เมื่อสังเกตสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่ง ๆ นักเรียนจะพบว่าลูกหลานมีลักษณะที่ไม่เหมือนกันทีเดียว มีบางลักษณะที่แตกต่างกันไปบ้าง และสามารถถ่ายทอดลักษณะนั้น ๆ ไปยังลูกหลานรุ่นต่อ ๆ ไปได้ จึงอาจเป็นไปได้ว่ายีนหรือ DNA มีการเปลี่ยนแปลง นักพันธุศาสตร์เรียกการเปลี่ยนแปลงลำดับและจำนวนของเบนใส DNA และการเปลี่ยนแปลงที่เกิดกับโครโมโซม ซึ่งมีผลทำให้ลักษณะหรือฟีโนไทป์ของสิ่งมีชีวิตเปลี่ยนไป และสามารถถ่ายทอดลักษณะไปยังรุ่นต่อ ๆ ไปได้นี้ว่า การกลาย หรือ มิวเทชัน ( mutation )

โรคโลหิตจางชนิดซิกเคิลเซลล์ เป็นตัวอย่างของโรคพันธุกรรมที่เป็นผลมาจากการเกิด มิวเทชัน โดยปกติ DNA มีการจำลองตัวเองได้ DNA โมเลกุลใหม่ที่มีลำดับการเรียงตัวของเบสและจำนวนของเบส เหมือน DNA โมเลกุลเดิมทุกประการ แต่ในบางครั้งการจำลองตัวเองของ DNA อาจมีความผิดพลาดทำให้เกิดผลต่อสิ่งมีชีวิต จากการศึกษาพบว่า DNA จะเปลี่ยนแปลงไปจากเดิมได้หลายลักษณะ เช่น เบสเปลี่ยนจากชนิดเดิมเป็นเบสชนิดอื่น นิวคลีโอไทด์ขาดหายไป นิวคลีโอไทด์มีจำนวนเพิ่มขึ้น หรือลำดับของนิวคลีโอไทด์เปลี่ยนไป เป็นต้น การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเป็นมิวเทชันเฉพาะที่ ( point mutation ) ดังภาพที่ 17.23 มีผลทำให้รหัสพันธุกรรมเปลี่ยนไปจากเดิม ลำดับและชนิดของกรดอะมิโนหลังจากตำแหน่งนี้ไปจะเปลี่ยนไปด้วย สมบัติของโปรตีน หรือ พอลิเพปไทด์ที่สังเคราะห์ขึ้นจึงแตกต่างไปจากเดิม

คลิกเพื่อดูรูปภาพขนาดใหญ่

การเกิดมิวเทชันเฉพาะที่ในบริเวณ DNA ที่เป็นตำแหน่งของยีน สามารถจัดได้เป็น 2 ประเภท คือ

1. การแทนที่คู่เบส ( base – pair substitution ) การเกิดมิวเทชันในลักษณะเช่นนี้ อาจมีผลต่อการแสดงของลักษณะทางพันธุกรรมหรือไม่ก็ได้ เนื่องจากโคดอนหลายชนิดเป็นรหัสของกรดอะมิโนชนิดเดียวกันได้ เช่น CUU CUC CUA และ CUG หากมีการเกิดมิวเทชันเฉพาะที่ที่มีการเปลี่ยนรหัส CUC ซึ่งเป็นรหัสของลิวซีนให้กลายเป็น CUG การเกิดมิวเทชันดังกล่าวย่อมไม่มีผลต่อลักษณะของสิ่งมีชีวิตนั้น เพราะยังมีการสร้างสายพอลิเพปไทด์ที่มีลำดับกรดอะมิโนเช่นเดิม


