การกลายพันธุ์ (mutations)

             การกลายพันธุ์ หรือ mutation คือ กระบวนการที่ลำดับเบสบนดีเอนเอโมเลกุลถูกเปลี่ยนไป นั่นก็หมายความว่าการกลายพันธุ์คือการที่ DNA base-pair เปลี่ยนไป ทำให้ยีนเกิดการเปลี่ยน โครโมโซมเกิดการเปลี่ยนไป เซลล์ที่เกิดการกลายพันธุ์  เรียกว่า mutant cell

1.       ชนิดของการกลายพันธ์ (point mutations)

Mutations สามารถเกิดขึ้นเองได้จากการผิดพลาดของการทำงานของเซลล์ หรือสามารถเกิดขึ้นได้จากการเหนี่ยวนำให้เกิด mutation โดย mutagen ซึ่งเป็นสารเคมีหรือกระบวนการทางกายภาพ (physical or chemical agent) ที่เพิ่มอัตราการเกิด mutagens เหนี่ยวนำให้เกิดเรียกว่า induced mutations ส่วน mutations ที่เกิดขึ้นเองเรียกว่า spontaneous mutations   ส่วน point mutation คือ ลำดับเบสบนดีเอนเอถูกเปลี่ยนไป 1 เบส (base –pair substitution mutation) ดังนี้

1.1   Transition mutation

เป็นการ mutation จาก purine-pyrimidinr base pair คู่หนึ่งเป็น purine – pyrimidine base pair  อีกคู่หนึ่ง ซึ่งมีทั้งหมด 4 แบบคือ 1) AT ® GC,  2) GC ® AT,  3) TA® CG,  และ 4) CG  ®  TA

1.2   Transversion mutation

เป็นการ mutation จาก purine – pyrimidine base pair ไปเป็น pyrimidine – purine base pair  ซึ่งมีทั้งหมด 4 แบบ คือ

1) AT ® TA,   2) GC ® CG,   3) AT ® CG,  และ 4) GC  ® TA

1.3   Missense mutation

เป็นการ mutation ของยีน ที่มี nucleotide เปลี่ยนไปทำให้ mRNA codon  เปลี่ยนไปแล้วทำให้ การแปลรหัสเป็น amino acid เปลี่ยนไปจากเดิมด้วย อย่างเช่น

                        5’- AAA-3’                                         5’-GAA-3’

®                        3’-  TTT-5’                                          3’-CTT-5’

ทำให้เกิดการเปลี่ยน mRNA codon จาก 5’AAA-3’ (Lys) ® 5’-GAA-3’(Glu) เปลี่ยนการแปลรหัสเป็นกรดอะมิโนจาก ไลซีน (Lysine) --> กลูตามี (Glutamine)

  

1.4   Nonsense mutation

เป็นการ mutation ของยีนที่มี  nucleotide เปลี่ยนไปทำให้ mRNA codon ที่ถูกแปลรหัสเป็น amino acid เปลี่ยนไปเป็น stop codon ; UAG,UAA หรือ UGA   ตัวอย่างเช่น

                        5’-AAA – 3’                                                       5’-TAA-3’

                        3’-TAA-5’                          ®                          3’-ATT-5’

ทำให้เกิดการเปลี่ยน mRNA codon จาก 5’AAA-3’ (Lys)       เป็น        5’UAA-3’ (stop codon) หรือเรียกอีกอย่างว่า nonsense codon ทำให้ได้สาย polypedtides ที่ไม่สมบูรณ์   

1.5   Neutral mutation (เป็น subset ของ missense mutation)

การ mutation ในยีนที่ทำให้เปลี่ยน amino acid ตัวหนึ่งไปเป็น amino acid อีกตัวหนึ่งที่มีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนๆกัน ตัวอย่างเช่น

                5’AAA-3’        ®       5’-AGA-3’

                (LYS)                                (Arg)

ทั้ง Lys และ Arg เป็น basic amino acid                     

1.6   Silent mutation (เป็น subset ของ  missense mutation เช่นกัน)

การเปลี่ยนแปลงของ base-pair บน gene ที่ทำให้ mRNA codon ถูกแปลงรหัสเป็น amino acid ตัวเดิมอยู่ ตัวอย่างเช่น

                5’AAA-3’      ®             5’-AAG-3’

                (Lys)               =                    (Lys)     

1.7   Frameshift mutation

การเพิ่ม (addition) หรือ ลบ (deletion) ของ base-pair บนยีน ทำให้ reading frame ของสายโปรตีนนั้นๆ ตั้งแต่ตำแหน่งที่มีการเพิ่มหรือลบของ base-pair เปลี่ยนไปทั้งหมดและทำให้ได้สาย polypeptids ยาวขึ้นหรือสั้นลงก็ได้ 

