โครงสร้างของ DNA

1. โครงสร้างของ DNA เมื่อสังเกตสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งๆ นักเรียนจะพบว่าลูกหลานมีลักษณะที่ไม่เหมือนกันทีเดียว มีบางลักษณะที่แตกต่างกันไปบ้าง และสามารถถ่ายทอดลักษณะนั้นๆ ไปยังลูกหลานรุ่นต่อๆไปได้ จึงอาจเป็นไปได้ว่ายีนหรือ DNA มีการเปลี่ยนแปลง นักพันธุศาสตร์เรียกการเปลี่ยนแปลงลำดับและจำนวนของเบสใน DNA และการเปลี่ยนแปลงที่เกิดกับโครโมโซมที่มีผลทำให้ลักษณะหรือฟีโนไทป์ของสิ่งมีชีวิตเปลี่ยนไป และสามารถถ่ายทอดลักษณะไปยังรุ่นต่อๆไปได้นี้ว่า การกลายหรือ มิวเทชัน (mutation)

2. โรคโลหิตจากชนิดซิกเคิลเซลล์ เป็นตัวอย่างของโรคพันธุกรรมที่มีผลมาจากการเกิดมาเทชัน โดยปกติ DNA โมเลกุลใหม่ที่มีลำดับการเรียงตัวของเบสและจำนวนของเบสเหมือน DNA โมเลกุลเดิมทุกประการ แต่ในบางครั้งการจำลองตัวเองของ DNA จะเปลี่ยนแปลงไปจากเดิมได้หลายลักษณะ เช่น เบสเปลี่ยนจากชนิดเดิมเป็นเบสชนิดอื่น นิวคลีโอไทด์ขาดหายไป นิวคลีโอไทด์มีจำนวนเพิ่มมากขึ้น หรือลำดับของนิวคลีโอไทด์ เปลี่ยนไป เป็นต้น การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเป็น มิวเทชันเฉพาะที่ (point mutation) มีผลทำให้รหัสพันธุกรรมเปลี่ยนไปจากเดิม ลำดับและชนิดของกรดอะมิโนหลังจากตำแหน่งนี้ไปจะเปลี่ยนไปด้วย สมบัติของโปรตีนหรือพอลิเพปไทด์ที่สังเคราะห์ขึ้นจึงแตกต่างไปจากเดิม

3. การเกิดมิวเทชันเฉพาะที่การเกิดมิวเทชันเฉพาะที่

4. การเกิดเฉพาะที่ในบริเวณ DNA ที่เป็นตำแหน่งของยีน สามารถจัดได้ 2 ประเภท คือ 1. การแทนที่คู่เบส (base-pair substritution) การเกิดมิวเทชันในลักษณะเช่นนี้ อาจมีผลต่อการแสดงของลักษณะทางพันธุกรรมหรือไม่ก็ได้ เนื่องจากโคดอนหลายชนิดเป็นรหัสของกรดอะมิโนชนิดเดียวกันได้ เช่น CUU CUC CUA และ CUG หากมีการเกิดมิวเทชันเฉพาะที่ ที่มีการเปลี่ยน รหัส CUC ซึ่งเป็นรหัสของลิวซีน ให้กลายเป็น CUG การเกิด มิเทชันดังกล่าวย่อยไม่มีผลต่อลักษณะของสิ่งมีชีวิตนั้น เพราะยังมีการสร้างสายพอลิเพปไทด์ที่มีลำดับกรดอะมิโนเช่นเดิม                    - ถ้า mRNA ที่มีลำดับเบสเป็น CUU UCU ACA AAA เกิดมิวเทชันเฉพาะที่เป็น UUU UCU ACA AAA จะมีผลอย่างไรในระดับพอลิเพปไทด์และลักษณะของสิ่งมีชีวิต

