Transcript ดีเอ็นเอ และวิทยาศาสตร์พันธุกรรม

ดีเอ็นเอ และวิทยาศาสตร์พนั ธุกรรม
วิชา 204101 วิทยาศาสตร์สมัยใหม่
มณฑารพ ยมาภัย
หัวข้ อการบรรยาย
• ดีเอ็นเอกับชีวติ (๓ ชม)
– DNA โมเลกุลแห่งชีวติ
– เซล
– โครงสร้างและหน้าที่ของ DNA
– การถอดรหัสจาก DNA ไปเป็ นโปรตีน
– การสื บพันธุ์ การแบ่งเซล และการจาลองตัวของ DNA
• วิทยาศาสตร์พนั ธุกรรม (๓ ชม)
– พันธุวิศวกรรม, PCR, การตรวจเอกลักษณ์ดว้ ย DNA, ยีโนมมนุษย์
– GMO
– เทคโนโลยีดีเอ็นเอกับชีวติ ในปั จจุบนั และอนาคต
– การรักษาโรคแนวใหม่, cloning, stem cells
DNA
DEOXYRIBONUCLEIC ACID
“สารพันธุกรรม”
หลวงพ่อ Gregor Mendel, ค.ศ. 1865
ยีน (Gene)
ลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่ งมีชีวิตนั้นๆ
หน่วยย่อยของสารพันธุกรรมที่มีหน้าที่ในการถ่ายทอดคุณลักษณะของ
สิ่ งมีชีวิตต่างๆ จากรุ่ นหนึ่งไปสู่อีกรุ่ นหนึ่งซึ่งถูกบรรจุอยูใ่ นโครโมโซม
เป็ นตัวกาหนดลักษณะต่างๆ ของสิ่ งมีชีวิต
DNA
คือ สารพันธุกรรม
ความรู้พ้นื ฐานที่นาไปสู่เทคโนโลยีชีวภาพ
• DNA คือสารพันธุกรรม
• โครงสร้างของ DNA
• อณูชีววิทยา (molecular biology) หรื อวิชาที่วา่ ด้วยการศึกษา
โครงสร้าง และการทางานของสิ่ งมีชีวิตในระดับโมเลกุล
DNA
คือ สารพันธุกรรม
Oswald Avery เป็ นผูค้ น้ พบว่า DNA คือสารประกอบในยีน
และโครโมโซม
ยีน
โครโมโซม
กฎแห่ งชีวติ The Central Dogma
โปรตีน
ยีน (Gene)
• ลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตนั้นๆ
• หน่วยย่อยของสารพันธุกรรมที่มีหน้าที่ในการถ่ายทอด
คุณลักษณะของสิ่งมีชีวิตต่างๆ จากรุ่นหนึ่งไปสู่อีกรุ่น
หนึ่งซึ่งถูกบรรจุอยู่ในโครโมโซม
• เป็นตัวกําหนดลักษณะต่างๆ ของสิ่งมีชีวิต
• ส่วนของเส้น DNA ที่มีหน้าที่ในการสังเคราะห์ RNA
ก่อนที่จะเปลี่ยนไปเป็นเอ็นไซม์หรือโปรตีนชนิดต่างๆ
เพื่อใช้ในการดํารงอยู่ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด
588 x 392
เซล = หน่ วยย่ อยพืน้ ฐานของชีวติ
nucleotide
ribose
nucleotide
deoxyribose
deoxyribonucleic acid
A
G
C
T
Human Genome
AGCTTTGGTGAAGATCTAGATACAGAAT
GGCAGTAGACGTATCGATCGTAGGGCT
TTGAGCTTGGGACTGAATCGTTAGGCC
CCTTTTGGGGAGAGACTGATCTGACAT
YGGCTAGCTGACG…………….
1 million pages telephone book
movie 588 x 392
movie 588 x 392
การคัดลอกรหัสจาก DNA เป็ น RNA
Transcription
movie 588 x 392
RNA
การถอดรหัสจาก RNA ไปเป็ น Protein
588 x 392
ชีวิต ?
