Unit 4 Continuity of life (12 hrs) 1. Reproduction &

Development 2 . Genetics 3 . Evolution

รายวชิา 2303105

General Biology

โดยผศ .ดร . มาลินี ฉัตรมงคลกลุ

เอกสารอ้างอิง 1. Campbell, N.A., Reece,

J.B. and Mitchell, L. G. 1999. Biology, 5th ed. Addison Wesley Longmann, Inc. California.2. วสิทุธิ์ ใบไม้ 2536 พนัธุ

ศาสตร์ ฉบบัปรบัปรุงใหม่ 3( ) เจา้พระยาระบบการพมิพ์ กรุงเทพฯ

Reproduction & Developmentการสบืพนัธุ ์(reproduction) หมายถึง

ความสามารถในการผลิตหน่วยสิง่มชีวีติท่ีเหมอืนตนเอง (like begets like)

การเจรญิ (development) หมายถึง การเติบโต (growth) และการเปลี่ยนแปลงท่ีเรยีกวา่ดิฟเฟอเรนทิเอชัน่ (differentiation)

เรื่องของการสบืพนัธุแ์ละการเจรญิเก่ียวขอ้งสมัพนัธกั์บวงจรชวีติ (life cycle) ของสิง่มชีวีติทกุชนิด

Reproduction แบง่ออกเป็น 1.Cellular reproduction

2. Organismic reprodution

Cellular reproductionวตัถปุระสงค์

1 . เซลล์ผลิตหน่วยท่ีเหมอืนตัวเองได้อยา่งไร

2. กระบวนการท่ีเกิดขึน้ 3 . ความสมัพนัธร์ะหวา่งโครงสรา้ง

และหน้าท่ี 4 . เน้นเรื่อง division of

eukaryotic cell

การแบง่เซลล์เป็นกระบวนการสบืพนัธุ ์เจรญิเติบโต และซอ่มแซม

คณุสมบติัของสิง่มชีวีติคือการสบืพนัธุ ์การสบืพนัธุม์ทัีง้แบบอาศัยเพศ (sexual reproduction) และแบบไม่อาศัยเพศ (asexual reproduction) การสบืพนัธุแ์บบอาศัยเพศเก่ียวขอ้งกับการรวมตัวกันของเซลล์สบืพนัธุ ์(gamete) ท่ีมาจากพอ่และแม ่ทำาใหไ้ด้เซลล์ท่ีเรยีกวา่โซโกต (zygote) ซึ่งจะเจรญิต่อไปเป็นลกูรุน่ใหมท่ี่มอีงค์ประกอบพนัธุกรรมแตกต่างไปจากพอ่และแม ่การสบืพนัธุ์แบบไมอ่าศัยเพศเป็นการเพิม่จำานวนของสิง่มชีวีติเพยีงอยา่งเดียว โดยตัวท่ีเกิดใหมม่อีงค์ประกอบทางพนัธุกรรมเหมอืนกับตัวเริม่ต้นทกุประการ

การสบืพนัธุแ์บบไมอ่าศัยเพศเก่ียวขอ้งกับการแบง่เซลล์แบบปกติ ท่ีเรยีกวา่ ไมโทซสิ (mitosis) (mitosis มาจากคำาวา่ mitos = สายใย หรอื เสน้โครโมโซม ) ซึ่งเป็นกระบวนการเพิม่จำานวนเซลล์ โดยท่ีเซลล์ใหมย่งัคงมีโครโมโซมเหมอืนเดิม และจำานวนเท่ากับเซลล์เริม่ต้น

การแบง่เซลล์แบบไมโทซสิ เป็นกระบวนการสบืพนัธุ์แบบไมอ่าศัยเพศในสิง่มชีวีติเซลล์เดียว เชน่ อมบีา สำาหรบัในสิง่มชีวีติหลายเซลล์พบการแบง่เซลล์แบบนี้ในการเจรญิเติบโต การสรา้ง และการซอ่มแซมเน้ือเยื่อ

The functions of cell division

(a) Amoeba :reproduction (b) Multicellular

organisms: growth and development

(c) Mature multicellular

organisms: renewal and repair of tissues

(a)

(c)

(b)

การแบง่เซลล์ในสิง่มชีวีติพวกโปรคารโิอต

พวกโปรคารโิอตมสีภาพเป็นเซลล์เดี่ยว ไมม่เียื่อหุม้นิวเคลียส ม ีDNA เพยีง 1 โมเลกลุรวมอยูกั่บและโปรตีนมีลักษณะเป็นวง เรยีกวา่ genophore มวีธิกีารสบืพนัธุแ์บบไมอ่าศัยเพศ เป็นแบบ binary fission ซึ่งมกีระบวนการดังน้ี เวลาท่ีจะมกีารแบง่เซลล์ genophore จะเคล่ือนตัวเขา้มาติดกับเยื่อหุม้เซลล์ เพื่อใชเ้ยื่อหุม้เซลล์เป็นท่ียดึ แล้วเริม่คลายตัวของ DNA และจำาลอง DNA ได้เป็น genophore 2 วง ซึ่งจะเคล่ือนยา้ยออกจากกันตามผิวของเยื่อหุม้เซลล์ ต่อจากนัน้เซลล์จะแบง่ตัวท่ีก่ึงกลางได้เป็น 2 เซลล์ แต่ละเซลล์ประกอบด้วย genophore 1 วง

เซลล์ของยูคารโิอต (eukaryotic cell)

ภายใน eukaryotic cell มีนิวเคลียสท่ีหุ้มด้วยเยื่อหุ้มนิวเคลียส นิวเคลียสเป็นศูนยค์วบคมุกิจกรรมต่างๆ ภายในนิวเคลียสม ีnuceolus และเสน้ใยขนาดเล็กท่ียอ้มติดสจีำาเพาะมากมายขดมว้นซอ้นกันเหมอืนรา่งแห เรยีกวา่ โครมาติน (chromatin) เสน้ใยโครมาตินประกอบด้วย DNA ท่ีพนัรอบโมเลกลุโปรตีน histone อยา่งมแีบบแผน และขดมว้นตัวหลายชัน้ ในชว่ง metaphase จะขดมว้นตัวแน่นท่ีสดุเป็นแท่งโครโมโซม

(a)

(b)

(c)

(d)