5. การเกิดมิวเทชันเฉพาะที่แบการแทนที่คู่เบส เมื่อเกิดการแทนที่ของคู่เบสแล้ว มีผลทำให้รหัสพันธุกรรมเปลี่ยนไปเป็นรหัสพันธุกรรมของกรดอะมิโนต่างชนิดกัน ก็จะทำให้ได้สายพอลิเพปไทด์ที่มีลำดับของกรดอะมิ-โนแตกต่างไป การเปลี่ยนแปลงของลำดับกรดอะมิโนที่เกิดขึ้นนี้ หากบริเวณดังกล่าวมีความสำคัญต่อการเกิดรูปร่างของโปรตีน หรือ มีความจำเพาะต่อการทำงานของโปรตีนชนิดนั้น ย่อมมีผลต่อฟีโนไทป์ของสิ่งมีชีวิตนั้น ตัวอย่างเช่น สาเหตุหนึ่งของการเกิดโรคโลหิตจาก แบบซิกเคิลเซลล์ที่กล่าวขึ้นข้างต้น มีการเกิดมิวเทชันเฉพาะที่ที่โคดอน ที่เป็นรหัสพันุกรรมของกรดอะมิโนตำแหน่งที่ 6 ของสายบิตาสายหนึ่งของฮีโมโกลบิน

6. การเกิดมิวเทชันเฉพาะที่แบบการแทนที่ของคู่เบสการเกิดมิวเทชันเฉพาะที่แบบการแทนที่ของคู่เบส

7. อย่างไรก็ดี หากการเกิดการแทนที่ของเบสในบริเวณโคดอนที่ ไม่เกี่ยวข้องกับบริเวณที่จำเพาะต่อโปรตีนชนิดนั้น หรือเมื่อมีการแทนที่กรดอะมิโนชนิดใหม่ มีสมบัติใกล้เคียงกับชนิดเดิมก็อาจไม่มีผลต่อการทำงานของโปรตีนนั้น - นักเรียนคิดว่าการเกิดมิวเทชันแบบการแทนที่ของคู่เบสทำให้เกิดผลเสียเสมอไปหรือไม่ เพราะเหตุใด การเกิดมิวเทชันแบบการแทนที่ของคู่เบสอาจจะทำให้การสร้างสายพอลิเพปไทด์สั้นลง เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเป็นการแทนที่ ของคู่เบส แล้วได้เป็นรหัสหยุดของการแปลรหัส ซึ่งการเกิดมิวเทชัน ในกรณีแทบทุกกรณีจะได้โปรตีนที่ไม่สามารถทำงานได้

8. 2. การเพิ่มขึ้นของนิวคลีโอไทด์ (insertion) หรือการขาดหายไปของนิวคลีโอไทด์ (deletion) การเกิดมิวเทชันนี้เป็นการที่มีการเพิ่มขึ้นของคู่นิวคลีโอไทด์ หรือการขาดหายไปของคู่นิวคลีโอไทด์ในบางตำแหน่งของยีน การเกิดมิวเทชันในลักษณะนี้ 1-2 นิวคลีโอไทด์มักมีการเปลี่ยนแปลงในหารทำงานของพอลิ-เพปไทด์อย่างชัดเจนเนื่องจาก การเพิ่มขึ้น หรือลดลงของนิวคลีโอไทด์ในบริเวณที่เป็นโคดอน 1-2 นิวคลีดอไทด์ จะมีผลทำให้ลำดับกรดอะมิโนตั้งแต่ตำแหน่งที่มีการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของโคดอนเปลี่ยนไปทั้งหมด เรียกการเกิดมิวเทชันเช่นนี้ว่า เฟรมชิฟท์มิวเทชัน (frameshift mutation)

