ภาระงานที่4 ส่วนที่ 3

พื้นฐานทางโมเลกุลของการถ่ายทอดทางพันธุกรรม

ดีเอ็นเอและโครโมโซม

โครงสร้างของโมเลกุลดีเอ็นเอ เบสแต่ละคู่จับกันด้วยการสร้างพันธะไฮโดรเจนระหว่างสายดีเอ็นเอทั้งสองสาย

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e4/DNA_chemical_structure.svg/220px-DNA_chemical_structure.svg.png

          โมเลกุลที่เป็นพื้นฐานของยีนคือกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก หรือดีเอ็นเอ ประกอบขึ้นจากสายโซ่ของนิวคลีโอไทด์ซึ่งมีอยู่สี่ชนิด ได้แก่อะดีนีน (A), ไซโตซีน (C), กวานีน (G) และไทมีน (T) ข้อมูลทางพันธุกรรมอยู่ในลำดับของนิวคลีโอไทด์เหล่านี้ ส่วนยีนนั้นก็ประกอบจากลำดับนิวคลีโอไทด์และเรียงต่อกันไปในสายดีเอ็นเอ มีข้อยกเว้นเฉพาะไวรัสซึ่งไวรัสบางชนิดใช้อาร์เอ็นเอซึ่งคล้ายดีเอ็นเอมากเป็นสารพันธุกรรมแทนดีเอ็นเอ
โดยปกติดีเอ็นเอจะมีลักษณะเป็นเกลียวคู่ นิวคลีโอไทด์แต่ละตัวในสายดีเอ็นเอจะมีคู่จับเฉพาะตัวในสายดีเอ็นเออีกสาย โดย A จับคู่กับ T และ C จับคู่กับ G ดังนั้นในดีเอ็นเอสายหนึ่งๆ จะมีข้อมูลครบถ้วน ซ้ำซ้อนกับสายที่คู่กัน โครงสร้างเช่นนี้เป็นพื้นฐานทางกายภาพของการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม โดยการจำลองชุดดีเอ็นเอจะเป็นการทำซ้ำข้อมูลทางพันธุกรรมโดยแบ่งสายดีเอ็นเอทั้งสองสายออกจากกัน ซึ่งแต่ละสายจะเป็นแม่พิมพ์สำหรับสร้างสายคู่ขึ้นมาใหม่
ยีนจะเรียงต่อกันไปบนสายดีเอ็นเอ ทั้งหมดเรียกรวมว่าโครโมโซม ในแบคทีเรียนั้นโดยทั่วไปแต่ละเซลล์มีจะโครโมโซมรูปวงกลมอยู่ 1 อัน ในขณะที่สิ่งมีชีวิตซึ่งเป็นยูคารีโอต (รวมถึงพืชและสัตว์) จะมีดีเอ็นเอเรียงตัวเป็นโครโมโซมเส้นตรงหลายอัน สายดีเอ็นเอเหล่านี้ส่วนใหญ่จะยาวมาก ตัวอย่างเช่นโครโมโซมที่ยาวที่สุดของมนุษย์มีความยาวประมาณ 247 ล้านคู่เบส ดีเอ็นเอในโครโมโซมจะจับกับโปรตีนโครงร่างซึ่งจัดระเบียบและควบคุมการแสดงออกของดีเอ็นเอให้เกิดเป็นรูปร่างที่เรียกว่าโครมาติน ในเซลล์ยูคารีโอตนั้นโครมาตินมักประกอบด้วยนิวคลีโอโซม โดยส่วนของดีเอ็นเอจะวนล้อมโปรตีนฮิสโตน สารพันธุกรรมที่มีการถ่ายทอดทั้งหมดของสิ่งมีชีวิต (โดยทั่วไปคือลำดับดีเอ็นเอทั้งหมดในทุกโครโมโซม) เรียกรวมว่าจีโนม

 แผนภาพของวอลเธอร์ เฟลมมิง เขียนขึ้นเมื่อ ค.ศ. 1882 แสดงการแบ่งเซลล์ของเซลล์ยูคาริโอต มีการเพิ่มจำนวนซ้ำ การจับตัวแน่น และการเรียงตัวของโครโมโซม ทำให้เมื่อเซลล์มีการแบ่งตัว สำเนาของโครโมโซมจะแยกกันไปในเซลล์ลูกที่ได้จากการแบ่งตัว

http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B9%84%E0%B8%9F%E0%B8%A5%E0%B9%8C:Zellsubstanz-Kern-Kerntheilung.jpg

