1. Molecular Genetics

2. Objectives
1. สรุปหลักฐานที่แสดงให้เห็นว่า DNA เป็นสารพันธุกรรม
2. อธิบายและเขียนแผนภาพแสดงลักษณะทางกายภาพและ
โครงสร้างทางเคมีของ nucleic acid
3. อธิบายและเขียนแผนภาพแสดงกระบวนการ DNA replication
4. เปรียบเทียบการจัดระเบียบของ DNA บนโครโมโซมของ
prokaryote และ eukaryote
5. สรุปการส่งผ่าน genetic information ภายในเซลล์จาก gene ถึง
protein
6. เปรียบเทียบโครงสร้างและบทบาทภายในเซลล์ของ DNA,
mRNA, tRNA และ rRNA
7. อธิบายและเขียนแผนภาพแสดงกระบวนการ transcription และ
translation

3. DNA replication
สมมติฐานของ Watson & Crick
ก่อนที่ DNA replication พันธะไฮโดรเจน
ที่จบคูกนระหว่าง polynucleotide 2 strands
ั ่ ั
จะถูกทาลายและคลายเกลียว แยกออกจากกัน
แต่ละ strand ของ polynucleotide ทาหน้าที่
เป็น template สาหรับสร้าง strand ใหม่ขนมา
ึ้
เรียกสมมติฐานนี้วา semiconservative type
่
หรือ complementary type

4. DNA replication
DNA replication
DNA replication components;
1. Helicase; ทาลาย H bound ที่เกิดจากการจับคูกนของเบส A
่ ั
กับ T และ C กับ G เพื่อให้ double strand เป็น single strand
DNA
2. ssDNA binding protein; จับกับ ssDNA เพื่อป้องกันไม่ให้มา
จับกันเป็น dsDNA
3. DNA gyrase (topoisomerase); คลายปมทีอยู่เหนือจุดแรก
่
ของเกลียวคู่
4. primase; สังเคราะห์ RNA primer
5. 5’->3’ exonuclease; ตัด nucleotide จากปลายด้าน 5’-PO4
ไปยังด้าน 3’-OH

5. DNA replication
DNA replication
DNA replication components;
6. 3’->5’ exonuclease; ตัด nucleotide molecule จากปลาย
ด้าน 3’-OH ไปยังด้าน 5’-PO4
7. Endonuclease; ทาลาย ester bound ทาให้ DNA ถูกตัด เกิด
ปลาย 3’-OH และปลาย 5’-PO4 รอยขาด เรียกว่า nick
8. DNA ligase; เชื่อมต่อปลาย 3’-OH กับปลาย 5’-PO4 ด้วย
ester bound (close nick)
9. DNA polymerase;

6. DNA replication
4
7
6
Initiation point
3
5
1
2

7. DNA replication; 5’->3’
• Unidirectional replication: การจาลองโมเลกุลแบบทิศทางเดียว
• bidirectional replication: การจาลองโมเลกุลแบบ 2 ทิศทาง พบใน
prokaryote และ eukaryote
Unidirectional replication bidirectional replication

8. ความสัมพันธ์ระหว่าง DNA,
RNA และโปรตีน

9. ตารางแสดงความสอดคล้องระหว่างหน้าทีการทางานและสมบัตทาง
่ ิ
กายภาพและเคมีของ DNA RNA และโปรตีน
สมบัติทางกายภาพและเคมี
โมเลกุล หน้าทีการทางาน
่ ความ โครงสร้าง หน่วยย่อย ความหลากหลาย จานวน
เสถียร ทางเคมี โมเลกุลใน
เซลล์
DNA บรรจุข้อมูล สูง สายคู่ ยาว เบส 4 ชนิด ต่า น้อย
พันธุกรรมระยะยาว ขดแน่น
RNA บรรจุข้อมูล ต่า สายเดียว ่ เบส 4 ชนิด ต่า มาก
พันธุกรรมระยะสั้น สั้นเคลื่อนที่
สะดวก
โปรตีน เป็นโครงสร้างและ มีหลาย หลากหลาย กรดอะมิโน สูง มาก
เป็นตัวทางานหลัก ระดับ ซับซ้อน 20 ชนิด

