บท3เรื่องการแบ่งเซลล์และนิวเคลียส ( Nucleus and Nuclear division)

                                                   [หน้าแรก] [หน้าปฏิบัติการ]

         หัวข้อของบทเรียน
       การแบ่งเซลล์
       ไมโตซิส
       ไมโอซิส
       - ไมโอซิส I
       - ไมโอซิส II
       คาริโอไทป์

     การแบ่งเซลล์                                                                           [บน]
        การแบ่งเซลล์แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ การแบ่งเซลล์ที่มีการแบ่งนิวเคลียสแบบไมโตซิส (mitotic cell division) และการแบ่งเซลล์ที่มีการแบ่งนิวเคลียสแบบไมโอซิส (meiotic cell division) ในการแบ่งเซลล์โดยทั่วไปประกอบด้วย 2 กระบวนการ คือ การแบ่งนิวเคลียส (karyokinesis) และการแบ่งไซโตพลาสซึม(cytokinesis) การแบ่งนิวเคลียสแบ่งออกเป็น 2 แบบ คือ ไมโตซิส (Mitosis) และ ไมโอซิส (Meiosis)

     ไมโตซิส  (Mitosis)                                                                   [บน]
       ไมโตซิส เป็นการแบ่งตัวของนิวเคลียสที่เกิดขึ้นกับเซลล์ร่างกาย (somatic cell หรือ vegetative cell) เพื่อให้มีจำนวนเซลล์เพิ่มขึ้น หรือทดแทนเซลล์ที่ตายไปจากเซลล์เดิม (mother cell) เมื่อสิ้นสุดการแบ่งเซลล์จะได้เซลล์ใหม่(daughter cell) 2 เซลล์ ที่มีส่วนประกอบทางพันธุกรรมซึ่งยังคงรักษายีโนไทป์ (genotype)  ให้เหมือนเดิมเหมือนเซลล์เริ่มต้นทุกครั้งไป  อาจจะมีความแปรผันเกิดขึ้นและทำให้เกิดความผิดพลาดทางพันธุกรรมที่แตกต่างจากลักษณะเดิมในอัตราที่ต่ำมาก เซลล์ร่างกายที่เกิดการแบ่งนิวเคลียสแบบไมโตซิสซึ่งพบในพืช ได้แก่ เซลล์ปลายราก ปลายยอด เนื้อเยื่อเจริญด้านข้าง (vascular tissue และ cork cambium) ส่วนในสัตว์ได้แก่ เซลล์เม็ดเลือด เซลล์ผิวหนัง เซลล์ประสาท เซลล์ลำไส้ ตับและไตเป็นต้น

        การแบ่งนิวเคลียสแบบmitosis ประกอบด้วย 4 ระยะ คือ prophase metaphase anaphase และ telophase

        ระยะ Prophase โครโมโซมมีลักษณะเป็นเส้นบางและยาว ประกอบด้วยโครมาติด 2 เส้นพันกัน และยึดติดกันที่ตำแหน่งเซนโตรเมียร์ (primary constriction or centromere region) โดยมีไคเนโตคอร์ (kinetochore)อยู่ตรงด้านข้างของแต่ละโครมาติด ขนาดของนิวคลีโอลัส  (บริเวณที่มีการสร้าง RNA)เล็กลง เยื่อหุ้มนิวเคลียสเริ่มสลาย

        ระยะ Metaphase โครโมโซมเห็นชัดเจนที่สุด มีขนาดหนาเป็นแท่งเพราะเกิดการขดม้วนหนาขึ้น(condensation) มาเรียงเป็นแถวตามแนวศูนย์กลางของเซลล์ (equatorial plane หรือ metaphase plate) ในเซลล์พืชพบว่า เส้นใยสปินเดิล (spindle) ซึ่งประกอบด้วยเส้นไมโครทิวบูล (microtubules)เป็นจำนวนมากยึดโครโมโซมที่ตำแหน่งเซนโตเมียร์ โดยที่แต่ละข้าง (individual sister centromere) มีแผ่นไคเนโตคอร์ (kinetochore)    ซึ่งสายไมโคทิวบูลสอดผ่านไคเนโตคอร์ไปยังแต่ละขั้วของเซลล์    ที่จุดปลายของแต่ละเส้นของไมโครทิวบูล มารวมกันเรียกบริเวณนี้ว่า  microtubule-organizing center (MTOC)

