[หน้าแรก]

             บท10 เรื่อง เซลล์พันธุศาสตร์ (Cytogenetics)

             หัวข้อของบทเรียน
       ความผิดปกติด้านโครงสร้างของโครโมโซม
       - การขาดหายบางส่วนของโครโมโซม
       - การมีบางส่วนของโครโมโซมเพิ่มขึ้นจากเดิม
       - การหักและต่อสลับที่ของบางส่วนของโครโมโซมเดียวกัน
       - การสับเปลี่ยนของโครโมโซมคนละคู่
       ความผิดปกติของโครโมโซมด้านจำนวน
       - ยูพลอยดี้

       การเปลี่ยนแปลง หรือ ความผิดปกติของโครงสร้างและจำนวนโครโมโซม   อาจจะพบเห็นโดยทำการตรวจหาความผิดปกติของโครโมโซมได้ในระดับเชลล์ ซึ่งการศึกษาแบบนี้เรียกว่าเซลล์พันธุศาสตร์ โดยมีรายละเอียดดังนี้
1. ความผิดปกติด้านโครงสร้างของโครโมโซม (Chromosomal aberrations in structure)
     Darlington ให้นิยามคำว่า  "โครโมโซม (chromosome)" ว่า "The potentially linear order of the particles, chromomeres, or genes in the chromosomes." ดังนั้นโดยปกติโครโมโซมแต่ละอันย่อมมีขนาดและรูปร่างคงที่เสมอ การเปลี่ยนแปลงทางสันฐานของโครโมโซมอาจเกิดขึ้นได้  ถ้าสภาพแวดล้อมรอบๆ สิ่งที่มีชีวิตนั้น เกิดเปลี่ยนแปลงไป หรือเมื่อสิ่งที่มีชีวิตนั้นถูกกัมมันตภาพรังสี เช่น X-rays หรือสารเคมีบางอย่างเช่น mustard gas ทำให้เกิดความผิดปกติด้านโครงสร้างของโครโมโซมแบบต่างๆ ได้ดังนี้คือ                                                                                      [บน]
       1.1การขาดหายบางส่วนของโครโมโซม (Deletions หรือdeficiencies)
       1.2การมีบางส่วนของโครโมโซมเพิ่มขึ้นจากเดิม (Duplications)
       1.3การหักและต่อสลับที่ของบางส่วนของโครโมโซมเดียวกัน (Inversions)
       1.4การสับเปลี่ยนของโครโมโซมคนละคู่ (Translocations)
       การผิดปกติ 3 ชนิดแรกนั้น เกิดขึ้นกับโครโมโซมอันใดอันหนึ่งในชุดของโครโมโซม เพียง 1 แท่ง  ส่วน translocationนั้น จำนวนโครโมโซมที่เกิดการผิดปกติอาจมี 1 แท่ง หรือ ทุกแท่งก็ได้  การตรวจสอบการผิดปกติของโครโมโซมนี้ อาจทำให้ทั้งทาง cytology และทาง genetic หรือ cytogenetics การผิดปกติบางชนิดตรวจสอบได้ง่ายจากการสังเกตการเกาะกันของโครโมโซม ในขณะที่เซลล์ทำการแบ่งตัวในระยะ  metaphase และ anaphase ของ meiosis I
รายละเอียดความผิดปกติด้านโครงสร้างของโครโมโซมแต่ละแบบมีดังนี้
       1.1 การขาดหายบางส่วนของโครโมโซม (Deletions หรือ deficiencies)            [บน]
Deficiency หรือ deletion หมายถึง โครโมโซมที่ผิดปกติ  ซึ่งเกิดขึ้นจากการที่ส่วนหนึ่งของโครโมโซมขาดหายไป ส่วนที่หลุดขาดออกไปนี้ ถ้าเป็นส่วนที่ไม่มี centromere มักจะหลุดอยู่ใน cytoplasm เพราะไม่สามารถจะเคลื่อนตัวไปอยู่ที่ขั้วของเซลล์เหมือนอย่างปกติได้ ในระยะ anaphase ส่วนของโครโมโซมที่ขาดออกไปและไม่มี centromere นี้ เรียกว่า acentric fragment  การที่บางส่วนของโครโมโซมขาดหายไปนี้  ย่อมกระทบกระเทือนต่อการดำรงชีวิตของสิ่งที่มีชีวิตเป็นตัวอย่าง การเกิด Deletion แบบต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตแล้วทำให้เกิดความผิดปกติด้านโครงสร้างของโครโมโซม มีดังนี้
ตัวอย่าง gene deletion ในคนได้แก่ Cri du chat syndrome
       เด็กที่เป็น Cri du chat syndrome (cat cry syndrome)46,xx 5p- มีสาเหตุมาจาก deletion ที่แขนสั้นของโครโมโซมแท่งที่ 5(Photo Courtesy Dr. James German, New York Blood Center) เด็กที่เป็น Cri du chat syndrome มีความผิดปกติ ศีรษะเล็ก ร้องเสียงสูงคล้ายแมว  โตช้า ปัญญาอ่อน  ใบหน้าค่อนข้างกลม ใบหูอยู่ต่ำกว่าปกติ ตาเฉียง  อายุไม่ยืน