โครโมโซมของยูคาริโอต

แผนภาพแสดงโครงสรา้งของโครมาตินที่ประกอบด้วย DNA และ histone ท่ีขดมว้นตัวกันแน่นจนเห็นเป็นรูปรา่งของโครโมโซมชดัเจนในระยะ metaphasea) DNA รวมกับ histone 4 ประเภท เป็นโครงสรา้งท่ีเรยีกวา่ nucleosome แต่ละหน่วยจะต่อเขา้ด้วยกันด้วย histone อีกประเภทหนึ่งท่ีเรยีกวา่ H1 b) nucleosome รวมตัวกันเป็นสายยาว เรยีกวา่ chromatin fiberc) โครมาตินจะมว้นตัวอยูภ่ายในนิวเคลียสในสภาวะปกติ แต่ในเซลล์ท่ีมกีารแบง่ตัวสายโครมาตินจะมว้นตัวเองทบกันเป็นชัน้ๆอยา่งมรีะบบจนมีความหนามากขึน้d) โครโมโซมท่ีมคีวามแน่นมากท่ีสดุในชว่ง metaphase

Cellular reproduction (การสบืพนัธุข์องเซลล์)

การแบง่เซลล์ประกอบด้วย การแบง่นิวเคลียส (nuclear division หรอื karyokinesis) สลับกับการแบง่ไซโตพลาสซมึ (cytoplasmic division หรอื cytokinesis) ในกระบวนการแบง่นิวเคลียส ม ี 2 แบบ คือ ไมโทซสิ (mitosis) และไมโอซสิ (meiosis)

หมายเหต ุ คำาวา่ mitosis และ meiosis หมายถึงกระบวนการแบง่นิวเคลียสเท่านัน้ แต่คนมกัเรยีกผิดเป็นการแบง่เซลล์จงึเป็นท่ีเขา้ใจวา่ หมายถึง การแบง่เซลล์แบบไมโทซสิ (mitotic cell division) และการแบง่เซลล์แบบไมโอซสิ (meiotic cell division)

The Cell CycleThe continuity of life is based on the reproduction of cells, or cell division

การแบง่เซลล์ : โครโมโซม (สเีหลือง ) และ microtubules (สแีดง)

The cell cycle หมายถึงวงจรชวีติเซลล์ท่ีเริม่จาก

เซลล์เดิม 1 เซลล์ผ่านกระบวนการแบง่เซลล์จนเสรจ็สิน้สมบูรณ์ได้เซลล์

ใหม่ 2 เซลล์ ประกอบด้วย 2 ชว่ง คือ

1. Interphase2. M phase

Interphase• เป็นชว่งท่ียาวท่ีสดุใน cell cycle ชว่งน้ีสงัเกตเห็น

นิวเคลียสได้ชดัเจนท่ีสดุ ซึง่ภายในจะบรรจุด้วยรา่งแห ของเสน้ใย chromatin ขนาดเล็กยาวและบางเต็มไป

หมด

• มกีระบวนการ metabolism และกิจกรรมต่างๆ ของเซลล์มากท่ีสดุ เพราะเป็นชว่งท่ีมกีารเตรยีมสะสม

วตัถดิุบท่ีจำาเป็นสำาหรบัการสงัเคราะห์สารต่างๆ รวมทั้ง การสรา้ง organelles ด้วยเพื่อเตรยีมพรอ้มสำาหรบั

การแบง่เซลล์

• มกีารจำาลองแบบ DNA และโครโมโซมจาก 1 เป็น 2 โดยแต่ละหน่วยมอีงค์ประกอบเหมอืนกันทกุประการ

• ชว่งเวลาท่ีอยูใ่นระยะ interphase แตกต่างกันแล้ว แต่ชนิดของเซลล์ เซลล์ท่ีอยูใ่นสภาวะกำาลังเติบโต และ

ต้องการแบง่ตัวเพิม่จำานวนเซลล์ จะมี interphase ท่ีactive และมกีารเตรยีมพรอ้มเสมอ

• เซลล์ประสาท และเซลล์กล้ามเนื้อจะอยูใ่นสภาพinterphase ไป ตลอดชวีติ

interphase แบง่ออกเป็น 3 ระยะ คือ (1) ระยะ G1 (first gap) เป็นระยะท่ีต่อเน่ืองจากการแบง่เซลล์เรยีบรอ้ยแล้ว เป็นระยะท้ิงชว่ง ก่อนท่ีจะมกีารจำาลองแบบโครโมโซมขึน้มาใหมอี่ก นิวเคลียสในระยะน้ีมปีรมิาณ DNA เท่ากับเซลล์รา่งกายทั่วไป(2) ระยะ S (synthesis) ต่อเน่ืองจาก G1 โดยเริม่มกีารสงัเคราะห์ DNA เพื่อสรา้งจำาลอง DNA และโครโมโซม เมื่อเสรจ็สิน้แล้วโครโมโซม

1 แท่ง จะประกอบด้วย 2 sister chromatids ซึง่ยดึติดกันด้วย centromere(3) ระยะ G2 (second gap) เป็นระยะพกัอีกชว่งหน่ึง ก่อนท่ีจะเริม่มกีารแบง่นิวเคลียส ในระยะน้ีนิวเคลียสมปีรมิาณ DNA เป็น 2 เท่าของเซลล์รา่งกาย

เมื่อเสรจ็สิน้ G2 แล้ว จะต่อด้วย M phase

M phase ประกอบด้วย 1( ) mitosis เป็นชว่งแบง่

นิวเคลียส จะดำาเนินไปอยา่งต่อเน่ือง แบง่ออกเป็นระยะยอ่ยได้ 4 ระยะ ตามลำาดับ ได้แก่ prophase, metaphase, anaphase และ telophase อันเป็นผลให้คู่ chromatid ในโครโมโซมแต่ละแท่งแยกออกจากกันไปอยูข่ัว้ตรงขา้มของเซลล์ และเกิดมเียื่อหุ้มนิวเคลียสล้อมกลุ่มโครโมโซมชุดใหมทั่้ง 2 ชุดนัน้

2( ) cytokinesis เป็นชว่งแบง่ไซโตพลาสซมึ หลังจากนัน้จะได้ 2 เซลล์ท่ีเหมอืนกันทกุประการ แต่ละเซลล์จะเริม่เขา้สู ่G1 ใหม่อีกครัง้หนึ่ง

