GENEETILINE POLÜMORFISM POPULATSIOONIDES

GENEETILINE POLÜMORFISM POPULATSIOONIDES
JA SELLE PÕHJUSED

Mart Viikmaa

Selle artikli algvariant (‘Geneetiline polümorfism populatsioonides ja selle ökoloogiline tähendus’) on avaldatud kogumikus SCHOLA BIOTHEORETICA XIX. Mitmekesisuse teooria. Tartu 1993. Siin on esitatud mõnevõrra muudetud tekst [HTML versioon a. 2001].
© Eesti Teaduste Akadeemia, Mart Viikmaa

See Ukrainian translation: http://www.fatcow.com/edu/genetic-polymorphism-uk/

and Polish translation: http://www.autoteiledirekt.de/science/polimorfizm-genetyczny-w-populacjach-oraz-przyczyny

Kontseptsioonid
Ch. Darwini õpetuse kõige uudsem ja originaalsem idee oli seisukoht, et populatsioonides toimib mingitel põhjustel erisuunaline individuaalne pärilik muutlikkus, mille looduslik valik suunab kindlasuunalisse liigilise kohastumise kanalisse. Kuid tundmata populatsioonigeneetilisi mehhanisme, ei saanud Darwin mõista, et looduslik valik võib populatsioonisisest pärilikku mitmekesisust ka tekitada ja säilitada.

See ühekülgne arusaam juurdus ja isegi süvenes esialgu ka mendellikus populatsioonigeneetikas. Populatsiooni geneetilise struktuuri klassikalise (sisuliselt tüpoloogilise) kontseptsiooni järgi on peaaegu kõik geenid esindatud üheainsa (nn mets- e normaalse) alleeli näol. Selle kõrval võib leiduda väike arv haruldasi mutantseid alleele, mis on enamasti kahjulikud ja elimineeritakse kiiresti loodusliku valiku toimel. Populatsioon on seega praktiliselt monomorfne, keskmise heterosügootsusega alla 0,1% [10]. Selle käsituse kohaselt võib küll esineda ajutist (üleminevat) polümorfismi, mis on tingitud juhuslikust geenitriivist või protsessist, kus juhuslikult kasulik mutantne alleel on suunava valiku toimel asendamas endist metsalleeli. Looduslik valik toimib kui tuulamismasin, mis heidab populatsiooni genofondist välja kõik eriilmelise ja säilitab ning lihvib ühtset adaptiivset genotüüpi.

Populatsiooni genofondi mendelliku struktuuri sügavam mõistmine, arusaam, et üks ja sama alleel võib olla erineva adaptiivse (selektiivse) tähendusega erinevates genotüüpides ja erineva sageduse puhul, viis nn tasakaalukontseptsiooni tekkele XX sajandi 50-60ndatel aastatel. Sellise käsituse lähtekohad sisaldusid juba S. Tšetverikovi artiklis aastast 1926 [14], kuid selle põhiseisukohad formuleerisid Th. Dobzhansky [2] ja E. B. Ford [3]. Hiljem on seda kontseptsiooni kõige jõulisemalt propageerinud ja arendanud ning klassikalist ägedalt kritiseerinud R. Lewontin [9].

Populatsiooni geneetilise struktuuri tasakaaluteooria kohaselt sisaldub populatsiooni genofondi paljudes lookustes mitu, mõnikord isegi üle kümne alleeli. Selles alleelide kogumis on enamasti liikmed, millest üht ei saa teistest normaalsemaks pidada. Kuid genofondis võivad püsida ka alleelid, mis ühes genotüübis on kahjulikud, teises aga kasulikud. Alleeli ja genotüübi kasulikkus või kahjulikkus oleneb populatsiooni ökoloogilistest tingimustest. Üks nn normaalne genotüüp tegelikult puudub, populatsioonid on geneetiliselt polümorfsed, igal indiviidil on suur osa geene heterosügootses seisundis. Erinevad genotüübid võivad olla erineva kohasusega erinevate keskkonnategurite suhtes. Looduslik valik hoiab erinevate alleelide ja genotüüpide sagedusi teatud tasakaalulises vahekorras, st valik toetab samas populatsioonis mitut genotüüpi ning seega tekitab ja säilitab geneetilist mitmekesisust. Loomulikult ei välista see kontseptsioon ka täielikult kahjulike genotüüpide (vähemalt nö normaalsetes tingimustes) olemasolu.