9. การเกิดเฟรมชิฟท์มิวเทชันการเกิดเฟรมชิฟท์มิวเทชัน

10. - ถ้าการเกิดเพิ่มขึ้น หรือขาดหายไปบริเวณที่เป็นโคดอน 3 นิวคลีโอไทด์ จะเกิดความผิดปกติอย่างไร ปัญหาที่น่าสนใจต่อไปก็คือมิวเทชันที่ทำให้เกิดลักษณะนี้สามารถถ่ายทอดต่อไปได้หรือไม่ และอะไรเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดมิวเทชัน จากการศึกษาพบว่ามิวเทชันเกิดขึ้นได้ทั้งในเซลล์ร่างกาย และเซลล์สืบพันธุ์ ซึ่งจะถ่ายทอดลักษณะต่อไปหรือไม่ก็ได้ ถ้ามิวเทชันเกิดขึ้นที่เซลล์สืบพันธุ์ ยีนที่เกิดมิวเทชันจะสามารถส่งต่อไปยังลูกหลานได้โดยตรง แต่หากเกิดกับเซลล์ร่างกายก็ขึ้นอยู่กับเซลล์ร่างกายนั้นจะมีการพัฒนาให้เกิดการสืบพันธุ์ได้หรือไม่ เช่น ในกรณีของพืชหากเกิดการมิวเทชันที่เซลล์เนื้อเยื่อบริเวณตาข้าง ซึ่งเป็นเซลล์ร่างกายก็จะทำให้กิ่งที่เจริญขึ้นมาใหม่มีลักษณะต่างไปจากเดิม ถ้านำกิ่งนั้นไปปักชำหรือขยายพันธุ์ ก็จะได้พืชที่มีลักษณะพันธุกรรมต่างไปจากเดิมและหากมีการสร้างดอกหรือติดผลได ลักษณะดังกล่าวก็จะสามารถถ่ายทอดไปยังรุ่นลูกหลานได้ แต่หากเกิดกับเซลล์รากโอกาสที่จะถ่ายทอดไปยังรุ่นต่อไปจะลดลง

11. มิวเทชันที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเกิดขึ้นในอัตราต่ำมากแต่มิวเทชันที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเกิดขึ้นในอัตราต่ำมากแต่ มิวเทชันเกิดจากการชักนำโดยมนุษย์ซึ่งทำให้เกิดมิวเทชันในอัตราสูง สิ่งที่สามารถกระตุ้นหรือชักนำให้เกิดมิวเทชัน เรียกว่า สิ่งก่อกลายพันธุ์หรือ มิวทาเจน (mutagen) เช่น รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา รังสีอัลตราไวโอเลต และสารเคมี เช่น ควันบุหรี่ สารที่สร้างจากราที่ปนเปื้อนในอาหาร อะฟลาทอกวิน ได้มีการพิสูจน์แล้วว่าเป็นสิ่งก่อกลายพันธุ์ก่อให้เกิดมะเร็งได้ เนื่องจากมิวเทชันที่เกิดกับเซลล์ร่างกาย แล้วทำให้เกิดการแบ่งเซลล์ผิดปกติ จะเป็นจุดเริ่มต้นของการเกิดมะเร็งดังนั้นมิวทาเจนหลายชนิดจึงเป็น สารก่อมะเร็ง (cacinogen)

12. ปัจจุบันการชักนำให้เกิดมิวเทชันเฉพาะที่ ถูกนำไปใช้ประโยชน์ในการศึกษาพัฒนาของสิ่งมีชีวิตหลายชนิด เช่น ยีสต์ แมลงหวี่ หนอนตัวกลม และอะราบิดอพซิส(Arabidopsis sp.) ซึ่งเป็นพืชชนิดหนึ่งในวงศ์ผักกาด เพราะการทำให้เกิดมิวเทชันเฉพาะที่เป็นการยับยั้งการทำงานของโปรตีนบางชนิด การสังเกตผลของการขาดการทำงานของโปรตีนนั้นๆ จะทำให้สามารถวิเคราะห์ถึงบทบาทหน้าที่ของโปรตีนชนิดนั้นๆได้

