300104 Dr. La-iad Nakkrasae

3. Cell division and Cell cycle

กระบวนการแบงเซลลทําให

1) เปนการเพิ่มจํานวนสิ่งมีชีวิตเซลลเดียว จาก 1 เซลล เปน 2 เซลล (ดังรูป 3-1a)

2) เกิดการเจริญเติบโต เชน หลังจากที่ไขและสเปรมเกิดการผสมกัน เซลลจะมีการแบงตัวเพื่อเพิ่มจํานวน

(ดังรูป 3-1b)

3) ซอมแซมสวนที่สึกหรอ เซลลที่ตายไปจะถูกทดแทนดวยเซลลใหม เชน ดังรูป 3-1c เปนเซลลไขกระดูกที่

มีการแบงตัวเพื่อสรางเปนเซลลเม็ดเลือด

รูป 3-1a เซลลของอะมีบา

กําลังแบงตัวจาก 1 เซลลเปน

2 เซลล เปนการเพิ่มจํานวน

(Campbell and Reece,

2002)

รูป 3-1b การแบงตัวของตัว

ออนเพื่อการเจริญเติบโต

3-1c เซลลไขกระดูกที่มีการ

แบงตัวเพื่อสรางเปนเซลลเม็ด

เลือด

กระบวนการแบงเซลลเปนกระบวนการที่ตองมีการแบงสารพันธุกรรม คือ DNA ใหกับเซลลลูก ซึ่งการ

สงถายสารพันธุกรรมใหเซลลลูกนั้นสารพันธุกรรมของเซลลแมตองมีการจําลองตัวเองขึ้นมาอีก 1 ชุด เพื่อทํา

การแบงแตละชุดใหกับเซลลลูกแตละเซลล

ขอมูลที่บรรจุใน DNA ทั้งหมด เรียกวา Genome ซึ่ง Prokaryotic genome ประกอบดวยสาย DNA

เพียงแคสายเดียว สวน Eukaryotic genome ประกอบดวยสาย DNA มากกวา 1 สาย และมีความยาวมาก

เชน genome ของคนยาวถึงประมาณ 3 เมตร ซึ่งความยาวมากถึง 300,000 เทาของเสนผานศูนยกลางของ

เซลล เพราะฉะนั้นกอนที่เซลลจะมีการแบงตัว DNA จะตองมีการจําลองตัวเองและหดสั้นเพื่องายตอการแบงตวั

โครงสรางที่หดสั้นของ DNA เรียกวา Chromosome ซึ่งจํานวน Chromosome ในแตละสิ่งมีชีวิตจะมีจํานวน

แตกตางกัน เชน ในคน somatic cell หรือเซลลรางกายมีจํานวน chromosome 46 แทง เซลลสืบพันธุคือไขและ

สเปรมมี 23 แทง

37

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

Chromosome ที่จําลองตัวเองเสร็จแลวจะประกอบดวย sister chromatid เชื่อมติดอยูดวยกัน (ดังรูป

3-2) บริเวณที่ sister chromatid เชื่อมติดกันมีลักษณะคอดเวาเรียกบริเวณนี้วา centromere โดยตําแหนง

centromere ของ chromosome ตางแทงกันมีบริเวณที่แตกตางกัน ที่บริเวณ centromere จะพบ kinetochore

ซึ่งเปนบริเวณที่ microtubule มาจับเพื่อแยก chromatid ออกจากกัน (ดังรูป 3-4)

รูป 3-2 รูปรางของ chromosome ในขณะที่มีการจําลองตัวเองขึ้นมาและมีลักษณะที่หดแนนเพื่อ

สะดวกในการแบงตัวในภายหลัง เรียกแตละแทงของ chromosome วา sister chromatid ซึ่งจะ

เชื่อมติดกันตรง centromere (Campbell and Reece, 2002)

The mitotic cell cycle Cell cycle เปนเหตุการณที่เกิดตอเนื่องระหวางการแบงเซลลคร้ังหนึ่งจนกระทั่งครบรอบการแบงเซลล

คร้ังตอไป กระบวนการ mitosis เปนกระบวนการหนึ่งของ cell cycle (ดังรูป 3-3) ความจริงแลว mitotic phase