Tõendite otsimise meetodid
Kaua aega polnud ei klassikalisel ega tasakaalsuse kontseptsioonil vaieldamatuid, ühetähenduslikult tõlgendatavaid tõendeid. Klassikaline hüpotees toetus peamiselt laboratoorsete populatsioonide ja eksperimentaalse mutageneesi uurimise andmetele. Tasakaaluhüpoteesi pooldajad püüdsid oma seisukohtadele kinnitust leida üksikute geenide polümorfismi uurimisest looduslikes (peamiselt Drosophila liikide) populatsioonides. Kuid klassikalise geneetika meetodid, mille abil sai geeni tuvastada ainult fenotüübilise muutlikkuse (allelomorfsuse) alusel, ei võimaldanud üldist geneetilist heterogeensust objektiivselt hinnata. Ajajooksul leiti eri liikidel mitmeid polümorfseid geenisüsteeme (nt inimese ja loomade vererühmasüsteemid). Kuna aga monomorfseid geene ei saanud tuvastada, siis võidi väita, et need nähtused on erandlikud, ja üldist geneetilise muutlikkuse taset populatsioonides määrata ei osatud.

Põhimõtteliselt uuele tasemele tõusis probleemi lahendus biokeemilise ja molekulaargeneetika printsiipide ja meetodite rakendamisel. Vastavusseos geen – valk (polüpeptiid) andis võimaluse identifitseerida geene ka sõltumata nende muutlikkusest (st alleelide olemasolust). 1960ndatel aastatel võeti populatsioonigeneetilistes uurimistes kasutusele valkude ja nende allelomorfide elektroforeetilise lahutamise meetod, mis andis kiiresti kardinaalselt uuelaadseid andmeid populatsioonide geneetilise struktuuri kohta. Nüüd sai võimalikuks võtta populatsiooni genofondist uurimisele geenivalimeid sõltumata nende muutlikkusest, st nii polümorfseid kui ka monomorfseid lookusi, ja leida objektiivseid hinnanguid populatsiooni (liigi) polümorfsuse ja heterosügootsuse taseme kohta. Sealjuures tuleb arvestada, et elektroforeesimeetod, mis eristab valke molekulmassi ja summaarse elektrilise laengu alusel, annab tegelikult geneetilise muutlikkuse alahinnangu, sest enamik aminohappelisi asendusi valkudes ei muuda neid parameetreid.
80-90ndatel aastatel tulid üha laiemalt kasutusele molekulaargeneetilised meetodid, mis võimaldasid leida ka fenotüübiliselt mitteavalduvat (mittegeenset ja neutraalset) polümorfismi otseselt genoomi DNA uurimise tasemel.

Populatsiooni geneetilise polümorfsuse ja heterosügootsuse mõisted
Eespool on juba korduvalt kasutatud geneetilise polümorfismi (polümorfsuse, mitmekesisuse) mõistet, kuid ei ole selle tähendust täpselt määratletud. Populatsiooni (liigi) geneetiline polümorfsus (P) tähendab polümorfsete lookuste suhtosa kõigi lookuste hulgas (tegelikult küll uuritud lookuste osas, kuid tingimusel, et uurimise alla on lookused võetud juhusliku valimi põhimõttel, siis võib seda suhet laiendada kogu genofondile). Kuid mis on polümorfne lookus (geen), selle määratlemiseks on eri uurijad kasutanud küllaltki erinevaid kriteeriume. Kõige sagedamini kasutatakse 1% kriteeriumi: lookus on polümorfne, kui populatsioonis on kaks või rohkem alleeli, kusjuures harvima polümorfismisüsteemi kuuluva alleeli sagedus on vähemalt 1%. Samal ajal on käibivad ka niisugused kriteeriumid: lookus on polümorfne, kui selles on tuvastatud kaks või enam alleeli, millest levinuima sagedus ei ületa 99% või 97% st et ühe sageda alleeli kõrval võib esineda mitmeid haruldasi alleele, mille kogusagedus ulatub aga vähemalt 1%ni (või rangemal juhul 3%ni)..

