วัฏจักรเซลล์

วัฏจักรเซลล์จัดลำดับการเติบโต การจำลอง DNA และการแบ่งเซลล์ การอ่านระยะให้ถูกช่วยแยกจำนวน DNA ออกจากจำนวนโครโมโซม ซึ่งเปลี่ยนไม่พร้อมกัน

พื้นฐานที่ใช้: โครโมโซมที่จำลองแล้วมีโครมาทิดพี่น้องสองเส้นเชื่อมกันที่เซนโทรเมียร์; ก่อน S phase ให้ถือว่าเซลล์ร่างกายตัวอย่างมี 2n โครโมโซม

เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข

1. อินเตอร์เฟสมี G₁, S และ G₂ ก่อนเข้าสู่ M

วัฏจักรเซลล์ประกอบด้วยระยะเตรียมตัวที่ยาวนานสลับกับระยะแบ่งเซลล์

ระยะอินเตอร์เฟส (Interphase): กินเวลาส่วนใหญ่ของวัฏจักรเซลล์ (ประมาณ 90%)
- ระยะ $G_1$ (First gap): เซลล์เจริญเติบโตรวดเร็ว มีการสังเคราะห์โปรตีน เอนไซม์ และจำลองออร์แกเนลล์
- ระยะ S (Synthesis): จำลอง DNA (DNA replication) จาก 1 ชุดเป็น 2 ชุด เกิด sister chromatids
- ระยะ $G_2$ (Second gap): สังเคราะห์โปรตีนและอุปกรณ์ที่จำเป็นต่อการแบ่งเซลล์ (เช่น tubulin สำหรับสร้าง spindle fibers)
ระยะ M (Mitotic phase):
- ประกอบด้วยการแบ่งนิวเคลียส (Mitosis / Karyokinesis) และการแบ่งไซโทพลาซึม (Cytokinesis)

แผนภาพวงจร G₁, S, G₂ และ M พร้อมลูกศรย้อนกลับสู่ G₁, กิ่ง G₀, ปริมาณ DNA ที่เพิ่มเฉพาะช่วง S และจุดตรวจที่ G₁/S, G₂/M และ spindle ก่อนแยกโครมาทิด — วงจรเซลล์เรียง G₁→S→G₂→M โดยมี G₀ แตกจาก G₁; สังเกตจุดตรวจก่อน S ก่อน M และก่อนแยกโครมาทิด

จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
- ภาพรวม: วัฏจักรวงกลมแสดงสัดส่วนเวลาของระยะ Interphase ( $G_1, S, G_2$ ) และระยะ M
- ส่วนประกอบและสัญลักษณ์: ตำแหน่งจุดตรวจ Checkpoints สำคัญ 3 จุด: $G_1/S$ , $G_2/M$ , และ Spindle (M) checkpoint
- ข้อจำกัดของภาพจำลอง: แสดงเซลล์ต้นแบบที่แบ่งตัวต่อเนื่อง เซลล์บางชนิดอาจออกจากวัฏจักรเข้าสู่ระยะพัก $G_0$

2. DNA เพิ่มเป็นสองเท่าใน S แต่จำนวนโครโมโซมยังนับที่เซนโทรเมียร์

ความเข้าใจเรื่องปริมาณ DNA กับจำนวนโครโมโซมต้องยึดเกณฑ์การนับทางพันธุศาสตร์

เกณฑ์การนับที่ถูกต้อง:
- จำนวนโครโมโซม ( $n$ ): นับที่จำนวน เซนโทรเมียร์ (Centromere) ที่เป็นอิสระต่อกัน
- ปริมาณ DNA ( $c$ ): วัดจากมวลหรือจำนวนสายคู่ของ DNA ทั้งหมดในเซลล์
การเปลี่ยนแปลงระหว่างวัฏจักร:
- ในระยะ $G_1$ : เซลล์ดิพลอยด์มีโครโมโซม $2n$ และปริมาณ DNA $2c$ (แต่ละโครโมโซมมี 1 โครมาทิด)
- ในระยะ S และ $G_2$ : DNA จำลองเพิ่มเป็นสองเท่า ปริมาณ DNA จึงกลายเป็น $4c$ แต่จำนวนโครโมโซมยังคงเป็น $2n$ เพราะ sister chromatids ทั้งสองยังยึดติดกันที่ centromere เดียวกัน
- ในระยะ Anaphase ของ Mitosis: เมื่อ sister chromatids แยกออกจากกัน แต่ละเส้นจะถือเป็นโครโมโซมเดี่ยว ทำให้จำนวนโครโมโซมเพิ่มชั่วคราวเป็น $4n$ ก่อนถูกแบ่งให้เซลล์ลูกละ $2n$

3. จุดตรวจควบคุมการผ่านระยะ แต่ไม่รับประกันว่าไม่มีข้อผิดพลาด

ระบบควบคุมวัฏจักรเซลล์ใช้กลไก Checkpoint ตรวจสอบความพร้อมก่อนเดินหน้าเข้าสู่ระยะถัดไป

