MENDEL AND THE GENE IDEA

เมนเดลไดศกษาการถายทอดกรรมพนธซงเปนพนฐานส าคญของสงมชวตโดยวธวทยาศาสตรทกขนตอน ท าใหเกดสาขาวชาชววทยาแขนงใหม เรยกวา วชาพนธศาสตร Genetics)

A genetic cross แผนภาพแสดงการทดลองการผสมขามระหวางละอองเรณจากพนธดอกสขาว กบเกสรตวเมยจากพนธดอกสมวง เมอไดเมลดและน าไปปลก ไดลกผสม F1 ซงใหดอกสมวงทงหมด หรอถาผสมในทางกลบกน คอผสมละอองเรณจากพนธดอกสมวงกบเกสรตวเมยจากพนธดอกสขาว จะไดผลการทดลองเหมอนกน

เมนเดลท าการศกษาลกษณะทางกรรมพนธของตนถว 3 รน คอรนพอแม ดอกสมวง และดอกสขาว รนลกผสม F1 ดอกมวงทงหมด และเมอ F1 ผสมกนเอง จะไดรน F2 ซงอตราสวนของดอกสมวง : สขาว = 3:1

เมนเดลไดอธบายผลการทดลองของเขา เปน 4 ขอ ดงน (ในการอธบายตอไปนจะใชค าวา ยน แทนค าทเมนเดลใชคอ heritable factor) 1. สงทควบคมลกษณะกรรมพนธ เชน ลกษณะสดอก คอยน ซงตางกน 2 รปแบบ (อลลล) อลลลหนงควบคมดอกสมวง อกอลลลหนงควบคมดอกสขาว 2. สงมชวตประกอบดวยยน 2 อลลล อลลลหนงมาจากพอ และอกอลลลหนงมาจากแม จากความรในปจจบน ท าใหอธบายความคดของเมนเดลไดวา ในสงมชวตทเปน diploid ซงมโครโมโซมคเหมอนกน โครโมโซมแทงหนงมาจากพอ และอกแทงหนงมาจากแม โครโมโซมคเหมอนนอาจมอลลลเหมอนกน เรยกวาพนธแท เชนเดยวกบพนธในรนพอแมของการทอดลองของเมนเดล หรออาจจะมอลลลตางกน เชนในลกผสม F1 3. ถาอลลลตางกน อลลลหนงจะเปนอลลลเดนซงจะแสดงสมบตของลกษณะใหเหน อกอลลลหนงเปนอลลลดอยซงจะถกขมไมแสดงลกษณะ 4. อลลลทง 2 จะถกแยกไปในเซลลสบพนธแตละเซลล

เรยกหลกการถายทอดกรรมพนธขอนวา Law of segregation (กฏการแยกยน)

Alleles, contrasting versions of a gene

Mendel’s law of segregation

ในการศกษานเมนเดลศกษาลกษณะสของดอกเพยงลกษณะเดยว (monohybrid cross) ซงดอกสมวงควบคมโดยยนเดน (P) และดอกสขาวโดยยนดอย (p) ในพชประกอบดวย 2 อลลลทควบคมลกษณะสดอกซงไดรบถายทอดมาจากพอและแม ในรนพอแมเปนพนธแทของดอกสมวง (PP) และดอกสขาว (pp) ซงสรางเซลลสบพนธประกอบดวยอลลลเดยว การผสมของรนพอแม จะไดลกผสม F1 ซงประกอบดวย Pp แสดงดอกสมวงตามลกษณะยนเดน เมอ F1 สรางเซลลสบพนธอลลลทง 2 จะถกแยกออกไป เซลลสบพนธครงหนงจะมอลลล P และอกครงหนงเปนอลลล p และจากการผสมพนธกนเองในรน F1 ไดรน F2 ดงแสดงในตาราง ไดอตราสวนดอกสมวง: ดอกสขาว = 3:1

Mendel’s law of segregation

เมนเดลเลอกลกษณะกรรมพนธทงหมด 7 คลกษณะ ซงในปจจบนทราบวาเปนลกษณะทควบคมโดยยนทอยบนโครโมโซมตางคกน

