ยีนและโครโมโซม

พ.ศ. 2427 นักวิทยาศาสตร์พบว่าฮิสโตนเป็นโปรตีนที่มีองค์ประกอบ ส่วนใหญ่เป็นกรดอะมิโนที่มีประจุบวก (basic amino acid) เช่น ไลซีน และ อาร์จีนีน สมบัติในการเกาะจับกับสาย DNA ซึ่งมีประจุลบ ทำให้เกิดการสร้างสมดุลของประจุ (neutralize) ของโครมาทินด้วยสาย DNA พันรอบกลุ่มโปรตีนฮิสโตนคล้ายเม็ดลูกปัด เรียกโครงสร้างนี้ว่า นิวคลีโอโซม (nucleosome)

Nucleosome

รูปร่างของโครโมโซม สามารถจำแนกตามรูปร่างลักษณะ ขนาด และตำแหน่งของเซนโทรเมียร์ ที่แตกต่างกัน ได้ดังนี้ Metacentric chromosome คือ โครโมโซมที่จุดเซนโทรเมียร์อยู่ตรงกลาง และแขนทั้งสองข้างยาวเท่ากัน Submetacentric chromosome คือ โครโมโซมที่จุด เซนโทรเมียร์อยู่ค่อนไปทางใดทางหนึ่ง Acrocentric chromosome คือ โครโมโซมที่จุดเซนโทรเมียร์อยู่ใกล้ปลายสุดทางใดทางหนึ่ง Telocentric chromosome คือ โครโมโซมที่จุดเซนโทรเมียร์อยู่ตรงปลายสุดทางใดทางหนึ่ง

กรดนิวคลีอิก (Nucleic acid) ประกอบด้วย กรดนิวคลีอิก 2 ชนิด (1) DNA (deoxyribonucleic acid) (2) RNA (Ribonucleic acid) กรดนิวคลีอิก ประกอบด้วย polynucleotide ซึ่งเป็นการเชื่อมต่อด้วยนิวคลีโอไทด์ (nucleotide) หลายชนิด Nucleotide แต่ละอัน ประกอบด้วย - หมู่ฟอสเฟต (phosphate) - น้ำตาลเพนโทส (pentose) - ไนโตรจีนัสเบส (nitrogenous base)

น้ำตาลเพนโทส มี 2 ชนิด ได้แก่ PENTOSE น้ำตาลเพนโทส มี 2 ชนิด ได้แก่ - Ribose มีคาร์บอน 5 อะตอม และพบใน RNA เท่านั้น จึงเรียก กรดนิวคลีอิกชนิดนี้ว่า Ribonucleic acid - Deoxyribose เป็นน้ำตาลที่คล้ายกับพวกแรกต่างกันที่ ขาด Oxygen หนึ่งโมเลกุล (ที่คาร์บอนตัวที่ 2’) น้ำตาลพวกนี้พบใน DNA เท่านั้นจึงเรียกชื่อกรดนิวคลีอิก นี้ว่า Deoxyribonucleic acid

เบส (base) Pyrimidine base (one ring base) มีสองชนิด (1) thymine (T) พบใน DNA เท่านั้นส่วนใน RNA จะพบ uracil (U) ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายกับ thymine (2) cytosine (C) 2. Purine two ring base มีสองชนิด คือ (1) Adinine (A) (2) Guanine (G)

DNA (Deoxyribonucleic acid) องค์ประกอบ - deoxyribose sugar - Base (1) pyrimidine (thymine ;T, cytosine; C) (2) purine (adinine: A, guanine; G) - phosphoric acid, phosphate

กฎของชาร์กาฟฟ์ (Chargaff s’ Rule) จากการวิเคราะห์ DNA พบว่ามีส่วนประกอบที่สำคัญ 3 ประการ (1) DNA ไม่ว่าสิ่งที่มีชีวิตชนิดใด จะมีอัตราส่วน purine และ Pyrimidine เท่ากันเสมอ (A+G = T+C) (2) ปริมาณของ adenine = thymine, (A=T), Guanine=cytosine (G=C) (3) อัตราส่วน A+T/G+C จะไม่คงที่ในสิ่งมีชีวิตทั่วไป

เปอร์เซ็นต์ของเบสใน DNA ของสิ่งมีชีวิตต่างๆ (ที่มา; ไพศาล, 2525) สัตว์/พืช purine pyrimidine A+G/C+T A G C T คน หนู ข้าวสาลี ยีสต์ 31.0 28.7 32.8 31.1 19.1 22.2 17.7 18.7 18.4 22.0 17.4 17.1 31.5 27.2 32.1 32.9 1.00 1.03 1.02

การศึกษาโครงสร้างของ DNA ปี พ.ศ. 2493 – 2494 เอ็ม เอช เอฟ วิลคินส์ (M. H.F Wilkins) และโรซาลินด์ แฟรงคลิน (Rosalind Franklin) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ศึกษาโครงสร้างของ DNA โดยใช้เทคนิค เอกซ์เรย์ดิฟแฟรกชัน (X-ray diffraction) ด้วยการฉายรังสีเอกซ์ผ่านผลึก DNA การหักเหของรังสีเอกซ์ทำให้เกิดภาพบนแผ่นฟิล์ม ได้ภาพถ่ายที่ชัดเจนมาก

เอกซ์เรย์ดิฟแฟรกชัน (X-ray diffraction)

ปี พ.ศ. 2496 เจ ดี วอตสัน (J.D. Watson) นักชีวเคมีชาวอเมริกัน และ เอฟ คริก (F. Crick) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ได้เสนอแบบจำลองโครงสร้างโมเลกุลของ DNA ที่สมบูรณ์ที่สุด

Figure 16.1 How was the structure of DNA determined?

