ยีนและโครโมโซม

การถ่ายทอดยีนและโครโมโซม

                สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่แต่และชนิดประกอบขึ้นด้วยเพศที่แตกต่างกัน คือ เพศผู้และเพศเมีย ลูกที่เกิดขึ้นจะพัฒนามาจากเซลล์ที่เกิดขึ้นจากเซลล์พิเศษของ เพศผู้ คือ " สเปิร์ม " และเซลล์พิเศษของเพศเมียคือ " เซลล์ไข่ " มารวมตัวกันเป็น " ไซโกต " โดยกระบวนการสืบพันธุ์ ดังนั้น ยีนจากพ่อและแม่น่าจะมีการส่งถ่ายสู่ลูกด้วยกระบวนการดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งข้อสังเกต ดัวยกล้องจุลทรรศน์เห็นการรวมตัวของสเปิร์มและเซลล์ไข่ของกบและหอยเม่น

ต่อมาเมื่อมีการค้นพบ สีย้อมนิวเคลียสในปี พ.ศ. 2423 จึงพบว่าในนิวเคลียสมีโครงสร้างที่มีลักษณะเป็นเส้น เรียกว่า " โครโมโซม " สีย้อมดังกล่าวทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงของโครโมโซมขณะมีการแบ่งเซลล์ และทำให้รู้จัก การแบ่งเซลล์ใน 2 ลักษณะคือการแบ่งเซลล์ของไมโทซิส ซึ่งพบว่า กระบวนการนี้เซลล์ลูกที่เกิดขึ้นจะมีโครโมโซมเหมือนกันทั้งหมด ดังภาพ 1-1 ก. และ การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส ที่มีผลทำให้เซลล์ลูกที่เกิดขึ้นจะมีจำนวนโครโมโซมเป็นครึ่งหนึ่งของเซลล์เริ่มต้น (haploid cell)

ในปี พ.ศ.2445 วอลเตอร์ ซัตตัน (Walter Sutton) เป็นบุคคลแรกที่เสนอ  ทฤษฎีโครโมโซมในการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม (Chromosome theory of inheritance) โดยเสนอว่าสิ่งที่เรียกว่า แฟกเตอร์จากข้อเสนอของเมนเดลซึ่งต่อมาเรียกว่า " ยีน " นั้นน่าจะอยู่บนโครโมโซม เพราะมีเหตุการณ์หลายอย่างที่ยีนและโครโมโซมมีความสอดคล้องกัน ดังนี้

1.ยีนมี 2 ชุด และโครโมโซมก็มี 2 ชุด

2.ยีนและโครโมโซมสามารถถ่ายทอดไปสู่รุ่นลูกหลาน

3.ขณะที่มีการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส โครโมโซมมีการเข้าคู่กัน และต่างแยกจากกันไปยังเซลล์ลูกที่เกิดขึ้นคนละเซลล์ ซึ่งลักษณะเดียวกันนี้ก็เกิดขึ้นได้กับยีน โดยมีการแยกตัวของแอลลีนทั้งสองไปยังเซลล์สืบพันธุ์

4.การแยกตัวของโครโมโซมที่เป็นคู่กันไปยังขั้วเซลล์ขณะที่มีการแบ่งเซลล์ แต่ละคู่ดำเนินไปอย่างอิสระ เช่นเดียวกับการแยกตัวของแต่ละแอลลีลไปยังเซลล์สืบพันธุ์

5.ขณะเกิดการสืบพันธุ์ การรวมของเซลล์ไข่และสเปิร์มเกิดเป็นไซโกตเป็นไปอย่างสุ่ม ทำให้เกิดการรวมกันระหว่างชุดโครโมโซมจากเซลล์ไข่และสเปิร์มเป็นไปอย่างสุ่มด้วย ซึ่งเหมือนกับการที่ชุดของแอลลีนที่เกิดขึ้น ในเซลล์สืบพันธุ์ของพ่อกลับมารวมกันอีกครั้งกับแอลลีลในเซลล์สืบพันธุ์ของแม่ เมื่อมีการสืบพันธุ์ก็เป็นไปอย่างสุ่มเช่นกัน

6.ทุกเซลล์ที่พัฒนามาจากไซโกตจะมีโครโมโซมครึ่งหนึ่งจากแม่และอีกครั้งหนึ่งของพ่อ ซึ่งยีนครึ่งหนึ่งก็จะมาจากแม่และอีกครึ่งหนึ่งก็จะมาจากพ่อเช่นกัน ทำให้ลูกที่เกิดมามีลักษณะแปรผันไปจากพ่อและแม่

