การแทนที่นิวคลีโอไทด์แบบไม่เปลี่ยนกรดอะมิโน (Nonsynonymous Substitution)
สรุปใจความสำคัญ
- การแทนที่แบบไม่เปลี่ยนกรดอะมิโนส่งผลให้ลำดับกรดอะมิโนของโปรตีนเปลี่ยนแปลง ซึ่งต่างจากการแทนที่แบบเปลี่ยนกรดอะมิโนที่ไม่มีผลต่อโปรตีน
- อัตราส่วน Ka/Ks ที่น้อยกว่า 1 บ่งชี้ว่ายีนนั้นถูกควบคุมโดยการคัดเลือกเพื่อรักษาหน้าที่การทำงานของโปรตีน
- การกลายพันธุ์ประเภทนี้แบ่งเป็น Missense, Nonsense และ Nonstop mutations
- ทฤษฎีเกือบเป็นกลางเสนอว่าการเลื่อนลอยทางพันธุกรรมมีบทบาทสำคัญในวิวัฒนาการระดับโมเลกุลมากกว่าการคัดเลือกโดยธรรมชาติในบางกรณี
การแทนที่นิวคลีโอไทด์แบบไม่เปลี่ยนกรดอะมิโน (Nonsynonymous substitution) หรือที่เรียกว่า การกลายพันธุ์แบบแทนที่ (Replacement mutation) คือการกลายพันธุ์ของนิวคลีโอไทด์ใน DNA ที่ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงลำดับของกรดอะมิโนในโปรตีนที่ถูกสังเคราะห์ขึ้น ซึ่งแตกต่างจากการแทนที่แบบเปลี่ยนกรดอะมิโน (Synonymous substitution) ที่ไม่ทำให้ลำดับกรดอะมิโนเปลี่ยนแปลงและมักถูกเรียกว่าการกลายพันธุ์แบบเงียบ (Silent mutation)
เนื่องจากการแทนที่แบบไม่เปลี่ยนกรดอะมิโนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพภายในสิ่งมีชีวิต การกลายพันธุ์ประเภทนี้จึงตกอยู่ภายใต้กระบวนการคัดเลือกโดยธรรมชาติ (Natural selection) ซึ่งส่งผลต่อการอยู่รอดและการสืบพันธุ์ของสิ่งมีชีวิตนั้นๆ
ประเภทของการแทนที่แบบไม่เปลี่ยนกรดอะมิโน
การแทนที่แบบไม่เปลี่ยนกรดอะมิโนสามารถแบ่งออกเป็นประเภทหลักๆ ได้ดังนี้:
- การกลายพันธุ์แบบเปลี่ยนความหมาย (Missense mutation): เกิดจากการกลายพันธุ์ของนิวคลีโอไทด์เพียงตำแหน่งเดียว (Point mutation) ที่ทำให้กรดอะมิโนในตำแหน่งนั้นถูกแทนที่ด้วยกรดอะมิโนชนิดอื่น ส่งผลให้โครงสร้างหรือหน้าที่ของโปรตีนเปลี่ยนแปลงไป
- การกลายพันธุ์แบบไร้ความหมาย (Nonsense mutation): เกิดขึ้นเมื่อการกลายพันธุ์เปลี่ยนรหัสพันธุกรรมของกรดอะมิโนให้กลายเป็นรหัสหยุด (Stop codon) ทำให้การสังเคราะห์โปรตีนสิ้นสุดลงก่อนกำหนด ส่งผลให้ได้โปรตีนสายสั้นลงซึ่งมักจะไม่สามารถทำงานได้
- การกลายพันธุ์แบบไม่หยุด (Nonstop mutation): หรือการกลายพันธุ์แบบอ่านทะลุ (Readthrough mutation) เกิดขึ้นเมื่อรหัสหยุดถูกเปลี่ยนเป็นรหัสที่ระบุกรดอะมิโน ทำให้โปรตีนมีความยาวมากกว่าปกติ
การวิเคราะห์อัตราส่วน Ka/Ks และวิวัฒนาการ
นักวิทยาศาสตร์ใช้การเปรียบเทียบระหว่างการแทนที่แบบไม่เปลี่ยนกรดอะมิโน (Ka) และการแทนที่แบบเปลี่ยนกรดอะมิโน (Ks) ในตำแหน่งเดียวกันเพื่อหา อัตราส่วน Ka/Ks ซึ่งเป็นเครื่องมือสำคัญในการวัดอัตราวิวัฒนาการของลำดับยีน
หากยีนมีระดับการแทนที่แบบไม่เปลี่ยนกรดอะมิโนต่ำกว่าการแทนที่แบบเปลี่ยนกรดอะมิโน (Ka/Ks < 1) จะสามารถอนุมานได้ว่ายีนนั้นมีหน้าที่สำคัญทางชีวภาพ เนื่องจากลำดับโปรตีนถูกจำกัดให้คงเดิมเพื่อรักษาการทำงานของโปรตีนไว้ (Purifying selection)
การคัดเลือกโดยธรรมชาติและทฤษฎีเกือบเป็นกลาง
การศึกษาพบว่าความหลากหลายของการแทนที่แบบไม่เปลี่ยนกรดอะมิโนมีน้อยกว่าการแทนที่แบบเปลี่ยนกรดอะมิโนอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากแรงกดดันจากการคัดเลือกโดยธรรมชาติที่สูงกว่า
ทฤษฎีเกือบเป็นกลาง (Nearly Neutral Theory)
