เป็นไปได้ไหมที่จะเกิดการกลายพันธุ์ “มากเกินไป”

ประเภทของการกลายพันธุ์

แล้วการกลายพันธุ์เกิดขึ้นได้อย่างไร? คำตอบสำหรับคำถามนี้มีการเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับรายละเอียดระดับโมเลกุลของการจัดระเบียบทั้ง DNA และจีโนมทั้งหมด การกลายพันธุ์ที่เล็กที่สุดคือการกลายพันธุ์แบบจุด ซึ่งมีเพียงคู่เบสเดียวเท่านั้นที่เปลี่ยนเป็นคู่เบสอื่น การกลายพันธุ์อีกประเภทหนึ่งคือการกลายพันธุ์ที่ไม่มีความหมายเหมือนกัน ซึ่งลำดับกรดอะมิโนจะเปลี่ยนไป การกลายพันธุ์ดังกล่าวนำไปสู่การผลิตโปรตีนที่แตกต่างกันหรือการสิ้นสุดของโปรตีนก่อนวัยอันควร

 

ในทางตรงกันข้ามกับการกลายพันธุ์ที่ไม่มีความหมายเหมือนกัน การกลายพันธุ์ที่มีความหมายเหมือนกันจะไม่เปลี่ยนลำดับกรดอะมิโน แม้ว่าจะเกิดขึ้นตามคำจำกัดความในลำดับที่กำหนดรหัสสำหรับกรดอะมิโนเท่านั้น การกลายพันธุ์แบบพ้องความหมายเกิดขึ้นเนื่องจากกรดอะมิโนจำนวนมากถูกเข้ารหัสโดยโคดอนหลายตัว คู่เบสยังสามารถมีคุณสมบัติในการควบคุมที่หลากหลาย

หากพวกมันอยู่ในอินตรอน บริเวณระหว่างยีน หรือแม้แต่ภายในลำดับการเข้ารหัสของยีน ด้วยเหตุผลทางประวัติศาสตร์บางประการ กลุ่มเหล่านี้ทั้งหมดมักถูกรวมเข้ากับการกลายพันธุ์ที่มีความหมายเหมือนกันภายใต้ป้ายกำกับการกลายพันธุ์ “เงียบ” การกลายพันธุ์แบบไม่มีเสียงดังกล่าวสามารถเป็นอะไรก็ได้ตั้งแต่แบบเงียบจริงๆ ไปจนถึงสำคัญเป็นพิเศษ ซึ่งแบบหลังก็บอกเป็นนัยว่าลำดับการทำงานจะคงที่โดยการเลือกทำให้บริสุทธิ์ นี่เป็นคำอธิบายที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดสำหรับการมีอยู่ขององค์ประกอบที่ไม่มีการเข้ารหัสแบบพิเศษซึ่งคงอยู่มานานกว่า 100 ล้านปีโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ ดังที่พบในการเปรียบเทียบจีโนมของสัตว์มีกระดูกสันหลังหลายชนิด

การกลายพันธุ์อาจอยู่ในรูปแบบของการแทรกหรือการลบ ซึ่งเรียกรวมกันว่าอินเดล อินเดลสามารถมีความยาวได้หลากหลาย ที่ช่วงสั้นสุดของสเปกตรัม อินเดลของหนึ่งหรือสองคู่เบสภายในลำดับการเข้ารหัสจะมีผลมากที่สุด เนื่องจากพวกมันจะทำให้เกิดการเปลี่ยนเฟรมอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ (การเพิ่มโคดอนสามคู่เบสอย่างน้อยหนึ่งคู่ขึ้นไปจะทำให้โปรตีนมีความสมบูรณ์โดยประมาณ )

ในระดับกลาง อินเดลสามารถส่งผลกระทบต่อส่วนต่างๆ ของยีนหรือทั้งกลุ่มของยีน ในระดับที่ใหญ่ที่สุด โครโมโซมทั้งหมดหรือแม้แต่สำเนาทั้งหมดของจีโนมอาจได้รับผลกระทบจากการแทรกหรือการลบ แม้ว่าการกลายพันธุ์ดังกล่าวมักจะไม่อยู่ภายใต้อินเดลฉลากอีกต่อไป ในระดับสูงนี้ ยังสามารถพลิกกลับหรือเคลื่อนย้ายส่วนต่างๆ ของโครโมโซมได้ และโครโมโซมยังสามารถหลอมรวมหรือแยกออกจากกันได้ หากยีนจำนวนมากสูญเสียไปอันเป็นผลมาจากกระบวนการเหล่านี้ ผลที่ตามมามักจะเป็นอันตรายอย่างยิ่ง แน่นอนว่าระบบพันธุกรรมที่แตกต่างกันตอบสนองต่อเหตุการณ์ดังกล่าวต่างกัน

 