10. Central Dogma
replication
DNA
Reverse
transcription transcription
RNA
translation
Protein

11. Gene Expression
การแสดงออกของยีน เป็นการทียนใดๆ มีการทาหน้าทีไปจนถึง
่ ี ่
กระบวนการสร้างโปรตีน
• กระบวนการสร้างโปรตีนมี 2 กระบวนการหลักคือ
- TRANSCRIPTION (การลอกรหัส)
- TRANSLATION (การแปลรหัส, การถอดรหัส)
• กระบวนการ transcription จัดเป็น gene expression เนืองจากยีนมี
่
การทาหน้าที่

12. Gene Expression

13. Gene Expression

14. Transcription
คือ การลอกรหัสจาก DNA เพื่อสังเคราะห์สาย RNA
• RNA ที่ถกสังเคราะห์หลัก ๆ คือ
ู
• rRNA
• mRNA
• tRNA

15. Transcription
การสังเคราะห์ RNA จาเป็นต้องมี:
1. DNA template
2. RNA polymerase
3. Nucleotides: ATG, UTG, CTG, GTG

16. Transcription
coding strand
5’ 3’
Complementary
3’ 5’
anti-coding strand
non-coding strand
DNA template
สาย mRNA มีลาดับเบสเหมือนสาย DNA coding เพราะ
คัดลอกมาจาก DNA สายที่เป็น anti-coding ซึ่งถูกเรียกว่า DNA
template

17. Transcription
บริเวณทีจะ transcribe บน DNA template ประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก
่
คือ
• Promoter: สาหรับ eukaryote เหนือ start site 25 bp. เรียกว่า
Hogness box (TATAAAAG) สาหรับ prokaryote เรียก
Pribnow box (TATAATG) โดยทัวไปอาจเรียกว่า TATA box
่
• Gene content: Exon and Intron
• Terminator: AATAAA อีก 20 bp. Stop transcribe
ORF
promoter gene content terminator

18. Transcription
เกิดขึนบริเวณ nucleus มี 3 ขันตอน
้ ้
1. Initiation การเข้าเกาะของ RNA polymerase ที่ promoter
2. Elongation การสร้างสาย RNA ให้ยาวออกไปอย่างต่อเนื่อง
3. Termination การเคลือนตัวไปถึง terminator point จนหลุด
่
ออกไปของ RNA polymerase ไปจนสินสุดการลอกรหัส
้

19. Transcription
• Promoter
• Start point
• Termination point
• Terminator
http://kentsimmons.uwinnipeg.ca/cm1504/proteinsynth.htm

20. mRNA processing
Prokaryote เมื่อ transcription แล้ว mRNA ที่ได้จะถูก
modified โดยการเติม 5’-Cap และ 3’- Poly (A) tail
ก่อนที่จะไป translate ที่ ribosome
Eukaryote เมือ transcription แล้ว mRNA ที่ได้
่
นอกจากจะถูก modified โดยการเติม 5’-Cap และ 3’-
Poly (A) tail เช่นเดียวกับใน prokaryoteแล้ว ยังมี
กระบวนการตัดส่วนของ intron ออกอีกกระบวนการหนึ่ง
ด้วย

21. mRNA processing
1. 7-methyl guanosine was capped at 5’
2. Added poly A at 3’
3. Intron sequens are spiced out of pre-mRNA
4. Exon is joined by phosphodiester bond
mature mRNA transfer to cytoplasm for protein
translation

22. mRNA processing
prokaryote
eukaryote

23. Transcription Product
RNA polymerase I + Transcription unit = rRNA
RNA polymerase II + Transcription unit = mRNA
RNA polymerase III+ Transcription unit = tRNA
rRNA + ribosomal protein = ribosome
tRNA + amino acid = aminoacyl tRNA
mRNA + ribosome + aminoacyl tRNAs = translation

