รหัสพันธุกรรม

รหัสพันธุกรรม: รหัสจากดีเอ็นเอจะถูกถอดออกมาเป็นโปรตีนผ่านเอ็มอาร์เอ็นเอด้วยรหัสชุดสาม

ยีนส่วนใหญ่ทำงานโดยการแสดงออกผ่านการผลิตโปรตีนซึ่งเป็นโมเลกุลที่ซับซ้อนและทำหน้าที่ส่วนใหญ่ในเซลล์ โปรตีนประกอบด้วยกรดอะมิโนที่ต่อกันเป็นสายโซ่ ซึ่งลำดับกรดอะมิโนนี้ถูกกำหนดโดยลำดับดีเอ็นเอบนยีนที่สร้างโปรตีนนั้น ๆ ออกมาผ่านตัวกลางอาร์เอ็นเอ กระบวนการเริ่มจากการสร้างโมเลกุลอาร์เอ็นเอที่มีลำดับเบสตรงกันกับลำดับดีเอ็นเอในยีน กระบวนนี้เรียกว่าการถอดรหัส

โมเลกุลอาร์เอ็นเอนำรหัส (เอ็มอาร์เอ็นเอ) นี้จะถูกใช้สร้างลำดับกรดอะมิโอที่ตรงกันผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการแปลรหัส ซึ่งนิวคลีโอไทด์ชุดละ 3 ตัวเรียกว่าโคดอนจะตรงกันกับกรดอะมิโนชนิดใดชนิดหนึ่งในยี่สิบชนิดและคำสั่งปิดท้ายลำดับกรดอะมิโน ความตรงกันนี้เรียกว่ารหัสพันธุกรรม[36] ข้อมูลจะถูกส่งต่อในทิศทางเดียว จากลำดับนิวคลีโอไทด์ไปเป็นลำดับกรดอะมิโนของโปรีน แต่ไม่มีการส่งข้อมูลจากโปรตีนกลับมาเป็นลำดับดีเอ็นเอ กระบวนการนี้ฟรานซิส คริกเรียกว่า ความเชื่อหลักของอณูชีววิทยา[37]

กรดอะมิโนที่เปลี่ยนไปเพียงตัวเดียวทำให้ฮีโมโกลบินสร้างตัวเป็นเส้นใยขึ้นได้

ลำดับกรดอะมิโนที่ได้จะถูกสร้างเป็นโครงสร้างสามมิติของโปรตีน ซึ่งโครงสร้างที่เป็นสามมิตินี้จะมีความสัมพันธ์กับหน้าที่ของโปรตีนนั้น ๆ [38][39] โปรตีนบางชนิดเป็นโมเลกุลที่มีโครงสร้างเรียบง่าย เช่น เส้นใยที่สร้างจากโปรตีนคอลลาเจน โปรตีนสามารถจับกับโปรตีนอื่นและโมเลกุลอย่างง่ายอื่น ๆ ได้ บางชนิดทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ซึ่งมีส่วนในปฏิกิริยาเคมีในโมเลกุลที่ไปจับโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโปรตีนเอง โครงสร้างของโปรตีนนั้นมีการเปลี่ยนแปลงได้ เช่นโปรตีนฮีโมโกลบินในรูปแบบต่าง ๆ กันจะมีรูปร่างที่เปลี่ยนไปเล็กน้อย เพื่อช่วยในการจับยึด ขนส่ง และปล่อยโมเลกุลออกซิเจนในเลือดของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม

การเปลี่ยนไปของนิวคลีโอไทด์เพียงตัวเดียวในดีเอ็นเอสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของลำดับกรดอะมิโนในโปรตีนได้ จากการที่โครงสร้างโปรตีนนั้นเกิดจากลำดับกรดอะมิโน ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของลำดับกรดอะมิโนบางแบบอาจเปลี่ยนคุณสมบัติของโปรตีนนั้น ๆ ได้ อาจโดยการทำให้โครงสร้างสูญเสียความเสถียรไปไม่สามารถคงรูปอยู่ได้ หรือเปลี่ยนพื้นผิวของโปรตีนทำให้มีปฏิกิริยากับโปรตีนหรือโมเลกุลอื่นเปลี่ยนแปลงไป เช่น โรคเลือดจางแบบมีเม็ดเลือดแดงรูปเคียวเป็นโรคพันธุกรรมชนิดหนึ่งในมนุษย์ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของเบสคู่เดียวในบริเวณที่มีการถอดรหัสออกมาเป็นเบตาโกลบินซึ่งเป็นส่วนประกอบของฮีโมโกลบิน ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงของกรดอะมิโนตัวหนึ่งจนสมบัติทางกายภาพของฮีโมโกลบินเปลี่ยนแปลงไป[40] ฮีโมโกลบินในผู้ป่วยโรคนี้จะจับกันเอง ก่อตัวเป็นเส้นใย ทำให้เม็ดเลือดแดงที่มีโปรตีนที่ผิดปกตินี้มีรูปร่างเปลี่ยนแปลงไปมีรูปร่างคล้ายเคียว เม็ดเลือดแดงที่มีรูปร่างเปลี่ยนไปนี้ไหลผ่านหลอดเลือดได้ไม่ดีเท่าเม็ดเลือดแดงปกติ ทำให้มีโอกาสเกิดการอุดตันหรือแตกสลาย เกิดเป็นอาการที่สัมพันธ์กับโรคดังกล่าว

ยีนบางตัวถอดรหัสออกมาเป็นอาร์เอ็นเอแต่ไม่มีการแปลรหัสออกมาเป็นโปรตีน อาร์เอ็นเอเหล่านี้เรียกว่าน็อน-โคดดิ้ง อาร์เอ็นเอ หรืออาร์เอ็นเอที่ไม่มีการอ่านรหัส อาร์เอ็นเอเหล่านี้บางครั้งจะจัดรูปร่างตัวเองเป็นโครงสร้างที่ทำหน้าที่สำคัญในเซลล์ เช่น อาร์เอ็นเอไรโบโซม และอาร์เอ็นเอถ่ายโอน นอกจากนี้อาร์เอ็นเอยังอาจมีหน้าที่ในการควบคุมการแสดงออกทางพันธุกรรมโดยปฏิกิริยาจับตัวผสมกับอาร์เอ็นเออื่น ๆ เช่น ไมโครอาร์เอ็นเอ

ธรรมชาติและการเลี้ยงดู

แมวไทยมีการกลายพันธุ์แบบตอบสนองต่ออุณหภูมิซึ่งส่งผลต่อการสร้างเม็ดสี

แม้ข้อมูลการทำหน้าที่ของส่วนประกอบต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิตจะถูกบรรจุอยู่ในยีน สิ่งแวดล้อมก็ยังมีบทบาทสำคัญในการทำให้เกิดลักษณะที่แสดงออกเป็นผลสุดท้าย ปรากฏการณ์เช่นนี้มักถูกเรียกชื่อว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างธรรมชาติและการเลี้ยงดู (อังกฤษ: nature versus nurture) ลักษณะปรากฏของสิ่งมีชีวิตขึ้นกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างพันธุกรรมและสิ่งแวดล้อม ตัวอย่างเช่นการกลายพันธุ์ที่ขึ้นกับอุณหภูมิ บ่อยครั้งที่การมีกรดอะมิโนเปลี่ยนไปหนึ่งตำแหน่งไม่ได้เปลี่ยนหน้าที่ของโปรตีน แต่ทำให้โปรตีนนั้นขาดความเสถียร ในภาวะที่มีอุณหภูมิสูง โมเลกุลมีพลังงานมาก ทำให้เคลื่อนที่เร็ว ชนกันบ่อยครั้งมากขึ้น ทำให้โปรตีนสูญเสียโครงสร้างและไม่สามารถทำหน้าที่ตามปกติได้ โดยในภาวะที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าโครงสร้างของโปรตีนจะเสถียรและสามารถทำหน้าที่ได้ตามปกติ การกลายพันธุ์เช่นนี้พบได้ในการเกิดสีของแมวไทย ซึ่งมีการกลายพันธุ์เกิดขึ้นในเอนไซม์ที่ทำหน้าที่สร้างเม็ดสี โดยจะทำให้โปรตีนนี้ไม่เสถียรและทำหน้าที่ไม่ได้ในภาวะที่มีอุณหภูมิสูง[41] ในขณะที่โปรตีนนี้ยังทำหน้าที่ได้ปกติในบริเวณร่างกายของแมวส่วนที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า เช่น ขา หู หาง และใบหน้า ทำให้แมวไทยมีร่างกายบางส่วนเป็นสีดำและบางส่วนเป็นสีขาวดังที่เห็น