Flower color

Flower position

Seed color

Seed shape

Pod shape

Pod color

Stem length

Some useful genetic vocabolary ในสงมชวตทเปน diploid ลกษณะกรรมพนธควบคมโดยยน 2 รปแบบ (allele=อลลล) หรอมากกวา 2 รปแบบ เชน ลกษณะสดอกถวลนเตามยนรปแบบหนงควบคมดอกสมวงเขม (P) และยนอกรปแบบหนงควบคมลกษณะดอกสขาว (p) อลลล : ยนคทมรปแบบตางกนและทต าแหนงโลกส (locus) เดยวกน homozygous : พวกพนธแททมคอลลลเหมอนกน heterozygous : ลกผสมทมอลลลตางกน phenotype : ลกษณะกรรมพนธทแสดงออกมาใหเหน

genotype : องคประกอบคยนหรอคอลลลทอยภายในเซลล

A testcross ในการทดสอบวา ดอกสมวงทเหนม genotype เปน PP หรอ Pp โดยการน าพชทสงสยนไปผสมกบพนธททราบ genotype โดยเฉพาะ pp สงเกต F1 วามลกษณะอยางไร ถา F1 มสมวงทงหมดแสดงวาพนธทดลองเปน PP ถา F1 มสมวงครงหนงและสขาวครงหนงแสดงวาพนธทดลองเปน Pp

Law of independent assortment (กฏการแยกยนเพอการเรยงตวกนใหมอยางอสระ)

เมนเดลทดลองผสมพนธถวลนเตาขนตอไปโดยพจารณาลกษณะทแตกตางกน 2 ค พรอมกน เรยกวา (dihybrid cross) ตวอยางเชน ลกษณะเมลดเรยบ สเหลอง กบ เมลดขรขระ สเขยว

HYPOTHESIS: DEPENDENT ASSORTMENT

ถาเปนไปตามสมมตฐาน dependent assortment คอเปนการแยกยนเพอการรวมตวกนใหมไมเปนอยางอสระ ลกผสม F1 จะสามารถสรางเซลลสบพนธไดเพยง 2 แบบ คอ YR และ yr ทเหมอนกบรนพอแมเทานน และรน F2 จะแสดงลกษณะเมลดเรยบ สเหลอง : เมลดขรขระ สเขยว ในอตราสวน 3:1

parent

F1

F2

HYPOTHESIS: INDEPENDENT ASSORTMENT

ถาเปนไปตามสมมตฐาน independent assortment คอ ยนแตละคจะแยกจากกน และกลบเขามารวมกนไดอยางอสระ ลกผสม F1 จะสามารถสรางเซลลสบพนธได 4 แบบ และมอตราสวนของ Phenotype = 9:3:3:1 ซงการทดลองของเมนเดลไดผลสอดคลองตามสมมตฐานขอน

parent

F1

F2

หลกการถายทอดกรรมพนธ 2 ขอ ไดแก • Law of segregation • Law of independent assortment

สรป

หลกการถายทอดลกษณะกรรมพนธตามกฏของเมนเดล เปนทยอมรบกนอยางกวางขวาง ในตนครสตศตวรรษท 20 มนกวทยาศาสตรหลายทานไดน าเอาหลกการของเมนเดลมาเปนพนฐานศกษาวจยเพมเตมมากขน และพบปรากฏการณใหมๆหลายอยาง ซงลวนแตเปนขอมลสนบสนนขอเสนอของเมนเดลทงสน ไดแก

Incomplete dominance

พชลนมงกร เมอเอาพนธดอกสแดงผสมกบพนธดอกสขาว จะไดลกผสมรนF1 มดอกสชมพ และเมอ F1 ผสมกนเอง จะไดลกผสม F2 มดอกทง 3 ลกษณะ คอ ดอกสแดง ชมพ และขาว ในอตราสวน 1:2:1 ตามล าดบ จะเหนไดวาอตราสวนของ phenotype ตรงกบอตราสวน genotype ในกรณนยนทควบคมลกษณะดอกสแดงไมแสดงสมบตเดนอยางแทจรง

Multiple alleles for the ABO blood groups

Multiple allele กบระบบหมเลอดระบบ ABO ในคน หมเลอดระบบ ABO เปนลกษณะทถายทอดทางกรรมพนธ ยนทท าหนาทควบคมการสงเคราะหแอนตเจนบนผวเมดเลอดแดง ประกอบดวย 3 อลลล ในแตละคนม 2 อลลล ดงนน genotype ทเปนไปไดม 6 แบบ IA และ IB มสมบตเดนดวยกนทงค (codiminance) ดงนนคนทม genotype IAIB

(หมเลอดAB) จะมทงแอนตเจน A และ B สวน i มสมบตดอยกวา IA และ IB คนทม genotype ii (หมเลอด O) จงไมมแอนตเจน แตสรางแอนตบอดทง A และ B เมอผสมเมลดเลอดของคนหมเลอดอนๆกบเซรมของหมเลอด O จะท าใหเกดการตกตะกอน