จุดตรวจสำคัญ 3 ตำแหน่ง:
- $G_1$ Checkpoint (Restriction point): จุดตรวจที่สำคัญที่สุด ตรวจขนาดเซลล์ สารอาหาร สัญญาณการเติบโต และความเสียหายของ DNA หากผ่านจุดนี้เซลล์มักจะเข้าสู่วัฏจักรจนจบ หากไม่ผ่านจะเข้าสู่ระยะพัก $G_0$
- $G_2$ Checkpoint: ตรวจสอบว่า DNA จำลองครบถ้วนและถูกต้องสมบูรณ์หรือไม่ก่อนเริ่ม Mitosis
- M Checkpoint (Spindle assembly checkpoint): ตรวจสอบในระยะ Metaphase ว่า kinetochore ของโครโมโซมทุกแท่งจับกับ spindle fiber แน่นหนาและจัดเรียงตัวถูกต้องหรือไม่ ก่อนอนุญาตให้เข้าสู่ Anaphase
การสูญเสียการควบคุม:
- ความล้มเหลวของโปรตีนควบคุมจุดตรวจ (เช่น p53 หรือ Cyclin/CDK complexes) อาจทำให้เซลล์แบ่งตัวไม่หยุดและพัฒนาเป็นมะเร็ง

ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?

อ่านกราฟปริมาณ DNA ระหว่างวัฏจักร

สังเกตจากโจทย์: กราฟเริ่มระดับหนึ่ง เพิ่มระหว่าง S คงระดับสูงใน G₂/M แล้วกลับลดต่อเซลล์ลูก

เลือกวิธีคิด: ผูกช่วงคงที่ต่ำกับ G₁, ช่วงที่เพิ่มกับ S, ระดับสูงกับ G₂; ระบุว่ากราฟวัดปริมาณ DNA ไม่จำเป็นต้องเป็นจำนวนโครโมโซม

นับโครโมโซมและโครมาทิดก่อน/หลังจำลอง DNA

สังเกตจากโจทย์: มีค่า 2n หรือภาพโครโมโซมรูป X และถามจำนวนโครโมโซม DNA หรือโครมาทิด

เลือกวิธีคิด: กำหนดระยะก่อนนับ; ก่อนแยกเซนโทรเมียร์ โครโมโซมรูป X หนึ่งแท่งยังนับเป็นหนึ่งโครโมโซม แต่มีสองโครมาทิด

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด

ตัวอย่าง 1 · นับโครโมโซมหลัง S phase

เซลล์ดิพลอยด์มี 2n = 6 ใน G₁ หลังผ่าน S phase และอยู่ใน G₂ จะมีโครโมโซมและโครมาทิดกี่หน่วย?

กำหนดระยะ G₂: DNA จำลองเสร็จแล้วแต่โครมาทิดพี่น้องยังเชื่อมกันที่เซนโทรเมียร์
จำนวนเซนโทรเมียร์ยังเท่าเดิม 6 จึงนับได้ 6 โครโมโซม
แต่ละโครโมโซมมี 2 โครมาทิด จึงมี 6 × 2 = 12 โครมาทิด และ DNA รวมเป็นสองเท่าจาก G₁

คำตอบ: 6 โครโมโซม, 12 โครมาทิด; ปริมาณ DNA เพิ่มเป็นสองเท่าจาก G₁

ตรวจเหตุผล: ตรวจว่าคำตอบยังไม่เรียกโครมาทิดพี่น้องที่เชื่อมอยู่เป็นโครโมโซมแยกสองแท่ง

ตัวอย่าง 2 · อ่านระดับ DNA ตลอดหนึ่งรอบ

กราฟปริมาณ DNA ต่อหนึ่งเซลล์อยู่ระดับ 2C แล้วค่อย ๆ เพิ่มเป็น 4C ก่อนคงที่และลดเป็น 2C ในเซลล์ลูก ช่วงใดคือ S phase?

การจำลอง DNA ทำให้ปริมาณ DNA เพิ่ม แต่เกิดในช่วงหนึ่งของวัฏจักร ไม่ใช่ระยะที่ DNA คงที่
จึงระบุช่วงกราฟที่เพิ่มจาก 2C เป็น 4C ว่าเป็น S phase
ระดับ 4C คงอยู่ระหว่าง G₂ และจนก่อนการแบ่งไซโทพลาซึมเสร็จ; หลังแบ่งแต่ละเซลล์ลูกกลับมี 2C

คำตอบ: ช่วงที่ปริมาณ DNA เพิ่มจาก 2C เป็น 4C คือ S phase

ตรวจเหตุผล: กราฟนี้ติดตามปริมาณ DNA ต่อเซลล์; อย่าอ่านว่าจำนวนโครโมโซมเพิ่มเป็นสองเท่าใน S phase