พันธุศาสตรโมเลกุลเบื้องตน (258444) ปการศึกษา 2/2547

กวี สุจิปุลิ1

บทที่ 2 โครโมโซม (Chromosome)

คํานํา โครโมโซมเปนที่ตั้งของยีน (gene; ยีนหมายถึงสวนหนึ่งของดีเอ็นเอที่มีลําดับเบสเปน single copy DNA ทําหนาที่เปนสารพันธุกรรมที่กําหนดฟโนไทปของส่ิงมีชีวิต) โดยสามารถมองเห็นโครโมโซมไดจากกลองจุลทรรศนในระยะที่มีการแบงเซลล เนื่องจากโครโมโซมมีการหดส้ันลงในระยะเมตตาเฟส ในสิ่งมีชีวิตทั้งโปรคารีโอตและยูคารีโอตพบวาโครโมโซมมีโครงสรางที่ประกอบดวยสายดีเอ็นเอที่เขาจับกับโปรตีนชนิดตางๆ โดยจํานวนโครโมโซมมีเทากับจํานวนโมเลกุลของดีเอ็นเอในสิ่งมีชีวิตนั้นๆ ซ่ึงโครโมโซมของโปรคารีโอตและยูคารีโอตมีจํานวน รูปราง และโครงสรางของโครโมโซมแตกตางกัน เชน โครโมโซมของโปรคารีโอตมีลักษณะเปนวงแหวนปลายปด และมีจํานวนโครโมโซมเพียงหนึ่งโครโมโซม สวนในยูคารีโอตมีจํานวน โครโมโซมหลายโครโมโซม โดยมีเทากับจํานวนโมเลกุลของดีเอ็นในสิ่งมีชีวิตนั้นๆ และมีโครงสรางของโครโมโซมซับซอนกวา

โครโมโซมของโปรคารีโอต (Prokaryotic chromosome) โครโมโซมของแบคทีเรียมีความยาวประมาณ 1,300 ไมโครเมตร สามารถมองเห็นไดจากกลองจุลทรรศนอิเล็คตรอน โดยโครโมโซมแบคทีเรียประกอบดวยดีเอน็เอ 80 เปอรเซ็นต โปรตีน 10เปอรเซ็นต และอารเอ็น 10 เปอรเซ็นต ภายในเซลลแบคทีเรีย เชน E. coli พบวาดีเอ็นเอจะจับหรือเกิดปฏิกิริยากับโปรตีน (DNA binding protein) แลวเกดิเปนโครงสรางที่เรียกวานวิคลีออยด (nucleoid) หรือโครโมโซม ซ่ึงประกอบดวย 1. ดีเอ็นเอมีลักษณะเปนดีเอ็นเอเกลียวคู (double helix) อยูในรูป B-form DNAโดยดีเอ็นเอจะขดตวัพับเปนหวง (loop หรือ domain) ประมาณ 40–100 หวง เพื่อจับกับโปรตีน โดยโปรตีนทําหนาที่เปนแกนกลางของหวง (ภาพที่ 2.1) ซ่ึงแตละหวงจะมีดีเอ็นเอขนาดประมาณ 40 กิโลเบส (kb) และแตละหวงพับเปนเกลยีวซอนกันเรียกวา suppercoiled DNA 2. โปรตนี (DNA binding protein) ทําหนาที่เปนแกนกลางเพื่อใหหวง suppercoiled DNA มาเกาะ ซ่ึงโปรตีนดังกลาวม ี 4 ชนิด คือ HU, HLP1, H และ H1 แตมีเพียง 2 ชนิด ที่มีคุณสมบัติคลายคลึงกับโปรตีนฮีสโตน (histone protein) คือโปรตีนชนิด HU และ H1 มีขนาดใกลเคยีงกับโปรตีนฮีสโตนชนิด H2B และ H2A ตามลําดับ

พันธุศาสตรโมเลกุลเบื้องตน (258444) ปการศึกษา 2/2547

กวี สุจิปุลิ2

ภาพที่ 2.1 โครงสรางของนิวคลีออยด ทีป่ระกอบดวยดีเอ็นเอ (แทนดวยเสน) และโปรตีน (แทนดวยวงกลม) (ที่มา : http://www.biology.ewu.edu/aHerr/Genetics/Bio310/Media/ch9jpegs/9_16.JPG)