• เกิดขึ้น ตั้งอยู่ ดับไป
• ความสามารถในการสื บพันธุ์
DNA Replication
การจาลองตัวของดีเอ็นเอ
588 x 392
588 x 392
สรุป
• DNA เป็นสารพันธุกรรมที่เป็นตัวเก็บข้อมูลที่เป็น
ตัวกําหนดสิ่งมีชีวิต
• โดยเก็บไว้ในรูปของรหัสของ nucleotide ที่เขียนแทน
ด้วยตัวอักษร 4 ตัว คือ A T C และ G
• รหัสเหล่านี้จะถูกถอดออกมาผ่าน RNA จนเป็นลําดับ
ของ กรดอะมิโน 20 ชนิดในโปรตีน
• DNA หรือยีน นั้นเป็นเพียงตัวเก็บข้อมูลแต่ไม่สามารถ
ทําหน้าที่ใดๆ ในเซล ได้ต้องแสดงออกมาในรูปของ
โปรตีนชนิดต่างๆเพื่อเป็นโครงสร้างและเครื่องจักรใน
การดําเนินชีวิตของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด
วิทยาศาสตร์พนั ธุกรรม
• พันธุวิศวกรรม,
–
–
–
–
การตัดต่อยีน
PCR
การตรวจเอกลักษณ์ด้วย DNA
ยีโนมมนุษย์
• GMO
• เทคโนโลยีดีเอ็นเอกับชีวิตในปัจจุบันและ
อนาคต
• วิธีการสกัดดีเอ็นเออย่างง่ายที่บ้าน
พันธุวิศวกรรม (การตัดต่อยีน)
การตรวจเอกลักษณ์ ด้วยดีเอ็นเอ
GMOs
Genetically Modified Organisms
GM Cotton & GM Tomato &
GM Papaya
Golden Rice
Bt Corn and Monarch butterfly
GM Salmom
เทคโนโลยีดเี อ็นเอ กับชีวติ ในปัจจุบัน และอนาคต
•
•
•
•
การประยกุ ต์ ใช้ DNA ในงานทางนิติเวช
การรั กษาโรคแนวใหม่
SARS, ไข้ หวัดนก RT-PCR
Cloning และ Stem cell
Forensic DNA Testing
การรักษาโรคแนวใหม่
• Molecular diagnostic
– การวินิจฉัยโรคในระดับโมเลกุล
• Gene Therapy
– ยีนบาบัด
• Personalized medicine
– การรักษาเฉพาะบุคคล
• Stem cell Therapy
– การรักษาด้วยเซลต้นกาเนิ ด
๒ สาเหตุการเกิดโรค
2 Causes of Diseases
• Nature & Nurture
• ลักษณะทางพันธุกรรม (ยีน) - เปลี่ยนไม่ได้
• สิ่ งแวดล้อม - เปลี่ยนได้
• อาหาร
• สารพิษ
• อากาศ
• ลักษณะการดารงชีวิต (life style)
การเลือกใช้ชีวติ เพื่อสุ ขภาพที่ดี
Lifestyle choices and risk
• ๒ สาเหตุหลักที่เป็ นสาเหตุของการเกิดโรค เช่น โรคหัวใจ โรคหลอด
เลือดในสมองตีบ โรคมะเร็ ง และเบาหวาน ที่สามารถป้ องกันได้ คือ
บุหรี่ และความอ้วน
• ภาวะเป็ นพิษจากอาหารที่เกิดขึ้นกับคนในโลกมากที่สุด คือการบริ โภค
มากเกินไป
• การเลือกกินอาหารที่มีประโยชน์และการออกกาลังกายให้เพียงพอ เป็ น
วิธีการลดความเสี่ ยงในการเกิดโรค และป้ องกันโรคต่างๆ ได้ดีที่สุด
• ภาวะจิตใจที่สงบมัน่ คง ไม่เครี ยด
• หลักพุทธศาสนา ทางสายกลาง ศีล สมาธิ ปัญญา
Genetic Risk
โอกาสเสี่ ยงในการเกิดโรค
โรคที่เกิดจากความผิดปกติของยีนเดียว เช่นโรค
โลหิ ตจาง (thalassemia, hemophilia)
สามารถคานวนหาอัตราเสี่ ยงได้ง่าย
โรคส่วนใหญ่ รวมทั้งโรคหัวใจ มะเร็งและเบาหวาน มักเกิดจาก
ความผิดปกติของหลายยีน (Polygenic disease) ทาให้ทานาย
