หลักการของฮาร์ดี-ไวน์เบิร์กและการนำมาใช้ในงานพันธุศาสตร์ประชากร

เขียนโดย biology เมื่อ . หัวข้อ บทความ, บทความปี 2555

 

 

หลักการของฮาร์ดี-ไวน์เบิร์ก (Hardy-Weinberg principle) และการนำมาใช้ในงานพันธุศาสตร์ประชากร

                                                          ดร. อัครพงษ์ สวัสดิพงษ์

หลักการของฮาร์ดี-ไวน์เบิร์ก และความสมดุลของประชากร

          จากหลักการของฮาร์ดี-ไวน์เบิร์ก ประชากรจะอยู่ในสภาพสมดุล เมื่ออยู่ภายใต้ข้อกำหนดดังนี้

          1. เป็นประชากรขนาดใหญ่ มีการจัดคู่ผสมพันธุ์แบบสุ่ม (random mating)

          2. ยีนที่ควบคุมลักษณะที่ศึกษา มีตำแหน่งอยู่บนออโตโซม (autosome)

          3. ไม่มีมิวเทชัน (no mutation) คือ ไม่มีการเปลี่ยนแปลงรูปแบบของยีน จากแอลลีลหนึ่งไปเป็นอีกแอลลีลหนึ่ง

          4. ไม่มีการอพยพ (no migration) คือ ไม่มีการย้ายถิ่นฐานของสมาชิก จากประชากรหนึ่งไปยังอีกประชากรหนึ่ง

          5. ไม่มีการคัดเลือก (no selection) คือ ทุกจีโนไทป์ในประชากรมีความสามารถในการอยู่รอด ผสมพันธุ์ และผลิตลูกหลานได้เท่าๆ กัน

          6. การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสดำเนินไปอย่างปกติ คือเซลล์สืบพันธุ์ทุกเซลล์ที่ผลิตได้ สามารถทำหน้าที่ได้

          ซึ่งถ้าประชากรใดอยู่ภายใต้ข้อกำหนดเหล่านี้ ประชากรดังกล่าวจะมีความถี่แอลลีล และความถี่จีโนไทป์คงที่ในทุกรุ่น ลักษณะนี้เรียกว่าสมดุลของประชากร

 

สภาพสมดุลของประชากรธรรมชาติ

     เมื่อพิจารณาข้อกำหนดต่างๆ ที่ทำให้ประชากรอยู่ในสภาพสมดุล ซึ่งเห็นได้ว่าสภาพสมดุลน่าจะเกิดขึ้นได้ยาก โดยเฉพาะในกรณีของประชากรธรรมชาติ เนื่องจากประชากรเหล่านี้อยู่ภายใต้สภาพแวดล้อมที่มีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา จึงเกิดการคัดเลือกโดยธรรมชาติ รวมทั้งมีมิวเทชันซึ่งเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ และในกรณีที่มีประชากรธรรมชาติหลายกลุ่มประชากร อาศัยในพื้นที่ใกล้เคียงกัน จะพบว่ามีการอพยพของสมาชิกระหว่างประชากรเหล่านั้นเสมอ

     อย่างไรก็ตาม จากการศึกษาประชากรธรรมชาติพบว่าประชากรโดยส่วนใหญ่อยู่ในสภาพสมดุล ทั้งนี้สาเหตุหลักเป็นเพราะอิทธิพลจากสภาพแวดล้อมตามธรรมชาติ เช่น มิวเทชัน การอพยพ และการคัดเลือกมีผลค่อนข้างน้อย ไม่ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความถี่แอลลีล และความถี่จีโนไทป์ในระยะเวลาอันสั้น การเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมที่อาจเกิดขึ้นเพียงเล็กน้อยนี้ จึงไม่มีนัยสำคัญทางสถิติ

 

การนำหลักการของฮาร์ดี-ไวน์เบิร์ก มาใช้ในงานพันธุศาสตร์ประชากร

     เนื่องจากสภาพสมดุลของประชากรตามหลักการของฮาร์ดี-ไวน์เบิร์ก ประชากรที่อยู่ในสภาพสมดุลจะมีความถี่แอลลีลและความถี่จีโนไทป์คงที่ รวมทั้งยังสามารถนำข้อมูลความถี่แอลลีลมาใช้คำนวณหาความถี่จีโนไทป์ต่างๆ ได้ ดังนั้นจึงมีการนำหลักการของฮาร์ดี-ไวน์เบิร์กมาประยุกต์ใช้ในงานพันธุศาสตร์ประชากรอย่างแพร่หลาย