Nucleotide

Sugar–phosphate backbone 5 end Sugar (deoxyribose) 3 end Nitrogenous bases Thymine (T) Adenine (A) Figure 16.5 The structure of a DNA strand Cytosine (C) Phosphate DNA nucleotide Sugar (deoxyribose) 3 end Guanine (G)

The structure of part of a DNA double helix ที่มา : http://en.wikipedia.org/wiki/Image:DNA_Overview.png

Image:DNA chemical structure ที่มา : http://en.wikipedia.org/wiki/Image:DNA_chemical_structure.svg

5 end Hydrogen bond 3 end 1 nm 3.4 nm 3 end 0.34 nm 5 end Figure 16.7 The double helix 3 end 0.34 nm 5 end (a) Key features of DNA structure (b) Partial chemical structure

Sugar-phosphate backbone Nitrogenous bases G C Sugar-phosphate backbone C G A T C G Hydrogen bond T A

Overall directions of replication Fig. 16-15a Overview Origin of replication Leading strand Lagging strand Primer Lagging strand Leading strand Figure 16.15 Synthesis of the leading strand during DNA replication Overall directions of replication

Fig. 16-15b Origin of replication 3 5 RNA primer 5 “Sliding clamp” DNA pol III Parental DNA 3 5 Figure 16.15 Synthesis of the leading strand during DNA replication 5 3 5

Animation: Lagging Strand To elongate the other new strand, called the lagging strand, DNA polymerase must work in the direction away from the replication fork The lagging strand is synthesized as a series of segments called Okazaki fragments, which are joined together by DNA ligase Animation: Lagging Strand Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Overall directions of replication Fig. 16-16 Overview Origin of replication Leading strand Lagging strand Lagging strand 2 1 Leading strand Overall directions of replication 3 5 5 3 Template strand 3 RNA primer 3 5 1 5 Okazaki fragment 3 5 3 1 5 5 3 3 Figure 16.6 Synthesis of the lagging strand 2 1 5 3 5 3 5 2 1 5 3 3 1 5 2 Overall direction of replication

Overall directions of replication Fig. 16-16a Overview Origin of replication Leading strand Lagging strand Lagging strand 2 1 Leading strand Figure 16.6 Synthesis of the lagging strand Overall directions of replication

Fig. 16-16b6 Figure 16.6 Synthesis of the lagging strand 3 5 5 3 Template strand 3 5 RNA primer 3 1 5 3 Okazaki fragment 5 3 5 1 3 5 3 2 1 5 5 3 Figure 16.6 Synthesis of the lagging strand 3 5 2 1 5 3 3 1 5 2 Overall direction of replication

Fig. 16-UN5

บิดาแห่งวิชาพันธุศาสตร์

ปลูกง่าย อายุสั้น มีเมล็ดมาก มีการถ่ายละอองเรณูในดอก เดียวกัน มีลักษณะของ ลำต้น ดอก ฝัก และเมล็ดแตกต่างกัน อย่างชัดเจน

การทดลองของเมนเดล นำลักษณะที่แตกต่างกันมาผสมกัน แล้วเก็บเมล็ดไว้ นำเมล็ดมาปลูกเป็นรุ่นที่ 1 สังเกตลักษณะของลูกที่เกิดขึ้น นับจำนวน บันทึกผล ปล่อยให้ผสมกันเอง เก็บเมล็ด นำเมล็ดมาปลูก เป็นรุ่นที่ 2 บันทึกผล สรุปผลเป็นกฏเมนเดล 2 ข้อ

กฏแห่งการแยกตัว Law of segregation กฎข้อที่ 1 ของเมนเดล มีใจความว่า “ ยีนแต่ละคู่ที่ควบคุมแต่ละลักษณะทางพันธุกรรม ของสิ่งมีชีวิต จะแยกตัวจากกันเป็นอิสระไปสู่เซลล์สืบพันธุ์แต่ละเซลล์ ” ในเซลล์สืบพันธุ์แต่ละยีนจะมียีนเดียว เมื่อเซลล์สืบพันธุ์ผสมกันเป็นเซลล์ร่างกาย ยีนจึงจะจับเป็นคู่ขึ้นใหม่

กฎแห่งการรวมกลุ่มอย่างอิสระ (Law of independent assortment) กฎข้อที่ 2 ของเมนเดล กฎแห่งการรวมกลุ่มอย่างอิสระ (Law of independent assortment) มีใจความว่า “ ในการสร้างเซลล์สืบพันธุ์ จะมีการรวมกลุ่มของหน่วยควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม (ยีนเดียวของทุกยีน) ซึ่งการรวมกลุ่มนี้เกิดขึ้นอย่างอิสระ ”

ผลการทดลองของเมนเดล 5474เรียบ : 1850ขรุขระ 6022เหลือง : 2001เขียว 705ม่วงเข้ม : 224ขาว 882เต่ง : 299คอด 428เขียว : 152เหลือง 651ตามต้น : 207ที่ยอด 787สูง : 277เตี้ย F2 เรียบ-ขรุขระ เหลือง-เขียว ม่วงเข้ม-ขาว เต่ง-คอด เขียว-เหลือง ตามต้น-ที่ยอด สูง-เตี้ย Parent เรียบ เหลือง ม่วงเข้ม เต่ง เขียว ตามต้น สูง F1 ผิวเมล็ด สีเนื้อเมล็ด สีดอก รูปร่างฝัก สีฝัก ตำแหน่งดอก ลำต้น

* Continuous variation * * Discontinuous variation * ความแปรผันทางพันธุกรรม ( Genetics variation ) Genetics variation คือ ลักษณะที่แตกต่างกันเนื่องจากพันธุกรรมที่ไม่เหมือนกัน และยังสามารถถ่ายทอดต่อไปในรุ่นลูกได้ แบ่งเป็น 2 ประเภทคือ * Continuous variation * * Discontinuous variation *

ลักษณะทางพันธุกรรมที่มี ความแปรผันต่อเนื่อง ลักษณะทางพันธุกรรมที่มี ความแปรผันต่อเนื่อง * Continuous variation * * เป็นลักษณะทางพันธุกรรมที่มีระดับแตกต่างเล็กน้อย * * อย่างต่อเนื่องกัน สามารถวัดขนาดหรือปริมาณได้ * - สีผิว - สติปัญญา - น้ำหนัก - สีตา - ความสูง - สีผม