ซุปเปอรคอยลดีเอ็นเอ (Suppercoiled DNA) ซุปเปอรคอยลดีเอ็นเอ คือ การบิดพันกนัเปนเกลียวของดีเอ็นเอที่มีโครงสรางเปนวงแหวนปลายปดของโปรคารีโอตเพื่อเขาจับกับโปรตีนทําใหไดเปนโครโมโซมที่มีขนาดเล็กซึ่งสามารถบรรจุอยูภายในเซลลได ซุปเปอรคอยลดีเอ็นเอ มี 2 แบบคือ (1) ซูเปอรคอยลดีเอ็นเอที่บิดเปนเกลียววนซาย หรือบิดแบบซายทับขวา (left-hand suppercoil หรือ negative suppercoil) และ (2) ซูเปอรคอยลดีเอ็นเอที่บิดเปนเกลียววนขวา หรือบิดแบบขวาทับซาย (right-hand suppercoil หรือ positive suppercoil) (ภาพที่ 2.2) ซ่ึงดีเอ็นเอที่มีโครงสรางเปนแบบซูเปอรคอยลจะมพีลังงานอิสระสูงกวาดีเอน็เอในสภาพทีเ่ปนวงแหวนปลายปดที่ไมไดบิดเปนเกลยีว (relaxed DNA) โดยปกติโครโมโซมที่อยูเซลล E . coli มีโครงสรางเปน negative suppercoil

พันธุศาสตรโมเลกุลเบื้องตน (258444) ปการศึกษา 2/2547

กวี สุจิปุลิ3

ภาพที่ 2.2 การเกิดโครงสรางเวียนซาย และเวยีนขวาของซุปเปอรคอยลดีเอ็นปลายปด http://biochemistry.yonsei.ac.kr/biochem_molecular/plasmid_dna_isolation_04_2.gif

โครโมโซมของยูคารีโอต (Eukaryotic chromosome) โครโมโซมของยูคารีโอตจะปรากฏให เห็นในระยะเมตาเฟสของการแบงเซลล (1โครโมโซม มี 2โครมาติด) โดยโครโมโซมเกิดจากการหดหรือพันเกลียวกันของโครมาติน (chromatin) ซ่ึงโครมาตินในระยะอินเตอรเฟส (interphase) ประกอบดวยนิวคลีโอโซม (nucleosome) หลายๆ โมเลกุลมาเรียงตอกัน โดยแตละนิวคลีโอโซมเชื่อมตอกันดวยดีเอ็นเอ ซ่ึงโมเลกุลของนิวคลีโอโซมประกอบดวยสายดีเอ็นเอที่เขาเกาะหลวมๆ อยูกับโปรตีนฮีสโตน (histone protein) และโปรตีนที่ไมใชฮีสโตน (non histone protein)

โครโมโซมที่ไดจากกระบวนการแบงเซลล พบวา 1 โครโมโซมก็คือดีเอ็นเอ 1 สายนั่นเอง เมื่อผานขั้นตอนการแบงเซลลในระยะอินเตอรเฟต (interphase) จะมีการจําลองดีเอ็นเอขึ้นมา 1 ครั้ง ทําให 1 โครโมโซม มี 2 โครมาติด โดยแตละโครมาติดมีดีเอ็นเอเหมือนกัน (1 โครมาติดมีดีเอ็นเอ 1 โมเลกุล) โดยทั่วไปโครโมโซมแตละแทงนอกจากจะประกอบดวยดีเอ็นเอที่พันเกลียวอยูกับโปรตีนฮีสโตน (histone protein) และโปรตีนที่ไมใชฮีสโตน (non histone protein) แลวยังประกอบดวยเซนโตรเมียร (centromere) ซ่ึงมีตําแหนงตางกันบนโครโซม ทําใหสามารถแบงโครโมโซมได

นิวคลีโอโซม (nucleosome) นิวคลีโอโซม เปนเปนองคประกอบสําคัญของโครมาติน โดยแตละนิวคลีโอโซมประกอบดวยโปรตีนฮีสโตน 4 ชนิด คือ H2A, H2B, H3 และ H4 ชนิดละ 2 โมเลกุลมารวมกันเปน ออกตะเมอร (octamer) ซ่ึงทําหนาที่เปนแกนกลาง (core particle) เพื่อใหดีเอ็นเอเกลียวคู (B-form DNA) ความยาวประมาณ 145-146 เบส เขามาพันรอบแบบเวียนซายจํานวน 1¾ รอบ เกิดเปนโครงสรางที่ เรียกวา nucleosome core particle โดยมี H1 ทําหนาที่ยึดจับระหวางดีเอ็นเอไมใหหลุด

พันธุศาสตรโมเลกุลเบื้องตน (258444) ปการศึกษา 2/2547

กวี สุจิปุลิ4

จาก core particle แตละนิวคลีโอโซมจะเชื่อมตอกันดวยดีเอ็นเอเกลียวคูที่มีขนาดยาวประมาณ 60 คูเบส เรียกวา DNA linker เพื่อประกอบกันเปนโครงสรางเสนใยโครมาติน (ภาพที่ 2.3)