A simplified model for polygenic inheritance of skin color ลกษณะกรรมพนธทควบคมโดยยนหลายยน หรอ polygene ซงอาจมตงแต 3 ยน ถง 40 ยน เรยก กรรมพนธแบบโพลยน (polygenic inheritance) รปทแสดงเปนรปแบบงายๆในเรองสผว สผวควบคมโดยยน 3 ยน ในแตละยนมสมบตการแสดงออกไมเตมท (imcomplete dominance) การถายทอดลกษณะสผวนจะเหนไดชดเจนจากผลการผสมพนธระหวางลกษณะต าสดกบลกษณะสงสด โดยสงเกตไดจากลกผสม F1 ม genotype แบบ AaBbCc ซงมหนวยสด าอย 3 หนวย และเมอ F1 ผสมกนเองได F2 พบวามความแตกตางแปรผนของสผวตอเนองในลกษณะคลายเสนโคงปกต

Pedigree analysis reveals Mendelian patterns in human inheritance

นกวจยไดพฒนากรรมวธการศกษาพนธศาสตรของมนษย เพอทราบวาลกษณะกรรมพนธนนมการถายทอดแบบใด และสามารถคาดคะเนไดวาลกษณะกรรมพนธนนมโอกาสเกดขนไดมากนอยเพยงใดในคแตงงานแตละค ซงเปนประโยชนอยางยงในการวางแผนส าหรบครอบครวทมยนทผดปกตอย เทคนคทนยมใชกนอยคอ การวเคราะหสายสมพนธของกลมเครอญาต (pedigree analysis)

Pedigree analysis Pedigree เขยนขนมาจากประวตการถายทอดลกษณะกรรมพนธทแสดงออกทาง phenotype อยางใดอยางหนงโดยใชสญลกษณตางๆแทนลกษณะ phenotype ของแตละคนในวงศตระกลนน ตามหลกมาตรฐานสากลดงน สเหลยม หมายถง ผชาย วงกลม หมายถง ผหญง แตละคแตงงานเชอมดวยเสนเดยวจากผชายไปผหญง ล าดบของลกแตละคนเรยงจากซายไปขวา ผทแสดงลกษณะกรรมพนธแสดงดวยสเขม

(a) pedigree tracing a dominant trait (widow’s peak)

(b) Pedigree tracing a recessive trait (attached earlobes)

Many human disorders follow Mendelian patterns of inheritance

Recessive inherited disorders ลกษณะทางกรรมพนธทเกดจากยนดอยทาง autosome Cystic fibrosis โรคนพบมากในคนผวขาว พบในอตรา 1 คนใน 2,500 คน มคนผวขาวเปนพาหะของโรคนถง 4% สาเหตเกดจากความผดปกตของยนทควบคมการสงเคราะห membrane protein ทท าหนาทเกยวกบ chloride ion transport ระหวางภายในเซลลกบของเหลวภายนอกเซลล ผลคอท าใหภายนอกเซลลมปรมาณ chloride สง มผลตอเนองท าใหเมอกทคลมเซลลเหนยวขนกวาปกต สะสมอยในตบออน ปอด ทางเดนอาหาร และอวยวะตางๆ ท าใหเกดการตดเชอจากแบคทเรยไดงาย เดกทเปนโรคนมกจะตายกอนอาย 5 ขวบ การททราบวาเปนโรคนและใหการดแล รกษา ปองกนการตดเชอเปนอยางด ท าใหสามารถมอายยนยาวขนได

Tay-Sachs disease สาเหตของโรคเกดจากความผดปกตของเอนไซมทไมสามารถสลายไขมนบางชนดในสมองได ท าใหเกดความเสอมของระบบประสาท อาจท าใหตาบอด สตปญญาเสอม กลามเนอหมดแรงจนเปนงอยได ซงจะแสดงอาการในเดกเลกประมาณ 2-3 เดอนหลงคลอด และมอาการรนแรงจนท าใหเดกเสยชวตไดภายในอาย 2-3 ขวบ โรคนพบมากในกลมชาวยว ประมาณ 1 คนใน 3,600 คนของเดกเกดใหม ซงสงกวาเดกกลมอนๆ 100 เทา Sickle cell disease เปนโรคทพบบอยในอฟรกา เกดจากกรดอะมโน val ไปแทนท glu ทต าแหนงท 6 ในสายบตาของฮโมโกลบน เปนผลท าใหเมดเลอดแดงบดเบยวเปนรปเคยว ท าใหมผลกระทบตอการน าออกซเจน คนทเปน heterozygous มความตานทานสงตอการตดเชอไขมาลาเรย และสามารถถายทอดยนตอไปได

Dominants inherited disease ลกษณะผดปกตทางกรรมพนธทเกดจากยนเดนของ autosome

Huntington’s disease โรคนพบในอตรา 1 คนใน 10,000 คน อาการของโรคจะแสดงออกในชวงอาย 35-45 ป โดยแสดงอาการผดปกตของระบบประสาทสวนกลาง และเปนโรคตดเชอไดงาย การแสดงอาการออกลาชาของยนนมผลกระทบตอโครงสรางทางพนธกรรมของประชากร เพราะกวายนนจะแสดงออกกผานระยะสบพนธและถายทอดลกษณะกรรมพนธนนไปสรนลกแลว