Populatsiooni polümorfsuse hinnang ei näita aga veel tema mitmekesisuse mõõtu. Ka ühesuguse kriteeriumi alusel polümorfseks tunnistatud lookuse geneetilise heterogeensuse määr võib olla üsna erinev. Näiteks ühes lookuses võib olla kaks alleeli sagedustega 0,95 ja 0,05, teises aga 20 alleeli võrdse sagedusega 0,05 igaüks. On seletamatagi selge, et teise lookuse suhtes on populatsiooni geneetiline mitmekesisus palju suurem, kuid isegi 5%-kriteeriumi järgi on mõlemad lookused ühtmoodi polümorfsed.

Alleelide arvust sõltub võimalike genotüüpide arv [g_(k)] populatsioonis antud lookuse (geeni) suhtes:

$Description: Description: C:\Users\Sass\Documents\Kodu_veeb\poly0.gif$ , kus k on alleelide arv populatsiooni genofondis. (Nt 2 alleeli korral on populatsioonis 3 genotüüpi, 3 alleeli korral 6 genotüüpi, 5 alleeli korral 15 genotüüpi, 10 alleeli korral 55 genotüüpi jne).

Seepärast tuleb populatsiooni geneetilise heterogeensuse taseme paremaks näitajaks pidada keskmist heterosügootsust (H), mille määramisel puudub suvalisus ja ebamäärasus. Populatsiooni heterosügootsuse arvutamisel määratakse heterosügootsete isendite sagedus iga lookuse kohta, need sagedused summeeritakse, ja seejärel leitakse keskmine üle kõigi uuritud (ka monomorfsete) lookuste. Tasakaalulise panmiktilise populatsiooni heterosügootsus iga lookuse suhtes arvutatakse otse alleelisagedustest:

$Description: Description: C:\Users\Sass\Documents\Kodu_veeb\poly1.gif$ , kus k on alleelide arv lookuses ja p_i on iga alleeli sagedus.

Populatsiooni keskmine heterosügootsus näitab, milline on tõenäosus, et populatsioonist juhuslikult võetud indiviid on heterosügootne mistahes geenipaari suhtes. Ühtlasi vastab see näitaja heterosügootsete geenipaaride suhtosale, mis tuleb keskmiselt indiviidi genotüübi kohta.

Populatsioonide geneetilise polümorfismi tõendid
Esimese ulatuslikuma kokkuvõtte sellelaadsetest uurimistest inimpopulatsioonides tegid 1972. a. inglise biokeemikud--geneetikud H. Harris ja D. A. Hopkinson [4]. Selleks ajaks elektroforeetiliselt uuritud 71 geenist osutusid (1%-kriteeriumi järgi) polümorfseks 28% ja keskmine heterosügootsus oli 6,7%. Hilisemad uurimused inimpopulatsioonidest veelgi rohkemate lookuste suhtes on neid andmeid kinnitanud või näidanud isegi suuremat heterogeensust [17]. Need andmed näitavad selgelt klassikalise (tüploogilise) kontseptsiooni paikapidamatust.

Samalaadsed uurimised paljude looma- ja taimeliikide looduslikes populatsioonides näitasid varsti, et inimene pole populatsioonisisese geneetilise muutlikkuse suhtes erandlik liik. Tabelis on esitatud F. J. Ayala ja J. A. Kigeri raamatus [1] toodud kokkuvõtlikud andmed erinevate looma- ja taimerühmade kohta, kus on võrdluse mõttes lisatud ka eespool tsiteeritu inimese kohta.

Nende andmete põhjal, ja pealegi arvestades, et elektroforeetiline analüüs ei ilmuta tegelikult kogu geneetilist heterogeensust, võib julgelt väita, et suguliselt sigivate liikide panmiktilistes populatsioonides on vähemalt 30% kõigist geenidest polümorfsed ning keskmine heterosügootsus isendi kohta umbes 10%. Selgrootud loomad ja ristolmlevad taimed on märksa heterogeensemad.

Geneetiline heterogeensus looduslikes populatsioonides (F.J.Ayala, J.A.Kiger, 1984)

Organismirühm (liik)	Uuritud liikide arv	Uuritud lookuste keskmine arv liigi kohta	Polümorfsuse tase (P)	Keskmine heterosügootsus (H)
Inimene		71	0,28	0,07
Selgroogsed	68	24	0,25	0,06
Selgrootud	57	22	0,47	0,13
Õistaimed: Isetolmlejad Risttolmlejad	-- 33 36	-- 14 11	-- 0,18 0,51	-- 0,06* 0,18

* Isetolmlevate taimede puhul on arvutatud teoreetiline heterosügootsus (nagu oleksid nad panmiktilised); tegelik heterosügootsus on neil inbriidingu tõttu palju väiksem. Neil esinevad geneetiliselt erinevad liinid (kloonid).

