға қатысты ген. Көп жағдайларда, берілген артықшылықтар мен кемшіліктер өте күрделі болады, себебі бірнеше ген белгілі бір қасиетке немесе морфқа әсер етуі мүмкін. Басты гендердің әдетте көптеген әсерлері болады (плейотропизм), олар бір уақытта бір организмге жеке артықшылықты және зиянды қасиеттерді сыйлайды. Мұндай жағдайда организмнің қоршаған ортасы таңдау жасауға мүмкіндік береді, соның нәтижесінде генге жағымды немесе қарсы әсер етеді, қоршаған ортамен анықталатын тепе-теңдікке қол жеткізілгенге дейін. Гетерозиготалық артықшылық – гетерозистің, яғни «гибридтік күштің» маңызды негізгі механизмі, гибридті ұрпақтағы кез келген биологиялық қасиеттің жақсартылған немесе жоғарылатылған функциясы. Алдыңғы зерттеулер доминанттылық, үстемдік және эпистазды салыстырып (көбінесе өсімдіктерде), гетерозиготалық артықшылықтың көп бөлігі комплементацияға (немесе доминанттылыққа), зиянды рецессивті аллельдерді жабайы типтегі аллельдермен жасыруға байланысты екенін анықтады, бұл туралы «Heterosis and Complementation (генетика)» мақалаларында талқыланды, бірақ сонымен қатар күріште, сондай-ақ егеуқұйрықтарда да үстемдік табылды.

Теориялық тұрғыдан

Кез келген жыныстық организмнің екі популяциясы бір-бірінен бөлініп, оқшауланған жағдайда, екі популяциядағы зиянды мутациялардың жиілігі уақыт өте келе генетикалық дрейф арқылы өзгереді. Дегенмен, ұзақ уақыт бөлініп өткен соң, екі популяцияда да бірдей зиянды мутациялардың кең таралғаны өте аз ғана мүмкіндік. Функция жоғалту мутациялары көбінесе рецессивті болады (өйткені осы типтегі доминантты мутациялар әдетте организмнің көбеюіне және осылайша генді келесі ұрпаққа жеткізуіне кедергі келтіреді), сондықтан екі популяция арасындағы кез келген будандастыру нәтижесі ата-аналарынан гөрі жақсырақ болады. Бұл мақалада фитнес-овердоминацияның нақты жағдайы қарастырылады, онда будандастырудың артықшылығы бір ғана белгілі локуста гетерозигота болудан туындайды.

Эксперименттік растау

Гомозиготалық және гетерозиготалық артықшылықтың мысалдары бірнеше организмдерде, адамдарды қоса, көрсетілген. Гетерозиготалық артықшылықтың алғашқы эксперименталдық растауы генетикалық зерттеулерде үлгі ретінде қолданылатын жеміс шыбыны – Drosophila melanogaster-де жасалды. Эбони мутациясы бойынша классикалық зерттеуде Кальмус полиморфизмнің гетерозиготалық артықшылық арқылы популяцияда қалай сақталуын көрсетті. Егер мутанттық аллельдің жалғыз әсері әлсіздік болса және ол тек зиян келтірсе, табиғи іріктеу геннің осы нұсқасын популяциядан жойғанға дейін шығарып тастайды. Алайда, сол мутация гетерозиготалардың тірі қалу мүмкіндігін арттыра отырып, артықшылықтар да берді. Гетерозиготалар гомозиготалардың зиянды әсерлерін көрсетпеді, бірақ тірі қалу мүмкіндігін арттырды. Гомозиготалық жабайы тип толығымен денсау болды, бірақ гетерозиготаның арттырылған тірі қалу мүмкіндігіне ие емес, сондықтан тіршілік ету және көбею кезінде гетерозиготаға қарағанда кем артықшылыққа ие болды. Көрінеу зиянды болып көрінген бұл мутация гетерозиготаларға жеткілікті артықшылық берді, осылайша ол гендік қорында динамикалық тепе-теңдікте сақталды. Кальмус эбони мутациясы бар шыбындарды жабайы типтегі популяцияға енгізді. Эбони аллелі зерттеу кезінде көптеген буын бойында сақталды, генотиптік жиіліктері 8%-дан 30%-ға дейін өзгерді. Эксперименттік популяцияларда эбони аллелі көбірек таралған, сондықтан төмен, құрғақ температурада шыбындар өсірілгенде артықшылықты болды, бірақ жылы, ылғалды ортада оның артықшылығы азайды. Гетерозиготалық кемшілік "гетерозиготалардың гомозиготаларға қарағанда жалпы жарамдылығы төмен болған кезде" пайда болады. Гетерозиготалық кемшілік сүтқоректілерде, құстарда және жәндіктерде кездеседі.