ภาพที่ 2.3 แบบจําลองโครงสรางของนิวคลีโอโซม และโครมาติน

(ที่มา : Klug และ Cummings, 1993)

โครมาติน (Chromatin) จากการศึกษาองคประกอบของโครมาตินในยูคารีโอตโดยใชเทคนิคทางชีวเคมี พบวาโครมาตินมีองคประกอบ ดังนี้ (ภาพที่ 2.4) 1. ดีเอ็นเอ ของส่ิงมีชีวิตนั้น 2. โปรตีนฮีสโตน (histon protein) ซ่ึงเปน basic protein 3. โปรตีนที่ไมใชฮีสโตน (non histon protein) 4. อารเอ็นเอ ซ่ึงโดยทั่วไปจะไมพบอารเอ็นเอในนิวเคลียสของยูคารีโอต แตอาจพบ อารเอ็นเอไดบางในกรณีที่ดีเอ็นเอเพิ่งผานขั้นตอนการลอกรหัสไดไมนาน (nascent RNA) อัตราสวนของดีเอ็นเอตอโปรตีนฮีสโตน มีคาคอนขางคงที่ในทุกเซลลและทุกอวยัวะของส่ิงมีชีวิต คือมีคาระหวาง 1.1-1.3 แตอัตราสวนของดีเอ็นเอตอโปรตีนที่ไมใชฮีสโตนมีคาคอนขางจะแปรปรวนโดยมีคาประมาณ 0.2-0.8 กลาวคือ ถามีกระบวนการเมตาบอลิซึมในเซลลสูงคาอัตราสวนของดีเอ็นเอตอโปรตีนที่ไมใชฮสีโตนก็สูงดวย สวนอัตราสวนระหวางดีเอ็นเอกับอารเอ็นเอ มีความแปรปรวนสงูมาก เนื่องจากในสภาพปกติจะพบอารเอน็เอในนิวคลีนอยมาก แตอาจพบไดหลังจากเกิดกระบวนการลอกรหัส

พันธุศาสตรโมเลกุลเบื้องตน (258444) ปการศึกษา 2/2547

กวี สุจิปุลิ5

ภาพที่ 2.4 องคประกอบของโครมาติน (ลูกศรแสดงถึงความแปรปรวนของอัตราสวนของ RNA

และ NHP ทั้งนี้ขึ้นอยูกับเมตาโบลิซึมในเซลล) (ที่มา Bradbury และคณะ, 1981)

โปรตีนฮีสโตน (histon protein) เปนโปรตีนที่พบในยูคารีโอตทุกชนิด โดยเปนโปรตีนที่มีประจุบวก (basic protein) ซ่ึงประกอบดวย lysine และ arginine จํานวนมากทําใหสามารถเขาจับกับดีเอ็นเอที่มีประจุลบของหมูฟอสเฟต ซ่ึงโปรตีนเหลานี้คือโปรตีนฮีสโตนซึ่งถูกสังเคราะหมาจากกลุมของ histone gene (gene class 3 เปนกลุมของยีนขนาดเล็กที่เรียงซ้ํากันหลาย copy ดังแสดงในภาพที่ 2.5) แบงเปน 2 กลุม คือ กลุมแรก เรียกวา nucleosome histone มีอยู 4 ชนิด คือ H2A, H2B, H3 และ H4 ซ่ึงมีหนาที่คือเปน core particle ใหดีเอ็นเอเกลียวมาพันรอบ เพื่อเกิดเปนโครงสราง nucleosome สวนโปรตีนฮีสโตนกลุมที่ 2 คือ H1 หรือบางสิ่งมีชีวิตอาจเปน H5 (เชน นก ปลา สัตวคร่ึงบกครึ่งน้ํา เปนตน) ทําหนาที่เปน linker histone ซ่ึง H1 จะอยูภายนอกนิวคลีโอโซม โดยทําหนาที่เปนตัวเชื่อมแตละนิวคลีโอโซมไมใหหลุดออกจากกันทําใหไดเปนสายยาวของนิวคลีโอโซม ที่เรียกวาโพลีนิวคลีโอโซม (polynucleosome)

ภาพที่ 2.5 กลุมของ histone genes ที่เรียงซ้ํากันแบบ tandem repeats บนโครโมโซม (ที่มา : http://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/roanoke/fg16_23.jpg, 2547)

พันธุศาสตรโมเลกุลเบื้องตน (258444) ปการศึกษา 2/2547

กวี สุจิปุลิ6

โปรตีนฮีสโตนชนิด H2A และ H2B (ภาพที่ 2.6)

