Highlight

Population Genetics: What is it?

ภัสสร วรรณพินิจ

สวัสดีค่ะพี่ๆ เพื่อนๆ และน้องๆ ทุกคน หลังจากที่หายหน้าไปพักใหญ่ คราวนี้ดิฉันกลับมาพบกับทุกคนอีกครั้งในบทความเรื่อง “Population Genetics: What is it?” หลายคนคงมีคำถามในใจว่า ทำไมดิฉันถึงนำเสนอเรื่องราวเกี่ยวกับวิชาพันธุศาสตร์ประชากรในวารสารที่นำเสนอเรื่องราวทาง bioinformatics เหตุผลก็คือ “โดน บก. สั่งมาค่ะ” (อันนี้หยอกล้อกันเล่นเฉยๆ นะคะ) จริงๆ แล้วที่ดิฉันหยิบยกเรื่องนี้มานำเสนอก็เพราะว่า ความรู้ต่างๆ ทางพันธุศาสตร์ประชากรถูกนำมาประยุกต์ใช้ในงานบางอย่างทาง bioinformatics ยกตัวอย่างเช่น การประยุกต์ใช้ความรู้ทางด้าน neutral theory ในการทำความเข้าใจความหลากหลายของ protein และ DNA sequence ในงานทางด้าน sequence analysis หรือการประยุกต์ใช้ความรู้เกี่ยวกับ Hardy-Weinberg principles และ linkage analysis ในการศึกษา genome-wide association study (GWAS) ซึ่งนับได้ว่าเป็นงานทางด้าน genomics แขนงหนึ่ง ในขณะเดียวกันเทคโนโลยีต่างๆ ทางคอมพิวเตอร์และ bioinformatics ก็ถูกนำมาใช้ในงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับพันธุศาสตร์ประชากรเช่นเดียวกัน เป็นต้นว่า การใช้ประสิทธิภาพของเทคโนโลยีทางด้านคอมพิวเตอร์ในการสร้าง simulation model ในการศึกษาทฤษฏีต่างๆ ทางพันธุ-ศาสตร์ประชากร หรือการใช้เทคโนโลยีทางด้าน bioinformatics ในการทำความเข้าใจความหลากหลายทางพันธุกรรมในประชากร เป็นต้น

หลายคนคงคุ้นเคยกับวิชาพันธุศาสตร์ประชากรมาไม่มากก็น้อย บางคนก็อาจจะคุ้นเคยกับศาสตร์นี้ในแง่ของการประยุกต์ใช้ทฤษฏีต่างๆ ในงานวิจัย โดยเฉพาะผู้ที่ศึกษาทางด้านวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต บางคนก็อาจจะพอทราบคร่าวๆ ว่าศาสตร์นี้เป็นสาขาหนึ่งในวิชาพันธุ์ศาสตร์ที่ว่าด้วยการศึกษาโครงสร้างของลักษณะทางพันธุกรรมในประชากร ดังนั้นเพื่อให้ทุกคนเกิดความเข้าใจในทิศทางเดียวกันถึงความหมายของวิชานี้ ดิฉันจึงขอหยิบยกหัวข้อนี้มาเล่าสู่กันฟังค่ะ ก่อนอื่นคงต้องเริ่มจากนิยามของคำว่า ประชากร กันก่อนค่ะ

ประชากรคืออะไร?

ในทางชีววิทยา ประชากร จะหมายถึงกลุ่มของสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกัน ที่อาศัยอยู่ในพื้นที่หนึ่งๆ ในช่วงเวลาเดียวกัน โดยสมาชิกของสิ่งมีชีวิตนั้นๆ สามารถสืบพันธุ์และให้ลูกที่ไม่เป็นหมันได้ ยกตัวอย่างเช่น ประชากรเต่าทะเล (marine turtles) บนเกาะ Galápagos, ประชากรนกเงือกในผืนป่าดงพญาเย็น ประเทศไทย, และประชากรมนุษย์ในโลก เป็นต้นค่ะ โดยทั่วไปแล้วความหลากหลายของลักษณะต่างๆ ในประชากรสามารถพบเห็นได้ตั้งแต่ระดับระหว่างสมาชิกของประชากรหนึ่งๆ ยกตัวอย่างเช่น ความแตกต่างของลักษณะทางกายภาพ เช่น สีผิว น้ำหนัก ส่วนสูง ระหว่างมนุษย์แต่ละคนไปจนถึงระดับระหว่างประชากรของสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกันที่อาศัยอยู่ต่างพื้นที่กัน เช่น ความแตกต่างระหว่างนกเงือกในไทยกับนกเงือกในแอฟริกา โดยนกเงือกที่พบในประเทศไทยนิยมทำรังในโพรงต้นไม้ขนาดใหญ่ ขณะที่นกเงือกในแถบแอฟริกานิยมทำรังในโพรงไม้เตี้ยๆ หรือระหว่างประชากรของสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกันที่อาศัยอยู่ต่างเวลากัน เช่น ความแตกต่างระหว่าง fossil armadillos กับ modern armadillos ค่ะ

