DNA สารพันธุกรรม บทที่ 1 โครโมโซมและยีน

1.  โครโมโซมและยีน

โปรตีนประกอบกันเป็นโครโมโซม โครโมโซมเหล่านี้จะมีการเปลี่ยนรูปร่างและมีความหนา ความยาวขนาดต่าง ๆ ตามระยะของวัฏจักรเซลล์ เซลล์แต่ละประเภททำหน้าที่แตกต่างกันและมีการแสดงออกยีนที่ต่างกันด้วย ทั้งที่โดยทั่วไปแล้ว ยีนในแต่ละเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเดียวกันควรจะมียีนที่เหมือนกันและจำนวนเท่ากัน ฉะนั้นจะเห็นได้ว่าในเซลล์ต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิตมีการแสดงออกที่ต่างกันและไม่เท่ากัน โดยที่ส่วนประกอบอื่นของโครโมโซมนอกเหนือจากตัว DNA มีส่วนร่วมด้วย ดังนั้นการแสดงออกยีนจึงควรเป็นการเลือกว่ายีนตัวไหนจะถูกปิดบังไว้ ยีนตัวไหนควรเปิดออกเพื่อทำการสร้าง RNA โปรตีน และอื่นๆ

โครโมโซมเป็นแหล่งบรรจุสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต มีตำแหน่งอยู่ในนิวเคลียส ไมโตคอนเดรีย และคลอโรพลาสต์   (ภาพที่ 1-1) มีความจำเพาะทั้งขนาด รูปร่างและจำนวนในสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด บนโครโมโซมมียีนซึ่งส่วนใหญ่ทำหน้าที่กำหนดการสร้างโปรตีนไว้ใช้ทั้งในและนอกเซลล์ โครงสร้างของโครโมโซมคือ DNA รวมอยู่กับโปรตีนหลายชนิด    (ภาพที่ 1-2) ซึ่งประกอบขึ้นเป็นหน่วยย่อยมากมาย แต่ละหน่วยเรียกว่า นิวคลีโอโซม (nucleosome) จากโครงสร้างนี้เองทำให้โครโมโซมมีหน้าที่ป้องกันความเสียหายที่จะเกิดขึ้นกับสารพันธุกรรมไม่ให้ถูกทำลายได้โดยง่าย นอกจากนั้นโครโมโซมยังมีหน้าที่เพิ่มปริมาณสารพันธุกรรมและถ่ายทอดไปสู่ลูกหลานผ่านทางการแบ่งเซลล์

ภาพที่ 1-1 เซลล์ที่แสดงส่วนประกอบของออแกเนลล์ซึ่งบรรจุสารพันธุกรรม

ภาพที่ 1-2 โครโมโซมในนิวเคลียสรูปร่างเป็นแท่งประกอบด้วย DNA รวมกับโปรตีน

นิวคลีโอโซมคือหน่วยย่อยของโครโมโซม ประกอบด้วย DNA ที่รวมอยู่กับโปรตีนสำคัญคือฮีสโตน (histone protein) ซึ่งมีกรดอะมิโนที่เป็นเบสอยู่มาก โปรตีนฮีสโตนแบ่งเป็นชนิดย่อยๆ มีชื่อเรียกว่า H1, H2A, H2B, H3 และ H4 การรวมตัวของ DNA และโปรตีนฮีสโตนหลายๆ โมเลกุลทำให้เกิดเป็นโพลีนิวคลีโอโซม (polynucleosome) ขึ้นมา (ภาพที่ 1-3)
โพลีนิวคลีโอโซมในสภาพปกติจะขดตัวแน่นเป็นเกลียว ในระยะแรกที่เริ่มขดเป็นเกลียวเรียกว่าโซลีนอยด์ (solenoid) ระยะต่อมาเรียกโครมาติน (chromatin) ระยะของการขดตัวดังกล่าวจะยังเห็นรูปร่างไม่ชัดเจน จนกระทั่งขดตัวแน่นที่สุดจะเห็นเป็นรูปร่างคล้ายกากบาท ระยะนี้จึงเรียกว่าโครโมโซม (ภาพที่ 1-4)