เปนโปรตีนฮสีโตนที่มีจํานวน lysine และ arginine ระดับปานกลาง ซ่ึงมีคุณสมบัติดังนี ้ 1. มีความแปรปรวนของลําดบักรดอะมิโนมากกวาโปรตนีฮีสโตนชนิด H3 และ H4 2. ลําดับกรดอะมิโนที่บริเวณปลาย N-terminus end มีประจุเปนบวกและมีความแปรปรวนในสิ่งมีชีวิตและชนิด 3. ลําดับกรดอะมิโนบริเวณตรงกลาง (central region) และ บริเวณปลาย C-terminus end มีลําดับกรดอะมิโนคอนขางคงที่ และเปนกรดอะมิโนชนิดไมมีประจ ุ(apolar protein)

โปรตีนฮีสโตนชนิด H3 และ H4 (ภาพที่ 2.6)

เปนโปรตีนฮสีโตนที่มีจํานวน lysine และ arginine ระดับสูง ซ่ึงมีคุณสมบัติดังนี ้ 1. ลําดับกรดอะมิโนของโปรตีนฮีสโตนชนิด H3 และ H4 มีความแนนอนและเปนแบบอนุรักษเหมือนกันในทุกสิ่งมีชีวิต 2. ลําดับกรดอะมิโนของโปรตีนฮีสโตนชนดิ H3 และ H4 เปนแบบกรดอะมิโนไมมีขัว้ ซ่ึงมีความคงตัวสูงในทุกสิ่งมีชีวิต 3. ลําดับกรดอะมิโนของโปรตีนฮีสโตนชนดิ H3 และ H4 อาจมีเพียง 1 หรือ 2 กรดอะมิโนเทานั้นที่อาจถกูแทนทีด่วยกรดอะมิโนตัวอ่ืนในสิ่งมีชีวติที่ตางชนิดกนั เชน โปรตีนฮีสโตนชนิด H4 ในววั (Bos tautus) พบวาถา valine ตําแหนงที่ 60 และ lysine ตําแหนงที่ 77 ถูกแทนที่ดวย isoleucine และ arginine ตามลําดับ ก็จะกลายเปนโปรตีนฮีสโตนชนดิ H4 ของถ่ัวลันเตา (Pisum sativum) 4. ที่บริเวณปลาย N-terminus end มีจํานวนกรดอะมิโนประจุบวกจํานวนมาก ไดแก lysine และ arginine 5. ลําดับกรดอะมิโนบริเวณตรงกลาง (central region) และ บริเวณปลาย C-terminus end มีลําดับกรดอะมิโนคอนขางคงที่ และเปนกรดอะมิโนชนิดไมมีประจ ุ

พันธุศาสตรโมเลกุลเบื้องตน (258444) ปการศึกษา 2/2547

กวี สุจิปุลิ7

H1 NH2 + + + + + 0 0 0 0 0 0 0 + + + + + + + + 216 COOH

v v c c v v

H2A NH2 + + + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 129 COOH

v v c c

H2B NH2 + + + + 0 0 0 0 0 0 0 0 125 COOH

v v c c

H3 NH2 + + + + + 0 0 0 0 0 0 0 0 135 COOH

c c

H4 NH2 + + + + 0 0 0 0 0 0 0 102 COOH

c c

ภาพที่ 2.6 คุณสมบัติและโครงสรางของโปรตีนฮีสโตนชนิด H1, H2A, H2B, H3 และ H4 เมื่อ อักษร c = constant region และ v = variable region และ เครื่องหมาย + คือกรดอะมิโนทีม่ีประจุบวก (basic amino acid) สวน ตัวเลข 0 คือกรดอะมิโนที่ไมมีประจุ (apolar amino acid)

พันธุศาสตรโมเลกุลเบื้องตน (258444) ปการศึกษา 2/2547

กวี สุจิปุลิ8

(ที่มา : Bradbury และคณะ, 1981)

โปรตีนฮีสโตนชนิด H1 (ภาพที่ 2.6)

