ยีน Gene

โครโมโซม คือ แหล่งเก็บข้อมูลพันธุกรรมของแต่ละบุคคลทำหน้าที่ควบคุมและถ่ายทอดข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต เช่นสีผิว สีตา สีผม เซลล์มนุษย์ทุกเซลล์มีจำนวนโครโมโซม 46 โครโมโซม: 23 โครโมโซมจากแม่และ 23 โครโมโซมจากพ่อ

      โครโมโซมแต่ละโครโมโซมจะมีจุกอยู่ปลายสุดซึ่งจะคอยป้องกันหน่วยพันธุกรรมภายใน ชื่อ เทโลเมียร์ ถ้าเปรียบกับผูกเชือกรองเท้าที่ปลายสุดจะมีพลาสติกรัดไว้เพื่อป้องกันการหลุดลุ่ยของเชือก โครโมโซมก็เช่นกัน ที่ปลายสุดจะมีเทโลเมียร์คอยป้องกันหน่วยพันธุกรรมที่อยู่ภายในโครโมโซม
เทโลเมียร์จะหดสั้นลงเรื่อยๆ ยิ่งอายุมากขึ้นเทโลเมียร์จะยิ่งสั้นลงหากสั้นเกินไป จะทำให้เซลล์ไม่สามารถแบ่งตัวได้อีก ทำให้เกิดการเสื่อมสภาพของเซลล์ อวัยวะต่างๆ และเกิดภาวะชราภาพ (Aging) ในที่สุดซึ่งอาจเกิดโรคร้ายๆ ต่างตามมา
     ความยาวของเทโลเมียร์ ในระยะตัวอ่อนในครรภ์มารดาจะมีค่ายาวที่สุด มีค่าประมาณ 150000 คู่เบส ขณะคลอดมีค่า 10000 คู่เบส เมื่ออายุ 20 ปี มีค่าประมาณ 8000 คู่เบส โดยเมื่ออายุ 50 ปี จะเหลืออยู่ประมาณ 7000 คู่เบสและจะลดลงเรื่อยๆประมาณ 50-100 คู่เบสในแต่ละปี จนเหลือเพียง 4000 คู่เบสที่อายุ 100 ปี

เทโลเมียร์เป็นดรรชนีบ่งชี้ภาวะชราภาพที่ดีที่สุด

    เทโลเมียร์ เปรียบเสมือนเป็นนาฬิกาแห่งชีวิต ดังนั้นการหดสั้นลงของเทโลเมียร์ จึงหมายความว่าชีวิตเราสั้นลงเรื่อยๆ การวิจัยปัจจุบันแสดงให้เห็นว่าการหดสั้นลงของเทโลเมียร์ทำให้เกิด ความเสื่อมสภาพของเซลล์ มีบทบาทสำคัญต่อการเกิดโรคร้าย (Age-related diseases) และการเสียชีวิตก่อนกำหนด งานวิจัยนี้เกือบ 100 เรื่องแสดงให้เห็นว่า เทโลเมียร์ที่สั้น มีความสันพันธ์กับโรคหลายชนิด
         ในอีกด้านหนึ่งหากเทโลเมียร์ที่มีขนาดยาวสามารถบ่งบอกว่าสภาวะร่างกายของเราอยู่ในเกณฑ์ดี ชะลอวัย ดูอ่อนเยาว์ และจะมีอายุที่ยืนยาวได้

เทโลเมียร์สั้นเสี่ยงต่อการเกิดโรคอะไรบ้าง

          จากวารสารงานวิจัยพบว่า ความยาวเทโลเมียร์ที่สั้น และสั้นมาก (มีความเสี่ยงต่อการเกิดโรคร้าย) อาจเชื่อมโยงกับโรคหรืออาการบางอาการ (1) ได้แก่