การสืบพันธุ์

             เมื่อเซลล์มีการแบ่งตัว จีโนมทั้งหมดจะถูกคัดลอกและแบ่งให้เซลล์ลูกทั้งสองเซลล์ละหนึ่งจีโนม กระบวนการเช่นนี้เรียกว่าไมโทซิส เป็นรูปแบบพื้นฐานที่สุดของการสืบพันธุ์และเป็นหลักการพื้นฐานของการสืบ พันธุ์แบบไม่อาศัยเพศ ซึ่งพบได้ทั้งในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวและหลายเซลล์ ทำให้ได้ทายาทซึ่งได้รับจีโนมมาจากรุ่นก่อนเพียงตัวเดียว ทายาทของการสืบพันธุ์แบบไม่อาศัยเพศจะมีพันธุกรรมเหมือนรุ่นก่อนทุกประการ และอาจเรียกว่าโคลน
สิ่งมีชีวิตที่เป็นยูคาริโอตมักอาศัยการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศเพื่อให้ได้ ทายาทที่มีพันธุกรรมผสมกันจากพ่อแม่ กระบวนการนี้แตกต่างกันระหว่างสิ่งมีชีวิตที่มีโครโมโซมหนึ่งชุดและชนิดที่ มีโครโมโซมสองชุด โดยเซลล์ซึ่งมีโครโมโซมชุดเดียวจะรวมกันและนำสารพันธุกรรมมารวมกันได้เป็น เซลล์ซึ่งมีโครโมโซมสองชุด ส่วนสิ่งมีชีวิตที่มีโครโมโซมสองชุดจะสร้างเซลล์ซึ่งมีโครโมโซมชุดเดียวโดย การแบ่งตัวเป็นสองเซลล์โดยไม่มีการทำซ้ำชุดดีเอ็นเอ ทำให้ได้เซลล์ลลูกซึ่งมีโครโมโซมเพียงหนึ่งในสองแบบสุ่มจากที่มีอยู่ สัตว์และพืชส่วนใหญ่มีเซลล์ที่มีโครโมโซมสองชุดเป็นส่วนใหญ่ของวงจรชีวิต โดยมีช่วงชีวิตที่เป็นเซลล์ที่มีโครโมโซมชุดเดียวเฉพาะเซลล์สืบพันธุ์ อย่างอสุจิและไข่เท่านั้น
แบคทีเรียบางชนิดมีวิธีที่จะทำให้ได้รูปแบบพันธุกรรมใหม่โดยไม่ใช้การสืบ พันธุ์แบบอาศัยเพศแบบเซลล์ที่มีโครโมโซมชุดเดียวหรือสองชุดดังกล่าวมาข้าง ต้น แต่ใช้วิธีการจับคู่เพื่อ ส่งชิ้นส่วนวงกลมดีเอ็นเอขนาดเล็กไปให้แบคทีเรียอีกตัวหนึ่ง นอกจากนี้ยังสามารถรับเอาชิ้นส่วนดีเอ็นเอที่ลอยอยู่ในสิ่งแวดล้อมเข้ามาใน จีโนมของตัวเองได้ กระบวนการนี้เรียกว่าการแปลงพันธุ์ กระบวนการเช่นนี้ทำให้เกิดการถ่ายทอดยีนในแนวราบ ซึ่งเป็นการส่งชิ้นส่วนของข้อมูลพันธุกรรมระหว่างสิ่งมีชีวิตที่ไม่ได้มีปฏิสัมพันธุ์หรือมีความเกี่ยวข้องกัน

การรวมใหม่และการเชื่อมโยง

ภาพวาด ค.ศ. 1916 ของโทมัส ฮันท์ มอร์แกน แสดงถึงการไขว้เปลี่ยนระหว่างโครโมโซม
http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B9%84%E0%B8%9F%E0%B8%A5%E0%B9%8C:Morgan_crossover_2_cropped.png

