บทที� 9 สารพันธุกรรมและการถ่ายทอดข้อมูลพันธุกรรม Genetic Materials and Inheritance 191 อารเอ็นเอ (RNA) การทดลองที่แสดงวาอารเอ็นเอเปนสารพันธุกรรม มีดังนี้ ป ค.ศ. 1957 ไฮนซ แฟรนเคล คอนแรท (Heinz Fraenkel Conrat) ทดลองแยกโปรตีน และอารเอ็นเอของไวรัสที่ทําใหยาสูบเกิดโรคใบดาง (Tobacco mosaic virus เรียกชื่อยอวา TMV) ออกจาก กัน แลวนําไปถูบนใบยาสูบ ปรากฏวา โปรตีนไมทําใหเกิดโรคใบดาง แตอารเอ็นเอทําใหเกิดโรคใบดางได และ ทําใหเกิดไวรัสชนิดเดิมเพิ่มจํานวนมากขึ้น แสดงวาอารเอ็นเอเปนสารพันธุกรรมในไวรัสชนิดนี้ ตอมาคอนแรทได แยกโปรตีนและอารเอ็นเอของไวรัส 2 สายพันธุ คือ สายพันธุ HRV และสายพันธุ TMV แลวนําเอาโปรตีนและ อารเอ็นเอของไวรัสตางสายพันธุมารวมกันใหม กลาวคือเอาโปรตีนสายพันธุ TMV รวมกับอารเอ็นเอสายพันธุ HRV จากนั้นนําไปถูกับใบยาสูบ ปรากฏวา ทําใหเกิดโรคใบดางขึ้น และเมื่อตรวจสอบโปรตีนในไวรัสที่เกิดขึ้น ใหม พบวา เปนโปรตีนชนิดเดียวกับไวรัสสายพันธุ HRV ที่แยกเอาอารเอ็นเอออกมา (ภาพที่ 9.3) แสดงวา ไวรัสบางชนิดมีอารเอ็นเอเปนสารพันธุกรรม เชน ไวรัสที่ทําใหยาสูบเกิดโรคใบดาง ไวรัสไขหวัดใหญ เปนตน ภาพที่ 9.3 การทดลองของไฮนซ แฟรนเคล คอนแรท (ที่มา : Johnson, 1997) ไวรัสที่ทําใหสมองอักเสบ (encephalitis virus) ไวรัสกอใหเกิดมะเร็ง (rous sarcoma virus, RSV) และไวรัสโรคเอดส (human immunodeficiency virus, HIV) เปนตน เนื่องจากพบวา เมื่อแยกอารเอ็นเอ ของไวรัสดังกลาวขางตนออกมาจากไวรัสแลวยังมีคุณสมบัติที่สามารถทําใหเกิดโรคไดเชนกัน แตก็มีไวรัสอีก หลายชนิดที่มีดีเอ็นเอเปนสารพันธุกรรม เชน ไวรัสของแบคทีเรีย Escherichia coli ที่อยูในลําไสใหญของ มนุษย ดังนั้นอาจกลาวไดวา สารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตระดับเซลลจะเปนดีเอ็นเอ สวนไวรัสซึ่งเปนสิ่งมีชีวิต ที่ไมใชเซลล พบวา บางชนิดมีสารพันธุกรรมเปนดีเอ็นเอ บางชนิดมีสารพันธุกรรมเปนอารเอ็นเอ (จุฑาพร แสงประจักษ, 2554) 2. โครงสรางของดีเอ็นเอ ตอมาในป ค.ศ. 1953 James Dewey Watson ชาวอเมริกัน และ Francis Harry Compton Crick ชาวอังกฤษ ไดรวมกันเสนอโครงสรางสามมิติของดีเอ็นเอโดยอาศัยหลักฐานของ Maurice Wilkins และ Resalind Franklind ซึ่งเปนภาพการเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซของดีเอ็นเอ (ภาพที่ 9.4) วัตสัน และคริก สรุปวา ดีเอ็นเอมีโครงสรางเปนเกลียวคู (double helix) คลายขดลวดสปริง และเกลียวมีลักษณะ
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 192 เวียนขวา การพันเกลียวของดีเอ็นเอทําใหเกิดเปนรองขึ้น 2 ขนาด คือ รองขนาดใหญ (major groove) และ รองขนาดเล็ก (minor groove) เกลียวคูนี้ คือ สายโพลีนิวคลีโอไทดสองสายที่มีทิศสวนทางกัน (antiparallel) โดยมีน้ําตาลและหมูฟอสเฟตเปนแกนของเกลียวดีเอ็นเอ (sugar-phosphate backbone) และมี เบสอยูภายในเกลียว โดยมีระนาบของเบสตั้งฉากกับแกนของเกลียวคลายราวบันไดเวียนกับขั้นบันได แตละ รอบเกลียวจะประกอบดวยเบส 10 คู (ภาพที่ 9.5) เกลียวคูของดีเอ็นเอถูกยึดดวยพันธะไฮโดรเจนระหวางเบส คูสมกัน(complementary base) ที่อยูบนสายตรงขามกันโดยมีเบส A (Adenine) จับคูกับเบส T (Thymine) ดวยพันธะไฮโดรเจน 2 พันธะ และเบส C (Cytosine) จับคูกับเบส G (Guanine) ดวยพันธะไฮโดรเจน 3 พันธะ นอกจากนี้ยังมีแรงไฮโดรโฟบิก (hydrophobic interaction) ที่เกิดขึ้นระหวางเบสที่ซอนอยูในสาย เดียวกัน (stacking bases) ชวยยึดโครงสรางเกลียวคูใหมีความเสถียร ภาพที่ 9.4 ภาพการเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซของดีเอ็นเอ (ที่มา: Sayre, 2000) ภาพที่ 9.5 โครงสรางของดีเอ็นเอลักษณะเปนเกลียวคูเวียนขวา (ที่มา: Raven and Johnson, 2002)
บทที� 9 สารพันธุกรรมและการถ่ายทอดข้อมูลพันธุกรรม Genetic Materials and Inheritance 193 นอกจากนั้น Francis Crick (1970) ไดคนควาทฤษฏีการถายทอดขอมูลทางพันธุกรรมและได อธิบายความหมายของคําวา “central dogma of molecular biology” หรือแกนกลางของชีววิทยาโมเลกุล ซึ่งประกอบดวย 3 กระบวนการดวยกัน คือ 1. การจําลองดีเอ็นเอ (replication) เปนการสังเคราะหดีเอ็นเอใหม โดยอาศัยดีเอ็นเอ เดิมเปนแมแบบซึ่งดีเอ็นเอทั้งสองจะมีการเรียงตัวของนิวคลีโอไทดเหมือนกันทุกประการ 2. การถอดรหัส (transcription) เปนการสังเคราะหอารเอ็นเอ โดยอาศัยดีเอ็นเอเปน แมแบบโดยอารเอ็นเอจะถอดขอความทางพันธุกรรมจากดีเอ็นเอมาใชในขั้นตอนตอไป 3. การแปลรหัส (translation) เปนการแปลรหัสจากอารเอ็นเอมาเปนโปรตีนโดยอาศัย การทํางานของไรโบโซม ปจจุบันมีการคนพบขอมูลที่เกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตอยางมากมายลึกลงไปในระดับโมเลกุล โดย หนาที่การทํางานของโปรตีนในสิ่งมีชีวิต สามารถบงบอกไดจากโครงสรางทางเคมีอันเกิดจากลําดับการเรียงตัว ของกรดอะมิโนในโปรตีน ลําดับกรดอะมิโนเหลานี้ถูกเก็บไวในรหัสพันธุกรรมในดีเอ็นเอ ซึ่งสามารถถายทอด จากรุนพอแมไปสูรุนลูกหลานได ดังนั้นในกระบวนการสังเคราะหโปรตีนจากขอมูลในดีเอ็นเอ จึงเปนหัวใจของ กลไกในระดับโมเลกุลของสิ่งมีชีวิต หลักเกณฑในการพิจารณาลักษณะสารพันธุกรรม โดยสารพันธุกรรมควรจะมีคุณสมบัติดังนี้ 1. สามารถสรางโมเลกุลใหมที่เหมือนเดิมในระหวางการเจริญเติบโตและการแบงเซลล 2. โครงสรางถาวรหรือเกิดการเปลี่ยนแปลง (mutation) ไดนอย 3. มีขอมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตชนิดนั้น ๆ ทั้งหมด 4. สามารถถายทอดขอมูลทางพันธุกรรมจากรุนพอแมไปสูรุนลูกหลานได สิ่งมีชีวิตประกอบดวยกรดนิวคลีอิก (nucleic acid) โดยสิ่งมีชีวิตสวนใหญมีสารพันธุกรรม ชนิดดีเอ็นเอ (DNA หรือ deoxyribonucleic acid) เปนองคประกอบ ยกเวนไวรัสบางชนิดและไวรอยดที่มี สารพันธุกรรมชนิดอารเอ็นเอ (RNA หรือ ribonucleic acid) กรดนิวคลีอิกจัดเปนชีวสารขนาดใหญที่ ประกอบดวยหนวยยอย (building box) ที่มีลักษณะซ้ํา ๆ กัน มาเรียงตอกันเปนสายยาว ซึ่งแตละหนวยยอย ที่มาเรียงตอกันเปนสายยาวเรียกวา นิวคลีโอไทด (nucleotide) และเรียกสายยาวที่เกิดจากการเรียงตอกันของ นิวคลีโอไทดวาโพลีนิวคลีโอไทด (polynucleotide) โดยแตละหนวยยอยมีองคประกอบที่สําคัญอยู 3 สวน คือ (1) น้ําตาลที่ประกอบดวยคารบอน 5 อะตอม หรือน้ําตาลเพนโตส (pentose sugar) (2) กรดฟอสโฟริก (phosphoric acid หรือ H3PO4) และ (3) ไนโตรจีนัสเบส (nitrogenous base) 3. องคประกอบทางเคมีของกรดนิวคลีอิก กรดนิวคลีอิกมีสองชนิดไดแก ดีเอ็นเอ (DNA, deoxyribonucleic acid) และอารเอ็นเอ (RNA, ribonucleic acid) เปนสารเคมีที่มีโมเลกุลขนาดใหญ มีลักษณะเปนโพลิเมอร ประกอบดวยหนวยยอย ที่มีลักษณะซ้ําตอกันเปนสายยาว หนอยยอยแตละหนวยเรียกวา นิวคลีโอไทด (nucleotide) มีสวนประกอบ อยู 3 สวน ไดแก น้ําตาลเพนโทส (pentose sugar) น้ําตาลเพนโทสที่พบเปนองคประกอบของนิวคลีโอไทดมีเพียง 2 ชนิด คือ น้ําตาลไรโบส (ribose sugar) และดีออกซีไรโบส (deoxyribose sugar) โดยน้ําตาลทั้ง 2 ชนิดตางกันตรงน้ําตาลดีออกซีไรโบส ไมมีหมูไฮดรอกซิลที่คารบอนตําแหนงที่ 2 โดยจะพบน้ําตาลเพียงชนิดใดชนิดหนึ่งเทานั้นในกรดนิวคลีอิก ดังนั้น จึงเรียกชื่อกรดนิวคลีอิกตามชนิดของน้ําตาลในโมเลกุล โดยกรดนิวคลีอิกที่มีน้ําตาลไรโบสเปนองคประกอบ
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 194 เรียกวา กรดไรโบนิวคลีอิกหรืออารเอ็นเอ สวนกรดนิวคลีอิกที่มีน้ําตาลดีออกซีไรโบสเปนองคประกอบเรียกวา กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกหรือดีเอ็นเอ (ภาพที่ 9.6) ภาพที่ 9.6 โครงสรางของน้ําตาลไรโบสและน้ําตาลดีออกซีไรโบส (ที่มา : Lewin, 1997) กรดฟอสโฟริก (phosphoric acid) กรดฟอสโฟริกมีสมบัติที่ทําใหกรดนิวคลีอิกมีความเปนกรดภายใตภาวะปกติของเซลลจะ แตกตัวเปนประจุลบเรียกวา หมูฟอสเฟต (ภาพที่ 9.7) กรดฟอสโฟริกเชื่อมตอกับน้ําตาลเพนโตสที่คารบอน ตําแหนงที่ 5 ดวยพันธะเอสเทอร (ester bond) ภาพที่ 9.7 โครงสรางของหมูฟอสเฟต (ที่มา: Lewin, 1997) ไนโตรจีนัสเบส (nitrogenous base) ไนโตรจีนัสเบสเชื่อมตอกับน้ําตาลที่คารบอนตําแหนงที่ 1 ดวยพันธะไกลโคไซดิกชนิดบีตา (β-glycosydic bond) ประกอบดวย 2 ชนิด คือ (1) เบสพิวรีน (purine) ไดแก อะดีนีน (Adenine, A) และกัวนีน (Guanine, G) พบไดทั้งในอารเอ็นเอและดีเอ็นเอ (2) เบสไพริมิดีน (pyrimidine) ไดแก ไซโทซีน (Cytosine, C) พบไดทั้งในอารเอ็นเอและดีเอ็นเอ ไทมีน (Thymine, T) พบเฉพาะในดีเอ็นเอ สวนยูราซิล (Uracil, U) พบเฉพาะในอารเอ็นเอ (ภาพที่ 9.8) ภาพที่ 9.8 โครงสรางของไนโตรจีนัสเบสชนิดตาง ๆ (ที่มา: Lewin, 1997)