Қалқаншалық анемия

Дәрілдік анемия (ДАА) – екі толық емес рецессивті аллельдің болуынан туындайтын генетикалық ауру. Ауруға шалдыққан адамның қызыл қан жасушалары оттегінің жетіспеуіне ұшырағанда, олардың қалыпты дөңгелек пішіні бұзылып, серпа пішінге айналады. Мұндай жасушалардың деформациясы капиллярларда бітелуіне, соның салдарынан дене мүшелерінің жеткілікті оттегі алмасуына кедерілтуі мүмкін. Емделмесе, ДАА-ға шалдыққан адам ауырсынулы ұстамаларға ұшырап, ішкі органдар зақымдануы, инсульт немесе анемияға шалдығуы мүмкін. Әдетте, бұл ауру ерте өлімге алып келеді. Генетикалық бұзылу толық рецессивті болмағандықтан, бір ғана ДАА аллелі және бір бұзылмаған аллелі бар адамда "аралас" фенотип байқалады: аурудың зиянды әсерлерін сезінбейді, бірақ серпалы жасуша белгісін сақтайды, яғни қызыл қан жасушаларының бір бөлігі ДАА-ның жеңіл әсерлеріне ұшырайды, бірақ бұл денсаулыққа қауіпті деңгейге жетпейді. Серпалы жасуша белгісін тасымалдаушылар да бар: егер екі тасымалдаушы бала туса, баланың ДАА-ға шалдығу ықтималдығы 25%, тасымалдаушы болу ықтималдығы 50%, ал ДАА-ға шалдықпай және тасымалдаушы да болмау ықтималдығы 25% құрайды. Егер ДАА аллелі тек теріс қасиеттерді анықтаса, оның аллель жиілігі ұрпақтан ұрпаққа азая түсіп, табиғи іріктеу және кездейсоқтық нәтижесінде жойылар еді. Алайда, малярияның тұрақты ошақтары бар аймақтарда гетерозиготалық жағдайдағы адамдардың айқын артықшылығы бар екенін нақты дәлелдер көрсетіп тұр (сондықтан осы аймақтарда гетерозиготалық аллельдер жиі кездеседі). Серпалы жасуша белгісі барлар малярия инфекциясына төзімділік көрсетеді. Ауруды қоздырушы патоген өмір циклінің бір бөлігін қызыл қан жасушаларында өткізеді және жасушадағы оттегі деңгейінің төмендеуіне себеп болады. Тасымалдаушыларда бұл төмендеу серпалы жасуша реакциясын тудыруға жеткілікті, бұл инфекцияланған жасушалардың қан ағынынан тез шығарылуына және инфекцияның таралуын шектеуге әкеледі. Бұл адамдар инфекцияға қарсы жоғары төзімділікке ие және малярия ошақтарында аман қалу мүмкіндігі жоғары. Алайда, ДАА-ның екі аллелі бар адамдар маляриядан аман қалуы мүмкін, бірақ медициналық көмек алмаса, генетикалық аурудан көбінесе өледі. Гомозиготалық "нормальды" немесе жабайы типтегі жағдайдағы адамдардың гендерін табысты жеткізу мүмкіндігі жоғары, себебі олардың ұрпақтары ДАА-ға шалдықпайды; бірақ олар өз гендерін жеткізуге үлкермес бұрын малярия инфекциясынан өлуге бейім. Осы инфекцияға қарсы төзімділік ДАА аллелі мен ДАА ауруының әлі де бар болуының басты себебі болып табылады. Бұл аурудың таралуы малярияның кең таралған және қауіпті проблема болып табылатын аймақтарда жиі кездеседі. Африкалық американдықтардың шамамен 10%-ы осы аурудың тасымалдаушысы, себебі олардың тегі малярияға ұшыраған аймақтардан шыққан. Африка, Үндістан, Жерорта теңізі және Таяу Шығыстағы басқа да халықтарда аллель жиілігі жоғары. Малярияға қарсы тиімді емдеудің қолжетімділігі артаған сайын, ДАА үшін аллель жиілігі төмендеуі күтілуде, егер ДАА емдеу әдістері қолжетімді болмаса немесе толыққанды тиімді болмаса. Егер серпалы жасушалы анемияны емдеудің тиімді әдістері қолжетімді болса, аллель жиілігі осы халықтарда қазіргі деңгейінде қалуы мүмкін. Бұл контексте "емдеу тиімділігі" – бұл аурудың салдарынан туындаған азапты жеңілдету дәрежесі емес, репродуктивті сәттілікке әсер ететін фактор.