นอกจากนี้แล้ว mutation ยังสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภทตามผลที่เกิดตามมาภายหลัง mutation นั่นคือ

1)      forward mutation  เป็นการ mutation ที่เปลี่ยน genotype ของ wild type*  ไปเป็น mutant

2)   reverse mutations หรือ back mutations เป็นการ mutation ที่เปลี่ยน genotype ของ mutant กลับมาเป็น wild type (หรือเกือบเป็น wild type ที่สมบูรณ์)
*  wild type คือ ลักษณะปกติดั้งเดิม

2.       การเกิด mutation ขึ้นเองและโดยการเหนี่ยวนำ

2.1   mutations ที่เกิดขึ้นเอง (spontaneous mutations)

ศัพท์บัญญัติที่ใช้วัดค่าการเกิด mutation มี 2 คำที่ควรรู้จักคือ 
1) Mutation rate เป็นความน่าจะเป็นในการเกิด mutation ในช่วงระยะเวลาหนึ่ง เช่น จำนวน nucleotide pair ที่เกิด mutation ในหนึ่งรุ่น หรือ จำนวน nucleotide pair ที่เกิด mutation ในยีนๆหนึ่งในหนึ่งรุ่น
2) Mutation frequency คือ ตัวเลขความถี่การเกิด mutation แบบหนึ่งต่อเซลล์หนึ่ง หรือสิ่งมีชีวิตหนึ่งต่อประชากรทั้งหมด เช่น ตัวเลขการเกิด mutation ชนิดหนึ่งต่อ 1 เซลล์ตัวอ่อน 1 ล้านเซลล์

ในคนเรานั้นมีการเกิด mutation ที่เกิดขึ้นเอง ในยีนๆหนึ่งเท่ากับ 1x10^-4 –  4x10^-6 ต่อยีนต่อ

รุ่น ในแบคทีเรียการเกิด mutation จะน้อยกว่านั้น คือ 1x10^-5 – 1x 10^-7 ต่อยีนต่อรุ่น point mutation ทุกชนิดสามารถเกิดขึ้นเองได้ และการเกิด mutation ที่เกิดขึ้นเองนั้นสามารถเกิดขึ้นได้ระหว่าง DNA  replication ใน G₁และ G₂  phases ของ cell cycle และเกิดจากการเคลื่อนย้ายของ transposable genetic elements   จะเห็นได้ว่า ในสิ่งมีชีวิตหนึ่งๆ ก็จะมีการกลายพันธ์เกิดขึ้นเองอยู่แล้ว จึงไม่น่าแปลกใจเลยว่าทำไมเราจึงพบเชื้อแบคทีเรียหรือไวรัสดื้อยาอยู่เสมอๆ

การผิดพลาดจาก DNA replication สามารถทำให้เกิด point mutation, additions และ

deletions ของยีนขึ้นได้   ตัวอย่างของ point mutation เกิดขึ้นจาก การจับคู่ที่ผิด (mismatching) ซึ่งเกิดจาก wobble pairing ได้แก่  เบสที่ถูกจับคู่กับเบส ที่ไม่ใช่คู่ของมัน เนื่องจากการฟอร์มของ hydrogen bonds ผิดตำแหน่ง   

การ mutation ที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เกิดขึ้นเอง เหตุการณ์การเปลี่ยนแปลง

ทางเคมีที่ทำให้เกิดการ  mutation ที่สำคัญคือ 1) depurination เป็นเหตุการณ์ที่ puring (A หรือ G) ถูกดึงออกไปจาก DNA เนื่องจากเกิดการสลายพันธะเบสและ deoxyribose sugar ถ้าบาดแผลนี้ไม่ได้รับการซ่อมแซมก็จะไม่มีการเข้าคู่ของเบสที่เฉพาะกับเบสที่ว่างนี้ ทำให้มีการจับbase เข้ามาเข้าคู่อย่างสุ่ม 2) deamination คือ amino group บนเบสของ DNA ถูกดึงออกไปเช่นการ deamination ของ cytosine ทำให้เปลี่ยนเบสใหม่จาก  cytosine ไปเป็น uracil ถ้า uracil นั้นไม่ถูกซ่อมเมื่อมี DNA replication จะทำให้ได้คู่ U=A และสุดท้ายจากคู่ CG จะเกิด transition mutation ไปเป็น TA base pair