บทที� 9 สารพันธุกรรมและการถ่ายทอดข้อมูลพันธุกรรม Genetic Materials and Inheritance 195 4. โพลีนิวคลีโอไทด (polynucleotide) การเชื่อมตอของหนวยยอยทั้ง 3 สวนที่กลาวมาขางตน มีการเชื่อมตอกันเปนนิวคลีโอไทด แตละชนิด โดยที่ไนโตรจีนัสเบสจะเชื่อมตอกับคารบอนตําแหนงที่ 1 ของน้ําตาลเพนโตส ในกรณีที่เปนเบสพิวรีน การตอกับน้ําตาลจะใชตําแหนงที่ 9 ของเบสตอกับตําแหนงที่ 1 ของน้ําตาล และถาเปนเบสไพริมิดีนจะ เชื่อมตอกับน้ําตาลโดยใชตําแหนงที่ 1 ของเบสมาตอกับตําแหนงที่ 1 ของน้ําตาล สวนกรดฟอสโพริกจะตอกับ คารบอนตําแหนงที่ 5 ของน้ําตาลเพนโตส ซึ่งเมื่อรวมทั้ง 3 สวนเขาดวยกันจะไดนิวคลีโอไทด (ภาพที่ 9.9) แต ถามีเพียงสวนของไนโตรจีนัสเบสและน้ําตาลเพนโตสโดยไมมีกรดฟอสโฟริกเขามาตอกับน้ําตาลเพนโตสจะ เรียกวาองคประกอบนี้วา นิวคลีโอไซด (nucleoside) เมื่อนิวคลีโอไทดแตละหนวยมาเรียงตอกันดวยพันธะ ฟอสโฟไดเอสเทอร (phosphodiester bond) โดยหากเปนการเชื่อมตอระหวางนิวคลีโอไทด 2 หนวยเรียกวา ไดนิวคลีโอไทด (dinucleotide) แตถามีหลายหนวยมาเชื่อมตอกันแตไมเกิน 20 หนวยเรียกวา โอลิโกนิวคลีโอไทด (oligonucleotide) และถามากกวานี้เรียกวา โพลีนิวคลีโอไทด (polynucleotide) (ภาพที่ 9.10) ภาพที่ 9.9 องคประกอบของนิวคลีโอไทดประกอบดวยไนโตรจีนัสเบส น้ําตาลเพนโตส และกรดฟอสโฟริก (ที่มา: http://rachelkahn3b.edublogs.org/category/unit-3-dna/page/2/) ภาพที่ 9.10 โครงสรางของโพลีนิวคลีโอไทด (ที่มา: http://cigurohaini.blogspot.com/2011/08/dna-and-rna.html)
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 196 5. กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (deoxyribonucleic acid, DNA) กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกหรือดีเอ็นเอประกอบขึ้นจากสายโพลีนิวคลีโอไทด 2 สายที่มาพันกัน ในลักษณะเปนเกลียวคู (double helix) วางตัวสวนทิศทางกัน (antiparallel) คือ สายหนึ่งพันจากทิศทาง 5′ 3′ ขณะที่อีกสายพันสวนทางกลับในทิศทาง 5′ 3′ โดยมีน้ําตาลและฟอสเฟตอยูรอบนอก (sugarphosphate backbone) และมีเบสเปนแกนกลาง ซึ่งเบสในแตละสายมีลักษณะเปนคูสมกัน (complementary base) และยึดกันดวยพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) โดยเบส A จะเขาคูกับเบส T ดวยพันธะไฮโดรเจน 2 พันธะ และเบส G จะเขาคูกับเบส C ดวยพันธะไฮโดรเจน 3 พันธะ โดยโมเลกุลของ ดีเอ็นเอจะพันเปนเกลียวในลักษณะเวียนขวา (right handed) หนึ่งรอบของการบิดเปนเกลียวมีระยะทาง 340 A ประกอบดวยเบสจํานวน 10 คู (ภาพที่ 9.11) ภาพที่ 9.11 การพันเปนเกลียวในลักษณะสวนทิศทางกันของสายดีเอ็นเอ (ที่มา: Campbell et al., 1999) 6. ขนาด การจัดเรียงตัว และความซับซอนของจีโนม จีโนมของสิ่งมีชีวิตแตละชนิดมีขนาดที่แตกตางกันขึ้นอยูกับชนิดของสิ่งมีชีวิตนั้นๆ โดยขนาด ของจีโนมสามารถพบไดตั้งแต 300 เบสในไวรอยดจนถึงพันลานหรือหมื่นลานคูเบสในสิ่งมีชีวิตชั้นสูง โดย สิ่งมีชีวิตสวนใหญมีสารพันธุกรรมชนิดดีเอ็นเอเปนองคประกอบ ยกเวนไวรัสบางชนิดและไวรอยดที่มีสาร พันธุกรรมชนิดอารเอ็นเอ และลักษณะจีโนมของไวรัสอาจมีลักษณะแตกตางกัน เชน สายเดี่ยวหรือเกลียวคู เปนเสนยาว (linear) หรือวงแหวน (circular) ก็ได ซึ่งลักษณะจีโนมของไวรัสมีความแตกตางจากจีโนมของ แบคทีเรีย และสิ่งมีชีวิตชั้นสูงที่จีโนมมีโปรตีนเปนสวนประกอบอยูดวย เรียกวา โครมาติน (chromatin) หรือ โครโมโซม (chromosome)
บทที� 9 สารพันธุกรรมและการถ่ายทอดข้อมูลพันธุกรรม Genetic Materials and Inheritance 197 ดีเอ็นเอในสิ่งมีชีวิตชั้นสูงโดยทั่วไปมีลักษณะเปนดีเอ็นเอเกลียวคูสายยาว (linear double stranded DNA) ซึ่งเกาะรวมกับโปรตีนฮีสโตนหลายชนิดทําใหเกิดเปนหนวยยอยที่เรียกวา นิวคลีโอโซม (nucleosome) มีสายดีเอ็นเอเกลียวคูเปนตัวเชื่อม ทําใหมีลักษณะคลายสรอยลูกปด (beads-on-string) จากนั้นนิวคลีโอโซมจะมีการพันกันเปนเกลียว เรียกวา โซลีนอยด (solenoid) โซลีนอยดจะพันเปนเกลียวอีก ทําใหไดเปนฟลาเมนต (filament) ซุปเปอรคอยลฟลาเมนต (supercoiled filament) และโครโมโซมในระยะ เมตาเฟสในที่สุด (ภาพที่ 9.12) ภาพที่ 9.12 การจัดเรียงตัวของดีเอ็นเอเกลียวคูรวมกับโปรตีนฮีสโตนเปนโครงสรางโครโมโซม (ที่มา: Russell, 1996)
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 198 การถายทอดขอมูลพันธุกรรม (Genetic Inheritance) ขอมูลทางพันธุกรรมถูกกําหนดโดยลําดับนิวคลีโอไทดในโมเลกุลของดีเอ็นเอหรืออารเอ็นเอ ซึ่งลําดับ นิวคลีโอไทดนี้เปนตัวกําหนดลําดับของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีนตอไป โดยโปรตีนหลากหลายชนิดที่ สิ่งมีชีวิตสังเคราะหขึ้นมา มีบทบาทเกี่ยวของกับการแสดงลักษณะและการดํารงชีวิตของสิ่งมีชีวิตนั้น ๆ วิถีการ เปลี่ยนถายขอมูลทางพันธุกรรมจากดีเอ็นเอไปยังอารเอ็นเอและไปสิ้นสุดที่โปรตีน เรียกวา “central dogma” ซึ่งประกอบดวยกระบวนการที่สําคัญ 3 กระบวนการ คือ (1) การจําลองดีเอ็นเอ (DNA replication) เพื่อ สังเคราะหดีเอ็นเอชุดใหม (2) การถอดรหัส (transcription) เพื่อเปลี่ยนถายขอมูลพันธุกรรมจากดีเอ็นเอมาอยู ในรูปของอารเอ็นเอ และ (3) การแปลรหัส (translation) เพื่อสังเคราะหโปรตีนโดยแปลลําดับเบสในโมเลกุล ของ mRNA มาเปนลําดับของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน (จุฑาพร แสงประจักษ, 2554) การถายทอดขอมูลพันธุกรรมจากรุนพอแมไปสูรุนลูกหลาน เกี่ยวของกับกระบวนการจําลองหรือ การสังเคราะหดีเอ็นเอ (DNA replication) เพื่อใหไดขอมูลพันธุกรรมหรือดีเอ็นเอใหมเหมือนดีเอ็นเอเดิม เกิดขึ้นในระยะที่เซลลมีการแบงตัวเพื่อการเจริญเติบโตและการสรางเซลลสืบพันธุของสิ่งมีชีวิต การจําลอง ดีเอ็นเอในแตละโครโมโซมเกิดขึ้นในระยะเอส (S phase หรือ synthesis phase) ของระยะอินเทอรเฟส (interphase) ในกระบวนการแบงเซลลแบบไมโทซีส (mitosis) และไมโอซีส (meiosis) (ภาพที่ 9.13) ทําให 1 โครโมโซมมี 2 ซีสเตอรโครมาติด (sister-chromatid) ซึ่งแตละโครมาติดประกอบดวยดีเอ็นเอ 1 โมเลกุล ภาพที่ 9.13 การจําลองดีเอ็นเอเกิดขึ้นในระยะเอสเฟสในอินเตอรเฟสของวัฏจักรเซลล (ที่มา : Meyers, 1995) การจําลองดีเอ็นเอมีรูปแบบการจําลองเปนแบบกึ่งอนุรักษ (semiconservative replication) คือ ดีเอ็นเอสายคูมีการแยกออกจากกันเปนดีเอ็นเอสายเดี่ยว 2 สาย ซึ่งแตละสายทําหนาที่เปนสายแมแบบ (template strand หรือ parental strand) ในการจําลองดีเอ็นเอสายใหม (daughter strand) ที่มีลําดับคู สมกันกับดีเอ็นเอสายแมแบบทุกประการ เมื่อสิ้นสุดการจําลองดีเอ็นเอจะได ดีเอ็นเอ 2 สาย ที่แตละโมเลกุล ของดีเอ็นเอประกอบดวยดีเอ็นเอสายแมแบบ 1 สาย พันเกลียวกับดีเอ็นเอสายใหมอีก 1 สาย
บทที� 9 สารพันธุกรรมและการถ่ายทอดข้อมูลพันธุกรรม Genetic Materials and Inheritance 199 1. ปจจัยที่ใชในกระบวนการจําลองดีเอ็นเอ สารตั้งตน (substrate หรือ precursor) ในการจําลองโมเลกุลของดีเอ็นเอ คือ ดีออกซีไรโบนิวคลีโอไซด ไทรฟอสเฟต (deoxyribonucleoside triphosphate; dNTP) มี 4 ชนิด คือ ดีออกซีอะดีโนซีนไทรฟอสเฟต (deoxyadenosine triphosphate; dATP) ดีออกซีกัวโนซีนไทรฟอสเฟต (deoxyguanosine triphosphate; dGTP) ดีออกไซทิดีนซีไทรฟอสเฟต (deoxycytidine triphosphate; dCTP) และดีออกซีไทมิดีนไทรฟอสเฟต (deoxythymidine triphosphate; dTTP) ดีเอ็นเอแมแบบ (DNA template) คือ ดีเอ็นเอสายเดี่ยว (single strand DNA) ที่เกิดจาก การแยกของดีเอ็นเอสายคู (double strand DNA) ซึ่งทําหนาที่เปนสายแมแบบในกระบวนการจําลองดีเอ็นเอ เพื่อสังเคราะหดีเอ็นเอสายใหมซึ่งมีเบสคูสมเขามาจับคูกับดีเอ็นเอสายแมแบบ โดยการจําลองดีเอ็นเอเปนแบบ กึ่งอนุรักษ คือ เมื่อสิ้นสุดกระบวนการจําลองดีเอ็นเอจะไดดีเอ็นเอ 2 โมเลกุล แตละโมเลกุลประกอบดวยดีเอ็นเอ สายเดิมหรือแมแบบ (template strand) 1 สาย กับสายใหมอีกหนึ่งสาย (daughter strand) ตามรูปแบบ การจําลองแบบกึ่งอนุรักษ เอนไซมเฮลิเคส (helicase) ทําหนาที่แยกสายโพลีนิวคลีโอไทดสายคูใหเปนโพลีนิวคลีโอไทด สายเดี่ยว เพื่อใชเปนดีเอ็นเอแมแบบในการสังเคราะหดีเอ็นเอ โดยการสลายพันธะไฮโดรเจนระหวางเบสของ 2 สายโพลีนิวคลีโอไทด และอาศัยพลังงานจาก ATP โปรตีนเกาะสายเดี่ยว (single strand binding protein, SSB protein) จะเขาจับดีเอ็นเอ สายเดี่ยวเพื่อปองกันไมใหดีเอ็นเอสายเดี่ยวที่แยกจากกันแลว กลับเขามาสรางพันธะไฮโดรเจนเพื่อเกิดเปน ดีเอ็นเอสายคูใหม เอนไซมอารเอ็นเอไพรเมส (RNA primase) ทําหนาที่สังเคราะหอารเอ็นเอไพรเมอร ขนาด ประมาณ 1-60 นิวคลีโอไทด ทั้งนี้ขึ้นอยูกับชนิดสิ่งมีชีวิต อารเอ็นเอไพรเมอร (RNA primer) เปนอารเอ็นเอสายสั้น ๆ ที่ประกอบดวยไรโบนิวคลีโอไทด ประมาณ 5-15 เบส