The mitotic cell cycle วงชวีติเซลล์แบบไมโท

ซสิ แบง่ออกเป็น 2ชว่ง คือ mitotic (M) phase สลับกับ interphase ในชว่งแรกของ interphase คือ G1 ต่อกับ S phase เป็นชว่งท่ีโครโมโซมจำาลองตัวเอง และชว่งสดุท้าย คือ G2 M phase แบง่เป็น 2 ชว่ง ได้แก่ mitosis เป็นชว่งแบง่นิวเคลียสซึ่งเป็นชว่งท่ีโครโมโซมถกูถ่ายทอดไปสูนิ่วเคลียสใหมทั่ง้สอง และต่อด้วย cytokinesis ซึ่งเป็นการแบง่ไซโตพลาสซมึ ทำาใหไ้ด้เซลล์ใหม ่ 2 เซลล์

โครโมโซมของยูคารโิอตจำาลองตัวเอง ประกอบด้วย

2 sister chromatids ซึ่งยดึติดกันตรง centromere แต่ละ sister chromatid จะมีองค์ประกอบเหมอืนกันทกุประการ ขณะแบง่เซลล์แบบไมโทซสิ chromatids ทัง้ 2 จะแยกออกจากกันไปสู่แต่ละเซลล์ใหม่

โครโมโซมจำาลองตัวเองและแยกออกจากกันไประหวา่งไมโทซสิ

โครงสรา้งของ mitotic chromosome

รูปท่ีเหน็น้ีคือ โครโมโซมจาก scanning electron microscope ซึ่งมองดมูลัีกษณะเป็นขนๆยื่นออกมา เนื่องจากโครมาตินสายยาวมว้นและหดตัวเป็นแท่งโครโมโซม chromatids ทัง้ 2 สายถกูยดึใหติ้ดกันตรง centromere ซึ่งบรเิวณ centromere น้ีมโีปรตีนท่ีอัดกันแน่น เรยีกวา่ kinetochore ทำาหน้าท่ีเป็นจุดยดึสาย spindle fiber เพื่อทำาใหโ้ครโมโซมเคล่ือนท่ีได้ในกระบวนการแบง่เซลล์

KinetochoreCentromere

Chromatids

The stages of mitotic cell division in an animal cell

The stages of mitotic cell division in an animal cellG2 ของ Interphase

ในชว่งนี้สงัเกตเหน็นิวเคลียสได้ชดัเจน ภายในนิวเคลียสม ี 1 หรอื 2 nucleoli และมเีสน้ใย chromatin ขนาดเสน้บางและยาวซึ่งในชว่งนี้ได้มกีารจำาลองตัวเองเรยีบรอ้ยแล้ว ภายนอกนิวเคลียสม ีcentrosome 2 อัน ซึ่งได้แบง่ตัวเพิม่ขึ้นมาก่อนแล้ว ภายใน centrosome ม ีcentrioles 1 คู่ และม ีmicrotubules ยื่นออกมา เรยีกวา่ asterProphase

Chromatin จะมว้นหดตัวมากขึ้นเป็นรูปรา่งโครโมโซม แต่ละโครโมโซมประกอบด้วย 2 สายของ sister chromatids nucleolus จะสลายตัวไป ในไซโตพลาสซมึเริม่มกีารสรา้ง spindle fiber centrosome แยกออกจากกัน Prometaphase

โครโมโซมมว้นตัวหดสัน้มากท่ีสดุ ตรงบรเิวณ centomere มโีปรตีน kinetochore เกิดขึ้น เยื่อหุม้นิวเคลียสจะสลายตัวไป ทำาให ้spindle fiber ผ่านบรเิวณนิวเคลียสโยงระหวา่งขัว้ได้ kinetochore microtubules ยดึติดกับโครโมโซมตรง kinetochore และดึงใหโ้ครโมโซมเคล่ือนท่ี

Metaphasecentrosome เคล่ือนมาอยูด่้านตรงขา้มของเซลล์

kinetochore microtubules ดึงโครโมโซมใหม้าเรยีงกันอยูต่รงกลาง โดย centromere มาเรยีงกันในแนว metaphase plate หรอื equatorial plate ซึ่งตัง้ฉากกับแนวของ spindle fiberAnaphase

เป็นระยะท่ีโครโมโซมใหมทั่ง้คู่แยกออกจากกันเขา้สูข่ัว้ตรงขา้มอยา่งรวดเรว็ โดยการทำางานของ spindle fiber Telophase และ cytokinesis

เป็นระยะท่ีโครโมโซมใหมแ่ต่ละสายเคล่ือนท่ีเขา้สูแ่ต่ละขัว้ของเซลล์ และเริม่คลายตัวกลายเป็น chromatin ในขณะเดียวกันเกิดเยื่อหุม้นิวเคลียสล้อมรอบโครโมโซมทัง้สองชุด เกิดเป็น 2 นิวเคลียส ซงึต่างก็มอีงค์ประกอบและสมบติัเหมอืนกัน ในขณะเดียวกันมกีารแบง่ไซโตพลาสซมึโดย cytokinesis ในเซลล์สตัว ์

Mitotic spindle ระหวา่ง prophase : mitotic spindle

สรา้งจาก microtubules รวมกับ proteinspindle microtubules• ประกอบด้วยหน่วย และtubulin• ยาวขึน้โดยเพิม่หน่วย tubulin ท่ีปลายขา้งหน่ึง• microtubules รวมกันเรยีก spindle fiber ซึง่มองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ จุด

เริม่ต้นอยูท่ี่ centrosome• ในเซลล์สตัวต์รงกลางของ centrosome มีcentrioles อยู่ แต่ไมไ่ด้เป็นสิง่จำาเป็นในการแบง่เซลล์

Mitotic spindle at metaphase

Testing a hypothesis for chromosome migration during

anaphase(a) ในการทดลอง

1 microtubules ของเซลล์ท่ีกำาลังแบง่ถกูยอ้มด้วยสเีรอืงแสง 2. ในระยะ early anaphase นักวจิยัทำาเครื่องหมายบรเิวณ kinetochrore microtbules โดยใชแ้สงเลเซอรก์ำาจดัสเีรอืงแสงออกไป แต่ microtubules ยงัทำาหน้าท่ีได้เหมอืนเดิม 3 . ต่อมาระยะ late anaphase โครโมโซมถกูดึงใหเ้คล่ือนท่ีออกจากกัน microtubules ด้านท่ียดึติดกับ kinetochore สัน้ขึ้น ขณะท่ีด้านท่ียดึติดกับ centrosome ยาวเท่าเดิม ดังนัน้การทดลองสนับสนุนสมมุติฐานในขอ้ (b)

b) โครโมโซมถกูดึงใหเ้คล่ือนท่ีด้วย microtubules โดยเกิดการแตกตัว (depolymerization) โมเลกลุของ tubulin ของ kinetochore microtubules ท่ีบรเิวณ kinetochore

