การกลายพันธุ์แบบเป็นกลาง กลไกและการส่งผลต่อวิวัฒนาการโมเลกุล

การกลายพันธุ์แบบเป็นกลาง (Neutral mutation) คือการเปลี่ยนแปลงในลำดับดีเอ็นเอ (DNA sequence) ที่ไม่ส่งผลดีหรือผลเสียต่อความสามารถในการอยู่รอดและการสืบพันธุ์ของสิ่งมีชีวิต ในทางพันธุศาสตร์ประชากร การกลายพันธุ์ประเภทนี้จะไม่ถูกควบคุมโดยการคัดเลือกโดยธรรมชาติ (Natural selection) ทำให้การแพร่กระจายของยีนกลายพันธุ์ในประชากรเกิดขึ้นผ่านกระบวนการสุ่มที่เรียกว่า การเลื่อนลอยทางพันธุกรรม (Genetic drift)

การกลายพันธุ์แบบเป็นกลางที่สามารถถ่ายทอดทางพันธุกรรมได้และไม่ได้เชื่อมโยงกับยีนที่อยู่ภายใต้การคัดเลือก จะมีจุดจบสองทางคือการหายไปจากประชากร หรือการกลายเป็นยีนหลักที่แทนที่อัลลีล (Allele) อื่นทั้งหมดในประชากร อย่างไรก็ตาม หากการกลายพันธุ์แบบเป็นกลางนี้อยู่ในสภาวะความไม่สมดุลของการเชื่อมโยง (Linkage disequilibrium) กับอัลลีลอื่นที่ถูกคัดเลือก อาจนำไปสู่การคงอยู่หรือหายไปผ่านกระบวนการที่เรียกว่า การเกาะติดทางพันธุกรรม (Genetic hitchhiking) หรือการคัดเลือกพื้นหลัง (Background selection)

ประวัติและการพัฒนาแนวคิด

แนวคิดเรื่องการกลายพันธุ์ที่ไม่มีผลต่อการอยู่รอดปรากฏครั้งแรกในงานเขียนของ ชาร์ลส์ ดาร์วิน (Charles Darwin) ซึ่งเขาสันนิษฐานว่าความแปรผันที่ไม่มีประโยชน์และไม่เป็นอันตรายจะไม่ถูกกระทบโดยการคัดเลือกโดยธรรมชาติ และอาจกลายเป็นองค์ประกอบที่ผันผวนหรือถูกตรึงไว้ในประชากรเนื่องจากธรรมชาติของสิ่งมีชีวิตและสภาพแวดล้อม

อย่างไรก็ตาม มุมมองที่ว่าวิวัฒนาการถูกขับเคลื่อนด้วยลักษณะที่ให้ความได้เปรียบเป็นหลักนั้นได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางจนถึงทศวรรษ 1960 จนกระทั่งในปี 1968 โมโตโอะ คิมูระ (Motoo Kimura) พบว่าอัตราการแทนที่นิวคลีโอไทด์นั้นสูงมาก หากการกลายพันธุ์ทุกครั้งช่วยเพิ่มความเหมาะสม (Fitness) ช่องว่างระหว่างจีโนไทป์ที่เหมาะสมที่สุดกับจีโนไทป์ทั่วไปจะกว้างจนไม่สมเหตุสมผล คิมูระจึงเสนอว่าการกลายพันธุ์ส่วนใหญ่เป็นแบบเป็นกลาง ซึ่งส่งผลน้อยมากหรือไม่มีผลเลยต่อความเหมาะสมของสิ่งมีชีวิต แนวคิดนี้กลายเป็นรากฐานของ ทฤษฎีวิวัฒนาการระดับโมเลกุลแบบเป็นกลาง (Neutral theory of molecular evolution)

