Hồng cầu liềm và sốt rét: vì sao một gen gây bệnh vẫn không biến mất

Gen hồng cầu liềm gây bệnh nặng khi một người mang hai bản, nhưng người chỉ mang một bản lại chống chịu sốt rét tốt hơn người bình thường. Ở những vùng sốt rét hoành hành hàng nghìn năm, lợi ích của người mang một bản đủ lớn để giữ gen này lại trong quần thể, dù nó gây bệnh cho một phần con cháu. Các nhà sinh học gọi hiện tượng này là ưu thế dị hợp, một kiểu chọn lọc cân bằng.

Đây là một trong những ví dụ rõ nhất cho thấy tiến hoá không hướng tới cơ thể "hoàn hảo". Nó chỉ giữ lại những gì giúp sống sót và sinh con tốt hơn trong môi trường cụ thể, kể cả khi phải trả giá.

Hồng cầu liềm là gì

Hồng cầu bình thường có hình đĩa lõm hai mặt, mềm, lách được qua những mạch máu nhỏ hơn chính nó. Bên trong chứa đầy hemoglobin, protein mang ôxy.

Gen làm ra một phần của hemoglobin có một biến thể chỉ khác bản thường đúng một chữ ADN. Chữ đổi đó làm một axit amin ở vị trí số 6 của chuỗi protein đổi từ glutamic sang valine. Thay đổi tí xíu ấy khiến các phân tử hemoglobin, khi thiếu ôxy, dính vào nhau thành những sợi dài cứng. Hồng cầu bị kéo méo thành hình lưỡi liềm, cứng lại, dễ vỡ và dễ tắc trong mạch nhỏ.

Đây là một trong những bệnh di truyền đầu tiên được giải thích tới tận mức phân tử. Năm 1949, nhóm của Linus Pauling cho thấy hemoglobin của người bệnh khác hemoglobin thường về tính chất điện, và gọi đây là một "bệnh phân tử".

Một bản và hai bản khác nhau thế nào

Mỗi người có hai bản gen này, một từ bố, một từ mẹ. Dùng chữ A cho bản thường và S cho bản hồng cầu liềm, ta có ba khả năng:

Hai người AS có con thì xác suất mỗi đứa trẻ như sau: một phần tư là AA, một nửa là AS, một phần tư là SS. Đây đúng là phép lai Mendel quen thuộc trong sách Sinh học phổ thông.

Vì sao mang một bản lại chống được sốt rét

Ký sinh trùng sốt rét sống một phần đời bên trong hồng cầu. Cơ chế bảo vệ chính xác vẫn còn được nghiên cứu, và có thể có nhiều cơ chế cùng lúc. Những giải thích được ủng hộ nhiều gồm:

• Hồng cầu AS bị ký sinh trùng chiếm dễ biến dạng hơn, nên lách nhận ra và loại bỏ chúng sớm, trước khi ký sinh trùng kịp sinh sôi nhiều.
• Ký sinh trùng phát triển kém trong hồng cầu AS, nhất là khi ôxy thấp.
• Hồng cầu nhiễm bệnh ít bám vào thành mạch hơn, giảm nguy cơ sốt rét thể não, dạng nguy hiểm nhất ở trẻ em.

Điều quan trọng: người AS vẫn có thể bị nhiễm sốt rét. Lợi ích nằm ở chỗ ít bị chuyển thành bệnh nặng và ít tử vong hơn, nhất là ở tuổi nhỏ, đúng giai đoạn sốt rét giết nhiều người nhất.

Bằng chứng từ bản đồ

Vào đầu thập niên 1950, nhà nghiên cứu người Anh sinh ra ở Kenya là Anthony Allison để ý thấy tỉ lệ người mang gen S rất khác nhau giữa các vùng ở Đông Phi. Vùng thấp, ẩm, nhiều muỗi có tỉ lệ cao. Vùng cao nguyên mát, ít sốt rét thì tỉ lệ thấp, dù dân cư ở đó có quan hệ họ hàng với nhau. Ông cũng ghi nhận trẻ mang gen S ít bị nhiễm ký sinh trùng nặng hơn. Ông đề xuất sốt rét chính là lực giữ gen S lại.