(M) จะรวมทั้งกระบวนการ mitosis และ cytokinesis ซึ่งเปนกระบวนการที่ส้ันที่สุดของ cell cycle โดย

กระบวนการ Interphase เปนกระบวนการที่เกิดนานที่สุดและใชระยะเวลาถึง 90% ของ cell cycle เซลลใน

ระยะนี้มีขนาดใหญข้ึนประมาณ 2 เทา เนื่องจากองคประกอบของ cytoplasm เพิ่มขึ้น ในระยะ Interphase

สามารถแบงแยกยอยออกเปน

G1 phase มาจาก Gap ที่ 1 เปนชวงที่เซลลมีการเจริญเติบโต เพิ่มขนาดและหนาที่ของเซลล กอนที่จะ

มีการจําลองแบบ DNA

S phase มาจาก synthesis of DNA เปนระยะที่มีการสังเคราะหหรือจําลองแบบ DNA

38

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

G2 phase มาจาก Gap ที่ 2 เปนชวงเวลาหลังการจําลองแบบ DNA เปนการเตรียมความพรอม

สําหรับการแบงเซลลที่จะเกิดขึ้นในลําดับตอมา

รูป 3-3 Cell cycle เปนเหตุการณที่เกิดตอเนื่องระหวางการแบงเซลล ประกอบดวย interphase

และ mitotic phase (Campbell and Reece, 2002)

สําหรับ Mitosis จะแบงออกเปน 5 ระยะยอย คือ prophase, prometaphase, metaphase,

anaphase และ telophase

-Late interphase (ดังรูปที่ 3-6) กอนเขาสูระยะ prophase ในเซลลสัตว centrioles และ

centrosomes มีการจําลองตัวเองเพิ่มข้ึนเปน 2 เทาบริเวณใกลกับนิวเคลียส centrioles จะอยูที่ centrosomes

ซึ่งเปนตําแหนงที่สราง microtubule เมื่อเขาสูระยะ prophase centriole และ centrosome ที่จําลองขึ้นมานี้จะ

เคลื่อนที่แยกออกจากกันและจะทําหนาที่สราง spindle fiber ตอไป

นักวิทยาสาสตรมีการพิสูจนวา centrioles ไมมีความสําคัญสําหรับกระบวนการการแบงเซลล โดยเมื่อ

ทําลาย centriole ดวยแสง laser พบวายังคงมีการสราง spindle fiber ในระยะการแบงเซลล นอกจากนี้เรา

พบวา centrosome ของเซลลพืชไมมี centriole ก็ยังสามารถมีการสราง spindle fiber และเกิดกระบวนการ

แบงเซลลได

- Prophase (ดังรูปที่ 3-6) เปนระยะแรกสุดของ mitosis โดย chromosome ทุกแทงไดถูกจําลองไว

หมดแลว โดยทุกแทงประกอบดวย 2 siser chromatid ที่เชื่อมกันบริเวณ centromere ในระยะนี้ chromosome

ที่มีลักษระคลายเสนดายจะขดและพันแนนเขาจนหนาขึ้น ในปลายระยะ prophase จะมองเห็น chromosome

มีลักษณะเปนเสนหนาคลายเชือก เมื่อส้ินสุดระยะ prophase เยื่อหุม nucleus เร่ิมสลายกลายเปนถุงเล็กๆ

กระจายอยูทั่วไป และ microtubule บางสวนเขาจับกับ chromosome ตรงบริเวณที่เรียกวา Kinetochore และ

เสนใย spindle ที่เหลือจะยื่นออกมาเหลื่อมซอนกับ spindle fiber ที่สรางจาก centrosome (ดังรูป 3-4) ของขั้ว

39

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

เซลลตรงกันขาม ในบริเวณกลางเซลลโดยใชพลังงานจาก ATP และ motor protein ไดแก dynein และ kinesin

ทําให spindle fiber สามารถเหยียดยาวและเคลื่อนยาย chromosome ได

รูป 3-4 The mitotic spindle at metaphase

- Metaphase (ดังรูปที่ 3-6) เปนระยะที่ microtubule จากขั้วเซลลดานหนึ่งจะจับกับ chromatid แทง

หนึ่งและ microtubule จากขั้วเซลลตรงขามจะจับอีก chromatid หนึ่งของ chromosome เดียวกัน มีการ