พันธุศาสตร์ประชากรคืออะไร?

พันธุศาสตร์ประชากรเป็นสาขาวิชาหนึ่งทาง พันธุศาสตร์ที่ว่าด้วยการศึกษาลักษณะทางพันธุกรรมของประชากรและการเปลี่ยนแปลงลักษณะทางพันธุกรรมของประชากรที่เกิดจากปัจจัยต่างๆ เราสามารถวัดลักษณะทางพันธุกรรมของประชากรในเชิงปริมาณในรูปของความถี่ของลักษณะทางพันธุกรรม หรือ allele frequency ได้ ดังนั้นเราอาจกล่าวได้ว่า พันธุศาสตร์ประชากรคือวิชาที่ว่าด้ายการศึกษาการเปลี่ยนแปลงของ allele frequency และปัจจัยที่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของ allele frequency ในประชากรค่ะ ยกตัวอย่างเช่น การศึกษาการเปลี่ยนแปลงของการกระจายตัวของยีน bw75 ในประชากรทดลอง Drosophila melanogaster อันเป็นผลสืบเนื่องมาจากกระบวนการ random genetic drift เป็นต้น

สำหรับปัจจัยต่างๆ ที่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของ allele frequency ในประชากร เราสามารถแบ่งออกได้เป็น 4 ปัจจัยหลักๆ ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงลักษณะทางพันธุกรรม หรือ การกลายพันธุ์ (mutation) การคัดเลือกลักษณะทางพันธุกรรม (selection) การเปลี่ยนแปลงแบบไร้ทิศทางของลักษณะทางพันธุกรรมในประชากร (genetic drift) และการถ่ายเทลักษณะทางพันธุกรรมระหว่างประชากร (gene flow)

การเปลี่ยนแปลงลักษณะทางพันธุกรรม หรือ mutation เป็นกระบวนการที่ก่อให้เกิดความหลากหลายทางพันธุกรรมในประชากรโดยการสร้าง allele ใหม่ในประชากร หรือเพิ่ม allele frequency ของ allele หนึ่งในประชากร กระบวนการนี้นับได้ว่าเป็นปัจจัยเบื้องต้นของกระบวนการอื่นๆ ที่จะก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความถี่ของลักษณะทางพันธุกรรมในประชากร และอาจส่งผลให้เกิดวิวัฒนาการในสิ่งมีชีวิตต่างๆ ได้ โดยมากกระบวนการนี้มักเกิดขึ้นแบบ random ซึ่งอาจทำให้ได้ลักษณะทางพันธุกรรมที่เป็นคุณ เป็นโทษ หรือไม่เป็นผลใดๆ ต่อการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตเลยก็ได้ค่ะ โดยทั่วไปแล้วเนื้อหาในวิชาพันธุศาสตร์ประชากรจะไม่กล่าวถึงกระบวนการทางโมเลกุลที่ทำให้เกิดการกลายพันธุ์โดยละเอียดนะคะ แต่อาจจะพูดถึงอย่างคร่าวๆ เพื่ออธิบายลักษณะของการกลายพันธุ์ หากลักษณะทางพันธุกรรมที่ได้จากการกลายพันธุ์มีลักษณะที่เป็นประโยชน์ต่อสิ่งมีชีวิต (increase fitness) ลักษณะทางพันธุกรรมนั้นก็จะถูกคัดเลือกไว้ในประชากรและถูกถ่ายทอดสู่ประชากรรุ่นถัดไปค่ะ ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความถี่ของลักษณะทางพันธุกรรมที่ถูกคัดเลือกไว้ แต่หากลักษณะทางพันธุกรรมที่ได้มีลักษณะที่เป็นโทษต่อสิ่งมีชีวิต (decrease fitness) เช่น การกลายพันธ์ของยีนที่ทำให้เกิดโรคต่างๆ ในคน ลักษณะทางพันธุกรรมนั้นก็มักจะถูกคัดทิ้งจากประชากรและไม่ให้มีการถ่ายทอดสู่ประชากรรุ่นถัดไป ซึ่งจะเป็นการลดความถี่ของลักษณะทางพันธุกรรมที่ถูกคัดทิ้งนั่นเอง กระบวนการคัดเลือกหรือคัดทิ้งเหล่านี้ก็คือกระบวนการคัดเลือกลักษณะทางพันธุกรรมหรือ selection ค่ะ เราจะสังเกตุได้ว่าทั้งการกลายพันธุ์และการคัดเลือกลักษณะทางพันธุกรรม ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงของความถี่ของลักษณะทางพันธุกรรมหนึ่งๆ อย่างมีทิศทาง สามารถทำนายได้ค่อนข้างแม่นยำคือถ้าไม่เพิ่ม ก็จะลดความถี่ของลักษณะทางพันธุกรรมที่เราสนใจค่ะ