Về sau, khi các nhà khoa học vẽ bản đồ tần số gen S và bản đồ sốt rét lịch sử lên cùng một nền, hai bản đồ chồng lên nhau khá khớp: châu Phi cận Sahara, một số vùng quanh Địa Trung Hải, Trung Đông và một phần Ấn Độ. Phân tích ADN còn cho thấy biến thể S đã xuất hiện độc lập ở vài nơi khác nhau, đúng như ta chờ đợi nếu chọn lọc ở mỗi vùng sốt rét đều ưu ái nó.

Cần nói rõ: đây là chuyện của địa lý và lịch sử dịch bệnh, không phải chuyện chủng tộc. Gen S phổ biến ở nơi có sốt rét bất kể người ở đó thuộc nhóm nào, và hiếm ở nơi không có sốt rét. Hậu duệ của những người từ vùng sốt rét chuyển tới nơi khác vẫn mang gen, nên gen có mặt ở nhiều nước ngày nay.

Cơ chế cân bằng: vì sao gen không biến mất cũng không chiếm hết

Hãy hình dung một quần thể ở vùng sốt rét nặng. Mỗi thế hệ:

1. Một số trẻ SS mất sớm vì bệnh, làm gen S giảm đi.
2. Một số trẻ AA mất vì sốt rét, làm gen A giảm đi.
3. Trẻ AS sống sót tốt nhất, mang cả A lẫn S sang thế hệ sau.

Khi gen S hiếm, gần như mọi bản S đều nằm trong người AS, được lợi, nên S tăng lên. Khi S quá phổ biến, nhiều cặp AS lấy nhau sinh ra trẻ SS, S lại bị kéo xuống. Kết quả là tần số S dừng lại quanh một mức cân bằng, phụ thuộc vào sốt rét nặng tới đâu và bệnh SS nặng tới đâu. Ở một số vùng của châu Phi, tỉ lệ người mang một bản S có thể tới khoảng một phần năm dân số hoặc hơn.

Nếu sốt rét biến mất, cán cân lệch đi: không còn lợi ích cho AS, nên gen S sẽ giảm dần, nhưng rất chậm, phải qua nhiều thế hệ.

Không chỉ hồng cầu liềm

Sốt rét là một trong những áp lực chọn lọc mạnh nhất lên loài người trong vài nghìn năm gần đây, và nó để lại dấu ở nhiều gen máu khác:

• Thalassemia (tan máu bẩm sinh): nhóm bệnh giảm tổng hợp chuỗi hemoglobin. Tần số cao ở nhiều vùng từng có sốt rét, kể cả Đông Nam Á. Giả thuyết sốt rét được nhiều nghiên cứu ủng hộ cho một số dạng, dù mức bảo vệ khác nhau theo từng dạng. Ở Việt Nam, thalassemia là bệnh di truyền khá phổ biến, và ngành y tế khuyến khích tầm soát trước khi kết hôn, mang thai.
• Thiếu men G6PD: phổ biến ở nhiều vùng nhiệt đới, cũng có liên hệ với khả năng chống chịu sốt rét.
• Hemoglobin E: một biến thể hay gặp ở Đông Nam Á, cũng được cho là liên quan tới sốt rét.

Mỗi trường hợp có mức chắc chắn khác nhau. Hồng cầu liềm là ví dụ có bằng chứng mạnh nhất, các trường hợp kia vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu.

Góc nhìn hôm nay: một bài học về đánh đổi

Câu chuyện hồng cầu liềm dạy ba điều đáng nhớ về tiến hoá.

Thứ nhất, "có lợi" hay "có hại" luôn đi kèm câu hỏi "trong môi trường nào". Cùng một gen, ở vùng sốt rét là lá chắn, ở nơi không có sốt rét chỉ còn là gánh nặng.

Thứ hai, chọn lọc tự nhiên làm việc theo kiểu chữa cháy: giải pháp đến trước, nhanh, đủ dùng thì được giữ, kể cả khi nó đi kèm tác dụng phụ. Không có ai thiết kế từ đầu một cách chống sốt rét sạch sẽ hơn.

Thứ ba, hiểu cơ chế giúp y học. Người mang gen AS thường khoẻ, nhưng nên biết mình mang gen khi tính chuyện sinh con, và nên hỏi bác sĩ khi tập luyện rất nặng hoặc lên vùng rất cao. Ai muốn biết về nguy cơ của gia đình mình nên tìm tư vấn di truyền ở cơ sở y tế, không tự suy đoán.