จีโนมของสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ

 จากความรู้เกี่ยวกับหน้าที่ของยีน ตำแหน่งของยีน ความผิดปกติของยีน และความสามารถในการซ่อมแซมยีนที่ผิดปกติ นักวิทยาศาสตร์ได้นำความรู้เหล่านี้ไปประยุกต์ใช้ โดยพยายามเลียนแบบธรรมชาติ เพื่อแก้ไขหรือเปลี่ยนแปลงบางส่วนของโครโมโซม บางส่วนของยีน และจุดบกพร่องของยีนนั้นๆ หรือโปรตีนที่มีหน้าที่เกี่ยวข้องกับยีน นอกจากนี้ยังมีการนำ DNA ที่แยกออกมาได้ มาทำการหาลำดับของเบส และนำไปตัดต่อเพื่อให้ได้ชิ้นส่วนขนาดต่างๆ ซึ่งจะทำให้สามารถหาเอกลักษณ์ของสิ่งที่มีชีวิตนั้นๆ และหาความสัมพันธ์ระหว่างลักษณะของยีน ตำแหน่งของยีน หรือความบกพร่องซึ่งเกิดจากการแสดงออกของยีนในโครโมโซมต่าง ๆ 

จากความรู้เรื่องสารพันธุกรรม โครโมโซม ยีน และการแสดงออกของยีน ที่ผ่านมา ทำให้ทราบว่าสารพันธุกรรมประกอบกันขึ้นเป็นโครโมโซม โดยบนโครโมโซมมียีนกระจายตัวอยู่ทั่วไป ซึ่งยีนแต่ละชนิดก็มีการลอกแบบ การแสดงออกในขั้นตอนคัดลอก และแปลรหัส เพื่อให้ได้โปรตีนที่แตกต่างกันไว้ใช้ในกิจกรรมต่างๆของเซลล์ สารพันธุกรรมทั้งหมดที่มีอยู่ในเซลล์เรียกว่าจีโนม

          จีโนมคือมวลสารพันธุกรรมทั้งหมดที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิตอย่างปกติของสิ่งมีชีวิต ซึ่งในกรณีของสิ่งมีชีวิตชั้นสูง จีโนมก็คือ ชุดของ DNA ทั้งหมดที่บรรจุอยู่ในนิวเคลียสของทุก ๆ เซลล์นั่นเอง จึงมีคำกล่าวว่า จีโนมคือ "แบบพิมพ์เขียว" ของสิ่งมีชีวิต ในจีโนมของพืชและสัตว์นั้น นอกจาก DNA ส่วนที่เก็บรหัสสำหรับสร้างโปรตีนที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิตของเซลล์ ซึ่งเรียกกันว่ายีน (gene) แล้ว ยังมีส่วนของ DNA ที่ไม่ใช่ยีน และยังไม่ทราบหน้าที่ที่แน่ชัดทั้งหมด แต่ในการศึกษาจีโนมนั้นต้องศึกษาทั้งหมด ทั้งส่วนที่เป็นยีนและไม่ใช่ยีน

          จีโนมของสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ จะมีขนาดแตกต่างกัน ทั้งนี้ไม่ขึ้นกับขนาดและรูปร่างของสิ่งมีชีวิต เช่น

• จีโนมมนุษย์ประกอบด้วยโครโมโซม 23 คู่ หรือ 46 แท่ง แบ่งเป็น 2 ชุด คือได้มาจากพ่อและแม่อย่างละชุด ใน 1 ชุดจีโนมของคน มีปริมาณ DNA ประมาณ 3 พันล้านคู่เบส หรือ 3 จิกะเบส (Gb) อยู่ในนิวเคลียส และอีกเล็กน้อยในไมโตคอนเดรีย
• ในพืชพวกหอมหัวใหญ่ มีจีโนมขนาด 15 จิกะเบส อยู่ในนิวเคลียส และอีกเล็กน้อยในไมโตคอนเดรียรวมทั้งคลอโรพลาสต์
• ในแบคทีเรีย E. coli จีโนมมีขนาดเล็ก 4 ล้านคู่เบส (4 เมกะเบส) อยู่ในไซโตพลาซึม
• ไวรัส เช่น ฝาจแลมบ์ดามีจีโนมขนาด 50 กิโลเบส อยู่ในอนุภาค เป็นต้น (ภาพที่ 4.1)

ภาพที่ 4.1 จีโนมขนาดต่างๆ ซึ่งบรรจุอยู่ภายในเซลล์ ออแกเนลล์ และอนุภาคของสิ่งมีชีวิต

