วันอาทิตย์ที่ 7 กรกฎาคม พ.ศ. 2556

ยีนและโครโมโซม


การถ่ายทอดยีนและโครโมโซม

                สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่แต่และชนิดประกอบขึ้นด้วยเพศที่แตกต่างกัน คือ เพศผู้และเพศเมีย ลูกที่เกิดขึ้นจะพัฒนามาจากเซลล์ที่เกิดขึ้นจากเซลล์พิเศษของ เพศผู้ คือ " สเปิร์ม " และเซลล์พิเศษของเพศเมียคือ " เซลล์ไข่ " มารวมตัวกันเป็น " ไซโกต " โดยกระบวนการสืบพันธุ์ ดังนั้น ยีนจากพ่อและแม่น่าจะมีการส่งถ่ายสู่ลูกด้วยกระบวนการดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งข้อสังเกต ดัวยกล้องจุลทรรศน์เห็นการรวมตัวของสเปิร์มและเซลล์ไข่ของกบและหอยเม่น
ต่อมาเมื่อมีการค้นพบ สีย้อมนิวเคลียสในปี พ.ศ. 2423 จึงพบว่าในนิวเคลียสมีโครงสร้างที่มีลักษณะเป็นเส้น เรียกว่า " โครโมโซม " สีย้อมดังกล่าวทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงของโครโมโซมขณะมีการแบ่งเซลล์ และทำให้รู้จัก การแบ่งเซลล์ใน 2 ลักษณะคือการแบ่งเซลล์ของไมโทซิส ซึ่งพบว่า กระบวนการนี้เซลล์ลูกที่เกิดขึ้นจะมีโครโมโซมเหมือนกันทั้งหมด ดังภาพ 1-1 ก. และ การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส ที่มีผลทำให้เซลล์ลูกที่เกิดขึ้นจะมีจำนวนโครโมโซมเป็นครึ่งหนึ่งของเซลล์เริ่มต้น (haploid cell)

ในปี พ.ศ.2445 วอลเตอร์ ซัตตัน (Walter Sutton) เป็นบุคคลแรกที่เสนอ  ทฤษฎีโครโมโซมในการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม (Chromosome theory of inheritance) โดยเสนอว่าสิ่งที่เรียกว่า แฟกเตอร์จากข้อเสนอของเมนเดลซึ่งต่อมาเรียกว่า " ยีน " นั้นน่าจะอยู่บนโครโมโซม เพราะมีเหตุการณ์หลายอย่างที่ยีนและโครโมโซมมีความสอดคล้องกัน ดังนี้
1.ยีนมี 2 ชุด และโครโมโซมก็มี 2 ชุด
2.ยีนและโครโมโซมสามารถถ่ายทอดไปสู่รุ่นลูกหลาน
3.ขณะที่มีการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส โครโมโซมมีการเข้าคู่กัน และต่างแยกจากกันไปยังเซลล์ลูกที่เกิดขึ้นคนละเซลล์ ซึ่งลักษณะเดียวกันนี้ก็เกิดขึ้นได้กับยีน โดยมีการแยกตัวของแอลลีนทั้งสองไปยังเซลล์สืบพันธุ์
4.การแยกตัวของโครโมโซมที่เป็นคู่กันไปยังขั้วเซลล์ขณะที่มีการแบ่งเซลล์ แต่ละคู่ดำเนินไปอย่างอิสระ เช่นเดียวกับการแยกตัวของแต่ละแอลลีลไปยังเซลล์สืบพันธุ์
5.ขณะเกิดการสืบพันธุ์ การรวมของเซลล์ไข่และสเปิร์มเกิดเป็นไซโกตเป็นไปอย่างสุ่ม ทำให้เกิดการรวมกันระหว่างชุดโครโมโซมจากเซลล์ไข่และสเปิร์มเป็นไปอย่างสุ่มด้วย ซึ่งเหมือนกับการที่ชุดของแอลลีนที่เกิดขึ้น ในเซลล์สืบพันธุ์ของพ่อกลับมารวมกันอีกครั้งกับแอลลีลในเซลล์สืบพันธุ์ของแม่ เมื่อมีการสืบพันธุ์ก็เป็นไปอย่างสุ่มเช่นกัน
6.ทุกเซลล์ที่พัฒนามาจากไซโกตจะมีโครโมโซมครึ่งหนึ่งจากแม่และอีกครั้งหนึ่งของพ่อ ซึ่งยีนครึ่งหนึ่งก็จะมาจากแม่และอีกครึ่งหนึ่งก็จะมาจากพ่อเช่นกัน ทำให้ลูกที่เกิดมามีลักษณะแปรผันไปจากพ่อและแม่
ในปี พ.ศ.2412 เอฟ มิเชอร์ (F. Miescher) นักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดน ได้ศึกษาส่วนประกอบในนิวเคลียสของเซลล์เม็ดเลือดขาวที่ติดมากับผ้าพันแผล โดยนำมาย่อยเอาโปรตีนออกด้วยเอนไซม์เพปซิน พบว่าเอนไซม์นี้ไม่สามารถย่อยเอาโปรตีนที่อยู่ภายในนิวเคลียสได้ เมื่อนำสารนี้มาวิเคราะห์ทางเคมีก็พบว่า มีธาตุไนโตรเจนและฟอสฟอรัสเป็นองค์ประกอบ จึงเรียกสารที่สกัดได้จากนิวเคลียสว่า นิวคลีอิน (Nuclein) ต่อมาอีก 20 ปี ได้มีการเปลี่ยนชื่อใหม่ว่า กรดนิวคลีอิก เนื่องจากมีผู้ค้นพบว่าสารนี้มีสมบัติเป็นกรด
ภาพ 2-1 เอฟ มิเชอร์
เมื่อมีการพัฒนา สีฟุคซิน (Fuchsin) ในปี พ.ศ.2457 โดย อาร์ ฟอยล์เกน (R. Feulgen)นักเคมีชาวเยอรมัน ซึ่งสีนี้ย้อมติด DNA ให้สีแดง และเมื่อนำไปย้อมเซลล์ พบว่าติดที่นิวเคลียสและรวมตัวหนาแน่นที่โครโมโซม จึงสรุปได้ว่า DNA อยู่ที่โครโมโซม จะเป็นไปได้หรือไม่ว่า DNAเป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต ถ้า DNA เป็นสารพันธุกรรม DNA จะต้องควบคุมการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมได้ดังนั้นโครโมโซม นอกจากจะมีโปรตีนแล้วยังมี DNA อีกด้วย
การค้นพบ DNA อยู่ที่โครโมโซม ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า DNA เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตต่างๆ แต่ก็มีนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากในสมัยนั้นเชื่อว่า สารพันธุกรรมน่าจะเป็น โปรตีน เนื่องจากโปรตีนเป็นสารชีวโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้วย กรดอะมิโน 20 ชนิด จึงน่าจะมีโปรตีนชนิดต่างๆ มากพอที่จะควบคุมลักษณะของสิ่งมีชีวิตได้อย่างครบถ้วน
ในปี พ.ศ.2471 เอฟ กริฟฟิท (F. Griffith) แพทย์ชาวอังกฤษ ทำการทดลองโดยฉีดแบคทีเรีย (Streptococcus Pneumoniae) ที่ทำให้เกิดโรคปอดบวมเข้าไปในหนู แบคทีเรียที่ฉีดเข้าไปนี้มี 2 สายพันธุ์ คือ สายพันธุ์ที่มีผิวหยาบ เพราะไม่มีสารห่อหุ้มเซลล์หรือ แคปซูล (Capsule)ไม่ทำให้เกิดปอดบวม เรียกว่าสายพันธุ์ R (Rough) ส่วนสายพันธ์ที่มีผิวเรียบ เรียกว่าสายพันธุ์ S (Smooth) ตามการทดลองดังภาพที่ 2-2 