การเกิดมิวเทชันเฉพาะที่แบบการแทนที่คู่เบส เมื่อเกิดการแทนที่ของคู่เบสแล้ว มีผลทำให้รหัสพันธุกรรมเปลี่ยนไปเป็นรหัสพันธุกรรมของกรดอะมิโนต่างชนิดกัน ก็จะทำให้ได้สายพอลิเพปไทด์ที่มีลำดับของกรดอะมิโนต่าง ๆ ไป การเปลี่ยนแปลงของลำดับกรดอะมิโนที่เกิดขึ้นนี้ หากบริเวณดังกล่าวมีความสำคัญต่อการเกิดรูปร่างของโปรตีน หรือมีความจำเพาะต่อการทำงานของโปรตีนชนิดนั้น ย่อมมีผลมากต่อฟีโนไทป์ของสิ่งมีชีวิตนั้น ตัวอย่างเช่น สาเหตุหนึ่งของการเกิดโรคโลหิตจางแบบซิกเคิลเซลล์ที่กล่าวถึงข้างต้น มีการเกิดมิวเทชันเฉพาะที่ที่โคดอนที่เป็นรหัสพันธุกรรมของกรดอะมิโน ตำแหน่งที่ 6 ของสายบีตาสายหนึ่งของฮีโมโกลบิน

อย่างไรก็ดี หากการเกิดการแทนที่ของคู่เบส ในบริเวณโคดอนที่ไม่เกี่ยวข้องกับบริเวณที่จำเพาะต่อโปรตีนชนิดนั้น หรือเมื่อมีการแทนที่กรดอะมิโนชนิดใหม่ มีสมบัติใกล้เคียงกับชนิดเดิมก็อาจไม่มีผลต่อการทำงานของโปรตีนนั้น

การเกิดมิวเทชันแบบการแทนที่ของคู่เบสอาจจะเกิดการทำให้การสร้างสายพอลิเพปไทด์สั้นลง เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเป็นการแทนที่ของคู่เบส แล้วได้เป็นรหัสหยุดของการแปลรหัส ซึ่งการเกิดมิวเทชันในกรณีนี้แทบทุกกรณีจะได้โปรตีนที่ไม่สามารถทำงานได้


2. การเพิ่มขึ้นของนิวคลีโอไทด์ ( insertion) หรือ การขาดหายไปของนิวคลีโอไทด์ ( deletion) การเกิดมิวเทชันนี้เป็นการที่มีการเพิ่มขึ้นของคู่นิวคลีโอไทด์ หรือการขาดหายไปของคู่ นิวคลีโอไทด์ในบางตำแหน่งของยีน การเกิดมิวเทชันในลักษณะนี้ 1-2 นิวคลีโอไทด์มักมีการเปลี่ยนแปลงในการทำงานพอลิเพปไทด์อย่างชัดเจน เนื่องจากการเพิ่มขึ้น หรือลดลงของนิวคลีโอไทด์ในบริเวณที่เป็นโคดอน 1-2 นิวคลีโอไทด์จะมีผลทำให้ลำดับกรดอะมิโนตั้งแต่ตำแหน่งที่มีการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของโคดอนเปลี่ยนไปทั้งหมด เรียกการเกิดมิวเทชันเช่นนี้ว่า เฟรมชิฟท์ มิวเทชัน (frameshift mutation )

ปัญหาที่น่าสนใจต่อไปก็คือมิวเทชันที่ทำให้เกิดลักษณะนี้ สามารถถ่ายทอดต่อไปได้หรือไม่ และอะไรเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดมิวเทชัน จากการศึกษาพบว่ามิวเทชันเกิดขึ้นได้ทั้งในเซลล์ร่างกาย และเซลล์สืบพันธุ์ ซึ่งจะถ่ายทอดลักษณะต่อไปหรือไม่ก็ได้ ถ้ามิวเทชันเกิดขึ้นที่เซลล์สืบพันธุ์ ยีนที่เกิดมิวเทชันจะสามารถส่งต่อไปยังลูกหลานได้โดยตรง แต่หากเกิดกับเซลล์ร่างกายก็ขึ้นอยู่กับว่าเซลล์ร่างกายนั้นจะมีการพัฒนาให้เกิดการสืบพันธุ์ได้หรือไม่ เช่น ในกรณีของพืชหากเกิดมิวเทชันที่เซลล์เนื้อเยื่อบริเวณตาข้าง ซึ่งเป็นเซลล์ร่างกายก็จะทำให้กิ่งที่เจริญขึ้นมาใหม่มีลักษณะต่างไปจากเดิม ถ้านำกิ่งนั้นไปปักชำหรือขยายพันธุ์ ก็จะได้พืชที่มีลักษณะพันธุกรรมต่างไปจากเดิม และหากมีการสร้างดอกและติดผลได้ ลักษณะดังกล่าวก็จะสามารถถ่ายทอดไปยังรุ่นลูกหลานได้ แต่หากเกิดกับเซลล์รากโอกาสที่จะถ่ายทอดไปยังรุ่นต่อไปจะลดลง