Mida sellise mahuga geneetiline mitmekesisus sisuliselt tähendab, võiks illustreerida järgnev arvutus inimese kohta. Praeguste hinnangute kohaselt on inimese genoomis umbes 40 000 geeni. Kui keskmine heterosügootsus oleks 7%, siis tuleb indiviidi kohta keskmiselt 2900 heterosügootset geenipaari. Mendeli lahknemisseaduse järgi võib polüheterosügoot (sõltumatu lahknemise korral) moodustada 2ⁿ , st 2²⁹⁰⁰ » 10⁸⁶⁰geneetiliselt erinevat gameeti. See on selline muutlikkusepotentsiaal, mida ei suuda realiseerida mitte ükski indiviid ega ka mitte terve inimliik kogu oma eksisteerimisaja jooksul.

Kuna osa lookusi on geneetiliselt aheldunud, siis on muutlikkus mõnevõrra väiksem, kuid igal juhul tähendab olukord seda, et iga inimese genotüüp on unikaalne (kordumatu), kõik indiviidid erinevad vähemal või rohkemal määral üksteisest. Muidugi käib see argument lahksuguliselt sigivate organismide kohta.

Siin on jutt käinud fenotüübiliselt avalduvatest geenidest. Aga suurem osa genoomist pole geenne (geenivahemikud, pseudogeenid, introonid) ja molekulaargeneetilised analüüsid näitavad neis osades vähemalt samaväärset, kui mitte suuremat, polümorfismi (sh mini- ja mikrosatelliitsete tandemkorduste polümorfismi). Kuna mikrosatelliitsete järjestuste korduserinevuse määramine molekulaargeneetiliste meetodite abil on kõige lihtsam, siis just seda tüüpi polümorfismi kasutatakse nüüd kõige sagedamini indiviidide identifitseerimiseks, isaduse tuvastamiseks jms (nn DNA-sõrmejälgede meetod).

Geneetilise polümorfismi seletused ja tüübid
2Kuidas seletada seda tohutut populatsioonigeneetilist heterogeensust? Klassikalise kontseptsiooni kohaselt ei tohiks seda üldse eksisteerida. M. Kimura koolkonna seisukoha järgi [5], mida Lewontin [9] nimetab neoklassikaliseks, on tegemist põhiliselt neutraalsete alleelidega ning polümorfism on tingitud peamiselt geenitriivist. Kahtlemata on geenitriivil tähtis osa populatsioonide, eriti väikeste, geneetilise struktuuri kujundamisel, ja võimalik, et veelgi suurem osa liigitekkeprotsessis. Ka enamik üldiselt arvukaid populatsioone (liike) teevad oma pikaajalise eksisteerimisaja jooksul korduvalt läbi nn pudelikaelaefekte ning uute populatsioonide ning liikide teke on tihti (kui mitte alati) seotud väikeste isendirühmade asutajaefektidega. Neis tingimustes võib toimuda ulatuslik juhuslik geenitriiv. Geenitriiv võib juhuslikult polümorfismiseisundisse viia uusi mutantseid või migratsiooni teel saabunud alleele. Kuid enamasti toimub see harva. Pealegi fikseerib geenitriiv varem või hiljem ühe alleeli ja kaotab teised, st viib populatsiooni monomorfismi seisundisse; seega on geenitriivist tingitud polümorfism ajutine, üleminev. Küll võib geenitriiv tekitada juhuslikke geneetilisi erinevusi liikide vahel nende evolutsioonis. Tegelikult ongi vaidlused Kimura koolkonna ja selle vastaste vahel tingitud argumentidest eri teemadel. Kimura ei räägi niivõrd populatsioonide geneetilisest polümorfismist, kui liikide ja muude taksonite vaheliste genoomsete erinevuste põhjustest nende evolutsioonis. Ta eristab kaht evolutsioonitaset: fenotüübilist ja molekulaarset. Fenotüübiliselt avalduvad ja ökoloogiliselt olulised geneetilised erinevused (kohastumused) tekivad ka tema kontseptsiooni kohaselt darvinliku loodusliku valiku teel (muidugi on ka need erinevused seotud molekulaarsete muutustega genoomide (geenilookuste) struktuuris, kuid üsna väikeses osas kogu genoomist). Tema põhiväide on, et suurem osa eukarüootsete organismide genoomist on geneetiliselt inertne ja valik selle osa muutustes toimida ei saa; need genoomiosad evolutsioneeruvad juhuslikult, geenitriivi kaudu. Ja kuna see osa genoomidest on tõesti suures ülekaalus, siis on suurem osa liikide genoomide erinevustest juhuslikku laadi ning fikseeritud geenitriivist.