ลักษณะทางพันธุกรรมที่มีความแปรผันแบบไม่ต่อเนื่อง * Discontinuous variation * * เป็นลักษณะพันธุกรรมที่แตกต่างกันชัดเจน * * ไม่มีลักษณะกึ่งกลางหรือต่อเนื่อง * - การห่อลิ้น - การมีติ่งหู - การมีติ่งหู - ความถนัดซ้าย - ขวา - หมู่เลือดระบบ ABO ของคน - หนังตา (1 หรือ 2 ชั้น ) - การมีลักยิ้ม - ลักษณะเชิงผมที่หน้าผาก - ขวัญ ( เวียนขวา,ซ้าย )

คำศัพท์ที่ควรทราบ 1. ลักษณะเด่น(dominant) 2. ลักษณะด้อย(recessive) 3. ความน่าจะเป็น(probability) 4. ลักษณะข่มไม่สมบูรณ์(incomplete dominant) 5. การถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมสองลักษณะ (dihybrid cross)

6. แอลลีล (allele) 7. จีโนไทป์ (genotype) - ลักษณะพันธุ์แท้ (homozygous): (TT/ tt) - ลักษณะพันทาง (heterozygous): (Tt) 8. ฟีโนไทป์ (phenotype) 9. F1 : (first filial generation) 10. F2 : (second filial generation)

ศัพท์ทางพันธุศาสตร์บางคำที่ควรรู้จัก 1. จีน ( gene ) คือ ลักษณะทางพันธุกรรมซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครโมโซม โครโมโซมของคนเรามี 23 คู่ และจีนมีอยู่ประมาณ 50,000 จีน จีนเหล่านี้กระจายอยู่ในโครโมโซม แต่ละคู่จะควบคุมการถ่ายทอดลักษณะไปสู่รุ่นลูกได้ประมาณ 50,000 ลักษณะ * สัญลักษณ์ที่ใช้แทนจีนอาจเขียนได้หลายแบบ ใช้เขียนแทนด้วย ตัวอักษรภาษาอังกฤษ เช่น Gg Tt Yy Rr เป็นต้น หรือใช้เครื่องหมายเขียนแทนสัญลักษณ์ก็ได้ เช่น + - เป็นต้น

2. ลักษณะเด่น ( dominant ) คือ ลักษณะที่แสดงออกเมื่อเป็น ฮอมอไซกัสโดมิแนนต์และเฮเทอร์โรไซโกต 3. ลักษณะด้อย ( recessive ) คือ ลักษณะที่จะถูกข่มเมื่ออยู่ในรูปของเฮเทอร์โรไซโกตและจะแสดงออกเมื่อเป็น ฮอมอไซกัสรีเซสซีฟ 4. จีโนไทป์ ( genotype ) หมายถึง จีนที่ควบคุมลักษณะของ สิ่งมีชีวิต เช่น TT, tt, Tt 5. ฟีโนไทป์ ( phenotype ) หมายถึง ลักษณะที่ปรากฏออกมา ให้เห็นซึ่งเป็นผลจากการแสดงออกของจีโนไทป์นั่นเองเช่น TT, Tt มีจีโนไทป์ต่างกันแต่มีฟีโนไทป์เหมือนกัน คือ สูงทั้งคู่ เป็นต้น

6. ฮอมอไซโกต ( homozygote ) หมายถึง คู่ของแอลลีลซึ่งเหมือนกัน เช่น TT จัดเป็นฮอมอไซกัสโดมิแนนต์ ( homozygous dominant ) เนื่องจากลักษณะทั้งคู่เป็นลักษณะเด่น หรือ tt จัดเป็น ฮอมอไซกัสรีเซสซีฟ ( homozygous recessive ) เนื่องจากลักษณะ ทั้งคู่เป็นลักษณะด้อย ลักษณะที่เป็นฮอมอไซโกต เราเรียกว่า พันธุ์แท้ 7.เฮเทอร์โรไซโกต ( heterozygote ) หมายถึง คู่ของแอลลีลที่ไม่เหมือนกัน เช่น Tt ลักษณะของเฮเทอร์โรไซโกตเรียกว่าเป็นพันทางหรือลูกผสม

6. ฮอมอไซโกต ( homozygote ) หมายถึง คู่ของแอลลีลซึ่งเหมือนกัน เช่น TT จัดเป็นฮอมอไซกัสโดมิแนนต์ ( homozygous dominant ) เนื่องจากลักษณะทั้งคู่เป็นลักษณะเด่น หรือ tt จัดเป็น ฮอมอไซกัสรีเซสซีฟ ( homozygous recessive ) เนื่องจากลักษณะ ทั้งคู่เป็นลักษณะด้อย ลักษณะที่เป็นฮอมอไซโกต เราเรียกว่า พันธุ์แท้ 7.เฮเทอร์โรไซโกต ( heterozygote ) หมายถึง คู่ของแอลลีลที่ไม่เหมือนกัน เช่น Tt ลักษณะของเฮเทอร์โรไซโกตเรียกว่าเป็นพันทางหรือลูกผสม

แอลลีล หมายถึง แบบต่างๆ ของยีนควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมหนึ่ง (Allele) แอลลีล หมายถึง แบบต่างๆ ของยีนควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมหนึ่ง ยีนที่เป็นแอลลีลกัน (Allelic gene) คือ ยีนที่เข้าคู่กันได้ในการควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมหนึ่ง ตัวอย่างเช่น ยีนฝักสีเขียว(G) และยีน ฝักสีเหลือง (g) เป็นแอลลีลกันและเข้าคู่กันควบคุมลักษณะสีของฝักได้

การผสมเพื่อทดสอบ (Test Cross)

ลักษณะที่ ทดลอง รุ่นพ่อ - แม่ ลักษณะของ รุ่น F 1 รุ่น F 2 อัตราส่วนของ ลักษณะทั้งสอง ในรุ่น F2 ความสูงลำต้น สูง เตี้ย สูงหมด สูง 787 2.84 : 1 รูปร่างของฝัก อวบ แฟบ อวบหมด อวบ 882 2.95 : 1 รูปร่างของเมล็ด กลม ขรุขระ กลมหมด กลม 5474 2.96 : 1 สีของเมล็ด เหลือง เขียว เหลืองหมด 3.01 : 1 ตำแหน่งดอก ดอกที่กิ่ง ดอกที่ยอด 3.14 : 1 สีของดอก ม่วง ขาว ม่วงหมด สีม่วง สีขาว 3.15 : 1 สีของฝัก เขียวหมด สีเขียว สีเหลือง 2.82 : 1

สรุปการทดลองของเมนเดล 1. รุ่นพ่อ – แม่ แทนด้วย P = Parential generation รุ่นลูก ,, F1 = first filial generation รุ่นหลาน ,, F2 = second generation 2. สิ่งที่ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม เมนเดลเรียก factor 3. ลูก F1 จะมีลักษณะที่ปรากฏเหมือนกันหมด 4. ลูกเกิดจากการรวมตัวของ gene จาก พ่อ – แม่ อย่างละครึ่ง 5. เรียกลักษณะที่ปรากฏในรุ่น F1 ว่า Dominant เรียกลักษณะที่ปรากฏในรุ่น F2 ว่า Recissive 6. ลักษณะที่ปรากฏในรุ่น F1 : ลักษณะที่ปรากฏในรุ่น F2 = 3 : 1

กฎของเมนเดล Law of segregation P TT x tt gamete P Tt x Tt T T t t T t

P Tt x Tt gamete F1 TT Tt Tt tt 2. Law of independent assortment เซลล์สืบพันธุ์ที่แยกจากกันช่วงการสร้างเซลล์สืบพันธุ์สามารถรวมกันใหม่ได้อย่างอิสระ ดังนี้ P Tt x Tt gamete F1 TT Tt Tt tt T t T t

เป็นการผสมเพื่อที่จะทดสอบ genotype ของสิ่งมีชีวิตว่าเป็น Test – cross เป็นการผสมเพื่อที่จะทดสอบ genotype ของสิ่งมีชีวิตว่าเป็น พันธุ์แท้ หรือพันธุ์ทาง โดยนำไปผสมกับ Homozygous recessive ดังนี้ เมล็ดกลม - RR หรือ Rr เมล็ดกลม x rr เมล็ดกลม x rr เมล็ดกลม เมล็ดกลม : เมล็ดขรุขระ . . เมล็ดกลม = RR 1 : 1 เมล็ดกลม = Rr

กฎข้อที่ 1 กฎข้อที่ 2

รูปแบบการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม 1. ถ่ายทอดลักษณะแบบ Complete Dominant เป็นการถ่ายทอดลักษณะโดย gene เด่นสามารถข่ม gene ด้อยได้ สมบูรณ์ เป็นไปตามกฎเมนเดล ดังนี้ F1 เป็นลักษณะเด่นหมด F2 เป็นลักษณะเด่น : ลักษณะด้อย = 3 : 1 = 9 : 3 : 3 : 1

2.1 การถ่ายทอดลักษณะสีดอกบานเย็น 2. ถ่ายทอดลักษณะแบบ Incomplete Dominant 2.1 การถ่ายทอดลักษณะสีดอกบานเย็น F1 genotype = Aa สีชมพู หมด F2 genotype AA : Aa : aa = 1 : 2 : 1 phenotype สีแดง : สีชมพู : สีขาว = 1 : 2 : 1

โจทย์ 1. พ่อคางบุ๋ม (Nn) แต่งงานกับแม่คางไม่บุ๋ม ลูกที่เกิดมาจะมีลักษณะ อย่างไร (มีฟีโนไทป์และจีโนไทป์ เป็นอย่างไร) 2. ยีนตาสีดำเป็นลักษณะเด่น (AA, Aa) ตาสีน้ำตาลเป็นลักษณะด้อย (aa) ถ้าพ่อตาสีดำ (AA) แต่งงานกับแม่ตาสีน้ำตาล ลูกที่เกิดมาจะมี ลักษณะอย่างไร (มีฟีโนไทป์และจีโนไทป์ เป็นอย่างไร)

Pedigree ในการศึกษาพันธุกรรมของคน นักพันธุศาสตร์นิยมใช้สัญลักษณ์แสดงบุคคลต่างๆในครอบครัว ทั้งที่แสดงลักษณะและไม่แสดงลักษณะที่กำลังศึกษา เท่าที่จะสามารถสืบค้นได้ แผนผังเช่นนี้เรียกว่า pedigree

Pedigree ของโรคฮีโมฟีเลียซึ่งปรากฏในราชวงศ์ต่างๆในยุโรป

Http://www.mainecancer.org

เพดดีกรี (pedigree)

การถ่ายทอดลักษณะแบบ Co – dominant ในกรณีนี้ gene ทั้งสองที่ควบคุมลักษณะจะไม่ข่มซึ่งกันและกัน แต่สามารถแสดงความเด่นได้เท่าๆกัน จึงปรากฏลักษณะออกมาร่วมกัน เช่น หมู่เลือด ABO alleleที่เกี่ยวข้องมี IA , IB และ i ปกติ gr A มี genotype IA IA, IA i gr B ,, IB IB , IB i gr AB ,, IA IB gr O มี genotype ii

Multiple allele กลุ่มallele ที่มี gene เกินกว่า 2 แบบขึ้นไป ที่ควบคุมการ แสดงออกของลักษณะใดลักษณะหนึ่งโดยที่ gene ดังกล่าว มีตำแหน่งอยู่บน chromosome ที่เป็น homologous กัน ต.ย 1. พันธุกรรมของหมู่เลือด ABO หมู่เลือด ABO มี gene ควบคุม 3 allele คือ IA, IB และ ii IA = allele ที่ควบคุมการสร้าง antigen A IB = allele ที่ควบคุมการสร้าง antigen B

