Download The Genetic Basis of Evolution

The Genetic Basis of
Evolution
I. Genetic Basis
II. Mechanism of Evolution
1
II. Mechanisms of Evolution
1. What is Evolution
2. Emergence of the first cell
3. Genetic composition of population
4. Genetic variation
5. Genetic equilibrium
6. Microevolution
6.1 Mutation
6.3 Genetic drift
6.5 Gene flow
6.2 Recombination
6.4 Natural selection
2
Evolution
กระบวนการเปลี่ยนคุณลักษณะไปตามกาลเวลา
ของ species ใดๆ จนในที่สุดเกิด species ใหม่
ที่มีวถิ ีชีวติ ใหม่
Evolution : การเปลี่ยนความถี่ (frequency)
ของ gene ในประชากรใดๆ ตามกาลเวลา
3
First Living Cells on Earth
4.6-4.5 billion years: โลกเกิดจาก Cosmic cloud
4 billion year: โลก thin-crusted inferno, heat & gases
crust เย็นลงและแข็งตัว น้ า condensed เป็ นเมฆ
และ ตกเป็ นฝน
3.8 billion years: life originated บนผิวโลก
4
แสงอาทิตย์ ฟ้าผ่า ความร้ อน ที่
แผ่ออกจากโลกเป็ น supply energy
ให้เกิด condensation ของ complex
organic molecules เช่น glucose,
ribose, deoxyribose, nucleotides,
amino acids, lipids, และอื่นๆ
๏
สาร organic มี self assembly จน
ได้ living cells
๏
Miller-Uery’s Apparatus
5
Chemical & molecular
evolution (4 by.) into
the first cells (3.8 by.)
Evolutionary tree
(3.7 by. - present)
6
Genetic Basis of Evolution
 อะไรทาให้ เกิด genetic
variation
และทาให้ คงอยู่ เป็ นวัตถุดิบของ
วิวฒั นาการ
 ปั จจัยที่ทาให้ เปลี่ยน gene frequency
ทาให้ เกิดวิวฒ
ั นาการ
 species ใหม่เกิดขึ้นได้อย่างไร
7
 ความหลากหลายของสิ่งมีชีวิตในโลกปรากฏหลัก
ฐาน fossil และ genes ของ living organisms หรื อ
ไม่
 สิ่งมีชีวิตในธรรมชาติกบ
ั ในห้ องทดลองอย่างใดมี
genetic variation มากกว่ากัน
 ทาเด็กทารกแรกเกิดของคนจึงมีน ้าหนัก 3.2
กิโลกรัม หรื อคนส่วนมากความสูงที่ระดับเฉลี่ย
8
Genetic Composition ของ Population

Individual organisms : be born,
mature, and die No evolution
 Species : groups of interbreeding
organisms Evolution
 Population : members of a species
in groups, occupy a particular
region Evolutionary change
9
Genetic Variation
10
Genetic Variation
ความแตกต่างใน combinations ของ alleles
ทีม่ ี
ใน individuals ของ population หรื อ
ใน gene pool ของ population
 ความแตกต่างของ gene/allele frequency
 ทาให้เกิด variation ใน characters ของ
population





Morphology รูปร่ างลักษณะ
Physiology หน้ าทีก่ ารทางานของสรีระ
Behavior นิสัย พฤติกรรม
Raw material of evolution
11
Genetic variation
among species
Genetic variation
among races of the
same species
12


ลักษณะ (trait) ระหว่ าง individuals จึงไม่ เหมือนกัน
Genetic variation ระหว่ าง species ดูจาก frequencyีีี่
ของ Heterozygosity - two different alleles
Human - 100,000 genes มี variation 10 %
Dogs - 100,000 genes มี variation 5 %
Cheetahs - 100,000 genes มี variation 0.067
%
13
Sources of Genetic variation
เกิดได้ จากหลายเหตุการณ์ พอสรุปได้ เป็ น
5 อย่ าง คือ
1. Gene mutation (produce new alleles)
2. Recombination ของ gene บน Chromosome
ระหว่างการแบ่งเซลล ์สืบพันธุ ์ (new
combinations
of alleles in chromosomes)
14
3. Independent assortment ของ gene หรื อ
Chromosome ระหว่ างการแบ่ งเซลล์ สืบพันธุ์
(mix of maternal and paternal chromosomes)
4. Fertilization ระหว่ าง gametes ทีม่ ี gene ต่ างกัน
(combination of alleles from two parents)
5. Change in chromosome structure or number
(loss, duplicate, or alteration of alleles)
15
Environmental influences on variation
ทาให้ เกิด
variation ใน
phenotypes
 ไม่ทาให้
gene เปลี่ยน
 แต่ทาให้ การ
แสดงออกของ Hydrangea macrophylla:
gene เปลี่ยน allels ของสี ดอกเหมือนกัน