       นอกจากนี้ยังมีการเกิด deletion ของโครโมโซมที่ไม่มีเซนโตรเมียร์ (centromere) ทำให้เกิดเป็นโครโมโซมวงแหวน (ring chromosome)
ภาพที่ 1แสดงการเกิด  deletion และ ring chromosome
           ก.ปลายแขนโครโมโซมหัก ได้โครโมโซมชิ้นเล็ก และหายไป 
           ข.โครโมโซมหัก 1 แห่ง ภายในโครโมโซม เป็นชิ้นส่วนเล็กๆ และจะหายไป   
           ค.โครโมโซมหัก 2 แห่ง และปลายทั้ง 2 ข้างมาติดกันเป็น ring chromosome ส่วนของโครโมโซมที่ได้ถ้าเป็น acentric chromosome คือไม่มี centromere จะหายไปจากนิวเคลียสในระหว่างที่มีการแบ่งเซลล์
       1.2การมีบางส่วนของโครโมโซมเพิ่มขึ้นจากเดิม (Duplications)                       [บน]
       Duplication หมายถึง โครโมโซมที่ผิดปกติ อันเกิดจากการที่มีส่วนหนึ่งของโครโมโซมเพิ่มเติมขึ้ นมาจากสภาพปกติ ส่วนที่เพิ่มเติมขึ้นมานี้เรียกว่า duplicated segment ในสิ่งมีชีวิตที่มีจำนวนโครโมโซมเป็น diploid นั้น ยีนแต่ละยีนย่อมอยู่ในสภาพเป็นคู่หรือ 2 ชุด ถ้าหากยีนนั้นเกิดมี 3 ชุด ส่วนที่เกิน
มานั้นเรียกว่า duplication



       ผลของการเกิด duplication  ที่จะมีผลต่อการดำรงชีวิตของพืชและสัตว์นั้น โดยทั่วไปแล้ว duplication กระทบกระเทือนต่อความสามารถในการดำรงชีวิตของสัตว์และพืชน้อยกว่า deficiency เ พราะปรากฏว่าส่วนของโครโมโซมที่เกิด duplicate ขึ้นนั้น ถึงแม้จะมีความยาวพอสมควร ก็มิได้ทำให้สิ่งมีชีวิตได้รับอันตรายถึงชีวิตเหมือนอย่างพวก deficiency อย่างไรก็ตาม tandem duplication  อาจ ทำให้ phenotype ของสิ่งที่มีชีวิตเกิดเปลี่ยนแปลงเป็นชนิดใหม่ๆขึ้นได้ ดังเช่น ลักษณะ Bar Eye ของแมลงหวี่อันเกิดจาก effect ของ duplication การเปลี่ยนแปลงของ phenotype อันเกิดขึ้นเนื่องจาก  บนโครโมโซมเกิดมีการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของยีนที่ควบคุม phenotype นั้น effect ชนิดนี้เรียกว่า position effect