2.2   Mutations ที่เกิดจากการเหนี่ยวนำ (induced mutation)

โดยทั่วไปการเหนี่ยวนำทำให้เกิดการ mutation จะเป็นวิธีที่ใช้ในการศึกษายีนการ mutation ทั่วไปใช้รังสี (radiation) และสารเคมี ซึ่งแต่ละกระบวนการจะมีกลไกที่เฉพาะแตกต่างกันไป

2.2.1    Radiation

·    ในการใช้รังสี X-rays  เพื่อทำให้เกิด mutation นั้น X- ray จะทะลุทะลวงเนื้อเยื่อให้ไปและชนกับโมเลกุลต่างๆ แล้วทำให้อิเล็กตรอน (e^-)  หลุดออกจากวงโคจร (orbits) ของโมเลกุลนั้นๆ ทำให้ โมเลกุลนั้นๆเกิดเป็นไอออน (ions) ไอออนนี้สามารถทำให้พันธะโควาเลนท์ (covalent bonds) ต่างๆ ของโมเลกุลในเซลล์แตกได้ ดังเช่นถ้า covalent bonds ของ DNA แตกจะทำให้เกิด mutation ที่โครโมโซมของคนเราได้ และถ้าในเซลล์มี ions มากๆ เซลล์ก็จะตายได้

·    Ultraviolet light (UV) rays  ไม่ทำให้เกิด ions แต่ UV ทำให้เกิด mutation โดยเกิดจากที่ purine และ pyrimidine  bases ของ DNA ดูดซับแสง UV  (คลื่นความถี่ 254-260 nm) จนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของ DNA เกิดเป็น point mutations ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งของ รังสี UV การ mutation ที่เกิดจากรังสี UV อันหนึ่ง คือ thymine dimers (T^T) 

          * สามารถจำง่ายๆว่า UVB burn (ผิวหนังไห้ม)  UVA ทำให้ aging (เซลล์แก่ตัวลง) ก็ได้

2.2.2    Chemical mutagens

สารเคมีที่ทำให้เกิด mutation แบ่งออกเป็น 3 กลุ่มคือ

1)      base analogs คือสารที่มีโครงสร้างเหมือน bases บน DNA

      * 5- bromouracil (5BU) เหมือน thymine แต่จะมี bromine (Br) แทนที่ methyl group (CH₃) 

      ที่ Uracil 

      * แต่อย่างไรก็ตามไม่ใช่ว่า base analogs ทุกตัวจะเป็นสาร mutagens แต่ใช้รักษา

                                 โรค AIDS  โดยที่ใช้ AZT ให้กับ AIDS virus ขณะที่ virus  กำลังสร้าง DNA (AIDS-virus เป็น 

                                  retrovirus มีสารพันธุกรรมเป็น RNA เมื่อเข้าไปใน host ต้องเปลี่ยน RNA ให้เป็น DNA 

                                  แล้วจึงแฝงตัว   เข้าไปใน host genome) AZT จะถูก AIDS-virus ใช้ในการสร้างสาย DNA 

                                  แต่ AZT มี azido group (N₃)   และไม่มี OH group ทำให้การสร้างสาย DNA ต้องหยุด 

                                  คือ ไม่สามารถนำ nucleotide เข้ามาต่อได้ และ AZT นี้จะถูกใช้โดย

                                  เอนไซม์ reverse transcriptase  ที่เปลี่ยน RNA เป็น DNA 

                                 ใน AIDS- virus เท่านั้นกับคนไม่เป็นไร

2)      base – modifying agents สาร mutagens ที่ทำการปรับเปลี่ยนโครงสร้างทาง

                                  เคมีของ base ตัวอย่างเช่น alkylating agents ซึ่งเป็นสารเคมีที่ทำให้เกิดหมู่ alkyl C-CH₃ และ – 

                                 CH₂CH₃ ) เช่น methylmethane sulfonate (MMS) ที่จะเติมหมู่ CH₃ ให้กับ guanine เกิดเป็น

                                 O⁶-methyl quanine ซึ่งจะจับคู่กับ thymine ทำให้เกิดการ mutation ของ GC ® AT

3)   intercalating agents สารนี้จะเข้าไปแทรกอยู่ระหว่างสาย  DNA เช่น proflavin, acridine และ ethidium bromide เมื่อสารเหล่านี้เข้าไปแทรกอยู่ใน DNA ระหว่างกระบวนการ replication นั้นจะทำให้เซลล์ต้องเติม bases (A,T,G หรือ C ก็ได้) ลงไปที่ DNA สายใหม่ ทำให้เกิด mutation แบบ additions หรือ deletions 

_______________________________________