เปนโปรตีนฮสีโตนที่มีจํานวน lysine ระดับสูง ซ่ึงมีคุณสมบัติดังนี้ 1. H1 มีความแปรปรวนมากที่สุดเมื่อเทียบกับโปรตีนฮสีโตนชนิด H2A, H2B, H3 และ H4 โดยในสิ่งมีชีวติเดียวกนัอาจมีลําดับของกรดอะมิโนแตกตางกันเมื่อตางเซลลหรือตางอวัยวะ 2. เปนโปรตีนที่มีขนาดใหญ คือมีจํานวนกรดอะมิโนประมาณ 200-250 ตัว ทั้งนี้ขึ้นอยูกับชนิดของสิ่งมีชีวิต 3. ลําดับกรดอะมิโนที่ 1-40 ของบริเวณ N-terminus end และลําดับกรดอะมิโนตั้งแต 116 ถึงปลาย C-terminus end มีความแปรปรวนสูงและเปนกรดอะมิโนที่มีประจุบวก แตลําดับ กรดอะมิโนไมมีขั้วตั้งแตตําแหนงที่ 41-112 ของบริเวณ central region มีความแปรปรวนนอยและคอนขางอนุรักษ

โปรตีนฮีสโตนชนิด H5 เปนโปรตีนฮสีโตนที่มีจํานวน lysine ระดับสูง พบในปลา นก และสัตวคร่ึงบกครึ่งน้ํา เปนตน โดยมีคณุสมบัติดังนี้ 1. มีคุณสมบตัิคลายกับโปรตีนฮีสโตน H1 แตมีจํานวนกรดอะมิโนทีบ่ริเวณ N-terminus end นอยกวา โดยมีนอยกวา 23 กรดอะมิโน 2. จํานวนกรดอะมิโนที่บริเวณสวนกลาง และ C-terminus end มีประมาณครึ่งหนึ่งของโมเลกุลโปรตีนฮีสโตน H5

การเกิดโครงสรางเชิงซอนของฮีสโตน (Histone complex) หรือออกตะเมอร (Octamer) การเกิดโครงสรางออกตะเมอรของโปรตีนฮีสโตนเพื่อทําหนาที่เปน core particle ให ดีเอ็นเอเขามาพันรอบ ทําใหเกิดเปนโครงสรางของนิวคลีโอโซม มีขั้นตอนดังนี้ 1. เกิดโครงสรางเตตระเมอร (tetramer) ของโปรตีนฮีสโตนชนิด H3 และ H4 อยางละ 2 โมเลกุลจะเขามาจับกันไดเปนเตตระเมอร (tetramer) โดยเกิดปฏิกิริยาที่บริเวณ central region และ C-terminus end ซ่ึงเปน very strong complex (ภาพที่ 2.7)

พันธุศาสตรโมเลกุลเบื้องตน (258444) ปการศึกษา 2/2547

กวี สุจิปุลิ9

2. เกิดโครงสรางไดเมอร (dimer) ของโปรตีนฮีสโตนชนิด H2A และ H2B อยางละ

1 โมเลกุลจะเขามาจับกันไดเปนไดเมอร (dimer) ซ่ึงเปน strong complex โดยฮีสโตนชนิดจะใชสวนของ central region ที่มีกรดอะมิโนไมมีประจุ เขามาทําปฏิกิริยากันภายในสายของฮีสโตนแตละชนิด เกดิเปนโปรตีนกอนกลม (globular protein) จากนั้น H2A จะใชโครงสรางของ globular protein เขาทําปฏิกิริยากับสวนของ globular protein ของ H2B ไดเปนไดเมอร (ภาพที2่.7b) 3. เกิดโครงสรางออกตะเมอร (octamer) โดยไดเมอร 2 โมเลกุล จะเขาทําปฏิกิริยากับ เตตระเมอร 1 โมเลกุล เกิดเปนโครงสรางออกตะเมอร (H2A + H2B + H3 + H4)2 (ภาพที่ 2.9)

4. ออกตะเมอรเขาทําปฏิกิริยากับดีเอ็นเอ โดยออกตะเมอรจะใชสวน N-terminus end ที่มีประจุบวกเขาทําปฏิกิริยากับสายดีเอ็นเอที่มีประจุลบ

ภาพที่ 2.7 โครงสรางของนิวคลีโอโซม (ที่มา : http://www.ndt-educational.org/images/Berden20.jpg, 2547)

5. H1 เขาเชื่อม core particle โดย H1 มีโครงสรางที่สําคัญ 2 สวน คือ ตรงกลางเปนกอน

กลมที่คอนขางคงตัว และมีปลายทั้งสองขาง คือ N-terminus end และ C-terminus end ยืนออกไป (ภาพที่ 2.7) โดยโปรตีนฮีสโตน H1 จะใชบริเวณตรงกลางเขาเกาะกับนิวคลีโอโซม และใชปลายแขนทั้งสองขางเขาเกาะกับ DNA linker (ดีเอ็นเอ 145-146 คูเบส + ออกตาเมอร + H1+ DNA linker 60 คูเบส)