Nüüdisaegsed populatsioonide võrdlused ei luba aga geenitriivi pidada oluliseks populatsioonisisese polümorfismi teguriks, vähemalt mitte geenide polümorfismi kujundamisel. Kuna geenitriiv on stohhastilise olemusega, siis peaks selle poolt tekitatav polümorfism olema eri populatsioonides ja veelgi enam eri liikides enamasti erineva suunitlusega (põhinema erinevatel alleelidel või samade alleelide selgelt erinevatel sagedustel). Seetõttu peaks liigisisesest geneetilisest heterogeensusest valdav osa seisnema populatsioonidevahelistes erinevustes. Tegelikult on asi teisiti.

Erinevate meetodite abil tehtud võrdlused geneetilise muutlikkuse eri tasemetel on veenvalt näidanud, et ülekaalukalt valdav osa (ca 85%) inimliigi geneetilisest heterogeensusest seisneb populatsioonidesiseses individuaalses muutlikkuses, aga mitte populatsioonidevahelistes, sh rassilistes erinevustes [7, 8, 11]. Suhteliselt tühine osa avastatud geneetilisest polümorfismist on populatsioonispetsiifiline, ja kui seda on leitud, siis enamasti on sedastatud ka adaptiivseid seoseid mingite ökoloogiliste tingimustega, millest järeldub loodusliku valiku osalus.

Samalaadne geneetilise polümorfismi struktuur, kuigi mõnevõrra suuremate populatsiooniliste (ja alamliigiliigiste) erinevustega, on leitud ka mõne muu loomaliigi juures. Näiteks Põhja-Ameerikas on väga suurtel aladel leitud võrdlemisi ühetaoline polümorfism Drosophila’l, nii ühe liigi populatsioonides, kui ka eri liikide juures [8]. Haruldased pole geneetilise polümorfismi juhud, mida on pärandatud fülogeneetilistes liinides kümnete miljonite aastate kestel ja on sarnased taksonoomiliste sugukondade ja isegi seltside piires. Näiteks primaatide hulgas on leitud ühetaolist polümorfismi mitmete vererühmasüsteemide (AB0, Rhesus), koesobivusantigeenide (MHC), fenüültiokarbamiidi (PTC) maitsetundlikkuse jm suhtes [13]. Niisuguseid nähtusi ei saa seletada geenitriiviga ja tuleb otsida adaptiivseid seoseid, mille aluseks on looduslik valik. Populatsioonigeneetikud on 20. sajandi 30ndatest aastatest peale tundma õppinud üsnagi erinevaid adaptiivse polümorfismi nähtusi erinevate liikide populatsioonides ja uurinud neid kujundavaid ning säilitavaid valikumehhanisme.

Üheks tõendiks geneetilise polümorfismi adaptiivse iseloomu kohta on seda moodustavate alleelide sageduse klinaalsed (e kiiljad) erinevused naaberpopulatsioonide vahel mingis seoses ökoloogiliste tingimuste samasuunaliste muutustega. Näiteks on vene populatsioonigeneetikud V. Spitsõn’i juhtimisel tuvastanud erütrotsütaarse happelise fosfataasi 3 alleeli (p^a, p^b, p^c) sageduste ühetaolisi põhja-lõunasuunalisi erinevusi Euroopa, Aasia ja Ameerika inimpopulatsioonides [12]. Neist alleelidest määratud alloensüümid erinevad termostabiilsuse ja ensümaatilise aktiivsuse temperatuuritundlikkuse poolest. Uurijad leidsid selged korrelatsioonid temperatuuri kõikumiste amplituudi ja päikesekiirguse intensiivsuse ning nende alleelide sageduse vahel mööda põhjapoolkera laiuskraade. Migratsioon (geenisiire) aitab säilitada sellist polümorfismi üsnagi suures populatsioonide jadas.