       ระยะAnaphaseโครมาติดแยกกันตรงตำแหน่ง เซนโตเมียร์  เนื่องจากเกิดการหดตัวของเส้นสปินเดิล แต่ละโครมาติดก็คือแต่ละโครโมโซม ซึ่งแต่ละโครมาติดนี้จะเคลื่อนที่ไปยังแต่ละขั้วของเซลล์

       ระยะTelophaseใน 1 เซลล์เห็น 2 นิวเคลียส โครโมโซมเป็นเส้นบาง เริ่มเห็นนิวคลีโอลัส เยื่อหุ้มนิวเคลียส และ cell plate

        การแบ่งไซโตพลาสซึมในเซลล์พืช ระยะที่เห็น cell plate ซึ่งเกิดขึ้นตรงกลางเซลล์ ขยายไปด้านข้างของผนังเซลล์เดิม ทำให้ไซโตพลาสซึมแบ่งแยกออกจากกัน และเห็น phragmoplastซึ่งเป็นส่วนของเส้นสปินเดิล ที่ยังคงค้างอยู่ตรงกลางเซลล์ แต่ในเซลล์สัตว์ จะคอดตรงกลางเป็นร่องแบบ furrow cleavage ในที่สุดจะได้เซลล์สองเซลล์ที่มีข้อมูลทางพันธุกรรมเหมือนกันทุกประการ เป็นการเพิ่มจำนวนเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ทำให้เกิดการเจริญเติบโตหรือซ่อมแซมเซลล์เดิม

     ไมโอซิส (Meiosis)                                                                    [บน]
        ไมโอซิส เป็นการแบ่งนิวเคลียสที่พบใน germ line cell ซึ่งเป็นกลุ่มเซลล์ที่จะไปสร้างเซลล์สืบพันธุ์(sex cell) มีการแบ่งนิวเคลียส 2 ครั้ง(Meiosis I และ Meiosis II) แต่มีการจำลองโครโมโซมเพียงครั้งเดียวในระยะS ของอินเตอร์เฟส เช่นเดียวกับไมโตซิส การแบ่งนิวเคลียสครั้งแรกจะมีการลดจำนวนโครโมโซมลงครึ่งหนึ่ง (reductional division) เป็นการแยกตัวของโครโมโซมที่อยู่เป็นคู่กันออกจากกัน ไปยังแต่ละขั้วของเซลล์ ส่วนการแบ่งนิวเคลียสครั้งที่สองมีพฤติกรรมที่คล้ายคลึงกับการแบ่งไมโตซิส เป็นการแยกตัวของโครมาติด (equational division) เมื่อสิ้นสุดการแบ่งตัวของนิวเคลียสและไซโตพลาสซึม จะได้เซลล์ใหม่ 4 เซลล์ที่มีจำนวนโครโมโซมเป็นครึ่งหนึ่งของเซลล์ร่างกาย และจะพัฒนาไปเป็นหน่วยสืบพันธุ์ (gamete) แต่ละหน่วยสืบพันธุ์ที่เกิดขึ้นมาจะมีลักษณะพันธุกรรม หรือยีโนไทป์ที่แตกต่างกัน อาจเป็นผลมาจากการเกิดครอสซิงโอเวอร์ (crossing over) ระหว่างโครโมโซมที่เป็นคู่กันของแต่ละไบวาเลนต์ (bivalent)กล่าวคือตำแหน่งของยีนบนโครโมโซมที่อยู่บนตำแหน่งเดียวกัน (1ตำแหน่งประกอบด้วย 2 อัลลีล ที่มียีนอยู่ในรูปheterozygote) มีการแลกเปลี่ยนยีนระหว่าง 2 ตำแหน่ง (2 loci) หลังจากเกิดการแลกเปลี่ยนส่วนของยีนระหว่างnonsister chromatids (recombinant combination) แล้วทำให้ได้โครโมโซมที่มีการจัดเรียงตัวของยีนที่เกิดจากการรวมกันของยีนใหม่ เกิดเป็นยีนที่แสดงลักษณะใหม่ ดังนั้น germ line cell ที่มีการแบ่งนิวเคลียสแบบไมโอซิสที่พบในอวัยวะสืบพันธุ์ของสิ่งมีชีวิตคือ อัณฑะ รังไข่ อับเรณูและโอวูล จึงมีการสร้างหน่วยสืบพันธุ์ที่เกิดขึ้นแตกต่างไปจากเดิม หากมีการรวมตัวของหน่วยสืบพันธุ์แบบใหม่ที่เกิดขึ้นจากฝ่ายพ่อและแม่ ทำให้ได้ไซโกตที่มีลักษณะใหม่ ทำให้ได้ยีโนไทป์แตกต่างจากพ่อและแม่โดยสิ้นเชิง เป็นต้น