ในที่สุด แหล่งที่มาของการกลายพันธุ์อื่น ๆ ก็ยังมีองค์ประกอบทรานส์โพสได้หลายประเภท ซึ่งเป็นเอนทิตีขนาดเล็กของ DNA ที่มีกลไกที่อนุญาตให้พวกมันเคลื่อนที่ไปมาภายในจีโนม องค์ประกอบเหล่านี้บางส่วนคัดลอกและวางตัวเองลงในตำแหน่งใหม่ ในขณะที่องค์ประกอบอื่นๆ ใช้วิธีตัดและวาง การเคลื่อนไหวดังกล่าวสามารถขัดขวางการทำงานของยีนที่มีอยู่ (โดยการแทรกตรงกลางของยีนอื่น) กระตุ้นการทำงานของยีนที่อยู่เฉยๆ (โดยการตัดตอนที่สมบูรณ์แบบจากยีนที่ถูกปิดโดยการแทรกก่อนหน้านี้) หรือบางครั้งนำไปสู่การผลิตยีนใหม่ (โดย การนำเอาสารจากยีนต่างๆมาปะติดปะต่อกัน)

ผลกระทบของการกลายพันธุ์

การกลายพันธุ์ครั้งเดียวอาจมีผลกระทบมาก แต่ในหลายกรณี การเปลี่ยนแปลงเชิงวิวัฒนาการขึ้นอยู่กับการสะสมของการกลายพันธุ์จำนวนมากที่มีเอฟเฟกต์เล็กน้อย ผลกระทบจากการกลายพันธุ์สามารถเป็นประโยชน์ เป็นอันตราย หรือเป็นกลาง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับบริบทหรือสถานที่ การกลายพันธุ์ที่ไม่เป็นกลางส่วนใหญ่เป็นอันตราย โดยทั่วไป ยิ่งคู่เบสที่ได้รับผลกระทบจากการกลายพันธุ์มากเท่าไหร่ ผลกระทบของการกลายพันธุ์ก็จะยิ่งใหญ่ขึ้น และโอกาสของการกลายพันธุ์ที่จะเป็นอันตรายก็จะยิ่งมากขึ้น

 

เพื่อให้เข้าใจผลกระทบของการกลายพันธุ์ได้ดีขึ้น นักวิจัยได้เริ่มประมาณการการกระจายของผลกระทบจากการกลายพันธุ์ (DMEs) ที่จะหาจำนวนการกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นกับสิ่งที่ส่งผลต่อคุณสมบัติของระบบทางชีววิทยา ในการศึกษาวิวัฒนาการ คุณสมบัติที่น่าสนใจคือความฟิต แต่ในชีววิทยาของระบบโมเลกุล คุณสมบัติอื่นๆ ที่อาจเป็นที่สนใจก็อาจเป็นที่สนใจเช่นกัน

เป็นเรื่องยากเป็นพิเศษที่จะได้ข้อมูลที่เชื่อถือได้เกี่ยวกับ DME เนื่องจากผลกระทบที่เกี่ยวข้องครอบคลุมลำดับความสำคัญมากมาย ตั้งแต่อันตรายถึงตายไปจนถึงเป็นกลางไปจนถึงได้เปรียบ นอกจากนี้ ปัจจัยที่ทำให้เกิดความสับสนหลายอย่างมักจะทำให้การวิเคราะห์เหล่านี้ซับซ้อน ในการทำให้สิ่งต่าง ๆ ยากขึ้น

การกลายพันธุ์จำนวนมากยังโต้ตอบซึ่งกันและกันเพื่อเปลี่ยนแปลงเอฟเฟกต์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า epistasis อย่างไรก็ตาม แม้จะมีความไม่แน่นอนเหล่านี้ งานล่าสุดได้แสดงให้เห็นซ้ำแล้วซ้ำเล่าว่าการกลายพันธุ์ส่วนใหญ่อย่างท่วมท้นมีผลกระทบเพียงเล็กน้อย (รูปที่ 1; Eyre-Walker & Keightley, 2007) แน่นอนว่าจำเป็นต้องมีการทำงานมากขึ้นเพื่อให้ได้ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับ DME ซึ่งเป็นคุณสมบัติพื้นฐานที่ควบคุมวิวัฒนาการของระบบทางชีววิทยาทุกระบบ

ประมาณการอัตราการกลายพันธุ์

มีการพัฒนาวิธีการทางตรงและทางอ้อมจำนวนมากเพื่อช่วยประเมินอัตราการกลายพันธุ์ประเภทต่างๆ ในสิ่งมีชีวิตต่างๆ ความยากลำบากหลักในการประมาณอัตราการกลายพันธุ์เกี่ยวข้องกับความจริงที่ว่าการเปลี่ยนแปลงของ DNA เป็นเหตุการณ์ที่หายากมากและสามารถตรวจพบได้บนพื้นหลังของ DNA ที่เหมือนกันเท่านั้น เนื่องจากระบบทางชีววิทยามักจะได้รับอิทธิพลจากหลายปัจจัย จึงควรค่าประมาณโดยตรงของอัตราการกลายพันธุ์ การประมาณการโดยตรงมักเกี่ยวข้องกับการใช้สายเลือดที่รู้จักซึ่งผู้สืบทอดทั้งหมดได้รับลำดับดีเอ็นเอที่กำหนดไว้อย่างดี ในการวัดอัตราการกลายพันธุ์โดยใช้วิธีนี้ ก่อนอื่นต้องจัดลำดับคู่เบสจำนวนมากภายในขอบเขตของ DNA นี้จากบุคคลจำนวนมากในสายเลือด โดยนับการกลายพันธุ์ที่สังเกตได้ทั้งหมด การสังเกตเหล่านี้จะรวมกับจำนวนรุ่นที่เชื่อมโยงบุคคลเหล่านี้เพื่อคำนวณอัตราการกลายพันธุ์โดยรวม (Haag-Liautard et al., 2007) ไม่ควรสับสนกับการประมาณการโดยตรงดังกล่าวกับอัตราการทดแทนที่ประมาณไว้ตลอดช่วงเวลาสายวิวัฒนาการ