ภาพที่ 2-2
กริฟฟิทนำแบคทีเรียสายพันธุ R ฉีดให้หนู พบว่าหนูไม่ตาย ดังภาพที่ 2-2 ก. ต่อมาฉีดแบคทีเรียสายพันธุ์ S ให้หนูพบว่าหนูตาย ดังภาพที่ 2-2 ข.  เมื่อนำแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ทำให้ตายด้วยความร้อนแล้วฉีดให้หนูพบว่าหนูไม่ตาย ดังภาพที่ 2-2 ค. แต่เมื่อนำแบคทีเรียสายพันธุ์ Sที่ทำให้ตายด้วยความร้อนผสมสายพันธุ์ R ที่มีชีวิต ทิ้งไว้ระยะเวลาหนึ่งแล้วฉีดให้หนูพบว่าหนูตาย เมื่อนำไปตรวจเลือดหนูที่ตายปรากฏว่ามีแบคทีเรียสายพันธุ์ S ปนอยู่กับ สายพันธุ์ R ดังภาพ 2-2ง.
สิ่งที่น่าสงสัยคือเหตุใดเมื่อนำแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ทำให้ตายด้วยความร้อน ไปผสมกับสายพันธุ์ R ที่มีชีวิตแล้วฉีดให้หนูจึงทำให้หนูตาย กริฟฟิทได้รายงานว่ามีสารบางอย่างจากแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ทำให้ตายด้วยความร้อนเข้าไปยังสายพันธุ์ R บางเซลล์และสามารถทำให้แบคทีเรียสายพันธุ์ R เปลี่ยนแปลงเป็นสายพันธุ์ S ที่มีชีวิต สายพันธุ์ S เหล่านี้ยังสามารถถ่ายทอดลักษณะไปสู่รุ่นลูกหลานอย่างไรก็ตาม กริฟฟิทก็ไม่สามารถพิสูจน์ได้ว่าสารนั้นคืออะไร
 ในปี พ.ศ.2487 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน 3 คน คือ โอ ที แอเวอรี่ (O. T. Avery)ซี แมคลอยด์ (C. MacLeod) และ เอ็ม แมคคาร์ที (M. McCarty) ทำการทดลองต่อจากกริฟฟิท โดยนำแบคทีเรียสายพันธุ์ S มาทำให้ตายด้วยความร้อนและสกัดเอาสารจากสายพันธุ์ S ออกมาใส่ในหลอดทอลอง 4 หลอด แล้วเติม เอนไซม์ RNase (Ribouclease) ในหลอดทดลอง ก. เพื่อย่อยสลาย RNA. เติม เอนไซม์โปรตีเอส (Protease) ลงในหลอดทดลอง ข. เพื่อย่อยสลายโปรตีน และเติม เอนไซม์ DNase (Deoxyribonuclease) ลงในหลอดทดลอง ค. เพื่อย่อยสลายDNA ส่วนหลอด ง. เป็นการทดลองชุดควบคุม ซึ่งไม่มีการเติมเอนไซม์อื่นใดเพิ่มเติม ต่อจากนั้นเติมแบคทีเรียสายพันธุ์ R ลงในหลอดทดลอง ดังการทดลองในภาพที่ 2-3 ปล่อยไว้ระยะเวลาหนึ่งจึงนำไปเพาะเลี้ยงในอาหารวุ้น แล้วตรวจสอบแบคทีเรียที่เกิดขึ้น

จากผลการทดลองของแอเวอรี่และคณะ ปรากฏว่าส่วนผสมของแบคทีเรียสายพันธุ์ R กับสารสกัดจากสายพันธุ์ S ที่ทำให้ตายด้วยความร้อน ในภาวะที่มีเอนไซม์ DNase จะไม่พบแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่เกิดขึ้นใหม่ ในขณะที่ในส่วนผสมของแบคทีเรียสายพันุธ์ R กับสารสกัดจากสายพันธุ์ในภาวะที่มีเอนไซม์ RNase และภาวะที่มีเอนไซม์โปรตีเอส จะพบสายพันธุ์ S ที่เกิดขึ้น การทดลองครั้งนี้แสดงให้เห็นว่า DNA คือสารที่เปลี่ยนพันธุกรรมของแบคทีเรียจากสายพันธุ์ให้เป็นสายพันธุ์แอเวอรี่จึงสรุปได้ว่ากรดนิวคลีอิกชนิด DNA เป็นสารพันธุกรรม ไม่ใช่โปรตีนดังที่เคยเชื่อกันมาก่อนหน้านี้
นอกจากนี้ยังมีการทดลองอื่นๆตามมาที่ยืนยันตรงกันว่า DNA เป็นสารพันธุกรรม ต่อมาได้มีการค้นพบว่า DNA เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทั่วไปทั้ง คน สัตว์ พืช โพรทิสต์ แบคทีเรีย ไวรัส และยังพบว่า RNA เป็นสารพันธุกรรมในไวรัสบางชนิด เช่น ไวรัสที่ทำให้เกิดโรคใบด่างในใบยาสูบ ไวรัสที่เป็นสาเหตุของโรคโปลิโอ เอดส์ ซาร์ส ไข้หวัดนก และโรคมะเร็งบางชนิด เป็นต้น
ดังนั้นจึงถือได้ว่าผลการทดลองของกริฟฟิท แอเวอรี่ และคณะ เป็นจุดเริ่มต้นที่นำไปสู่ข้อสรุปที่สำคัญเป็นอย่างมากก็คือ ยีนหรือสารพันธุกรรมซึ่งทำหน้าที่ถ่ายทอดลักษณะของสิ่งมีชีวิตไปสู่รุ่นต่อๆไปนั้น เป็นสารชีวโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ชื่อว่า DNA นั่นเอง และจากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ในระยะต่อมาพบว่า DNA มีส่วนที่ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมและส่วนที่ไม่ได้ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม ส่วนที่ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม เรียกว่า ยีน ดังนั้น หน่วย พันธุกรรมที่เมนเดลเรียกว่า แฟกเตอร์ ก็คือยีนที่อยู่ในโครโมโซมนั่นเอง 
โครโมโซม

                จากทฤษฎีโครโมโซมในการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมของซัตตัน การค้นพบ DNA ว่าเป็นสารพันธุกรรมโดยการทดลองของ แอเวอรี่และคณะ รวมทั้งกระบวนการทางเซลล์วิทยา (Cytology ) ที่ศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์ พบว่า DNA เป็นองค์ประกอบทางโครโมโซม และยีนก็คือส่วนของ DNA ที่ทำหน้าที่กำหนดลักษณะทางพันธุกรรมที่อยู่บนโครโมโซมนั่นเอง ทำให้นักวิทยาศาสตร์ทั้งหลายมุ่งศึกษาโครโมโซมและ DNA โดยละเอียด เพราะจะนำไปสู่ความเข้าใจการเกิดลักษณะต่างๆของสิ่งมีชีวิต 
รูปร่าง ลักษณะ และจำนวนโครโมโซม 
นักเรียนได้ทราบมาแล้วว่าเซลล์ที่ยังไม่มีการแบ่งเซลล์โครโมโซมจะมีลักษณะเป็นเส้นเล็กยาวขดพันกันอยู่ภายในนิวเคลียสเรียกว่า โครมาทิน เมื่อมีการแบ่งเซลล์ โครโมโซมจะจำลองตัวเองเป็นเส้นคู่ที่เหมือนกันทุกประการในระยะอินเตอร์เฟส แล้วจึงขดสั้นและหนาขึ้น สามารถเห็นได้อย่างชัดเจนที่สุดในระยะเมทาเฟสจากการย้อมด้วยสีย้อม DNA เช่น สีแอซีซีโครคาร์มีน หรือ ฮีมาทอซิลิน (hematoxilin) เป็นต้น สิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งอาจมีโครโมโซมที่มีรูปร่างแบบเดียวหรือหลายแบบก็ได้ สามารถศึกษาโครโมโวมแบบต่างๆได้ดังภาพ

ในสิ่งมีชีวิตที่เซลล์ร่างกายมีโครโมโซม 2 ชุด เรียกว่า ดิพลอยด์ เช่น คน โครโมโซมชุดหนึ่งได้รับมาจากพ่อ อีกชุดหนึ่งได้รับมาจากแม่เมื่อมีการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส โครโมโซมที่จะเป็นคู่กันและจามาเข้าคู่กันแล้วแยกออกจากกันไปสู่เซลล์ลูกที่สร้างขึ้น เมื่อเสร็จสิ้นการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส โครโมโซมในเซลล์ลูกที่เกิดขึ้นจะลดลงครึ่งหนึ่งเนียกว่า แฮพลอยด์ โดยทั่วไปแล้วสิ่งมีชีวิตแต่ละสปีชีส์มีจำนวนโครโมโซมคงที่ ดังตาราง
ตารางแสดงจำนวนโครโมโซมในเซลล์ร่างกายของสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ
ส่วนประกอบของโครโมโซม
ถ้าหากจะประมาณสัดส่วนระหว่าง DNA และโปรตีนที่เป็นองค์ประกอบของโครโมโซมของยูคาริโอต จะพบว่า ประกอบด้วย DNA 1 ใน 3 และอีก 2 ใน 3 เป็นโปรตีนโดยส่วนที่เป็นโปรตีนจะเป็น ฮิสโตน ( Histone ) และ นอนฮิสโตน ( Non - histone ) อย่างละประมาณเท่าๆกัน
ในปี พ.ศ. 2427 นักวิทยาศาสตร์พบว่าฮิสโตนเป็นโปรตีนที่มีองค์ประกอบ ส่วนใหญ่เป็นกรดอะมิโนที่มีประจุบวก ( basic amino acid ) เช่น ไลซีน และ อาร์จีนีน ทำให้สมบัติในการเกาะจับกับสาย DNA ซึ่งมีประจุลบได้เป็นอย่างดี และทำให้เกิดการสร้างสมดุลของประจุ (neutralize) ของโครมาทินด้วยสาย DNA พันรอบกลุ่มโปรตีนฮิสโตนคล้ายเม็ดลูกปัด เรียกโครงสร้างนี้ว่า นิวคลีโอโซม (nucleosome) โดยจะมีฮิสโตนบางชนิดเชื่อมต่อระหว่างเม็ดลูกปัดแต่ละเม็ดดังภาพ  
                ส่วนของโปรตีนนอนฮิสโตนนั้นมีมากมายหลายชนิด อาจจะเป็นร้อยหรือพันชนิด ขึ้นอยู่กับชนิดของสิ่งมีชีวิต โดยโปรตีนเหล่านี้จะมีหน้าที่แตกต่างกันไป บางชนิดมีหน้าที่ช่วยในการขดตัวของ DNA หรือบางชนิดก็เกี่ยวข้องกับกระบวนการจำลองตัวเองของ DNA ( DNA replication ) หรือการแสดงออกของยีน เป็นต้น
สำหรับในโพรคาริโอต เช่น แบคทีเรีย E. Coli มีจำนวนโครโมโซมชุดเดียว และมีโครโมโซมเพียงโครโมโซมเดียว เป็นรูปวงแหวนอยู่ในไซโทพลาซึม ประกอบด้วย DNA 1โมเลกุล และ ไม่มีฮิสโตนเป็นองค์ประกอบ
สารพันธุกรรมทั้งหมดของสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งๆ เรียกว่า จีโนม ( genome )จากการศึกษาพบว่าสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีขนาดจีโนมและจำนวนยีนแตกต่างกัน ดังตาราง
ตาราง แสดงขนาดจีโนมของสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ

องค์ประกอบทางเคมีของ DNA

                DNA เป็นสารพันธุกรรมของสารสิ่งมีชีวิต และบางส่วนของDNA ทำหน้าที่เป็นยีน คือสามารถควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตได้
             DNA เป็นกรดนิวคลีอิกชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นพอลิเมอร์ (polymer) สายยาวประกอบด้วยหน่วยย่อยหรือมอนอเมอร์(monomer) ที่เรียกว่านิวคลีโอไทด์ซึ่งแต่ละคลีนิวโอไทด์ประกอบด้วย
1. น้ำตาลเพนโทสซึ่งมีคาร์บอน 5 อะตอม คือ น้ำตาลดีออกซีไรโบส
2. ไนโตรจีนัสเบส (nitrogenous base) เป็นโครงสร้างประกอบด้วยวงแหวนที่มีอะตอมของคาร์บอนและไนโตรเจนแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ เบสพิวรีน (purine) มี 2 ชนิด คือ อะดีนีน (adenineหรือA) และกวานีน(guanine หรือ G) และ เบสไพริมิดีน(pyrimidine) มี 2 ชนิด คือ ไซโทซีน (cytosineหรือ c) และ ไทมีน (tymineหรือ t)
3.หมู่ฟอสเฟต ( PO43- ) โครงสร้างของเบสและน้ำตาลที่เป็นองค์ประกอบของกรดนิวคลีอิก ดังภาพ
ภาพแสดงสูตรโครงสร้างของเบส และน้ำตาลที่เป็นองค์ประกอบของ DNA
            
การประกอบขึ้นเป็นคลีนิวโอไทด์นั้น ทั้งสามส่วนประกอบกันโดยมีน้ำตาลเป็นแกนหลัก มีไนโตรจีนัสเบส อยู่ที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 1 และหมู่ฟอสเฟตมีคาร์บอนอยู่ที่ตำแหน่งที่ 5 ดังนั้นนิวคลีโอไทด์ใน DNA จึงมี 4 ชนิด ซึ่งจะแตกต่างกันตามองค์ประกอบที่เป็นเบส ได้แก่ A T Cและ G ดังภาพ
ภาพแสดงนิวคลีโอไทด์ที่มีเบสชนิดต่างๆ ซึ่งเป็นองค์ประกอบของ DNA

 



จากการวิเคราะห์ส่วนประกอบทางเคมีของ DNA พบว่ามีเบสน้ำตาลดีออกซีไรโบสและหมู่ฟอสเฟตเป็นจำนวนวนมาก จึงเป็นไปได้ว่า DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์จำนวนมากมาเชื่อมต่อกัน 
นิวคลีโอไทด์จำนวนมากนี้มาเชื่อมต่อกันเป็นโมเลกุลของ DNA ได้โดย การเชื่อมดังกล่าวเกิดจากการสร้างพันธะโควาเลนซ์ระหว่างหมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์หนึ่งกับหมู่ไฮดรอกซิลอยู่ที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ของน้ำตาลในนิวคลีโอไทด์หนึ่ง เมื่อหลายๆนิวคลีโอไทด์มาเชื่อมต่อกันเกิดเป็นสายพอลินิวคลีโอไทด์ ดังภาพ ข. 
ภาพแสดงนิวคลีโอไทด์ที่มีเบสชนิดต่างๆ ซึ่งเป็นองค์ประกอบของ DNA
จะเห็นว่าสายด้านหนึ่งมีจะมีหมู่ฟอสเฟตเชื่อมอยู่ กับน้ำตาลดีออกซีไรโบสที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 5 เรียกปลายด้านนี้ว่าเป็นปลาย 5´ ( อ่านว่า 5 ไพร์ม )และอีกปลายด้านหนึ่งจะมีหมู่ไฮดรอกซิลที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ที่เป็นอิสระ เรียกปลายด้านนี้ของสาย DNA ว่าปลาย 3´ ( อ่านว่า 3ไพร์ม )
ต่อมานักเคมีในประเทศอังกฤษ พบว่าพอลิคลีนิวโอไทด์แต่ละสายจะแตกต่างกันที่จำนวนของนิวคลีโอไทด์และลำดับของนิวคลีโอไทด์
ในปี พ.ศ. 2492 เออร์วิน ชาร์กาฟฟ์ ( Erwin Chargaff ) นักเคมีชาวอเมริกัน ได้วิเคราะห์ปริมาณเบสที่เป็นองค์ประกอบทางเคมีของโมเลกุล DNA ในสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆพบว่าอัตราส่วนของเบส 4 ชนิด ใน DNA ที่สกัดจากสิ่งมีชีวิตต่างๆจะแตกต่างกัน
ข้อมูลที่ได้จากการทดลองของชาร์กาฟฟ์แสดงให้เห็นว่าในสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด ปริมาณของเบส 4 ชนิด จะแตกต่างกันแต่จะมีปริมาณของเบส A ใกล้เคียงกับ T และเบส C ใกล้เคียงกับGเสมอ เรียกว่ากฎของชาร์กาฟฟ์ (Chargaff s’ Rule)และสิ่งมีชีวิตจะมีอัตราส่วนระหว่าเบส A:T และอัตราสวนระหว่างG:C คงที่เสมอ จากอัตราส่วนของเบสดังกล่าวอาจเป็นไปได้ว่าเบส A จับคู่กับTและเบสจับคู่กับจากอัตราส่วนนี้ชี้ให้เห็นว่า DNA จะต้องมีการจัดเรียงตัวของนิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด ที่ทำให้จำนวนของชนิด A เท่ากับ T และชนิด C เท่ากับ G เสมอไป
โครงสร้างของ DNA

                ปี พ.ศ. 2493 – 2494 เอ็ม เอช เอฟ วิลคินส์ ( M. H.F Wilkins ) และโรซาลินด์    แฟรงคลิน (Rosalind Franklin) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ศึกษาโครงสร้างของ DNA ในสิ่งมีชีวิตชนิดต่าง ๆ โดยใช้เทคนิค เอกซ์เรย์ดิฟแฟรกชัน (X-ray diffraction) ด้วยการฉายรังสีเอกซ์ผ่านผลึก DNA การหักเหของรังสีเอกซ์ทำให้เกิดภาพบนแผ่นฟิล์ม ได้ภาพถ่ายที่ชัดเจนมาก จากภาพถ่ายนี้นักฟิสิกส์แปลผลได้ว่าโครงสร้างของ DNA จากสิ่งมีชีวิตชนิดต่าง ๆ มีลักษณะที่คล้ายกันมาก คือ ประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์มากกว่า 1 สาย มีลักษณะเป็นเกลียว เกลียวแต่ละรอบมีระยะห่างเท่า ๆ กัน จากผลการศึกษาทำให้เข้าใจโครงสร้างทางกายภาพของ DNA
ภาพที่เกิดจากการหักเหของรังสีเอกซ์ผ่านผลึก DNA
ปี พ.ศ. 2496 เจ ดี วอตสัน (J.D. Watson) นักชีวเคมีชาวอเมริกัน และ เอฟ คริก (F. Crick) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ได้เสนอแบบจำลองโครงสร้างโมเลกุลของ DNA ที่สมบูรณ์ที่สุด โดยรวบรวมข้อมูลต่าง ๆ จากโครงสร้างทางเคมีของส่วนประกอบของโมเลกุล DNA จากผลการทดลองของชาร์กาฟฟ์ที่แสดงให้เห็นว่า DNA มีเบส A เท่ากับ T และ เบส C เท่ากับ G และภาพจากเทคนิคเอกซ์เรย์ดิฟแฟรกชันของผลึก DNA โดยนักฟิสิกส์นำความรู้ที่ได้มารวมกันเป็นแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างของ DNA
จากข้อมูลของชาร์กาฟฟ์ ทำให้วอตสันและคริกพยายามหาพันธะเคมีที่จะเชื่อมพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายให้ติดกัน ต่อมาได้พบว่าพันธะดังกล่าวคือพันธะไฮโดรเจน ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างคู่เบส แม้ว่าจะไม่แข็งแรง แต่เมื่อมีจำนวนมากก็จะมีความแข็งแรงพอที่จะยึดสายพอลินิวคลีโอไทด์สายให้เข้าคู่กันได้ และจากการศึกษาโครงสร้างของเบสทั้ง 4 ชนิด พบว่าระหว่างเบส A กับ Tสามารถเกิดพันธะไฮโดรเจนได้ 2 พันธะ และระหว่างเบส C และ G เกิดได้ 3 พันธะ