ในปี พ.ศ.2412 เอฟ มิเชอร์ (F. Miescher) นักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดน ได้ศึกษาส่วนประกอบในนิวเคลียสของเซลล์เม็ดเลือดขาวที่ติดมากับผ้าพันแผล โดยนำมาย่อยเอาโปรตีนออกด้วยเอนไซม์เพปซิน พบว่าเอนไซม์นี้ไม่สามารถย่อยเอาโปรตีนที่อยู่ภายในนิวเคลียสได้ เมื่อนำสารนี้มาวิเคราะห์ทางเคมีก็พบว่า มีธาตุไนโตรเจนและฟอสฟอรัสเป็นองค์ประกอบ จึงเรียกสารที่สกัดได้จากนิวเคลียสว่า นิวคลีอิน (Nuclein) ต่อมาอีก 20 ปี ได้มีการเปลี่ยนชื่อใหม่ว่า กรดนิวคลีอิก เนื่องจากมีผู้ค้นพบว่าสารนี้มีสมบัติเป็นกรด

ภาพ 2-1 เอฟ มิเชอร์

เมื่อมีการพัฒนา สีฟุคซิน (Fuchsin) ในปี พ.ศ.2457 โดย อาร์ ฟอยล์เกน (R. Feulgen)นักเคมีชาวเยอรมัน ซึ่งสีนี้ย้อมติด DNA ให้สีแดง และเมื่อนำไปย้อมเซลล์ พบว่าติดที่นิวเคลียสและรวมตัวหนาแน่นที่โครโมโซม จึงสรุปได้ว่า DNA อยู่ที่โครโมโซม จะเป็นไปได้หรือไม่ว่า DNAเป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต ถ้า DNA เป็นสารพันธุกรรม DNA จะต้องควบคุมการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมได้ดังนั้นโครโมโซม นอกจากจะมีโปรตีนแล้วยังมี DNA อีกด้วย

การค้นพบ DNA อยู่ที่โครโมโซม ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า DNA เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตต่างๆ แต่ก็มีนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากในสมัยนั้นเชื่อว่า สารพันธุกรรมน่าจะเป็น โปรตีน เนื่องจากโปรตีนเป็นสารชีวโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้วย กรดอะมิโน 20 ชนิด จึงน่าจะมีโปรตีนชนิดต่างๆ มากพอที่จะควบคุมลักษณะของสิ่งมีชีวิตได้อย่างครบถ้วน

ในปี พ.ศ.2471 เอฟ กริฟฟิท (F. Griffith) แพทย์ชาวอังกฤษ ทำการทดลองโดยฉีดแบคทีเรีย (Streptococcus Pneumoniae) ที่ทำให้เกิดโรคปอดบวมเข้าไปในหนู แบคทีเรียที่ฉีดเข้าไปนี้มี 2 สายพันธุ์ คือ สายพันธุ์ที่มีผิวหยาบ เพราะไม่มีสารห่อหุ้มเซลล์หรือ แคปซูล (Capsule)ไม่ทำให้เกิดปอดบวม เรียกว่าสายพันธุ์ R (Rough) ส่วนสายพันธ์ที่มีผิวเรียบ เรียกว่าสายพันธุ์ S (Smooth) ตามการทดลองดังภาพที่ 2-2 

ภาพที่ 2-2

กริฟฟิทนำแบคทีเรียสายพันธุ R ฉีดให้หนู พบว่าหนูไม่ตาย ดังภาพที่ 2-2 ก. ต่อมาฉีดแบคทีเรียสายพันธุ์ S ให้หนูพบว่าหนูตาย ดังภาพที่ 2-2 ข.  เมื่อนำแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ทำให้ตายด้วยความร้อนแล้วฉีดให้หนูพบว่าหนูไม่ตาย ดังภาพที่ 2-2 ค. แต่เมื่อนำแบคทีเรียสายพันธุ์ Sที่ทำให้ตายด้วยความร้อนผสมสายพันธุ์ R ที่มีชีวิต ทิ้งไว้ระยะเวลาหนึ่งแล้วฉีดให้หนูพบว่าหนูตาย เมื่อนำไปตรวจเลือดหนูที่ตายปรากฏว่ามีแบคทีเรียสายพันธุ์ S ปนอยู่กับ สายพันธุ์ R ดังภาพ 2-2ง.