       1.3 การหักและต่อสลับที่ของบางส่วนของโครโมโซมเดียวกัน (Inversions)                [บน]
Inversion หมายถึง โครโมโซมที่ผิดปกติ อันเกิดขึ้นเนื่องจากโครโมโซมนั้นเกิดหัก และเมื่อโครโมโซมส่วนที่หักนั้นมาเชื่อมติดกับอันเดิม การเชื่อมติดสลับคนละด้านกันขึ้น ดังแสดงในภาพที่  4



ภาพที่ 4 แสดงการเกิด Inversion
Inversion อาจเกิดขึ้นในขณะที่โครโมโซมเกิดพันกันเป็นห่วง (loop) และเกิดหักตรงจุดที่พันกันนั้น และเมื่อส่วนที่หักจะเชื่อมติดกัน อาจเชื่อมผิดทางกันได้
Inversion นั้นจำแนกออกได้ 2 ชนิดด้วยกันคือ
     1.3.1Paracentric inversion
เป็น inversion ชนิดที่ส่วนของโครโมโซมที่กลับหัวหางกันนั้น ไม่ได้รวม centromere เข้าไว้ด้วย
     1.3.2Pericentric inversion
เป็น inversion ชนิดที่ส่วนของโครโมโซมที่กลับหัวหางกันนั้นรวมเอา centromere เข้าไว้ด้วย ดู ภาพที่ 5 และ 6





       1.4การสับเปลี่ยนของโครโมโซมคนละคู่ (Translocation)                                        [บน]
หมายถึงการโยกย้ายหรือแลกเปลี่ยนส่วนกันของโครโมโซมที่ไม่ใช่คู่เหมือน (non-homologous chromosomes) เกิดจากโครโมโซมเกิดหักแล้ว ส่วนที่หักไปต่อกับส่วนของโครโมโซมอีกแท่งที่มิได้เป็นคู่กัน  ทรานสโลเคชั่นจะตรงข้ามกับครอซซิ่งโอเวอร์ ซึ่งเป็นการแลกเปลี่ยนส่วนของโครโมโซมระหว่างโครโมโซมคู่เหมือน
       อาจแบ่งทรานสโลเคชั่นออกเป็น 2 ประเภท ตามจำนวนแท่งของโครโมโซม ที่แลกเปลี่ยนส่วนกัน คือ ซิมเพิล ทรานสโลเคชั่น (simple translocation) หมายถึงการโยกย้ายส่วนของโครโมโซมจากคู่ห นึ่งไปยังอีกคู่หนึ่งเพียงฝ่ายเดียวและรีซิโพรคัลทรานสโลเคชั่น (reciprocal translocation) ซึ่งหมายถึงการสลับส่วนต่อของโครโมโซมระหว่างโครโมโซม 2 คู่  แต่ละประเภทนี้ยังแบ่งย่อยเป็น 2 ชนิด  เช่น ป ระเภทหลังแบ่งเป็นเฮเทอโรไซกัส-รีซิโพรคัล-ทรานสโลเคชั่น (heterozygous reciprocal translocation) ซึ่งหมายถึงการแลกเปลี่ยนส่วนของโครโมโซมเพียงแท่งเดียวในแต่ละคู่และโฮโมไซกั ส-รีซิโพรคัลทรานสโลเคชั่น (homozygous reciprocal translocation) ซึ่งหมายถึงการแลกเปลี่ยนส่วนของโครโมโซมทั้ง 2 แท่งของทั้ง 2 คู่



       โดยทั่วไปรีซิโพรคัล ทรานสโลเคชั่นแบบเฮเทอโรไซกัสจะเกิดขึ้นบ่อยกว่าแบบโฮโมไซกัส  ซึ่งแบบหลังนี้การเข้าคู่กันของโครโมโซมในระหว่างการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสจะแนบสนิทตามความยาวปกติ แต่แบบแรกนั้นการเข้าคู่กันของโครโมโซมจะต้องอยู่ในรูปกากบาทจึงจะทำให้ทุกส่วนของโครโมโซมที่เหมือน (homologous) กัน เข้าคู่กันได้สนิท  ดังนั้น ถ้าเซลล์ที่เกิดทรานสโลเคชั่นแบบนี้เป็นเซลล์เพศ  เซลล์สืบพันธุ์ที่ได้จะเกิดขึ้นได้ 2 กรณี ดังต่อไปนี้