24. Ribosome
Eukaryote มีนาหนัก 80S ประกอบด้วย 2 subunits คือ small
้
subunit หนัก 40S และ large subunit หนัก 60S
Prokaryote มีนาหนัก 70S ประกอบด้วย 2 subunits คือ
้
small subunit หนัก 30S และ large subunit หนัก 50S

25. Ribosome

26. Translation

27. Translation
กระบวนการแปลรหัส หรือถอดรหัสจาก mRNA ไปเป็นสาย
polypeptide
Translation เป็นกระบวนการที่เกิดใน cytoplasm
เกิดขึ้นได้เมื่อมี :
-mRNA
-aminoacyl tRNA
-ribosome

28. Genetic code
1. รหัสพันธุกรรม 1 รหัส ประกอบด้วยเบส 3 เบส (triple code or codon)
2. รหัสพันธุกรรมไม่มการเหลือมซ้อนกัน (non overlapping)
ี ่
3. รหัสพันธุกรรมไม่มการเว้นหรือข้ามเบสระหว่างพันธุกรรม (commaless)
ี
4. รหัสพันธุกรรมหลายรหัสสามารถกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน (degenerate
code)
5. รหัสพันธุกรรมบางรหัสสามารถกาหนดกรดอะมิโนได้หลายตัว (ambiguous
code)
6. รหัสพันธุกรรมบางรหัสไม่ทาหน้าทีกาหนดกรดอะมิโนตัวใดเลย (nonsense
่
codon)
7. รหัสพันธุกรรมทีกาหนดกรดอะมิโนแต่ละชนิดนัน จะเหมือนกันในสิงมีชวตทุก
่ ้ ่ ี ิ
ชนิด (universal code)
8. Translation 5’(PO4)->3’(OH)

29. 3 bases = 1 codon

30. Genetic code
• Start codon: AUG
• Stop codon: UAA,
UAG, UGA
1 codon : Met, Trp

31. Protein Synthesis
1. Transcription:
- RNA synthesis (DNA template, RNA
polymerase)
- Nucleus
2. Translation: Polypeptide, Ribosome, Cytoplasm
- amino acid activation reaction
- initiation of polypeptide chain
- elongation cycle
- termination of peptide chains

32. Translation
กระบวนการแปลลาดับของเบสของ mRNA ให้เป็นลาดับ
ของ amino acid ที่ตอกันเป็น polypeptides
่
• amino acid activation reaction
• initiation of polypeptide chain
• elongation cycle
• termination of peptide chains

33. Amino Acid Activation Reaction
การกระตุนให้ amino acid ต่อกับ tRNA
้
• cytoplasm
• aminoacyl-tRNA synthetase or amiacyl-tRNA
ligase
Mg2+
Amino acid + tRNA + ATP aminoacyl-tRNA + AMP + PPi

34. Amino Acid Activation Reaction

35. Initiation of polypeptide chain
• Start codon: AUG (N-formyl methionyl-tRNA or f met-
tRNA)
• ribosome; 50s and 30s
• Initiation Factor (IF); IF1 IF2 and IF3
• mRNA
• peptidyl site or P-site of ribosome

36. Initiation of polypeptide chain
IF1
1. ribosome 30s + IF3 ribosome
30s IF3 complex IF1 complex
2. f met-tRNA-GTP + IF2 + ribosome
30s IF3 IF1 + mRNA = initiation
complex
3. initiation complex + ribosome 50s =
ribosome70s (GTP)

37. Elongation cycle
Amino acid ต่อกันเป็น polypeptide
• Aminoacyl site or
A-site
• EF-T; EF-Ts & EF-Tu
• peptide bond
• peptidyl transferase
• do not use GTP