ซึ่งสังเคราะหมาจากเอนไซมไพรเมส (primase) โดยอารเอ็นเอไพรเมอรนี้จะเขาจับกับ ดีเอ็นเอแมแบบเพื่อเริ่มตนกระบวนการสังเคราะหดีเอ็นเอในทิศทาง 5’→ 3’ เอนไซมดีเอ็นเอโพลีเมอเรส (DNA polymerase) เปนเอนไซมหลักที่ทําหนาที่สังเคราะห สายโพลีนิวคลีโอไทดสายใหม โดยมีทิศทางการสังเคราะห 5’→3’ โดยอาศัยดีเอ็นเอแมแบบ อารเอ็นเอไพรเมอร และ Mg+2 เปนตัวเรงปฏิกิริยา เอนไซมดีเอ็นเอโทโปไอโซเมอเรส (DNA topoisomerase หรือ DNA gyrase) ทําหนาที่ คลายปมเหนือจุดแยก (replication fork) โดยการตัดสายใดสายหนึ่งหรือทั้งสองสายของดีเอ็นเอ ณ ตําแหนง เหนือบริเวณจุดแยกเพื่อคลายปมของดีเอ็นเอ หลังจากคลายปมแลวจะทําการเชื่อมตอรอยตัดเขาอยางเดิม เอนไซมดีเอ็นเอไลเกส (DNA ligase) ทําหนาที่เชื่อมตอดีเอ็นเอชิ้นสั้น ๆ ใหตอกันเปนสาย ยาวดวยพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร 2. กระบวนการจําลองดีเอ็นเอ เอนไซมเฮลิเคส ทําหนาที่คลายเกลียวคูของดีเอ็นเอเกิดเปนจุดแยก ณ บริเวณจุดเริ่มตนการ จําลองดีเอ็นเอ (origin of DNA replication หรือ oriC) โดยทําลายพันธะไฮโดรเจนระหวางเบสที่อยูบนแตละ สายของโพลีนิวคลีโอไทดเพื่อใหไดดีเอ็นเอสายเดี่ยว อารเอ็นเอไพรเมอร เขาเกาะกับดีเอ็นเอสายเดี่ยวที่ตําแหนงที่เปนเบสคูสมกับสายดีเอ็นเอ แมแบบเพื่อเริ่มตนกระบวนการจําลองดีเอ็นเอ โดยอาศัยการทํางานของเอนไซมดีเอ็นเอโพลีเมอเรสที่นํา นิวคลีโอไทดตัวใหมเขามาเติมที่บริเวณปลาย 3’OH ของอารเอ็นเอไพรเมอร
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 200 โปรตีนเกาะสายเดี่ยว (single strand binding protein, SSB protein) เขาเกาะกับดี เอ็นเอสายเดี่ยว เพื่อชวยเอนไซมเฮลิเคสทํางานไดดีขึ้นและปองกันไมใหดีเอ็นเอสายเดี่ยวที่แยกจากกันแลว กลับเขามาสรางพันธะไฮโดรเจนเพื่อเกิดเปนดีเอ็นเอสายคูใหมอีกครั้ง เอนไซมดีเอ็นเอโทโปไอโซเมอเรส ทําหนาที่คลายปมเหนือจุดแยกขณะเกิดกระบวนการ จําลองดีเอ็นเอ โดยการทําลายพันธะฟอสโฟไดเอสเทอรระหวางนิวคลีโอไทดภายในสายโพลีนิวคลีโอไทด เดียวกัน จากนั้นก็ทําหนาที่เชื่อมรอยขาดระหวางนิวคลีโอไทดดวยพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร การกําจัดอารเอ็นเอไพรเมอรบนสายนําและสายตาม โดยการทํางานของเอนไซมดีเอ็นเอ โพลีเมอเรสทําหนาที่ตัดอารเอ็นเอไพรเมอรออกทีละ 1 นิวคลีโอไทด ขณะเดียวกันเอนไซมดังกลาวก็จะนํา นิวคลีโอไทดที่ถูกตองมาตอกับดีเอ็นเอแมแบบ เอนไซมไลเกส ทําหนาที่เชื่อมตอชิ้นสวนดีเอ็นเอสายสั้นๆ (okazaki fragment) ดวยพันธะ ฟอสโฟไดเอสเทอร จนกระทั่งไดดีเอ็นเอสายตามสายยาว (ภาพที่ 9.14) ภาพที่ 9.14 การจําลองดีเอ็นเอเกี่ยวของกับการทํางานของเอนไซมตาง ๆ (ที่มา: Russel, 1996) การสังเคราะหโพลีนิวคลีโอไทดสายใหมโดยใชดีเอ็นเอแมแบบทั้งสองสาย มีดังนี้ สายนํา (leading strand) เมื่ออารเอ็นเอไพรเมอรเขาเกาะกับสายโพลีนิวคลีโอไทดสาย แมแบบที่มีทิศทาง 3’→5’ พบวา เอนไซมดีเอ็นเอโพลีเมอเรสสามารถสังเคราะหดีเอ็นเอสายใหมโดยเพิ่ม จํานวนนิวคลีโอไทดไดอยางตอเนื่องตลอดสาย เรียกวา continuous หรือ leading strand ทั้งนี้เนื่องจากทิศ ทางการสังเคราะหสายโพลีนิวคลีโอไทดหรือการทํางานของ เอนไซมดีเอ็นเอโพลีเมอเรสทําในทิศทาง 5’→3’ ซึ่งมีทิศทางการสังเคราะหดีเอ็นเอสายใหมเปนทิศทางเดียวกับการคลายเกลียวของดีเอ็นเอเกลียวคู การ สังเคราะหสายนําจะมีการขยายสายยาวตอไปเรื่อย ๆ ตามความยาวของดีเอ็นเอสายแมแบบในทิศทาง 5’→3’ (ภาพที่ 9.15) สายตาม (lagging strand) ถาใชสายโพลีนิวคลีโอไทดอีกสายหนึ่งที่มีทิศทาง 5’→3’ เปน สายแมแบบ พบวา การสังเคราะหดีเอ็นเอสายใหมไมสามารถสังเคราะหหรือเพิ่มจํานวนนิวคลีโอไทดไดอยาง ตอเนื่องที่เรียกวา discontinuous หรือ lagging strand เนื่องจากทิศทางการสังเคราะหดีเอ็นเอสวนทางกับ ทิศทางการคลายเกลียวของดีเอ็นเอเกลียวคู ดังนั้นจึงมีการสังเคราะหดีเอ็นเอสายใหมเปนทอนสั้น ๆ เรียกวา “okazaki fragment” โดยมีสังเคราะห okazaki fragment สายใหมขึ้นมาในทิศทาง 5’→3’ โดยมีอารเอ็นเอ ไพรเมอรตัวใหมเขากับดีเอ็นเอแมแบบ แลวเริ่มกระบวนการสังเคราะห okazaki fragment สายใหมขึ้นมา เรื่อยๆ (ภาพที่ 9.15)
บทที� 9 สารพันธุกรรมและการถ่ายทอดข้อมูลพันธุกรรม Genetic Materials and Inheritance 201 ภาพที่ 9.15 กระบวนการจําลองดีเอ็นเอ (ที่มา: http://www.jc-biology.blogspot.com) การแสดงออกของยีน (Gene Expression) ดีเอ็นเอและอารเอ็นเอเปนโพลีนิวคลีโอไทดทั้งคู แตมีหนาที่และวิธีการสังเคราะหแตกตางกัน โดย ดีเอ็นเอเปรียบเสมือนคลังขอมูลทางพันธุกรรมซึ่งตองเก็บรักษาไวอยางดี การสังเคราะหเพื่อสงไปยังเซลลใหม ตองจําลองแบบใหครบชุดและถูกตองโดยกระบวนการจําลองดีเอ็นเอเพื่อใหเซลลใหมไดรับขอมูลทาง พันธุกรรมครบถวนสําหรับการดํารงชีวิต สวนอารเอ็นเอเปนขอมูลทางพันธุกรรมเพียงสวนหนึ่งของดีเอ็นเอ ที่สังเคราะหขึ้นมาเพื่อใชในการสังเคราะหโปรตีนบางอยางที่จําเปนตอการเจริญเติบโตหรือการดํารงชีวิตของ เซลลในระยะใดระยะหนึ่ง เมื่อหมดหนาที่แลวอารเอ็นเอนั้น ๆ ก็จะสลายไป และถามีความจําเปนก็สังเคราะห ขึ้นมาใหมไดอีก กระบวนการสังเคราะหอารเอ็นเอ เรียกวา การถอดรหัส (transcription) โดยอารเอ็นเอ ที่จําเปนในการสังเคราะหโปรตีนมี 3 ชนิด คือ messenger RNA (mRNA), transfer (tRNA) และ ribosomal RNA (rRNA) เมื่อเซลลสังเคราะหอารเอ็นเอแลวก็จะนําไปใชเพื่อสังเคราะหโปรตีนตอไป กระบวนการสังเคราะหโปรตีน เรียกวา การแปลรหัส (translation) กระบวนการถอดรหัสและการแปลรหัส เปนการแสดงออกของยีน เรียกวา “gene expression” คือ เปนการถอดรหัสจากลําดับเบสของยีนบนสาย ดีเอ็นเอมาเปนลําดับเบสของอารเอ็นเอแลวจึงนําไปใชในการสังเคราะหโปรตีน 1. การถอดรหัสดีเอ็นเอ (transcription) การถอดรหัสพันธุกรรมในดีเอ็นเอเปนอารเอ็นเอหรือการสังเคราะหอารเอ็นเอ (RNA synthesis) เปนขั้นตอนแรกในกระบวนการแสดงออกของยีน การถอดรหัสจากลําดับเบสบนสายดีเอ็นเอมาเปนลําดับเบส ของอารเอ็นเอโดยมีดีเอ็นเอสายหนึ่งเปนแมพิมพ (template strand) และเอนไซมอารเอ็นเอโพลิเมอเรส (RNA polymerase) อารเอ็นเอที่สังเคราะหไดจะมีลําดับเบสคูสมกับสายดีเอ็นเอแมพิมพ หรือมีลําดับเบส คลายกับดีเอ็นเออีกสายหนึ่งที่ไมไดใชเปนเปนแมพิมพ (coding strand) ยกเวนมีเบส Uracil แทนที่ตําแหนง ที่เปนเบส Thymine ในสายดีเอ็นเอ (ภาพที่ 9.16)
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 202 ภาพที่ 9.16 การสังเคราะหอารเอ็นเอโดยเอนไซมอารเอ็นเอโพลิเมอเรส (ที่มา : Lewin, 1997) โครงสรางของยีน โครงสรางของยีนประกอบดวยสวนตาง ๆ คือ (1) สวนที่ทําหนาที่กําหนดรหัสกรดอะมิโน ในโปรตีน (structural gene) เรียกวา transcribed region ซึ่งประกอบดวย 5’ untranslated region, exon, intron และ 3’ untranslated region และ (2) สวนที่ทําหนาที่ควบคุมการสังเคราะหอารเอ็นเอ (regulatory sequences) โดยยีนควบคุมที่ทําหนาที่ยับยั้งการสังเคราะห RNA เรียกวา ยีนยับยั้ง (repressor gene) สวน โปรตีนควบคุมที่ทําหนาที่กระตุนการสังเคราะห RNA เรียกวา ยีนกระตุน (activator gene) และสวนของยีน ที่ทําหนาที่ควบคุมการหยุดกระบวนการสังเคราะห RNA เรียกวา terminator gene และ (3) สวนโปรโมเตอร (promoter) เปนเครื่องหมายแสดงจุดเริ่มตนของยีนและเปนที่เขาจับของเอนไซมอารเอ็นเอโพลิเมอเรส (ภาพที่ 9.17) ภาพที่ 9.17 โครงสรางของยีน (ที่มา: Gardner et. al., 1991) โปรโมเตอรของยีนในโปรคาริโอตโดยทั่วไปจะมีความยาวประมาณ 6-8 นิวคลีโอไทด พบ บริเวณประมาณตําแหนงที่ -35 หรือ -10 กอนที่จะถึงยีนที่จะถูกถอดรหัส โปรโมเตอรที่ตําแหนง -10 sequence เรียกวา Pribnow box (TATAAT) โดยกําหนดให +1 เปนจุดเริ่มตนของการสังเคราะหอารเอ็นเอ จากนั้นนิวคลีโอไทดถัดไปจากบริเวณที่เริ่มการถอดรหัส (downstream) จะเปน +2, +3, … ไปเรื่อย ๆ ใน ทิศทางหลัง downstream สวนนิวคลีโอไทดที่อยูกอนตําแหนง +1 บริเวณที่เริ่มการถอดรหัส (upstream) ไป ทางดาน 5′ จะเปนตําแหนง –1, –2 ,… ไปเรื่อย ๆ และมีทิศทางเปน upstream (ภาพที่ 9.18) Terminator site