หลายครั้งที่เราพบว่าการเปลี่ยนแปลงของความถี่ของลักษณะทางพันธุกรรมในธรรมชาติ เกิดขึ้นแบบไร้ทิศทาง (random) หรือที่เราเรียกว่า genetic drift การเปลี่ยนแปลงแบบนี้มักพบในประชากรที่มีขนาดเล็ก โดยเกิดจากความผิดพลาดในการสุ่มเลือกลักษณะทางพันธุกรรมในประชากรค่ะ ผลที่ได้อาจทำให้เกิดการเพิ่มความถี่ของลักษณะทางพันธุกรรมที่เป็นโทษหรือการลดความถี่ของลักษณะทางพันธุกรรมที่เป็นประโยชน์ต่อการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตในประชากรนั้นๆ การจะทำนายว่าความถี่ของลักษณะทางพันธุกรรมหนึ่งๆ ในประชากรที่การถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมถูกควบคุมโดยอิทธิพลของ genetic drift นี้จะเพิ่มหรือลด เราไม่สามารถให้คำตอบได้ 100% ค่ะ แต่เราจะคิดออกมาในรูปแบบของความน่าจะเป็น (probability) แต่ผลระยะยาวของ genetic drift นั้นค่อนข้างแน่นอน คือจะลดความแตกต่างของลักษณะทางพันธุกรรมระหว่างสมาชิกในประชากรหนึ่งๆ แต่จะเพิ่มความแตกต่างของลักษณะทางพันธุกรรมระหว่างประชากร ซึ่งก็เป็นหนทางหนึ่งที่ทำให้เกิดวิวัฒนาการในสิ่งมีชีวิตต่างๆ ได้เช่นกัน การจะสมดุลความแตกต่างของลักษณะทางพันธุกรรมระหว่างประชากรของสิ่งมีชีวิตเดียวกัน สามารถทำได้โดยการถ่ายเทลักษณะทางพันธุกรรมระหว่างประชากร หรือ gene flow การถ่ายเทนี้เกิดจากการอพยพของสมาชิกของประชากรจากที่หนึ่งไปสู่อีกที่หนึ่ง โดยที่สมาชิกเหล่านี้สามารถอยู่รอดและถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมของตนเองไปสู่ประชากรรุ่นถัดไปในที่ใหม่ได้ ดังนั้น ผลของการถ่ายเทลักษณะทางพันธุกรรมระหว่างประชากรจะเป็นไปในทิศทางตรงกันข้ามกับ genetic drift ค่ะ