รีคอมบิแนนท์ ดีเอ็นเอ Recombinant DNA พันธุวิศวกรรม Genetic engineering

รีคอมบิแนนท์ ดีเอ็นเอ ในปี พ.ศ. 2496 นักวิทยาศาสตร์ชื่อ วัตสันและคริก ได้ตีพิมพ์ผลงานการค้นพบโครงสร้างสายเกลียวคู่ของดีเอ็นเอในวารสาร Nature [1953;171:737-8] ซึ่งในวันที่ 25 เมษายน 2546 จะเป็นวันครบรอบ 50 ปีของการค้นพบดังกล่าว การค้นพบที่สำคัญยิ่งนี้นำไปสู่ยุคเทคโนโลยีชีวภาพใหม่ [Modern Biotechnology] ที่กล่าวได้ว่าเป็นยุคเทคโนโลยีดีเอ็นเออย่างแท้จริง พอล เบิรก์ [Paul Berg] และคณะเป็นกลุ่มแรกที่ใช้เอ็นไซม์ตัดจำเพาะ ตัดโครโมโซมหรือสายดีเอ็นเอของแบคทีเรีย อีโคไล [E. coli] ให้เปิดออกและต่อชิ้นส่วนของดีเอ็นเอจากสิ่งมีชีวิตอื่น [ไวรัส] เข้าไปในดีเอ็นเอของอีโคไล ดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตที่มีดีเอ็นเอของ

สิ่งมีชีวิตอีกชนิดหนึ่งรวมเข้าไป เรียกว่า รีคอมบิแนนท์ดีเอ็นเอ เทคโนโลยีการตัดต่อยีนนี้ คือ รีคอมบิแนนท์เทคโนโลยีหรือ พันธุวิศวกรรมนั่นเอง ผลิตภัณฑ์แรกที่มาจากการใช้รีคอมบิแนนท์เทคโนโลยี คือ การใช้แบคทีเรียผลิตอินซูลินมนุษย์รักษาเบาหวาน ต่อมามีการใช้จุลินทรีย์อีกหลายชนิดในการผลิตยา วัคซีน เช่น วัคซีนป้องกันตับอักเสบ เอ็นไซม์ใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร ผงซักฟอก ตลอดจนการตัดต่อยีนในพืชและสัตว์ หรือที่รู้จักกันดีในนามของ สิ่งมีชีวิตจีเอ็มโอ [Genetically Modified Organisms] เป็นต้นว่าฝ้ายที่มียีนจากแบคทีเรียที่สร้างสารพิษฆ่าหนอนเจาะสมอฝ้าย ทำให้พืชสร้างสารพิษได้เองและเกษตรกรลดการใช้สารเคมี บริษัท Genzyme Transgenics Corporation ตัดต่อยีนที่สร้างโปรตีนทำให้เลือดไม่แข็งตัวเข้าไปในแพะ เพื่อให้แพะสร้างโปรตีนใช้ในการแพทย์

มิวเทชัน ( MUTATION )

ความหมายของมิวเทชัน - การเปลี่ยนแปลงลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตแบบถาวร และถ่ายทอดไปสู่ลูกหลานได้ - การเกิดลักษณะพันธุกรรมใหม่ ๆ ซึ่งมีลักษณะ แตกต่างไปจากลักษณะปกติ และลักษณะที่เกิดขึ้นใหม่นี้สามารถถ่ายทอดได้ - การเปลี่ยนแปลงลักษณะทางพันธุกรรม หรือที่ เรียกว่า การผ่าเหล่า หรือการกลายพันธุ์

การเกิดมิวเทชัน กระบวนการเกิดมิวเทชันที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิต เกิดขึ้นได้ 2 ระดับ คือ 1. มิวเทชันในระดับยีน 2. มิวเทชันในระดับโครโมโซม

1. มิวเทชันในระดับยีน (gene mutation) เป็นมิวเทชันที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของเบส ซึ่งเกิดขึ้นได้หลายลักษณะ เช่น เบส ( A, T, G, C ) เปลี่ยนจากตัวเดิมไปเป็นเบสตัวอื่นหรือเปลี่ยนแปลงลำดับการเรียงตัวของเบสในโมเลกุล DNA เบสมีการขาดหายไป เบสมีจำนวนเกินมา เป็นต้น เมื่อลำดับเบสเปลี่ยนไปการอ่านรหัสทาง พันธุกรรมจะเปลี่ยนไปด้วย อาจยังผลให้พอลิเพปไทด์เปลี่ยนไปจากเดิม ทำให้คุณสมบัติของโปรตีนแตกต่างไปจากปกติ

ตัวอย่างเช่น คนที่เป็นโรคโลหิตจางชนิดซิกเคิลเซลล์มีฮีโมโกลบินแตกต่างจากคนปกติเพียงเล็กน้อย ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจาก พอลิเพปไทด์สายเบตาของฮีโมโกลบินมีกรดอะมิโนตำแหน่งที่ 6 ผิดไป กล่าวคือ แทนที่จะเป็นกรดกลูตามิก อย่างคนทั่วไป ก็จะเป็นวาลีน

มิวเทชันในระดับโครโมโซม (chromosome mutation) เกิดจาก 1. การเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซม 2. การเปลี่ยนแปลงรูปร่างโครงสร้างภายในของแต่ละ โครโมโซม โดยการ เปลี่ยนแปลงอาจจะเกิดจาก - การขาดหายไปของโครโมโซม (deletion) - การเพิ่มขึ้นมาของโครโมโซม (duplication) - การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งทิศทางของ โครโมโซม (inversion) - การย้ายสลับที่ของโครโมโซม(translocation)

ปัจจัยที่ทำให้เกิดมิวเทชัน 1. การเกิดกระบวนการมิวเทชันสามารถเกิดขึ้นได้ตามธรรมชาติ แต่เกิดขึ้นด้วยความถี่ค่อนข้างต่ำในสภาพปกติทั่วไป และยังสามารถถูกชักนำให้เกิดขึ้นได้โดยปัจจัยต่าง ๆ ภายนอก ซึ่งมักมีความถี่สูงกว่าปกติ ปัจจัยต่างๆ ได้แก่ อุณหภูมิรังสีต่างๆ เช่นรังสีเอกซ์ แกมมา อัลตราไวโอเลต และ สารเคมีจำนวนมาก เช่น สารอะฟลาทอกซินจากเชื้อราบาง ชนิด กรดไนตรัส สีอะคริดีน เป็นต้น