โอกาสเสี่ ยงในการเกิดโรคได้ยาก การทานายการเกิดโรคต้องดู
จากประวัติครอบครัวในอดีตหลายๆรุ่ นร่ วมด้วย
Molecular Diagnostic ในโรคมะเร็ง
การใช้ Microarray (Gene chips) ในการ
วินิจฉัย
การวินิจฉัยความรุนแรงของโรคมะเร็งเตานม
้
Cancer patient A
No metastatic
potential;
conservative
therapy
possible
Cancer
biopsy
Cancer patient B
Metastatic
potential;
aggressive
therapy
needed
Cancer
biopsy
การวินิจฉัยความรุนแรงของโรคมะเร็งตอมน
้าเหลือง
่
Lymph
node
biopsy
Lymphoma
Patient A
Tumor cells
from “younger”
lymphocytes
Lymphochip
Good prognosis
Lymph
node
biopsy
Lymphoma
Patient B
Tumor cells
from “older”
lymphocytes
Tumor cells from
Lymphochip
lymphocytes
of
Poor prognosis
“older origin”
การวิเคราะหด
อก
์ วย
้ DNA Chip ช่วยให้แพทยสามารถเลื
์
วิธก
ี ารรักษาทีถ
่ ก
ู ตอง
้
Same cancer, different treatment
Treatment
Different Treatments
After
Treatment
Effective
Microarray
guides
choice
Effective
การรักษาโรคมะเร็งในอนาคต
Cancer patient
Gene microarray
shows “marker”
protein pattern
Combination chemo
disrupts one of
cancer’s networks
Patient
should
respond
to drugs
A and B
Patient is in
remission
Patient’s tissue
sample or
blood sample
Protein microarray
shows
active proteins
Gene Therapy
ยีนบาบัด หรือ การรักษาดวยยี
น
้
• หลักการพืน
้ ฐานของยีนบาบัดคือความจริงทีว่ า่
สาเหตุของการเกิดโรคส่วนใหญเกิ
่ ดจากความ
ผิดปกติของยีน (mutation) ซึง่ นาไปสู่การทางานที่
ผิดปกติของโปรตีนในเซล อันจะนาไปสู่ความ
ผิดปกติในการทางานของอวัยวะทีเ่ กีย
่ วของจึ
ง
้
ทาให้เกิดเป็ นโรคตางๆ
่
• ยีนบาบัด คือแนวทางการรักษาโรคแนวใหมที
่ ่
พยายามแกไขที
ต
่ นเหตุ
ของโรคอยางแท
จริ
้
้
่
้ ง
คือการเปลีย
่ นยีนทีผ
่ ด
ิ ปกติดวยยี
นใหมที
่ ี
้
่ ด
• ถึงแมมนุ
ศึ
่ ะ
้ ษยจะได
์
้ กษาและมีความพยายามทีจ
ใช้ยีนบาบัดในการรักษาโรคมาเป็ นเวลาหลาย
ขั้นตอนการรักษาด้วยยีนบาบัด
• ศึกษาว่าโรคที่ตอ้ งการรักษาเกิดจากความผิดปกติของยีนเดียวหรื อหลายยีน ได้แก่ยนี อะไรบ้าง
• ต้องเข้าใจกลไกการเกิดโรค และเข้าใจว่าการทางานของยีนที่ผดิ ปกตินาไปสู่การเกิดโรคได้
อย่างไร
• ทานายว่าถ้านายีนที่ปกติใส่ เข้าไป จะทาให้ผปู ้ ่ วยหายจากโรคหรื อไม่ เพราะถ้าความผิดปกติเป็ น
ชนิด dominant negative การใส่ เฉพาะยีนที่ปกติเข้าไป ก็จะไม่ช่วยให้หายจากโรค
• จะใช้วธิ ีการอะไรในการนาส่ งยีนเข้าไปในร่ างกายของผูป้ ่ วย
• จะต้องมัน่ ใจว่ายีนจะต้องเข้าไปยังเซลที่ถูกต้องในอวัยวะที่ตอ้ งการเป็ นจานวนมากพอ (หลาย
ล้านเซล) เพื่อให้ทางานได้ดีและแก้ไขความผิดปกติได้