สิ่งที่น่าสงสัยคือเหตุใดเมื่อนำแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ทำให้ตายด้วยความร้อน ไปผสมกับสายพันธุ์ R ที่มีชีวิตแล้วฉีดให้หนูจึงทำให้หนูตาย กริฟฟิทได้รายงานว่ามีสารบางอย่างจากแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ทำให้ตายด้วยความร้อนเข้าไปยังสายพันธุ์ R บางเซลล์และสามารถทำให้แบคทีเรียสายพันธุ์ R เปลี่ยนแปลงเป็นสายพันธุ์ S ที่มีชีวิต สายพันธุ์ S เหล่านี้ยังสามารถถ่ายทอดลักษณะไปสู่รุ่นลูกหลานอย่างไรก็ตาม กริฟฟิทก็ไม่สามารถพิสูจน์ได้ว่าสารนั้นคืออะไร

 ในปี พ.ศ.2487 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน 3 คน คือ โอ ที แอเวอรี่ (O. T. Avery)ซี แมคลอยด์ (C. MacLeod) และ เอ็ม แมคคาร์ที (M. McCarty) ทำการทดลองต่อจากกริฟฟิท โดยนำแบคทีเรียสายพันธุ์ S มาทำให้ตายด้วยความร้อนและสกัดเอาสารจากสายพันธุ์ S ออกมาใส่ในหลอดทอลอง 4 หลอด แล้วเติม เอนไซม์ RNase (Ribouclease) ในหลอดทดลอง ก. เพื่อย่อยสลาย RNA. เติม เอนไซม์โปรตีเอส (Protease) ลงในหลอดทดลอง ข. เพื่อย่อยสลายโปรตีน และเติม เอนไซม์ DNase (Deoxyribonuclease) ลงในหลอดทดลอง ค. เพื่อย่อยสลายDNA ส่วนหลอด ง. เป็นการทดลองชุดควบคุม ซึ่งไม่มีการเติมเอนไซม์อื่นใดเพิ่มเติม ต่อจากนั้นเติมแบคทีเรียสายพันธุ์ R ลงในหลอดทดลอง ดังการทดลองในภาพที่ 2-3 ปล่อยไว้ระยะเวลาหนึ่งจึงนำไปเพาะเลี้ยงในอาหารวุ้น แล้วตรวจสอบแบคทีเรียที่เกิดขึ้น

จากผลการทดลองของแอเวอรี่และคณะ ปรากฏว่าส่วนผสมของแบคทีเรียสายพันธุ์ R กับสารสกัดจากสายพันธุ์ S ที่ทำให้ตายด้วยความร้อน ในภาวะที่มีเอนไซม์ DNase จะไม่พบแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่เกิดขึ้นใหม่ ในขณะที่ในส่วนผสมของแบคทีเรียสายพันุธ์ R กับสารสกัดจากสายพันธุ์S ในภาวะที่มีเอนไซม์ RNase และภาวะที่มีเอนไซม์โปรตีเอส จะพบสายพันธุ์ S ที่เกิดขึ้น การทดลองครั้งนี้แสดงให้เห็นว่า DNA คือสารที่เปลี่ยนพันธุกรรมของแบคทีเรียจากสายพันธุ์R ให้เป็นสายพันธุ์S แอเวอรี่จึงสรุปได้ว่ากรดนิวคลีอิกชนิด DNA เป็นสารพันธุกรรม ไม่ใช่โปรตีนดังที่เคยเชื่อกันมาก่อนหน้านี้

นอกจากนี้ยังมีการทดลองอื่นๆตามมาที่ยืนยันตรงกันว่า DNA เป็นสารพันธุกรรม ต่อมาได้มีการค้นพบว่า DNA เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทั่วไปทั้ง คน สัตว์ พืช โพรทิสต์ แบคทีเรีย ไวรัส และยังพบว่า RNA เป็นสารพันธุกรรมในไวรัสบางชนิด เช่น ไวรัสที่ทำให้เกิดโรคใบด่างในใบยาสูบ ไวรัสที่เป็นสาเหตุของโรคโปลิโอ เอดส์ ซาร์ส ไข้หวัดนก และโรคมะเร็งบางชนิด เป็นต้น

ดังนั้นจึงถือได้ว่าผลการทดลองของกริฟฟิท แอเวอรี่ และคณะ เป็นจุดเริ่มต้นที่นำไปสู่ข้อสรุปที่สำคัญเป็นอย่างมากก็คือ ยีนหรือสารพันธุกรรมซึ่งทำหน้าที่ถ่ายทอดลักษณะของสิ่งมีชีวิตไปสู่รุ่นต่อๆไปนั้น เป็นสารชีวโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ชื่อว่า DNA นั่นเอง และจากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ในระยะต่อมาพบว่า DNA มีส่วนที่ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมและส่วนที่ไม่ได้ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม ส่วนที่ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม เรียกว่า ยีน ดังนั้น หน่วย พันธุกรรมที่เมนเดลเรียกว่า แฟกเตอร์ ก็คือยีนที่อยู่ในโครโมโซมนั่นเอง