ตัวอย่าง - กลุ่มอาการดาวน์ซึ่งมีโครโมโซม 47 เส้น โดย โครโมโซมคู่ที่ 21 เกินมา 1 เส้น - กลุ่มอาการไคลน์เฟลเตอร์ มีโครโมโซม 47 เส้น โดยโครโมโซมคู่ที่ 23 มีโครโมโซม X เกินมา 1 เส้น (47 + XXY)

2. สิ่งก่อกลายพันธุ์ หรือมิวทาเจน (mutagen) เป็นสิ่งที่กระตุ้นหรือชักนำให้เกิดมิวเทชันขึ้นกับ DNA 3. มิวทาเจน เป็นสิ่งที่เป็นอันตรายต่อสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตรวมทั้งมนุษย์ ดังนั้นความรู้เกี่ยวกับมิวเทชันในระดับ DNA จะช่วยให้เราเข้าใจและหาทางแก้ไขโรคทาง พันธุกรรมได้ 4. มิวทาเจนหลายอย่างเป็นสารก่อมะเร็ง (carcinogen)

มิวเทชันกับการนำไปใช้ในด้านต่าง ๆ สรุปได้ดังนี้. 1 มิวเทชันกับการนำไปใช้ในด้านต่าง ๆ สรุปได้ดังนี้ 1. เป็นกลไกสำคัญที่ทำให้เกิดความแตกต่าง ความแปรผันทางพันธุศาสตร์ และเป็นรากฐานสำคัญของการวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต 2. เป็นปัจจัยสำคัญในการศึกษาด้านพันธุศาสตร์ การผสมพันธุ์เพื่อคัดเลือกพันธุ์พืช พันธุ์สัตว์ ที่มีลักษณะที่เป็นประโยชน์ทั้งในพวกพืชสวน พืชไร่ และพวกไม้ประดับต่าง ๆ

พันธุวิศวกรรม Genetic Engineering พันธุวิศวกรรมคืออะไร พันธุวิศวกรรม กับ การแก้ปัญหาทางการเกษตร ผลกระทบต่อสุขภาพและสิ่งแวดล้อม อันตรายที่มองไม่เห็น นักวิทยาศาสตร์มีความเห็นอย่างไร

พันธุวิศวกรรม (genetic engineering) เทคโนโลยีที่ได้ถูกกล่าวถึงอย่างกว้างขวางในศตวรรษนี้ พันธุ วิศวกรรมได้ถูกเชิดชูให้เป็นความรู้ทางวิทยาศาสตร์ที่เลิศล้ำ และสามารถ แก้ปัญหาทางการเกษตรและอุตสาหกรรมอาหารของประชากรโลกได้ พันธุ วิศวกรรมได้กลายเป็นเทคโนโลยี ที่ก้าวเข้ามาเกี่ยวข้องกับวิถีชีวิตของ ผู้บริโภคและเกษตรกร ใครกันแน่จะเป็น ผู้ได้รับผลประโยชน์จากเทคโนโลยี บรรษัทข้ามชาติ เกษตรกร หรือ ผู้บริโภค และอีกหลายๆ คำถามต่อเทคโนโลยีทางพันธุวิศวกรรมจะมี ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและชีวิตผู้คนในปัจจุบันเช่นไร

พันธุวิศวกรรมคืออะไร พันธุวิศวกรรม (genetic engineering) หมายถึง เทคโนโลยีที่ทำการ เคลื่อนย้ายยีน (gene) จากสิ่งมีชีวิตสายพันธุ์หนึ่งไปสู่สิ่งมีชีวิตอีกสายพันธุ์หนึ่ง เพื่อสร้างสิ่งมีชีวิตรูปแบบใหม่ (novel) เทคนิคเหล่านี้เป็นวิธีการทาง วิทยาศาสตร์ที่สลับซับซ้อน ในการเปลี่ยนแปลงหน่วยพันธุกรรม หรือ DNA ของ สิ่งมีชีวิตโดยอาศัยเทคโนโลยีทางพันธุวิศวกรรม นักวิทยาศาสตร์สามารถเคลื่อนย้าย ยีนที่อยู่เหนือกฎเกณฑ์ธรรมชาติ สิ่งมีชีวิตที่เกิดขึ้นอาจมียีนลูกผสมแบบใหม่ ทำให้ เกิดคุณลักษณะแบบใหม่ ซึ่งไม่เคยปรากฎในธรรมชาติมาก่อน

พันธุวิศวกรรม กับ การแก้ปัญหาทางการเกษตร มีการส่งเสริมและสนับสนุนพันธุวิศวกรรมอย่างกว้างขวางใน อุตสาหกรรมทางอาหาร และการเกษตร โดยกล่าวอ้างถึงการเพิ่ม ประสิทธิภาพในการผลิต และการแก้ปัญหาการขาดแคลนอาหารบรรษัทธุรกิจ หลายแห่งมีการลงทุนเงินจำนวนมากเพื่อที่จะเป็นเจ้าของในเทคโนโลยีนี้ โดย อาศัยกระบวนการทางสิทธิบัตร (patent) ซึ่งบรรษัทเหล่านี้ ได้มองเห็นกำไร มหาศาลจากกรรมสิทธิดังกล่าว ตัวอย่างที่เห็นได้ชัด คือการส่งเสริมการปลูกฝ้ายบี ที ของบริษัทมอนซานโต้ ซึ่งใช้เทคนิคทางพันธุวิศวกรรม ตัดต่อยีนของแบคทีเรีย บีที (Bacillus Thuringiensis) มาใส่ในฝ้าย ทำให้ฝ้ายพันธุ์นี้สามารถสังเคราะห์ สารพิษเพื่อฆ่าหนอนและแมลงที่มากินสมอฝ้ายด้วยตัวมันเอง