Cytokinesis ในเซลล์สตัว์

รูป scanning electron microscope แสดงรอยคอดท่ีเยื่อหุม้เซลล์บรเิวณตรงกลางของเซลล์ท่ีกำาลังแบง่ตัว โดยภายในเซลล์ตรงบรเิวณท่ีเกิดรอยคอด microfilament มารวมกันเกิดเป็นวง (contracting ring) เกิดแรงหดตัวของ actin กับ myosin ทำาใหเ้ยื่อหุม้เซลล์เกิดเป็นรอยคอด รอยคอดจะรดัเขา้มากขึ้นจนไซโตพลาสซมึถกูแบง่แยกออกจากกันและกลายเป็นเซลล์ใหม ่ 2 เซลล์

cytokinesis ในเซลล์พชื

รูป transmission electron microscope ของระยะ telophase ของเซลล์พชื จะเหน็วา่ vesicles จาก Golgi apparatus มารวมกันตรงจุดกลางเซลล์ และขยายยาวออกเป็นโครงสรา้งท่ีเรยีกวา่ cell plate ซึ่งจะเจรญิเป็นผนังเซลล์ของแต่ละเซลล์ต่อไป

Mitosis in plant cell (จากรากหอม)

สมมุติฐานเก่ียวกับววิฒันาการการแบง่เซลล์แบบไมโทซสิ

การแบง่เซลล์แบบไมโทซสิเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นในพวกยูคารโิอต สำาหรบัพวกโปรคารโิอตท่ีม ีgenome ขนาดเล็กกวา่มาก สบืพนัธุโ์ดยกระบวนการง่ายๆ ที่เรยีกวา่ binary fission ดังกล่าวมาแล้ว เมื่อเกิดมวีวิฒันาการเป็นพวกยูคารโิอตซึ่งม ีgenome ขนาดใหญ่กวา่ นักวทิยาศาสตรเ์ชื่อวา่กระบวนการ binary fission ได้เกิดววิฒันาการเป็นการแบง่เซลล์แบบไมโทซสิ โดยศึกษาพบวา่มสีิง่มีชวีติพวกยูคารโิอตบางชนิด เชน่ dinoflagellate และ diatom มกีารแบง่เซลล์ที่เป็นแบบก่ึงกลางระหวา่ง binary fission กับ การแบง่เซลล์แบบไมโทซสิในพชืและสตัว์

สมมุติฐานเก่ียวกับววิฒันาการการแบง่เซลล์แบบไมโทซสิ(a) การแบง่เซลล์แบบ binary fission

ของแบคทีเรยี: genophore ติดอยูท่ี่เยื่อหุม้เซลล์ เมื่อเซลล์ยาวขึ้น genophore ถกูดึงใหแ้ยกออกจากกัน(b) การแบง่เซลล์ของพวก dinoflagellate: โครโมโซมจำาลองตัวเองและติดอยูท่ี่เยื่อหุม้นิวเคลียส microtubules ผ่านเขา้ไปในนิวเคลียสทำาหน้าท่ียดึนิวเคลียส และภายในนิวเคลียสมกีารแบง่ตัวคล้ายกับของแบคทีเรยี (c) การแบง่เซลล์ของพวก diatom: เยื่อหุม้นิวเคลียสยงัอยู ่มmีicrotubules ภายในนิวเคลียสทำาหน้าท่ีดึงโครโมโซมใหแ้ยกออกจากกัน และนิวเคลียสแบง่เป็น 2 อัน(d) ในพวกยูคารโิอตอ่ืนๆ รวมทัง้พชืและสตัว:์ microtubules หรอื spindle fiber อยูภ่ายนอกนิวเคลียส เยื่อหุม้นิวเคลียสสลายไปขณะเกิดไมโทซสิ microtubules ดึงโครโมโซมใหแ้ยกออกจากกัน แล้วเยื่อหุม้นิวเคลียสถกูสรา้งขึ้นมาใหมอี่ก

(a)

(b)

(c)

(d)

Regulation of the cell cycle (การควบคมุวงชวีติเซลล์)

เซลล์แต่ละชนิดจะมแีบบแผนของวงจรชวีติเซลล์แตกต่างกัน เชน่

-เซลล์ท่ีผิวหนังแบง่ตัวตลอดเวลา-เซลลืท่ีตับจะไมแ่บง่ตัว แบง่เฉพาะเมื่อมี

บาดแผล-เซลล์ประสาทและเซลล์กล้ามเน้ือไมแ่บง่ตัว

เลย

ปัจจยัท่ีควบคมุการแบง่เซลล์ ได้แก่ 1. การจำาลองตัวเองของ DNA นัก

วทิยาศาสตรม์สีมมุติฐานวา่ เมื่อโครโมโซมจำาลองตัวเองใน S phase จะทำาให้เกิดการเติบโตของเซลล์ในระยะ G2 ซึง่อาจกระตุ้นให้เซลล์แบง่ตัว

2. สารเคมบีางอยา่งท่ีอยูใ่นไซโตพลาสซมึ ตัวอยา่งเชน่ เซลล์ 2 เซลล์ท่ีอยูใ่นระยะต่างกัน แต่เอามารวมกันเป็นเซลล์เดียวท่ีม ี 2นิวเคลียส ถ้าเซลล์หน่ึงอยูใ่นระยะ M phase และอีกเซลล์หน่ึงอยูใ่นระยะ G1 นิวเคลียสของเซลล์ท่ีสองจะเขา้ระยะ M phase ทันที ซึง่ถกูกระตุ้นโดยสารเคมท่ีีอยูใ่นเซลล์แรก