Veelgi huvitavamaks ja võib-olla üsnagi levinud geneetilise polümorfismi mehhanismiks on eri genotüüpide kohasuse vahelduv muutumine sõltuvalt aastaaegadest. Selle nähtuse avastasid vene geneetikud eesotsas N.W.Timofeeff-Ressovsky’ga [13] juba 20. saj. 30ndatel aastatel lepatriinu Adalia bipunctata juures. Nad kirjeldasid mustade ja punaste allelomorfide sageduse sesoonseid muutusi mitme aasta kestel: mustade suhteline sagedus oli sügiseti suurem, kevadel aga väiksem kui punaste oma. Selline valikusuuna perioodiline vaheldumine hoiab populatsiooni püsivalt polümorfismi seisundis, kuigi fluktueerivate alleelisagedustega.

Viimase poolsajandi kestel on eri liikide juures uuritud kaht valikuvormi, mis loovad ja säilitavad populatsioonis tasakaalulist adaptiivset polümorfismi, st stabiilselt mingis tasakaalupunktis säilivaid alleeli- ja genotüübisagedusi. Need on heterosügoote eelistav valik ja sagedusest sõltuv valik.

Heterosügoote eelistav valik (e üledomineerimise efekt e monogeenne heteroos) avastati 50ndatel aastatel. Sellise valiku esimeseks tõendiks oli troopilise malaaria alasid asustavates inimpopulatsioonides esinev haigus sirprakuline aneemia. Hiljem on sedalaadi nähtust leitud mitmete teistegi malaariakohastumise geneetiliste mehhanismide puhul inimesel (vt. lähemalt [15, 16]) ja ka mitmete nähtuste puhul muude liikide juures [9]. Sellise valikusituatsiooni puhul on heterosügootide kohasus homosügootide omast suurem, st valik toimub vähemal või rohkemal määral homosügootide vastu. Kui homosügootide A¹A¹ ja A²A² vastu suunatud valikukoefitsiendid on vastavalt s ja z (heterosügoodi A¹A² kohasus w = 1), siis on püsiva tasakaalu seisundis alleeli A² sagedus:

$Description: Description: C:\Users\Sass\Documents\Kodu_veeb\poly2.gif$

ja heterosügootide sagedus:

$Description: Description: C:\Users\Sass\Documents\Kodu_veeb\poly3.gif$ .

Heterosügoote eelistava valiku puhul võivad populatsiooni polümorfismisüsteemi kuuluda isegi retsessiivselt pool- või täisletaalsed alleelid, kui nad annavad heterosügootses genotüübis väiksegi kohasuseelise normaalsete homosügootide ees. Näiteks, kui homosügoot A²A² on letaalne (z=1; w=0) ja homosügoodi A¹A¹ kohasus on 10% väiksem (s=0,1; w=0,9) heterosügoodi omast, siis on alleeli A² tasakaaluline sagedus 9,1% ja heterosügootide sagedus 16,5%. Peaaegu niisugune ongi lugu sirprakulisuse alleeli (hemoglobiini ß- polüpeptiidi punktmutatsiooni) puhul troopilise malaaria aladel, sest heterosügoot on sellele malaariavormile resistentsem kui normaalne homosügoot (siin ei ole mutantne homosügoot küll täisletaalne, w = 0,9). Mõistagi saab niisugusel karmil juhul üks üledomineerimise süsteem ainult väikesele osale populatsioonist kahjuliku keskkonnateguri vastu kaitset pakkuda. Tavaliselt on säärase ühe väga laastava kahjuriga keskkonnas kujunenud mitu heterosügootide eelistusega polümorfismisüsteemi (vt. lähemalt [16]).