Multifactorial disorders บางคนอาจเปนโรคบางโรค ไดแก โรคหวใจ เบาหวาน มะเรง alcoholism ฯลฯ ไดงายกวาคนอน โรคเหลานเปนโรคทเกดจากหลายสาเหต คอเกดจากกรรมพนธรวมกบสงแวดลอมเปนสาเหตส าคญของโรค (Multifactorial disorders) โรคเหลานอาจควบคมโดยยนหลายตว เชนในปจจบนพบแลววายนทควบคมการท างานของหวใจมหลายยน ดงนนการด ารงชวตแบบตางๆในแตละคนท าใหมโอกาสเสยงตอการเกดโรคไดไมเหมอนกน พบวาการออกก าลงกาย การควบคมชนดของอาหาร การไมสบบหร หรอหลกเลยงอาการเครยดตางๆ ท าใหลดความเสยงของการเกดโรคหวใจและมะเรงบางชนดได ในปจจบนยงมความรไมมากนกเกยวกบโรคทเกดจากหลายสาเหตรวมกนเหลาน แตสงทดทสดคอการใหความรแกประชาชนในการควบคมสงแวดลอมและมพฤตกรรมการด าเนนชวตทดจะท าใหไมเปนโรคตางๆได

Technology is providing new tools for genetic testing and counseling ความกาวหนาทางเทคโนโลยเออประโยชนในการตรวจหาความผดปกตทางพนธกรรมและการใหค าปรกษา

Fetal diagnosis

เปรยบเทยบระหวางวธ aminocentesis กบวธ chorionic villus sampling

Fetal diagnosis เทคนคการน าเอาตวอยางเซลลของทารก มาหาความผดปกตทางกรรมพนธกระท าไดโดยวธ aminocentesis ท าไดโดยใชเขมดดเอาน าคร าทมเซลลทหลดออกมาจากผวหนงของทารก น ามาเพาะเลยงใหแบงเซลลเพมจ านวนมากขน เพยงพอส าหรบน าไปวเคราะหตรวจหาความผดปกตของโครโมโซมและทางชวเคม วธนกระท าในชวง 14-16 สปดาหของการตงครรภและตองใชเวลา 2-3 สปดาหกวาจะรผล อกเทคนคหนงคอ การเกบตวอยางเนอเยอโคเรยน (chorionic villi sampling, CVS) กระท าโดยใชทอขนาดเลกสอดเขาไปทางปากมดลกแลวดดเอาตวอยางเนอเยอของเยอหม chorion ทหมถงน าคร าออกมา เนอเยอน สามารถน าไปวเคราะหและตรวจสอบไดทนท วธนสามารถใชตรวจสอบทารกทมอายเพยง 8-10 สปดาห และรผลการตรวจสอบไดภายใน 1-2 วนเทานน

The chromosomal basis of inheritance

The chromosomal basis of Mendel’s law

โครโมโซมเปนตวกลางส าคญส าหรบการถายทอดกรรมพนธ ภาพแสดงความสมพนธระหวางการทดลองผสมพนธถวลนเตา โดยพจารณาลกษณะทตางกน 2 ลกษณะพรอมกน (dihybrid cross) ของเมนเดล กบพฤตกรรมของโครโมโซม โดย 2 ลกษณะน ควบคมโดยยนทอยบนโครโมโซมตางแทงกน (จรงๆแลวถวลนเตามโครโมโซม 7 แทง แตในรปแสดงเพยง 4 แทง)ในรปแสดง metaphase I (ชองสเหลอง) และการแยกออกจากกนของโครโมโซมคเหมอน (homologous chromosome) ในระยะ anaphase I ซงเปนแบบ segregation และ independent assortment ผลสดทาย F1 สรางเซลลสบพนธได 8 แบบ และแตละแบบมจ านวนเทาๆกน ถาศกษาตอจนถงรน F2 จะไดอตราสวน phenotype = 9:3:3:1

หลกความนาจะเปนไปได สงมชวตพวก diploid ถายทอดสารพนธกรรมหรอยนไปตามโครโมโซมโดยผานเซลลสบพนธ การแยกโครโมโซมคเหมอนในกระบวนการไมโอซส เปนแบบสมนน การคาดคะเน genotype หรอ phenotype ในรนลกอาจค านวณไดตามหลกความนาจะเปนไปได (probability) ซงมหลกส าคญ 2 ประการ คอ

1. กฏการคณ 2. กฏการบวก

Morgan traced a gene to a specific chromosome

Thomas Hunt Morgan เปนนก embryologist ทมหาวทยาลยโคลมเบย ประเทศสหรฐอเมรกา คนพบยนทอยในโครโมโซม X (sex linkage) ของแมลงหว (Drosophila melanogaster) โดยขณะศกษาพนธกรรมของแมลงหว เขาพบแมลงหวตวผตวหนงมตาสขาว (mutant phenotype) ซงแตกตางไปจากแมลงหวตาสแดงปกตทวไป (wild type)