ภาพที่ 1-3 โครงสร้างนิวคลีโอโซมซึ่งเกิดจาก DNA รวมกับโปรตีนฮีสโตน 5 ชนิด

ภาพที่ 1-4 นิวคลีโอโซมหลายโมเลกุลมาเชื่อมกันโดยขดเป็นเกลียวโซลีนอยด์ โครมาตินและโครโมโซมตามลำดับ

2.  โครโมโซมในวัฎจักรเซลล์

ในวัฏจักรเซลล์ขณะที่ DNA ของโครโมโซมในนิวเคลียสเกิดการจำลองตัวเพื่อเพิ่มปริมาณสารพันธุกรรม โครโมโซมก็จะมีการเปลี่ยนรูปร่างไปพร้อมที่จะแบ่งเซลล์เพื่อการเจริญเติบโต ส่วนรูปร่างของโครโมโซมในวัฏจักรเซลล์เริ่มตั้งแต่ระยะอินเตอร์เฟส (interphase) ที่เห็นเป็นเส้นสายที่เหยียดยาวของโครมาตินนั้น (ภาพที่ 1-5) ในระยะนี้ DNA เกิดการลอกแบบเพิ่มจำนวน ทำให้มีเนื้อโครโมโซมเพื่มขึ้น 2 เท่า ต่อมาจึงเข้าระยะโปรเฟส (prophase) ซึ่งเห็นเป็นแท่งชัดเจนขึ้น (ภาพที่ 1-6) และจะเห็นชัดเจนที่สุดในระยะเมตาเฟส (metaphase) (ภาพที่ 1-7 ซ้าย ) ซึ่งจะเห็นโครโมโซมแต่ละแท่งมี 2 ข้าง แต่ละข้างเรียกโครมาติด (chromatid) ส่วนกลางและส่วนปลายของโครโมโซมเรียก เซนโทรเมียร์ (centromere) และ เทโลเมียร์ (telomere) ตามลำดับ นอกจากนี้ในเนื้อโครโมโซมยังมีบริเวณที่เรียกว่า ยูโครมาติน (euchromatin) และ เฮทเทอโรโครมาติน (heterochromatin) ซึ่งเป็นที่อยู่ของยีนประเภทต่างๆ (ภาพที่ 1-7 ขวา) โดยแถบของยูโครมาตินจะมีการแสดงออกของยีนดีกว่าเฮทเทอโรโครมาติน

ภาพที่ 1-5 โครมาตินในระยะอินเตอร์เฟส

ภาพที่ 1-6 โครโมโซมในระยะโปรเฟส

ภาพที่ 1-7 โครโมโซมในระยะเมตาเฟส (ซ้าย)  ส่วนประกอบของโครโมโซม (ขวา)

3.  โฮโมโลกัสโครโมโซม

โครโมโซมแต่ละแท่งจะมีคู่เหมือนที่เรียกว่าโฮโมโลกัสโครโมโซม (homologous chromosome) ซึ่งจะมียีนที่เหมือนกันหรือคล้ายกันมากร่วมกันทำงาน ตัวอย่างของโฮโมโลกัสโครโมโซมเช่น ในมนุษย์ โครโมโซมมนุษย์ใน 1 เซลล์ มี 46 แท่ง หรือ 23 คู่ แบ่งเป็นโครโมโซมร่างกาย 22 คู่ และโครโมโซมเพศ 1 คู่ (ภาพที่ 1-8)

ภาพที่ 1-8 ตัวอย่างของโฮโมโลกัสโครโมโซม (ซ้าย) โฮโมโลกัสโครโมโซมในระยะเมตาเฟส (ขวา)

4.  โครโมโซมที่มีลักษณะพิเศษ

โครโมโซมที่มีลักษณะพิเศษในธรรมชาติ เช่น โพลีทีนโครโมโซม หรือ ไจแอนท์โครโมโซม (polytene chromosome หรือ giant chromosome) ในเซลล์ต่อมน้ำลายแมลงหวี่มีการแบ่งตัวเพิ่มจำนวนโครมาติดโดยไม่แยกออกจากกัน ทำให้ในการแบ่งตัวแต่ละครั้งจะได้โครโมโซมที่มีขนาดใหญ่ขึ้น และมีจุดเชื่อมกันบริเวณเซนโทรเมียร์เป็นโครโมโซมเดียว (ภาพที่ 1-9) อีกตัวอย่างหนึ่งคือ แลมป์บรัชโครโมโซม (lampbrush chromosome) พบในเซลล์ไข่ของสัตว์มีกระดูกสันหลัง มีลักษณะโป่งพองออก คล้ายแปรงล้างขวด เนื่องจากมีการสร้าง RNA และโปรตีนจำนวนมากในบริเวณดังกล่าวเพื่อใช้เป็นพลังงานในการเจริญเติบโต (ภาพที่ 1-10)