Ilmselt kõige suurema heterogeensusega tasakaalulise polümorfismi süsteeme võib luua sagedusest sõltuv valik. See on nähtus, kus genotüübi selektiivne kohasus oleneb tema suhtelisest sagedusest kas teiste genotüüpide või muude tegurite suhtes, millele nad kohasuse tagavad. Kui genotüübi sagedus on optimaalsest väiksem, siis valik soosib teda, kui aga genotüübi sagedus on ülemäära suur, siis valik elimineerib teda.
Esimesed tähelepanekud sagedusest sõltuva valiku eksisteerimisest tehti sugulise valiku uurimisel eksperimentaalsetes Drosophila-populatsioonides, milles olid kokku viidud emased ühest looduslikust populatsioonist ja erineval arvul isaseid mitmest eri populatsioonist (eri populatsioonide isendid erinevad tõenäoliselt mingil määral geneetiliselt). Uurijad registreerisid paarituskordade arvu, milles osalesid märgistatud eri tüüpi isased. Kõigil juhtudel täheldati haruldast tüüpi isaste selget, vahel isegi kuni 4-5-kordset eelistust emaste poolt. Kui algselt “populaarsete” isaste arvukust märgatavalt suurendati, siis kaotasid nad oma atraktiivsuse ja selle omandas mõni teine, nüüd haruldaseks muudetud isase tüüp [1]. Tähtis ei olnud isaste genotüüp/fenotüüp kui niisugune, vaid selle arvukus populatsioonis.

Sagedusest sõltuva valiku klassikaliseks näiteks peetakse Batesi mimikri nähtust, mille geneetilist loomust on kõige paremini uuritud kahe Papilio-liblika juures- P. dardanus Aafrikas ja P. memnon Kagu-Aasias. See mimikrivorm seisneb selles, et üks liik “aimab” oma kuju ja värvusmustri poolest järele mingit teist liiki, mis on kuidagiviisi ohtlik (nt mürgine) ühistele vaenlastele (liblikatel on neiks vaenlasteks linnud). Selline mimikri annab efektiivset kaitset üksnes sel juhul, kui mudelliigi arvukus on märksa suurem kui mimeetilise vormi oma (vastasel korral ei kujuneks lindudel ohutunnet sellise liblika-fenotüübi suhtes). Et mimeetiline liik saaks oma arvukust hoida vajalikul tasemel, selleks on otstarbekas omandada geneetilise polümorfismi süsteem, mis tagaks populatsiooni eri liikmetele mimikrivormi mitme erineva looduslikult kaitstud liigi suhtes. Mainitud liblikaliikide populatsioonides on niisugused mehhanismid olemas. Need seisnevad tihedalt aheldunud 5 geeni erinevates allotüüpsetes kombinatsioonides ja tingivad emaste hulgas mitu erinevat fenotüüpi, mis sarnanevad lindudele mürgistele liblikaliikidele, kes elavad samal alal. (Isastel see polümorfism ei avaldu, loodus on jätnud nad nö saatuse hooleks; järglaspõlvkonna arvukuse määrab eelkõige emaste elulemine ja sigimine). Iga sellise mimeetilise vormi kaitstus vaenlast pidurdava võltshoiatuse kaudu on seda efektiivsem, mida väiksem on tema suhteline arvukus, ja muutub tühiseks, kui tema sagedus läheneb või ületab mudelliigi sageduse antud elualal [1].

Võimalik, et kõige levinum ja suurimat geneetilist mitmekesisust loov on sagedusest sõltuv valik haigusetekitajate (bakterite, viiruste, patogeensete seente jm) ning peremeesorganismide vastastikuse kohastumise protsessides. Infektsioossete mikroobide ja viiruste juures sageli esinev kohastmus peremeesorganismi immuunkaitse süsteemidest “läbihiilimiseks” on nn antigeenne mimikri. Peremeesliigi peamisi adaptiivseid strateegiaid selliste vaenlaste vastu on kõrgpolümorfsete antigeensüsteemide omandamine, kus ühegi antigeeni sagedus ei oleks liiga suur. Mida väiksem on identifikaatorantigeeni sagedus, seda väiksem on tõenäosus, et mingi haigusetekitaja sellele adapteerub (omandab oma pinnal samalaadse antigeenmolekuli), ja mida rohkem on süsteemis alleelseid antigeene (või nende haplotüüpe), seda väiksemat osa populatsioonist võib iga patogeen nakatada ja kahjustada. Nüüdisajaks on saadud palju tõendeid, et suur osa inimese vererühmasüsteemide (nt AB0, Duffy), eriti aga üliheterogeense koesobivusantigeenide (HLA) polümorfismist on kujunenud sagedusest sõltuva valiku toimel [17].