• โรคหัวใจ

• โรคเบาหวาน

• โรคทางสมอง เช่น อัลไซเมอร์ พาร์กินสัน และสมองเสื่อม

• ระบบสืบพันธุ์ไม่สมบูรณ์

• โรคระบบภูมิคุ้มกันทำงานได้ไม่ดีหรือบกพร่อง

• เสี่ยงต่อการเป็นโรคมะเร็งสูงกว่าคนปกติ

• มีอัตราเสี่ยงสูงต่อการเป็นโรค กระดูกพรุน รูมาตอยด์

• มีอัตราการตายจากโรคหัวใจมากกว่าคนปกติ 3 เท่า

• มีอัตราการตายจากการติดเชื้อมากกว่าคนปกติ 8 เท่า

• มีอัตราการตายจากโรคมะเร็งมากกว่าคนปกติที่เทโลเมียร์ยาว

• ความสามารถในการฟื้นฟูอวัยวะหลังเป็นโรคเป็นไปอย่างช้า

• ความสามารถในการซ่อมแซมอวัยวะต่ำ  (Low capacity of rejuvenation)

ขอบคุณข้อมูลจาก : Chiou Mee Kong, Xiao Wen Lee and Xueying Wang

เซลล์โดยทั่วไปอยู่ในระยะอินเตอร์เฟส ซึ่งเป็นระยะที่เซลล์มีการเตรียมตัวก่อนกระบวนการแบ่งนิวเคลียสและไซโตพลาสซึม ในระยะนี้เซลล์มีการสังเคราะห์สารที่จำเป็นต่างๆ เช่น มีการสังเคราะห์โปรตีน

เซลล์ในระยะนี้ มีนิวเคลียสขนาดใหญ่ และเห็นนิวคลีโอลัสชัดเจนเมื่อย้อมสี

อินเตอร์เฟส แบ่งเป็นระยะย่อย 3 ระยะ ได้แก่

G₁ phase (ระยะก่อนสร้าง DNA) เป็นระยะที่มีการเจริญเติบโต และเอ็นไซม์ที่จำเป็นในการสังเคราะห์ DNA มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น ในเซลล์สัตว์ เซนโทรโซม(centrosome) จะแบ่งตัวเป็น 2 ชุด และมีไมโครทิวบูล(microtubule) แผ่กระจายรอบเซนทริโอล(centriole) แต่ละคู่ เรียกโครงสร้างนี้ว่า แอสเทอร์ (aster)

S phase (ระยะสร้าง DNA) เป็นระยะที่มีการสร้าง DNA ที่มีอยู่ขึ้นมาอีกชุดให้เหมือนกัน เรียกว่าเกิดการจำลองตัวของ DNA (DNA replication) ทำให้ในระยะนี้มีปริมาณ DNA เพิ่มเป็น 2 เท่าแต่จำนวนแท่งโครโมโซมเท่าเดิม

G₂ phase (ระยะหลังสร้าง DNA) เป็นระยะที่มีการสังเคราะห์โปรตีนเพิ่มขึ้น และเป็นระยะสุดท้ายของการเตรียมตัวเข้าสู่การแบ่งเซลล์ เมื่อสิ้นสุดระยะG₂ จะเข้าสู่การแบ่งนิวเคลียสต่อไป

สำหรับเซลล์ที่ไม่ได้มีการแบ่งตัวยังคงอยู่ในระยะ G₀ phase ซึ่งจัดเป็นระยะที่สามารถเทียบเท่ากับระยะ G₁ phase

เป็นกระบวนการแบ่งเซลล์ร่างกาย(somatic cell) ของสิ่งมีชีวิตยูคาริโอต (ซึ่งรวมถึงมนุษย์ด้วย) เซลล์ที่เกิดขึ้นจากการแบ่งเซลล์จะมีจำนวนโครโมโซมเหมือนเซลล์เริ่มต้น

ในกระบวนการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส เริ่มต้นจากเซลล์เดิม 1 เซลล์ที่มีโครโมโซม 2 ชุด หรือ ดิพลอยด์(diploid) เมื่อกระบวนการแบ่งเซลล์เสร็จสิ้น จะได้เซลล์ใหม่ 2 เซลล์ที่มีจำนวนโครโมโซม 2 ชุดเท่าเดิม และมีโครงสร้าง DNA เหมือนเดิมทุกประการ

การแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสประกอบด้วย 2 ระยะ คือ อินเตอร์เฟส(interphase) และไมโทซิสmitotic phase)

โครมาติด เกิดจากการจำลองตัวเองของโครโมโซม ทำให้ได้โครโมโซมที่มีลักษณะเป็นคู่ และแต่ละโครโมโซมจะประกอบด้วย 2 โครมาติดที่มีลักษณะเหมือนกันทุกประการ ซึ่งโครโมโซมที่มี 2 โครมาติดนั้นมีจุดที่โครมาติดทั้งสองติดกันเรียกว่า เซนโทรเมียร์(centromere) ที่มีโปรตีนไคนีโทคอร์(kinetochore) อยู่

ในกระบวนการแบ่งเซลล์ โครมาติน(chromatin) จะมีการขดตัวสั้นและแน่นเป็นแท่งโครโมโซม เมื่อโครโมโซมมีการจำลองตัวเองจนมีลักษณะเป็นคู่จะเรียกแต่ละแท่งในโครโมโซมว่า โครมาติด โดยโครมาติดจะสามารถเห็นได้ชัดในกระบวนการแบ่งเซลล์ระยะเมทาเฟส(Metaphase) หากเป็นโครมาติดบนโครโมโซมเดียวกัน เรียกว่า sister chromatid แต่หากเป็นโครมาติดบนคนละโครโมโซมกัน เรียกว่า non-sister chromatid

โครมาติน เกิดจากการที่สายยาวของ DNA 1 สายพันรอบโปรตีนที่ชื่อ ฮิสโตน(histone) ซึ่ง DNA เป็นสารจำพวกกรดนิวคลีอิก(nucleic acid) ส่วนฮิสโตนเป็นโปรตีน โครมาตินจึงจัดเป็นสารประกอบนิวคลีโอโปรตีน(nucleoprotein) โดยโครมาตินจะพบได้ในช่วงที่เซลล์ไม่มีการแบ่งตัว หรือเซลล์อยู่ในระยะอินเตอร์เฟส(Interphase)

โครมาตินพบได้ในนิวเคลียสของเซลล์ เมื่อมีการย้อมสี โครมาตินจะติดสีด้วยความเข้มที่แตกต่างกันในแต่ละบริเวณ โครมาตินส่วนที่ติดสีเข้มเรียกว่า เฮเทอโรโครมาติน (heterochromatin) คือส่วนที่มียีน(gene) อยู่น้อยมาก หรือไม่มียีนอยู่เลย ส่วนที่ย้อมติดสีจางเรียกว่า ยูโครมาติน (euchromatin) ซึ่งเป็นส่วนของตำแหน่งของยีน

ในกระบวนการแบ่งเซลล์ โครมาตินจะมีการขดตัวสั้นและแน่นเป็นแท่งโครโมโซม เมื่อโครโมโซมมีการจำลองตัวเองจนมีลักษณะเป็นคู่จะเรียกแต่ละแท่งในโครโมโซมว่า โครมาติด(chromatid)

กระบวนการแบ่งไซโตพลาสซึมทำให้เซลล์แบ่งออกเป็น 2 เซลล์อย่างสมบูรณ์ การแบ่งไซโตพลาสซึมเริ่มต้นในระยะปลายของแอนาเฟส(Anaphase)

การแบ่งไซโตพลาสซึมของเซลล์สัตว์เรียกว่า คลีเวช (cleavage) โดยการเกิดคลีเวชเฟอร์โรว์(cleavage furrow) ขึ้น มีลักษณะเป็นร่องที่ผิวของเซลล์ ตรงตำแหน่งนี้เกิดวงของไมโครฟิลาเมนต์(microfilament) ซึ่งมีโปรตีนแอคติน(actin) เป็นองค์ประกอบ โปรตีนนี้เกี่ยวข้องกับการหดตัวและขอดตัวของไซโตพลาสซึมทำให้เซลล์แยกออกเป็น 2 เซลล์