Morgan’s first mutant แมลงหวตาสแดงเปนลกษณะปกต เรยกวา wild type และลกษณะตาสขาวเปน mutant phenotype จากลกษณะน ทท าใหเขาคนพบยนทอยในโครโมโซม X

Sex-linked inheritance

Morgan ท าการทดลองผสมพนธแมลงหวตวผตาสขาวกบตวเมยตาสแดงปกต ไดลกผสมรน F1 ทกตวมตาสแดง และรน F2 มตาสแดงและตาสขาว ในอตราสวนประมาณ 3:1 แตทนาสนใจมากคอ ตวเมยทกตวมตาสแดง สวนตวผมทงตาสแดงและตาสขาวอยางละเทาๆกน Morgan ตงสมมตฐานวา ยนทควบคมสตานอยในโครโมโซม X (ในรป w+ = dominant allele (ตาสแดง), w = recessive allele (ตาสขาว))

Morgan เลอกศกษาแมลงหวเพราะแมลงหวมคณสมบตทเปนขอดหลายประการ ดงน •แมลงหวพบไดทวไปและกนราทขนบนผลไมเปนอาหาร •ชวงชวตสน และใหลกหลานจ านวนมาก แมลงหว คหนงสามารถใหลกไดเปนรอยตว และรนใหมสามารถผสมพนธไดอกภายใน 2 สปดาห •แมลงหวมโครโมโซมเพยง 4 ค ซงศกษาไดงายจาก กลองจลทรรศน 3คเปน autosome และ 1 คเปน sex chormosome ตวเมยเปน XX และตวผเปน XY

ตอมาไดมการศกษาทดลองในสตวอนๆอก และเปนทยอมรบวา ยนทอยในโครโมโซม X มแบบแผนการถายทอดจากพอและแมไปสลกรนถดไปตางจากยนทอยใน autosome

Linked gene trend to be inherited together because they are located on the same chormosome ยนทเปนลงเกจกนมแนวโนมทจะถกถายทอดไปดวยกนเนองจากยนนนอยบนโครโมโซมเดยวกน การศกษาตอมาของ Morgan และผรวมงาน แสดงใหเหนการถายทอดลกษณะของยนทเปนลงเกจกน โดยเลอกศกษา 2 ลกษณะทแตกตางกน คอ สตว และขนาด wild type มตวสเทาและปกยาวปกต สวน mutant phenotype มตวสด า ปกสนและมขนาดเลกกวา ยนทควบคม b+ = gray, b = black, vg+ = normal wing, vg = vestigial wing ยนเหลานอยบน autosome

Morgan ท าการผสมพนธตวเมยทม genotype = b+ b vg+ vg กบตวผทม genotype = b b vg vg ถาเปนไปตามกฏของเมนเดล (Mendel’s law of independent assortment) รน F1 ม 4 ลกษณะในอตราสวน 1:1:1:1 แตจากการทดลองไมไดผลตามนน แสดงวายนทควบคมลกษณะทง 2 ลกษณะนไมไดแยกออกจากกนเพอการรวมตวใหมอยางอสระ เปนเพราะยนทง 2 ยนอยในโครโมโซมเดยวกน ทเรยกวา linked gene หรอ linkage ยนทเปนลงเกจกนมแนวโนมจะถกถายทอดไปดวยกน แตมโอกาสแยกจากกนไดบางโดย crossing over

Evidence of linked genes in Drosophilia

Independent assortment of chormosomes and crossing over produce genetic recombination The recombination of linked gene: crossing over ยนตางๆในโครโมโซมเดยวกนแสดงความถของการเกด recombination แตกตางกนในยนแตละคทใชทดลอง และโอกาสของการเกด gene recombination มความสมพนธโดยตรงกบระยะทางระหวางยนในโครโมโซมเดยวกน โดย recombination ระหวางยนทอยใกลกนมโอกาสนอยกวายนทอยหางกน

Recombination due to crossing over

(a) Production of recombinant gametes

(b) Production of recombinant offspring ผลคอไดรนลกทมลกษณะทถกถายทอดมาจากพอและแม และลกษณะทเปน recombination ทเกดจาก crossing over โดย ความถของ recombination หมายถง จ านวนลกทมลกษณะ recombination ในจ านวนลกทงหมด คดเปน %