Osa bakterite ja patogeensete seente ründevahendiks on peremeesorganismi kahjustavad toksiinid. Peremeesorganismide populatsioonid suudavad niisuguste vaenlaste rünnakuid üle elada toksiine neutraliseerivate katabolismiradade mitmekesisuse tõttu. Patogeenid omakorda omandavad geneetilise muutlikkuse ja valiku kaudu üha uusi toksiinivorme, mõnikord üheainsa geenmutatsiooni teel (vt lähemalt [6]). Nii käib dünaamilise geneetilise polümorfismi rindel pidev adaptiivne võitlus eri liikide populatsioonides. Geneetiline mitmekesisus on elu koadaptatsiooni paratamatu tagajärg. Inimese aretatud sordid/tõud ja liinid alluvad tihti massilisele hävingule nende geneetilise monomorfsuse tõttu [6].

Käesolevas kirjutises esitatu on näitlik valik teadaolevatest geneetilise polümorfismi juhtudest, nii juhuslikest (neutraalsetest) kui ka adaptiivsetest. See, et käsitletud juhud puudutavad valdavalt loomariiki (ja eelkõige inimest), tuleneb autori kompetentsipiiridest, mitte aga sellest, et taimede ja seente maailmas kehtiksid teistsugused seaduspärasused. Patogeensete seente kohta on kirjutanud kena ülevaate Külli Kübar (vt toksiinid). On võimalik, et osa vaadeldud populatsioonigeneetilistest printsiipidest on ekstrapoleeritavad ka koosluste (ökosüsteemide) tasemele.

Kirjandus:
1. Ayala, F.J., Kiger, J.A. 1984. Modern genetics. 2^nd ed.. University of California, Davis.
2. Dobzhansky, Th. 1995. A review of some fundamental concepts and problems of population genetics. Cold Sprring Harbor Symp. Quant. Biol., 20, 1-15.
3. Ford, E.B. 1971. Ecological genetics, 3^rd ed., Chapman and Hall, London.
4. Harris, H., Hopkinson, D.A., 1972. Average heterozygosity in man. J. Hum. Genet., New York.
5. Kimura, M., Ohta, T. 1971. Theoretical aspects of population genetics. Princeton, New York.
6. Kübar, K. 1993. Toksiinide roll fütopatogeensete seente mitmekesisuses. Schola Biotheoretica XIX. Mitmekesisuse teooria. Tartu. :13-14.
7. Latter, B.D.H. 1980. Genetic differences within and between populations of the major human subgroups. The Amer. Naturalist, 116, 220-237.
8. Lewontin, R.C. 1972. The apprortionment of human diversity. Evol. Biol., 6, 381-398.
9. Lewontin, R.C. 1974. The genetic basis of evolutionary change. Columbia University Press, New York – London.
10. Muller, H. 1950. Our load of mutations. Amer. J. Hum. Genet., 2, 111-176.
11. Nei, M., Roychoudhury, A.K. 1974. Genic variation within and between the three major races of man, caucasoids, negroids, and mongoloids. Am. J. Hum. Genet., 26, 421-443.
12. Spitsõn, V.A., Afanasjeva, I.S., Irissova, O.V., Bojeva, S.B. 1977. [Vastastikused seosed klimaatiliste tegurite ja inimese erütrotsütaarse happelise fosfataasi geenide geograafilise leviku vahel]. Nautšnõje dokladõ võšei školõ. Biol. Nauki, 3, 68-73 (vene keeles).
13. Timofeeff-Ressovsky, N.W. 1940. Zur Analyse des Polymorphismus bei Adalia bipunctata. Biol. Zentralbl., 60, 130-137.
14. Tšetverikov, S.S. 1926. [mõningatest evolutsioonilise protsessi momentidest nüüdisaja geneetika seisukohalt]. Žurn. Eksp. Biol., ser. A, 2, 1, 1-54 (vene keeles).
15. Viikmaa, M. 1992. Sirprakuline aneemia: klassikaline molekulaarhaigus. Schola Biotheoretica XVIII. Haiguse teooria. Tartu. :50-53.
16. Viikmaa, M. 1992. Geenid ja keskkond: inimese ökogeneetika. Eesti Loodus, 9-10, 510-513; 11, 565-567.
17. Vogel, F., Motulsky, A.G. 1994. Human genetics. Problems and approaches. 3^rd ed. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York.