• เมื่อยีนเข้าไปในเซลที่ตอ้ งการแล้ว ยีนนั้นจะต้องถูกกระตุน้ (activated) ด้วยกลไกการทางานของ
เซลให้ทางานได้ คือสร้างเป็ นโปรตีนที่ถูกต้องได้ดว้ ย
• วิธีการนายีนเข้าไปยังเซลที่ตอ้ งการ หรื อ gene delivery (ทาได้โดยใช้ไวรัส Open full size)
รวมทั้งการกระตุน้ ให้ยนี ทางานได้ เป็ นขั้นตอนที่ยาก และยังต้องได้รับการพัฒนาต่ออีกมาก
ความสาเร็ จเพียงเล็กน้อยของการรักษาด้วยยีนบาบัด
คนไข้ผนู้ ้ ีเป็ นโรค
ภูมิคุม้ กันบกพร่ อง
เพราะมีความผิดปกติ
ที่ยนี ที่สร้างเอนไวม์
adenosine deaminase
และได้ทดลองการ
รักษาด้วยยีนบาบัด
และมีชีวิตอยูไ่ ด้
จนถึงปัจจุบนั
คนไข้ผนู้ ้ ีเป็ นโรคตับ
และได้ทดลองการ
รักษาด้วยยีนบาบัด
แต่ตอ้ งตายจาก
ปฏิกิริยาการอักเสบ
หลังจากได้ยนี ที่ส่ง
เข้าเซลด้วย
Adenovirus
คนไข้ที่ป่วยเป็ นโร
SCID มีความผิดปกติ
ของภูมิคุม้ กันอย่าง
รุ นแรง ดังเช่นเด็กคน
นี้ที่ตอ้ งอยูใ่ นลูกโป่ ง
พลาสติกตลอดเวลา
คนไข้ผนู้ ้ ีเป็ นโรค SCID
ได้ทดลองการรักษาด้วย
ยีนบาบัด ผลการรักษา
เป็ นที่น่าพอใจ แต่อีก 2 ปี
ถัดมาพบว่าเกิดเป็ นมะเร็ง
ต่อมน้ าเหลืองเพราะยีน
เข้าไปผิดที่ทาให้ไป
รบกวนการทางานของยีน
ที่ควบคุมการแบ่งตัวของ
เซล
Personalized Medicine การรักษาโรคแนวใหม่
ลางเนื้อชอบลางยา การรักษาเฉพาะบุคคล
อาจเรี ยกได้วา่ Pharmacogenetics คือการศึกษาการตอบสนอง
ต่อยาของผูป้ ่ วยแต่ละคนซึ่งแตกต่างกัน โดยจะขึ้นกับลักษณะ
ทางพันธุกรรมที่แตกต่างกันในแต่ละบุคคล
Pharmacogenetics มีจุดมุ่งหมายเพื่อหาวิธีทาการรักษาโรคที่
เหมาะสมและมีประสิ ทธิภาพสูงที่สุดต่อผูป้ ่ วยแต่ละคน
เหมือนกับลักษณะที่กล่าวว่าลางเนื้อชองลางยา ผูป้ ่ วยแต่ละคน
ต้องการวิธีรักษาแตกต่างกัน
ข้อดีของการรักษาแบบนนี้คือคนไข้จะได้รับยาชนิดที่สามารถ
รักษาโรคได้ถูกต้องและในปริ มาณที่เหมาะสม ลดการเกิด
อาการข้างเคียง และลดค่าใช้จ่าย (ใน สหรัฐอเมริ กาแต่ละปี มีผปู้ ่ วยไม่ต่า
กว่าแสนคนที่ตอ้ งตายและอีกไม่ต่ากว่า 2.2 ล้านคนที่เกิดอาการแพ้อย่างรุ นแรง
จากการได้รับยาในขนาดปกติที่ใช้กนั โดยทัว่ ไป
ตัวอยางการรั
กษาโรคแนวใหม่
่
• Open full size
Check
P450 CYP2C9 gene
SNP-o-chip
SNP กับการรักษาโรคแนวใหม่
• Single nucleotide polymorphisms
• เป็ นการตรวจหาความแตกตางเพี
ยงเล็กน้อยใน
่
ดีเอนเอของประชากรเพือ
่ นาไปสู่วิธก
ี ารรักษา
โรคทีม
่ ป
ี ระสิ ทธิภาพสูงสุดซึง่ จะแตกตางกั
นใน
่
แตละบุ
คคล
่
• มนุ ษยมี
์ ประมาณ 1 SNP/300 bps ดังนั้นจึงมี SNP
ประมาณ 10 ลานจุ
ด
้
• ตองมี
้ ไป
อยางน
้
่
้ อย 1% ขึน
• Open full size
เซลตนก
้ าเนิด stem cell
Stem Cell Therapy
การรักษาดวยเซลต
นก
้
้ าเนิด
• What is a Stem Cell?
