โครโมโซมและโครมาติน

โครโมโซมคือ DNA ที่จัดร่วมกับโปรตีนเพื่อบรรจุและควบคุมการเข้าถึงข้อมูล เมื่อ DNA จำลองจะมีโครมาทิดพี่น้องเพิ่ม แต่จำนวนโครโมโซมที่นับตามเซนโทรเมียร์ยังคงเดิมจนกว่าโครมาทิดจะแยก

พื้นฐานที่ใช้: DNA เป็นพอลินิวคลีโอไทด์ ยีนเป็นช่วงของ DNA และการแบ่งเซลล์มีระยะจำลอง DNA

เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข

1. โครมาตินบรรจุ DNA และสัมพันธ์กับการเข้าถึงยีน

  • สารพันธุกรรมในเซลล์ยูแคริโอตถูกจัดระเบียบผ่านการขดพันเป็นลำดับชั้นรอบโปรตีนฮิสโตน
  • ระดับการจัดระเบียบของโครมาติน:
    • นิวคลีโอโซม (Nucleosome): สายคู่ DNA พันรอบกลุ่มโปรตีนฮิสโตน 8 โมเลกุล (Octamer: ฮิสโตน H2A, H2B, H3, H4 อย่างละ 2 ตัว) ประมาณ 1.65 รอบ โดยมีฮิสโตน H1 ทำหน้าที่ล็อก ช่วยลดความยาว DNA ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
    • การขดพันระดับสูง: นิวคลีโอโซมขดตัวเป็นเส้นใยโครมาติน (Solenoide / 30 nm fiber) และพับเป็นลูปบนโครงโปรตีน (Scaffold protein) จนขดแน่นสูงสุดเป็นแท่งโครโมโซมในระยะแบ่งเซลล์
  • สภาพการแสดงออกของยีน:
    • ยูโครมาติน (Euchromatin): บริเวณที่โครมาตินคลายตัว ย้อมติดสีจาง เอนไซม์ RNA polymerase และ transcription factors เข้าถึงได้ง่าย จึงเป็นบริเวณที่มีการแสดงออกของยีนสูง
    • เฮเทอโรโครมาติน (Heterochromatin): บริเวณที่โครมาตินขดแน่น ย้อมติดสีเข้ม DNA เข้าถึงยาก ยีนบริเวณนี้มักถูกปิดการทำงาน (เช่น Barr body ในเซลล์เพศหญิง)
จากซ้ายไปขวา DNA สองสายพันรอบแกน histone เป็น nucleosome หลายหน่วยรวมเป็นเส้น chromatin แล้วบรรจุแน่นเป็น chromosome; ภาพย่อไม่ตามสัดส่วนและไม่แสดงทุกระดับ
ภาพเรียงการบรรจุ DNA จากเกลียวคู่ที่พันรอบ histone เป็น nucleosome ต่อด้วย chromatin และ chromosome
  • จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
    • ภาพรวม: ลำดับชั้นการบรรจุ DNA ตั้งแต่ระดับสายเกลียวคู่ 2 nm ไปจนถึงโครโมโซมระยะ Metaphase 1,400 nm
    • ส่วนประกอบและสัญลักษณ์: แกนโปรตีนฮิสโตนทรงกลมที่มี DNA พันรอบ (Nucleosome beads) →\rightarrow ขดเป็นเส้นใย →\rightarrow แท่งโครโมโซม
    • ข้อจำกัดของภาพจำลอง: แสดงระดับการขดตามทฤษฎี ในเซลล์ที่มีชีวิตระดับการคลายตัวจะเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาตามกิจกรรมการแสดงออกของยีน

2. โฮโมโลกัสต่างจากโครมาทิดพี่น้อง

  • ต้องแยกความแตกต่างระหว่างโครโมโซมคู่เหมือนกับโครมาทิดที่เกิดจากการจำลองตัว
  • คู่โฮโมโลกัสโครโมโซม (Homologous chromosomes):
    • โครโมโซมที่เป็นคู่กัน แท่งหนึ่งได้รับมาจากพ่อ อีกแท่งหนึ่งมาจากแม่
    • มีขนาด รูปร่าง และตำแหน่งเซนโทรเมียร์เหมือนกัน มียีนควบคุมลักษณะเดียวกันที่ตำแหน่ง (Locus) เดียวกัน แต่ อัลลีล (Allele) อาจเหมือนหรือต่างกันก็ได้
  • โครมาทิดพี่น้อง (Sister chromatids):
    • เส้นโครมาทิด 2 เส้นที่เกิดจากการจำลองตัวของ DNA แท่งเดียวกันในระยะ S ยึดติดกันที่เซนโทรเมียร์
    • มีลำดับเบสและอัลลีลเหมือนกันทุกประการ 100% (ก่อนเกิด crossing over)
เซลล์ดิพลอยด์แสดง chromosome จากพ่อและแม่เป็นแท่งเดี่ยวก่อน S; หลังจำลอง DNA แต่ละแท่งเป็น X มี sister chromatids สองเส้น จึงมี 2 chromosomes แต่ 4 chromatids และ 4 DNA molecules
ก่อนและหลัง S phase เทียบจำนวน chromosome กับ chromatids: centromere ยังติดกันจึงคง 2 chromosomes และ 2n แม้ DNA จำลองแล้ว
  • จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
    • ภาพรวม: เปรียบเทียบโครโมโซมคู่เหมือน (Homologous pair) กับโครมาทิดพี่น้อง (Sister chromatids)
    • ส่วนประกอบและสัญลักษณ์: แท่งสีต่างกันแสดงที่มาจากพ่อและแม่ (Homologous) มีตำแหน่งยีนเดียวกัน; เส้นสีเดียวกันสองแขนที่ติดกันด้วย centromere คือ Sister chromatids
    • ข้อจำกัดของภาพจำลอง: เน้นความต่างของแหล่งกำเนิดและอัลลีล ไม่ได้แสดงลำดับนิวคลีโอไทด์จริง