จัดเรียงตัวตรงกลางเซลล

- Anaphase (ดังรูปที่ 3-6) เปนระยะที่ Kinetochore ของ sister chromatid เคลื่อนที่แยกออกจากกัน

ตามแนวการดึงของ microtubule อาศัย Motor protein และการหดสั้นของ Microtubule ทําให chromatid ถูก

ดึงแยกออกจากกันไปยังขั้วเซลลตรงกันขาม ในขณะเดียวกัน Microtubule ที่เหลื่อมกันอยูบริเวณกลางเซลลก็

แยกออกจากกัน motor protein เปนตัวชวยใหเกิดการผลักกันออกของ Microtubule (ดังรูป 3-5) ซึ่ง sister

chromatid มีสารพันธุกรรมเหมือนกันทุกประการนี้เมื่อแยกออกจากกันก็จะกลายเปน chromosome ที่ทํา

หนาที่อยางอิสระในเซลลใหม

40

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

รูปที่ 3-5 แสดงการทํางานของ kinetochore ในการชวยดึงแยก sister chromatid ออกจากกัน

(Cooper, 2000)

- Interphase (ดังรูปที่ 3-6) เกิดขึ้นเมื่อ chromosome ทั้งหมดเคลื่อนที่มาที่ข้ัวเซลล ในระยะนี้แตละ

ซีกของเซลล ประกอบดวยกลุมของ chromosome ที่มีองคประกอบทางพันธุกรรมที่เหมือนกัน chromosome ที่

หดตัวแนนเริ่มคลายตัวออก และ vesicle ที่ไดจากการสลายตัวออกของเยื่อหุม nucleus เดิมในระยะ

prophase มารวมกันรอบๆ chromosome แตละกลุม จนกระทั่งไดเยื่อหุม nucleus เกิดขึ้นลอมรอบทั้ง 2

nucleus จะเห็นวาเซลลเร่ิมมี chromosome เปน 2 ชุด เมื่อเห็นวามี nucleus ทั้งสองเกิดขึ้นแสดงวาเปนการ

ส้ินสุดระยะ telophase และเปนการสิ้นสุดระยะ mitosis และเขาสูระยะตอไปของ cell cycle

41

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

รูป 3-6 ข้ันตอนการแบบ mitosis ในเซลลสัตว (Campbell and Reece, 2002)

การแบงไซโตพลาสซึม (Cytokinesis) ในกระบวนการแบงไซโตพลาสซึมของเซลลสัตว เราเรียกวากระบวนการ Cleavage ในการเริ่มตนเกิด

กระบวนการ cleavage จะเร่ิมเห็น cleavage furrow ซึ่งหมายถึงเยื่อหุมเซลลเร่ิมเวาลึกเขาบริเวณกึ่งกลาง

ระหวางขั้วเซลลเปนแนวรอง (ดังรูปที่ 3-7a) เปนการแสดงถึงไซโตพลาสซึมของเซลลสัตวเร่ิมแบงตัว โดยเริ่ม

เกิดบริเวณ metaphase plate เดิม จากการทํางานของ microfilament ของโปรตีน actin และ myosin โดยดึง

42

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

เยื่อหุมเซลลใหเวาเขาหากัน จนกระทั่งคอดมาชนกับเยื่อหุมเซลลอีกดานหนึ่งและไซโตพลาสซึมถูกแบงออกเปน

สองสวน การเกิด cell plate ในพืช การที่เซลลพืชมีผนังเซลลทําใหไมสามารถแบงไซโตพลาสซึมไดดวยวิธีเดียวกับเซลลสัตว ดังนั้นการ

แบงไซโตพลาสซึมของเซลลพืชจึงเกี่ยวของกับการสราง cell plate (ดังรูป 3-7b) กลไกที่เกิดขึ้นโดย vesicle ที่

บรรจุวัตถุดิบในการสรางผนังเซลลไวภายในหลายๆ vesicle เคลื่อนที่มาบริเวณกลางเซลล หลังจากนั้นเยื่อหุม

vesicle เขามาเชื่อมติดกันจนไดโครงสรางลักษณะเปนแผนจึงเรียกวา cell plate บริเวณนี้มีการสะสมของ

cellulose เกิดเปนผนังยาวตามขวางกั้นระหวางเซลลใหมสองเซลลและขยายออกจนกระทั่งเชื่อมกับผนังเซลล