แมวไทย: อุณหภูมิ
ผิวหนังไม่เท่ากัน
ปลูกในดินที่มี acidity ต่างกัน
16
Genetic frequency
1. Genotype frequency
2. Allele frequency / gene frequency
17
Genotypes in a population มี 3 แบบ
AA - Homozygous Dominant
Aa - Heterozygous
aa - Homozygous Recessive
18
1. Genotype frequency

genotype frequency ของ gene ใดๆใน
population รวมกันเป็ น 1
AA + Aa + aa

= 1
Punnett square
และการกระจายเป็ น binomial
(p + q)2 = p2 + 2pq + q2 =
เมื่อ
p = frequency of allele A
q = frequency of allele a
1
19
2. Allele frequency หรื อ Gene frequency
แตกต่างกัน แล้วแต่เผ่าพันธุ์
 Gene บน locus ใดๆ อาจเป็ น A หรื อ a
 สัดส่วนของ alleles A หรื อ a รวมกันเป็ น 1
p+q =1
p + q = p2 + 2pq + q2 = 1

ถ้า p = q โอกาสสู ญพันธุ์นอ้ ย
 ถ้า allele คงที่
- No Evolution
 ถ้า allele เปลี่ยน - Evolution

20
Genetic Equilibrium
In the absence of any outside forces,
the frequency of each allele in a
population will not change as
generations pass
21
Genetic Equilibrium
Allele frequency คงที่ เป็ นเวลาหลาย
generations เรี ยกว่า Genetic Equilibrium
หรื อ Hardy-Weinberg Equilibrium
 Variation ของ Allele frequency ใน generations
ต่อๆ มา ใช้ เป็ นตัววัดอัตราการเปลี่ยนแปลง
ทางวิวฒ
ั นาการ (Rates of Evolutionary Change)

22
Hardy-Weinberg Principle
Allele frequency จะคงที่จาก generation หนึ่งไปอีก
generation หนึ่งได้ ด้วย 5 conditions (ideal)
1) ไม่มี mutation
2) ไม่มี gene flow (isolate จาก population อื่น)
3) มี random mating (ทุก genotypes ต้อง viable และ
fertile)
4) Large population size
5) ไม่มี natural selection
23
Variation ของ Allele Frequency
ที่เกิดโดย 5 conditions ทาให้เกิด Evolution ใน
ระดับ
Microevolution
24
Microevolution
1. Mutation
2. Recombination / Random mating
3. Genetic drift
4. Gene flow
5. Natural selection
25
1. Mutation
Change one allele into another
26
Mutation

heritable change ใน DNA ของเซลล์สืบพันธุ์ ทาให้
เปลี่ยน gene expression
๏ เปลี่ยน phenotype
๏ เพิม
่ หรื อ ลด frequency ของ allele ใน gene pool ของ
ประชากร ทาให้มีผลต่อ Evolution
๏
change ใน DNA ของเซลล์ร่างกายทัว่ ไป ถ่ายทอดไม่ได้
 โอกาส 1 ใน ล้าน ที่จะได้ gene ใหม่

27
สาเหตุของ Mutation :
Spontaneous mutation
 DNA replication errors
 Spontaneous chemical changes
๏ Induced mutation
 Physical agents - Radiation
 Chemical agents - Base analogs
 Base-modifying agents
 Intercalated agents
๏
28
Induced mutation
 Physical
agents เช่น UVb ให้เกิดมะเร็ งผิวหนัง
Melanoma
 Chemical
๏
๏
๏
agents เป็ นสาเหตุให้เกิด มะเร็ ง
Base analogs ทาให้ base เปลี่ยนแบบแล้วจับกันผิด
Base-modify agents ทาให้ base จับคู่ผดิ
Intercalated agents ทาให้ขยับ base ของ codon
29
Mutation แบ่ งเป็ น 2 ระดับ
 Chromosomal mutation
 Gene mutation
30
Chromosomal Mutation
(chromosomal Aberration)
 Chromosome
๏
number
 Chromosome
one or few
chromosomes
๏
- Down syndrome
(2n+1 = 47
แท่ง)
- Klinefelter
syndrome
(47, XXY)
- Turner syndrome
(45, XO),
๏
structure
Deletion - Cri-du-chat
syndrome (cat-cry ใน C5)
Duplication - Bar eyeใน
แมลงหวี่
๏ Inversions (ไม่ค่อยเกิด)
๏ Translocation
- Leukemia
(แท่ง 9/12)
- Lymphoma
(แท่ง 8/14)
31
Down syndrome :
Chromosome 21 เพิ่ม 1 แท่ง
Cat-cry syndrome :
ส่ วนของ chromosome 5 หายไป
32
๏
เปลี่ยน complete sets ของ chromosomes
เรี ยกว่า Genome Mutation เกิดในพืช
และ ใช้ ประโยชน์ในการปรับปรุงสายพันธุ์
พืช
2n -> n
 2n -> หลาย n
 แตงโม 3n
 มันฝรั่ง, ถัว
่ ลิสง, กาแฟ, องุ่น 4n

33
Gene Mutation
(DNA sequence changes)
1) Point mutation single
base pair
๏
Base-pair substitution
 Transition
purine-pyrimidine
to