พันธุศาสตรโมเลกุลเบื้องตน (258444) ปการศึกษา 2/2547

กวี สุจิปุลิ10

6. เกิดเปนสายโพลีนิวคลีโอโซม โดยสายโพลีนิวคลีโอโซมมีขนาด 11 นาโนเมตร จะมีการพับตัวหรือพนัเกลียวซอนขึน้ไปทําใหไดเปนเสนใยโครมาตินหรือโซลีนอยด (solenoid) ที่มีขนาด 30 นาโนเมตร จากนัน้เมื่อมีกระบวนการแบงเซลลพบวาเสนใยโครมาตินที่อยูในระยะอินเตอรเฟสจะมีการพับตวัหรือพันเกลยีวซอนขึ้นไป 3 ระดับ คือ ฟลาเมนท (filament) ซุปเปอรคอยลฟลาเมนท (suppercoid filament) และ โครโมโซม (chromosome) ในระยะเมตตาเฟส ซ่ึงมขีนาดเทากับ 300, 700 และ 1400 นาโนเมตร ตามลําดับ (ภาพที่ 2.8)

พันธุศาสตรโมเลกุลเบื้องตน (258444) ปการศึกษา 2/2547

กวี สุจิปุลิ11

ภาพที่ 2.8 องคประกอบของโครโมโซมและขั้นตอนการหดตัวของโครโมโซมจนถึงระยะเมตาเฟต (ที่มา Russell, 1996 และ Hartl และ Jones, 1998)

โปรตีนที่ไมใชฮีสโตน (Non histone protein; NHP) เปนโปรตีนทีย่ังไมทราบหนาที่และโครงสรางที่แนชัด แตคาดวามีคณุสมบัติดังนี ้

1. เปนโปรตีนที่มีประจุลบ (acidic protein) 2. สวนใหญจะเปนเอนไซมที่เกี่ยวของกับกระบวนการจาํลองดีเอ็นเอ การดัดแปลงโปรตีน

ฮีสโตน และเปนเอนไซมชนิดตางๆ ที่ทําหนาที่ในนวิเคลียส 3. โปรตีนที่ไมใชฮีสโตนที่เกี่ยวของกับกระบวนการเมตาบอลิซึมตางๆ นั้นมีองคประกอบ

หลักเหมือนกันในทุกเซลลและอวัยวะ

ชนิดของโครมาติน (Chromatin type)

การศึกษาโครโมโซมโดยใชเทคนิคการยอมแถบสี (banding) เพื่อจําแนกชนิดของโครโมโซมโดยพิจารณาจากการกระจายและการจัดเรียงตัวของโครมาตินในตําแหนงที่เฉพาะเจาะจง ซ่ึงสามารถจําแนกโครมาตินตามการติดสีเขมและสีจางได 2 ชนิดคือ

พันธุศาสตรโมเลกุลเบื้องตน (258444) ปการศึกษา 2/2547

กวี สุจิปุลิ12

1. ยูโครมาติน (euchromatin) เปนบริเวณที่ติดแถบสีจางและเรียงกันอยางเปนระเบียบ เปนที่ตั้งของยีน (single copy DNA) จํานวนมากและเปนยีนที่ทําหนาที่สามารถแสดงออกได โดยมีตําแหนงกระจายทั่วไปบนโครโมโซม ยกเวนตําแหนงใกลเซนโตรเมียร (ภาพที่ 2.9) 2. เฮเตอรโรโครมาติน (heterochromatin) เปนบริเวณที่ติดแถบสีเขม เปนที่ตั้งของยีนจํานวนนอยที่ทําหนาที่ (exon) สวนมากเปนยีนหรือดีเอ็นเอที่ไมทําหนาที่ (intron) และมีตําแหนงใกลเซนโตรเมียร ซ่ึงเฮเตอรโรโครมาติน (ภาพที่ 2.3a) สามารถแบงไดเปน 2 ชนิด คือ 2.1 Facultative heterochromatin เปนเฮเตอรโรโครมาตินที่สามารถเปลี่ยนไปเปน ยูโครมาตินได เนื่องจากอาจมีการหดและการคลายตัวของโครมาตินในระยะอินเตอรเฟส 2.2 Constitutive heterochromatin เปนเฮเตอรโรโครมาตินซึ่งมียีนที่ไมทําหนาที่ สวนมากมีตําแหนงอยูใกลกับเซนโตรเมียร (centromere) ทีโลเมียร (telomere) นิวคลีโอลัสออรกาไนเซอร (nucleolus organizer) และอาจพบบนแขนทั้งสองขางของโครโมโซมก็ได

โครงสรางและองคประกอบของโครโมโซมที่สําคัญ ๆ (ภาพที่ 2.9) มีดังนี้ 1. ไพรมารีคอนสติคชัน (primary constriction) หมายถึงสวนเวาบนโครโมโซมซึ่งเปน

ตําแหนงของเซนโตรเมียร ซ่ึงเปนสวนที่ทําหนาที่สําคัญยิ่งเมื่อเซลลทําการแบงตัว จะทําใหโครโมโซมมาเรียงตัวกันตรงกลางเซลล ในระยะเมตาเฟส และโครโมโซมใดที่ไมมีเซนโตรเมียร โครโมโซมนั้นจะถูกละทิ้งไวในไซโตปลาสม เพราะไมมีเสนใยสปนเดิล มาดึงเอาไวใหอยูในแนวกลางเซลล

2. เซกันดารีคอนสตริคชัน่ (secondary constriction) เปนสวนเวาอีกอันหนึ่งบนโครโมโซม และเปนที่สําหรับใหนวิคลีโอลัสมาเกาะบางทีก็เรียกบริเวณนี้วา “นิวคลีโอลาร ออกาไนเซอร” (nucleolar organizer) และบริเวณนี้จะประกอบไปดวยยีนที่ควบคุมการสังเคราะห ribosomal RNA

3. แซทเทลไลท (satellite) เปนสวนปลายของโครโมโซมที่มีลักษณะเปนตุมหรือติ่ง โครโมโซมใดที่มี แซทเทิลไลทนี้อยู เรียกโครโมโซมนั้นวา “SAT-chromosome”

4. โครโมนีมา (chromonema) เปนโครงรางภายในของโครโมโซม หรือหมายถึงเสนของโครโมโซมที่พันกันอยูเปนเกลียวฝงตวัอยูในมาตริกซ (matrix) สารพันธุกรรมซึ่งเปนประกอบที่สําคัญอยูบนโครโมนีมานี้

5. มาทริกซ (martrix) เปนสารพวกอโครมาติค (acromatic) เปนที่อยูของโครโมนีมา และโครโมเมียร (chromomere)

6. โครมาตนิ (chromatin) หมายถึงโครโมโซมนั่นเอง ถาสวนไหนของโครโมโซมติดสียอมเขม เรียกสวนนั้นวา เฮเทโรโครมาติน ซ่ึงเชื่อวาเปนสวนที่ไมมียนีอยูเลย และสวนนี้ติดสีเขมก็

พันธุศาสตรโมเลกุลเบื้องตน (258444) ปการศึกษา 2/2547

กวี สุจิปุลิ13

เพราะโครโมนีมาตาจะพันกันแนนกวาสวนที่ติดสีจาง ซ่ึงเรียกกันวา ยูโครมาติน ซ่ึงเปนสวนที่มยีีนอยู

7. ทีโลเมียร (telomere) ทีโลเมียรเปนองคประกอบที่พบในทุกโครโมโซม จะอยูบริเวณปลายสุดของแขนโครโมโซม ถาบริเวณทีโลเมียรขาดไป จะทําใหโครโมโซมมีลักษณะเหนียวและเชื่อมติดกับโครโมโซมอื่นที่ปลายทีโลเมียรขาดไดงาย

ภาพที่ 2.9 โครงสรางและองคประกอบของโครโมโซม (ที่มา : http://mil.citrus.cc.ca.us/cat2courses/bio104/ChapterNotes/images/ch/jpg, 2547)

โครโมโซม (Chromosome) ตามปกติแลว รูปรางและจํานวนของโครโมโซม ของสิ่งมีชีวิตแตละชนิดจะคงที่ และจะเห็นไดชัดเจนที่สุดในระยะเมตาเฟส (metaphase) เพราะในระยะนี้โครโมโซมจะหดสั้นที่สุด และมีขนาดใหญกวาระยะอืน่ ๆ สวนรูปรางของโครโมโซม จะขึ้นอยูกับตาํแหนงของเซนโตรเมียร ซ่ึงเราสามารถแบงชนิดของโครโมโซมออกได 4 ชนิดดวยกัน (ภาพที่ 2.10)

1. ทีโลเซนทริค (telocentric) เปนโครโมโซมที่มีตําแหนงของเซนโตรเมียรอยูปลายสดุ ในระยะเมตาเฟส จะเห็นเปนรูปตัวไอ ( I-Shape)

2. อโครเซนทริค (acrocentric) เปนโครโมโซมที่มีตําแหนงของเซนโตรเมียรอยูถัดจากปลายเขามานดิเดียว จะเห็นโครโมโซมเปนรูปตัว ไอ เชนกัน หรือ

พันธุศาสตรโมเลกุลเบื้องตน (258444) ปการศึกษา 2/2547

กวี สุจิปุลิ14

3. สับเมตาเซนทริค (submetacentric) เปนโครโมโซมที่มีเซนโตรเมียรอยูคอนไปปลายใดปลายหนึ่ง จึงเห็นโครโมโซมเปนรูปตัว เจ (J-Shape)

4. เมตาเซนทริค (metacentric) ตําแหนงของเซนโตรเมียร อยูตรงกลางทําใหเห็นโครโมโซมเปนรูปตัววี (V-Shape)

ภาพที่ 2.10 ชนิดของโครโมโซมแบบตางๆ (ที่มา : http://mil.citrus.cc.ca.us/cat2courses/bio104/ChapterNotes/images/ch11/0215l.jpg, 2547)

ชนิดของโครมาติน การศึกษาโครโมโซมโดยใชเทคนิคการยอมแถบสี (banding) เพื่อจําแนกชนิดของ

โครโมโซมโดยพิจารณาจากการกระจายและการจัดเรียงตัวของโครมาตินในตําแหนงที่เฉพาะเจาะจง ซ่ึงสามารถจําแนกโครมาตินตามการติดสีเขมและสีจางของโครโมโซมในระยะอินเตอรเฟส (ภาพที่ 2.11) ได 2 ชนิด คือ

พันธุศาสตรโมเลกุลเบื้องตน (258444) ปการศึกษา 2/2547

กวี สุจิปุลิ15

1. ยูโครมาตนิ (euchromatin) เปนโครมาตินที่ติดสีจางในระยะอินเตอรเฟส มลัีกษณะผอม ยาว เสนผาศูนยกลางของยูโครมาติน มีขนาดประมาณ 40-70 A0 แตจะหดสั้นเขาและติดสีเขมในระยะทีม่ีการแบงเซลล บริเวณนี้จะเปนสวนของ DNA ที่มีการแสดงออกคือเกิดการคัดลอกเบส (traseciption) ไปเปน mRNA และไดผลผลิตคือโปรตีนในที่สุด หรืออาจกลาวไดวายูโครมาตินเปนบริเวณทีต่ิดแถบสีจางและเรียงกนัอยางเปนระเบยีบ เปนที่ตั้งของยีน (single copy DNA) จํานวนมากและเปนยีนที่ทําหนาที่สามารถแสดงออกไดโดยมีตําแหนงกระจายทั่วไปบนโครโมโซม ยกเวนตําแหนงใกลเซนโตรเมียร

2. เฮทเทโฮโครมาติน (heterochromatin) เปนโครมาตินที่หดสั้นมากตลอดวัฎจกัรของเซลล เสนผาศูนยกลางของเฮทเทโรโครมาตินมีขนาดประมาณ 200-300 A0 ในบริเวณนี้พบวาไมเกิดการคัดลอกเบสเลย เฮทเทโรโครมาติน หรือเปนที่ตั้งของยีนจํานวนนอยที่ทําหนาที่ (exon) สวนมากเปนยนีหรือดีเอ็นเอที่ไมทําหนาที ่ (intron) และมีตําแหนงใกลเซนโตรเมียร แบงออกไดเปน 2 ชนิดยอย ๆ คือ

2.1 เฮทเทโรโครมาตินชนดิชั่วคราว (facultative heterochromatin) โครมาตินที่บางครั้งโครโมโซมจะหดสั้นเขาและเกิดการหยดุการทํางาน (inactivation) เชน inactivation ของโครโมซม X ของเพศหญิง ตามปกติแลวเพศหญิงจะมีโครโมโซม X 2 ตัว และโครโมโซม X ตัวใดตัวหนึง่จะเกิดการหยดุทํางานขึ้นในระยะตนๆ ของขบวนการ เอมบริโอเจเนซิส และจะเกดิแบบสุม แตเมื่อเกดิกับโครโมโซม X ตัวใดแลวกจ็ะมกีารหยุดทํางานของโครโมโซม X ตัวนั้นไปตลอดชีวิต

2.2 เฮทเทโรโครมาตินชนดิถาวร (constitutive heterochromatin) เปนโครโมตินที่หดส้ันมากและไมมกีารทํางานของยีนตลอดวัฏจกัรเซลล มาตราวัดขนาดเล็ก เซนติเมตร (ซม, cm) มีขนาดเทากับ 0.4 นิ้ว มิลลิเมตร (มม, mm) มีขนาดเทากับ 0.1 cm

ไมโครเมตร (μm) มีขนาดเทากับ 0.001 cm

หรือ ไมครอน (μ)

นาโนเมตร (nm) มีขนาดเทากับ 0.001 μm

หรือ มิลลิไมครอน (mμ) อังสตรอม (A0) มีขนาดเทากับ 0.1 nm