ดังภาพแสดงพันธะไฮโดรเจนระหว่างเบสที่เข้าคู่กัน
หลังจากนั้นวอตสันและคริกจึงสร้างแบบจำลอง DNA ตามแนวคิด โดยให้พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายเรียงสลับทิศกัน ปลาย 3 ของสายหนึ่งเข้าคู่กับปลาย 5 ของอีกสายหนึ่ง เบส A ของสายหนึ่งตรงกับเบส T ของอีกสายหนึ่ง และเบส C ของสายหนึ่งตรงกับเบส G ของอีกสายหนึ่งเสมอ จากนั้นจึงเสนอโครงสร้างโมเลกุลของ DNA ว่าประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย เบสในแต่ละสายของ DNA ที่เป็น เบสคู่สม (complementary base pair ) ยึดกันด้วยพันธะไฮโดรเจนโดยมีเบส A จับคู่กับเบส T และเบส C จับคู่กับเบส G โดยมีทิศทางจากปลาย 5 ไปยังปลาย 3 แต่สวนทางกันและพันกัน บิดเป็นเกลียวคู่ (double helix) เวียนขวาตามเข็มนาฬิกา เกลียวแต่ละรอบห่างเท่า ๆ กัน และมี คู่เบสจำนวนเท่ากัน 
โครงสร้างเกลียวคู่ทำให้โครงสร้างของ DNA มีลักษณะคล้ายบันไดเวียน โดยมีน้ำตาลดีออกดีไรโบสจับกับหมู่ ฟอสเฟต เป็นราวบันได (backbones) และบันไดแต่ละขั้น คือ คู่เบส 1 คู่

นักเรียนได้ศึกษามาแล้วว่าโครงสร้างของ DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์จำนวนมาก แม้ว่า DNA จะมีนิวคลีโอไทด์เพียง 4 ชนิด แต่โมเลกุลอาจประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์หลายพันคู่จนถึงนับแสนคู่ ตัวอย่างเช่น ถ้า DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ 2 โมเลกุลเรียงกัน จะสามารถจัดเรียงให้แตกต่างกันได้ 16 แบบ (4) ดังนั้นถ้าโมเลกุล DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์จำนวนมาก การเรียงลำดับของเบสก็จะแตกต่างกันมากด้วยเช่นเดียวกัน
ลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่ง ๆ มีหลายลักษณะ และลำดับเบสของDNA ซึ่งเกิดจากเบสชนิดต่าง ๆ กันนั้นมีหลายรูปแบบก็น่าจะมากพอที่จะทำหน้าที่ควบคุมหรือกำหนดลักษณะพันธุกรรมต่าง ๆ ได้ สิ่งที่น่าสนใจก็คือ DNA กำหนดและควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตได้อย่างไร 
สมบัติของของสารของพันธุกรรม

