โครโมโซม (Chromosome)

โครโมโซมหรือนิวคลีออยด์ (Nucleoid) ของสิ่งมีชีวิตกลุ่ม Prokaryote จะมีองค์ประกอบง่ายๆ ส่วนใหญ่เป็นดีเอ็นเอเกลียวคู่อยู่ร่วมกับโปรตีนจำนวนน้อย ซึ่งดีเอ็นเอนี้มีความยาวมากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของเซลล์ มีลักษณะเป็นวงแหวน แต่ละวงของโครโมโซมจะมีจุดเริ่มต้นการจำลองตัวเองเพียงจุดเดียว

ดีเอ็นเอพันขดกันในลักษณะของการพันเกลียวซ้อนเกลียว (Supercoli) สำหรับโครโมโซมของสิ่งมีชีวิตกลุ่ม Eukaryote มีความซับซ้อนมากกว่า

ความสัมพันธ์ของดีเอ็นเอกับนิวคลีโอโซม

ดีเอ็นเอจัดเป็นสารพันธุกรรมสากลของสิ่งมีชีวิต ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด ได้แก่ dAMP, dCMP, dGMP และ dTMP จำนวนต่างๆกันประกอบเป็นสายดีเอ็นเอ ในโมเลกุลของดีเอ็นเอ 1 โมเลกุลมีสายดีเอ็นเอ 2 สาย ทิศทางตรงกันข้ามจับกันด้วยพันธะไฮโดรเจนระหว่างเบสคู่สม โดยพันเป็นเกลียวหมุนเวียนขวา (Double helix) และพันรอบโปรตีนฮิสโตน (Histone) H2A, H2B, H3 และ H4 อย่างละ 2 โมเลกุลที่จับกันเสมือนเป็นแกนโมเลกุลของดีเอ็นเอพันรอบแกนโปรตีนฮิสโตน 1 ¾ รอบ ยาวประมาณ 150 คู่เบส และมีโปรตีนฮิสโตน H1 จำนวน 1 โมเลกุลเชื่อมระหว่างแกนฮิสโตนและดีเอ็นเอที่พันรอบแกนฮิสโตน เรียกโครงสร้างนี้ว่า นิวคลีโอโซม (Nucleosome) ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 110 Å หรือ 11 นาโนเมตร ดีเอ็นเอส่วนที่เหลือจะรวมกับโปรตีนฮิสโตนสร้างนิวคลีโอโซมอันใหม่ต่อไปเรื่อยๆ จนหมดความยาวของดีเอ็นเอ ทำให้เป็นสายโพลีนิวคลีโอโซม (Polynucleosome) ดีเอ็นเอที่อยู่ระหว่างนิวคลีโอโซมกับนิวคลีโอโซมเรียกว่า ดีเอ็นเอเชื่อม (Linker DNA) เมื่อดูจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสายพอลีนิวคลีโอโซมมีรูปร่างคล้ายลูกปัดหรือลูกประคำซึ่งเชื่อมต่อเป็นสาย นิวคลีโอโซมและดีเอ็นเอที่เชื่อมมีชื่อเรียกรวมกันว่า โครมาโทโซม (Chromatosome)

องค์ประกอบของโปรตีนฮิสโตน

โปรตีนฮิสโตน 5 ชนิดต่างก็ประกอบด้วยกรดอะมิโนทั้งชนิดและจำนวนที่แตกต่างกัน คือ

1. โปรตีนฮิสโตน H1 ประกอบด้วยกรดอะมิโนซึ่งมีความยาว 213 ตัว ซึ่งเป็นไลซีนมาก
2. โปรตีนฮิสโตน H2A ประกอบด้วยกรดอะมิโนซึ่งมีความยาว 129 ตัว ซึ่งเป็นไลซีนและอาร์จินีนมาก
3. โปรตีนฮิสโตน H2B ประกอบด้วยกรดอะมิโนซึ่งมีความยาว 125 ตัว ซึ่งเป็นไลซีนปานกลาง
4. โปรตีนฮิสโตน H3 ประกอบด้วยกรดอะมิโนซึ่งมีความยาว 135 ตัว ซึ่งเป็นอาร์จินีนมาก
5. โปรตีนฮิสโตน H4 ประกอบด้วยกรดอะมิโนซึ่งมีความยาว 102 ตัว ซึ่งเป็นอาร์จินีนและไกลซีนมาก