        ขั้นตอนต่างๆ ในไมโอซิส ประกอบด้วย Meiosis I และ II ดังนี้

        Meiosis Iประกอบด้วยระยะต่างๆ คือ prophase I  metaphase I  anaphase I และ telophase I  ในระยะ prophase I ประกอบด้วยระยะย่อยรวมถึง 5 ระยะคือ leptotene zygotene  pachytene diplotene และ diakinesis โดยในแต่ละระยะมีการเปลี่ยนแปลงดังนี้

       Prophase I   

   - Leptotene เห็นโครโมโซมเป็นเส้นบางๆ ยังคงเห็นนิวคลีโอลัสและเยื่อหุ้มนิวเคลียส

   - Zygotene ยังคงเป็นโครมาติดเป็นเส้นบาง มีการจับคู่ของ homologous chromosomes ตลอดแนวความยาว ขั้นตอนนี้เรียกว่า synapsis ตัวอย่างเช่น หากเริ่มต้นจากเซลล์ 2n = 4 มี homologous pair อยู่ 2 คู่  แต่ละคู่มาจากโครโมโซมฝ่ายแม่ (maternal chromosome) 2 แท่ง และที่เหลือมาจากโครโมโซมฝ่ายพ่อ (paternal chromosome) ในระยะนี้จึงเห็นแต่ละ homologous pairs มี 4โครมาติด ซึ่งเรียกว่าไบวาเลนต์ หรือ tetrad ในระยะนี้จึงเห็นไบวาเลนต์อยู่หลายคู่ แต่ละไบวาเลนต์ที่มีการเข้าคู่ (synapsis) กัน จะมีโครงสร้างsynaptonemal complex ซึ่งเป็นโครงสร้างที่อยู่บริเวณด้านข้างระหว่างnonsister chromatids มาเข้าคู่กันจึงเป็นโครงสร้างช่วยยึดให้homologous ยึดติดกัน

   - Pachytene เส้นโครมาติดหดสั้นเข้า เริ่มการแลกเปลี่ยนพันธุกรรมระหว่างhomologous (nonsister chromatids) โดยการเกิด crossing over และเห็นจุด ไคเอสมา ที่เป็นจุดไขว้ระหว่าง nonsister chromatids