          การที่สิ่งมีชีวิตมีโครโมโซมสองชุดทำให้มีโอกาสเกิดการแยกคู่ยีนอย่างอิสระระหว่าง การสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศ ทำให้มีการรวมยีนขึ้นเป็นรูปแบบใหม่ ยีนของโครโมโซมเดียวกันนั้นทางทฤษฎีแล้วไม่อาจมารวมใหม่กันได้หากไม่มี กระบวนการไขว้เปลี่ยนระหว่างโครโมโซม ซึ่งระหว่างการไขว้เปลี่ยนนี้โครโมโซมจะมีการแลกเปลี่ยนส่วนของดีเอ็นเอซึ่งกันและกัน ทำให้มีการสับเปลี่ยนอัลลีลระหว่างโครโมโซม โดยการไขว้เปลี่ยนของโครโมโซมนี้ส่วนใหญ่เกิดระหวางการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสเพื่อให้ได้เซลล์ลูกซึ่งมีโครโมโซมหนึ่งชุด
ความน่าจะเป็นที่จะเกิดมีการไขว้เปลี่ยนของโครโมโซมระหว่างจุดสองจุดบน โครโมโซมสัมพันธ์กับระยะทางระหว่างจุดสองจุดนั้น กล่าวคือเมื่อยีนบนจุดสองจุดอยู่ห่างกันระดับหนึ่ง โอกาสของการไขว้เปลี่ยนจะมากจนถือได้ว่าการถ่ายทอดยีนนั้นไม่มีความสัมพันธ์ กันหรือมีโอกาสถูกถ่ายทอดไปด้วยกันน้อยมาก ส่วนยีนที่อยู่ใกล้กันนั้นมีโอกาสเกิดการไขว้เปลี่ยนต่ำ ลักษณะเช่นนี้เรียกว่าความเชื่อมโยงของพันธุกรรม อัลลีลของยีนทั้งสองมีโอกาสสูงที่จะถูกถ่ายทอดไปด้วยกัน ปริมาณของความเชื่อมโยงกันระหว่างยีนชุดหนึ่งสามารถนำมาสร้างเป็นแผนที่เชิง เส้นของความเชื่อมโยงซึ่งอธิบายการจัดเรียงตัวของยีนคร่าวๆ บนโครโมโซมได้

 

การแสดงออกของยีน

รหัสพันธุกรรม

รหัสจากดีเอ็นเอจะถูกถอดอกมาเป็นโปรตีนผ่านเอ็มอาร์เอ็นเอด้วยรหัสชุดสาม

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/37/Genetic_code.svg/220px-Genetic_code.svg.png

        ยีนส่วนใหญ่ทำงานโดยการแสดงออกผ่านการผลิตโปรตีนซึ่งเป็นโมเลกุลที่ซับซ้อนและทำหน้าที่ส่วนใหญ่ในเซลล์ โปรตีนประกอบจากกรดอะมิโนที่ต่อกันเป็นสายโซ่ ซึ่งลำดับของกรดอะมิโนนี้ถูกกำหนดโดยลำดับของดีเอ็นเอบนยีนที่สร้างโปรตีนนั้นๆ ออกมาผ่านตัวกลางซึ่งเป็นอาร์เอ็นเอ กระบวนการเริ่มจากการสร้างโมเลกุลอาร์เอ็นเอที่มีลำดับเบสตรงกันกับลำดับดีเอ็นเอในยีน กระบวนนี้เรียกว่าการถอดรหัส
        โมเลกุลเมสเซนเจอร์อาร์เอ็นเอนี้จะถูกใช้สร้างลำดับกรดอะมิโอที่ตรงกันผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการแปลรหัส ซึ่งนิวคลีโอไทด์ชุดละ 3 ตัวเรียกว่าโคดอนจะตรงกันกับกรดอะมิโนชนิดใดชนิดหนึ่งในยี่สิบชนิดและคำสั่งปิดท้ายลำดับกรดอะมิโน ความตรงกันนี้เรียกว่ารหัสพันธุกรรม^[36] ข้อมูลจะถูกส่งต่อในทิศทางเดียว จากลำดับนิวคลีโอไทด์ไปเป็นลำดับกรดอะมิโนของโปรีน แต่ไม่มีการส่งข้อมูลจากโปรตีนกลับมาเป็นลำดับดีเอ็นเอ กระบวนการนี้ฟรานซิส คริกเรียกว่า เซนทรัลด็อกม่าของชีววิทยาโมเลกุล

 

กรดอะมิโนที่เปลี่ยนไปเพียงตัวเดียวทำให้ฮีโมโกลบินสร้างตัวเป็นเส้นใยขึ้นได้

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/th/thumb/d/db/Sickle_cell_hemoglobin_shortened.png/170px-Sickle_cell_hemoglobin_shortened.png