                                           รูปที่7 ชนิดต่างๆ ของทรานสโลเคชั่น





       รูปที่ 8 แสดงการเข้าคู่กันของโครโมโซมในระยะโพรเฟส-1 และประเภทของเซลล์สืบพันธุ์ที่ควรจะเกิดขึ้นหลังการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส I  เมื่อเซลล์สืบพันธุ์นั้นเป็นเฮเทอโรไซกัส-รีซิโพรคัลทรานสโลเคชั่น

       1.4.1 เกิดจากโครโมโซมที่อยู่สลับหรืออยู่ด้านทแยง (alternate) เคลื่อนไปยังขั้วเซลล์เดียวกันทำให้เซลล์สืบพันธุ์ทุกเซลล์มีส่วนของโครโมโซมครบถ้วนโดยที่ครึ่งหนึ่งของจำนวนเซลล์สืบพันธุ์จะมีส่วน ของโครโมโซมที่เกิดทรานสโลเคชั่น อีกครึ่งของจำนวนเซลล์สืบพันธุ์มีโครโมโซมปกติ และเนื่องจากเซลล์สืบพันธุ์ทุกเซลล์มีส่วนของโครโมโซมครบถ้วน (มียีนครบ) ดังนั้น ทุกเซลล์จึงปกติหรือเจริญพันธุ์ได้ (fertile) หรือสามารถผสมติดได้
       1.4.2เกิดจากโครโมโซมที่อยู่ประชิดหรือถัดจากกัน (adjacent) เคลื่อนไปยังขั้วเซลล์เดียวกัน ซึ่งยังอาจแบ่งเป็น 2 กรณีย่อยคือ โครโมโซมที่อยู่ด้านซ้ายแยกออกจากที่อยู่ด้านขวา (adjacent I) และก รณีที่โครโมโซมที่อยู่ด้านบนแยกออกจากที่อยู่ด้านล่าง (adjacent II) ซึ่งจะเห็นว่าเซลล์สืบพันธุ์ทุกเซลล์จะมีบางส่วนของโครโมโซมที่เกินหรือขาดไป (duplication deficiency) ทุกเซลล์ เซลล์เหล่านี้จึงไ ม่เจริญพันธุ์ (non-fertile) หรือเป็นหมัน (sterile)
       จากเหตุผลดังกล่าวข้างต้นจึงทำให้สิ่งมีชีวิต (โดยเฉพาะพบในพืชหลายชนิด) ที่มีเซลล์เพศที่มีเฮเ ทอโรไซกัส-รีซิโพรคัลทรานสโลเคชั่นเกิดขึ้นจะสร้างเซลล์สืบพันธุ์ที่ปกติเพียงบางส่วน (ประมาณ 1/3) คือมีลักษณะกึ่งเป็นหมัน (semi-sterility) เช่นในข้าวโพดพบว่า ข้าวโพดบางฝักมีการติดเมล็ดกระจัดกร ะจายไม่เต็มฝัก ในคนที่มีทรานสโลเคชั่นชนิดนี้เกิดขึ้นได้แก่กลุ่มอาการดาวน์ชนิดที่เรียกว่า "translocation Down syndrome" ซึ่งเกิดจากการสลับส่วนของโครโมโซมระหว่าง