ผลกระทบต่อสุขภาพและสิ่งแวดล้อม : อันตรายที่มองไม่เห็น ปี 1989-1990 บริษัทญี่ปุ่นชื่อ โชวาเดนโก้ เคเด ได้นำสินค้าชื่อ L-tryptophan ซึ่งเป็นอาหารเสริมที่ผลิตจากแบคทีเรีย ที่มีการปรับแต่งสายพันธุ์โดยพันธุ วิศวกรรม แต่อาหารเสริมตัวนี้ทำให้มีคนตาย 37 ราย พิการถาวรถึง 1500 ราย และอีก 5000 ราย ต้องเข้ารับการรักษาตัวใน โรงพยาบาลหลังจากที่บริโภคอาหารเสริมตัวนี้ เนื่องจากอาการบวมตามข้อ ผิวหนังพุพอง ปวดศีรษะ และระบบภูมิคุ้มกันตกต่ำ

ในทศวรรษที่ 1990 ที่สหรัฐอเมริกา มีการใช้ฮอร์โมน BGH ซึ่งเป็นฮอร์โมนที่มีการ ปรับแต่งยีนด้วยวิธีการทางพันธุวิศวกรรมเพื่อเร่งการเจริญเติบโต โดยมุ่งที่จะเพิ่มผลผลิต น้ำนมจากวัว ทำให้แม่วัวสร้างน้ำนมในปริมาณมากจน แม่วัวสูญเสียแคลเซี่ยมจากกระดูก โครงกระดูกทรุด แม่วัวมีอัตราการตายสูงขึ้น อัตราการ เกิดลูกวัวต่ำและทำให้เกิดโรคต่อมน้ำนมอักเสบ นอกจากนั้นฮอร์โมนตัวนี้ยังทำให้เกิด คาร์ซิ โนเจน ซึ่งเป็นอนุมูลที่ก่อให้เกิดมะเร็งในผลิตภัณฑ์น้ำนม พันธุวิศวกรรมอาจก่อให้เกิดสารก่อโรคภูมิแพ้ที่ไม่คาดคิดขึ้นในอาหาร จาก การศึกษาของนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเนบราสก้า เปิดเผยว่าถั่วเหลืองที่ทำการพันธุ วิศวกรรม โดยนำยีนจาก บราซิลนัต (พืชตระกูลถั่วชนิดหนึ่ง) มาตัดต่อในยีนของถั่วเหลือง โดยหวังให้ถั่วเหลืองผลิตโปรตีนเหมือน บราซิลนัต ได้ก่อให้เกิดปฏิกิริยาแพ้จนอาจถึงขั้น เสียชีวิตได้

สิ่งที่เป็นคำถามต่อเทคโนโลยีทางพันธุวิศวกรรมที่เราควรรู้ * เทคนิคการแทรกหรือตัดต่อ DNA ไม่อาจคำนวณได้ และขาดความเที่ยงตรงแม่นยำ * ไม่รู้ว่าขบวนการแทรกยีนลงไปในสิ่งมีชีวิต จะมีผลออกมาเป็นอย่างไรในระยะยาว * ไม่รู้ว่าพืชหรือสิ่งมีชีวิตอื่นๆ (เช่น แบคทีเรีย) ที่มีการทำพันธุวิศวกรรม จะส่งผล กระทบอย่างไร ต่อสิ่งแวดล้อม * ไม่รู้ว่าผลของการบริโภคอาหารที่มีการทำพันธุวิศวกรรมจะเป็นอย่างไร * ไม่มีแผนฟื้นฟูหากเกิดมหันตภัย หรือมลภาวะทางยีน รวมทั้งไม่มีข้อมูลพื้นฐานที่ น่าเชื่อถือในการประเมินความเสี่ยง * ไม่มีความชัดเจนว่า ใครจะต้องรับผิดชอบตามกฎหมายหากเกิดผลในทางลบ

นักวิทยาศาสตร์มีความเห็นอย่างไร ศาสตราจารย์ ดร.ริชาร์ด ลาเซ่ย์ แพทย์ นักจุลชีววิทยาและ ผู้เชี่ยวชาญด้านความปลอดภัยของอาหาร แห่งมหาวิทยาลัยลีดส์ ประเทศ อังกฤษ เป็นหนึ่งในบุคคลที่มีชื่อด้านวิทยาศาสตร์อาหาร นับแต่การทำนาย วิกฤตการณ์โรควัวบ้า “ข้อเท็จจริง คือ ไม่มีการรับรองแม้แต่กระบวนการทดลอง เพื่อประเมินผลกระทบของอาหารที่ผ่านการทำพันธุวิศวกรรมต่อสุขภาพ หากมีการนำเข้ามาสู่ห่วงโซ่อาหาร ไม่มีแม้กระทั่งเหตุผลสมควรทางด้าน โภชนาการ หรือคุณประโยชน์ต่อสาธารณชนในการที่จะนำเสนอาหาร ดังกล่าว”

ดร. โรเมโร ควีฮาโน แพทย์สาขาพิษวิทยา คณะเภสัชศาสตร์ มหาวิทยาลัย ฟิลิปปินส์ “อาหารที่ผ่านการทำพันธุวิศวกรรม เป็นสินค้าที่เสี่ยงต่ออันตราย สินค้าเหล่านี้มี ส่วนผสมของโปรตีนชนิดใหม่ ที่อาจก่อให้เกิดโรคภูมิแพ้และ ปฏิกริยาต่อสารในรูปแบบอื่น อาหารเหล่านี้มียีนที่ต้านทานยาปฏิชีวนะ ซึ่ง สามารถถ่ายทอดไปสู่สิ่งมีชีวิตอื่นที่มียีนซึ่งสามารถทำให้มนุษย์เกิดเจ็บป่วยเป็น โรคได้ ทำให้ยาปฏิชีวนะที่เคยสามารถช่วยรักษาชีวิตผู้คนจำนวนมากไม่มี ประโยชน์ พืชที่มีการทำพันธุวิศวกรรม เพื่อให้ต้านทานยากำจัดวัชพืช จะสะสม ยากำจัดวัชพืชในระดับที่สูง เมื่อมนุษย์บริโภคอาจรบกวนระบบการหลั่งฮอร์โมน ในร่างกาย ทำลายระบบภูมิคุ้มกันและก่อให้เกิดโรคอื่นๆ ทั้งโดยทางตรงและ ทางอ้อม รวมทั้งมะเร็งได้ นอกจากนั้นยังมีผลกระทบด้านลบ ต่อสุขภาพและ สิ่งแวดล้อมอีกมาก”