           การเปลี่ยนไปของนิวคลีโอไทด์เพียงตัวเดียวในดีเอ็นเอสามารถทำให้เกิดการ เปลี่ยนแปลงของลำดับกรดอะมิโนในโปรตีนได้ จากการที่โครงสร้างโปรตีนนั้นเกิดจากลำดับกรดอะมิโน ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของลำดับกรดอะมิโนบางแบบอาจเปลี่ยนคุณสมบัติของโปรตีน นั้นๆ ได้ อาจโดยการทำให้โครงสร้างสูญเสียความเสถียรไปไม่สามารถคงรูปอยู่ได้ หรือเปลี่ยนพื้นผิวของโปรตีนทำให้มีปฏิกิริยากับโปรตีนหรือโมเลกุลอื่น เปลี่ยนแปลงไป เช่น โรคเลือดจางแบบมีเม็ดเลือดแดงรูปเคียวเป็นโรคพันธุกรรมชนิดหนึ่งในมนุษย์ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของเบสคู่เดียวในบริเวณที่มีการถอดรหัสออกมาเป็นเบตาโกลบินซึ่งเป็นส่วนประกอบของฮีโมโกลบิน ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงของกรดอะมิโนตัวหนึ่งจนสมบัติทางกายภาพของฮีโมโกลบินเปลี่ยนแปลงไป ฮีโมโกลบินในผู้ป่วยโรคนี้จะจับกันเอง ก่อตัวเป็นเส้นใย ทำให้เม็ดเลือดแดงที่มีโปรตีนที่ผิดปกตินี้มีรูปร่างเปลี่ยนแปลงไปมีรูปร่างคล้ายเคียว เม็ดเลือดแดงที่มีรูปร่างเปลี่ยนไปนี้ไหลผ่านหลอดเลือดได้ไม่ดีเท่าเม็ดเลือดแดงปกติ ทำให้มีโอกาสเกิดการอุดตันหรือแตกสลาย เกิดเป็นอาการที่สัมพันธ์กับโรคดังกล่าว

           ยีนบางตัวถอดรหัสออกมาเป็นอาร์เอ็นเอแต่ไม่มีการแปลรหัสออกมาเป็นโปรตีน อาร์เอ็นเอเหล่านี้เรียกว่าน็อน-โคดดิ้ง อาร์เอ็นเอ หรืออาร์เอ็นเอที่ไม่มีการอ่านรหัส อาร์เอ็นเอเหล่านี้บางครั้งจะจัดรูปร่างตัวเองเป็นโครงสร้างที่ทำหน้าที่สำคัญในเซลล์ เช่น ไรโบโซมอลอาร์เอ็นเอ และทรานสเฟอร์อาร์เอ็นเอ นอกจากนี้อาร์เอ็นเอยังอาจมีหน้าที่ในการควบคุมการแสดงออกทางพันธุกรรมโดยปฏิกิริยาจับตัวผสมกับอาร์เอ็นเออื่นๆ เช่น ไมโครอาร์เอ็นเอ

การควบคุมการแสดงออกของยีน

     สิ่งมีชีวิตหนึ่งๆ อาจมียีนหลายพันยีน แต่ไม่ได้แสดงออกทั้ง หมดพร้อมๆ กัน ยีนแต่ละยีนจะแสดงออกก็ต่อเมื่อกำลังมีการถอดรหัสเป็นเอ็มอาร์เอ็นเอเท่า นั้น โดยมีกระบวนการทางเซลล์ในการควบคุมการแสดงออกของยีนอยู่หลายวิธีเพื่อให้มี การผลิตโปรตีนเมื่อเซลล์ต้องการใช้โปรตีนนั้นๆ เท่านั้น ปัจจัยการถอดรหัสหรือทรานสคริปชันแฟคเตอร์เป็นโปรตีนควบคุมซึ่งจับกับตำแหน่งเริ่มต้นของยีน ทำหน้าที่กระตุ้นหรือยับยั้งการถอดรหัสยีนนั้นๆ^[44] ตัวอย่างเช่น ในจีโนมของ Escherichia coli มียีนจำนวนหนึ่งซึ่งจำเป็นในการสังเคราะห์กรดอะมิโนทริปโตเฟน แต่ในสภาพแวดล้อมที่มีทริปโตเฟนเพียง พออยู่แล้ว ยีนซึ่งช่วยในการสังเคราะห์ทริปโตเฟนนี้ก็ไม่มีความจำเป็น การมีทริปโตเฟนจะส่งผลต่อการทำหน้าที่ของยีนโดยตรงโดนโมเลกุลของทริปโตเฟนจะ จับกับทริปโตเฟนรีเพรสเซอร์ซึ่ง เป็นทรานสคริปชันแฟกเตอร์ตัวหนึ่ง ทำให้โครงสร้างของรีเพรสเซอร์แปลี่ยนแปลงไปจนไปจับกับยีน ยับยั้งการถอดรหัสและการแสดงออกของยีนนั้นๆ ถือเป็นการควบคุมโดยการป้อนกลับทางลบของกระบวนการสังเคราะห์กรดอะมิโนทริปโตเฟน