Цистикалық фиброз

Цистикалық фиброз (ЦФ) – өкпе, тер бездері және ас қорыту жүйесінің аутосомдық рецессивті тұқым қуалайтын моногендік ауруы. Бұл аурудың себебі – хлорид иондарының мембранааралық тасымалын бақылайтын CFTR ақуызының бұзылуы, ал бұл денедегі судың тепе-теңдігін сақтау үшін маңызды. Ақуыздың дұрыс жұмыс істемеуі өкпе мен ішек-қарында қою шырыш түзілуіне алып келеді. Бұрынғы заманда ЦФ-пен туған балалардың өмір сүру ұзақтығы бірнеше жылды құраса, қазіргі медицина олардың ересек жасқа дейін өмір сүруіне мүмкіндік береді. Дегенмен, тіпті осы жағдайда да ЦФ көбінесе ерлерде сүексіздікке (инфертильділікке) әкеледі. Бұл еуропалықтар арасында ең көп кездесетін генетикалық ауру. Бір CF мутациясының болуы дене сұйықтығының жоғалуымен (әдетте, диареядан) байланысты ауруларға шалдыққан адамдардың өмір сүруіне әсер етуі мүмкін. Мұндай аурулардың ішінде ең көп таралғаны – холера, ол еуропалықтарды CF мутациясының жиілігі халық арасында қалыптасқаннан кейін ғана кеңінен қырды. ЦФ басқа да ауруларға қарсы қорғаныс бере алады, мысалы, ішек безге қарсы. Холерамен ауыратындар көбінесе ішектегі судың жоғалуынан дегидратацияға (сусыздануға) байланысты қайтыс болады. ЦФ-тың егежейлі моделі холераға төзімділікті зерттеу үшін қолданылды, ал нәтижелері 1994 жылы Science журналында жарияланды (Gabriel және басқалар). Гетерозигота (тасымалдаушы) егежейліде нормальды, тасымалдаушы емес егежейліге қарағанда секреторлық диарея аз болды. Сондықтан, бір кезде холераға төзімділік ЦФ тасымалдаушы болудың пайдалы екенін және тасымалдаушы күйінің жиі кездесуін түсіндірді. Алайда, бұл теория күмәнді. Хогенауэр және басқалар адамдарға қатысты зерттеу жүргізіп, бұл кең таралған теорияны жоққа шығарды. Бұрынғы деректер тек егежейлілермен жүргізілген эксперименттерге негізделген. Олар гетерозиготалық күйдің тасымалдаушы емес күйден ешқандай айырмашылығы жоқ екенін анықтады. ЦФ мутациясының кең таралғандығына байланысты тағы бір теория – туберкулезге төзімділік. 1600-1900 жылдар аралығында туберкулез еуропалықтардың өлімінің 20%-ын құрады, сондықтан осы ауруға қарсы жарым-жартылай қорғаныс қазіргі ген жиілігін түсіндіруі мүмкін. Теориялық биология журналында жарияланған соңғы гипотеза бойынша, бір CF мутациясы соңғы мұз дәуірінен қалған шаңды шөлге көшіп барған ерте еуропалықтардың тыныс алу жүйесіне артықшылық берген. 2016 жылға қарай ЦФ мутацияларының жоғары ген жиілігіне селекциялық қысымның себебі әлі де белгісіз, және ол селекциялық артықшылыққа қарағанда бейтарап генетикалық дрейфке байланысты болуы мүмкін. Еуропалық текті 25 адамның біреуі осы аурудың тасымалдаушысы, ал туылған 2500-3000 баланың біреуі цистикалық фиброзбен ауырады.