ประโยชน์ของพันธุวิศวกรรม

ประโยชน์ของพันธุวิศวกรรม (genetic engineering) พันธุวิศวกรรมเป็นกระบวนการปรับปรุงพันธุ์ สิ่งมีชีวิตพันธุ์ (species) หนึ่ง โดยนำยีนจากอีกชนิดพันธุ์หนึ่ง ถ่ายฝากเข้าไป เพื่อจุดประสงค์ที่จะให้สามารถทำงานได้ดีขึ้น กระบวนการดังกล่าวมิได้เกิดขึ้นตามธรรมชาติ สิ่งมีชีวิตดังกล่าวมีชื่อเรียกว่า LMO (living modified organism) หรือ GMO (genetically modified organism) ตัวอย่างการวิจัยและพัฒนา รวมถึงการใช้ประโยชน์เชิงการค้ามีมากมาย ซึ่งจะกล่าวถึงเพียงบางอย่างเท่านั้น

การปรับปรุงพันธุ์พืชให้ต้านทานโรคและแมลง วิธีการปรับปรุงพันธุ์แบบดั้งเดิมซึ่งยังคงทำกันอยู่นั้น ใช้วิธีหา พันธุ์ต้านทานซึ่งส่วนใหญ่เป็นพันธุ์ป่า และมีลักษณะไม่ดีอยู่มาก จากนั้นเอาพันธุ์ต้านทาน ผสมพันธุ์กับพันธุ์ดีซึ่งขาดเพียงลักษณะ ต้านทานเท่านั้น ลูกผสมที่ได้จะมีลักษณะหลากหลาย ซึ่งรวมเอา พันธุ์พ่อแม่เข้าด้วยกัน รวมทั้งลักษณะต้านทานด้วยเหตุนี้ จึงต้อง เสียเวลาคัดเลือกพันธุ์ ต่ออีกอย่างน้อย 8-10 ปี กว่าจะได้พันธุ์ ต้านทานและมีลักษณะอื่นๆ ดีด้วย ดังนั้นวิธีการปรับปรุงพันธุ์ โดยการถ่ายฝากยีน ที่ได้รับจากชนิดพันธุ์อื่น จึงสามารถลด ระยะเวลาการพัฒนาพันธุ์ได้มาก

พันธุ์พืชต้านทานแมลง มีสารสกัดชีวภาพ จากแบคทีเรีย(Bacillusthuringiensis) หรือบีทีที่ใช้กำจัดแมลงกลุ่มหนึ่ง อย่างได้ผลโดยการฉีดพ่น คล้ายสารเคมีอื่นๆ เพื่อลดการใช้สารเคมีด้วยความก้าวหน้า ทางวิชาการ ทำให้สามารถแยกยีนบีทีจากจุลินทรีย์นี้ และ ถ่ายฝาก ให้พืชพันธุ์ต่างๆ เช่น ฝ้าย ข้าวโพด และมันฝรั่ง เป็นต้น ให้ต้านทานแมลงกลุ่มนั้น และใช้อย่างได้ผล เป็น การค้าแล้วในประเทศ

พันธุ์พืชต้านทานโรคไวรัส โรคไวรัสของพืชหลายชนิด เช่น โรคจุดวงแหวนใน มะละกอ (papaya ring-spot virus) สามารถป้องกันกำจัด ได้ โดยวิธีนำยีนเปลือกโปรตีน (coat protein) ของไวรัส นั้น ถ่ายฝากไปในพืช เหมือนเป็นการปลูกวัคซีนให้พืช นั่นเอง กระบวนการดังกล่าวใช้กันอย่างแพร่หลายในพืช ต่างๆ

การพัฒนาพันธุ์พืชให้มีคุณภาพผลผลิต ตัวอย่างได้แก่ การถ่ายฝากยีนสุกงอมช้า (delayed ripening gene) ในมะเขือเทศ การสุกในผลไม้เกิดจากการผลิตสาร ethylene เพิ่มมากในระยะสุกแก่ นักวิชาการสามารถ วิเคราะห์โครงสร้างยีนนี้ และมีวิธีการควบคุมการแสดงออก โดยวิธีการถ่ายฝากยีนได้ ทำให้ผลไม้สุกงอมช้า สามารถเก็บ ไว้ได้นาน ส่งไปจากหน่วยไกลๆ ได้ สหรัฐเป็นประเทศแรก ที่ผลิตมะเขือเทศสุกงอมช้าได้เป็นการค้า และวางตลาดให้ ประชาชนรับประทานแล้ว

การพัฒนาพันธุ์พืชใช้ผลิตสารพิเศษ เช่น สารที่เป็นประโยชน์ต่างๆ ที่มีคุณค่าทางอาหารสูง อาจเป็นแหล่งผลิตวิตามิน ผลิตวัคซีนและผลิตสารที่ นำไปสู่ การผลิตทางอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น พลาสติก ย่อยสลายได้ และโพลีเมอร์ชนิดต่างๆ เป็นต้น

การพัฒนาพันธุ์สัตว์ มีการพัฒนาพันธุ์โดยการถ่ายฝากยีน ทั้งในปศุสัตว์ และ สัตว์น้ำรวมทั้งปลา ได้มีตัวอย่างหลายรายการ เช่น การถ่าย ฝากยีนเร่งการเจริญเติบโต และยีนต้านทานโรคต่างๆ เป็น ต้น อย่างไรก็ตาม ประโยชน์ของพันธุวิศวกรรม ในเรื่อง การผลิตสัตว์นั้นเป็นเรื่องการพัฒนาชุดตรวจ ระวังโรคเป็น ส่วนใหญ่

การพัฒนาสารพันธุ์จุลินทรีย์ให้มีคุณลักษณะพิเศษบางอย่าง เช่นให้สามารถกำจัดคราบน้ำมันได้ดี เป็นต้น