       โครโมโซมคู่ที่ 14 (หรือ 15) กับคู่ที่ 21

       การเกิด Translocation แบบอื่น ๆ




2 ความผิดปกติของโครโมโซมด้านจำนวน (Chromosomal aberrations in chromosome number)                                                                                                                [บน]
       สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีจำนวน (และรูปร่าง) ของโครโมโซมคงที่ จำนวนโครโมโซมของสิ่งมีชีวิตอาจเ ปลี่ยนแปลงไปจากปกติได้ทั้งโดยธรรมชาติและโดยการชักนำของสารก่อการกลายพันธุ์  และเช่นเดียวกับการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างของโครโมโซมเราอาจตรวจสอบจำนวนโครโมโซมได้ง่ายทางเซลล์วิท ยา การเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซมไปจากปกติ  อาจเปลี่ยนแปลงเป็นชุด (set) ซึ่งเรียกว่า ยูพลอยดี้ (euploidy) หรืออาจเปลี่ยนแปลงไปเพียงบางส่วนของ 1 ชุด ซึ่งเรียกว่า แอนยูพลอยดี้ (aneuploidy)
กลไกการเกิดการเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซมโดยทั่วๆไป เกิดจากปรากฎการณ์ นอนดิสจังชั่น (nondisjunction) ในการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส (รูปที่ 9 ) ทำให้ได้เซลล์พันธุ์ที่มีโครโมโซมที่มีจำนว นผิดไปจากปกติ ซึ่งเมื่อผสมกับเซลล์สืบพันธุ์เพศตรงข้ามก็จะได้ไซโกตที่มีจำนวนโครโมโซมผิดไปจากปกติ
 

                 รูปที่  9 แผนภาพแสดงการเกิดนอนดิสจังชั่นในการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสเมื่อ
                       (ก) เกิดนอนดิสจังชั่นในระยะไมโอซิส-1
                       (ข) เกิดนอนดิสจังชั่นในระยะไมโอซิส-2
                         (จาก Suzuki, D.T. et. al., 1986)