• What are Some Different Types of Stem Cells?
– Early embryonic stem cells = totipotent (สามารถพัฒนาไปเป็ น
เซลอะไรก็ไดทุ
้ กชนิด)
– Blastocyst embryonic stem cells = pluripotent (สามารถพัฒนาไป
เป็ นเซลไดเกื
้ อบทุกชนิด) มีประสิ ทธิภาพสูงสุดใน
การรักษา
– Fetal stem cells = pluripotent
– Umbilical cord stem cells = multipotent (สามารถพัฒนาไปเป็ น
เซลไดบางชนิ
ดเทานั
้
่ ้ น)
– Adult stem cells = multipotent
Stem Cell Therapy
การรักษาดวยเซลต
นก
้
้ าเนิด
การซ่อมเซลในร่ างกายที่เสื่ อมเสี ยไป
โดยการ
– ปลูกเซลต้นกาเนิดในอวัยวะที่เสี ย
ไป
– กระตุน้ เซลต้นกาเนิ ดที่มีอยูแ่ ล้ว
ให้สร้างเนื้อเยือ่ ที่เสื่ อมไป
โรคที่สามารถรักษาได้ดว้ ยเซลต้นกาเนิด
ขั้นตอนการรักษาด้วยเซลต้นกาเนิด
1. หาสาเหตุ
2. เลือกชนิดเซลต้นกาเนิดที่จะนามาใช้รักษา
3. ทดสอบความเข้ากันได้ของเซลต้นกาเนิดกับเซลผูป้ ่ วย (HLA
typing, Matching)
4. นาเซลต้นกาเนิดไปใส่ ที่อวัยวะที่เสื่ อมไป
5. ตรวจดูวา่ เซลต้นกาเนิดพัฒนาและทาหน้าที่ได้หรื อไม่
การรักษามะเร็ งเม็ดเลือดขาวด้วยเซลต้นกาเนิดในปั จจุบนั
• การปลูกถ่ายไขกระดูก
• การใช้เซลต้นกาเนิดจากสายสะดือ
การวิจยั เกี่ยวกับเซลต้นกาเนิดกับปัญหาทางจริ ยธรรม
การรักษาด้วยเซลต้นกาเนิดในอนาคต
Cloning
Chapter 10: The Nature of the Gene and the Genome
Chargaff's Ratios Video (size: 360 x 240 or 588 x 392)
Base Pairing Video (size: 360 x 240 or 588 x 392)
Public Project Sequencing Video (size: 360 x 240 or 588 x 392)
Chapter 11: Expression of Genetic Material: From Transcription to Translation
Transcription Video (size: 360 x 240 or 588 x 392)
Triplet Code Video (size: 360 x 240 or 588 x 392)
Translation Video (size: 360 x 240 or 588 x 392)
Chapter 12: The Cell Nucleus and the Control of Gene Expression
How Much DNA Codes for Protein Video (size: 360 x 240 or 588 x 392)
How DNA is Packaged Video (size: 360 x 240 or 588 x 392)
Microarray Video (size: 360 x 240 or 588 x 392)
Chapter 13: DNA Replication and Repair
Replicating the Helix Video (size: 360 x 240 or 588 x 392)
Mechanism of Replication Video (size: 360 x 240 or 588 x 392)
Chapter 16: Cancer
Microarray Video (size: 360 x 240 or 588 x 392)
Tumor Growth Video (size: 360 x 240 or 588 x 392)
Chapter 18: Techniques in Cell and Molecular Biology
Mechanism of Recombination Video (size: 360 x 240 or 588 x 392)
Polymerase Chain Reaction Video (size: 360 x 240 or 588 x 392)
Review