               เมื่อวอตสันและคริกค้นพบโครงสร้างทางเคมีของ DNA ขั้นตอนต่อไปก็คือ การพิสูจน์และตรวจสอบว่าโครงสร้างของ DNA นี้ มีสมบัติเพียงพอที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้หรือไม่ ซึ่งการที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้นั้นย่อมต้องมีสมบัติสำคัญ คือ
ประการแรก ต้องสามารถเพิ่มจำนวนตัวเองได้โดยมีลักษณะเหมือนเดิมเพื่อให้สามารถถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมจากรุ่นพ่อแม่ไปยังรุ่นลูกได้
ประการที่สอง สามารถควบคุมให้เซลล์สังเคราะห์สารต่างๆเพื่อแสดงลักษณะทางพันธุกรรมให้ปรากฏ
ประการที่สาม ต้องสามารถเปลี่ยนแปลงได้บ้าง ซึ่งการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นอาจก่อให้เกิดลักษณะพันธุกรรมที่ผิดแปลกไปจากเดิมและเป็นช่องทางให้เกิดสิ่งมีชีวิตสปีชีส์ใหม่ๆขึ้น
หลักจากวอตสันและคริกได้เสนอโครงสร้างของ DNA แล้วในระยะเวลาเกือบ 10 ปีต่อมา จึงสามารถพิสูจน์ได้ว่า DNA มีสมบัติเป็นสารทางพันธุกรรม วอตสันและคริกจึงได้รับรางวัลโนเบลค้านผลงานการค้นพบโครงสร้าง DNA ในปี พ.ศ. 2505 นับว่าเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญยิ่งทางด้านวิทยาศาสตร์ และเป็นจุดเริ่มต้นให้กับนักวิทยาศาสตร์ที่จะค้นคว้าในระดับโมเลกุลต่อไป
การสังเคราะห์ DNA
วอตสันและคริกได้เสนอโครงสร้างของ DNA ว่าเป็น พอลินิวคลีโอไทด์ 2สายพันกันบิดเป็นเกียว ซึ่งเป็นโครงสร้างของ DNA ตามแบบจำลองนี้ได้นำไปสู่กลไกพื้นฐานของการสังเคราะห์ DNA หรือการจำลองตัวเองของ DNA โดยนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองได้พยากรณ์กลไกจำลอง DNA ว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร
ในปี พ.ศ. 2496 วอตสันและคริกได้พิมพ์บทความพยากรณ์การจำลองตัวของDNA ได้ว่า ในการจำลองตัวของ DNA พอลินิวครีโอไทด์ 2 สาย แยกออกจากกันเหมือนการรูดซิบโดยการสลายพันธะไฮโดเจนระหว่างเบส A กับ T และเบส C กับ G ที่ละคู่ พอลินิวคลีโอไทด์แต่ละสายทำหน้าที่เป็นแม่พิมพ์สำรับการสร้างสายใหม่ มีการนำคลีโอไทด์อิสระที่อยู่ในเซลล์เข้ามาจับกับ พอลิวคลีโอไทด์สายเดิม โดยเบส A จับกับ T และเบส C จับกับ G หมู่ฟอสเฟตของนิงคลีโอไทด์ อิสละจะจับกับน้ำตาลออสซีไรโบสของ DNA โดยวิธีนี้เรียกว่าDNA เรพลิเคชั่น ( DNA replication ) ทำให้มีการเพิ่มโมเลกุลของ DNA จาก 1 โมเลกุลเป็นโมเลกุล DNA แต่ละโมเลกุลมีพลลิวคลีโอไทด์ สายเดิม 1 สาย และสายใหม่มา 1 สาย จึงเรียกการจำลองลักษณะว่า เป็นแบบกิ่งอนุรักษ์ ( semiconservatiae ) ดังภาพ
ตามแนวคิดที่เกี่ยวกับการจำลอง DNA ที่วอตสันและคริกเสนอนั้นเป็นเพียงสมมติฐาน แต่ในปี พ.ศ. 2499 
อาร์เธอร์ คอนเบิร์ก (Atrhurkornberg) นักเคมีชาวอเมริกันเป็นคนแรกที่สามารถสังเคราะห์โมเลกุลของ DNA ในหลอดทดลองได้สำเร็จ โดยนำเอ็นไซม์ DNA พอลิเมอเรส ( DNA polymerase) ซึงสกัดจากแบคทีเรีย E. coli ใส่ในหลอดทดลองที่มีสารประกอบที่จำเป็นต่อการสังเคราะห์ครบสมบูรณ์ ได้แก่ DNA แม่พิมพ์ นิงคลีโอไทด์ 4 ชนิด คือ นิวคลีโอไทด็ที่มีเบส A นิวคลีโอไทด็ที่มีเบส T นิวคลีโอไทด็ที่มีเบส C และ นิวคลีโอไทด็ที่มีเบส G และเอ็นไซม์ DNA พอลิเมอเรส ซึ่งทำหน้าที่เชื่อมนิวคลีโอไทด์ให้ต่อกันกลายเป็นสายยาว โดยมีทิศทางการสังเคราะห์สาย ดีเอ็นเอสายใหม่ จากปลาย5 ไปยังปลาย3 ปัญหาก็คือจะพิสูจน์ได้อย่างไรว่า DNA ที่สังเคราะห์ได้นั้นเหมือนกับ ดีเอ็นเอแม่พิมพ์ที่ใส่ลงไปในหลอดทดลอง นักเรียนจะได้ศึกผลการทดลองของคอนเบิร์นในตาราง 
ตารางแสดงอัตราส่วนของเบสใน DNA ที่สังเคราะห์ได้ในหลอดทดลองและ DNA แม่พิมพ์
จากผลการทดลอง DNA พบว่าที่สังเคราะห์ได้ในหลอดทดลอง มีอัตราส่วนของเบสA+T ต่อ C+G แทบจะกล่าวได้ว่าเท่ากัน อัตราส่วนดังกล่าวนี้ไม่ได้เป็นความบังเอิญ เพราะจากผลการทดลองเป็นเช่นนี้เสมอไม่ว่าจะได้ DNA ของสิ่งมีชีวิตชนิดใดเป็นแม่พิมพ์ก็ตาม
การค้นพบเอ็นไซร์ที่ใช้ในการเชื่อมนิวคลีโอไทด์เข้าด้วยกันนับว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งในประวัติศาสตร์ของวิชาพันธุศาสตร์พบว่าการสังเคราะห์ DNA สามารถเกิดขึ้นได้ในหลอดทดลองโดยไม่จำเป็นต้องเกดขึ้นในเซลล์เท่านั้น
ปัจจุบันมีการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ที่ยืนยันได้ว่า DNA มีกระบวนการจำลองตัวขอล DNA โดยกระบวนการดังกล่าวเป็นไปแบบกึ่งอนุรักษ์ จากความรู้ที่ว่าการสังเคราะห์พอลินิงคลีโอไทด์ สายใหม่จะต้องสร้างในทิศ 5 ไป 3 เสมอ
จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ พบว่าการสังเคราะห์ DNA สายใหม่ 2 สาย มีส่วนแตกต่างกันคือ สายหนึ่งจะสร้าง ต่อเนืองกันเป็นสายยาว เรียกสายนี้ว่า ลีดดิงสแตรนด์ส่วนสายใหม่อีกสายหนึ่งไม่สามารถสร้างต่อกันเป็นสายยาวได้เหมือนสายแรกเนื่องจากทิศทางการสร้างจากปลาย 5ไปยังปลาย 3 นั้นสวนทางกับทิศกลายคายเกลียวของ DNAโมเลกุลเดิม จึงสร้างพอลินิงคลีโอไทด์ สายสั้นๆที่มีทิศทางจาก 5ไป 3จากนั้น เอนไซม์ไลเกส จะเชื่อมต่อสายสั้นๆเหล่านี้ให้เป็นสายเดียวกันเรียกว่า DNA แลกกิงสแตรนด์
DNA ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมได้อย่างไร
ทราบหรือไม่ว่า DNA บรรจุข้อมูลทางพันธุกรรมจำนวนมากของสิ่งมีชีวิตไว้อย่างไร โครงสร้างของ DNA ประกอบด้วย พอลินิวคลีโอไทด์ทั้งสองสายที่มีความยาวนับพันหมื่นคู่เบส การเรียงลำดับเบสมีความแตกต่างกันอยู่หลายแบบ ทำให้ DNA แต่ละโมเลกุลแตกต่างกันที่ลำดับจำนวนคู่เบสมีเบสเพียง 4 ชนิด คือ A T C และ G จึงเป็นไปได้ว่าความแตกต่างทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตอยู่ที่ลำดับและจำนวนของเบสใน DNA นั้นเอง ปัญหาต่อไปก็คือลำดับเบสของ DNA เกี่ยวข้องกับการแสดงลักษณะทางพันธุกรรมอย่างไร นักเรียนทราบมาแล้วว่าโปรตีนเป็นสารอินทรีย์มีหลายชนิดมีบทบาทไนการแสดงลักษณะเฉพาะของเชลล์ได้เช่น เชลล์กล้ามเนื้อมีโปตีนแอกทินและไมโอซิน เซลล์เม็ดเลือดแดงมีมีโปรตีนฮีโมโกลบิน นอกจากนี้เอ็นไซม์ทุกชนิดที่ช่วยให้เกิดการเกิดปฏิกิริยาเคมีต่างๆภายในเซลล์ก็เป็นโปรตีนด้วย เช่นปฏิกิริยาสังเคราะห์สารและสลายสารต่างๆต้องอาศัยเอ็นไซม์ จึงอาดกล่าวได้ว่าโปตีนเกี่ยวข้องกับการแสดงทางพันธุกรรม และการดำรงชีวิตทั้งโยทางตรงและทางอ้อม
ในปี 2500 วี เอ็ม อินแกรม ( V. M. Ingrame ) แห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ประเทศอังกฤษ ได้ศึกษาโครงสร้างทางเคมีของฮีโมโกบินที่ผิดปกติ โดยการเปรียบเทียบฮีโมโกบินของคนที่เป็นโรคโลหิตจางชนิดซิกเคิลเซลล์กับฮีโมโกบินของคนปกติ
อินแกรมแสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบของฮีลโมโกบิลในคนปกติและคนที่เป็นโรคโลหิตจางชนิดซิกเซลล์ต่างกันที่การเรียงตัวของกรดอะมิโนเพียง 1 ตำแหน่ง คือ ตำแหน่งที่จากปลาย N ( N-terminus ) ของสายพอลิเพปไทด์ที่ชื่อว่าบีตา สายหนึ่งของฮีโมโกบินในคนปกติจะเป็นกรดลูตามิก ( glutamic acid ) ส่วนคนที่เป็นโรคจะเป็นวาลีน ( valine ) ความผิดปกติที่เกิดขึ้นนี้ มีสาเหตุมาจากการเปลี่ยนแปลง DNA หรือยีนที่ทำให้ฮีโมโกบินผิดปกติ
ถ้า DNA ควบคุมการสร้าวฮีโมโกบินซึ่งเป็นโปรตีน ปัญหาก็คือ DNA เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสงโปรตีนได้อย่างไร
DNA กับการสังเคราะห์โปรตีน
นอกจาก DNA ที่เป็นกรดนิวคลีอิกแล้ว ก็ยังมี RNA ที่เป็นกรดนิวคลีอิกเช่นเดียวกันซึ่ง RNA มีลักษณะเป็นพอลิเมอร์สายยาวของนิวคลีโอไทด์ ที่เชื่อมต่อด้วยพันธะโคเวเลนซ์ระหว่างหมู่ฟอสเฟตและหมู่ไฮดรอกซิลของโมเลกุลน้ำตาล เช่นเดียวกับโมเลกุลของ DNAแต่ RNA แตกต่างจาก DNA ตรงที่น้ำตาลเพนโทสประกอบขึ้งเป็น RNA นั้น เป็นน้ำตาลไรโบสแทนน้ำตาลดีออกซีไรโลส และจะไม่พบเบสไทมีน ( T ) เป็นองค์ประกอบ แต่จะมีเบสยูลาซิว (U) ดังภาพ 
ภาพแสดงไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีเบสยูราซิล
สิ่งมีชีวิตพวกยูคาริโอตมี DNA อยู่ภายในนิงเคลียส แต่การสังเคราะห์โปรตีนเกิดในไซโทพลาสซึม โดยเฉพาะบริเวณที่มีเอ็นโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบผิงขรุขระ เป็นไปได้หรือไม่ว่า DNA ส่งตัวแทนออกมายังไซโทพลาสซึม เพื่อทำหน้าที่ควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนถ้าเป็นเช่นนั้นจริงสารที่เป็นตัวแทนของ DNA คืออะไร จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์พบว่า ข้อมูลทางพันธุกรรมใน DNA ได้ส่งไปยังการสังเคราะห์โปรตีนโดยตรง แต่จะมีตัวแทนทำหน้าที่เป็นสื่อกลาง นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส 2 คน คือ ฟลองซัวจาค็อป และ จาค โมนอด ได้มีข้อเสนอว่า RNA เป็นตังกลางที่อยู่ระหว่าง DNA กับไรโบโชรมตาม สมมุติฐาน ดังภาพ