Evidence for cytoplasmic chemical signals in cell-cycle regulation

3 . ในชว่งวงจรชวีติเซลล์ม ีcheckpoint 3 แห่งด้วยกันซึง่เป็นสญัญาณวา่เซลล์จะ

แบง่ตัวหรอืไม ่ได้แก่ G1, G2 และ M checkpoint

3.1 G1 checkpoint ในสตัวเ์ลี้ยงลกูด้วยนมดเูหมอืนจุดนี้จะสำาคัญ ถ้าเซลล์ผ่านจุดนี้ไปได้เซลล์จะมกีารแบง่ตัว ถ้าไม่ผ่านจะเขา้สู ่Go phase ซึง่เซลล์สว่นใหญ่ในรา่งกายจะอยูท่ี่ระยะน้ี เชน่เซลล์ประสาทและเซลล์กล้ามเน้ือ แต่เซลล์ตับซึง่ปกติไมแ่บง่ตัว แต่ถ้าได้รบับาดเจบ็จะสามารถแบง่ตัวได้อีก เนื่องจากมปีัจจยัอ่ืนกระตุ้น เชน่ growth factor ท่ีหลัง่ออกมาขณะได้รบับาดเจบ็

3.2 The molecular basis of the cell cycle control system: control at the G2 checkpoint

ขัน้ตอนต่างๆของวงชวีติเซลล์ถกูควบคมุโดยปฏิกิรยิาของเอนไซม ์protein kinases ท่ีเปล่ียนแปลงไประหวา่งวงชวีติเซลล์ เอนไซม์เหล่าน้ีเรยีกวา่ cyclin-dependent kinase (Cdks) เน่ืองจากวา่มนัจะทำางานได้เมื่อรวมอยู่กับ cyclin เท่านัน้ ซึง่ cyclin เป็นโปรตีนท่ีถกูสรา้งขึน้ระหวา่ง interphase ในวงชวีติเซลล์ ในท่ีน้ีจะกล่าวถึงเฉพาะ Cdk-cyclin complex ท่ีเรยีกวา่ MPF (M-phase promoting factor) เท่านัน้ MPF ทำาให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจาก interphase สู ่mitosis เชน่ การหดตัวมากขึน้ของโครโมโซม การสลายตัวของเยื่อหุ้มนิวเคลียส และการเกิด spindle fiber เป็นต้น

(a) กราฟแสดงปฏิกิรยิาของ MPF ซึ่งเปล่ียนแปลงไปตามปรมิาณของ cyclin ในเซลล์ cyclin จะถกูสงัเคราะหข์ึ้นและสะสมเพิม่มากขึ้นในระยะ interphase (G1, S และ G2 phase) จนมปีรมิาณสงูสดุและลดลงในระหวา่ง M phase ปฏิกิรยิาของ MPF จะสงูสดุเมื่อมปีรมิาณ cyclin มากเพยีงพอ สว่น Cdk จะมปีรมิาณคงท่ี (ไมไ่ด้แสดงในท่ีน้ี)

The molecular basis of the cell cycle control system: control at the G2 checkpoint

1( ) ท่ี G2 checkpoint (ขดีสีแดง ) มปีรมิาณ cyclin มากเพยีงพอท่ีจะผลิต MPF(2) MPF กระตุ้นใหเ้กิด mitosis โดยกระตุ้นโปรตีนหลายชนิดและเอนไซมต่์างๆด้วย

(3 ) ผลของการทำางานของ MPF อีกอยา่งหนึ่งคือสดุท้ายจะสลาย cyclin ไป

(4 ) สว่น Cdk ซึ่งเป็นอีกสว่นประกอบหนึ่งของ MPF จะคงอยูแ่ละสามารถนำากลับมาใชใ้หม่ได้ เมื่อ cyclin มปีรมิาณเพิม่ขึ้นอีก

(b)

33. M checkpoint : ปัจจยัภายในเซลล์ : message from the kinetochore

ระยะ anaphase ซึง่เป็นระยะท่ีแยก sister chromatids ออกจากกัน จะไมเ่กิดขึน้นอกจากทกุโครโมโซมจะม ีspindle fiber มาเกาะ และมาเรยีงตัวกันตรง metaphase plate (น่ีคือ M checkpoint) เพื่อเป็นการแน่ใจวา่ หลังจากการแบง่เซลล์แล้ว เซลล์จะไมไ่ด้รบัโครโมโซมไมค่รบหรอืเกินมา โดยนักวจิยัพบวา่ ถ้า kinetochore ยงัไมติ่ดกับ spindle fiber โปรตีน APC (anaphase promoting complex) จะอยูใ่นรูป inactive และไมส่ง่สญัญาณต่อ จงึไมเ่กิด anaphase แต่ถ้า kinetochore เกาะกับ spindle fiber เรยีบรอ้ยแล้ว โปรตีน APC จะอยูใ่นรูป active ดังนัน้สง่สญัญาณให้ proteolytic enzyme ยอ่ย cyclin และโปรตีนท่ียดึ sister chromatids ให้ติดกัน ทำาให้เกิดระยะ anaphase ตามมา

4. ปัจจยัภายนอกเซลล์อ่ืนๆจากเทคนิคการเพาะเลี้ยงเซลล์ นัก

วทิยาศาสตรค้์นพบปัจจยัภายนอกเซลล์หลายอยา่งท่ีมผีลต่อการแบง่เซลล์ เชน่ - สารอาหารท่ีจำาเป็น

- อาหารเลี้ยงเซลล์ท่ีม ีspecific growth factor

- density – dependent inhibition- anchorage dependence

4.1 specific growth factor เป็นโปรตีนท่ีหลัง่ออกมาจากเซลล์รา่งกายและกระตุ้นให้เซลล์แบง่ตัวได้ ในเซลล์แต่ละชนิดต้องการ specific growth factor แตกต่างกัน เชน่

PDGF (platelet derived growth factor) เป็น specific growth factor สำาหรบัการแบง่เซลล์ของ fibroblast cell สรา้งมาจาก blood platelet ขณะท่ีเนื้อเยื่อเก่ียวพนัเป็นแผล และมคีวามสำาคัญเก่ียวกับการสมานบาดแผล คือกระตุ้นให้เซลล์ fibroblast แบง่ตัว

รูปแสดงการเพาะเล้ียงเซลล์ fibroblasts แสดงใหเ้หน็วา่ platelet-derived growth factor (PDGF) กระตุ้นใหเ้กิดการแบง่เซลล์