คำถาม :

ถ้าหากโครโมโซมของแบคทีเรียเส้นหนึ่งมีขนาดยาว 1000 ไมโครเมตร (µm) และสามารถลอกแบบตัวเองได้ภายใน 5 นาที จะต้องคลายเกลียวด้วยอัตราเร็วกี่รอบต่อนาที (ความยาว 1 รอบของ DNA แบบ B คือ 34 อังสตรอม หรือ 3.4 นาโนเมตร)

          จากการที่เราทราบรายละเอียดของจีโนมในสิ่งมีชีวิตต่างๆ ทำให้สามารถนำมาประยุกต์ใช้ประโยชน์ได้หลากหลาย อาทิเช่น การตัดต่อยีนจากสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่ง แล้วถ่ายเข้าไปในสิ่งมีชีวิตอีกชนิดหนึ่ง หรือชนิดเดียวกันเพื่อให้เกิดการแสดงออกของยีนนั้นในสิ่งมีชีวิตที่ถูกถ่ายยีนเข้าไป จัดเป็นกระบวนการทางพันธุวิศวกรรม (genetic engineering) อย่างหนึ่ง ซึ่งต้องอาศัยเทคนิคการเชื่อมดีเอนเอเข้าด้วยกัน เรียก 'เทคโนโลยีการตัดต่อดีเอนเอ' (recombinant DNA technology) ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป

          ความรู้เรื่องจีโนมยังสามารถนำมาประยุกต์ใช้เพิ่มปริมาณสารพันธุกรรมได้ด้วยการโคลนนิ่ง (cloning) ทั้งภายในเซลล์และนอกเซลล์ โดยใช้เทคนิคพีซีอาร์ (PCR ; Polymerase Chain Reaction) และตรวจสอบสารพันธุกรรมที่ต้องการด้วยวิธีไฮบริไดเซชัน (hybridization) ซึ่งทำให้เกิดการพัฒนามาสู่วิธีตรวจหาลายพิมพ์ดีเอนเอ (DNA fingerprint) หลากหลายรูปแบบ ซึ่งจะทำให้ระบุจีโนไทป์ของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดได้ นอกจากนี้ยังมีการสร้างสิ่งมีชีวิตดัดแปลงสารพันธุกรรม หรือจีเอ็มโอ (GMO ; Genetically Modified Organism) โดยการตัดต่อ และถ่ายยีน เพื่อให้ได้ผลผลิตตามต้องการ รวมทั้งการทำในมนุษย์ด้วย โดยเป็นลักษณะของการรักษาโรคทางพันธุกรรมด้วยยีนบำบัด (gene therapy)

          การนำความรู้เรื่องจีโนมมาประยุกต์ใช้ในงานด้านต่างๆดังที่กล่าวมาข้างต้นจะอธิบายในรายละเอียดดังต่อไปนี้

์

          ดีเอนเอตัดต่อใหม่เกิดจากเทคนิคการเชื่อมต่อ DNA จากคนละแหล่งเข้าด้วยกัน เพื่อถ่ายเข้าสู่เซลล์ที่ต้องการ (เรียกเซลล์เจ้าบ้าน หรือ host cell) แล้วทำให้เกิดการแสดงออกของ DNA ที่ถ่ายเข้าไป โดย DNA ที่ใช้เชื่อมต่อนี้จะมี 2 ส่วน คือ DNA เป้าหมายที่ต้องการให้เกิดการแสดงออก และ DNA พาหะ (vector DNA) ซึ่งมีหลายชนิด เช่น พลาสมิดของแบคทีเรีย DNA หรือ RNA ของไวรัส รวมทั้งโครโมโซมของยูคาริโอต DNA พาหะจะทำหน้าที่พา DNA เป้าหมายเข้าสู่เซลล์เจ้าบ้าน และช่วยให้เกิดการลอกแบบ ถอดรหัส และแปลรหัส
          

          ในการเชื่อม DNA 2 ส่วนเข้าด้วยกัน จะอาศัยเอนไซม์ 2 ชนิด คือ เอนไซม์ตัดจำเพาะ (restriction endonuclease) ซึ่งทำหน้าที่ตัดพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ของดีเอนเอที่ตำแหน่งจำเพาะของเอนไซม์แต่ละชนิด (ภาพที่ 4.2) และเอนไซม์ไลเกส ซึ่งทำหน้าที่เชื่อมให้เกิดพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ของ DNA เป้าหมายกับ DNA พาหะ (ภาพที่ 4.3)