Geneticists can use recombination data to map a chromosome genetic loci นกพนธศาสตรใชหลกการเรอง recombination ในการหาต าแหนงและระยะทางระหวางยน Alfred H. Sturtevant ลกศษยของ Morgan ไดท าการทดลองผสมพนธแมลงหวเพอหาต าแหนงและระยะทางระหวางยน (genetic map) ในกลมลงเกจดวยกน โดยใชหลกการทวาความถของการเกด recombination หรอความถของ crossing over ระหวางยน 2 ยนมความหมายแสดงถงระยะทางระหวางยนทงสอง กลาวคอ คาความถของการเกด recombination 1 % = 1 map unit ตวอยางเชน

Using recombination frequencies to construct a genetic map: ศกษา gene recombination ของแมลงหวของยน b vg และ cn ทอยบนโครโมโซมเดยวกน พบวา ความถของ recombination ระหวาง cn กบ b = 9%, cn กบ vg = 9.5 % และ b กบ vg = 17 % สามรถท า genetic map ทเรยกวา linkage map ไดดงรป

นกพนธศาสตรในยคปจจบนไดน าหลกการดงกลาวมาใชอยางกวางขวางเพอศกษา genetic map ของสงมชวตตางๆรวมทงในคนดวย

Sex chromosomes The chromosomal basis of sex varies with organism Some chromosomal systems of sex determination ระบบการก าหนดเพศแบบตางๆในสตวตางชนดกน การก าหนดเพศ (sex determination) ในสงมชวตขนอย กบชนดของโครโมโซมเพศ

(a) ระบบ x-y ในคนและสตวเลยงลกลกดวยน านมชนดอนๆรวมทงพวกแมลงบางชนด เพศของลกขนอยกบวาสเปรมของพอมโครโมโซม X หรอ Y

(b) ระบบ X-O ในพวกตกแตน จงหรด แมลงสาป และแมลงอนๆบางชนด มโครโมโซมเพศแบบเดยว ตวเมยเปน XX ตวผเปน XO (O= ศนย ตวผมโครโมโซม X เพยงอยางเดยว) เพศของลกก าหนดโดยสเปรมมหรอไมมโครโมโซม X

(c) ระบบ Z-W ในพวกนก ปลาบางชนด และแมลงบางชนดรวมถงพวกผเสอ ในสตวเหลานเพศถกก าหนดโดยโครโมโซมเพศทมอยในเซลลไข เพอใหเหนความแตกตางของระบบการก าหนดเพศจงนยมใชอกษร Z และ W แทน X และ Y ตวผเปน ZZ และตวเมยเปน ZW

(d) ระบบ haploid – diploid ในพวกผงและมดไมมโครโมโซมเพศ ตวเมยเกดมาจากไขทไดรบการปฏสนธ ดงนนจงเปน diploid สวนตวผเกดมาจากไขทไมไดรบการปฏสนธจงเปน haploid

ในคน การเจรญและพฒนาเปลยนแปลงของอวยวะสบพนธจะเรมตงแตเอมบรโอระยะ 1-2 เดอนในครรภมารดา ซงจะเจรญเปนอณฑะหรอรงไขขนอยกบฮอรโมนของเอมบรโอ ความแตกตางของฮอรโมนเปนได 2 ทางขนอยกบวามโครโมโซม Y หรอไม

ในป ค.ศ. 1990 นกวจยชาวองกฤษพบยนทควบคมการเจรญของอณฑะ มชอวา SRY ยนนอยบนโครโมโซม Y ถาไมมยน SRY เนอเยอของอวยวะสบพนธ (gonads) จะเจรญไปเปนรงไข ดงนนสรปวาการมหรอไมม SRY เปนตวก าหนดการเจรญของเนอเยอของอวยวะสบพนธ

การเจรญพฒนาเปลยนแปลงของอวยวะสบพนธคอนขางซบซอนเกยวของกบการท างานของยนหลายยนดวยกน ดงนนจงเปนไปไดวา SRY มบทบาทควบคมการสงเคราะหโปรตนซงควบคมการท างานของยนอนๆอกมาก

Sex linked genes have unique patterns of inheritance ยนทอยในโครโมโซมเพศมแบบแผนการถายทอดกรรมพนธแตกตางไปจากยนทอยใน autosome

The transmission of sex linked recessive traits การถายทอดลกษณะทางกรรมพนธโดยยนดอยทเกยวเนองกบเพศ อธบายเครองหมายตางๆทใช X และ Y = โครโมโซมเพศ, A = ยนเดน, a =ยนดอย กรอบสขาว = ลกษณะปกต, กรอบสออน = เปนพาหะ, กรอบสเขม = เปนโรค

(a) แมทมลกษณะปกตและเปน dominant homozygote แตงงานกบพอทเปนโรค จะถายทอดยนดอยใหลกสาวทกคน แตไมถายทอดไปยงลกชาย ลกสาวทกคนจะมลกษณะปกตแตเปนพาหะ