มิวเทชันที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเกิดขึ้นในอัตราต่ำมาก แต่มิวเทชันสามารถเกิดจากการชักนำโดยมนุษย์ซึ่งทำให้เกิดมิวเทชันในอัตราสูง สิ่งที่สามารถกระตุ้นหรือชักนำให้เกิดมิวเทชัน เรียกว่า สิ่งก่อกลายพันธุ์ หรือ มิวทาเจน ( mutagen) เช่น รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา รังสีอัตราไวโอเลต และสารเคมี เช่น ควันบุหรี่ สารที่สร้างจากเราที่ปนเปื้อนในอาหาร อะฟลาทอกซิน ได้มีการพิสูจน์แล้วว่าเป็นสิ่งก่อกลายพันธุ์ก่อให้เกิดมะเร็งได้ เนื่องจากมิวเทชันที่เกิดกับเซลล์ร่างกาย แล้วทำให้เกิดการแบ่งเซลล์ผิดปกติ จะเป็นจุดเริ่มต้นของการเกิดมะเร็ง ดังนั้น มิวทาเจนหลายชนิดจึงเป็นสารก่อมะเร็ง (carcinogen )

ปัจจุบันการชักนำให้เกิดมิวเทชันเฉพาะที่ ถูกนำมาใช้ประโยชน์ในการศึกษาการพัฒนาของสิ่งมีชีวิตหลายชนิด เช่น ยีสต์ แมลงหวี่ หนอนตัวกลม และอะราบิดอพซิส ( Arabidopsis sp.) ซึ่งเป็นพืชชนิดหนึ่งในวงศ์ผักกาด เพราะการทำให้เกิดมิวเทชัน เฉพาะที่เป็นการยับยั้งการทำงานของโปรตีนบางชนิด การสังเกตผลของการขาดการทำงานของโปรตีนชนิดนั้น ๆ จะทำให้สามารถวิเคราะห์ถึงบทบาทหน้าที่ของโปรตีนชนิดนั้น ๆ ได้

หากการเกิดมิวเทชันเป็นแบบการเกิดเฉพาะที่ ย่อมจะเป็นการยากที่จะสังเกตการณ์เปลี่ยนแปลงของยีน โดยใช้กล้องจุลทรรศน์และสีย้อมโครโมโซม แต่หากมิวเทชันที่เกิดขึ้นมีการเปลี่ยนแปลงที่ชัดเจนในระดับโคโมโซมก็จะสังเกตได้ง่ายขึ้น

สิ่งก่อกลายพันธุ์ทั้งที่เป็นรังสีและสารเคมี รวมทั้งความผิดพลาดที่เกิดขณะมีการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส สามารถทำให้เกิดมิวเทชันในระดับโคโมโซมได้ ดังตัวอย่างของโรคที่เกิดขึ้นจากความผิดปกติของโครโมโซม