ภาพที่ 4.3 การเชื่อม DNA เป้าหมายเข้ากับเวคเตอร์

          การเพิ่มยีนที่เหมือนกันให้มีจำนวนมากขึ้น หรือที่เรียกว่า 'การทำโคลน' (cloning) ของยีนนั้น เราใช้วิธีการที่เรียกว่า 'โพลีเมอเรสเชนรีแอกชั่น' (polymerase chain reaction) คือการใช้เอนไซม์ ดีเอนเอโพลิเมอเรสในการเพิ่มจำนวนยีน

          โคลนนิ่งเป็นการถ่าย DNA เป้าหมายเข้าสู่เซลล์เจ้าบ้าน (มีหลายวิธีเช่น ใช้สารเคมี ความร้อน หรือกระแสไฟฟ้า กระตุ้นให้ผิวเซลล์เจ้าบ้านมีคุณสมบัติยอมให้ DNA เป้าหมายผ่านเข้าได้ หรือใช้เข็มฉีดเข้าไปโดยตรง) แล้วทำการเพิ่มปริมาณของ DNA เป้าหมาย การถ่าย DNA เข้าไปในเซลล์เจ้าบ้าน (ภาพที่ 4.4 และ 4.5) ถ้าเป็น DNA ทั้งนิวเคลียส ก็ไม่ต้องตัดต่อเข้ากับเวคเตอร์ สามารถฉีดนิวเคลียสเข้าไปในเซลล์ได้โดยตรง

          การเพิ่มปริมาณ DNA เป้าหมาย หรือยีนในเซลล์ผู้รับ หลังจากที่ตัดต่อและถ่ายเข้าไปแล้ว ถ้าเป็นในเซลล์แบคทีเรีย สามารถทำได้โดยเลี้ยงแบคทีเรียในอาหารเพาะเลี้ยงเชื้อ เพื่อให้ได้หลายโคโลนี หากทำในเซลล์พืชหรือสัตว์ ก็สามารถเลี้ยงเซลล์นั้นในอาหารเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อได้ นอกจากนั้นยังสามารถทำให้เกิดการพัฒนาเป็นต้นอ่อนหรือตัวอ่อน (embryo) และตัวโตเต็มวัยได้ด้วย

ภาพที่ 4.4 การโคลนยีนในแบคทีเรียโดยใช้พลาสมิดเป็นเวคเตอร์

ภาพที่ 4.5 การโคลนยีนในพืชโดยใช้พลาสมิดเป็นเวคเตอร์

์

          พีซีอาร์ คือเทคนิคการเพิ่มปริมาณสารพันธุกรรมภายนอกเซลล์ (ภาพที่ 4.6) โดยเลียนแบบกระบวนการจำลอง DNA ภายในเซลล์

          การเพิ่มปริมาณ DNA ในกระบวนการพีซีอาร์ แบ่งเป็น 3 ขั้นตอนคือ

          เจลอิเลคโตรโฟรีซิส เป็นการแยกสารพันธุกรรมหรือโปรตีนโดยใช้กระแสไฟฟ้าเป็นตัวทำให้โมเลกุลเคลื่อนที่ไปในชิ้นวุ้น โมเลกุลที่มีประจุเหมือนกันจะเคลื่อนรวดเร็วแตกต่างกัน โดยโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่เทอะทะ จะเคลื่อนที่ได้ช้ากว่าโมเลกุลที่มีขนาดเล็กหรือโมเลกุลที่รูปร่างเพรียวกว่า เช่น DNA ที่มีน้ำหนักโมเลกุลเท่ากัน DNA ที่เป็นซูเปอร์คอยล์จะเคลื่อนที่เร็วกว่า DNA ที่เป็นเส้นตรง และ DNA ที่เป็นเส้นตรงก็ยังเคลื่อนที่ได้เร็วกว่า DNA ที่เป็นวงแหวนปกติ (relaxed circular DNA) 