ภาพที่ 1-9 โพลีทีนโครโมโซม

ภาพที่ 1-10 แลมบ์บรัชโครโมโซม

5.  โครโมโซมในไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาสต์

โครโมโซมในไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ (ภาพที่ 1-11) มีลักษณะต่างจากโครโมโซมในนิวเคลียสหลายประการ ได้แก่ โครงสร้างที่เป็นวงแหวนขนาดเล็กและจำนวนยีนที่น้อยกว่ามาก รวมถึงการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมที่ฝ่ายแม่จะเป็นผู้ถ่ายทอดสารพันธุกรรมในไมโตคอนเดรียหรือคลอโรพลาสต์ไปสู่ลูกโดยผ่านทางไข่ โครโมโซมในไมโตคอนเดรียมียีนสำคัญซึ่งทำหน้าที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการหายใจ ส่วนหน้าที่สำคัญของโครโมโซมในคลอโรพลาสต์จะเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสงและการสร้างสีใบ

ภาพที่ 1-11 DNA ในไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ซึ่งมีลักษณะเป็นวงแหวน

6.  โครโมโซมในโปรคาริโอตและไวรัส

สิ่งมีชีวิตประเภทแบคทีเรียและไวรัสมีโครโมโซมซึ่งต่างจากสิ่งมีชีวิตชั้นสูงหรือยูคาริโอต เนื่องจากต้องบรรจุสารพันธุกรรมเข้าไปในพื้นที่จำกัดภายในเซลล์ของแบคทีเรียหรืออนุภาคไวรัส ดังนั้น โครโมโซมจึงต้องมีโครงสร้างที่ยืดหยุ่นได้ดี เช่นโครโมโซมของแบคทีเรียประกอบด้วย DNA มีลักษณะเป็นวงแหวนในสภาพปกติ และบิดเป็นเกลียวแน่นเรียก ซูเปอร์คอยล์โครโมโซม (supercoiled chromosome) และเมื่อเกิดการแสดงออกของยีนก็จะสามารถคลายตัวออ

ภาพที่ 1-12 โครโมโซมแบคทีเรียซึ่งเป็นได้ทั้งสภาพซูเปอร์คอยล์และรีแลกซ์

ภาพที่ 1-13 โครโมโซมของไวรัสที่เป็น DNA สายเดี่ยวและสายคู่

โครงสร้างของยีนประกอบด้วยลำดับเบสของ DNA (จะกล่าวถึงในบทต่อไป)   ที่ต่อเนื่องบนโครโมโซม มีทั้งส่วนที่เป็น เอ็กซอน (exon) คือส่วนที่ใช้แปลรหัสเป็นโปรตีน และ อินทรอน (intron) คือส่วนที่ไม่ใช้แปลรหัสเป็นโปรตีน ยีนต่างๆ ที่กระจายตัวอยู่บนโครโมโซมแต่ละแท่ง ทำหน้าที่สร้างโปรตีนแตกต่างกัน โดยผ่านการลอกแบบเพื่อเพิ่มปริมาณ DNA การคัดลอกของ DNA เป็น RNA และการแปลรหัสจาก RNA เป็นโปรตีน (ภาพที่ 1-14)

ภาพที่ 1-14 การทำงานของยีนบนโครโมโซม(ซ้าย) เปรียบการทำงานของยีนเป็นการแปลภาษา(ขวา)

จะเห็นว่า replication คือการลอกให้เหมือนเดิมทุกประการ ส่วน transcription (การคัดลอก) เป็นการเปลี่ยน font ของ DNA มาเป็น font ของ RNA การเปลี่ยน font นี้ทำให้สามารถอ่านรหัสได้ง่ายขึ้น จึงทำให้เกิดการ translation (แปลรหัส) แต่การคัดลอกนี้ไม่จำเป็นต้องคัดลอกเป็น mRNA ทั้งหมด การคัดลอกเป็น mRNA นี้ถือว่าเป็นการลอกรหัสก็ได้