   - Diplotene  ระยะนี้โครโมโซมมีความหนา เพราะเกิดจากการขดม้วนให้หนาขึ้น (condensation) จากนั้น ไบวาเลนต์ผละแยกจากกัน โดยเริ่มจากตำแหน่งเซนโตเมียร์ แต่ยังติดกันอยู่ที่จุดไคเอสมา (chiasma) ไคเอสมา คือรอยไขว้ของ nonsister chromatids แสดงให้เห็นว่ามีการเกิดคลอสซิงโอเวอร์ขึ้น หากระยะระหว่างยีน 2 ตำแหน่ง มีระยะห่างระหว่างกันมาก จะเกิดการแลกเปลี่ยนของยีนได้มากกว่ายีนที่มีระยะห่างระหว่างยีนน้อยกว่า ในขณะที่มีการแลกเปลี่ยนยีนระหว่าง 2 ตำแหน่ง จะเกิดกระบวนการ breakage และ rejoining ของดีเอ็นเอ โดยอาศัยกิจกรรมของเอนไซม์ DNA topoisomerase II

   - Diakinesis เห็นไบวาเลนต์ชัดเจน ไคเอสมาเคลื่อนไปอยู่ที่ปลายของโครโมโซม (termainalization) นิวคลีโอลัสและเยื่อหุ้มนิวเคลียสเริ่มสลาย

       Metaphase I ระยะนี้ ไบวาเลนต์มาเรียงอยู่ตรงบริเวณศูนย์กลางเซลล์ (equatorial plane) โดยที่ตำแหน่งเซนโตรเมียร์ของแต่ละ homologous chromosome อยู่ตรงส่วนนอกสุดและหันไปยังขั้วของเซลล์ ส่วนไคเอสมาซึ่งมีบางส่วนของ homologous pair จะวางตัวอยู่ในแนวตรงกลาง ไม่เห็นนิวคลีโอลัสและเยื่อหุ้มนิวเคลียส แต่เห็นเส้นสปินเดิลโยงจากขั้วเซลล์ผ่านไคเนโตคอร์ของแต่ละโครมาติดที่เป็น homologous chromosome

       Anaphase I โครโมโซมที่เหมือนกันของแต่ละไบวาเลนต์ เริ่มผละจากกันไปยังขั้วของเซลล์ โดยที่โครโมโซมแต่ละโครโมโซมที่ผละจากกันนี้ประกอบด้วยสองโครมาติด

       Telophase I โครโมโซมคลายเกลียวเป็นเส้นบาง เยื่อหุ้มนิวเคลียสเริ่มเกิดขึ้น เกิด cell plate ระหว่างนิวเคลียสทั้งสอง ทำให้ได้สองเซลล์ที่ขนาดเท่ากัน โดยแต่ละเซลล์มีจำนวนโครโมโซมหนึ่งชุด จากนั้นเซลล์จะเข้าสู่ระยะ meiosis II

       Meiosis II                                                                             [บน]

        Interkinesis ระยะนี้ประกอบด้วยเซลล์ 2 เซลล์ ที่ได้จาก first meiotic division มีลักษณะคล้ายระยะ first telophase มาก แต่ไม่มีการจำลองตัวของโครโมโซม

       Prophase II โครโมโซมมีสองโครมาติดและแยกจากกัน แต่ยังยึดกันตรงตำแหน่งเซนโตรเมียร์เห็นเป็นรูปตัวX

       Metaphase II ไม่มีเยื่อหุ้มนิวเคลียสและนิวคลีโอลัส โครโมโซมพันเป็นเกลียว ทำให้มีความหนามากขึ้น (condensation) และเคลื่อนไปเรียงที่บริเวณศูนย์กลางของเซลล์ ในแนวตั้งฉากกับ Metaphase I

       Anaphase II ระยะนี้ โครมาติดแยกจากกันโดยการดึงของเส้นสปินเดิล (เกิดจากเส้นสปินเดิลหดตัว) ทำให้โครมาติด หมายถึง โครโมโซม 1 แท่ง ที่ประกอบด้วย 1 โครมาติด เคลื่อนไปสู่แต่ละขั้วของเซลล์

       Telophase II ระยะนี้มีสี่นิวเคลียส โครโมโซมค่อยๆ คลายเกลียวออก เห็นนิวคลีโอลัส เยื่อหุ้มนิวเคลียส และยังมีส่วนสปินเดิลเหลืออยู่บ้าง