สิ่งแวดล้อมยังมีบทบาทมากในการเกิดผลของโรคทางพันธุกรรมในมนุษย์อย่างฟีนิลคีโตนูเรีย[42] ซึ่งการกลายพันธุ์ที่เกิดในผู้ป่วยจะทำให้ไม่สามารถย่อยสลายกรดอะมิโนฟีนิลอะลานีนได้ ทำให้เกิดการสะสมของสารตัวกลางซึ่งเป็นพิษ เกิดเป็นอาการต่าง ๆ ที่พบในผู้ป่วย เช่นสติปัญญาพัฒนาช้า หรือชักได้ หากผู้ป่วยโรคนี้ไม่กินอาหารที่มีกรดอะมิโนนี้ ก็จะไม่มีอาการใด ๆ

วิธีการหนึ่งที่เป็นที่นิยมในการศึกษาว่าธรรมชาติและการเลี้ยงดูมีผลมากน้อยเพียงใดคือการศึกษาในแฝดเหมือนและแฝดต่าง ทั้งนี้แฝดเหมือนนั้นเกิดมาจากเซลล์ตัวอ่อนแรกเริ่มอันเดียวกัน จึงมีลักษณะทางพันธุกรรมเหมือนกันทุกประการ ในขณะที่แฝดต่างนั้นมีพันธุกรรมแตกต่างกัน เหมือนกับพี่น้องธรรมดาทั่วไป การเปรียบเทียบว่าแฝดแต่ละคู่มีการเกิดโรคหนึ่ง ๆ หรือไม่อย่างไร จะทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสรุปได้ว่าธรรมชาติหรือการเลี้ยงดูมีผลมากน้อยกว่ากันอย่างไร ตัวอย่างหนึ่งที่ใช้วิธีการศึกษาในลักษณะนี้ซึ่งมีชื่อเสียงมากคือการศึกษาในแฝดสี่จีเนน ซึ่งเป็นแฝดเหมือนสี่คน ได้รับการวินิจฉัยเป็นโรคจิตเภททั้งหมด[43]

การควบคุมการแสดงออกของยีน

สิ่งมีชีวิตหนึ่ง ๆ อาจมียีนหลายพันยีน แต่ไม่ได้แสดงออกทั้งหมดพร้อม ๆ กัน ยีนแต่ละยีนจะแสดงออกก็ต่อเมื่อกำลังมีการถอดรหัสเป็นเอ็มอาร์เอ็นเอเท่านั้น โดยมีกระบวนการในเซลล์ที่ควบคุมการแสดงออกของยีนอยู่หลายวิธีเพื่อให้มีการผลิตโปรตีนเมื่อเซลล์ต้องการใช้โปรตีนนั้น ๆ เท่านั้น ปัจจัยการถอดรหัสหรือทรานสคริปชันแฟคเตอร์เป็นโปรตีนควบคุมซึ่งจับกับตำแหน่งเริ่มต้นของยีน ทำหน้าที่กระตุ้นหรือยับยั้งการถอดรหัสยีนนั้น ๆ [44] ตัวอย่างเช่น ในจีโนมของ Escherichia coli มียีนจำนวนหนึ่งซึ่งจำเป็นในการสังเคราะห์กรดอะมิโนทริปโตเฟน แต่ในสภาพแวดล้อมที่มีทริปโตเฟนเพียงพออยู่แล้ว ยีนซึ่งช่วยในการสังเคราะห์ทริปโตเฟนนี้ก็ไม่มีความจำเป็น การมีทริปโตเฟนจะส่งผลต่อการทำหน้าที่ของยีนโดยตรงโดยโมเลกุลของทริปโตเฟนจะจับกับทริปโตเฟนรีเพรสเซอร์ซึ่งเป็นปัจจัยการถอดรหัสตัวหนึ่ง ทำให้โครงสร้างของรีเพรสเซอร์แปลี่ยนแปลงไปจนไปจับกับยีน ยับยั้งการถอดรหัสและการแสดงออกของยีนนั้น ๆ ถือเป็นการควบคุมโดยการป้อนกลับทางลบของกระบวนการสังเคราะห์กรดอะมิโนทริปโตเฟน[45]