บทที� 9 สารพันธุกรรมและการถ่ายทอดข้อมูลพันธุกรรม Genetic Materials and Inheritance 203 โปรโมเตอรของยีนในยูคาริโอตจะมีลําดับนิวคลีโอไทดที่จําเพาะอีกชุดหนึ่ง (TATAAA) มีจุด ศูนยกลางที่ -25 เรียกวา TATA box (Hogness หรือ Hogness-Goldberg box) นอกจาก TATA box แลว โปรโมเตอรสวนใหญจะมี CAAT box และบางทีมี GC box ระหวาง -40 และ -110 sequence (ภาพที่ 9.19) ภาพที่ 9.18 โปรโมเตอรของยีนในโปรคาริโอต (ที่มา : Davidson and Sittman, 1993) ภาพที่ 9.19 โปรโมเตอรของยีนในยูคาริโอต (ที่มา : Davidson and Sittman, 1993) กระบวนการถอดรหัสดีเอ็นเอ การถอดรหัสดีเอ็นเอเริ่มจากเอนไซมอารเอ็นเอโพลีเมอเรสเขาไปจับกับดีเอ็นเอแมแบบ ที่ ตําแหนงโปรโมเตอร (promoter) ซึ่งจะอยูในบริเวณ upstream ของยีนที่จะถูกถอดรหัส เอนไซมอารเอ็นเอ โพลีเมอเรสทําหนาที่ในการแยกสายทั้งสองของดีเอ็นเอออกจากกันที่จุดนี้ และเริ่มการสังเคราะหสายอารเอ็นเอ ที่เขาคูไดกับสายหนึ่งของดีเอ็นเอ เรียกสายที่ใชในการสังเคราะหวา สายแมพิมพ (template strand, antisense strand หรือ non-coding strand) และเรียกอีกสายหนึ่งวา สายที่ไมไดใชในการสังเคราะห (nontemplate strand, sense strand หรือ coding strand) ซึ่งเปนสายที่มีลักษณะเหมือนกันกับสายอารเอ็นเอ ที่ถูกสังเคราะหขึ้นมาใหม (ภาพที่ 9.20) ภาพที่ 9.20 การเรียกสายดีเอ็นเอตามหนาที่ในกระบวนการถอดรหัส (ที่มา : Purves et al., 2004) -110 -40 -25
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 204 การถอดรหัสดีเอ็นเอเปนการสังเคราะหเพียงอารเอ็นเอสายเดี่ยว และมีการสรางในทิศทาง จากปลาย 5′ ไปยัง 3′การสังเคราะหเริ่มขึ้นโดยใชไรโบนิวคลีโอไซดไตรฟอสเฟตเปนสารตนนิวคลีโอไทดตัวแรก ของอารเอ็นเอจะเปนนิวคลีโอไทดของ adenine (A) หรือ guanine (G) เสมอ และมีการสรางพันธะฟอสฟอไดเอสเทอร ขึ้น สวนที่ปลาย 5′ ของสายอารเอ็นเอจะมีหมูไตรฟอสเฟต (PPP) โดยเอนไซมอารเอ็นเอโพลีเมอเรสจะ ถอดรหัสจากดีเอ็นเอแมพิมพ จากปลาย 3′ ของเสนดีเอ็นเอแมพิมพไปหาปลาย 5′ เสมอ (ภาพที่ 9.21) ภาพที่ 9.21 การสังเคราะหอารเอ็นเอเริ่มโดยใชไรโบนิวคลีโอไซดไตรฟอสเฟต (ที่มา : Davidson and Sittman, 1993) เอนไซมอารเอ็นเอโพลีเมอเรสทําหนาที่ในการนําไรโบนิวคลีโอไทดไทรฟอสเฟตตัวใหมที่มีเบส คูสมกับสายดีเอ็นเอแมพิมพเขามาเชื่อตอกับปลาย 3′OH ของสายอารเอ็นเอที่ถูกสังเคราะหขึ้นมา เกิดการ เชื่อมตอระหวางโมเลกุลของไรโบนิวคลีโอไทดเดิมกับไรโบนิวคลีโอไทดใหมดวยพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร ทําให ไดสายอารเอ็นเอยาวขึ้นเรื่อย ๆ การขยายยาวของสายอารเอ็นเอจะเกิดขึ้นอยางรวดเร็วโดยมีการตอนิวคลีโอไทด เขากับสายอารเอ็นเอในอัตราประมาณ 40-50 นิวคลีโอไทดตอวินาที (ภาพที่ 9.22) จนกระทั่งเอนไซมอารเอ็นเอโพลิเมอเรสเคลื่อนตัวมาจะถึงจุดสิ้นสุดในการสังเคราะหอารเอ็นเอ (termination site) ในระยะนี้จะหยุดการสรางพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร เอนไซมอารเอ็นเอโพลิเมอเรสจะแยก จากสายดีเอ็นเอ และดีเอ็นเอจะกลับมาพันเกลียวกันใหม การยุติการสังเคราะหอารเอ็นเอในเซลลยูคาริโอตจะ มีกลไกในการมวนพับของสายอารเอ็นเอที่สรางขึ้นใหเปนโครงสรางทุติยภูมิ (secondary structure) ทําให เอนไซมอารเอ็นเอโพลิเมอเรสหลุดออกจากสายดีเอ็นเอแมแบบและกระบวนการสังเคราะหสายอารเอ็นเอ ยุติลง (ภาพที่ 9.22)
บทที� 9 สารพันธุกรรมและการถ่ายทอดข้อมูลพันธุกรรม Genetic Materials and Inheritance 205 ภาพที่ 9.22 กระบวนการสังเคราะหอารเอ็นเอ (ที่มา: http://www.csu.edu.au/faculty/health/biomed/subjects/molbol/images/7_9.jpg) 2. การแปลรหัสพันธุกรรม (translation) ยีนที่อยูในโมเลกุลดีเอ็นเอมีหนาที่กําหนดลักษณะทางพันธุกรรม จากนั้นจะเขาสูการถอดรหัส พันธุกรรม (transcription) ไปเปนสาย mRNA เพื่อเปนตัวสื่อความหมายทางพันธุกรรมจากดีเอ็นเอ แลวสาย mRNA จะแปลรหัสพันธุกรรรม (translation) เพื่อสังเคราะหสายโปรตีน การแปลรหัสพันธุกรรมหรือการ สังเคราะหโปรตีน (protein synthesis) เปนการถายทอดรหัสพันธุกรรมใน mRNA มาเปนโปรตีนที่ใชงาน ภายในรางกายของสิ่งมีชีวิต การแปลรหัสจาก mRNA เริ่มจากบริเวณปลาย 5′ และเคลื่อนที่ไปยังปลาย 3′ ของ mRNA และการสังเคราะหโปรตีนจะสรางจากปลายอะมิโนเรื่อยไปจนถึงปลายคารบอกซิล ดังนั้นลําดับ ปลาย 5′ จะเปนปลายอะมิโนของโปรตีนและลําดับปลาย 3′ จะเปนปลายคารบอกซิล กระบวนการแปลรหัสพันธุกรรมตองอาศัยปจจัยตาง ๆ เพื่อใชสังเคราะหโปรตีนไดแก รหัส พันธุกรรม (genetic code: ถอดรหัสผาน mRNA), tRNA มีประมาณ 50 ชนิด กรดอะมิโน 20 ชนิด และไรโบโซม เมื่อดีเอ็นเอถูกถอดรหัสออกมาจะไดเปน mRNA เพื่อนําไปแปลรหัสเปนโปรตีนโดยการทํางานของไรโบโซม โดยรหัสพันธุกรรมนั้นจะประกอบไปดวยนิวคลีโอไทด 3 ตัวเรียงตอกัน เรียกวา triplet code หรือโคดอน (codon) แตละรหัสสามารถแปลความหมายไดเปนกรดอะมิโน 1 ชนิด จะเห็นวาภายในโมเลกุลของอารเอ็นเอ จะมีนิวคลีโอไทดที่เปนองคประกอบอยู 4 ชนิด ไดแก adenine (A), cytosine (C), guanine (G) และ uracil
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 206 (U) ที่จะนําไปสังเคราะหโปรตีนที่มีองคประกอบเปนกรดอะมิโนอยูเพียง 20 ชนิด AUG คือโคดอนเริ่มตนที่ เปนเมไธโอนีน และ UAA UAG และ UGA รหัสเปนรหัสหยุด (stop codon) (ภาพที่ 9.23) รหัสพันธุกรรมบน mRNA นั้นจะเปนโคดอนเรียงตอกันไปโดยไมมีอะไรกั้นกลางและไมซอนกัน ดังนั้นจุดเริ่มตนของการอาน สําคัญมาก เพราะถาอานเริ่มตนผิดก็จะทําใหสรางโปรตีนที่ผิดปกติออกมา ภาพที่ 9.23 รหัสพันธุกรรมสากลบนสาย mRNA (ที่มา : Purves et al., 2004) กระบวนการแปลงรหัสจะมี tRNA ทําหนาที่นําเอากรดอะมิโนที่จําเพาะตอรหัสพันธุกรรมบริเวณ แอนติโคดอน (anticodon) มาสังเคราะหใหไดโปรตีนสายยาวที่ไรโบโซม โดยที่ไรโบโซมเปนนิวคลิโอโปรตีน (nucleoprotein) ประกอบไปดวยสวนที่เปนโปรตีนและสวนที่เปนอารเอ็นเอ (rRNA) บนไรโบโซมจะมีสวนที่ เรียกวา บริเวณเปปทิดิล (P site) ซึ่งเปนที่ๆ เกิดสายโพลีเพปไทด และบริเวณอะมิโนเอซิล (A site) เปน บริเวณที่ tRNA ที่นํากรดอะมิโนที่จําเพาะตอมาเกาะเพื่อตอเขากับสายโพลิเพปไทดที่อยูที่ P site โดยจะทํา การสรางพันธะเพปไทดระหวางกรดอะมิโนที่ A site กับกรดอะมิโนที่อยูตําแหนง P-site และบริเวณ E-site (Exit site) เปนบริเวณที่ tRNA ที่ไมมีกรดอะมิโนจับอยูหลุดออกจากโครงสรางของไรโบโซม (ภาพที่ 9.24) ภาพที่ 9.24 โครงสรางของไรโบโซมและบริเวณที่ทําหนาที่ในกระบวนการสังเคราะหโปรตีน (ที่มา : http://rushartsbiology.wikispaces.com)
บทที� 9 สารพันธุกรรมและการถ่ายทอดข้อมูลพันธุกรรม Genetic Materials and Inheritance 207 กระบวนการแปรรหัสพันธุกรรม การสังเคราะหโปรตีนเริ่มจากการที่ไรโบโซมเริ่มเขามาจับกับสาย mRNA และเคลื่อนที่ไป จนถึงลําดับที่เปนโคดอนเริ่มตน (start codon) คือ AUG หลังจากนั้น tRNA สําหรับกรดอะมิโนเมไธโอนีนจะ เคลื่อนเขาจับไรโบโซมที่บริเวณ P site และทําปฏิกิริยากับโคดอนเริ่มตน เกิดการรวมตัวอยางจําเพาะระหวาง mRNA, tRNAmet และ ribosome (ภาพที่ 9.25) ภาพที่ 9.25 ขั้นตอนการเริ่มสังเคราะหโปรตีน (ที่มา: Watson et al., 2004) การสังเคราะหโปรตีนจะดําเนินตอไปโดย tRNA นํากรดอะมิโนมาสรางโปรตีนสายยาว ไรโบโซม จะเคลื่อนที่ไปดาน 3′ ของสาย mRNA ครั้งละ 1 โคดอน ทําใหเกิดบริเวณ A site ที่วาง tRNA สําหรับกรดอะมิโน ตัวถัดไปขึ้นกับชนิดโคดอนบน mRNA เขาสูไรโบโซมที่บริเวณ A site เรียกขั้นตอนนี้วา “codon recognition” จากนั้นเกิดการจับกันระหวางกรดอะมิโนที่อยูบน P site และ A site โดยการสรางพันธะ เพปไทด เรียก ขั้นตอนนี้วา “peptide bond formation” และไรโบโซมเคลื่อนที่ไปดาน 3′ อีก 1 โคดอน ทําใหบริเวณ P site เปลี่ยนเปนบริเวณ E site ซึ่งมี tRNA ที่ไมมีกรดอะมิโนจับอยู จึงทําใหโครงสราง tRNA ดังกลาวหลุด ออกไปจากบริเวณ E site ของไรโบโซม เรียกขั้นตอนนี้วา “translocation” ซึ่งทั้ง 3 ขั้นตอนจะเกิดขึ้นอยาง ตอเนื่องตามความยาวของโคดอนบนสาย mRNA จึงทําใหการสังเคราะหโปรตีนสายยาวเกิดขึ้น (ภาพที่ 9.26) ภาพที่ 9.26 ขั้นตอนการสังเคราะหโปรตีนสาย (ที่มา : Watson et al., 2004)
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 208 การแปรรหัสจะดําเนินไปเรื่อย ๆ เมื่อตําแหนง A ของไรโบโซมเคลื่อนที่มาจนถึงโคดอนที่เปน รหัสหยุด ไดแก UGA, UAA และ UAG การสรางโปรตีนจะหยุดลง เนื่องจากบน mRNA จะไมมี tRNA ที่จับ กับรหัสหยุดได แตจะมี Release Factor (R factor) เขามาจับบน stop codon ที่บริเวณ A site ซึ่งทําให สายโปรตีนที่ติดกับ tRNA ตัวสุดทายหลุดออก tRNA ที่ติดอยูก็จะสลายแยกจากกัน สวนไรโบโซมจะหลุดออก จาก mRNA แยกตัวเปนหนวยยอยเพื่อกลับเขาไปทําหนาที่ในการสรางโปรตีนสายใหมตอไป (ภาพที่ 9.27) ภาพที่ 9.27 ขั้นตอนการหยุดสังเคราะหโปรตีน (ที่มา: Watson et al., 2004) ไรโบโซมหลายๆ อันสามารถจับบน mRNA สายเดียวกันได เรียกวา โพลีไรโบโซม (polyribosome) เพื่อชวยเพิ่มประสิทธิภาพในการทํางานของ mRNA ในเซลลโปรคาริโอตจะมีการควบคูกัน ไประหวางการถอดรหัสและแปลรหัสพันธุกรรม ไรโบโซมเริ่มตนแปลรหัสบน mRNA ในขณะที่มีการสราง mRNA โดยใชดีเอ็นเอเปนแมแบบไปพรอม ๆ กัน เนื่องจาก mRNA มีอายุสิ้นเพียง 2-3 นาที แลวจะถูกสลาย โดยเอนไซมนิวคลีเอสเพื่อเปนการควบคุมการสังเคราะหโปรตีนนั้น ๆ โดยการสังเคราะหโปรตีนที่ใชในการหลั่ง ออกนอกเซลลและโปรตีนที่ผนังเซลลจะสรางโดยไรโบโซมที่บริเวณเอนโดพลาสมิคเรติคูลัมชนิดขรุขระ (rough endoplasmic reticulum, RER) ในขณะที่โปรตีนที่สรางเพื่อใชภายในเซลลจะถูกสรางโดยไรโบโซมที่มีอยูใน ไซโตพลาสซึม การที่โปรตีนสังเคราะหที่บริเวณเอนโดพลาสมิคเรติคูลัมนั้นจะชวยในการตกแตงดัดแปลงรูปราง ของโปรตีนและสงไปยังบริเวณที่ตองโปรตีนนั้น ๆ ตอไป (ภาพที่ 9.28) ภาพที่ 9.28 การสังเคราะหโปรตีนโดยไรโบโซมที่บริเวณเอนโดพลาสมิคเรติคูลัมชนิดขรุขระ (ที่มา: Watson et al., 2004)