13. อะราบิดอพซิสArabidopsis thaliana L. เป็นพืชที่นักวิทยาศาสตร์จากสหรัฐอเมริกา สหภาพยุโรป และญี่ปุ่น ตกลงกันให้เป็นพืชต้นแบบในการจัดทำแผนที่พันธุกรรมและหาลำดับเบสสำเร็จเป็นครั้งแรก เนื่องจากเป็นพืชที่มีลักษณะเหมาะสมในการศึกษา คือ เป็นพืชดอกขนาดเล็ก เจริญเติบโตเร็ว วัฏจักรชีวิตสั้น มีขนาดจีโนมประมาณ 120 ล้านคู่เบส ซึ่งการศึกษาต่อไป จะตรวจสอบหน้าที่ของโปรตีนแต่ละชนิดเพื่อนำข้อมูลเหล่านี้ไปเป็นพื้นฐานในการศึกษาและปรับปรุงพืชพันธุ์ชนิดอื่นให้มีลักษณะตามที่ต้องการได้ต่อไป

14. - เราสามารถสังเกตมิวเทชันที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ด้วยกล้องจุลทรรศน์ได้หรือไม่ หากการเกิดมิวเทชันเป็นแบบการเกิดเฉพาะที่ ย่อมจะเป็นการยากที่จะสังเกตการณ์เปลี่ยนแปลงของยีน โดยใช้กล้องจุลทรรศน์และ สีย้อมโครโมโซม แต่หากมิวเทชันที่เกิดขึ้นมีการเปลี่ยนแปลงที่ชัดเจน ในระดับโครโมโซมก็จะสังเกตได้ง่ายขึ้น สิ่งก่อกลายพันธุ์ทั้งที่เป็นรังสีและสารเคมี รวมทั้งความผิดพลาดที่เกิดขณะมีการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส สามารถทำให้เกิดมิวเทชัน ในระดับโครโมโซมได้ ดังตัวอย่างของโรคที่เกิดขึ้นจากความผิดปกติ ของโครโมโซม ต่อไปนี้

15. กลุ่มอาการคริดูซาต์ เอื้อเฟื้อภาพโดย นพ. วรศักดิ์ โชติเลอศักดิ์ ภาควิชากุมารเวชศาสตร์ คณะแพทยศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

16. จะเห็นได้ว่ากลุ่มอาการคริดูชาต์(criduchat) เป็นโรคที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโครโมโซม มีความผิดปกติที่เกิดกับส่วนของแขนสั้นของโครโมโซมคู่ที่ 5 ขาดหายไป พบประมาณ 1 ต่อ 50,000 ของเด็กแรกเกิด พบในเด็กหญิงมากกว่าเด็กชาย ในอัตราส่วน 2 ต่อ 1 มีลักษณะผิดปกติ คือ ศีรษะเล็ก ใบหน้ากลม ตาเล็กอยู่ห่างกัน และเฉียง ดั้งจมูกแบน ใบหูอยู่ต่ำกว่าปกติ เส้นสายเสียง (vocal cord) ผิดปกติ ทำให้เสียงเล็กแหลมคล้ายเสียงร้องของแมว ปัญญาอ่อน อาจมีชีวิตอยู่ได้จนถึงเป็นผู้ใหญ่ มิวเทชันระดับโครงสร้างของโครโมโซมเป็นความผิดปกติจากการหักของโครโมโซม อาจจะเป็นส่วนปลายหรือส่วนกลางของแท่งโครโมโซมก็ได้ ส่วนปลายที่หักจะเหนียวอาจต่อกับตำแหน่งเดิมทำให้โครโมโซมนั้นปกติ หรือไม่มีการต่อกับโครโมโซมเดิม ชิ้นส่วนโครโมโซมที่หักนั้นเกิดขึ้นได้หลายลักษณะ

17. การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโครโมโซมการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโครโมโซม

18. การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโครโมโซมเกิดขึ้นการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโครโมโซมเกิดขึ้น ทั้งที่จำนวนโครโมโซมยังมีเท่าเดิม แต่ส่วนของโครโมโซม จะเปลี่ยนไปคือมีส่วนของโครโมโซมลดลงหรือเพิ่มขึ้น หรือมีการเรียงตัวของนิวคลีโอไทด์สลับตำแหน่งกันหรือเปลี่ยนที่ไปจากเดิม มีผลทำให้ลักษณะของสิ่งมีชีวิตเปลี่ยนแปลงไป กลุ่มอาการดาวน์ เอื้อเฟื้อภาพโดย นพ.วรศักดิ์ โชติเลอศักดิ์ ภาควิชากุมารเวชศาสตร์ คณะแพทยศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

19. กลุ่มอาการดาวน์ (Down syndrome) เกิดจากจำนวนโครโมโซม คู่ที่ 21 เกินมา 1 แท่ง เป็น 47 โครโมโซม มีลักษณะที่ผิดปกติ คือ รูปร่างเตี้ย ตาห่าง หางตาชี้ขึ้น ลิ้นโตคับปาก คอสั้นกว้าง นิ้วมือนิ้วเท้าสั้น ลายนิ้วมือผิดปกติ ปัญญาอ่อน จากสถิติพบว่าแม่ที่มีอายุ 45 ปี มีโอกาสเสี่ยงในการมีบุตรที่เป็นโรคนี้มากกว่าแม่ที่มีอายุ 20 ปี ประมาณ 50-60 เท่า

20. การเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซมมักจะเกิดขึ้นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซมมักจะเกิดขึ้นเมื่อมี การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสผิดปกติ โดยฮอมอโลกัสโครโมโซม จะไม่แยกออกจากกันในระยะแอนาเฟสของไมโอซิสI หรือไมโอซิสII โครโมโซมจึงเคลื่อนย้ายไปยังขั้วเดียวกันของเซลล์ เรียกกระบวนการนี้ว่า นอนดิสจังชัน(non-disjunction) เซลล์สืบพันธุ์จึงมีจำนวนโครโมโซมขาดหรือเกิน มาจากจำนวนปกติ เมื่อเซลล์สืบพันธุ์ที่ผิดปกตินี้ปฏิสนธิกับเซลล์สืบพันธุ์ที่ปกติจากพ่อหรือแม่ ก็จะได้ไซโกตที่มีจำนวนโครโมโซมผิดปกติ ซึ่งจะมีผลกระทบต่อการเจริญเติบโตของเอ็มบริโอ ในลักษณะต่างๆกัน

21. การเกิดนอนดิสจังชันของออโทโซมเมื่อแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส การเกิดนอนดิสจังชันของออโทโซมเมื่อแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส

22. การเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซมเกิดขึ้นได้ 2 แบบ คือ จำนวนเพิ่มขึ้นหรือลดลง พบได้ทั้งออโทโซมและโครโมโซมเพศ ตัวอย่างของโรคพันธุกรรมที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซม กลุ่มอาการ (syndrome) ที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซมในคน

24. พอลิพลอยด์ในพืชเกิดได้ 2 แบบ คือ ออโตพอลิพลอยด์(autopolyploid) หมายถึงสิ่งมีชีวิตที่มีจำนวนดครโมโซมเหมือนกับ พันธุ์พ่อแม่ เช่น ออโตทริพลอยด์มีดครโมโซมเป็น AAA. และ อัลโลพอลิพลอยด์(allopolyploid) หมายถึงสิ่งมีชีวิตที่มีจำนวนชุดโครโมโซมต่างจากสปีชีส์กันส่วนใหญ่เกิดการเพิ่มจำนวนชุดเป็น 2 เท่า มีโครโมโซมเป็น AABB พืชที่ได้รับการปรับปรุงพันธุ์เพื่อการใช้ประโยชน์บางชนิด เป็นพืชที่เป็น อัลโลพอลิพลอยด์ เพราะมีลักษณะของสปีชีส์ต่างๆที่ต้องการ เช่น Triticale sp.

25. การเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซมเป็นชุดจากจำนวนดิพลอยด์ สิ่งมีชีวิตที่มีจำนวนโครโมโซมมากกว่า 2 ชุด เรียกว่า พอลิพลอยด์ (polyploidy) ส่วนใหญ่เกิดจากการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสผิดปกติจากปรากฏการณ์นอดิสจังชัน ทำให้เซลล์สืบพันธุ์มีโครโมโซม 2 ชุด หรือ ดิพลอยด์ พอลิพลอยด์พบได้ทั้งในพืชและสัตว์ ส่วนใหญ่พบในพืช ทำให้พืชมีขนาดใหญ่กว่าพวกดิพลอยด์ เช่น ขนาดของดอกหรือผล นอกจากนี้ยังมีผลผลิตหรือมีการสร้างสารบางอย่างเพิ่มขึ้น เช่น ข้าวโพดพันธุ์ 4n มีวิตามินสูงกว่าพันธุ์ 2n ยาสูบพันธุ์ 4n มีสารนิโคตินสูงกว่าพันธุ์ 2n เป็นต้น พืชที่เป็นพอลิพลอยด์เลขคู่ ได้แก่ 4n 6n 8n สามารถสืบพันธุ์และถ่ายทอดพันธุกรรมต่อไปได้ แต่พืชที่เป็นพอลิพลอยด์เลขคี่ ได้แก่ 3n 5n 7n มักเป็นหมัน จึงนำมาใช้ประโยชน์ในการผสมสายพันธุ์เพื่อให้ได้พืชที่ไม่มีเมล็ด เช่น แตงโม องุ่น เป็นต้น

26. พอลิพลอยด์ในสัตว์พบน้อยกว่าในพืช สำหรับการเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซมในคน ส่วนใหญ่เป็นการเพิ่มขึ้นหรือลดลงเป็นจำนวนแท่ง ทำให้อายุสั้น พิการทางร่างกายหรือสมอง ส่วนพอลิพลอยด์จะพบได้น้อยเพราะมีผลกระทบที่รุนแรงทำให้เอ็มบริโอเสียชีวิตตั้งแต่อยู่ในครรภ์มารดา

27. อย่างไรก็ตามการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและจำนวนของโครโมโซมจำเป็นต้องอยู่ในขอบเขตที่จำกัด จึงจะทำให้สิ่งมีชีวิตนั้นอยู่รอดได้ ถ้าการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นมากเกินไปก็จะทำให้สิ่งมีชีวิตถึงตายได้ บางครั้งการเรียงตัวแบบใหม่ อาจทำให้การดำรงชีวิตดีกว่าเรียงตัวของยีนแบบเดิม และสามารถ่ายทอดไปยังรุ่นต่อๆไปได้ มีผลทำให้เกิดวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตชนิดนั้นๆ ความผิดปกติของโครโมโซม บางครั้งเมื่อเกิดขึ้นแล้วจะเกิดผลเสียแต่ก็ไม้ทำให้ถึงตาย ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับโครโมโซมและ DNA จึงมีผลทำให้ลักษณะของสิ่งมีชีวิตแตกต่างกันไป แต่หากเกิดการเปลี่ยนแปลงทาพันธุกรรมและให้เป็นผลลบ เช่น การเกิดโรคทางพันธุกรรมกับมนุษย์จะสร้างปัญหาทางด้านจิตใจ เศรษฐกิจ และสังคมเป็นอย่างมาก อย่างไรก็ดีความหลากหลายของยีนที่เกิดจากมิวเทชันทำให้เกิดการแปรผันทางพันธุกรรม จึงทำให้ลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตเปลี่ยนแปลง เกิดสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆอย่างหลากหลาย ซึ่งเป็นต้นเหตุ ที่นำไปสู่การเกิดวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตต่อไปในอนาคต