          การทำเจลอิเลคโตรโฟรีซิสเพื่อแยก DNA (ภาพที่ 4.7) ทำได้โดยเตรียมชิ้นวุ้นที่มีชนิดและขนาดของรูพรุนตามความเหมาะสม จากนั้นใส่ DNA ลงไปด้านบนของชิ้นวุ้น แล้วนำไปแช่ในสารละลาย จากนั้นเปิดกระแสไฟฟ้า DNA แต่ละชิ้นจะเคลื่อนที่จากประจุลบไปยังประจุบวก ด้วยความเร็วที่ต่างกัน (ขึ้นกับขนาดและรูปร่างของดีเอนเอ) เมื่อปิดกระแสไฟฟ้า ก็จะได้โมเลกุลของ DNA แต่ละชิ้น อยู่ที่ตำแหน่งต่างกันในชิ้นวุ้น จากนั้นนำชิ้นวุ้นไปแช่ในสารละลายเอธิเดียมโบรไมด์ แล้วนำไปส่องด้วยแสงอุลตราไวโอเลต จะเห็นแถบ DNA ขนาดต่างๆ เพราะเอธิเดียมโบรไมด์ที่จับกับ DNA จะเรืองแสง ทำให้มองเห็นได้ชัดเจน การทำอิเลคโตรโฟรีซิส ทำให้สามารถระบุได้ว่า DNA แต่ละชิ้นมีขนาดเท่าใด โดยเทียบกับโมเลกุล DNA ที่ทราบขนาด (DNA marker)  

ภาพที่ 4.7 การทำเจลอิเลคโตรโฟรีซิสแยกขนาด DNA

         เป็นเทคนิคที่ต้องอาศัยการทำเจลอิเลคโตรโฟรีซิสมาก่อน แล้วย้ายสารพันธุกรรมหรือโปรตีนจากชิ้นวุ้น มายังแผ่นเมมเบรน เพื่อตรวจสอบว่าสารพันธุกรรมหรือโปรตีนที่ต้องการทราบนั้นเป็นประเภทใด ในการตรวจสอบ DNA จะอาศัยการจับกันของเบสระหว่าง DNA ที่ต้องการทราบ กับเบสบนสายDNA หรือ RNA ของตัวตรวจสอบ (probe) ซึ่งมีขนาดสั้นๆ และทราบลำดับเบสแล้ว (ตัวตรวจสอบจะติดฉลากกัมมันตรังสี หรือสารเรืองแสงเอาไว ้เพื่อให้มองเห็นได้เมื่อใช้ฟิล์มเอ็กซ์เรย์ทาบในขั้นตอนสุดท้าย)

         เช่น หากต้องการทราบว่า DNA ชิ้นหนึ่งเป็นยีน A หรือไม่ ก็นำตัวตรวจสอบที่เป็นยีน A (หรือ mRNA ของยีน A) กับ DNA ชิ้นนั้น มาทำให้เสียสภาพเป็นสายเดี่ยวก่อน แล้วทำการไฮบริไดซ์ คือให้ DNA สายเดี่ยวจับ DNA หรือ RNA อีกสายหนึ่งที่เป็นตัวตรวจสอบ จากนั้นตรวจผลโดยใช้ฟิล์มเอ็กซ์เรย์ทาบ (เรียกเทคนิคออโตเรดิโอการฟี ; autoradiography) หากปรากฏแถบสีดำขึ้น แสดงว่าตัวตรวจสอบสามารถจับกับ DNA ชิ้นนั้นได้ DNAชิ้นดังกล่าวจึงน่าจะเป็นยีน A การทำไฮบริไดเซชันเพื่อตรวจหา DNA ลักษณะนี้เรียกว่า เซาท์เธิร์นบลอทไฮบริไดเซชัน (ภาพที่ 4.8)

ภาพที่ 4.8 การทำเซาท์เธิร์นบลอทไฮบริไดเซชัน (Southern Blot Hybridization)

           ปัจจุบันนี้ มีการใช้ลายพิมพ์ DNA ของคน ในการพิสูจน์ความสัมพันธ์ระหว่าง พ่อ แม่ ลูก รวมถึงการรับมรดก และพิสูจน์หลักฐานทางอาชญากรรม และยังใช้ลายพิมพ์ DNA ในการบอกเอกลักษณ์ของพืช และสัตว์เศรษฐกิจ และยังใช้ในการพิสูจน์ความสัมพันธ์ทางเผ่าพันธุ์และวิวัฒนาการของสัตว์และพืชด้วย

           ลายพิมพ์ DNA คือลำดับเบสที่เป็นเอกลักษณ์ในสิ่งมีชีวิตแต่ละตัวตน หรือบุคคล วิธีตรวจหาลายพิมพ์ DNA มีหลายประเภทเช่น RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism), RAPD (Rapid Amplified Polymorphic DNA), minisatellite DNA และ microsatellite DNA เป็นต้น วิธีตรวจลายพิมพ์ DNA แบบ RFLP (ภาพที่ 4.9) สามารถใช้ระบุความแตกต่างหรือความเหมือนของ DNA จากคนละแหล่งได้ โดยใช้เอนไซม์ตัดจำเพาะตัดดีเอนเอจากทั้ง 2 แหล่ง (หรือหลายแหล่ง) แล้วนำมาทำเจลอิเลคโตรโฟรีซิส ต่อด้วยเซาท์เธิร์นบลอทไฮบริไดเซชัน จากนั้นตรวจผล โดยเปรียบเทียบรูปแบบของแถบ DNA ที่เกิดขึ้นว่าเหมือนหรือต่างกันอย่างไร วิธีการนี้สามารถใช้ตรวจหาผู้ต้องสงสัยที่กระทำผิดได้ โดยเก็บตัวอย่าง DNA จากสถานที่เกิดเหตุมาตรวจเปรียบเทียบกับ DNA ของผู้ต้องสงสัยโดยการเจาะเลือด

