การจัดระเบียบ DNA ในเซลล์ยูคาริโอต

ในเซลล์ยูคาริโอต โครโมโซมจะอยู่ในนิวเคลียส มีโปรตีนยึดจับให้ขมวดเป็นรูปร่างเรียกว่าโครมาติน การจับขมวดรูปร่างเช่นนี้ทำให้สายดีเอ็นเอซึ่งยาวมากสามารถอยู่ในนิวเคลียสได้ โครงสร้างของโครโมโซมและโครมาตินนั้นแตกต่างกันไปในแต่ละระยะของวัฏจักรเซลล์ เมื่อโครมาตินถูกขมวดแน่นขึ้นไปอีกก็จะเรียกว่าโครโมโซม เป็นหน่วยย่อยที่สำคัญของการแบ่งเซลล์ ซึ่งการแบ่งเซลล์จะสำเร็จได้นั้น โครโมโซมจะต้องผ่านกระบวนการทำซ้ำ (replication) แยกตัว (division) และส่งต่อไปยังเซลล์ลูกทั้งสองได้อย่างสมบูรณ์ เพื่อให้สิ่งมีชีวิตนั้น ๆ สามารถสืบทอดเผ่าพันธุ์และคงความหลากหลายทางพันธุกรรมเอาไว้ได้ โครโมโซมนั้นอาจจะอยู่เดี่ยว (unduplicated) หรืออยู่เป็นคู่ (duplicated) ก็ได้แล้วแต่ระยะ โดยโครโมโซมเดี่ยวนั้นประกอบจากสายดีเอ็นเอสายเดียวขดพันกัน ส่วนโครโมโซมที่เป็นคู่นั้นประกอบด้วยสายดีเอ็นเอที่เหมือนกันทุกประการสองสาย เรียกว่า โครมาทิด หรือซิสเตอร์โครมาทิด เชื่อมกันด้วยเซนโทรเมียร์

Fig. 2: โครงสร้างหลักของการเก็บ DNA : DNA, นิวคลีโอโซม, เส้นใย"ลูกปัดบนเส้นด้าย" 10 nm, เส้นใย 30 nm fibre และโครโมโซมในเมตาเฟส

ยูคาริโอต (เซลล์ที่มีนิวเคลียส เช่นในพืช ยีสต์ หรือสัตว์) มีโครโมโซมขนาดใหญ่หลายสายอยู่ในนิวเคลียส แต่ละโครโมโซมมีหนึ่งเซนโทรเมียร์ ซึ่งมีแขนหนึ่งหรือสองแขนยื่นออกมา อย่างไรก็ตาม ในสภาวะส่วนใหญ่จะไม่สามารถสังเกตเห็นแขนเหล่านี้ได้ นอกจากนี้ ยูแคริโอตส่วนใหญ่ยังมีไมโทคอรเดรียลดีเอ็นเอเป็นวงกลมขนาดเล็ก และยูแคริโอตบางชนิดมีดีเอ็นเอทั้งแบบเส้นและวงแหวนขนาดเล็กอยู่ในไซโทพลาซึม

ในโครโมโซมในนิวเคลียสของยูคาริโอต สายดีเอ็นเอที่ไม่ได้อัดแน่น (uncondensed) จะมีโครงสร้างที่กึ่งมีระเบียบ โดยพันอยู่รอบโปรตีนฮิสโตน เป็นสารเชิงซ้อนเรียกว่า โครมาติน

โครมาติน

โครมาตินเป็นสารเชิงซ้อนระหว่าง DNA กับโปรตีนในนิวเคลียสของเซลล์ยูคาริโอต โครงสร้างของโครมาตินจะแตกต่างกันไปตามขั้นตอนในวัฏจักรเซลล์ ขึ้นกับความต้องการของสายดีเอ็นเอ

โครมาตินในอินเตอร์เฟส

ในช่วงอินเตอร์เฟส (ช่วงของวัฏจักรเซลล์ที่เซลล์ไม่ได้แบ่งตัว) สามารถพบโครมาตินได้สองประเภทคือ:

• ยูโครมาติน (Euchromatin)ประกอบด้วย active DNA นั่นคือ ดีเอ็นเอที่แสดงลักษณะเป็นโปรตีน
• เฮเทอโรโครมาติน (Heterochromatin) ส่วนใหญ่เป็น inactive DNA ซึ่งเชื่อว่ามีหน้าที่เกี่ยวกับการค้ำจุนทางโครงสร้างในขั้นตอนต่าง ๆ เฮเทอโรโครมาตินสามารถแบ่งเป็นสองแบบได้แก่:
  • Constitutive heterochromatin ไม่แสดงลักษณะทางพันธุกรรม ตั้งอยู่บริเวณเซนโทรเมียร์และมักมีลำดับเบสซ้ำ
  • Facultative heterochromatin ซึ่งมีการแสดงลักษณะทางพันธุกรรมเป็นบางครั้ง

โครมาตินในเมตาเฟสและการแบ่งตัว

โครโมโซมมนุษย์ในเมทาเฟส

ในขั้นตอนแรก ๆ ของการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสหรือไมโอซิส สายโครมาตินจะอัดตัวหนาแน่นขึ้น เป็นโครงสร้างที่กระทัดรัดและขนส่งได้ง่าย ทำให้ไม่สามารถเข้าถึงรหัสพันธุกรรม(เพื่อทำการถอดรหัส)ได้อีกต่อไป โครงสร้างที่อัดแน่นนี้ทำให้สามารถสังเกตเห็นโครโมโซมแต่ละอันได้ชัดเจน และมีลักษณะเป็นสี่แขนแบบที่มักคุ้นเคย กล่าวคือเป็นคู่ของโครมาทิดที่ติดกัน ณ เซนโทรเมียร์ แขนที่สั้นกว่าเรียกว่า p arms (จากภาษาฝรั่งเศส petit แปลว่า เล็ก) และแขนที่ยาวกว่าเรียกว่า q arms (เพราะ q ตามหลัง p ในอักษรละติน หรือบางแหล่งกล่าวว่า q มาจาก queue แปลว่า สูง ในภาษาฝรั่งเศส[1]) สภาวะนี้เป็นแบบเดียวในธรรมชาติที่สามารถเห็นโครโมโซมแต่ละอันแยกจากกันอย่างชัดเจนโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แสง