บทที� 9 สารพันธุกรรมและการถ่ายทอดข้อมูลพันธุกรรม Genetic Materials and Inheritance 209 คําถามทายบท 1. อธิบายโมเลกุลของ DNA ตามแบบของ James Watson และ Francis Crick …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2. อธิบายรูปแบบการจําลองดีเอ็นเอแบบกึ่งอนุรักษ (semiconservative replication) ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 3. เปรียบเทียบโปรโมเตอร (promoter) ของยีนในโปรคาริโอตและยูคาริโอต ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 4. ภาพดานลางใชตอบคําถามเกี่ยวกับการถอดรหัสดีเอ็นเอ สายดีเอ็นเอที่ลูกศรชี้ A เรียกวา …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… สายดีเอ็นเอที่ลูกศรชี้ B เรียกวา …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… 5. ลําดับเบส 3 ตัว ในโมเลกุลของ tRNA ที่จับอยางจําเพาะกับ codon ของ mRNA เรียกวา ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 6. กระบวนการสังเคราะหโปรตีนจะสิ้นสุดเมื่อไรโบโซมเคลื่อนที่มาถึง Stop codon บน mRNA และจะมี เอนไซม…………………………………………………………….............................................……………………………………. เขามาจับที่ Stop codon ทําใหสายโปรตีน tRNA และไรโบโซมหลุดแยกออกจากกัน A B
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 210 บรรณานุกรม จุฑาพร แสงประจักษ. 2554. เอกสารประกอบการสอนวิชา 0203445 พันธุศาสตรโมเลกุล. ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร มหาวิทยาลัยมหาสารคาม. ไพศาล เหลาสุวรรณ. 2535. พันธุศาสตร. พิมพครั้งที่ 3. ไทยวัฒนาพานิช, กรุงเทพมหานคร. Campbell, A.N., Reece, B.J. and Mitchell, G.L. 1999. Biology. 5th ed. Benjamin Cummings Publishers, USA. Campbell, M.K. 1993. Biochemistry. 2nd ed. Saunders college publishing: Harcourt brace college, Philadelphia, USA. Crick, F.H.C. 1970. Central Dogma of Molecular Biology. Nature. 227: 561-563. Davidsion. L.V. and Sittman, B.D. 1993. Biochemistry. 3rd ed. Harwell Publishing Company, Philadelphia, USA. Gardner, E.J., Simmons, M.J. and Snustad, D.P. 1991. Principle of Genetics. 8th ed. John Wiley and Sons, Inc, USA. Johnson, E.T. 1997. Genetics : Handbook of the Biology of Aging. 4th ed. Schneider, E. L. and Rowe, J. W. (Eds.), Academic Press, New York, USA. Lewin, B. 1997. Gene VI. Oxford University Press, New York, USA. Purves, W.K., Sadava, D., Orians, H.G. and Heller, H.C. 2004. Life: The Science of Biology. 7 th ed. Sinauer. Associates, Inc., Sunderland, Massachusetts, USA. Raven, P. and Johnson, G.B. 2002. Biology. 6th ed. McGraw-Hill Companies, Inc., San Francisco, USA. Russell, P.J. 1996. Genetics. 4th Ed. Harper Collins College Publishers, New York, USA. Sayre, A. 2000. Rosalind Franklin and DNA. W.W. Norton & Company. New York, USA. Watson, D.J., Baker, A.T., Bell, P.S., Gann, A. and Losick, R. 2004. Molecular Biology of the Gene. 5th Edition. The Benjamin Cummings Publishing Co, California, USA. Watson, J.D. and Crick, F.H.C. 1953. Molecular structure of nucleic acids. Nature. 171: 737-73. http://rachelkahn3b.edublogs.org/category/unit-3-dna/page/2/ http://www.csu.edu.au/faculty/health/biomed/subjects/molbol/images/7_9.jpg http://www.jc-biology.blogspot.com/
บทที� 10 การควบคุมการแสดงออกของยีนในโปรคาริโอตและพันธุวิศวกรรม Regulation of Gene Expression in Prokaryotes and Genetic Engineering 211 บทที่10 การควบคุมการแสดงออกของยีนในโปรคาริโอตและพันธุวิศวกรรม รศ.ดร.อภิเดช แสงดี และ ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ (Regulation of Gene Expression in Prokaryotes and Genetic Engineering) วัตถุประสงค์ 1. เพืี่อให้นิสิตเข้าใจถึงกลไกการควบคุมการแสดงออกของยีน ในโปรคาร�โอต 2. เพื่อให้นิสิตทราบถึงหลักการและกระบวนการตัดต่อยีน หรือพันธุว�ศวกรรม 3. เพื่อให้นิสิตทราบถึงการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี ดีเอ็นเอเพื่อประโยชน์ในด้านต่าง ๆ
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.อภิเดช แสงดี และ ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 212
บทที� 10 การควบคุมการแสดงออกของยีนในโปรคาริโอตและพันธุวิศวกรรม Regulation of Gene Expression in Prokaryotes and Genetic Engineering 213 บทที่ 10 การควบคุมการแสดงออกของยีนในโปรคาริโอตและพันธุวิศวกรรม (Regulation of gene expression in prokaryotes and genetic engineering) รศ.ดร.อภิเดช แสงดี ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ วัตถุประสงค 1. เพื่อใหนิสิตเขาใจถึงกลไกการควบคุมการแสดงออกของยีนในโปรคาริโอต 2. เพื่อใหนิสิตทราบถึงหลักการและกระบวนการตัดตอยีนหรือพันธุวิศวกรรม 3. เพื่อใหนิสิตทราบถึงการประยุกตใชเทคโนโลยีดีเอ็นเอเพื่อประโยชนในดานตาง ๆ บทนํา กระบวนการเมแทบอลิซึมเปนกระบวนการที่มีบทบาทสําคัญตอการดํารงชีวิตของสิ่งมีชีวิต เนื่องจาก ปฏิกิริยาชีวเคมีตาง ๆ ที่เกิดขึ้นภายในสิ่งมีชีวิตถูกควบคุมโดยเอนไซมซึ่งเปนผลผลิตของยีน กลไกในการ ควบคุมการแสดงออกของยีนมีทั้งการควบคุมแบบเปด และการควบคุมแบบปด เพื่อตอบสนองตอความ ตองการของเซลลในสภาวะที่แตกตางกัน การควบคุมการแสดงออกของยีนเพื่อใหไดผลผลิตของยีนหรือ เอนไซมสามารถแบงไดเปน 2 แบบ คือ 1. แบบที่ควบคุมดวยยีนที่ใหมีการแสดงออกสม่ําเสมอ (constitutive gene regulation) ผลผลิตของยีนเหลานี้ถูกควบคุมดวยยีนที่ควบคุมใหมีการแสดงออกอยางสม่ําเสมอหรือตลอดเวลาในขณะที่ สิ่งมีชีวิตยังมีชีวิตอยู เรียกยีนเหลานี้วา housekeeping gene เชน ยีนที่ควบคุมการสรางเอนไซมที่ใชในการ สลายน้ําตาลกลูโคสทั้งในกระบวนการไกลโคไลซีส วัฏจักรเครบส และการถายทอดอิเล็กตรอน 2. แบบที่ควบคุมเพื่อตอบสนองตอความตองการของเซลลในสภาวะใดหนึ่งสภาวะหนึ่ง (regulated enzyme production) เปนการควบคุมการแสดงออกของยีนเพื่อสังเคราะหโปรตีนหรือ เอนไซมในการตอบสนองตอความตองการของเซลลในสภาวะใดสภาวะหนึ่ง เชน เอนไซม β-galactosidase ใน lac operon จะถูกสรางขึ้นเมื่อภายในเซลลของแบคทีเรียอยูในสภาวะขาดน้ําตาลกลูโคส แตขณะที่ภายใน เซลลมีน้ําตาลแลกโตส ดังนั้นจึงเรียกยีนที่ทําหนาที่ในการควบคุมการแสดงออกในลักษณะนี้วา regulated gene โดยการควบคุมในลักษณะนี้สามารถแบงไดเปน 2 ลักษณะ คือ - Inducible gene expression ยีนในกลุมนี้จะสามารถแสดงออกไดเมื่อภายในเซลลมีตัวเหนี่ยวนําซึ่งเรียกวา inducer เชน เมื่อในเซลลมีน้ําตาลแลกโตส น้ําตาลแลกโตสจะไปเหนี่ยวนําใหมีการแสดงออกของยีน β-galactosidase ใน lac operon เพื่อยอยสลายน้ําลายแลกโตสใหเปนน้ําตาลกลูโคสสําหรับใชเปนแหลงของพลังงาน เปนตน - Repression gene expression ยีนในกลุมนี้จะมีการแสดงออกลดลงเมื่อภายในเซลลมีตัวยับยั้งที่เรียกวา repressor เชน เมื่อในเซลลมีกรดอะมิโนทริปโตเฟนอยูภายในเซลล โมเลกุลของทริปโตเฟนจะทําหนาที่ยับยั้งการแสดงออก ของยีนใน trp operon ทําใหไมมีการเปลี่ยนสาร chorismate ไปเปนกรดอะมิโนทริปโตเฟน เปนตน อยางไรก็ตามการควบคุมการแสดงออกของยีนสามารถควบคุมไดหลายระดับ ทั้งการควบคุม ในระดับของกระบวนการถอดรหัส (transcription) ซึ่งถือวาเปนการควบคุมที่มีความสําคัญที่สุด หรืออาจ ควบคุมในระดับของกระบวนการแปรรหัส (translation) ซึ่งถือวาเปนการควบคุมกระบวนการเมแทบอลิซึม ภายในเซลลของสิ่งมีชีวิต การควบคุมการแสดงออกของยีนในโปรคาริโอตและพันธุวิศวกรรม รศ.ดร.อภิเดช แสงดี และ ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ (Regulation of Gene Expression in Prokaryotes and Genetic Engineering)