       ยูพลอยดี้ (EUPLOIDY)                                                                                   [บน]
       ยูพลอยดี้ หมายถึง ภาวะที่มีจำนวนโครโมโซมเปลี่ยนแปลงไปเป็นชุด ซึ่งคำว่า "ชุด" ในที่นี้ตรงกับค ำว่า เบสิค-เซท (basic set) จำนวนโครโมโซมใน 1 เบสิค-เซท คือ "จำนวนโมโนพลอยด์" (monoploid number) = x เรียกสิ่งมีชีวิตที่มีจำนวนโครโมโซมเป็นจำนวนพหุคูณ (multiples) ของจ ำนวนโมโนพลอยด์ว่า ยูพลอยด์ (euploid) และเรียกสิ่งมีชีวิตที่มีจำนวนเบสิคเซทมากกว่าสองว่า โพลีพลอยด์ (polyploid) ดังนั้น สิ่งมีชีวิตที่มีจำนวนชุดของเบสิค-เซท = 1x จึงเป็นโมโนพลอยด์, 2x เป็นดิพ ลอยด์  และ > 2x เป็นโพลีพลอยด์ (ตารางที่ 1) สำหรับคำว่า "จำนวนแฮพลอยด์" (haploid number หรือ n) ที่ใช้กันโดยทั่วไปนั้น หมายถึง จำนวนโครโมโซมในแต่ละเซลล์สืบพันธุ์ ซึ่งจะเป็นครึ่งหนึ่งของโค รโมโซมทั้งหมดของเซลล์ในสัตว์ชั้นสูง (รวมทั้งคน) และพืชชั้นสูงส่วนมากที่เราคุ้นเคย ซึ่งจะมีจำนวนโครโมโซมเพียง 2 ชุด (2x) ดังนั้น จำนวนแฮพลอยด์และจำนวนโมโนพลอยด์ในสิ่งมีชีวิตชั้นสูงทั่วไปจึงเ ท่ากัน (n = x, 2n = 2x) สำหรับในข้าวสาลีซึ่งมีโครโมโซมทั้งหมด 42 แท่ง แต่มีโครโมโซมทั้งหมด 6 ชุด (6x) และมีจำนวนโครโมโซมในเซลล์สืบพันธุ์ (ละอองเรณูและไข่) 21 แท่งนั้น แสดงว่า 2n = 42 = 6x ดังนั้น n = 21 แต่  x = 7
โครโมโซมแต่ละชุดของโพลีพลอยด์ (รวมทั้งในดิพลอยด์) อาจมีแหล่งกำเนิดทางพันธุกรรมเหมือนหรือต่างกัน เรียกแหล่งกำเนิดหรือชนิดของชุดของโครโมโซมว่า "จีโนม" (genome)  ดังนั้นจึงอาจแบ่งโพลี พลอยดี้ออกเป็น 2 พวกตามชนิดของจีโนม (ตารางที่ 1) ดังต่อไปนี้              
       ก) ออโตโพลีพลอยดี้ (autopolyploidy) ซึ่งหมายถึงโพลีพลอยดี้ที่แต่ละชุดของโครโมโซมเป็นจีโนมชนิดเดียวกัน หรืออีกนัยหนึ่งเป็นจีโนมที่มาจากต้นกำเนิดของสิ่งมีชีวิตพรรณหรือชนิด (species) เดียวกัน และ
       ข) อัลโลโพลีพลอยดี้ (allopolyploidy) ซึ่งหมายถึง โพลีพลอยดี้ที่มีจีโนมต่างกันหรือมีต้นกำเนิดจากสิ่งมีชีวิตต่างชนิดกัน แต่ต้องเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีสารพันธุกรรมใกล้ชิดกันมาก และโดยทั่วไปพบว่าอย่างน้ อยต้องอยู่ในสกุล (genus) เดียวกัน เรียกโครโมโซมที่ไม่เหมือนกันทีเดียว แต่คล้ายกันมากในสิ่งมีชีวิตที่มีแหล่งกำเนิดใกล้ชิดกันเช่นนี้ว่า "homologous chromosomes"
ตัวอย่างชนิดของสัตว์ที่อยู่ต่างสกุลกันและผสมพันธุ์กันได้ ได้แก่ ม้ากับลา ซึ่งได้ลูกผสมคือ ล่อ แต่เป็นหมัน  ส่วนในพืชมีพบค่อนข้างบ่อยตัวอย่างเช่น การผสมกันของข้าวสาลีพันธุ์ป่า นอกจากนี้ยังอาจแบ่งโพ ลีพลอยดี้เป็นชนิดเลขคู่เช่น 4x, 6x, 8x และชนิดเลขคี่ 3x, 5x, 7x (ตารางที่ 10.1)
ภาวะโพลีพลอยดี้มักพบในพืช  ในสัตว์มีพบน้อยมากแสดงว่าสัตว์มักไม่สามารถทนทานต่อภาวะการขาด หรือเกินของโครโมโซมเป็นจำนวนมาก (เป็นชุด) ได้  ในสัตว์เท่าที่มีรายงานพบได้แก่  พวก 3x ในแมลงหวี่และในซาลาแมนเดอร์ (salamander) รวมทั้งในคนก็เคยมีรายงานว่าพบทารกตายในท้องมารดาตั้ งแต่อายุต่ำกว่า 3 เดือนที่เป็น 3x หรือ 4x พืชที่เป็นโพลีพลอยด์มักมีขนาด (ของดอก  ผล  ใบ  เซลล์ รูใบ  ฯลฯ)  ใหญ่กว่า มีผลผลิต รวมทั้งการสร้างสารหรือฮอร์โมนบางอย่างได้มากกว่าพันธุ์ที่เป็นดิพลอยด์ ตัวอย่างข้าวโพดพันธุ์ 4x มีวิตามินสูงกว่าพันธุ์ 2x ยาสูบ 4x มีสารนิโคทินสูงกว่าพันธุ์ 2x ต้นซูการ์บีท (sugar beet) พันธุ์ 3x มีขนาดหัวโตกว่าและปริมาณน้ำตาลมากกว่าพันธุ์ 2x

ตารางที่ 1การแปรปรวนของจำนวนโครโมโซมเป็นจำนวนชุด (euploidy) กำหนดให้ A และ
B เป็นชนิดของจีโนม ; a1 และ a2, b1 และ b2 เป็นชนิดของโครโมโซมของจีโนม A
และจีโนม B ตามลำดับ (กำหนดให้ 2n = 2x = 4)