3. นับ chromosome, chromatid และ ploidy แยกกัน

  • การระบุสถานะทางพันธุกรรมของเซลล์ต้องเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างสามคำศัพท์
  • เกณฑ์การนับอย่างเป็นระบบ:
    • จำนวนชุดโครโมโซม (Ploidy: nn): นับจำนวนรูปแบบของโครโมโซมที่ไม่ซ้ำกัน (แฮพลอยด์ nn, ดิพลอยด์ 2n2n)
    • จำนวนแท่งโครโมโซม: นับจำนวน เซนโทรเมียร์ (Centromere) ที่เป็นอิสระ
    • จำนวนโครมาทิด: นับจำนวนแขนสายดีเอ็นเอที่เป็นอิสระ (1 แท่งมีได้ทั้ง 1 หรือ 2 โครมาทิด)

4. ขนาด genome ไม่ได้ทำนายจำนวนยีนโดยตรง

  • ความเข้าใจเรื่องขนาดจีโนมต้องระวังข้อผิดพลาดทางตรรกะแบบ C-value paradox
  • ปรากฏการณ์ C-value paradox:
    • ขนาดจีโนม (ปริมาณ DNA ทั้งหมดในเซลล์) ไม่ได้แปรผันตรงกับความซับซ้อนของสิ่งมีชีวิตหรือจำนวนยีน
    • สิ่งมีชีวิตชั้นสูงมียูแคริโอตจำนวนมากที่มี DNA ส่วนที่ไม่ถอดรหัสเป็นโปรตีน (Non-coding DNA เช่น อินทรอน, Transposons, Repeated sequences) ในสัดส่วนสูงมาก

ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?

นับจำนวนหลัง S phase

สังเกตจากโจทย์: โจทย์บอก 2n และระยะ G1, หลัง S หรือ anaphase

เลือกวิธีคิด: ตรวจว่า centromeres แยกหรือยัง แล้วนับ chromosome ตาม centromere; นับ DNA/chromatid แยกอีกค่า

แยก homologues กับ sister chromatids

สังเกตจากโจทย์: ถามการจับคู่ใน meiosis หรือการแยกหลังจำลอง

เลือกวิธีคิด: homologues มาจากพ่อแม่คนละฝ่าย; sister chromatids เป็นสำเนาจากแท่งเดียวหลัง DNA replication

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด

ตัวอย่าง 1 · นับหลัง S phase

เซลล์ 2n=4 จำลอง DNA แล้วแต่ยังไม่เข้าสู่ anaphase มี chromosome และ chromatid กี่หน่วย?

  1. ก่อน S มี 4 chromosome ที่แต่ละแท่งมี DNA หนึ่งโมเลกุล
  2. หลัง S แต่ละแท่งมี sister chromatids สองเส้น แต่ยังเชื่อมที่ centromere
  3. จึงมี 4 chromosome, 8 chromatids; DNA เพิ่มแต่ ploidy ยัง 2n

คำตอบ: 4 chromosome, 8 chromatids และยังเป็น 2n

ตรวจเหตุผล: ถ้านับได้ 8 chromosome แสดงว่านับ chromatid แทน centromere

ตัวอย่าง 2 · จัดคู่จากแหล่งกำเนิด

โครโมโซมคู่หนึ่งที่มีตำแหน่งยีนเดียวกัน แท่งหนึ่งมาจากพ่อและอีกแท่งจากแม่ เรียกคู่ใด?

  1. แท่งทั้งคู่มาจากคนละฝ่าย ไม่ได้สร้างจากการจำลองแท่งเดียว
  2. ตำแหน่งยีนเทียบกันได้ แม้ allele อาจไม่เหมือน
  3. ลักษณะนี้นิยามคู่ homologous chromosomes

คำตอบ: homologous chromosomes

ตรวจเหตุผล: แหล่งกำเนิดคนละฝ่ายแยกจาก sister chromatids ซึ่งเป็นสำเนาแท่งเดียวกัน