การจำลอง DNA (DNA Replication)

จากโครงสร้างของ DNA ที่เสนอโดย Watson และ Crick แสดงให้เห็นว่า DNA เก็บข้อมูลทางพันธุกรรมในรูปของลำดับเบส คุณสมบัติอีกประการหนึ่งของ DNA คือ ความสามารถในการจำลองตัวเอง เรียกว่า DNA Replication โดย DNA แต่ละโมเลกุลจะเป็นแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์ DNA อีกโมเลกุลหนึ่ง

กระบวนการจำลอง DNA เริ่มต้นด้วยการที่ DNA 2 สายแยกออกจากกันตรงพันธะไฮโดรเจนของคู่เบส แต่ละสายจะเป็นแม่พิมพ์ให้นิวคลีโอไทด์ที่สามารถเข้าคู่กันได้มาเข้าคู่ตลอดสาย ผลสุดท้ายจะเกิด DNA 2 โมเลกุลเป็นเกลียวคู่ โดยที่แต่ละโมเลกุลประกอบด้วยสาย DNA สายเก่า 1 สาย และสายใหม่ที่สร้างขึ้น 1 สาย กลไกการจำลองของ DNA แบบนี้เป็นการจำลองแบบกึ่งอนุรักษ์ เรียกว่า semiconservative mechanism 

ในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอต ขณะที่เกิดการจำลองของ DNA จะมีเอ็นไซม์ DNA helicase กระตุ้นให้สาย DNA คลายเกลียวออก เมื่อสายพอลีนิวคลีโอไทด์สายหนึ่งแยกออก helix destabilizing protein จะเข้าไปรวมกับสายพอลีนิวคลีโอไทด์ที่แยกออกจากกันนี้เพื่อช่วยป้องกันไม่ให้มีการรวมตัวกันใหม่ของสายพอลีนิวคลีโอไทด์ และมีเอ็นไซม์ topoisomerase ช่วยป้องกันไม่ให้สาย DNA ผูกกันเป็นปมขณะที่เกิดการจำลอง

เอ็นไซม์ที่มีความสำคัญอย่างยิ่งในการจำลอง DNA คือ เอ็นไซม์ DNA polymerase มีหน้าที่นำเอานิวคลีโอไทด์เข้ามาบริเวณปลาย 3’ ของสายพอลีนิวคลีโอไทด์เดิม จนได้เป็นสายยาวด้วยกระบวนการที่เรียกว่า polymerization

ตำแหน่งเริ่มต้นการจำลอง DNA เรียกว่า origin of replication การจำลองจะเกิดขึ้นพร้อมกันทั้ง 2 สายของพอลีนิวคลีโอไทด์ และจะเห็นเป็นรูปคล้ายตัว Y เรียกว่า replication fork

เอ็นไซม์ DNA polymerase มีคุณสมบัติในการสร้างสายพอลีนิวคลีโอไทด์ใหม่จากทิศ 5’ ไปยัง 3’ เสมอ จึงทำให้สายพอลีนิวคลีโอไทด์สายใหม่ทั้ง 2 สายมีวิธีการสร้างที่แตกต่างกัน โดย DNA สายหนึ่งจะเกิดการสร้างสาย DNA สั้นๆ เป็นระยะๆ เรียก DNA ท่อนสั้นๆ ที่ได้จากการจำลองนี้ว่า Okazaki fragment ซึ่งจะถูกเชื่อมติดกันเป็น DNA สายยาวโดยเอ็นไซม์ ligase เรียก DNA สายที่มีกระบวนการสร้างไม่ต่อเนื่องนี้ว่า lagging strand

ส่วน DNA อีกสายหนึ่งจะสามารถสร้าง DNA จากทิศ 5’ ไป 3’ ได้อย่างต่อเนื่อง เรียกสาย DNA นี้ว่า leading strand

ดิพลอยด์ (diploid) คือ เซลล์ที่ประกอบด้วยโครโมโซม 2 ชุด(2n) โดยโครโมโซมจะอยู่กันเป็นคู่ๆ ได้แก่ เซลล์ร่างกายหรือ somatic cell ของมนุษย์ที่ประกอบด้วยโครโมโซม 46 แท่ง เกิดจากการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส(mitosis)