การจัดเรียงตัวของสายพอลินิวคลีโอโซม

สายโครมาโทโซม หรือสายพอลินิวคลีโอโซมเป็นโครงสร้างระดับแรกจะถูกจัดให้มีการเรียงตัวเข้าสู่โครงสร้างขั้นที่ 2 โดยนิวคลีโอโซม 8 โมเลกุลเรียงต่อกันเป็นวงกลม โดยโปรตีนฮิสโตน H1 และดีเอ็นเอเชื่อมอยู่ด้านใน เส้นผ่านศูนย์กลางของโครงสร้างขั้นที่ 2 นี้ยาว 30 นาโนเมตร ดครงสร้างนี้บางครั้งเรียกว่า โซลีนอยด์ (Solenoid) โครงสร้างโซลีนอยด์จะเรียงต่อกันเช่นนี้ไปเรื่อยๆ จนหมดความยาวของสายพอลีนิวคลีโอโซม โซลีนอยด์ก็จะรวมกับโปรตีนชนิดอื่นที่ไม่ใช่ฮิสโตน เช่น โปรตีนสคาฟโฟลด์ (Scaffold protein) สร้างเป็นโครงสร้างวง (Loop) มีทั้งวงเล็กและวงใหญ่ โดยมีความยาวของเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 300 นาโนเมตร เป็นโครงสร้างระดับที่ 3 และจัดเรียงต่อเป้นวงกลมโดยตรงกลางกลวงและเรียงซ้อนต่อกันเป็นทรงกระบอก จัดเป็นโครงสร้างระดับที่ 4 และปรากฏเป็นแท่งโครโมโซม มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 700 นาโนเมตร

การค้นพบบทบาทของโครโมโซม

หลังจากการตั้งทฤษฏีเซลล์แล้ว นักชีววิทยาได้ค้นพบรายละเอียดของโครงสร้างต่างๆ ภายในเซลล์มากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงที่กำลังมีการแบ่งเซลล์ พบว่าภายในนิวเคลียสมีเส้นใยขนาดเล็กๆ ขดกันแน่นจนดูคล้ายเป็นแท่งเรียกว่า โครโมโซม (Chromosome) ซึ่งจะมีการจำลองตัวเองและแบ่งแยกออกไปยังเซลล์จำนวนเท่าๆกัน ปรากฏการณ์นี้ทำให้นักชีววิทยาเริ่มเข้าใจว่าการแบ่งเซลล์ทำให้มีการแบ่งโครโมโซมไปยังเซลล์ที่เกิดใหม่ เซลล์ที่เกิดใหม่จึงมีโครโมโซมเหมือนกับเซลล์เดิม ดังนั้นโครโมโซมจึงมีบทบาทสำคัญในการสืบทอดลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตให้ต่อเนื่องกันไปได้

ใน พ.ศ. 2443 นักวิทยาศาสตร์ 3 คน คือ Correns ชาวเยอรมัน De Vries ชาวเนเธอแลนด์ และ Tschermak ชาวออสเตรีย ได้เสนอกฏเกณฑ์การถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมโดยมีข้อสรุปตรงกันว่า “การสร้างเซลล์สืบพันธุ์ของสิ่งมีชีวิตนั้นจะมีการแยกคู่ของยีนที่เป็นแอลลีลกัน” ซึ่งผลงานนี้เป็นที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวาง ใน พ.ศ. 2455 Walter S. Sutton นักชีววิทยาชาวอเมริกัน และ Theodor Boveri นักชีววิทยาชาวเยอรมัน ซึ่งศึกษาเกี่ยวกับโครโมโซมและการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม ได้เสนอทฤษฎี Chromosome Theory of Heredity ซึ่งอธิบายว่าหน่วยพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตอยู่บนโครโมโซม ทั้งนี้เพราะจากการศึกษาการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสของเซลล์อัณฑะของตั๊กแตน พบว่าฮอมอโลกัสโครโมโซมจะแยกออกไปอยู่ต่างเซลล์กัน เช่นเดียวกับการแยกของยีนที่เป็นแอลลีลกันตามกฎแห่งการแยกตัว ทำให้ได้ข้อสรุปว่ายีนจะต้องอยู่บนโครโมโซม ดังนั้นโครโมโซมจึงมีบทบาทสำคัญในการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต

ส่วนสำคัญของโครโมโซม

โมเลกุลของดีเอ็นเอในนิวเคลียสที่เป็นเกลียวคู่รวมกับโปรตีนไม่ว่าจะเป็นโปรตีนฮิสโตน หรือโปรตีนที่ไม่ใช่ฮิสโตน เรียกว่า โครมาติน (Chromatin) บนแท่งโครโมโมโซม บางส่วนของโครมาตินขดตัวแน่นเรียกว่า เฮเทอดรโครมาติน (Heterochromatin) สามารถสังเกตเห็นภายใต้กล้องจุลทรรศน์เมื่อย้อมสีโครโมโซมด้วยสี Giemsa หรือสี Carmine เฮเทอโรโครมาตินจะติดสีเข้ม ส่วนของโครโมโซมที่เกิดจากโครโมโซมที่ขดตัวอย่างหลวมๆ เรียกว่า ยูโครมาติน (Euchromatin) จะติดสีจางกว่า โดยทั่วไปโครโมโซมมีรอยคอด (Constriction) ซึ่งเกิดจากโครโมโซมที่ขดตัวแน่นมาก 1 แห่ง เรียกว่า เซนโทรเมียร์ (Centromere) หรือไพรมารีคอนสตริกชัน (Primary constriction) แต่โครโมโซมบางแท่งมีรอยคอด 2 แห่ง รอยคอดที่ 2 เรียกว่า เซคันดารีคอนสตริกชัน (Secondary constriction) โครโมโซมที่มีรอยคอด 2 แห่งเรียกว่า โครโมโซมซาเทลไลท์ (Satellite chromosome) รอยคอดที่ 1 หรือเซนโทรเมียร์นั้นมีความสำคัญต่อการจำแนกชนิดของโครโมโซมและการเคลื่อนที่ของโครโมโซมขณะที่มีการแบ่งเซลล์ ส่วนรอยคอดที่ 2 ของโครโมโซมซาเทลไลท์บางแท่งทำหน้าที่สร้างนิวคลีโอลัส บริเวณนี้จึงเรียกว่า บริเวณนิวคลีโอลาร์ออร์กาไนเซอร์ (Nucleolar organizer region)

รูปร่าง ขนาด และจำนวนโครโมโซม

โครโมโซมเป็นโครงสร้างที่อยู่ในนิวเคลียสของเซลล์ ในภาวะปกติจะมองไม่เห็นโครโมโซม เพราะมีสภาพเป็นเส้นใยขนาดเล็กๆ สานกันอยู่ภายในนิวเคลียส เมื่อเข้าสู่ระยะการแบ่งเซลล์จะมีการจำลองเส้นใยโครมาทินขึ้นมาเป็นเส้นคู่ที่เหมือนกัน และมีการขดตัวพันกันจนมองเห็นเป็น 2 แท่งติดกัน ซึ่งจะเห็นชัดเจนที่สุดในระยะเมทาเฟส ระยะนี้โครโมโซม 1 โครโมโซมจะประกอบด้วย 2 โครมาทิด (Chromatid) ซึ่งติดกันอยู่ที่เซนโทรเมียร์ (Centromere) จากตำแหน่งของเซนโทรเมียร์มีผลทำให้โครโมโซมมีรูปร่างแตกต่างกัน 4 แบบ คือ