4.2 Density-dependent inhibition of cell division (ความหนาแน่นหยุดการแบง่เซลล์)(a) ในการเพาะเล้ียงเซลล์ เซลล์ปกติจะเพิม่จำานวนจนกระทัง่แผ่เต็มพื้นผิวของจานเพาะเล้ียง และเรยีงเป็นชัน้เดียว ก็จะหยุดแบง่ เนื่องจากอาหาร growth factor และพื้นท่ีผิวท่ีเซลล์เกาะเป็นตัวจำากัดความหนาแน่นของเซลล์ ถ้านำาเซลล์บางสว่นออกไป เซลล์ท่ีอยูข่า้งๆชอ่งวา่งท่ีเกิดขึ้นจะแบง่ตัวจนกระทัง่เต็มชอ่งวา่งนัน้ ก็จะหยุดแบง่(b) แต่เซลล์มะเรง็ไมไ่ด้เป็นเชน่นัน้ เซลล์มะเรง็จะแบง่ตัวมากจนกระทัง่เซลล์ซอ้นกันหลายชัน้

(a)

(b)

4.3 Anchorage dependence กล่าวคือ การท่ีเซลล์จะแบง่ตัว เซลล์ต้องสมัผัสกับพื้นผิว ตัวอยา่งเชน่ เซลล์ท่ีเพาะเล้ียงในจานเพาะเลี้ยงต้องสมัผัสกับพื้นผิวของจานเพาะเลี้ยง เป็นต้น ซึง่จากการสมัผัสจะสง่สญัญาณผ่าน plasma membrane และ cytoskeleton ทำาให้เซลล์แบง่ตัวต่อไป

density-dependent inhibition of cell division และ anchorage dependence แสดงผลท้ังในเซลล์ท่ีเพาะเล้ียงและในรา่งกาย เพื่อให้เซลล์แบง่เซลล์จนมีความหนาแน่นเพยีงพอและอยูใ่นตำาแหน่งท่ีเหมาะสม สำาหรบัเซลล์มะเรง็จะไมแ่สดง density-dependent inhibition of cell division และ anchorage dependence

การเติบโตของเซลล์มะเรง็ไปยงัเน้ือเยื่อขา้งเคียง

สรุป Control of cell cycleG1 phase - most variable phase

ปัจจยัท่ีควบคมุได้แก่- nutrition- growth factors- density of cell

population- anchorage dependence- developmental state of

cellท่ีทำาให้เกิด 1. length of G1 2. whether the cell

will pass the restriction point and divide

Cell divisionเซลล์เขา้สูร่ะยะ S G2

M

MPF

APC

Reproduction = ความสามารถในการผลิตสิง่มชีวีติท่ีเหมอืนตนเองความสำาคัญ: กลไกการดำารงเผ่าพนัธุห์รอื species ให้คงอยูใ่นโลกHeredity = การถ่ายทอดลักษณะทางกรรมพนัธุจ์ากรุน่หนึ่งไปรุน่ต่อไปVariation = ความแตกต่างของสิง่มีชวีติแต่ละตัวใน species เดียวกันGenetics = วชิาท่ีศึกษาเก่ียวกับ heredity และ variationMeiosis, sexual reproduction, heredity เป็นเรื่องท่ีเก่ียวขอ้งกัน

การถ่ายทอดลักษณะทางกรรมพนัธุเ์ป็นไปได้เน่ืองจาก:•DNA มกีารจำาลองแบบตัวเอง และถ่ายทอดจากพอ่แมไ่ปสูล่กู•Sperm และ ova มกีารรวมกันของยนีใน fertilized eggAsexual•single parent

offsping•offsping: genetically identical to the parent•clone

Sexual•2 parentsoffsping•offsping: a unique combination of genes•greater genetic variation

Asexual & Sexual reproduction

Homologous chromosome = คู่ของ chromosome ท่ีมขีนาดเท่ากัน ตำาแหน่ง centromere และตำาแหน่งยนี (gene loci) ท่ีควบคมุลักษณะเฉพาะอยูต่รงกัน (molecular form ของยนี เรยีกวา่ allele อาจจะต่างกัน เชน่ A และ a แต่อยูต่รงกัน)Chromosome ท่ีเป็นคู่น้ี อันหนึ่งมาจากพอ่ และอีกอันหนึ่งมาจากแม่Autosome = chromosomeท่ีไมใ่ช ่sex chromosomeSex chromosome = chromosome ท่ีไมเ่หมอืนกัน ซึง่ควบคมุเพศของสิง่มชีวีติ Female = XX Male = XY

คนม ีautosomes 22 คู่ และ sex chromosome 1 คู่

Diploid = สภาวะท่ี cell ม ีchromosome 2 ชุด (2n)Haploid = สภาวะท่ี cell ม ีchromosome 1 ชุด (n)Gamete = เซลล์สบืพนัธุท่ี์มจีำานวน chromosome เป็น haploid •Sperm, ova•Human gametes ประกอบด้วย 22 autosomes + 1 sex chromosome

(Xหรอื Y)Fertilization = การรวมกันของ gametes เกิดเป็น zygoteZygote = cell diploid Mitosis organism

การศึกษา karyotypesKaryotypes คือ สภาพของ

นิวเคลียสของเซลล์ท่ีประกอบด้วยโครโมโซมทั้ง 2 ชุด (diploid, 2n) นิยมศึกษาในโครโมโซมระะยะ metaphase เพราะเป็นระยะท่ีโครโมโซมประกอบด้วย 2 sister chromatids และหดสัน้ท่ีสดุ ทำาให้เห็นชดัเจนและสะดวกต่อการวเิคราะห์รูปรา่งและจำานวนของโครโมโซม การศึกษา karyotypes น้ีมีประโยชน์ชว่ยให้ทราบความผิดปกติของโครโมโซม ในทางการแพทยศึ์กษาในเซลล์ lymphocyte ซึง่เป็นเมด็เลือดขาวชนิดหน่ึง มขีัน้ตอนต่างๆในการเตรยีม ดังน้ี ใสย่ากระตุ้นให้เซลล์เกิด mitosis ถึงระยะ metaphase ยอ้มสโีครโมโซมเพื่อให้เห็นแถบสติีดบนสว่นต่างๆของโครโมโซมชดัเจน