จะเห็นได้ว่ากลุ่มอาการคริดูชาต์ ( criduchat) เป็นโรคที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโครโมโซม มีความผิดปกติที่เกิดกับส่วนของแขนสั้นของโครโมโซมคู่ที่ 5 ขาดหายไป พบประมาณ 1 ต่อ 50,000 ของเด็กแรกเกิด พบในเด็กหญิงมากกว่าเด็กชาย ในอัตราส่วน 2 ต่อ 1 มีลักษณะผิดปกติ คือ ศีรษะเล็กใบหน้ากลม ตาเล็กอยู่ห่างกันและเฉียง ดั้งจมูกแบน ใบหูต่ำกว่าปกติ เส้นสายเสียง (vocal cord ) ผิดปกติ ทำให้เสียงเล็กแหลมคล้ายเสียงร้องของแมว ปัญญาอ่อน อาจมีชีวิตอยู่ได้จนถึงเป็นผู้ใหญ่

มิวเทชันระดับโครงสร้างของโครโมโซมเป็นความผิดปกติจากการหักของโครโมโซม อาจจะเป็นส่วนปลายหรือส่วนกลางของแท่งโครโมโซมก็ได้ ส่วนปลายที่หักจะเหนียวอาจต่อกับตำแหน่งเดิมทำให้โครโมโซมนั้นปกติ หรือไม่มีการต่อกับโครโมโซมเดิม ชิ้นส่วนโครโมโซมที่หักนั้นเกิดขึ้นได้หลายลักษณะ

คลิกเพื่อชมภาพขยายใหญ่

การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโครโมโซมเกิดขึ้นได้ทั้งที่จำนวนโครโมโซมยังมีเท่าเดิม แต่ส่วนของโครโมโซมจะเปลี่ยนไป คือ มีส่วนของโครโมโซมลดลงหรือเพิ่มขึ้น หรือมีการเรียงตัวของนิวคลีโอไทด์สลับตำแหน่งหรือเปลี่ยนที่ไปจากเดิม มีผลทำให้ลักษณะของสิ่งมีชีวิตเปลี่ยนแปลงไป

กลุ่มอาการดาวน์ ( Down syndrome) เกิดจากจำนวนโครโมโซมคู่ที่ 21 เกินมา 1 แท่งเป็น 47 โครโมโซม มีลักษณะที่ผิดปกติ คือ รูปร่างเตี้ย ตาห่าง หางตาชี้ขึ้น ลิ้นโตคับปาก คอสั้นกว้าง นิ้วมือนิ้วเท้าสั้น ลายนิ้วมือผิดปกติ ปัญญาอ่อน จากสถิติพบว่าแม่ที่มีอายุ 45 ปี มีโอกาสเสี่ยงในการมีบุตรที่เป็นโรคนี้มากกว่าแม่ที่มีอายุ 20 ปี ประมาณ 50-60 เท่า

การเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซมมักจะเกิดขึ้นเมื่อมีการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสผิดปกติ โดยฮอมอโลกัสโครโมโซมจะไม่แยกออกจากกันในระยะแอนาเฟสของไมโอซิส I หรือ ไมโอซิส II โครโมโซมจึงเคลื่อนย้ายไปยังขั้วเดียวกันของเซลล์ เรียกระบวนการนี้ว่า นอนดิสจังชัน (non-disjunction) เซลล์สืบพันธุ์จึงมีจำนวนโครโมโซมขาดหรือเกิดมาจากจำนวนปกติ เมื่อเซลล์สืบพันธุ์ที่ผิดปกตินี้ปฏิสนธิกับเซลล์สืบพันธุ์ที่ปกติจากพ่อหรือแม่ ก็จะได้ไซโกตที่มีจำนวนโครโมโซมผิดปกติ ซึ่งจะมีผลกระทบต่อการเจริญเติบโตของเอ็มบริโอในลักษณะต่าง ๆ กัน

คลิกเพื่อชมภาพขยายใหญ่

การเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซมเกิดขึ้นได้ 2 แบบ คือ จำนวนเพิ่มขึ้นหรือลดลง พบได้ทั้งออโทโซมและโครโมโซมเพศ ตัวอย่างของโรคทางพันธุกรรมที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซม

การเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซมเป็นชุดจากจำนวนดิพลอยด์ สิ่งมีชีวิตที่มีจำนวนโครโมโซมมากกว่า 2 ชุด เรียกว่า พอลิพลอยด์ ( polyploidy) ส่วนใหญ่เกิดจากการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสผิดปกติจากปรากฏการณ์นอนดิสจังชัน ทำให้เซลล์สืบพันธุ์มีโครโมโซม 2 ชุด หรือดิพลอยด์ พอลิพลอยด์พบได้ทั้งในพืชและสัตว์ ส่วนใหญ่พบในพืช ทำให้พืชมีขนาดใหญ่กว่าพวกดิพลอยด์ เช่น ขนาดของดอกหรือผล นอกจากนี้ยังมีผลผลิตหรือมีการสร้างสารบางอย่างเพิ่มขึ้น เช่น ข้าวโพดพันธุ์ 4n มีวิตามินสูงกว่าพันธุ์ 2n ยาสูบพันธุ์ 4n มีสารนิโคติน สูงกว่าพันธุ์ 2n เป็นต้น พืชที่เป็นพอลิพลอยด์เลขคู่ ได้แก่ 4n 6n 8n สามารถสืบพันธุ์และถ่ายทอดพันธุกรรมต่อไปได้ แต่พืชที่เป็นพอลิพอยด์เลขคี่ ได้แก่ 3n 5n 7n มักเป็นหมัน จึงนำมาใช้ประโยชน์ในการผสมสายพันธุ์เพื่อให้ได้พืชที่ไม่มีเมล็ด เช่น แตงโม องุ่น เป็นต้น

พอลิพลอยด์ในสัตว์พบน้อยกว่าในพืช สำหรับการเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซมในคน ส่วนใหญ่เป็นการเพิ่มขึ้นหรือลดลงเป็นจำนวนแท่ง ทำให้อายุสั้น พิการทางร่างกายและสมอง ส่วนพอลิพลอยด์จะพบได้น้อย เพราะมีผลกระทบที่รุนแรงทำให้เอ็มบริโอเสียชีวิตตั้งแต่อยู่ในครรภ์มารดา

อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและจำนวนของโครโมโซมจำเป็นต้องอยู่ในขอบเขตที่จำกัด จึงจะทำให้สิ่งมีชีวิตนั้นอยู่รอดได้ ถ้าการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นมากเกินไปก็จะทำให้สิ่งมีชีวิตถึงตายได้ บางครั้งการเรียงตัวของยีนแบบใหม่ อาจทำให้การดำรงชีวิตดีกว่าการเรียงตัวของยีนแบบเดิม และสามารถถ่ายทอดไปยังรุ่นต่อ ๆ ไปได้ มีผลทำให้เกิดวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตชนิดนั้น ๆ ความผิดปกติของโครโมโซมบางครั้งเมื่อเกิดขึ้นแล้วจะเกิดผลเสียแต่ก็ไม่ทำให้ถึงตาย ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับโครโมโซมและ DNA จึงมีผลทำให้ลักษณะของสิ่งมีชีวิตแตกต่างกันไป แต่หากเกิดการเปลี่ยนแปลงทางพันธุ์กรรมและให้เป็นผลลบ เช่น การเกิดโรคทางพันธุกรรมกับมนุษย์จะสร้างปัญหาทางด้านจิตใจ เศรษฐกิจ และสังคมเป็นอย่างมาก

อย่างไรก็ดี ความหลากหลายของยีนที่เกิดจากมิวเทชันทำให้เกิดการแปรผันทางพันธุกรรม จึงทำให้ลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตเปลี่ยนแปลง เกิดสิ่งมีชีวิตชนิดต่าง ๆ อย่างหลากหลาย ซึ่งเป็นต้นเหตุ ที่นำไปสู่การเกิดวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตต่อไปในอนาคต