1. โครโมโซมแบบเทโลเซนทริก (Telocentric chromosome) เป็นโครโมโซมที่มีเซนโทรเมียร์อยู่ตรปลายสุด ทำให้มองเห็นโครโมโซมเป็นแท่งหรือแขนเพียงข้างเดียว
2. โครโมโซมแบบอะโครเซนทริก (Acrocentric chromosome) เป็นโครโมโซมที่มีเซนโทรเมียร์อยู่ค่อนข้างไปทางส่วนปลายด้านใดด้านหนึ่ง ทำให้มองเห็นโครโมโซมเป็นแท่งเช่นกัน แต่มีแขน 2 ข้างยาวแตกต่างกันมาก
3. โครโมโซมแบบซับเมทาเซนทริก (Submetacentric chromosome) เป็นโครโมโซมที่มีเซนโทรเมียร์ไม่อยู่ตรงกลาง ทำให้แขน 2 ข้างยาวไม่เท่ากัน มองเห็นคล้ายรูปตัวเจ (J)
4. โครโมโซมแบบเมทาเซนทริก (Metacentric chromosome) เป็นโครโมโซมที่มีเซนโทรเมียร์อยู่ตรงกลางพอดี ทำให้แขน 2 ข้างยาวเท่ากัน มองเห็นคล้ายรูปตัววี (V)

   

ขนาดของโครโมโซมในสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีความแตกต่างกัน และมีการผันแปรตามระยะต่างๆ ของการแบ่งเซลล์ (โครโมโซมมีขนาดสั้นที่สุดในระยะเมทาเฟส) ขนาดของโครโมโซมไม่เป็นสัดส่วนกับจำนวนยีนบนโครโมโซม คือ โครโมโซมที่มีขนาดความยาวมากอาจมีจำนวนยีนอยู่น้อยก็ได้ แต่ขนาดของโครโมโซมอาจมีความเกี่ยวข้องสัมพันธ์กับปัจจัยบางอย่างดังต่อไปนี้

• สารโคลซิซิน (Colchicine) เป็นสารยับยั้งการสร้าง Spindle fiber ทำให้โครโมโซมหยุดอยู่ที่ระยะเมทาเฟส ซึ่งมีขนาดสั้นที่สุด
• สารที่ใช้ทำ Pretreatment เช่น α – bromonap thalene ทำให้โครโมโซมหดตัว เห็นโครโมโซมมีขนาดสั้น
• สารที่จำเป็นต่อการสังเคราะห์โครมาทิน พบว่าเซลล์ที่มีการแบ่งเซลล์บ่อยๆ จะมีขนาดโครโมโซมเล็กกว่าเซลล์ที่มีระยะอินเตอร์เฟสค่อนข้างยาว
• สารอาหารที่ใช้สำหรับเพาะเลี้ยงเซลล์ จากการศึกษาพบว่าโครโมโซมของเซลล์ที่เลี้ยงอาหารซึ่งมีฟอสเฟตความเข้มข้นสูง จะมีขนาดใหญ่กว่าโครโมโซมของเซลล์ที่เลี้ยงในน้ำหรือมีฟอสเฟตน้อยๆ
• เซลล์ที่มีการแบ่งตัวในอุณหเซลล์ที่มีการแบ่งตัวในอุณหภูมิต่ำ จะมีการหดตัวของโครโมโซมมากกว่าเซลล์ที่แบ่งตัวในอุณหภูมิสูงๆ

จำนวนโครโมโซมของสิ่งมีชีวิตโดยทั่วไปจะแตกต่างกัน ในเซลล์ร่างกาย (Somatic cell) จะมีโครโมโซม 2 ชุด หรือเรียกว่ามีจำนวนโครโมโซมเป็น 2n หรือดิพลอยด์ (Diploid) ส่วนเซลล์สืบพันธุ์ (Sex cell) จะมีโครโมโซมเพียงชุดเดียวหรือเรียกว่ามีโครโมโซม n หรือแฮพลอยด์ (Haploid) ในภาวะปกติสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดจะมีจำนวนโครโมโซมคงที่