การจัดตัวของ DNA สายเกลียวคู่ เป็น chromosome

บทความนี้เป็นบทความที่เคย reveiw ไว้สมัยเรียนป.โทปีแรก ก็เลยเอามาลงไว้ เผื่อจะเป็นประโยชน์กับเค้าบ้าง ดีกว่าปล่อยทิ้งไว้เฉยๆ 55

***คำเตือน : บทความนี้มีลิขสิทธิ์ทางปัญญา ผู้ใดคัดลอกไปโดยไม่ได้รับอนุญาติ อาจถูกดำเนินคดีตามกฏหมาย***

ในขณะที่แบคทีเรียมีเพียง chromosome เดียวหรือเป็น haploid (n=1) เซลล์พวก eukaryote จะมีโครโมโซมเป็นคู่ และมีจำนวนอย่างน้อยที่สุด 1 คู่หรือเป็น diploid (n=2) โดยทั่วไปแล้ว สิ่งมีชีวิตที่มีวิวัฒนาการสูงและซับซ้อนมากขึ้น มักมีสารพันธุกรรมมากขึ้น สารพันธุกรรมเหล่านี้จะกระจายอยู่ใน chromosome ขนาดต่างๆกัน สิ่งมีชีวิตต่างๆมีขนาดและจำนวน chromosome ที่แตกต่างกันด้วย อย่างไรก็ตาม ไม่ว่าจะมีปริมาณมากหรือน้อยก็ตาม สารพันธุกรรมที่มีอยู่ก็เพียงพอสำหรับเก็บรหัสพันธุกรรมทั้งหมดที่จำเป็นได้

ใน eukaryote chromosome แต่ละสายจะเป็นสายยาว (linear chromosome) โดยมีปลายทั้งสองข้างเรียกว่า telomere DNA นี้ไม่ได้อยู่เป็นอิสระ แต่จับอยู่กับ basic protein คือ histone เกิดเป็นสาย chromatin ซึ่งอาจเปลี่ยนรูปร่างไปได้ในระหว่างที่อยู่ใน cell cycle โดยในระยะ interphase ซึ่งประกอบด้วย G1, S และ G2 เป็นระยะที่เตรียมการต่างๆเพื่อการแบ่งเซลล์ในระยะ M (mitosis) เช่น การถอดรหัส การแปลรหัส การถ่ายแบบ DNA จะพบว่า chromatin มีลักษณะยืดขยายออก แต่ไม่สม่ำเสมอตลอดทั้ง chromatin ส่วนที่หนาแน่นกว่าและไม่ได้มีการถอดรหัส เรียกว่า heterochromatin ส่วนที่มีลักษณะหลวมๆเรียกว่า euchromatin ซึ่งเป็นส่วนที่มีการถอดรหัส ส่วนในระยะ M ซึ่งเซลล์มีการแบ่งตัว chromosome รวมตัวกันอยู่ในรูปอัดแน่นมากขึ้น โดยเฉพาะขั้น metaphase ที่พบว่า chromosome มีการอัดแน่นมากที่สุด

มนุษย์มี chromosome อยู่ 23 คู่ ซึ่งประกอบด้วย haploid (n) 2 ชุด แต่ละชุดมีขนาด 2.9 × 109 bp หากพิจารณาโครงสร้างของสายเกลียวคู่ DNA 10 คู่เบสมีความยาว 34 Aoหรือ 3.4 nm แล้ว DNA ของคน 1 ชุดควรจะมีความยาว 990 mm ดังนั้น chromosome แต่ละสายมีความยาวเฉลี่ยถึง 43 mm แต่ในระหว่างระยะ metaphase ซึ่ง chromosome มีอัตราการอัดตัว (packing ratio) สูงถึง 10,000 เท่า (43,000/4 = 10,750) จึงเป็นที่น่าสนใจว่า สาย nucleotide ทั้งหมดอัดตัวอยู่ใน nucleus ได้อย่างไร

Histone เป็นโปรตีนที่พบมากใน chromosome และเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดโครงสร้างของ chromosome histone เป็น basic protein ที่ประกอบด้วยกรดอะมิโนที่เป็นเบส ได้แก่ lysine และ arginine ถึง 20-30% histone ถูกจำแนกเป็นชนิดต่างๆตามความสามารถในการเคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้าเป็น H1, H2A, H2B, H3 และ H4 ซึ่งสามารถจับกับ DNA ได้ดี โดยอาศัยประจุบวกสร้างพันธะ ionic กับหมู่ phosphate ของ DNA ซึ่งมีประจุลบ โดยอาจสกัด histone แยกออกจาก chromatin ได้โดยใช้ NaCl เข้มข้นหรือกรดเจือจางไปทำลายพันธะนี้ และยังพบว่า histone ยังสามารถเกิด interaction ระหว่างกันได้ด้วย นอกจาก histone แล้ว ยังมีโปรตีนชนิดอื่นๆที่พบบน DNA อีกด้วย

ในเชิงวิวัฒนาการ histone ทุกชนิดถูกอนุรักษ์ไว้ดีมากเมื่อเทียบกับโปรตีนชนิดอื่น ในระหว่าง histone ทั้ง 5 ชนิดนี้พบว่า H2A, H2B, H3 และ H4 เป็นพวกที่เปลี่ยนแปลงน้อยมาก เช่น ในระยะเวลาถึง 600 ล้านปี H4 ซึ่งประกอบด้วยกรดอะมิโน 102 หน่วย มีอยู่เพียง 1 หน่วยเท่านั้นที่เปลี่ยนแปลงไป H4 จึงเป็นโปรตีนที่ถูกอนุรักษ์ไว้ได้ดีที่สุดเมื่อเทียบกับโปรตีนชนิดอื่นๆ แต่จะพบว่า ในระหว่างวิวัฒนาการ H1 จะมีการเปลี่ยนแปลงกรดอะมิโนมากกว่า histone ชนิดอื่น การที่ histone ถูกอนุรักษ์ไว้ได้ดีขนาดนี้สะท้อนให้เห็นถึงหน้าที่สำคัญต่อสิ่งมีชีวิต การเปลี่ยนแปลง histone เพียงเล็กน้อย อาจทำให้สิ่งมีชิวิตนั้นไม่สามารถมีชีวิตอยู่ได้

เป็นที่น่าสนใจว่า histone สามารถเปลี่ยนได้ด้วยปฏิกิริยาเคมี เช่น การเติมหมู่เมทิล (methylation) หมู่อะเซทิล (acetylation) หมู่ฟอสเฟต (phosphorylation) ซึ่งปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดบน arginine, histidine, lysine และ threonine ในตำแหน่งที่จำเพาะ ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของประจุบวกบน histone ทำให้ interaction ระหว่าง DNA เปลี่ยนไปด้วย

ในปี 1974 Roger D. Kornberg ได้เสนอความคิดโดยอาศัยข้อมูลจากการทำ X-ray diffraction จากภาพถ่ายกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน และจากการวัดอัตราส่วนของโมเลกุลของ histone ว่า chromatin ประกอบขึ้นจากหน่วยย่อยที่ซ้ำๆกัน แต่ละหน่วยประกอบขึ้นจาก DNA ประมาณ 200 คู่เบส H1 1 โมเลกุล และ H2A, H2B, H3 และ H4 อย่างละ 2 โมเลกุล โดย H2A, H2B, H3 และ H4 ทั้ง 8 โมเลกุลนี้ (octamer) จะจับกันเป็นแกน (core histone) ให้ DNA พันรอบ หน่วยย่อยที่ซ้ำๆกันนี้เรียกว่า nucleosome แต่ละ necleosome เชื่อมต่อกันด้วย linker DNA ซึ่งมีความยาว 8-114 bp ขึ้นกับชนิดของสิ่งมีชีวิต โดย linker DNA นี้ทำให้ chromatin มีอิสระที่จะบิดงอได้ โครงสร้างแบบนี้คล้ายสายลูกปัดจึงเรียกว่า bead on a string structure

ในการศึกษาโครงสร้างโครโมโซม มีการใช้ deoxyribonuclease I (DNase I) ซึ่งจะเร่งปฏิกิริยาการตัดสาย DNA พบว่าเมื่อใช้ deoxyribonuclease I DNA linker จะถูกสลายได้รวดเร็วกว่า DNA บริเวณอื่นของ nucleosome ทำให้ได้ท่อน chromatin ขนาดต่างๆกัน ซึ่งมี nucleosome อยู่
1, 2, 3…n หน่วย เมื่อนำ nucleosome อิสระเหล่านี้มาวิเคราะห์ พบว่า DNA ใน nucleosome มีขนาดประมาณ 200 bp แต่เมื่อบ่มกับเอนไซม์นี้ต่อไป DNA จะถูกสลายต่อไปจนเหลือขนาด 166 bp และเมื่อบ่มต่อไปอีก การสลายเกิดขึ้นได้ช้ามาก จนเมื่อ H1 หลุดออก DNA จึงถูกสลายสั้นลงเหลือเพียง 146 bp ผลการทดลองนี้สะท้อนให้เห็นถึงโครงสร้างของ nucleosome และแสดงให้เห็นว่า H1 จับกับ DNA อยู่ทางด้านนอกของ octamer

การเกิด nuclesome อาจมีปัจจัยอื่นมาช่วย เช่น nucleoplasmin ซึ่งเป็นโปรตีนที่เป็นกรดตัวหนึ่ง และเอนไซม์ topoisomerase I สามารถทำให้ nucleosome เกิดได้เร็วขึ้น เนื่องจาก nucleoplasmin มี interaction ได้ดีกับ histone จึงคาดว่า nucleoplasmin เป็นตัวนำ histone เข้าไปจับกับ DNA ส่วน topoisomerase I ทำหน้าที่ตัดต่อสาย DNA เพื่อปรับเปลี่ยนสภาพ superhelicity ของ DNA ซึ่งจะช่วยให้เกิดโครงสร้างของ nucleosome ได้ดีขึ้น และยังช่วยให้เกิดโครงสร้างระดับที่สูงขึ้นด้วย

จะเห็นได้ว่า การจัดตัวเป็น nucleosome ทำให้ DNA มีโครงสร้างที่หนาขึ้นและสั้นลง กล่าวคือ DNA 200 bp เมื่ออยู่ในโครงสร้างที่เหยียดตรง มีความยาว 680 Ao แต่เมื่ออยู่ในรูป nucleosome จะยาวเพียง 110 Ao นั่นคือ DNA มีการอัดตัว (packing ratio) ประมาณ 6-7 เท่า เนื่องจาก DNA ในระยะ interphase มีอัตราการอัดตัวถึงประมาณ 102-103 เท่า และในขั้น metaphase ซึ่ง chromosome อยู่ในสภาวะอัดแน่นที่สุด มีอัตราการอัดตัวสูงถึง 104 เท่า แสดงว่าการจัดตัวเป็น nucleosome เป็นเพียงการอัดตัวของ chromosome ในระดับต้นๆเท่านั้น chromosome ยังมีการจัดตัวในระดับที่ซับซ้อนมากขึ้นอีก

การทดลองพบว่า เมื่อเพิ่มความเข้มข้นของเกลือในสารละลายที่มีสาย nucleosome และ H1 สายนี้เริ่มพันตัวขึ้นเป็นโครงสร้างวกไปมา (zigzag) และเมื่อเพิ่มความเข้มข้นของเกลือจนเท่ากับความเข้มข้นที่เป็น physiological concentration พบว่า chromatin จะก่อตัวหนาขึ้น มีขนาดเส้นผ่าศุนย์กลาง 30 nm (300 Ao) A. Klug ได้อาศัย X-ray diffraction ของ chromatin เสนอแบบจำลองว่า chromatin ขนาด 30 nm (300 Ao) เกิดจากการพันตัวของ chromatin ขนาด 11 nm (110 Ao) หรือแบบสายลูกปัด (beads-on-a-string) ขึ้นเป็นรูป solenoid ซึ่งมี nucleosome ประมาณรอบละ 6 หน่วย และมีความห่างของแต่ละรอบเท่ากับ 11 nm โดย H1 เป็นปัจจัยที่ทำให้ solenoid เสถียรอยู่ได้ โดยแขนของมันยื่นไปสัมผัสกับ H1 ของ nucleosome ที่อยู่ข้างเคียง chromatin นี้มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 30 nm ซึ่งอาจเรียกว่า 30 nm fiber และมีอัตราการอัดตัวประมาณ 40 เท่า

เส้นใย 30 nm ถูกขดแน่นขึ้นไปอีก 2 ระดับ จนได้เป็น chromatid ในระยะ metaphase แต่กลไกที่ทำให้เกิดกระบวนการการขดตัวระดับตัวต่อๆไปยังไม่ชัดเจน อย่างไรก็ตามเมื่อเอา histone ออกจาก chromosome ในระยะ metaphase แล้วศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน จะเห็นโครโมโซมในลักษณะที่มีโครงโปรตีน (scaffold) อยู่ตรงกลาง ถูกล้อมรอบด้วย DNA ที่มีลักษณะที่เป็นห่วง (loop) กระจายอยู่โดยรอบเป็นจำนวนมาก แสดงให้เห็นว่า chromatin มีลักษณะเป็นห่วงเช่นกัน ห่วงนี้ก็คือ เส้นใย chromatin ระดับ 30 nm ที่จัดตัวเป็นห่วงติดอยู่กับโครงโปรตีน คาดว่าห่วง chromatin มีความยาวประมาณ 300 nm และโครงโปรตีนที่มีห่วง chromatin เรียงกันอยู่นี้อาจขดตัวซ้อนกันขึ้นอีกระดับหนึ่ง ได้เป็น chromatid ซึ่งมีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 700 nm มีหลักฐานอื่นๆชี้ให้เห็นว่า ในระยะที่ยังไม่มีการแบ่งเซลล์ ห่วง chromatin นี้เป็นส่วนที่ถูกถอดรหัสได้ และส่วนที่ยึดติดกับโครงโปรตีนอาจเป็นส่วนที่ไม่มีรหัสของโปรตีนอยู่ chromosome ระยะ metaphase ซึ่งประกอบด้วย chromatid 2 ท่อน ยึดติดกันตรงบริเวณ centromere มีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 1,400 – 1,500 nm ซึ่งเมื่อมีการแบ่งเซลล์ chromatid แต่ละท่อนจะถูกแยกออกจากกันไปอยู่ในแต่ละเซลล์

Chromosome ในระยะ metaphase สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ธรรมดาๆที่ใช้ในห้องปฏิบัติการทั่วไป โดยย้อม chromosome ด้วยสี Giemsa ซึ่งจะทำให้เห็นเป็นแถบสีเข้มในบริเวณที่มีคู่เบส A-T มาก chromosome แต่ละสายจะมีรูปแบบของแถบสีที่จำเพาะ และสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีรูปแบบของแถบสีแตกต่างกัน รูปแบบของแถบสีเรียกว่า karyotype กระบวนการย้อมเรียกว่า karyotyping หรือ G banding

กล่าวโดยสรุปคือ โมเลกุลของ DNA รวมกับโปรตีนมีการพันเกิดเป็นระดับของการพันตั้งแต่ระดับ DNA โมเลกุลจนถึงรูปร่างของ chromosome มีดังนี้
1. ระดับ beads on a string (ขนาด Ø 10 nm)
2. ระดับ solenoid (ขนาด Ø 30 nm)
3. ระดับ looing of solenoid attach to scaffold (ขนาด Ø 300 nm)
4. ระดับ scaffold coiling (ขนาด Ø 700 nm)
5. ระดับ looped supercoil หรือ metaphase chromosome (ขนาด Ø 1400 nm)

จาก DNA เป็นเส้นยาวคู่และมีการพันเกลียวกัน (DNA double helix) ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 2 nm จากนั้นโมเลกุลของ DNA จะพันก้อนหรือ core ของ histone protein ซึ่งประกอบด้วย 2 โมเลกุลของ histone ชนิด H2A, H2B, H3 และ H4 ซึ่งรวมเรียกก้อนที่ถูกพันนี้ว่า histone octamer (8 โมเลกุลของ histone) สายโมเลกุลของ DNA ที่พันรอบ histone octamer ในลักษณะเวียนซ้ายจำนวน 2 รอบ ใช้ความยาวของ DNA ที่พันรอบ 1 octamer เป็นจำนวน 146 bp รวมเรียกองค์ประกอบของ DNA กับ octamer นี้ว่า nucleosome ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของ nucleosome เป็น 10 nm โดยมี histone ชนิด H1 เป็นโมเลกุลรอบนอกของ nucleosome โปรตีน histone นี้ทำหน้าที่ติดหรือปิดสาย DNAซึ่งยาว 146 bp พันให้แน่นกับ histone octamer เกิดเป็น nucleosome core การพันของ DNA ให้เกิดเป็น nucleosome เกิดขึ้นเป็นระยะๆตลอดความยาวของสาย DNA เรียกช่วงสาย DNA ระหว่าง nucleosome ว่า DNA linker แต่ละ DNA linker ห่างกัน 60 bp เมื่อรวมส่วนของ DNA ที่พันไว้กับ histone octamer แล้วจะรวมเป็นความยาวของ DNA ขนาด 200 bp ที่ใช้ในแต่ละช่วงของ nucleosome ลักษณะของ nucleosome ต่อกันด้วย DNA linker นี้มีลักษณะเป็นเม็ดลูกปัดเรียงร้อยบนเส้นเชือก (beads on a string) โดยมีลูกปัดคือ nucleosome และเชือกคือสายของ DNA linker จากนั้นสาย nucleosome จะพันเกลียวอีกในลักษณะของ tubular coil โดยการใช้ 6 nucleosome พันให้เกิดเป็น 1 รอบของเกลียว ซึ่งเรียกว่า solenoid มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเป็น 30 nm จากนั้น solenoid ขดเป็นห่วงๆ (loop) โดยที่แต่ละห่วงจะเกาะติดไว้กับโปรตีน non histone ซึ่งเรียกชื่อว่า scaffold protein ในระยะนี้โมเลกุลของ chromatin จะมีเส้นผ่าศูนย์กลางเป็น 300 nm จุดแตะของห่วงกับโปรตีนจะมีความคงที่ตลอดความยาวของ DNA แล้ว chromatin ในระยะนี้จะมีการพันเป็นเกลียวอีกจนเกิดเป็นความหนาของแท่ง chromosome (ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 700 nm ใน 1 chromatid และ metaphase chromosome จะหนารวม 1400 nm) ระยะนี้เองที่สามารถมองเห็น chromosome ได้ชัดเจนภายใต้กล้องจุลทรรศน์ โดยที่ chromosome หดตัวมากที่สุดในระยะ metaphase ของการแบ่งเซลล์แบบ mitosis สำหรับห่วงที่เกิดจากการขดของ solenoid นั้น เรียกว่า chromatin fiber สามารถมองเห็นได้ในกล้องจุลทรรศน์ในระยะต้นๆของการแบ่งเซลล์ คือ ระยะ prophase

References

1. Klug W, Cummings, M. R. Chromosome structure and DNA sequence organization. Concepts of genetics. 2003;7:283-5.
2. Lodish H, Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D., Darnell, J. Organizing cellular DNA into chromosomes. Molecular cell biology. 1999;4 320-7.
3. สุนทรส ส. โครงสร้างของสายเกลียวคู่ DNA ชีวโมเลกุล. 2551;108-115.

***คำเตือน : บทความนี้มีลิขสิทธิ์ทางปัญญา ผู้ใดคัดลอกไปโดยไม่ได้รับอนุญาติ อาจถูกดำเนินคดีตามกฏหมาย***

Create Date : 07 เมษายน 2554 Last Update : 7 เมษายน 2554 17:07:21 น. Counter : 16297 Pageviews.		2 comments
Share Tweet