(1) เซลล์ lymphocyte ในเลือดนำามาป่ันให้ตกตะกอน

(2) ดดูของเหลวชัน้บนออก และเติม hypotonic solution เพื่อให้เซลล์บวม

(3) นำาไปป่ันอีกเพื่อแยกเซลล์เมด็ขาว และใสน่ำ้ายารกัษาสภาพ (fixative) แล้วดดูเซลล์หยดลงบนสไลด์ ทำาใหแ้หง้ ยอ้มส ีและศึกษาภายใต้กล้องจุลทรรศน์

(4) นำาภาพของโครโมโซมเขา้โปรแกรมคอมพวิเตอร ์เพื่อจบัคู่

(5) แสดงภาพ karyotypes

การศึกษา karyotypes

การสบืพนัธุแ์บบอาศัยเพศ 3 แบบ ซึง่ต่างกันท่ีเวลาของการเกิดไมโอซสิและการปฏิสนธิ

(a) Animals

เป็นแบบท่ีชว่งชวีติสว่นใหญ่ของสิง่มชีวีตินัน้เป็นแบบ diploid (2n) เด่นชดั ชว่งชวีติชว่งท่ีเป็น haploid มอียูเ่ฉพาะระยะท่ีเป็นเซลล์สบืพนัธุเ์ท่านัน้ ซึง่เมื่อปฏิสนธแิล้วได้เป็นสิง่มชีวีติท่ีเป็น diploid ต่อไป สำาหรบัพวกพชืมดีอกก็มวีงจรชวีติเป็นเดียวกันนี้เชน่กัน

(b) Most fungi and some algae

เป็นแบบท่ีสิง่มชีวีติมโีครโมโซมเพยีง 1 ชุดตลอดวงจรชวีติ ชว่ง diploid สัน้มาก ชว่งท่ีเป็น diploid จะเป็นเฉพาะท่ีเซลล์สบืพนัธุป์ฏิสนธเิป็นไซโกตเท่านัน้ หลังจากนัน้ไซโกตจะแบง่ตัวแบบไมโอซสิทันที ได้เป็น สปอรซ์ึง่จะเจรญิเป็นสิง่มชีวีติ (n) ต่อไป

(c) Plants and some algae

เป็นแบบท่ีสิง่มชีวีติมีชว่งชวีติแบบ haploid สลับกับ diploid เชน่ในต้นพชื (sporophyte =2n) จะมกีารสรา้งสปอรโ์ดยการแบง่เซลล์แบบไมโอซสิ สปอรท่ี์ได้จะเจรญิเป็นต้นพชื (gametophyte=n) เมื่อถึงระยะเวลาการสบืพนัธุจ์ะมกีารสรา้งเซลล์สบืพนัธุ์โดยการแบง่แบบไมโทซสิ เซลล์สบืพนัธุน์ี้ภายหลังจากกการเกิดปฏิสนธแิล้ว จะได้ต้นพชืท่ีเป็น sporophyte ใหม่อีก

ในการสบืพนัธุแ์บบอาศัยเพศทัง้พอ่และแม ่ต่างต้องมีกระบวนการสรา้งเซลล์สบืพนัธุ ์เซลล์สบืพนัธุแ์ต่ละเซลล์มีจำานวนโครโมโซมเพยีงครึง่หนึ่งของเซลล์รา่งกาย ปรากฏการณ์ดังกล่าวเกิดในกระบวนการแบง่เซลล์แบบพเิศษ ที่เรยีกวา่ meiosis เซลล์ที่มสีมบติัสามารถแบง่เซลล์แบบ meiosis นี้ได้ คือ gonad ในเพศหญิงจะพบเซลล์ชนิดนี้ในรงัไข ่(ovary) ซึ่งจะสรา้งเซลล์สบืพนัธุเ์รยีกวา่ ไข ่(ovum) สว่นในเพศชายจะพบเซลล์ชนิดนี้ในอัณฑะ (testis) ซึ่งสรา้งเซลล์สบืพนัธุเ์รยีกวา่สเปิรม์ (sperm) เมื่อเกิดการปฏิสนธิระหวา่งสเปิรม์และไข ่ทำาใหเ้กิดไซโกตซึ่งเจรญิเป็นสิง่มชีวีติหน่วยใหมต่่อไป ในคนจำานวนโครโมโซมในเซลล์สบืพนัธุซ์ึ่งเป็น haploid cell = 23 (n=23) และจำานวนโครโมโซมในไซโกต และเซลล์รา่งกายซึ่งเป็น diploid cell = 46 (2n=46).

The human life cycle

หลังจากโครโมโซมจำาลองตัวเองแล้ว เซลล์ท่ีเป็น diploid น้ีจะแบง่ตัว 2 ครัง้ ได้เป็น haploid cell 4 เซลล์ ในท่ีนี้แสดงใหเ้หน็ homologous chromosome เพยีง 1 คู่ เท่านัน้ (a)โครโมโซมจำาลองตัวเอง (b)ในระยะ meiosis I เป็นกระบวนการแบง่นิวเคลียสท่ีทำาให้โครโมโซมลดลงครึง่หนึ่ง โดยท่ีโครโมโซมคู่เหมอืนในเซลล์เดิมแยกออกไปอยูใ่นแต่ละนิวเคลียสใหม่ (c)ในระยะ meiosis II เป็นกระบวนการแยก sister chromotids ดังนัน้ได้ผลลัพธ์เป็น haploid cell 4 เซลล์

How meiosis reduces chromosome number

(a)

(b)

(c)

The stages of meiotic cell division

แผนภาพแสดงการแบง่เซลล์แบบไมโอซสิของเซลล์สตัว ์ซึง่ม ี2n = 4 สแีดงและสนีำ้าเงินแสดงโครโมโซมท่ีเป็นคู่เหมอืนกัน

Interphase I เซลล์มกีารเตรยีมพรอ้มสำาหรบัการสงัเคราะหส์าร

อินทรยีต่์างๆ เชน่เดียวกับการแบง่แบบไมโทซสิท่ีกล่าวมาแล้ว Prophase I

ระยะ prophase I เป็นระยะท่ีกินเวลานานและซบัซอ้นกวา่ prophase ของไมโทซสิคือ (1) การเขา้คู่ของโครโมโซมคู่เหมอืน เรยีกวา่ synapsis (2) แลกเปล่ียนสว่นของ chromatid (3) การแยกตัวของโครโมโซมคู่เหมอืนออกจากกันMetaphase I