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.อภิเดช แสงดี และ ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 214 การควบคุมการแสดงออกของยีนในโปรคาริโอต 1. การควบคุมดวยโปรตีนควบคุม (regulatory protein) มี 2 ชนิด คือ - Repressor ซึ่งจะจับกับยีนบริเวณ promoter ทําใหเกิดการขัดขวางการจับของเอนไซม RNA polymerase กับ promoter ในพวกโปรคาริโอต repressor จะเขาจับบนเสนดีเอ็นเอในตําแหนงที่เรียกวา operator ซึ่งมักอยูใกลหรือครอม (overlap) กับบริเวณ promoter ทําใหขัดขวางการเคลื่อนตัวไปบนเสนดีเอ็นเอ ของเอนไซม RNA polymerase การทํางานในลักษณะนี้เรียกวา negative regulation (ภาพที่ 10.1 a, b) - Activator ซึ่งจะจับใกลกับยีนบริเวณ promoter แลวมีผลทําใหกระตุนการทํางานของ เอนไซม RNA polymerase และจัดเปนการควบคุมแบบ positive regulation โดย activator จะเขาจับบน เสนดีเอ็นเอที่อยูใกลกับ promoter แลวมีผลสงเสริมใหมีการจับของเอนไซม RNA polymerase กับ promoter (ภาพที่ 10.1 c, d) 2. โอเปอรอน (operon) ในแบคทีเรียมียีนสําหรับการสังเคราะหโปรตีนหรือเอนไซมที่ทํางานรวมกันในกระบวนการ เดียวกันและมักจะอยูกันเปนกลุม โดยใช promoter รวมกัน และจะถูกถอดรหัสออกมาพรอม ๆ กันบนเสน mRNA เดียวกัน ซึ่งเรียก mRNA ลักษณะนี้วา polycistronic mRNA และเมื่อเสน polycistronic mRNA เกิดกระบวนการแปลรหัสจะไดโปรตีนออกมาหลายชนิด ซึ่งพบวาพวกโปรคาริโอตจะมีลักษณะของ mRNA เปนแบบ polycistronic จึงทําใหงายตอการควบคุมการแสดงออกของยีน ทั้งนี้เพราะมี promoter และ regulatory unit รวมกัน และเรียกชุดของกลุมยีนที่อยูบนดีเอ็นเอรวมกับ promoter และ regulatory unit วาโอเปอรอน (operon) (ภาพที่ 10.2) ภาพที่ 10.1 การควบคุมการแสดงออกของยีนแบบ negative และ positive regulation (ที่มา: Lehninger et al., 1993)
บทที� 10 การควบคุมการแสดงออกของยีนในโปรคาริโอตและพันธุวิศวกรรม Regulation of Gene Expression in Prokaryotes and Genetic Engineering 215 ภาพที่ 10.2 ลักษณะของโอเปอรอนที่ประกอบดวยชุดของกลุมยีนที่อยูบนดีเอ็นเอรวมกับ promoter และ regulatory unit (ที่มา: Watson et al., 2004) lac operon เปนการควบคุมกระบวนการเมแทบอลิซึมของน้ําตาลแลกโตสในแบคทีเรีย ซึ่งแบคทีเรียจะมีการ นําน้ําตาลแลกโตสเขาสูเซลลโดยอาศัยการทํางานของเอนไซม galactoside permease และเมื่อน้ําตาล แลกโตสเขาสูเซลลแลวจะถูกเอนไซม β-galactosidase สลายเปนน้ําตาลกลูโคสกับกาแลกโตสที่เซลลสามารถ นําไปใชไดตอไป การควบคุม lac operon แบบ negative regulation บน lac operon มียีนสําหรับเอนไซม β-galactosidase (lac Z), galactoside permease (lac Y) และ thiogalactoside transacetylase (lac A) อยูเรียงกัน (ภาพที่ 10.3) และมี promoter และ operator อยูทางดานปลาย 5’ โดยในขณะที่ไมมีน้ําตาลแลกโตส พบวา lac operon จะถูกกด (suppress) ดวย lac repressor ที่เปนผลผลิตของ I gene (ภาพที่ 10.3) ภาพที่ 10.3 การจัดเรียงตัวของยีนบน lac operon และถูกกดการทํางานดวย lac repressor ในสภาพ ที่ไมมีน้ําตาลแลกโตส (ที่มา: Watson et al., 2004) Promoter Operator
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.อภิเดช แสงดี และ ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 216 แตเมื่อมีการนําน้ําตาลแลกโตสเขาสูเซลลและมีการสลายน้ําตาลแลกโตสของเอนไซม β-galactosidase ทําใหได allolactose ซึ่งจะทําหนาที่เปนตัวเหนี่ยวนํา (inducer) ใหเกิดการถอดรหัสเกิดขึ้น โดย allolactose จะเขาจับกับ lac repressor ทําให lac repressor หลุดออกจาก promoter จึงสามารถเกิด การถอดรหัสของยีน lac Z, lac Y และ lac A ที่อยูบน lac operon (ภาพที่ 10.4) จึงเกิดการสังเคราะห เอนไซมใชยอยน้ําตาลแลกโตสตอไป ภาพที่ 10.4 การเหนี่ยวนําของ allolactose ทําใหเกิดการถอดรหัสของยีนบน lac operon (ที่มา: Watson et al., 2004) trp operon ในสภาวะปกติแลวกรดอะมิโนมักจะถูกใชเปนจํานวนมากสําหรับการสังเคราะหโปรตีน โดยยีน ของเอนไซมที่เกี่ยวของกับการสังเคราะหกรดอะมิโนในแบคทีเรีย เชน E. coli มักจะอยูในลักษณะของ operon เชนเดียวกันกับยีนที่เกี่ยวของกับการสลายน้ําตาล ซึ่งเมื่อปริมาณของกรดอะมิโนชนิดใดมีไมเพียงพอ ตอความตองการของเซลลจะมีผลทําใหเอนไซมที่เกี่ยวของกับกรดอะมิโนชนิดนั้น ๆ มีการแสดงออก แตในทาง ตรงกันขามหากมีปริมาณของกรดอะมิโนในปริมาณที่สูง operon ของกรดอะมิโนก็จะถูกยับยั้งไมใหเกิดการ ถอดรหัส โดยถาเซลลเจริญอยูในสภาพที่มีปริมาณ tryptophan เพียงพอ ยีนสําหรับการสังเคราะหเอนไซมใน trp operon ซึ่งประกอบดวยยีนที่กําหนดการสรางเอนไซมจํานวน 5 ชนิด สําหรับทําหนาที่ในการเปลี่ยน chorismate ใหเปน tryptophan จะถูกยับยั้งไมใหมีการแสดงออก โดยการควบคุมการแสดงออกของยีนใน trp operon จะแตกตางจากใน lac operon คือ repressor ของ trp operon จะถูกสรางขึ้นมาไวกอนแตอยู ในสภาพที่ไมสามารถทํางานได เรียกวา aporepressor เมื่อเซลลอยูในสภาวะที่มี tryptophan มากเพียงพอ tryptophan จะเขาจับกับ aporepressor มีผลทําให aporepressor เปลี่ยนไปอยูในรูปที่ทํางานได และจะ ไปเขาจับกับ operator จึงยับยั้งการแสดงออกของ trp operon (ภาพที่ 10.5) แตในทางตรงกันขามถาเซลล อยูในสภาวะที่ไมมี tryptophan โปรตีน repressor จะอยูในสภาพที่ไมทํางาน จึงไมสามารถจับกับ operator ได เปนผลใหเกิดการแสดงออกของยีนใน trp operon ซึ่งจะดําเนินสังเคราะห tryptophan ตอไปจนกระทั่ง ภายในเซลลมีระดับ tryptophan เพียงพอตอความตองการของเซลลเทานั้น (ภาพที่ 10.6) จากนั้นจึงจะมี กลไกอื่นเขามาชวยในการปรับอัตราการแสดงออกของยีนใน trp operon ตอไป
บทที� 10 การควบคุมการแสดงออกของยีนในโปรคาริโอตและพันธุวิศวกรรม Regulation of Gene Expression in Prokaryotes and Genetic Engineering 217 ภาพที่ 10.5 การจัดเรียงตัวของยีนและการควบคุมการแสดงออกของ trp operon (ที่มา: Lehninger et al., 1993)
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.อภิเดช แสงดี และ ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 218 ภาพที่ 10.6 การควบคุมการแสดงออกของ trp operon โดย repressor (ที่มา: จุฑาพร แสงประจักษ, 2554)
บทที� 10 การควบคุมการแสดงออกของยีนในโปรคาริโอตและพันธุวิศวกรรม Regulation of Gene Expression in Prokaryotes and Genetic Engineering 219 การควบคุมการสังเคราะห tryptophan แบบ transcription attenuation การควบคุมการถอดรหัสโดยอาศัยตัวลดหรือการควบคุมแบบ attenuation เปนระบบที่ควบคุม การถอดรหัสหลังจากที่การถอดรหัสไดเริ่มตนไปแลว โดยจะเปนระบบที่ชวยตัดสินใจวาเมื่อใดการสังเคราะห mRNA ของยีนใน trp operon ซึ่งจําเปนสําหรับการสังเคราะหกรดอะมิโนทริปโตฟานควรจะยุติลง การ ควบคุมการถอดรหัสแบบนี้ เกิดขึ้นเฉพาะในเซลลโปรคาริโอตเทานั้น เนื่องจากการแปลรหัสสามารถเกิดขึ้นได ในขณะที่การถอดรหัสกําลังดําเนินอยู trp operon attenuation ประกอบดวยสวนของดีเอ็นเอประมาณ 162 นิวคลีโอไทด ที่ ตําแหนงกอนหนายีนทางดาน 5′ ที่เรียกวา leader region (trp L) (ภาพที่ 12.7) ซึ่ง leader region นี้จะมี สวนของนิวคลีโอไทด 4 บริเวณที่มีเบส G และ C มากเปนพิเศษ (G-C rich) โดยเรียกชื่อเปน sequence 1, 2, 3 และ 4 เรียงลําดับจาก 5′→3′ ตามทิศทางของ coding strand โดยเมื่อบริเวณดังกลาวถูกถอดรหัสไปเปน mRNA ลําดับเบสของนิวคลีโอไทดบน mRNA ในบริเวณ sequence 1 สามารถจับกับ sequence 2 ลําดับ เบสใน sequence 2 สามารถจับกับ sequence 3 และลําดับเบสใน sequence 3 สามารถจับกับ sequence 4 เกิดลักษณะคลายบวง (loop structure) ได เนื่องจากลําดับนิวคลีโอไทดดังกลาวสามารถจับกัน ไดพอดี หรือ complementary กัน ซึ่งถา sequence 3 และ sequence 4 สามารถจับกันเกิดเปนโครงสราง คลายบวงบนสาย mRNA ได จะทําใหเอนไซมอารเอ็นเอโพลีเมอเรสที่กําลังทําหนาที่ถอดรหัสบนสายดีเอ็นเอ หลุดออกไป เปนผลใหการสังเคราะห mRNA ยุติลงทันที (ภาพที่ 12.8) โครงสรางของ sequence 3 และ sequence 4 บนสาย mRNA ที่จับกันเปนบวงจะเรียกวา “โครงสรางตัวลด หรือ attenuator structure” ภาพที่ 10.7 การจัดเรียงตัวของยีนและบริเวณของ Leader (trp L) ของ trp operon (ที่มา: Lehninger et al., 1993) ในภาวะที่เซลลมีกรดอะมิโนทริปโตฟานในระดับสูง การแปลรหัสผาน sequence 1 จะเกิดขึ้น ไดรวดเร็วทําใหไรโบโซมเคลื่อนที่ไปถึง sequence 2 ไดเร็วและมีผลยับยั้ง sequence 2 ไมใหจับกับ sequence 3 ได ดังนั้น sequence 3 จึงมีโอกาสที่จะไปจับกับ sequence 4 แทน แลวเกิดเปน attenuator structure ขึ้นมา ทําใหการสังเคราะห mRNA ยุติลง แตในภาวะที่เซลลมีกรดอะมิโนทริปโตฟานในระดับต่ํา การแปลรหัสผาน sequence 1 จะเกิดขึ้นไดชาเพราะไรโบโซมจะหยุดที่ตําแหนงโคดอนสําหรับแปลรหัสเปน กรดอะมิโนทริปโตฟานเปนเวลานาน เนื่องจากเซลลมี Trp-tRNA Trp ที่จะเขามายังตําแหนง A site ของไรโบโซม ในระดับต่ํา ดังนั้น sequence 2 จึงมีโอกาสจะจับกับ sequence 3 ได ซึ่งการจับกันของ sequence 2 กับ sequence 3 นี้ จะเปนการปองกันไมให sequence 3 ไปจับกับ sequence 4 เกิดเปน attenuator