Motoo Kimura (1968) เสนอว่าอัตราการกลายพันธุ์ที่คำนวณได้นั้นสูงเกินกว่าที่จะเกิดจากการคัดเลือกโดยธรรมชาติเพียงอย่างเดียว เขาจึงเสนอว่าการกลายพันธุ์ส่วนใหญ่เป็นแบบเป็นกลาง (Neutral) หรือ "เกือบเป็นกลาง" (Nearly neutral) ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ไม่มีผลดีหรือผลเสียต่อการอยู่รอดอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้น การเลื่อนลอยทางพันธุกรรม (Genetic drift) จึงเป็นปัจจัยขับเคลื่อนวิวัฒนาการระดับโมเลกุลที่ทรงพลังกว่าการคัดเลือกโดยธรรมชาติในบางกรณี
การทดสอบของ McDonald–Kreitman
เพื่อตรวจสอบว่ามีการคัดเลือกโดยธรรมชาติเกิดขึ้นในตำแหน่งยีนหรือไม่ นักวิจัยใช้การทดสอบของ McDonald–Kreitman โดยเปรียบเทียบอัตราส่วนของยีนแบบเปลี่ยนและไม่เปลี่ยนกรดอะมิโนระหว่างสปีชีส์ที่ใกล้ชิดกัน กับอัตราส่วนความหลากหลายภายในสปีชีส์เดียวกัน
- หากอัตราส่วนเท่ากัน: สนับสนุนทฤษฎีเป็นกลาง (Neutral theory) และวิวัฒนาการดำเนินไปโดยการเลื่อนลอยทางพันธุกรรม
- หากมีการแทนที่แบบไม่เปลี่ยนกรดอะมิโนระหว่างสปีชีส์มากกว่าภายในสปีชีส์: แสดงว่าเกิดการคัดเลือกโดยธรรมชาติเชิงบวก (Positive selection) ต่ออัลลีลที่เป็นประโยชน์
การแทนที่แบบไม่เปลี่ยนกรดอะมิโนมักพบได้บ่อยในยีนที่เกี่ยวข้องกับการต้านทานเชื้อโรค, การสืบพันธุ์ (เช่น การแข่งขันของสเปิร์ม), และยีนที่เกิดการจำลองตัวเองแล้วได้รับหน้าที่ใหม่
งานวิจัยและการสร้างแบบจำลอง
การวิจัยเพื่อสร้างแบบจำลองอัตราการกลายพันธุ์มีความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง โดย Ziheng Yang และ Rasmus Nielsen ได้เปรียบเทียบวิธีการสร้างแบบจำลองต่างๆ และพบว่าแบบจำลอง Maximum-likelihood มีความเหมาะสมในสถานการณ์ส่วนใหญ่เนื่องจากความเรียบง่ายและความยืดหยุ่นในการเปรียบเทียบลำดับหลายลำดับโดยคำนึงถึงสายวิวัฒนาการ (Phylogeny)
นอกจากนี้ การศึกษาในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เช่น ไพรเมต, สัตว์กีบคู่ และสัตว์ฟันแทะ พบว่าอัตราส่วนการแทนที่แบบไม่เปลี่ยนกรดอะมิโนต่อแบบเปลี่ยนกรดอะมิโนมีความผันแปรอย่างมากในหลายตำแหน่งยีน ซึ่งเป็นหลักฐานที่โต้แย้งทฤษฎีเป็นกลางแบบเคร่งครัด และสนับสนุนทฤษฎีที่ยอมรับว่ามีการกลายพันธุ์ที่สร้างความได้เปรียบในการอยู่รอด
คำถามที่พบบ่อย
การแทนที่แบบไม่เปลี่ยนกรดอะมิโนแตกต่างจากการแทนที่แบบเปลี่ยนกรดอะมิโนอย่างไร?
การแทนที่แบบไม่เปลี่ยนกรดอะมิโน (Nonsynonymous substitution) จะเปลี่ยนชนิดของกรดอะมิโนในโปรตีน ทำให้โครงสร้างหรือหน้าที่ของโปรตีนเปลี่ยนไป ในขณะที่การแทนที่แบบเปลี่ยนกรดอะมิโน (Synonymous substitution) จะเปลี่ยนนิวคลีโอไทด์แต่ยังคงรหัสกรดอะมิโนเดิม ทำให้โปรตีนไม่เปลี่ยนแปลง
อัตราส่วน Ka/Ks คืออะไรและใช้บอกอะไร?
Ka คืออัตราการแทนที่แบบไม่เปลี่ยนกรดอะมิโน และ Ks คืออัตราการแทนที่แบบเปลี่ยนกรดอะมิโน อัตราส่วน Ka/Ks ใช้เพื่อวัดแรงกดดันในการคัดเลือกโดยธรรมชาติ หาก Ka/Ks < 1 แสดงว่ามีการคัดเลือกเพื่อกำจัดตัวแปรที่ส่งผลเสียต่อโปรตีน (Purifying selection)
Missense mutation และ Nonsense mutation ต่างกันอย่างไร?
Missense mutation คือการเปลี่ยนกรดอะมิโนหนึ่งตัวเป็นอีกตัวหนึ่ง ส่วน Nonsense mutation คือการเปลี่ยนรหัสกรดอะมิโนให้กลายเป็นรหัสหยุด (Stop codon) ทำให้โปรตีนสายสั้นลงและมักจะทำงานไม่ได้
ทฤษฎีเกือบเป็นกลาง (Nearly Neutral Theory) คืออะไร?
เป็นทฤษฎีที่เสนอว่าการกลายพันธุ์ส่วนใหญ่ที่ถูกตรึงไว้ในประชากรไม่ใช่การกลายพันธุ์ที่สร้างความได้เปรียบอย่างชัดเจน แต่เป็นกลางหรือเกือบเป็นกลาง ซึ่งทำให้การเลื่อนลอยทางพันธุกรรม (Genetic drift) มีผลมากกว่าการคัดเลือกโดยธรรมชาติในประชากรขนาดเล็ก