 

ทรานสคริปชันแฟกเตอร์จับกับดีเอ็นเอ ส่งผลต่อการถอดรหัสของยีนนั้นๆ

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/79/Zinc_finger_DNA_complex.png/170px-Zinc_finger_DNA_complex.png

          ความแตกต่างในการแสดงออกของยีนนั้นเห็นได้ชัดเจนในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ ซึ่งทุกเซลล์ของสิ่งมีชีวิตนั้นๆ มีจีโนมที่เหมือนกันแต่ตัวเซลล์กลับมีโครงสร้างและหน้าที่ที่แตกต่างกัน เนื่องจากมีการแสดงออกของยีนคนละชุดกัน เซลล์ทุกเซลล์ของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์มาจากเซลล์ตั้งต้นเพียงเซลล์เดียวซึ่ง เจริญเป็นเซลล์ชนิดต่างๆ หลากหลายตามการตอบสนองต่อสัญญาณภายในเซลล์และ ค่อยๆ สร้างรูปแบบการควบคุมการแสดงออกของยีนที่แตกต่างกันเพื่อให้มีหน้าที่ของ เซลล์ต่างๆ กัน ทั้งนี้ไม่มียีนเดี่ยวๆ ยีนใดยีนหนึ่งที่รับผิดชอบการเจริญเป็นโครงสร้างของเซลล์ของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ แต่เป็นรูปแบบที่เกิดจากปฏิกิริยาอันซับซ้อนของเซลล์และยีนจำนวนมาก
           ในเซลล์ยูคาริโอตจะมีความพิเศษของโครงสร้างโครมาตินซึ่ง มีส่วนในการควบคุมการถอดรหัสยีน ซึ่งส่วนใหญ่อาศัยการเปลี่ยนแปลงของดีเอ็นเอและโครมาตินที่อยู่ในภาวะเสถียร และสามารถถ่ายทอดไปยังเซลล์ลูกได้ ลักษณะเช่นนี้เรียกว่าการควบคุมแบบ "เหนือพันธุกรรม" เนื่องจากเป็นการควบคุมที่อยู่นอกเหนือลำดับดีเอ็นเอและสามารถถ่ายทอดจาก เซลล์รุ่นหนึ่งไปสู่อีกรุ่นหนึ่ง จากลักษณะเหนือพันธุกรรมเช่นนี้เองทำให้เซลล์ต่างชนิดกันที่เพาะเลี้ยงใน อาหารเพาะเลี้ยงสามารถคงคุณสมบัติที่แตกต่างกันเอาไว้ได้ แม้ลักษณะเหนือพันธุกรรมเช่นนี้มักมีการเปลี่ยนแปลงไปในแต่ละช่วงของการ พัฒนา แต่ลักษณะบางอย่างเช่นปรากฏการณ์การกลายพันธุ์ข้างเคียงก็มีการถ่ายทอดข้ามรุ่นได้และถือเป็นข้อยกเว้นของกฎทั่วๆ ไปในการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมของดีเอ็นเอ ซึ่งมีอยู่ไม่มากนัก

 คำถาม

1.โมเลกุลที่เป็นพื้นฐานของยีนคืออะไร และประกอบขึ้นจากอะไรบ้าง 

2.จงอธิบายความหมายของคำว่า โคลน

3.ยีนส่วนใหญ่ทำงานโดยการแสดงออกผ่านการผลิตอะไร  และทำหน้าที่อะไร