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.อภิเดช แสงดี และ ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 220 structure ไดนั่นเอง ดวยเหตุนี้การถอดรหัสของยีนใน trp operon จะยังสามารถดําเนินตอไปได เพราะไมมี attenuator structure มาทําใหเอนไซมอารเอ็นเอโพลีเมอเรสหลุดออกจากสายดีเอ็นเอ (ภาพที่ 10.8) ยีนของโปรคาริโอตและไวรัสจะมีสัญญาณหยุดสําหรับการสังเคราะห mRNA บนสายดีเอ็นเอได หลายตําแหนง สัญญาณหยุดเหลานี้มีความแรงไมเทากัน เมื่อเซลลตองการผลิตโปรตีนซึ่งมียีนอยูถัดจาก สัญญาณหยุดของยีนอื่น จะมีโปรตีนที่เรียกวา “antiterminator” เขาจับกับเอนไซมอารเอ็นเอโพลีเมอเรส และดีเอ็นเอแมแบบ เกิดเปนโมเลกุลเชิงซอนที่มีความเสถียรมากขึ้น ทําใหเอนไซมอารเอ็นเอโพลีเมอเรสไม หลุดออกจากสายดีเอ็นเอแมแบบและสามารถสังเคราะห mRNA ผานสัญญาณหยุดได เชน การสังเคราะห mRNA เพื่อเปนแมแบบ สําหรับสังเคราะหโปรตีนของไวรัสชนิด bacteriophage lambda (λ) เปนตน นอกจากนี้ การควบคุมการถอดรหัสโดยใช antiterminator นี้สามารถพบไดในเซลลของยูคาริโอตบางชนิด เชนกัน ภาพที่ 10.8 กลไกการเกิด attenuation ของ trp operon (ก) ในภาวะที่มีระดับทริปโตฟานในเซลลสูง การแปลรหัสผาน sequence 1 จะเกิดขึ้นไดอยาง รวดเร็วทําใหไรโบโซมเคลื่อนที่ไปจับบริเวณ sequence 2 ไดกอนที่จะมีการถอกรหัส sequence 3 เมื่อการถอดรหัสดําเนินตอไปได sequence 3 และ sequence 4 เมื่อ sequence 3 และ sequence 4 จับกันจนเกิดเปน attenuator structure ขึ้น การถอดรหัสจึงยุติลง (ข) ในภาวะที่มีระดับทริปโตฟานในเซลลต่ํา การแปลรหัสผาน sequence 1 จะเกิดขึ้นไดชา เพราะไรโบโซมจะหยุดอยูที่ trp codon ใน sequence 1 เปนเวลานาน ทําให sequence 2 มี โอกาสจับกับ sequence 3 ซึ่งการจับกันนี้จะปองกับไมไห sequence 3 และ sequence 4 จับ กันเกิดเปน attenuator structure ขึ้น ทั้งนี้โครงสรางบวงระหวาง sequence 2 กับ sequence 3 ไมสามารถทําใหการถอดรหัสยุติลงได (ที่มา: จุฑาพร แสงประจักษ, 2554) ก ข
บทที� 10 การควบคุมการแสดงออกของยีนในโปรคาริโอตและพันธุวิศวกรรม Regulation of Gene Expression in Prokaryotes and Genetic Engineering 221 พันธุวิศวกรรม (Genetic engineering) ปจจุบันความรูทางดานชีวโมเลกุลไดกาวหนาไปอยางมาก เทคโนโลยีดีเอ็นเอเปนเทคนิคทางพันธุศาสตร โมเลกุลที่กําลังมีบทบาทสําคัญกับวิชาการสาขาตาง ๆ โครงการวิจัยจีโนมมนุษยไดมีการศึกษาคนควากันอยาง ลึกซึ้ง โครงสรางดีเอ็นเอไดมีการคนควาอยางละเอียด ตลอดจนมีการนําขอมูลที่ไดมาใชประโยชนกันอยาง แพรหลาย เชน ในทางการแพทยทั้งในดานการปองกัน การวินิจฉัย ตลอดจนการรักษาโรค การบําบัดรักษา โรคโดยการแกไขในระดับยีน การตรวจหาความผิดปกติทางพันธุกรรมกอนคลอด หรือการมีบทบาทสําคัญใน ดานการเกษตร โดยเฉพาะในงานปรับปรุงพันธุ ซึ่งถือวาเปนหัวใจสําคัญในการสรางสิ่งมีชีวิตพันธุใหม ใหมี ลักษณะดีตรงตามความตองการของตลาด เชน ผลผลิตสูง หรือรวบรวมลักษณะทางพันธุกรรมที่ดีเดนจาก แหลงตางๆ มาสรางสิ่งมีชีวิตพันธุใหม นอกจากนี้เทคโนโลยีดีเอ็นเอยังสามารถดัดแปลงยีน (gene manipulation) ของสิ่งมีชีวิตและสามารถโยกยายถายเทยีนระหวางสิ่งมีชีวิตตางชนิดกัน ซึ่งโดยธรรมชาติเราไมสามารถผสม พันธุขามชนิดของสิ่งมีชีวิตได จึงเรียกเทคโนโลยีในการจัดการดัดแปลงดีเอ็นเอวา “พันธุวิศวกรรม (genetic engineering)” รวมทั้งการประยุกตใชเทคโนโลยีดีเอ็นเอในดานอื่น ๆ เชน ดานการแพทยและเภสัชกรรม ดานนิติวิทยาศาสตร ดานการเกษตร และดานสิ่งแวดลอม 1. การโคลนดีเอ็นเอ (DNA cloning) การโคลนดีเอ็นเอหรือการโคลนยีน (gene cloning) คือ การตัดตอชิ้นสวนดีเอ็นเอจากโครโมโซม หรือยีนของสิ่งมีชีวิตใด ๆ มาตอกับดีเอ็นเอพาหะ (DNA vector) ในหลอดทดลอง โดยที่ดีเอ็นเอพาหะนี้คือ โมเลกุลดีเอ็นเอซึ่งมีความสามารถที่จะแบงตัวได (replicate) เมื่ออยูในเซลลเจาบาน (host cell) ซึ่งนิยมใช แบคทีเรีย การเชื่อมตอชิ้นสวนของดีเอ็นเอเขากับดีเอ็นเอพาหะนี้ทําใหไดดีเอ็นเอสายผสม (recombinant DNA) เกิดขึ้น และโมเลกุลของดีเอ็นเอสายผสมจะถูกนําเขาไปในเซลลเจาบานซึ่งอาจเปน E. coli, yeast, เซลลสัตว หรือเซลลพืช เมื่อมีการเพิ่มจํานวนของเซลลเจาบานก็จะเปนผลทําใหเกิดการแบงตัวของดีเอ็นเอ สายผสมที่ถูกนําเขาไปในเซลลเจาบานนั้น เปนผลใหมีการเพิ่มจํานวนของสวนของดีเอ็นเอที่นํามาตอกับดีเอ็น เอพาหะนั้นดวย ทําใหสามารถศึกษาสวนของดีเอ็นเอนั้น ๆ ได ขั้นตอนที่สําคัญในการโคลนดีเอ็นเอมีดังนี้ (ภาพที่ 10.9) 1. การเตรียมดีเอ็นเอหรือยีนที่สนใจและการเตรียมดีเอ็นเอพาหะ 2. การเชื่อมตอกันระหวางชิ้นสวนของดีเอ็นเอกับดีเอ็นเอพาหะ 3. การนําดีเอ็นเอสายผสมเขาสูเซลลเจาบาน 4. การคัดเลือกโคโลนีของเซลลเจาบานที่มีสวนของดีเอ็นเอที่ตองการ
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.อภิเดช แสงดี และ ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 222 ภาพที่ 10.9 กระบวนการโคลนดีเอ็นเอ (ที่มา: Marks et al., 1996) ปรากฏการณของโคลนที่สามารถพบเห็นไดในธรรมชาติทั่วไป ไดแก การแตกหนอของยีสต กลวย กลวยไม ไผ ขาว ออย การแตกหัวของวานสี่ทิศ การเกิดไหลของบัวบก การแยกขา ตะไคร ขิงไปปลูก การปกชํา ตอนกิ่ง ติดตา หรือทาบกิ่ง นอกจากนี้ยังมีการโคลนที่ทําเปนการคา เชน การปนตา กลวยไม การ เพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืชเพื่อใหเกิดตนไมจํานวนมาก นักวิทยาศาสตรไดพยายามทดลองการโคลนสัตวตั้งแตป ค.ศ. 1952 Robert Briggs และ Thomas King ไดยายนิวเคลียสของเซลลกบที่เปนตัวออนระยะบลาสทูลา (blastula) ใสในไขกบที่เอา นิวเคลียสออกแลว พบวา สามารถสรางลูกออดไดเปนจํานวนมาก จากนั้นมีการโคลนกบโดยใชเซลลลําไสกบ จากตัวออนระยะบลาสทูลาเปนเซลลแมแบบ จนกระทั่งป ค.ศ. 1997 Ian Wilmut ประสบความสําเร็จในการโคลนสัตวเลี้ยงลูกดวยนม สามารถโคลนแกะที่ชื่อวา ดอลลี่ (Dolly) ไดครั้งแรกของโลก โดยนําเซลลแมแบบมาจากผิวหนังบริเวณเตานม ของแกะพันธุฟนน ดอรเซต (finn dorset) อายุ 6 ป ที่กําลังตั้งทองมาเพาะเลี้ยงในหองปฏิบัติการจนไดเซลล จํานวนมากกอน จากนั้นก็นําเซลลไขมาจากแกะพันธุหนาดํา (blackface ewe) โดยเก็บมาจากทอนําไขของ แกะเพศเมีย หลังจากฉีดฮอรโมนกระตุนการสรางไขและการตกไข (Gonadotropin-releasing hormone, GnRH) 28-33 ชั่วโมง นํามาดูดเอานิวเคลียสออก แลวนํามาหลอมรวมกับเซลลตนแบบ โดยใชวิธีกระตุนดวย กระแสไฟฟา (electric pulse) ทําใหไขที่ไดรับนิวเคลียสใหมกลายเปนตัวออน ซึ่งสามารถเจริญพัฒนาตอไป ไดตามปกติ (ภาพที่ 10.10)
บทที� 10 การควบคุมการแสดงออกของยีนในโปรคาริโอตและพันธุวิศวกรรม Regulation of Gene Expression in Prokaryotes and Genetic Engineering 223 ภาพที่ 10.10 การโคลนแกะดอลลี่โดยใชเทคนิคการแยกนิวเคลียส (ที่มา: Audesirk and Audesirk, 1999) 2. ลายพิมพดีเอ็นเอ (DNA fingerprint) ลายพิมพดีเอ็นเอ (DNA fingerprint) คือ แถบของดีเอ็นเอที่เกิดจากการตรวจสอบดีเอ็นเอมี ลักษณะเหมือนบารโคด (barcode) (ภาพที่ 10.11) และมีลักษณะเฉพาะตัว ทําสําเร็จครั้งแรก ป ค.ศ. 1958 โดย Alec Jeffreys และคณะ แหงมหาวิทยาลัยเลสเตอร ประเทศอังกฤษ ไดจัดทํารูปแบบของแถบดีเอ็นเอ จากเทคนิคตาง ๆ โดยการสกัดดีเอ็นเอจากเนื้อเยื่อตาง ๆ ของรางกาย ที่นิยมใชคือเซลลเม็ดเลือดขาว เนื่องจากสามารถสกัดดีเอ็นเอไดจํานวนมาก นํามาตรวจสอบโดยการตัดดีเอ็นเอดวยเอนไซมตัดจําเพาะ (restriction enzyme) แยกขนาดดีเอ็นเอวิธีเจลอิเล็กโทรโฟเรซิส (gel electrophoresis) ทําใหเกิดลายพิมพ ดีเอ็นเอที่แตกตางกัน