     กรณีใกล้ตัวเรา เช่น การประมาณความถี่จีโนไทป์ต่างๆ ของลักษณะหมู่เลือด การที่ประชากรมนุษย์มีสภาพสมดุลของหมู่เลือดได้ เนื่องจากไม่มีผลกระทบจากการคัดเลือกที่ชัดเจนระหว่างคนที่มีหมู่เลือดต่างกัน กล่าวคือ คนหมู่เลือดต่างๆ มีความสามารถในการอยู่รอด และแต่งงานมีลูกหลานได้ในจำนวนที่ไม่แตกต่างกัน รวมทั้งการเลือกคู่แต่งงานมักไม่เจาะจงหมู่เลือดใดหมู่เลือดหนึ่งเป็นพิเศษ ดังนั้นเมื่อทราบความถี่จีโนไทป์ที่เป็นลักษณะด้อย ก็จะสามารถนำไปใช้คำนวณความถี่ของแอลลีลด้อยได้ทันที และทำให้ประมาณจำนวนคนที่มีจีโนไทป์ต่างๆ ได้

     ตัวอย่าง ข้อมูลหมู่เลือดของคนไทยในประเทศไทย พบว่าผู้ที่มีเลือดหมู่ O มีจำนวนมากที่สุดคือ 38% รองลงมาคือเลือดหมู่ B 34% เลือดหมู่ A 21% และเลือดหมู่ AB 7% (ศูนย์บริการโลหิตแห่งชาติ สภากาชาดไทย club25ofThailand.com, 2012)

     สมมติฐานคือ ถ้าประชากรมนุษย์อยู่ในสภาพสมดุลของระบบหมู่เลือด เราสามารถนำข้อมูลความถี่แอลลีลด้อยไปใช้หาค่าความถี่แอลลีลอื่นๆ และสามารถนำข้อมูลทั้งหมดนี้ ไปประมาณการความถี่ของคนเลือดหมู่ต่างๆ ได้อย่างถูกต้อง ระบบหมู่เลือด ABO ของคน ควบคุมด้วยมัลติเพิลแอลลีล (multiple allele) ที่ประกอบด้วยแอลลีล 3 รูปแบบคือ IA  IB และ ถ้ากำหนดให้ความถี่ของแอลลีลทั้ง 3 รูปแบบคือ

          P = ความถี่แอลลีล IA

          q = ความถี่แอลลีล IB

           r = ความถี่แอลลีล i

           p + q + r = 1

เมื่อประชากรอยู่ในสภาพสมดุล สามารถคำนวณความถี่ของจีโนไทป์ได้ดังนี้

           (p IA + q IB + r i)2                     = p2 IA IA + 2pr IA+ 2pq IA IB + q IB IB + 2qr IBi + r2ii

ความถี่ของคนที่มีเลือดหมู่ A            = p2 + 2pr

ความถี่ของคนที่มีเลือดหมู่ B            = q2 + 2qr

ความถี่ของคนที่มีเลือดหมู่ AB         = 2pq

ความถี่ของคนที่มีเลือดหมู่ O            = r2

                       55-10-1

การประมาณความถี่หมู่เลือด AB

                                       2pq               = 2(0.15)(0.23)

                                                            ≈ 0.07 (ใกล้เคียงกับผลการสำรวจของศูนย์บริการโลหิตแห่งชาติ สภากาชาดไทย)

     งานทางพันธุศาสตร์ประชากรของสิ่งมีชีวิตที่นอกเหนือไปจากมนุษย์ เช่น สัตว์น้ำชนิดต่างๆ ก็อยู่ภายใต้แนวคิดเรื่องสภาพสมดุลประชากร ตามหลักการฮาร์ดี-ไวน์เบิร์ก เช่นกัน และเนื่องจากความถี่แอลลีล และความถี่จีโนไทป์เป็นเอกลักษณ์ซึ่งคงที่ในแต่ละประชากร จึงทำให้สามารถบอกความแตกต่างระหว่างประชากรย่อยและระบุสมาชิกจากแต่ละประชากรที่อาศัยปะปนกันได้ โดยอาศัยหลักของความน่าจะเป็น (probability) ความแม่นยำในการระบุต้นกำเนิดของสิ่งมีชีวิตด้วยวิธีการนี้ ขึ้นอยู่กับจำนวนโลคัส (locus) และความหลากหลายของแอลลีลที่พบในโลคัสเหล่านั้น ปัจจุบันงานในลักษณะนี้นิยมใช้ข้อมูลจากเครื่องหมายดีเอ็นเอชนิดไมโครแซทเทิร์นไลท์ (microsatellite) เป็นหลัก เนื่องจากรูปแบบของแอลลีลมีความหลากหลายสูงและสามารถทำการศึกษาได้หลายโลคัสพร้อมกัน โดยอาศัยเทคนิคมัลติเพล็กพีซีอาร์ (multiplex PCR)

55-10-2

 

 

66,270 total views, 0 views today