ปัจจัยการถอดรหัสจับกับดีเอ็นเอ ส่งผลต่อการถอดรหัสของยีนนั้น ๆ

ความแตกต่างในการแสดงออกของยีนนั้นเห็นได้ชัดเจนในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ ซึ่งทุกเซลล์ของสิ่งมีชีวิตนั้น ๆ มีจีโนมที่เหมือนกันแต่ตัวเซลล์กลับมีโครงสร้างและหน้าที่ที่แตกต่างกันเนื่องจากมีการแสดงออกของยีนคนละชุดกัน เซลล์ทุกเซลล์ของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์มาจากเซลล์ตั้งต้นเพียงเซลล์เดียวซึ่งเจริญเป็นเซลล์ชนิดต่าง ๆ หลากหลายตามการตอบสนองต่อสัญญาณภายในเซลล์และค่อย ๆ สร้างรูปแบบการควบคุมการแสดงออกของยีนที่แตกต่างกันเพื่อให้มีหน้าที่ของเซลล์ต่าง ๆ กัน ทั้งนี้ไม่มียีนเดี่ยว ๆ ยีนใดยีนหนึ่งที่รับผิดชอบการเจริญเป็นโครงสร้างของเซลล์ของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ แต่เป็นรูปแบบที่เกิดจากปฏิกิริยาอันซับซ้อนของเซลล์และยีนจำนวนมาก

ในเซลล์ยูคาริโอตจะมีความพิเศษของโครงสร้างโครมาตินซึ่งมีส่วนในการควบคุมการถอดรหัสยีน ซึ่งส่วนใหญ่อาศัยการเปลี่ยนแปลงของดีเอ็นเอและโครมาตินที่อยู่ในภาวะเสถียรและสามารถถ่ายทอดไปยังเซลล์ลูกได้[46] ลักษณะเช่นนี้เรียกว่าการควบคุมแบบอีพิเจเนติกส์ (เหนือพันธุกรรม) เพราะเป็นการควบคุมที่อยู่นอกเหนือลำดับดีเอ็นเอและสามารถถ่ายทอดจากเซลล์รุ่นหนึ่งไปสู่อีกรุ่นหนึ่ง จากลักษณะเหนือพันธุกรรมเช่นนี้เองทำให้เซลล์ต่างชนิดกันที่เพาะเลี้ยงในอาหารเพาะเลี้ยงสามารถคงคุณสมบัติที่แตกต่างกันเอาไว้ได้ แม้ลักษณะเหนือพันธุกรรมเช่นนี้มักมีการเปลี่ยนแปลงไปในแต่ละช่วงของการเจริญ แต่ลักษณะบางอย่างเช่นปรากฏการณ์การกลายพันธุ์ข้างเคียงก็มีการถ่ายทอดข้ามรุ่นได้และถือเป็นข้อยกเว้นของกฎทั่วไปที่มีอยู่ไม่มากนักในการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมของดีเอ็นเอ[47]