          ลายพิมพ์ DNA จากการทำ RFLP ของสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ สามารถบ่งบอกเอกลักษณ์ของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดได้ จากรูปแบบของแถบที่ปรากฏ

ภาพที่ 4.9 การตรวจลายพิมพ์ DNA ด้วยวิธี RFLP

          จีเอ็มโอ หรือสิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรม เป็นผลมาจากการใช้เทคนิคการตัดต่อสายดีเอนเอ (DNA recombination) ร่วมกับการโคลน (cloning) ทำให้ได้สิ่งมีชีวิตที่มีคุณสมบัติตามที่มนุษย์ต้องการ เช่น สร้างพืชต้านทานแมลง โดยใช้ยีนที่สร้างสารพิษประเภทโปรตีนจากแบคทีเรียสกุลบาซิลลัส (Bacillus thuringienis) การสร้างพืชดัดแปลงพันธุกรรม (ภาพที่ 4.10) ซึ่งเป็นพิษต่อแมลงแต่ไม่เป็นพิษต่อพืช ถ่ายเข้าไปในพืชหลายชนิด เช่น ยาสูบ มะเขือเทศ มันฝรั่ง ฝ้าย ข้าวโพด เมื่อแมลงมากินพืชที่ได้รับยีนนี้เข้าไปจะตาย พืชดังกล่าวจึงไม่ถูกแมลงกิน ขณะที่พืชชนิดเดียวกันที่ไม่ได้รับยีนจะถูกแมลงกินได้

          นอกจากนั้น จีเอ็มโอยังใช้ประโยชน์ในการสร้างพืชให้มีคุณค่าทางโภชนาการเพิ่มขึ้นได้ เช่น ข้าวที่มีวิตามินเอ ถั่วเหลืองที่มีกรดอะมิโนเมไทโอนีน หรือเมล็ดทานตะวันที่มีกรดไขมันไม่อิ่มตัวสูง เป็นต้น สำหรับตัวอย่างการสร้างสัตว์ดัดแปลงพันธุกรรม (ภาพที่ 4.11) เช่น สร้างวัวที่ผลิตอินซูลินออกมาในน้ำนมได้ หรือการสร้างจุลินทรีย์ดัดแปลงพันธุกรรมให้ผลิตเอนไซม์ ยาปฏิชีวนะ เป็นต้น (ภาพที่ 4.12)

ภาพที่ 4.10 พืชดัดแปลงพันธุกรรม

ภาพที่ 4.11 การสร้างสัตว์ดัดแปลงพันธุกรรม

ภาพที่ 4.12 การสร้างสัตว์ดัดแปลงพันธุกรรม

          ยีนบำบัด เป็นการใช้เทคนิคทางพันธุวิศวกรรมช่วยรักษาโรคที่เกิดจากกรรมพันธุ์ ซึ่งวิธีการรักษาโดยทั่วไปทำไม่ได้ หรือทำได้ลำบาก เช่น โรคธาลัสซีเมีย (thalassemia) ซึ่งเกิดจากความผิดปกติของยีนที่สร้างฮีโมโกลบิน สามารถหายขาดได้ ถ้าใส่ยีนที่ปกติเข้าไปให้สร้างฮีโมโกลบินที่ปกติ นอกจากนี้ ยังมีการใช้รักษาโรคมะเร็ง รวมทั้งโรคของเอนไซม์ที่สำคัญหลายชนิด หลักการรักษาโรคด้วยวิธียีนบำบัด คืออาศัยเวคเตอร์ ให้พายีนที่ต้องการเข้าไปยังเซลล์เป้าหมายในร่างกาย และทำให้เกิดการแสดงออกให้ได้ผลผลิตที่ถูกต้องตามต้องการ (ภาพที่ 4.13)

ภาพที่ 4.13 การใช้ยีนบำบัดรักษาโรคทางพันธุกรรม