นอกจากปัจจัยหลักๆ ทั้ง 4 ปัจจัยข้างต้นนี้ วิชาพันธุศาสตร์ประชากรยังสนใจศึกษาผลของการ recombination และ nonrandom mating ที่มีต่อลักษณะทางพันธุกรรมในประชากรด้วยค่ะ โดย recombination นั้นอาจก่อให้เกิดการลักษณะใหม่ๆ ขึ้นในประชากรโดยเกิดจากการผสมกันของลักษณะทางพันธุกรรมที่มีอยู่เดิมในประชากรในรูปแบบใหม่ ส่วนผลของ nonrandom mating ต่อลักษณะทางพันธุกรรมของประชากรนั้น จะมีลักษณะคล้ายคลึงกับผลของการคัดเลือกลักษณะทางพันธุกรรมที่เราเรียกว่า selection โดยส่งผลให้เกิดการเพิ่มหรือลดความถี่ของลักษณะทางพันธุกรรมบางอย่างในประชากร ซึ่งในบางกรณีก็อาจนับเป็นรูปแบบหนึ่งของการคัดเลือกลักษณะทางพันธุกรรมได้ ยกตัวอย่างเช่น ในกรณีที่สิ่งมีชีวิตเพศเมียเลือกสิ่งมีชิวิตเพศผู้ที่จะผสมพันธุ์โดยอาศัยหลักเกณฑ์บางอย่าง เราจะเรียกกรณีนี้ว่า sexual selection ค่ะ

ในประชากรสมมุติที่มีขนาดใหญ่ (ไม่มี genetic drift) โดยที่สมาชิกแต่ละหน่วยมีการสืบพันธุ์โดยอาศัยเพศอย่างเป็นอิสระ (random mating) ไม่มีการเปลี่ยนแปลงลักษณะทางพันธุกรรม (no mutation) ไม่มีการคัดเลือกลักษณะทางพันธุกรรม (no selection) และไม่มีการถ่ายเทลักษณะทางพันธุกรรมระหว่างประชากร (no gene flow) หรือที่เราเรียกว่า Hardy-Weinberg population นั้น ความถี่ของลักษณะทางพันธุกรรมในประชากรชนิดนี้จะคงที่ตลอดไป ซึ่งในความเป็นจริงเรามักไม่พบประชากรลักษณะนี้ในธรรมชาติค่ะ ดังนั้นทฤษฏีต่างๆ ในวิชาพันธุศาสตร์ประชากรจึงเป็นการตอบคำถามว่า ประชากรที่สนใจจะมีลักษณะทางพันธุกรรมอย่างไรหากประชากรนั้นๆ มีลักษณะอย่างใดอย่างหนึ่งหรือหลายๆ อย่างไม่ตรงตามประชากรสมมุตินี้ อย่างไรก็ดี ในงานวิจัยบางอย่างยังคงใช้ทฤษฏีของ Hardy-Weinberg ซึ่งตั้งอยู่บนสมมุติฐานของประชากรสมมุตินี้เป็นจุดตั้งต้นในงานวิจัย ยกตัวอย่างเช่น การหา gene ที่สัมพันธ์กับโรคต่างๆ ในมนุษย์โดยวิธี genome-wide association study (GWAS) ความถี่ของ SNPs (single nucleotide polymorphisms) ที่ถูกนำมาพิจารณาหาความสัมพันธ์กับโรคที่ศึกษาจะต้องไม่แตกต่างอย่างมีนัยยะสำคัญจากความถี่ที่ประเมินได้ตาม Hardy-Weinberg principle ค่ะ ดังนั้นถึงแม้ว่าประชากรที่เราศึกษาจะมีคุณสมบัติไม่ครบถ้วนตาม assumptions ของ Hardy-Weinberg principle แต่ประสิทธิภาพของทฤษฏีนี้ก็มากพอที่จะนำมาประยุกต์ใช้ในงานวิจัยบางอย่างได้อยู่ค่ะ