การกลายพันธุ์แบบสุ่มหรือไม่?

ข้อความที่ว่าการกลายพันธุ์เป็นการสุ่มทั้งจริงอย่างลึกซึ้งและไม่จริงอย่างสุดซึ้งในเวลาเดียวกัน แง่มุมที่แท้จริงของข้อความนี้เกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่า ผลที่ตามมาจากการกลายพันธุ์ไม่มีอิทธิพลใดๆ ต่อความน่าจะเป็นที่การกลายพันธุ์นี้จะเกิดขึ้นหรือไม่เกิดขึ้น

กล่าวอีกนัยหนึ่ง การกลายพันธุ์เกิดขึ้นแบบสุ่มโดยพิจารณาว่าผลของการกลายพันธุ์นั้นมีประโยชน์หรือไม่ ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงของ DNA ที่เป็นประโยชน์ไม่ได้เกิดขึ้นบ่อยนักเพียงเพราะว่าสิ่งมีชีวิตสามารถได้รับประโยชน์จากการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ ยิ่งไปกว่านั้น แม้ว่าสิ่งมีชีวิตจะได้รับการกลายพันธุ์ที่เป็นประโยชน์ในช่วงชีวิตของมัน ข้อมูลที่เกี่ยวข้องจะไม่ไหลกลับเข้าไปใน DNA ในสายพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต นี่เป็นความเข้าใจพื้นฐานที่ Jean-Baptiste Lamarck ทำผิดและ Charles Darwin พูดถูก

อย่างไรก็ตาม แนวคิดที่ว่าการกลายพันธุ์เป็นการสุ่มอาจถือได้ว่าไม่เป็นความจริง หากพิจารณาข้อเท็จจริงที่ว่าการกลายพันธุ์ไม่ได้เกิดขึ้นด้วยความน่าจะเป็นเท่ากันทุกประเภท ค่อนข้างเกิดขึ้นบ่อยกว่าคนอื่นเพราะปฏิกิริยาทางชีวเคมีระดับต่ำเป็นที่ชื่นชอบ ปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้การกลายพันธุ์เป็นคุณสมบัติที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของระบบที่สามารถทำซ้ำได้ในโลกแห่งความเป็นจริง อัตราการกลายพันธุ์มักจะต่ำมาก และระบบทางชีววิทยาพยายามอย่างมากเพื่อให้พวกมันต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ส่วนใหญ่เป็นเพราะผลกระทบจากการกลายพันธุ์หลายอย่างเป็นอันตราย อย่างไรก็ตาม อัตราการกลายพันธุ์ไม่เคยถึงศูนย์ แม้ว่าจะมีกลไกป้องกันระดับต่ำ เช่น การซ่อมแซมดีเอ็นเอหรือการพิสูจน์อักษรระหว่างการจำลองดีเอ็นเอ และกลไกระดับสูง เช่น การสะสมเมลานินในเซลล์ผิวหนังเพื่อลดความเสียหายจากรังสี นอกเหนือจากจุดหนึ่ง การหลีกเลี่ยงการกลายพันธุ์จะทำให้เซลล์เสียค่าใช้จ่ายมากเกินไป ดังนั้น การกลายพันธุ์จึงมักปรากฏเป็นพลังอันทรงพลังในการวิวัฒนาการ

สรุป

อัตราการกลายพันธุ์อาจแตกต่างกันภายในจีโนมและระหว่างจีโนม จำเป็นต้องมีการทำงานมากขึ้นก่อนที่นักวิจัยจะได้รับค่าประมาณความถี่ของการกลายพันธุ์ที่แตกต่างกันได้อย่างแม่นยำมากขึ้น การเพิ่มขึ้นของวิธีการจัดลำดับจีโนมที่มีปริมาณงานสูงช่วยหล่อเลี้ยงความหวังว่าเราจะสามารถปลูกฝังความเข้าใจที่ละเอียดและแม่นยำยิ่งขึ้นเกี่ยวกับอัตราการกลายพันธุ์ เนื่องจากการกลายพันธุ์เป็นหนึ่งในแรงผลักดันพื้นฐานของวิวัฒนาการ งานดังกล่าวจะยังคงมีความสำคัญสูงสุดต่อไป

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ dbesoftware.com