Триофосфат изомераза

Триофосфат изомераза (ТФИ) – гликолиздің орталық ферменті, жасушалардың қанттарды метаболизмдеу арқылы энергия алуының негізгі жолы. Адамдарда осы ферменттегі кейбір мутациялар, осы белоктың димеризациясына әсер ететін мутациялар, триозофосфат изомераза жетіспеушілігі сияқты сирек кездесетін аурудың себебі болуы мүмкін. Ферменттің белсенділігін жоятын басқа мутациялар (= нөлдік аллельдер) гомозиготалық жағдайда (TPI генінің екі бұзық көшірмесі) мұрагерлікке өткенде өлімге алып келеді, бірақ гетерозиготаларда (бір бұзық және бір қалыпты көшірме) ешқандай айқын әсері байқалмайды. Дегенмен, гетерозиготалық нөлдік аллельдердің жиілігі күтілгеннен әлдеқайда жоғары, бұл TPI нөлдік аллельдеріне гетерозиготалық артықшылық бар екенін көрсетеді. Бұл құбылыстың себебі әлі белгісіз, алайда жаңа ғылыми зерттеулер ТФИ белсенділігі төмен жасушалардың тотығу стресіне қарсы тұру қабілеті жоғары екенін көрсетуде. PlosOne, 2006 жылғы желтоқсан.

Гепатит С вирусының инфекциясына қарсы тұру

Адамның генетикалық гетерозигоздығы кейбір вирустық инфекцияларға қарсы тұру қабілетін арттырады деген деректер бар. HCV жұқтырған науқастардың арасында HLA DRB1 гетерозигоздығының үлесі, жұқтырмаған науқастарға қарағанда айтарлықтай төмен. Функционалдық супертиптер (P = 1,05 × 10−6) түрінде көрсетілген аллельдердегі айырмашылықтар, төмен ажыратымды генотиптер (P = 1,99 × 10−3) түрінде көрсетілген аллельдерге қарағанда анық байқалды. Осы зерттеу нәтижелері гетерозигоздықтың, әртүрлі HLA DRB1 супертиптерінің тасымалдаушыларында HCV инфекциясының бауыр ауруының соңғы сатысына қарай прогрессиясына қарсы үлкен, ұзақ мерзімді зерттеу тобында артықшылық беретінін көрсетеді.

MHC гетерозигоздығы және адамның иіс таңдауы

Көптеген зерттеулер екі слепой эксперименттерде әйелдердің үш МНС локусы бойынша гетерозиготалы еркектердің иісін қалауға бейім екенін көрсетті. Осы тұжырымдарға ұсынылған себептер болжамды, алайда МНС локусы бойынша гетерозиготалы болу аурулардың кең спектріне қарсы күресу үшін көбірек аллельдерге ие болуы мүмкін, нәтижесінде жұқпалы аурулардың кең ауқымына қарсы тіршілік ету мүмкіндігі артуы мүмкін деп саналады. Бұл пікірді растау үшін эксперимент жүргізілді, оның нәтижесінде МНС гетерозиготалылығын көрсеткен тышқандардың денсаулығы мен бірнеше штаммды инфекцияларға қарсы тіршілік ету деңгейі жақсарғандығы анықталды.

БАФФ және аутоиммундық аурулар

В-клеткаларын белсендіретін фактор (BAFF) – TNFSF13B генімен кодталған цитокин. Геннің GCTGT→A делециясын қамтитын варианты микроРНК ыдырауынан қорғалатын қысқа мРНК транскриптін жасайды, осылайша BAFF экспрессиясын арттырады, нәтижесінде гуморальдық иммундық жауап күшейеді. Бұл вариант жүйелік қызыл жегі және көптік склерозбен байланысты, бірақ осы вариантты гетерозиготалық тасымалдаушылардың безгек инфекциясына қабылдануы төмендеу болады.

Кардиометаболикалық ауру

Киназаға байланысты MAP3K5 варианттары өмір сүру ұзақтығымен байланысты. Жапондық американдықтар арасында жүргізілген зерттеуде гомозиготалы жеке адамдар гетерозиготалы жеке адамдарға қарағанда ұзақ өмір сүреді, бұл гомозиготалы артықшылықты көрсетеді.