จากนิยามของวิชาพันธุ์ศาสตร์ประชากรที่กล่าวถึงการศึกษาการเปลี่ยนแปลงของ allele frequency ซึ่งเป็นคุณลักษณะเชิงปริมาณและทฤษฏีต่างๆ ทางพันธุศาสตร์ประชากรที่ถูกพัฒนาในรูปของสมการทางคณิตศาสตร์ (mathematical model) ซึ่ง model ทางคณิตศาสตร์ในวิชานี้อาจแบ่งออกเป็น 2 แบบหลักๆ ตามลักษณะช่วงเวลาได้แก่ model ที่พิจารณาช่วงเวลาในประชากรแบบไม่ต่อเนื่อง (discrete time model) และ model ที่พิจารณาช่วงเวลาในประชากรแบบต่อเนื่อง (continuous time model) หรืออาจแบ่งเป็น 2 แบบตามการพิจารณา random effect ใน model ได้แก่ model ที่ไม่รวม random effect (deterministic model) และ model ที่รวม random effect (stochastic model) ดังนั้นเราจะเห็นได้ว่า การจะเข้าใจเนื้อหาของวิชานี้และนำไปประยุกต์ใช้ในงานวิจัยอื่นๆ ได้ ต้องอาศัยความรู้ทางคณิตศาสตร์และวิธีคิดเชิงปริมาณ ซึ่งในหนังสือ “Introduction to Population Genetics” โดย Richard Halliburton ได้สรุปอย่างคร่าวๆ ถึงความรู้ทางคณิตศาสตร์ที่จำเป็นต่อผู้ที่ศึกษาวิชานี้อันได้แก่ ความรู้ทางพิชคณิต (algebra), ความรู้เกี่ยวกับ logarithmic และ exponential function, ความเข้าใจเกี่ยวกับ differentiation และ integration, และความรู้ความเข้าใจทางสถิติทั้งในส่วนของความน่าจะเป็นและการทดสอบทางสถิติ อาจะฟังดูยากนะคะสำหรับพี่ๆ เพื่อนๆ และน้องๆ ที่ไม่ค่อยคุ้นเคยกับการคิดและวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์เท่าไหร่ แต่ในทางปฏิบัตินั้นไม่ยากอย่างที่คิดค่ะ เพราะสิ่งสำคัญอยู่ที่การสร้างสมการที่เหมาะสมต่อประชากรที่ศึกษาค่ะ ซึ่งหากเราเข้าใจลักษณะของประชากรของเราดีแล้ว การจะสร้างสมการเพื่ออธิบายประชากรนั้นจะไม่ยากเลยค่ะ

วิชาพันธุศาสตร์ประชากรนับเป็นสาขาวิชาหนึ่งที่มีบทบาทสำคัญในการวิจัยด้านต่างๆ อาทิเช่น การประยุกต์ใช้ความรู้ทางด้านพันธุศาสตร์ประชากรในการออกแบบการผสมพันธุ์ของพืชและสัตว์ เพื่อช่วยเพิ่มผลผลิตทางการเกษตร หรือเพื่อช่วยในการรักษาเผ่าพันธุ์ของสิ่งมีชีวิตที่ใกล้จะสูญพันธุ์ การใช้ทฤษฏีต่างๆ ทางพันธุศาสตร์ประชากรในการศึกษาวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต หรือการประยุกต์ใช้ความรู้ทางด้านพันธุศาสตร์ประชากรในการระบุยีนที่ก่อให้เกิดโรคในมนุษย์โดยการเปรียบเทียบความถี่ของลักษณะทางพันธุกรรมของกลุ่มที่เป็นโรคกับกลุ่มที่ไม่เป็นโรค เป็นต้น ดังนั้นเราจะเห็นได้ว่าวิชาพันธุศาสตร์ประชากรนับเป็นความรู้พื้นฐานที่น่าจะเป็นประโยชน์มากทีเดียวค่ะ

สำหรับบทความนี้ ผู้อ่านคงได้เรียนรู้กันแล้ว นะคะว่าวิชาพันธุศาสตร์ประชากรว่าด้วยเรื่องอะไร และความรู้พื้นฐานที่จำเป็นต่อการศึกษาวิชานี้มีอะไรบ้าง หวังว่าพี่ๆ เพื่อนๆ และน้องๆ ที่เคยสงสัยว่าวิชานี้คืออะไรคงได้คลายข้อข้องใจกันไม่มากก็น้อยนะคะ หากใครสนใจรายละเอียดเพิ่มเติม ดิฉันขอแนะนำหนังสือ “Introduction to Population Genetics” โดย Richard Halliburton ค่ะ

----------------------------------------------------------------

¹ ที่มา: http://marketing.appliedbiosystems.com/mk/get/INNOVATIONS09_OCT08_FEA TURED_ARTICLE

² ที่มา: http://thaihornbill.org.www.readyplanet5.com/

³ ที่มา: http://www.sc.chula.ac.th/courseware/naturev2/ ppt/5.pps#306,8,Slide 8