(b) แมทเปนพาหะแตงงานกบพอทเปนปกต ในจ านวนลกชายและลกสาวทงหมดครงหนงจะมยนดอย อกครงหนงเปนปกต ลกชายทกคนทมยนดอยจะเปนโรค สวนลกสาวมยนดอยตวเดยวมลกษณะปกตแตเปนพาหะเหมอนแม

(c) แมทเปนพาหะแตงงานกบพอทเปนโรค ครงหนงของลกจะเปนโรค ลกสาวทไมเปนโรคจะเปนพาหะ สวนลกชายทไมเปนโรคจะเปนปกตโดยไมมยนดอยของโรคนเลย

Sex linked disorder in humans โรคทางกรรมพนธทเกดจากยนดอยในโครโมโซมเพศในคน ปจจบนพบแลวมหลายโรคดวยกน เชน ตาบอดส โรคกลามเนอแขนขาลบ (Duchenne muscular dystrophy) ฯลฯ โรคกลามเนอแขนขาลบนพบในสหรฐอเมรกาในอตราคอนขางสง คอคนผชายเปนโรคน 1 คนในทกๆ 3,500 คน คนทเปนโรคนมกมอายไมเกน 20 ป อาการของโรคนคอกลามเนอแขนขาลบ นกวจยพบวาโรคนเกดจากการขาดโปรตนในกลามเนอทส าคญ คอ dystrophin ยนทควบคมการสงเคราะหโปรตนนอยบนโครโมโซม X

โรคเลอดไหลไมหยด (Hemophilia) โรคนเกดจากการขาดโปรตนจ าเปนส าหรบการแขงตวของเลอด ดงนนคนทเปนโรคนจงมอาการเลอดไหลออกงายหรอหยดไดยาก ถงแมมบาดแผลเพยงเลกนอยกตาม โรคนรจกกนมานานและมประวตนาสนใจ คอประวตการถายทอดยนดอยนในราชวงศของพระนางเจาวกตอเรย (1819-1901) ทยนนถายทอดแพรกระจายตอไปในราชวงศของสเปนและรสเซย

แผนภาพการถายทอดลกษณะกรรมพนธ hemophilia ในราชวงศพระนางเจาวกตอเรยแหงองกฤษ

X-inactivation in female mammals แมวาสตวเลยงลกดวยนมรวมทงคนดวยจะมโครโมโซม X 2 แทง แตแทงหนงจะไมท าหนาทหรออยในสภาพ inactive ระหวางการเจรญของเอมบรโอ ดงนนทงในตวผและตวเมยจะมยนเพยง 1 ชดทอยในโครโมโซม X ทท าหนาท Inactive-X ในตวเมยจะถกก าจดออกมองเหนเปนจดด าอยตรงขอบดานในของนวเคลยส เรยกวา Barr body ยนทอยบนโครโมโซม X แทงทเปน Barr body นจะไมท าหนาท แตจะ active ขนมาใหมไดอกในเซลลทจะเจรญเปนไข

นกพนธศาสตรชาวองกฤษชอ Mary Lyon แสดงใหเหนวา การทโครโมโซม X แทงใดจะกลายเปน Barr body หรอ inactive-X จะเปนแบบสมในแตละเซลลของเอมบรโอ ดงนนจงเปนผลใหในตวเมยประกอบดวยเซลล 2 แบบ คอแบบท inactive-X มาจากพอ และแบบท inactive-X มาจากแม หลงจากท inactive-X กลายเปน Barr body แลวและแบงตวแบบไมโอซสตอไป กลมเซลลตอมาจะม inactive –X เหมอนกนหมด ดงนนในตวเมยทเปน heterozygous ของลกษณะกรรมพนธทเกยวกบโครโมโซมเพศ ครงหนงของเซลลจะแสดง allele ตวหนง อกครงหนงแสดง allele อกตวหนง ตวอยางเชน การเกดสของแมว 3 ส (Calico cat) และ อาการทตอมเหงอไมเจรญในคน อาการตอมเหงอไมเจรญนเปน recessive X-linked mutation ผหญงทเปน heterozygous จะมผวหนงทบางสวนมตอมเหงอและบางสวนไมมตอมเหงอ

บนโครโมโซม X มยนทควบคมสขน อลลลหนงควบคมสด าอกอลลลหนงควบคมสสม แมวตวผ (XY) จะมเพยงอลลลเดยว ดงนนแมวทมทง 2 ส (heterozygous) จงมกเปนตวเมยเสมอ ตวเมยทเปน heterozygous น ในระหวางการเจรญของเอมบรโอโครโมโซม X ตวหนงในเซลลตางๆกลายเปน Barr body ซงเปนแบบสม และเมอเซลลแบงตวเซลลบรเวณใกลๆกนนนจะมโครโมโซม X แบบเดยวกน ท าใหตวแมวเกดเปนบรเวณดางมสตางกน แลวแตวามโครโมโซม X สใด

