การกลายพันธุ์และการรวมตัวกันใหม่ของยีน

การกลายพันธุ์นำเสนอรูปแบบใหม่ ๆ เข้าสู่ลำดับพันธุกรรม และการรวมตัวกันใหม่ของยีนจะสับเปลี่ยนรูปแบบที่มีอยู่เดิม ซึ่งทั้งสองกระบวนการนี้ร่วมกันสร้างความหลากหลายทางพันธุกรรมที่เป็นพื้นฐานของการถ่ายทอดทางพันธุกรรมและวิวัฒนาการ

Definition

การกลายพันธุ์คือการเปลี่ยนแปลงที่ถ่ายทอดได้ในลำดับนิวคลีโอไทด์ของ DNA และการรวมตัวกันใหม่ของยีนคือการแลกเปลี่ยนหรือการจัดเรียงส่วนของ DNA ใหม่ระหว่างโมเลกุล ซึ่งทั้งสองกระบวนการนี้จะเปลี่ยนแปลงข้อมูลทางพันธุกรรมที่ส่งต่อไปยังลูกหลาน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมประเภทของการกลายพันธุ์ รวมถึงการแทนที่แบบจุด (point substitutions), การเพิ่มและการลบ (insertions and deletions), การเลื่อนกรอบ (frameshifts) และการจัดเรียงโครโมโซมใหม่ (chromosomal rearrangements) ความแตกต่างระหว่างการกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและการกลายพันธุ์ที่ถูกชักนำ สารก่อกลายพันธุ์ (mutagens) และการทดสอบเอมส์ (Ames test) ลักษณะสุ่มของการกลายพันธุ์ที่แสดงโดยการวิเคราะห์ความผันผวน (fluctuation analysis) และการรวมตัวกันใหม่ของยีนแบบฮอมอโลกัส (homologous recombination) ในฐานะกลไกสำหรับการแลกเปลี่ยนและซ่อมแซม DNA หัวข้อนี้จะกล่าวถึงต้นกำเนิดและการแลกเปลี่ยนของรูปแบบลำดับพันธุกรรม ส่วนรูปแบบการถ่ายทอดทางพันธุกรรมและความถี่ในประชากรจะกล่าวถึงในส่วนอื่น

Core questions

• การกลายพันธุ์ประเภทหลัก ๆ มีอะไรบ้าง และส่งผลต่อผลิตภัณฑ์ของยีนอย่างไร?
• การกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและการกลายพันธุ์ที่ถูกชักนำแตกต่างกันอย่างไรในด้านต้นกำเนิดและอัตรา?
• การวิเคราะห์ความผันผวนแสดงให้เห็นได้อย่างไรว่าการกลายพันธุ์เกิดขึ้นแบบสุ่มมากกว่าที่จะตอบสนองต่อการคัดเลือก?
• การรวมตัวกันใหม่ของยีนแบบฮอมอโลกัสแลกเปลี่ยนสารพันธุกรรมและซ่อมแซมการแตกหักได้อย่างไร?

Key concepts

• การกลายพันธุ์แบบจุด: การกลายพันธุ์แบบมิสเซนส์ (missense), การกลายพันธุ์แบบนอนเซนส์ (nonsense), การกลายพันธุ์แบบเงียบ (silent)
• การเพิ่ม, การลบ, และการเลื่อนกรอบ
• การกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติเทียบกับการกลายพันธุ์ที่ถูกชักนำและสารก่อกลายพันธุ์
• การทดสอบความผันผวนของลูเรีย-เดลบรุก
• การรวมตัวกันใหม่ของยีนแบบฮอมอโลกัสและการไขว้เปลี่ยน (crossing over)

Mechanisms

การกลายพันธุ์เกิดขึ้นจากข้อผิดพลาดในการจำลองแบบ (replication errors) การเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น การขจัดหมู่อะมิโน (deamination) และความเสียหายจากรังสีหรือสารก่อกลายพันธุ์ทางเคมี ส่วนการรวมตัวกันใหม่ของยีนดำเนินไปโดยการจัดเรียงลำดับฮอมอโลกัส (homologous sequences) การแลกเปลี่ยนสาย (strand exchange) และการแก้ไขโมเลกุลร่วมที่เกิดขึ้น ซึ่งกระบวนการนี้ยังทำหน้าที่ซ่อมแซมการแตกหักของสายคู่ (double-strand breaks) อีกด้วย

Clinical relevance

การกลายพันธุ์เป็นสาเหตุของโรคทางพันธุกรรมและการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ร่างกายที่นำไปสู่โรคมะเร็ง การทดสอบสารก่อกลายพันธุ์ให้ข้อมูลในการประเมินอันตรายจากสารเคมีและรังสี และการรวมตัวกันใหม่ของยีนถูกนำมาใช้ในการกำหนดเป้าหมายยีน (gene targeting) และการแก้ไขจีโนมด้วย CRISPR ผ่านการซ่อมแซมที่อาศัยความคล้ายคลึงกัน (homology-directed repair)

History

มุลเลอร์ (Muller) ได้แสดงให้เห็นในปี 1927 ว่ารังสีเอกซ์ชักนำให้เกิดการกลายพันธุ์ การทดสอบความผันผวนของลูเรียและเดลบรุก (Luria and Delbrück) ในปี 1943 แสดงให้เห็นว่าการกลายพันธุ์ของแบคทีเรียเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและเป็นอิสระจากการคัดเลือก และการค้นพบองค์ประกอบเคลื่อนที่ได้ (transposable elements) ของแมคคลินทอค (McClintock) เผยให้เห็นว่าจีโนมสามารถจัดเรียงตัวเองใหม่ได้

Key figures

• Hermann Muller
• Salvador Luria
• Max Delbrück
• Barbara McClintock

Seminal works

• lutherbach1943

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างการกลายพันธุ์แบบมิสเซนส์และการกลายพันธุ์แบบนอนเซนส์คืออะไร?

การกลายพันธุ์แบบมิสเซนส์จะเปลี่ยนรหัสพันธุกรรม (codon) ทำให้ระบุกรดอะมิโนที่แตกต่างออกไป ในขณะที่การกลายพันธุ์แบบนอนเซนส์จะเปลี่ยนรหัสพันธุกรรมให้เป็นสัญญาณหยุด ทำให้โปรตีนถูกตัดให้สั้นลงก่อนกำหนด

การกลายพันธุ์เป็นอันตรายเสมอไปหรือไม่?

ไม่ การกลายพันธุ์จำนวนมากเป็นกลางและไม่มีผลกระทบที่ตรวจจับได้ บางส่วนเป็นอันตราย และบางส่วนมีประโยชน์ ความหลากหลายนี้ รวมถึงการเปลี่ยนแปลงที่เป็นประโยชน์ที่หายาก เป็นวัตถุดิบสำคัญสำหรับวิวัฒนาการ