เดิมสองดาน ทําใหเซลลทั้สองถูกแยกออกจากกันเปนเซลลใหม

รูปที่ 3-7 (a) การเกิดกระบวนการแบงไซโตพลาสซึมหรือ cleavage ของเซลลสัตว (b)

กระบวนการสรางเซลลเพลทในเซลลพืช (Campbell and Reece, 2002) วิวัฒนาการของการแบงเซลลแบบ mitosis วิวัฒนาการของการแบงเซลลแบบ Mitosis ของ Eukaryote มาจากการแบงแบบ binary fission ของ

แบคทีเรีย chromosome ของแบคทีเรียมีลักษณะเปนวง มี 1 วง ถึงแมวาแบคทีเรียจะมีขนาดเล็กและมีความ

ซับซอนนอยกวา eukaryote แตปญหาการแบง genome มีลักษณะเหมือนกัน โดยถายืด chromosome ของ

แบคทีเรียออกไปจะมีความยาวมากกวาเสนผานศูนยกลางของเซลลถึง 500 เทา ดังนั้น chromosome ตองมี

การหดสั้นลงกอนที่จะเริ่มกระบวนการแบงเซลล

43

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

Prokaryote ไมมี Mitotic spindle ดังนั้น chromosome ที่มีการจําลองตัวเองขึ้นมากอนหนานี้สามารถ

แยกออกจากกันไดอยางไร มีสมมติฐานที่เสนอในชวงป ค.ศ.1960 วาการแยก chromosomeของแบคทีเรียเกิด

จากการยึดเกาะกับผนังของเยื่อหุมเซลลที่มีการสรางขึ้นใหมตรงกลางของเซลล (ดังรูปที่ 3-8) นอกจากนี้เวลาที่

มีการจําลอง chromosome ของแบคทีเรีย จุดตั้งตนที่เร่ิมมีการจําลองตัวเองเรียกวา Origin of replication

บริเวณ chromosome ที่มีการจําลองเสร็จแลวจะแยกออกจากกันอยางรวดเร็ว ในที่สุดเมื่อส้ินสุดการจําลอง

แลว chromosome จะเคลื่อนไปอยูคนละดานของเซลล กลไกที่อธิบายวา chromosome ของแบคทีเรีย

เคลื่อนที่นั้นยังคงยังไมเปนที่รูแนชัด

รูปที่ 3-8 กระบวนการแบงเซลลของแบคทีเรีย (Binary fission) (Campbell and Reece, 2002)

กระบวนการควบคุมของ Cell cycle ระยะเวลาการแบงเซลลของพืชและสัตวในแตละระยะมีความสําคัญตอการเจริญเติบโตและการคง

สภาพของสิ่งมีชีวิต ความถี่ของการแบงเซลลข้ึนอยูกับชนิดของเซลล ยกตัวอยาง เชน เซลลผิวหนังแบงเซลลได

ตลอดชวงชีวิต เซลลตับจะมีการแบงเซลลตอเมื่อเพื่อทดแทนเซลลสวนที่ถูกทําลาย บางเซลลเชน เซลลประสาท

และเซลลกลามเนื้อจะไมมีการแบงเซลลเลยในคนที่เจริญเติบโตเต็มที่ ดังนั้นในกระบวนการควบคุม cell cycle

ของเซลลดังกลาวนี้ยอมมีความแตกตางกัน ซึ่งกลไกการควบคุมนี้ไมเพียงทําใหเราเขาใจชวงระยะเวลา cell

cycle ของเซลลปกติทั่วๆ แลวยังทําใหเราเขาใจวาเซลลมะเร็งที่กอตัวขึ้นนั้นเกี่ยวของกับความผิดปกตขิองกลไก

การควบคุมของ cell cycle

44

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

มีคําถามวา อะไรที่ชวยขับเคลื่อนทําใหเกิด cell cycle มีสมมติฐานหนึ่งกลาววาแตละเหตุการณหนึ่ง

ของ cell cycle จะชวยกระตุนใหเกิดเหตุการณถัดไป เชน การจําลอง chromosome ในระยะ S phase จะเปน