ผลกระทบต่อทฤษฎีวิวัฒนาการ

ทฤษฎีวิวัฒนาการระดับโมเลกุลแบบเป็นกลางเสนอว่า การเปลี่ยนแปลงลำดับ DNA ส่วนใหญ่ในสปีชีส์หนึ่งๆ เกิดจากการกลายพันธุ์แบบเป็นกลาง ตัวอย่างที่ชัดเจนคือ อินซูลินในวัวและมนุษย์ ซึ่งแม้จะมีลำดับกรดอะมิโนที่แตกต่างกัน แต่ยังคงทำหน้าที่ได้เหมือนกัน แสดงให้เห็นว่าการแทนที่กรดอะมิโนระหว่างสปีชีส์เป็นแบบเป็นกลางและไม่กระทบต่อการทำงานของโปรตีน

ทฤษฎีนี้ไม่ได้ปฏิเสธการคัดเลือกโดยธรรมชาติ แต่เข้ามาเติมเต็มความเข้าใจว่าการกลายพันธุ์สามารถส่งผลได้สามทาง คือ ให้ความได้เปรียบ, สร้างข้อเสีย หรือไม่มีผลที่วัดได้ต่อการอยู่รอด นอกจากนี้ การกลายพันธุ์แบบเป็นกลางยังเป็นพื้นฐานของการใช้ นาฬิกาโมเลกุล (Molecular clocks) เพื่อระบุเหตุการณ์ทางวิวัฒนาการ เช่น การแยกสปีชีส์ (Speciation) และการแพร่กระจายทางวิวัฒนาการ (Evolutionary radiations)

คำทำนายที่ได้รับการยืนยัน

ทฤษฎีของคิมูระได้ทำนายปรากฏการณ์หลายอย่างซึ่งได้รับการยืนยันด้วยข้อมูลทางพันธุศาสตร์ในเวลาต่อมา ได้แก่:

• กรดอะมิโนที่มีคุณสมบัติทางชีวเคมีใกล้เคียงกัน มีแนวโน้มจะถูกแทนที่บ่อยกว่ากรดอะมิโนที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง
• การแทนที่เบสแบบซินโนนิมัส (Synonymous substitutions) เกิดขึ้นบ่อยกว่าการแทนที่แบบนอนซินโนนิมัส (Nonsynonymous substitutions)
• อินตรอน (Introns) มีอัตราวิวัฒนาการใกล้เคียงกับการกลายพันธุ์แบบซินโนนิมัสในเอ็กซอน (Exons)
• ยีนเทียม (Pseudogenes) มีอัตราวิวัฒนาการในระดับที่ใกล้เคียงกัน

ประเภทของการกลายพันธุ์แบบเป็นกลาง

การกลายพันธุ์แบบซินโนนิมัส (Synonymous Mutation)

เกิดขึ้นเมื่อมีการแทนที่นิวคลีโอไทด์ในบริเวณรหัสพันธุกรรม แต่ไม่ทำให้กรดอะมิโนที่สังเคราะห์ได้เปลี่ยนแปลงไป เนื่องจากรหัสพันธุกรรมมีลักษณะ ความซ้ำซ้อน (Degeneracy) คือกรดอะมิโนหนึ่งชนิดสามารถถูกกำหนดโดยโคดอน (Codon) ได้หลายรูปแบบ เช่น เซรีน (Serine) สามารถถูกกำหนดโดย TCT, TCC, TCA, TCG, AGT และ AGC

ปรากฏการณ์นี้อธิบายได้ด้วย แนวคิดการส่าย (Wobble concept) ที่เสนอโดย ฟรานซิส คริก (Francis Crick) ซึ่งระบุว่า tRNA สามารถจดจำโคดอนได้หลายรูปแบบเนื่องจากความยืดหยุ่นของตำแหน่งที่ 5' ของแอนติโคดอน หรือการใช้เบสอิโนซีน (Inosine) ทำให้การเปลี่ยนแปลงเบสในโคดอนบางตำแหน่งไม่ส่งผลต่อชนิดของกรดอะมิโนที่ได้