X-inactivation and the calico cat

Inactive-X เกยวของกบการเกาะของ methyl group (-CH3) กบ cytosine ซงเปน nitrogenous base ตวหนงของ DNA การก าหนดวาโครโมโซมแทงใดจะเปนเปาหมายของกระบวนการ methylation นกวจยไดคนพบยนตวหนงท active เฉพาะในโครโมโซมทเปน Barr body ยนนเรยกวา XIST (X inactive specific transcript) ผลผลตของยนน (specific transcript) คอ RNA ซงจะเกาะอยทโครโมโซม X ตรงต าแหนงท RNA นถกสรางขนมา ท าใหโครโมโซม X แทงนน inactive แตสมมตฐานนยงมขอสงสยอกมากมายทยงไมทราบแนชด

Alteration of chromosome number ปกตสงมชวตมจ านวนโครโมโซมจ าเพาะและคงทส าหรบสปซสหนงๆ แตบางครงพบวามจ านวนโครโมโซมแตกตางไปจากจ านวนปกต สาเหตเกดจากความผดปกตในกระบวนการแบงเซลลแบบไมโอซส ในพอหรอแม เรยกปรากฏการณนวา Nondisjunction ซงอาจเกดขนในชวง Meiosis I หรอ II ยงผลใหเกดเซลลสบพนธทมจ านวนโครโมโซมมากหรอนอยกวาปกต เมอเซลลสบพนธทผดปกตน ผสมกบเซลลสบพนธเพศตรงขาม จะไดไซโกตทมจ านวนโครโมโซมผดปกต ซงมผลกระทบตอการเจรญของเอมบรโอในลกษณะตางๆกน

การเปลยนแปลงจ านวนโครโมโซมแบงออกเปน 2 ประเภท คอ 1. Aneuploidy คอปรากฏการณทมจ านวนโครโมโซม 1 หรอ 2 แทงแตกตางไปจากจ านวนปกต (2n) เชน 2n+1 หรอ 2n+2 พบไดทงในพชและสตว ตวอยางเชน Down syndrome 2. Polyploidy คอปรากฏการณเปลยนแปลงจ านวนโครโมโซม โดยเพมขนหรอลดลงครงละชดจากจ านวนปกต ปรากฏการณนมกเกดขนในพช ซงมผลตอการเกดววฒนาการของพช ดงจะเรยนตอไป

Alterations of chromosome structure

Alteration of chromosome structure การเปลยนแปลงโครงสรางภายในโครโมโซม สามารถจ าแนกเปน 4 แบบ Deletion การทสวนใดสวนหนงของโครโมโซมขาดหายไป ตวอยางเชน cri-chat syndrome สวนหนงของโครโมโซมคท 5 หายไป Duplication การมยนหรอสวนโครโมโซมเพมขนมากกวาปกต

Duplication มบทบาทส าคญในกระบวนการววฒนาการ ยนทเพมขนมาซ ากบยนเดมมกเปนยนทไมท าหนาทเพราะเปนสวนเกน แตเมอการกาลเวลาผานไปองคประกอบของยนนนอาจเปลยนแปลงไปทละเลกทละนอย จนถงขนทมสมบตแตกตางจากยนเดม และสามารถท าหนาทเปนยนใหมได การเพมจ านวนยนทละเลกทละนอยเชนน ยงผลใหสงมชวตเปลยนแปลงแตกตางไปจากบรรพบรษ

Inversion เกดจากการเปลยนทศชองสวนโครโมโซม ซงเกดขนไดเมอมรอยคอด 2 แหงบนโครโมโซม และสวนของโครโมโซมนนตอกลบเขาไปแตกลบทศในโครโมโซมเดม การเปลยนแปลงแบบนไมมผลตอการแสดงออกของ phenotype แตอาจแสดงผลไดถาไดรบอทธพลจากยนขางเคยง Translocation เกดจากการสลบทระหวางสวนของโครโมโซมตางคกน ตวอยางเชน chronic myelogenous leukemia (CML) แบบนไมพบบอยนกในธรรมชาต เพราะมผลตอการสรางเซลลสบพนธ

Down syndrome

Down syndrome เกดจากการทมโครโมโซมคท 21 เพมขนอก 1 แทง (Trisomy, 47,+21) เดกทเปนโรคมอาการ ปญญาออน ลกษณะทวไปเตย สมองและกลามเนอเจรญชากวาปกต ประมาณ 40 % มอาการหวใจผดปกต และเปนโรคเกยวกบระบบหายใจไดงาย ท าใหอายไมยนยาว นกวทยาศาสตรมขอมลแสดงใหเหนวา แมทมอายมากระหวาง 35-45 ปมโอกาสใหก าเนดลกเปน Down syndrome สงกวาแมอายนอย