        Cytokinesisเป็นการแบ่งไซโตพลาสซึม อาจเกิดครั้งเดียวหรือสองครั้ง โดยมี cell plate กั้นระหว่างนิวเคลียส ผลสุดท้ายได้สี่เซลล์ (quartet) ซึ่งแต่ละเซลล์มีจำนวนโครโมโซมลดลงครึ่งหนึ่งของจำนวนเดิม และองค์ประกอบของสารพันธุกรรมแต่ละเซลล์ไม่จำเป็นต้องเหมือนกัน

        ในพืชการแบ่งเซลล์แบบmeiotic cell division จะไม่ได้เซลล์สืบพันธุ์โดยตรง แต่ได้สปอร์ (meiospore) ซึ่งจะเจริญไปสร้างเซลล์สืบพันธุ์ภายหลัง

     คาริโอไทป์ (karyotype)                                                             [บน]

        เซลล์ร่างกายของสิ่งมีชีวิตโดยทั่วไปจะมีจำนวนโครโมโซมสองชุด(somatic chromosome number = 2n) เรียกว่า ดิพลอยด์ (diploid)ส่วนเซลล์สืบพันธุ์จะมีจำนวนโครโมโซมเป็นครึ่งหนึ่งของเซลล์ร่างกาย เรียกว่า แฮพลอยด์ (haploid) ในการศึกษาการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างและจำนวนโครโมโซมที่เกิดขึ้นในเซลล์ต่างๆ เป็นการศึกษาทางเซลล์พันธุศาสตร์ (cytogenetics) ก่อนอื่นต้องศึกษาลักษณะรูปร่างของโครโมโซมโดยอาศัยตำแหน่งเซนโตรเมียร์แบ่งออกได้4 แบบได้แก่

  (1) metacentric chromosome โครโมโซมที่มีตำแหน่งเซนโตรเมียร์อยู่กึ่งกลาง ทำให้แขนทั้งสองข้างของโครโมโซมมีความยาวเท่ากัน

  (2) submetacentric chromosome โครโมโซมที่มีตำแหน่งเซนโตรเมียร์ห่างจากกึ่งกลางออกไป ทำให้แขนทั้งสองข้างของโครโมโซมมีแขนสั้น (แขนข้างสั้นของโครโมโซมเรียกp) และแขนยาว (แขนข้างยาวของโครโมโซมเรียกq) ยาวไม่เท่ากัน

  (3) acrocentric chromosome โครโมโซมที่มีตำแหน่งเซนโตรเมียร์อยู่ใกล้ปลายข้างหนึ่ง ทำให้แขนทั้งสองข้างของโครโมโซมมีความยาวต่างกันมาก และอาจพบแขนด้านสั้นคอดแต่ตรงปลายโป่งเรียกว่า satellite

  (4) telocentric chromosome โครโมโซมที่มีตำแหน่งเซนโตรเมียร์อยู่ที่ปลายข้างหนึ่ง ทำให้มีแขนของโครโมโซมอยู่ทางฝั่งเดียวกัน

       เมื่อนำภาพเซลล์ที่ถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์ ซึ่งมีการแบ่งนิวเคลียสในระยะเมตาเฟส (metaphase) โครโมโซมมีขนาดใหญ่สั้น หนา และมีการกระจายของโครโมโซมดีมาจัดทำคาริโอไ ทป์ โดยนำเอาโครโมโซมที่เป็นคู่กัน (homologous chromosome) มาจัดเรียงกันตามลำดับ ไม่เฉพาะแต่ขนาดใหญ่ไปจนถึงขนาดเล็ก ยังรวมไปถึงการจัดเรียงลำดับรูปร่างของโครโมโซมจาก metacentric submetacentric acrocentric และ telocentric ตามลำดับ ดังนั้นการจัดลำดับโครโมโซมตามขนาดและรูปร่างแบบนี้เรียกว่า คาริโอไทป์