38. Termination of polypeptide chain
• A-site: UAA, UAG or UGA
• RF: RF1 & RF2 (prokaryote), eRF (eukaryote)

39. Transcription and translation
terminator
promoter
3’ 5’
start point terminator point
5’ 3’
start codon stop codon
NH2 COOH
amino group ของ Met carboxylic group

40. Amino acid
-ประกอบด้วย อะตอมคาร์บอนอยูตรงกลางที่ต่อเข้ากับอะตอมโดย
่
ใช้ covalent bond 4 bonds โดยมีปลายด้านหนึงต่ออยูกบ
่ ่ ั
carboxyl group (COOH) และอีกด้านหนึงต่อกับ Amino group
่
(NH2)
- พบในธรรมชาติ 20 ชนิด
- เชือมต่อกันด้วย peptide bond
่
- polypeptide มากกว่า 1 สายประกอบกันเป็น protein
Denaturation
Renaturation

41. BIOTECHNOLOGY
• ความหมายและความสาคัญของเทคโนโลยีชวภาพ
ี
Biotechnology = Bio + Technology

42. BIOTECHNOLOGY (Cont.)
• ความหมายและความสาคัญของเทคโนโลยีชวภาพ
ี
- เป็นเทคนิคกระบวนการหรือการใช้สงมีชวต และส่วนประกอบของ
ิ่ ี ิ
สิงมีชีวต เพือปรับปรุงและพัฒนาทางการเกษตร อาหาร การแพทย์
่ ิ ่
และสิงต่างๆทีผลิตเป็นอุตสาหกรรม
่ ่
- เป็นการประยุกต์ใช้หลักฐานของวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์
ในกระบวนการผลิต โดยใช้สารทางชีวภาพ เพือให้ได้สนค้าในระบบ
่ ิ
อุตสาหกรรม และเป็นการเพิ่มมูลค่าของสินค้าด้วย

43. Why do we need ‘BIOTECHNOLOGY’??
เพื่อหาทางแก้ปญหาสาคัญที่โลกกาลังเผชิญอยู่ ได้แก่
ั
• เกษตรกรรม
• อาหาร
• การแพทย์
• เภสัชกรรม และ
• สิงแวดล้อม
่

44. Biotechnology
พันธุวศวกรรม คือ
ิ
เทคนิคการตัดต่อยีนจากสิงมีชวตชนิดหนึ่ง หรือหลายชนิดแล้ว
่ ี ิ
ถ่ายเทให้กบสิงมีชีวตชนิดเดียวกัน หรือต่างชนิดกัน
ั ่ ิ
เทคนิคพันธุวิศวกรรมประกอบด้วย 4 ขันตอน ดังนี้
้
1. การแยกยีนทีสนใจ (gene of interest)
่
2. เพิ่มปริมาณยีนทีสนใจด้วยเทคนิค PCR
่
3. นาชิ้นส่วนยีนที่แยกได้ไปต่อกับพาหะ (vector)
4. การโคลนยีน (gene cloning)
5. ถ่าย recombinant DNA ใส่ในสิงมีชวตเป้าหมาย
่ ี ิ

45. Genetic Engineering

46. Genetic Engineering

47. ProkaryoticVectors
Plasmid
• เป็นดีเอ็นเอที่อยูนอก
่
โครโมโซม
• พบในแบคทีเรียหลายชนิด
• โครงสร้างเป็นดีเอ็นเอวง
แหวนเกลียวคู่
• สามารถจาลองตัวเองได้

48. ProkaryoticVectors
• lambda phage
• cosmid
• M13 phage
• shuttle vector

49. Restriction Enzymes
• เอนไซม์ตดจาเพาะจะตัดดีเอ็นเอทีตาแหน่งจดจา ในลักษณะทีเรียกว่า palindrome
ั ่ ่
• การเรียกชือเอนไซม์ได้มาจาก genus name และ species name โดยใช้ระบบ
่
อักษร 3 ตัว พิมพ์ตวเอน
ั