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.อภิเดช แสงดี และ ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 224 ภาพที่ 10.11 ลายพิมพดีเอ็นเอของคน 8 คน มีลักษณะเหมือนบารโคดและมีลักษณะเฉพาะตัว (ที่มา: วิชัย บุญแสง, 2541) 3. การประยุกตใชเทคโนโลยีดีเอ็นเอ นักวิทยาศาสตรไดนําเทคโนโลยีดีเอ็นเอไปประยุกตใช ประโยชนในดานตาง ๆ มากมาย ไดแก - ดานการศึกษาวิจัย เทคโนโลยีดีเอ็นเอสามารถนํามาใชในการศึกษาวิจัย เพื่อวิเคราะหตรวจสอบสารชีวโมเลกุล ตาง ๆ โดยเฉพาะดีเอ็นเอและอารเอ็นเอ ทําใหสามารถอธิบายกลไกตาง ๆ ในเซลลสิ่งมีชีวิต เชน การ แสดงออกของยีน สวนของดีเอ็นเอที่ควบคุมการแสดงออกของยีน การทํางานของยีนและเอนไซมบางชนิดใน เซลลและวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต เปนตน - ดานอุตสาหกรรม วัตถุประสงคประการหนึ่งของการโคลนยีน คือ การใหยีนแสดงออกหรือสรางผลผลิตไดใน เซลลผูรับ ผลผลิตที่ไดนี้สามารถนํามาใชประโยชนและผลิตเปนอุตสาหกรรมได เชน การผลิตสารที่เปน สวนผสมในอาหาร ผลิตโปรตีนเซลลเดี่ยว (single cell protein) การผลิตเนยแข็งโดยใชเอนไซมโคโมซินจาก ยีสตที่ผานการตัดตอยีน (ภาพที่ 10.12) นอกจากนี้เทคโนโลยีดีเอ็นเอสามารถนําไปใชในอุตสาหกรรมอื่น ๆ เชน การผลิตฮอรโมนอินซูลิน (insulin) โดยการโคลนยีนแบคทีเรีย E. coli (ภาพที่ 10.13) ใชรักษาคนที่เปน โรคเบาหวาน สมัยกอนใชอินซูลินที่สกัดจากวัวหรือหมู ตองฆาหมูหรือวัวหลายพันตัวเพื่อจะชวยชีวิตคนเพียง คนเดียว นอกจากนี้อินซูลินที่สกัดจากวัวหรือหมูมีขอเสียที่อาจทําใหเกิดอาการแพในบางคน การผลิตฮอรโมน เรงการเจริญเติบโตของคนนําไปใชรักษาเด็กที่เปนโรคเตี้ยแคระทางพันธุกรรม (hypopituitary dwarfism) ใน อดีตใชฮอรโมนที่สกัดจากตอมใตสมองของคนที่ตายแลวจํานวนกวา 70 คน สําหรับรักษาเด็ก 1 คน คาใชจาย ในการรักษาจึงสูงมาก นอกจากนี้การสกัดฮอรโมนจากคนตาย บางครั้งอาจเกิดการปนเปอนจากสารอื่นที่ กอใหเกิดอันตรายตอสมองผูรับไดการผลิตฮอรโมนโดยการโคลนยีนจะมีประสิทธิภาพ ปลอดภัย และเสีย คาใชจายนอยกวา
บทที� 10 การควบคุมการแสดงออกของยีนในโปรคาริโอตและพันธุวิศวกรรม Regulation of Gene Expression in Prokaryotes and Genetic Engineering 225 ภาพที่ 10.12 การผลิตเอนไซมโคโมซินจากยีสตที่ผานกระบวนการตัดตอยีน (ที่มา : นเรศ ดํารงชัย, 2543) ภาพที่ 10.13 การผลิตฮอรโมนอินซูลินโดยการโคลนยีนในแบคทีเรีย E. coli (ที่มา : Singer and Berg, 1991) - ดานการเกษตร การเกษตรในปจจุบันมีการนําเทคโนโลยีดีเอ็นเอเขามาใชในการปรับปรุงพันธุพืชและสัตว ทําใหเกิดพืชและสัตวดัดแปลงพันธุกรรม ตัวอยางพืชดัดแปลงพันธุกรรม เชน การสรางพืชพวกยาสูบ แตงกวา และสม ที่สามารถตานทานตอสภาพแหงแลง ตานทานสภาพดินเปรี้ยวหรือดินเค็ม ตานทานตอไวรัสที่ทําให เกิดโรคตาง ๆ สรางพืชที่สามารถตรึงไนโตรเจนจากบรรยากาศได การควบคุมการสุกของพืชพวกมะเขือเทศ การสรางพืชตานแมลงโดยถายยีนที่ควบคุมการสรางสารพิษจากแบคทีเรีย Bacillus thuringiensis เขาสูตน
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.อภิเดช แสงดี และ ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 226 พืช เชน ยาสูบ มะเขือเทศ ฝาย และขาวโพด เมื่อแมลงกินใบพืชที่มียีนนี้แมลงก็จะตาย หรือการสรางพืชที่มี คุณคาทางอาหารมากขึ้น เชน การสรางพันธุขาวที่เพิ่มธาตุเหล็ก (iron) และวิตามินเอ (betacarotene) โดย การตัดตอยีน (ภาพที่ 10.14) ภาพที่ 10.14 การสรางสายพันธุขาวที่เพิ่มธาตุเหล็กและวิตามินเอ (ที่มา : Raven and Johnson, 2002) - ดานสิ่งแวดลอม การใชเทคนิคทางพันธุวิศวกรรมสรางแบคทีเรียที่สามารถยอยสลายสารอินทรียและของ เสียในสิ่งแวดลอม หรือเปลี่ยนสารอินทรียใหเปนแอลกอฮอล หรือสรางแบคทีเรียที่มีพลาสมิดซึ่งสามารถยอย สลายองคประกอบที่อยูในผลิตภัณฑปโตรเลียม เพื่อนําไปถายใหแบคทีเรียที่อยูในทะเล ทําใหสามารถขจัด คราบน้ํามันในน้ําได หรือการสรางแบคทีเรียที่ทําลายยุง แบคทีเรียกําจัดพลาสติก เปนตน - ดานการแพทย ปจจุบันความผิดปกติทางพันธุกรรมจํานวนมากเกิดจากความผิดปกติของยีน จึงทําใหเกิด ความคาดหวังในการนําเทคโนโลยีดีเอ็นเอมาใชทางการแพทย โดยเฉพาะในเรื่องของการทําแผนที่ยีนของ มนุษย เพื่อใหรูจักยีนทั้งหมดวามียีนใดอยูตรงไหน ทําหนาที่อะไร มีอิทธิพลตอรางกายอยางไร มีประโยชนใน การตรวจวินิจฉัย แกไขปญหาหรือรักษาโรคดวยพันธุกรรมบําบัดหรือยีนบําบัด (gene therapy) นอกจากนี้ในทางนิติเวช สามารถใชเทคโนโลยีการตรวจลายพิมพดีเอ็นเอพิสูจนความสัมพันธทาง สายเลือด เชน กรณีการพิสูจนความเปนพอแมลูก และใชเปนหลักฐานในทางศาลไดดวย เนื่องจากอาศัยความ จริงที่วาลูกตองไดรับดีเอ็นเอจากพอและแมอยางละครึ่ง หลักการนําลายพิมพดีเอ็นเอมาแปลผล คือ เมื่อ เปรียบเทียบลายพิมพดีเอ็นเอของลูกกับพอแม ลายพิมพดีเอ็นเอของลูกตองประกอบดวยแถบดีเอ็นเอที่มาจาก พอและแมเทานั้น หากพบวาแถบดีเอ็นเอของลูกแมเพียง 1 แถบไมตรงกับพอหรือแม สามารถสรุปไดทันทีวา ไมมีความสัมพันธระหวางพอและลูก หรือแมและลูก (ภาพที่ 10.15)
บทที� 10 การควบคุมการแสดงออกของยีนในโปรคาริโอตและพันธุวิศวกรรม Regulation of Gene Expression in Prokaryotes and Genetic Engineering 227 ภาพที่ 10.15 ลายพิมพดีเอ็นเอโดยใชดีเอ็นเอตรวจสอบ (1 =แม, 2 = ลูก และ 3 = พอ) (ก) มีความสัมพันธเพราะแถบดีเอ็นเอของลูกทุกแถบตรงกับของพอและแม (ข) ไมมีความสัมพันธเพราะดีเอ็นเอของลูกจํานวน 6 แถบ (ลูกศรแนวตั้ง) ไมพบในพอและแม แถบดีเอ็นเอที่เหลือตรงกับแถบดีเอ็นเอของแมบางแถบ แตไมตรงกับของพอ แสดงวาไมใชพอลูกกัน (ที่มา: วิชัย บุญแสง, 2541)
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.อภิเดช แสงดี และ ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 228 คําถามทายบท 1. อธิบายแบบจําลองของโอเปอรอน (operon) เพื่อควบคุมการสังเคราะหเอนไซมตาง ๆ ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 2. อธิบายโครงสรางของ lac operon ……………………………………………………………………………………………………………...………………………………………… ……………………………………………………………………………...………………………………………………………………………… …………………………………………..………................................................................................................................... ........................................................................................................................... 3. ถาเซลลมีปริมาณ tryptophan เพียงพอ ยีนใน trp operon จะตอบสนองตอสภาพนี้อยางไร ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 4. อธิบายขั้นตอนที่สําคัญในการโคลนดีเอ็นเอ ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 5. อธิบายกระบวนการโคลนแกะดอลลี่ ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………
บทที� 10 การควบคุมการแสดงออกของยีนในโปรคาริโอตและพันธุวิศวกรรม Regulation of Gene Expression in Prokaryotes and Genetic Engineering 229 บรรณานุกรม จุฑาพร แสงประจักษ. 2554. เอกสารประกอบการสอนวิชาพันธุศาสตรโมเลกุล. ภาควิชาชีววิทยา คณะ วิทยาศาสตร มหาวิทยาลัยมหาสารคาม. นเรศ ดํารงชัย. 2543. สถานภาพ GMOs ในประเทศไทย. สํานักงานพัฒนาวิทยาศาสตรและเทคโนโลยี แหงชาติ, กรุงเทพมหานคร. ไพศาล เหลาสุวรรณ. 2535. พันธุศาสตร. พิมพครั้งที่ 3. ไทยวัฒนาพานิช, กรุงเทพมหานคร. วิชัย บุญแสง. 2541. ลายพิมพดีเอ็นเอ: จากสารพันธุกรรมสูเทคโนโลยีพิสูจนบุคคล. โครงการสํานักพิมพ และศูนยสิ่งพิมพอิเล็กทรอนิคส สวทช./มหาวิทยาลัย สถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร และเทคโนโลยีไทย สํานักงานพัฒนาวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีแหงชาติ, กรุงเทพมหานคร. วิสุทธิ์ ใบไม. 2536. พันธุศาสตร. พิมพครั้งที่ 3. คณะวิทยาศาสตร มหาวิทยาลัยมหิดล, กรุงเทพมหานคร. Lehninger A, Nelson D and Cox M. 1993. Principle of Biochemistry 2nd ed. New York, Worth publishers. Lewin B. 1997. Gene X. Oxford University Press, New York, USA. Meyers R.A. 1995. Molecular Biology and Biotechnology. VCH Publishers, Inc. Nelson D, Cox M. and Lehninger A. 2000. Principle of Biochemistry 3rd ed. New York, Worth publishers. Russell P.J. 1996. Genetics 4th ed. New York, HarperCollins College Publishers. Russell P.J. 2000. Fundamental of Genetics 2nd ed. San Francisco, Addison Wesley Longman. Inc. Snyder L. and Champness W. 1997. Molecular Genetics of Bacteria. Washington, D.C., ASM Press Stryer L. 2002. Biochemistry 5th ed. New York, W.H. Freeman and Company. Watson D.J. Baker A.T. Bell P.S. Gann A. and Losick R. 2004. Molecular Biology of the Gene. 5th Edition. The Benjamin Cummings Publishing Co, California, USA. Weaver R.F. and Hedrick P.W. 1989.Genetics 2nd ed. Hans & Cassady, Inc. Winter P.C. Hickey G.I. and Fletcher H.L. 1998. Instant Notes in Genetics. BIOS Scientific Publishers Limited.
ชีววิทยา 2 [Biology 2] ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มมส. ผศ.ดร.อภิเดช แสงดี และ ผศ.ดร.จุฑาพร แสงประจักษ์ 230