ภาพแสดงสมมุติฐานของ ฟรองซัว จาค๊อป และ จาค โมนอด
RNA เป็นตัวกลางนี้เรียกว่า mRNA ( messenger RNA ) จะเป็นตัวข้อมูลทางพันธุกรรมจาก DNA ไปยังไรโบโซม ซึ่งได้รับการยืนยันจากนักวิทยาศาสตร์ 2 คน คือ เจราร์ด เฮอร์วิทซ์ และ เจเจ เฟอร์ธ เกี่ยวกับอยู่และทำหน้าที่ของ mRNA กระบวนการสังเคราะห์โปรตีนจึงประกอบด้วย
การสังเคราะห์ RNA จาก DNA แม่พิมพ์ และการสังเคราะห์ที่ไรโบโซม
การสังเคราะห์ RNA โดยมี DNA เป็นแม่พิมพ์จะคล้ายกับการสังเคราะห์ DNA แต่การสังเคราะห์ RNA ใช้ DNA เพียงสายเดียวเป็นแม่พิมพ์ ใช้เอ็นไซม์ RNA พอลิเมอร์ และไรโบนิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด คือ ไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีเบส A ไรโบนิวคลีโฮไทด์ที่ทีเบส C ไรโบนิวคลีโฮไทด์ที่ทีเบส G
การสังเคราะห์ RNA มีขั้นตอนดังนี้
ขั้นเริ่มต้น เอ็นไซม์ RNA พอลิเมอร์เลสจะเข้าไปจับกับ DNA ตรงบริเวณที่จะสังเคราะห์RNA ทำให้พันธะไฮโดเจนระหว่างคู่เบสสลาย พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายของ DNA จะคายเกลียวแยกออกจากัน โดยมีสายใดสายหนึ่งเป็นแม่พิมพ์ดังภาพ 


ขั้นการต่อสายยาว ไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีเบสที่เข้าคู่กับนิงคลีโอไทด์ของ DNA สายแม่พิมพ์คือเบส C เข้าคู่กับ G และเบส U เข้าคู่กับ A จะเข้ามาจับกับนิวคลีโอไทด์ของ DNA แม่พิมพ์ เอนไชม์ RNA พอลิเมอเรสจะเชื่อมไรโบนิวคลีโอไทด์อิสระมาต่อกันเป็นสายยาว โดยมีทิศทางการสังเคราะห์สาย RNA จากปลาย 5 ไปยังปลาย 3 และกาวสร้างสาย RNA นั้น จะเรียงสลับกับทิศสาย DNA ที่เป็นแม่พิมพ์