Transversion
purine-pyrimidine
to
pyrimidine-purine
๏
๏
Missense mutation
- codes change
Nonsense mutation
- stop cordons
purine-pyrimidine
34
2) Silent mutation / neutral mutation
Base change - same amino acid
3) Frameshift mutation - Addition or deletion one
base pair ทาให้ ขยับ reading frame ของ codons
บน mRNA
AUG-ACA-CAU-AAC-GGC-UUC-GUA--+U
+C
-U
AUG-AUC-ACA-UAC-ACG-GCU-CGU---
4) Duplication & Divergence
gene duplicate แล้ วได้
- 1 copy เหมือนบรรพบุรุษ
- 1 copy ลาดับ bases ไม่ เหมือน
ทาให้ gene มีโอกาสแยกห่ างออกจาก
บรรพบุรุษ
35
5) Exon shuffling แยก gene ออกเป็ นชิ้นๆ แล้วสลับ
ใหม่ ทาหน้ าที่ใหม่ gene ใหม่
Gene บน mRNA มีส่วนที่
เป็ นรหัส เรี ยกว่า Exonและ
ไม่เป็ นรหัส เรี ยกว่า Intron
Exon ถูกตัดต่อสลับตาแหน่ง
36
2. Recombination
Universal source ของ Genetic variation
37
2. Recombination
2.1 Genetic Recombination in
Nature
2.2 Artificial Recombination
38
2.1 Genetic Recombination in Nature

เกิดระหว่าง gene บน
คู่ Chromosome
ที่เป็ น Homologous
Chromosome
ขณะการแบ่งเซลล์สืืบ
พันธุ์ ผลทาให้
phenotype ของลูกที่
ได้ รับ recombine gene แตกต่างจาก ของพ่อ-แม่
39
Recombination ของ gene ควบคุมสี ตาแมลงหวี่
ตาสี แดงกุหลาบ X ตาสี แดงเลือดหมู
ตาสี ชมพู
แมลงหวี่ตาสี ชมพูได้ gene ผสมใหม่ที่ดีกว่าต่อแสงทุก
ระดับ
จึงผ่านการเลือกโดยธรรมชาติให้ดารงชีพ
สื บพันธุ์ได้ดีกว่าและถ่ายทอดต่อไป
40
Recombination มีโอกาสเกิดสู งมาก ถึง 1 ใน 2
 Species ที่มี genetic recombination จึงมี genetic
variation มากกว่าที่ การเลือกโดยธรรมชาติจะทาได้เอง
 Recombination ทาให้สิ่งมีชีวต
ิ ความสามารถปรับตัวให้
เข้ ากับการเปลี่ยน environment ได้ดีกว่า
 ถ้ า environment เปลี่ยนไป recombinants เหล่านี้ คงมี
ชีวิตรอดและสืบพันธุ์ตอ่ ไปได้

41
2.2 Artificial recombination



การทา Genetic recombination ในห้อง Lab
โดยวิธีการที่เรี ยกว่า
Recombinant DNA Technology หรื อ
Genetic Engineering หรื อ DNA cloning
เป็ นการสร้ าง gene recombinants ใหม่ หรื อ
สร้ าง DNA โมเลกุลผสมใหม่ให้มีคุณสมบัติ
พิเศษเฉพาะตามวัตถุประสงค์ของมนุษย์
Artificial recombination ไม่ผลต่อ Evolution
42
หลักการของ Genetic Engineering
1. ตัด gene/DNA ที่สนใจด้วย restriction enzyme
2. ตัด DNA พาหะ (vector) ด้วย restriction enzyme ชนิด
เดียวกัน
3. ต่อ ชิ้นส่ วนทั้งสองด้วย enzyme Ligase จะ ได้
recombinant DNA molecule ใหม่
4. นา recombinant ใส่ เข้าไปใน bacteria เพื่อเพิม่ จานวน
copy
5. นา recombinant DNA ไปวิเคราะห์ต่อจนใช้ประโยชน์ได้
43
Artificial recombinant
DNA สามารถทาให้
ถ่ายทอดได้ แต่ ยากมาก
เพราะ
คุมการถ่ายทอด
ไม่ได้
 มีปัญหาด้ านจรรยา
(Ethics)

Artificial
recombination เป็ น
ประโยชน์ปัจจุบนั มาก
การแพทย์
การเกษตร
สิง่ แวดล้ อม



44
 Artificial
Recombination ให้โทษได้ ถ้าใช้ไม่
รอบคอบ
 อาจกระทบต่อ Evolution
เริ่ มปรากฎผลกระทบต่อ
สัตว์ในธรรมชาติเมื่อมีการปลูกพืชแปลงพันธุ์
(Transgenic plants) จานวนมากเพื่อต้องการป้องกัน
แมลงศัตรู พืช แต่ ทาลายแมลงอื่นในธรรมชาติโดย
ทางอ้อม
45
ตัวอย่าง
Engineered
animals & plants
46
โปรดศึกษา lecture บทนี้ต่อใน
file ชื่อ “MechEvolution2”
47