แฮพลอยด์ (haploid) คือ เซลล์ที่ประกอบด้วยโครโมโซมเพียง 1 ชุด(n) ที่ไม่เหมือนกันเลย ได้แก่ เซลล์สืบพันธุ์ของคน คือ ไข่ และ สเปิร์ม เกิดจากการแบ่งเซลล์สืบพันธุ์ที่เป็นการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส(meiosis) จึงมีโครโมโซมเป็นแฮพลอยด์ คือ 23 แท่ง เมื่อเกิดการปฏิสนธิจะได้ไซโกต(zygote) ที่มีโครโมโซมเป็น 46 แท่ง

การแสดงออกร่วมกัน หรือ ลักษณะเด่นร่วมกัน หรือ การข่มร่วมกัน (co-dominance, co-dominant) คือ การที่เฮเทอโรไซกัสยีน (heterozygous gene) มีแอลลีลทั้งสองเป็นแอลลีลเด่น (dominant allele) ที่ควบคุมลักษณะการแสดงออกที่แตกต่างกัน ทำให้ไม่มีแอลลีลใดสามารถข่มกันได้ ลักษณะที่แสดงออกมาจึงเป็นลักษณะเด่นร่วมกันทั้ง 2 ลักษณะ

ตัวอย่าง หมู่เลือดระบบ ABO มีแอลลีลเด่น(dominant allele) 2 แบบ คือ I^A และ I^B และมีแอลลีลด้อย(recessive allele) 1 แบบ คือ i

เมื่อแอลลีลเด่นทั้ง 2 แบบมาอยู่รวมกัน ได้จีโนไทป์เป็น I^AI^B จึงทำให้เกิดหมู่เลือด AB ซึ่งเป็นการแสดงลักษณะเด่นร่วมกันออกมาทั้ง 2 ลักษณะของแอลลีลเด่น I^A และ I^B ที่ควบคุมหมู่เลือดเหมือนกัน แต่มีการแสดงออกแตกต่างกัน 

HLA (ย่อมาจาก Human Leukocyte Antigen) เป็นกลุ่มยีนที่ควบคุมการสร้างไกลโคโปรตีนซึ่งเป็นสารก่อภูมิต้านทานหรือแอนติเจน (antigen) ที่อยู่บนเม็ดเลือดขาวและเนื้อเยื่อของร่างกาย โดย HLA แอนติเจนเปรียบเสมือนสิ่งที่ยืนยันตัวตนของเซลล์ เนื่องจากระบบภูมิกันของร่างกายจะไม่ทำลายเซลล์ที่มี HLA แอนติเจนตรงกับร่างกายของตน ทำให้เมื่อเชื้อโรคหรือสิ่งแปลกปลอมเข้าสู่ร่างกาย ระบบภูมิคุ้มกันจึงสามารถตรวจจับและทำลายเชื้อโรคเหล่านั้นได้ โดยไม่ทำลายเซลล์ของตนเอง 

ดังนั้นในการปลูกถ่ายอวัยวะ เนื้อเยื่องของผู้บริจาคจำเป็นต้องมี HLA แอนติเจนที่เหมือนหรือคล้ายกับผู้รับมากที่สุด การปลูกถ่ายจึงจะเห็นผลดี

กลุ่มยีน HLA ส่วนใหญ่อยู่บนโครโมโซมคู่ที่ 6 และยีน HLA บางชนิดมีความสัมพันธ์กับการเกิดโรคทางพันธุกรรม เช่น โรคแพ้กลูเตน (Celiac disease) รวมถึงโรคข้อและเนื้อเยื่อเกี่ยวพัน เนื่องจากยีนที่ก่อให้เกิดโรคเหล่านี้อยู่ในตำแหน่งใกล้เคียงกับยีน HLA บนโครโมโซม จึงมักถูกถ่ายทอดไปด้วยกัน