51. Cut Ends
Blunt ends
Sticky ends

52. Recombinant DNA technique
: เทคนิคทีทาให้เกิดการรวมตัวกันของสารพันธุกรรมในสภาพ
่
หลอดทดลองประกอบด้วย
1. ใช้ restriction enzyme ตัดโมเลกุล DNA ให้ได้ target DNA
2. เชือมต่อชิน DNA เข้ากับ vector โดยเทคนิค ligation
่ ้
3. สอดแทรก recombinant DNA molecule เข้าไปใน host ทีทาให้
่
recombinant DNA molecule เพิ่มจานวนได้

53. DNA digestion
DNA ligation
Transformation

54. Transformation Screening
White blue colony screening
1. การตรวจสอบว่าพลาสมิด
เข้าสูแบคทีเรียหรือไม่
่
1 2. การคัดเลือกเซลล์
2 แบคทีเรียที่มดเอ็นเอสาย
ี ี
ผสม

55.  Blue Roses

56.  Golden Rice
http://www.isaaa.org/Kc/inforesources/biotechcro
ps/The_Golden_Rice_Technology.htm

57.  สิ่งมีชีวตดัดแปลงพันธุกรรม
ิ
GMOs / LMOs
- Genetically Modified Organisms
(GMOs)
- Living Modified Organisms
(LMOs)
- Transgenic plant
- Transgenic animal

58.  เทคนิคทางพันธุวศวกรรม (genetic
ิ
engineering)
การย้ายยีนเข้าสูพชทางพันธุวิศวกรรมสามารถแบ่ง
่ ื
ได้เป็น 2 วิธดังนี้
ี
1. การย้ายยีนโดยใช้ Agrobacterium
tumerfaciens เป็นพาหะ
2. การย้ายยีนโดยไม่ตองใช้พาหะ
้

59. การย้ายยีนเข้าสูพืช
่
ทางพันธุวศวกรรม
ิ
ที่มา:
https://www.msu.edu/course/is
b/202/ebertmay/2004/notes/in
otes/02_28_06_bghuman.html

60.  เทคนิคทางพันธุวศวกรรมในสัตว์
ิ
(genetic engineering)
พันธุวิศวกรรมในสัตว์สามารถแบ่งได้เป็น 3 วิธดงนี้
ี ั
1. DNA microinjection
2. Embryonic stem cell (homologous
recombination)
3. การถ่ายยีนโดยใช้ Retrovirus (SV 40)

61. Polymorphism
คือ ความแตกต่างของรูปแบบพันธุกรรมมากกว่า 1
แบบขึนไป ความแตกต่างที่เกิดขึนนีจะต้องมีความถีไม่
้ ้ ้ ่
น้อยกว่า 1 เปอร์เซ็นต์ โดยปกติความแตกต่างทีเกิดขึนมี
่ ้
3 ระดับ คือ
1. ระดับโครโมโซม
2. ระดับยีน
3. ระดับความยาวของชินส่วนดีเอ็นเอเมือตัดด้วย
้ ่
เอนไซม์ตดจาเพาะ
ั

62. Genetic Engineering
ประโยชน์ของเทคนิคพันธุวศวกรรม
ิ
1. ด้านการแพทย์: ผลิตinsulin, growth hormone,
vaccine และ gene theraphy (โรคภูมิคมกัน
ุ้
บกพร่อง (SCID)
2. ด้านการเกษตร: transgenic plant, transgenic
animal
3. ด้านอุตสาหกรรมและสภาพแวดล้อม: ผลิต
เชือจุลนทรียพันธุที่มประสิทธิภาพสูงในการหมัก
้ ิ ์ ์ ี

63. ขอขอบคุณ
อ.ดร.ภิญญารัตน์ กงประโคน
สาขาทรัพยากรเกษตรชีวภาพ
คณะทรัพยากรธรรมชาติและอุตสาหกรรมเกษตร
มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตเฉลิมพระเกียรติ จังหวัดสกลนคร