ขั้นสิ้นสุด เอนไซม์อาเอ็นเอพอลิเมอเลสหยุดทำงานและแยกตัวออกจาก DNA สายแม่พิมพ์สาย RNA ที่สังเคราะห์ได้จะแยกออกจาก DNA ไปยังไซโทพลาสซึม ส่วน DNA 2 สายจะจับคู่กันและบิดเป็นเกลียวเหมือนเดิม
จากที่กล่าวมาว่า DNA เป็นแม่พิมพ์ในกางสังเคราะห์ mRNA ดังนั้นข้อมูลทางพันธุกรรมในDNA จะถ่ายทอดให้กับ mRNA การเรียงลำดับของ     นิวคลีโอไทด์ชนิดต่างๆ ของ mRNAจึงเป็นตัวกำหนดการเรียงลำดับของกรดอะมิโนเพื่อสังเคราะห์โปรตีน เนื่องจากกรออะมิโนเพื่อใช้ในการสังเคราะห์โปรตีนมีประมาณ 20 ชนิด การกำหนดรหัสพันธุกรรม ในสายmRNA จะประกอบด้วยกี่นิงคลีโอไทด์ต่อ 1 รหัสพันธุกรรม จึงจะคลุมของกรดอะมิโน 20 ชนิด 

 

มิวเทชัน
เมื่อสังเกตสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่ง ๆ นักเรียนจะพบว่าลูกหลานมีลักษณะที่ไม่เหมือนกันทีเดียว มีบางลักษณะที่แตกต่างกันไปบ้าง และสามารถถ่ายทอดลักษณะนั้น ๆ ไปยังลูกหลานรุ่นต่อ ๆ ไปได้ จึงอาจเป็นไปได้ว่ายีนหรือ DNA มีการเปลี่ยนแปลง นักพันธุศาสตร์เรียกการเปลี่ยนแปลงลำดับและจำนวนของเบสใน DNA และการเปลี่ยนแปลงที่เกิดกับโครโมโซม ซึ่งมีผลทำให้ลักษณะหรือฟีโนไทป์ของสิ่งมีชีวิตเปลี่ยนไป และสามารถถ่ายทอดลักษณะไปยังรุ่นต่อ ๆ ไปได้นี้ว่า การกลาย หรือมิวเทชัน ( 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

 

                การเกิดมิวเทชันเฉพาะที่ในบริเวณ DNA ที่เป็นตำแหน่งของยีน สามารถจัดได้เป็น 2 ประเภท คือ
1. การแทนที่คู่เบส ( base – pair substitution ) การเกิดมิวเทชันในลักษณะเช่นนี้ อาจมีผลต่อการแสดงของลักษณะทางพันธุกรรมหรือไม่ก็ได้ เนื่องจากโคดอนหลายชนิดเป็นรหัสของกรดอะมิโนชนิดเดียวกันได้ เช่น CUU CUC CUA และ CUG หากมีการเกิดมิวเทชันเฉพาะที่ที่มีการเปลี่ยนรหัส CUCซึ่งเป็นรหัสของลิวซีนให้กลายเป็น 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 หรือลดลงของนิวคลีโอไทด์ในบริเวณที่เป็นโคดอน1-2 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 ต่อ50,000 ของเด็กแรกเกิด พบในเด็กหญิงมากกว่าเด็กชาย ในอัตราส่วน 2 ต่อ 1 มีลักษณะผิดปกติ คือ ศีรษะเล็กใบหน้ากลม ตาเล็กอยู่ห่างกันและเฉียง ดั้งจมูกแบน ใบหูต่ำกว่าปกติ เส้นสายเสียง (vocal cord ) ผิดปกติ ทำให้เสียงเล็กแหลมคล้ายเสียงร้องของแมว ปัญญาอ่อน อาจมีชีวิตอยู่ได้จนถึงเป็นผู้ใหญ่
มิวเทชันระดับโครงสร้างของโครโมโซมเป็นความผิดปกติจากการหักของโครโมโซม อาจจะเป็นส่วนปลายหรือส่วนกลางของแท่งโครโมโซมก็ได้ ส่วนปลายที่หักจะเหนียวอาจต่อกับตำแหน่งเดิมทำให้โครโมโซมนั้นปกติ หรือไม่มีการต่อกับโครโมโซมเดิม ชิ้นส่วนโครโมโซมที่หักนั้นเกิดขึ้นได้หลายลักษณะ


                    
การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโครโมโซมเกิดขึ้นได้ทั้งที่จำนวนโครโมโซมยังมีเท่าเดิม แต่ส่วนของโครโมโซมจะเปลี่ยนไป คือ มีส่วนของโครโมโซมลดลงหรือเพิ่มขึ้น หรือมีการเรียงตัวของนิวคลีโอไทด์สลับตำแหน่งหรือเปลี่ยนที่ไปจากเดิม มีผลทำให้ลักษณะของสิ่งมีชีวิตเปลี่ยนแปลงไป
กลุ่มอาการดาวน์ ( Down syndrome) เกิดจากจำนวนโครโมโซมคู่ที่ 21 เกินมา 1 แท่งเป็น47 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
 

การเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซมเกิดขึ้นได้ 2 แบบ คือ จำนวนเพิ่มขึ้นหรือลดลง พบได้ทั้งออโทโซมและโครโมโซมเพศ ตัวอย่างของโรคทางพันธุกรรมที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซม
การเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซมเป็นชุดจากจำนวนดิพลอยด์ สิ่งมีชีวิตที่มีจำนวนโครโมโซมมากกว่า 2 ชุ เรียกว่า พอลิพลอยด์ (polyploidy) ส่วนใหญ่เกิดจากการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสผิดปกติจากปรากฏการณ์นอนดิสจังชัน ทำให้เซลล์สืบพันธุ์มีโครโมโซม 2 ชุด หรือดิพลอยด์ พอลิพลอยด์พบได้ทั้งในพืชและสัตว์ ส่วนใหญ่พบในพืช ทำให้พืชมีขนาดใหญ่กว่าพวกดิพลอยด์ เช่น ขนาดของดอกหรือผล นอกจากนี้ยังมีผลผลิตหรือมีการสร้างสารบางอย่างเพิ่มขึ้น เช่น ข้าวโพดพันธุ์ 4มีวิตามินสูงกว่าพันธุ์ 2ยาสูบพันธุ์ 4มีสารนิโคติน สูงกว่าพันธุ์ 2เป็นต้น พืชที่เป็นพอลิพลอยด์เลขคู่ ได้แก่ 468สามารถสืบพันธุ์และถ่ายทอดพันธุกรรมต่อไปได้ แต่พืชที่เป็นพอลิพลอยด์เลขคี่ ได้แก่ 357มักเป็นหมัน 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