โครโมโซมมว้นหดตัวสัน้มากท่ีสดุ โครโมโซมคู่เหมอืนกันยงัคงอยูเ่คียงขา้งกันและเรยีงกันตามแนว metaphase plate โดยท่ี kinetochore microtubules จากขัว้หนึ่งของเซลล์ยดึติดกับโครโมโซมหนึ่งของโครโมโซมคู่เหมอืนแต่ละคู่ อันเป็นสภาพพรอ้มท่ีจะแยกออกจากกัน การแยกตัวของแต่ละคู่โครโมโซมจะเป็นแบบสุม่

The stages of meiotic cell division

Anaphase I โครโมโซมคู่เหมอืนกันแยกตัวออกจากกกันในทิศทาง

ตรงขา้มกัน แต่โครโมโซมแต่ละแท่งยงัประกอบด้วย 2chromatid อยู ่Telophase I และ cytokinesis

โครโมโซมเคล่ือนไปอยูท่ี่ขัว้ทัง้ 2 ขา้ง แต่ละขัว้จะมีโครโมโซม 1 ชุด (haploid) ซึ่งโครโมโซมแต่ละแท่งยงัคงม ี 2 sister chromatids อยู ่โดยทัว่ไป cytokinesis จะเกิดขึ้นพรอ้มกับ telophase I ได้เซลล์ใหม ่ 2 เซลล์ แต่ในสิง่มชีวีติบางชนิด โครโมโซมคลายตัว เกิดเยื่อหุม้เซลล์และนิวคลีโอลัสขึ้นมาใหม ่เขา้สูร่ะยะ interphase II ก่อนเกิด meiosis II ต่อไป หรอืในบางชนิดเซลล์ใหมใ่นระยะ telophase I ผ่านเขา้สูร่ะยะเตรยีมพรอ้มสำาหรบั meiosis II โดยทันที ไมว่า่จะเป็นแบบใดก็ตาม ไมม่กีารจำาลองตัวเองของโครโมโซมอีกในระยะ meiosis II

Meiosis IIกระบวนการ meiosis II คล้ายกับ mitosis

โดยผ่าน Prophase II, Metaphase II, Anaphase II, Telophase II และตามด้วย cytokinesis อยา่งรวดเรว็ จนกระทัง่เสรจ็สิน้กระบวนการ meiosis อยา่งสมบูรณ์ ได้ผลลัพธเ์ป็น haploid cell 4 เซลล์

เปรยีบเทียบระหวา่งกระบวนการไมโทซสิและไมโอซสิ

Meiosis 1 และ Mitosis

Prophase

Metaphase

Anaphase

Meiosis 1• เกิด synapsistatrads•chiasma crossing over•homologous pairs อยูก่ลางเซลล์•คู่ของโครโมโซม

แยกกันcentromere

ไมไ่ด้แยก sister chromatids ถกูแยกไปด้วยกันอยูข่ัว้เดียวกัน

Mitosis• ไมเ่กิดsynapsis และcrossing over•แต่ละโครโมโซมเรยีงกันอยูก่ลางเซลล์•sister chromatids แยกออกจากกัน

ไปคนละขัว้centromere ถกูแยกออกไป

Meiosis และ fertilizationgenetic variation

1. Independent assortment 2. Crossing over 3. Random fertilization

Independent assortment = การแยกคู่ออกจากกันของ chromosome คู่เหมอืนกัน แต่ละคู่จะเป็นแบบสุม่ หรอืเป็นอิสระต่อกันและกัน ทำาให้เซลล์สบืพนัธุท่ี์เกิดขึน้มา อาจม ีโครโมโซมท่ีมาจากพอ่บา้ง และจากแมบ่า้งปะปนกันอยา่งไมม่ีแบบแผนแน่นอนตย. ในคน โอกาสท่ีจะเกิด gamete ท่ีมีโครโมโซมแตกต่างกัน = 223 หรอื 8 ,000,000 แบบ

•Crossing over gene recombination•Random fertilization

Zygote = 1 แบบ ใน 64,000,000,000,000 แบบ

Independent assortment of chromosome

ในรูปแสดงผลลัพธก์ารแบง่เซลล์แบบไมโอซสิของเซลล์ท่ีม ี2 n=4 สีแดงและสนีำ้าเงินแสดงโครโมโซมคู่เหมอืนกันท่ีมาจากพอ่และแม ่การแยกกันของโครโมโซมคู่เหมอืนในระยะ metaphase I เป็นแบบสุม่ หรอืเป็นอิสระต่อกันและกัน ทำาให ้haploid cell หรอื เซลล์สบืพนัธุท่ี์ได้มา อาจมโีครโมโซมท่ีมาจากพอ่บา้งและแมบ่า้งปะปนกันไปอยา่งไมม่แีบบแผนแน่นอน

ใน prophase I มีการเขา้คู่แนบชดิกันของโครโมโซมคู่เหมอืนแต่ละคู่ ซึ่งเป็นกลไกท่ีเปิดโอกาสใหม้กีารแลกเปล่ียนชิน้สว่นระหวา่งโครโมโซมคู่เหมอืนกันนัน้ โดยปรากฏการณ์ท่ีเรยีกวา่ crossing over อันเป็นผลทำาใหเ้กิดการรวมตัวกันใหมข่องยนี หรอืท่ีเรยีกวา่ gene recombination ท่ีจะถ่ายทอดผ่านเซลล์สบืพนัธุไ์ปยงัรุน่ลกูต่อไป ดังนัน้ยนีในโครโมโซมของรุน่ลกูจงึไมเ่หมอืนกับยนีของพอ่หรอืแม่

The results of crossing over during meiosis: gene recombination

Genetic variation and evolution Charles Dawin' s Theory 1. Inheritable variation 2. Natural selection

Natural selection•เพิม่ความถ่ีของลักษณะทางกรรมพนัธุท่ี์สามารถสบืพนัธุไ์ด้ดีกวา่พวกอ่ืนๆ•เกิดการสะสมของลักษณะทางกรรมพนัธุท่ี์สามารถดำารงชวีติอยูใ่นสิง่แวดล้อมนัน้ๆได้ดี•เมื่อการเปลี่ยนแปลงสิง่แวดล้อม สิง่มชีวีติท่ีมลีักษณะท่ีดี สามารถสบืพนัธุเ์พิม่จำานวนลกูหลานได้ ดำารงชวีติอยูใ่นสิง่แวดล้อมใหมไ่ด้