ในไมโทซิส ไมโครทูบูลจะยืดออกมาจากเซนโทรโซมทั้งสองที่อยู่ขั้วตรงข้ามกันของเซลล์ และไปยึดกับเซนโทรเมียร์ที่โครงสร้างพิเศษเรียกว่า ไคนีโทคอร์ (kinetochore) ซึ่งจะมีหนึ่งอันต่อหนึ่งโครมาทิด บริเวณไคนีโทคอร์จะมีลำดับเบส DNA กับโปรตีนพิเศษที่ทำให้เกิดการยึดเกาะได้แน่นหนา จากนั้นไมโครทูบูลจะดึงเอาโครมาทิดออกจากกันไปสู่เซนโทรโซม ทำให้เซลล์ลูกแต่ละเซลล์ได้รับโครมาทิดหนึ่งชุด เมื่อเซลล์แบบตัวแล้ว โครมาทิดจะคลายตัวออกเป็นสายดีเอ็นเอที่สามารถทำการถอดรหัสได้อีกครั้งหนึ่ง โครโมโซมมีความอัดแน่นทางโครงสร้างสูงมาก ซึ่งทำให้สายดีเอ็นเอขนาดใหญ่สามารถอยู่ในนิวเคลียสได้ (Fig. 2)

โครโมโซมมนุษย์

โครโมโซมของมนุษย์อาจแบ่งออกได้เป็นสองกลุ่ม คือออโตโซม และโครโมโซมเพศ ลักษณะทางพันธุกรรมบางอย่างนั้นมีความเชื่อมโยงกับเพศ และถ่ายทอดไปทางโครโมโซมเพศ ส่วนลักษณะอื่น ๆ ที่เหลือ ถูกเก็บไว้บนออโตโซม โครโมโซมทั้งสองประเภทมีกระบวนการเปลี่ยนแปลงขณะแบ่งเซลล์ในลักษณะเดียวกัน เซลล์มนุษย์มีโครโมโซมรวมแล้ว 23 คู่ เป็นออโตโซม 22 คู่ และโครโมโซมเพศอีก 1 คู่ รวมเป็นมีโครโมโซม 46 แท่ง ต่อหนึ่งเซลล์ นอกจากนี้ยังมีไมโตคอนเดรียลจีโนม หรือข้อมูลพันธุกรรมในไมโตคอนเดรีย อีกหลายร้อยชุดต่อเซลล์ ข้อมูลที่ได้จากการหาลำดับดีเอ็นเอ (DNA sequencing) ของจีโนมมนุษย์ทำให้ได้ข้อมูลของโครโมโซมแต่ละแท่งมากขึ้น ตารางข้างล่างแสดงข้อมูลทางสถิติของโครโมโซมแต่ละแท่ง ข้อมูลนี้มาจากข้อมูลจีโนมมนุษย์ใน VEGA database ของสถาบัน Sanger[2] จำนวนยีนบนโครโมโซมแต่ละแท่งเป็นค่าประมาณจากการทำนายยีน ความยาวทั้งหมดของโครโมโซมเป็นค่าประมาณเช่นกัน รวมถึงการประมาณขนาดของบริเวณเฮเทอโรโครมาตินซึ่งไม่ได้รับการถอดลำดับ

ค่าประมาณของจำนวนยีนและคู่เบส (หน่วยเมกะคู่เบส) บนโครโมโซมมนุษย์แต่ละแท่ง

โครโมโซม	จำนวนยีน	จำนวนคู่เบสทั้งหมด	คู่เบสที่ลำดับแล่ว[3]	สะสม(%)
1	2,000	247,199,719	224,999,719	7.9
2	1,300	242,751,149	237,712,649	16.2
3	1,000	199,446,827	194,704,827	23.0
4	1,000	191,263,063	187,297,063	29.6
5	900	180,837,866	177,702,766	35.8
6	1,000	170,896,993	167,273,993	41.6
7	900	158,821,424	154,952,424	47.1
8	700	146,274,826	142,612,826	52.0
9	800	140,442,298	120,312,298	56.3
10	700	135,374,737	131,624,737	60.9
11	1,300	134,452,384	131,130,853	65.4
12	1,100	132,289,534	130,303,534	70.0
13	300	114,127,980	95,559,980	73.4
14	800	106,360,585	88,290,585	76.4
15	600	100,338,915	81,341,915	79.3
16	800	88,822,254	78,884,754	82.0
17	1,200	78,654,742	77,800,220	84.8
18	200	76,117,153	74,656,155	87.4
19	1,500	63,806,651	55,785,651	89.3
20	500	62,435,965	59,505,254	91.4
21	200	46,944,323	34,171,998	92.6
22	500	49,528,953	34,893,953	93.8
X (โครโมโซมเพศ)	800	154,913,754	151,058,754	99.1
Y (โครโมโซมเพศ)	50	57,741,652	25,121,652	100.0
รวม	20,000 ถึง 25,000[4]	3,079,843,747	2,857,698,560	100.0