เหตุผลที่ทําใหเซลลมีการเจริญเติบโตในระยะ G2 ซึ่งตอเนื่องไปกระตุนกระบวนการ mitosis แตถึงอยางไร

สมมติฐานนี้ไดพิสูจนวาไมเปนความจริง

ในชวงตน ค.ศ 1970 มีการทดลองชี้ใหเห็นวา Cell cycle ถูกขับเคลื่อนใหเกิดขึ้นดวยสารบางอยางทีอ่ยู

ในไซโตพลาสซึม ทดลองในเซลลเพาะเลี้ยงของคน โดยหลอมเซลลสองเซลลที่มีระยะของเซลลที่แตกตางกันให

เปนเซลลเดียวที่มี 2 nuclei ถาเซลลที่หนึ่งเปนระยะ S phase และอีกเซลลเปนระยะ G1 หลังจากการหลอม

เซลลแลว nucleus ของเซลลที่เปนระยะ G1 จะกลายเปนระยะ S phase (รูปที่ 3-9a) ในลักษณะเดยีวกนั เซลล

ระยะ M และ G1 phase หลอมรวมกัน nucleus ของ G1 phase จะกลายเปนเซลลระยะ M phase (รูปที่ 3-

9b)

รูปที่ 3-9 หลักฐานจากการทดลองที่พิสูจนวาสารเคมีที่อยูในไซโตพลาสซึมชวยควบคุม Cell cycle

(Campbell and Reece, 2002)

เซลลในรางกายของสัตว เชน เซลลของทางเดินอาหาร เซลลตับ เซลลไขกระดูก เปนตน สามารถแบง

เซลลเพื่อทดแทนเซลลที่ตายไปตลอดเวลาภายใตการควบคุมอยางมีระบบ กลไกระดับเซลลสามารถควบคุม

การเติบโตของเซลล การจําลองแบบ DNA และการแบงเซลลรวมทั้งยังควบคุมวาเมื่อใดที่เซลลตองหยุดพัก ใน

กระบวนการแบงเซลลจะเกิดอะไรขึ้นถา sister chromatid ไมแยกออกจากกันในระยะ mitosis ผลทีไ่ดคอื เซลล

ลูกที่ไดเซลลหนึ่งจะมี chromosome มากกวาปกติในขณะที่อีกเซลลจะมี chromosome นอยกวาปกติ อีก

ปญหาหนึ่งที่เกิดกับเซลลบอยๆ คือ โมเลกุลของ DNA ถูกทําลายจากอนุมูลอิสระหรือ peroxide ซึ่งเปนผลผลิต

45

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

ทุติยภูมิจากกระบวนการเมตาบอลิซึม ดังนั้นเซลลตองมีกลไกในการควบคุมไมใหความผิดปกติเหลานี้ถูกสง

ตอไปยังเซลลลูก

ระบบการควบคุมของ cell cycle มีหลายระบบหรือหลาย checkpoint ซึ่งจะมีการตรวจสอบความ

ถูกตองและความพรอมในแตละขั้นตอนกอนที่จะเขาสูข้ันตอนตอไป (ดังรูปที่ 3-10) การที่มีจุดตรวจสอบความ

ถูกตองชวยปองกันไมใหเกิดความผิดพลาดในการแบงเซลล โดยมีโปรตีนจําเพาะทําหนาที่ตรวจสอบโมเลกุล

ของ DNA วา ถูกจําลองครบหรือไม มีความเสียหายหรือไม หรือแมแตตรวจสอบวาเซลลมีสารอาหารหรืวัตถุดิบ

เพียงพอตอการเจริญเติบโตหรือไม การตรวจสอบเหลานี้ทําใหเซลลสามารถจําแนกและแกไขปญหาที่เกิดขึ้นใน

กระบวนการแบงเซลลไดทัน

Checkpoint หลักๆมีอยู 3 จุดดวยกัน ไดแก G1, G2 และ M checkpoint (รูปที่ 3-10) สําหรับใน

หลายๆ เซลลพบวา checkpoint ที่มีความสําคัญที่สุด คือ G1 ถาเกิดวาเซลลไดรับสัญญาณใหผานจุด G1

checkpoint ไปได ตามปกติแลวเซลลจะมีการแบงตัวไดอยางสมบูรณ ในทางตรงกันขามถาเซลลไมสามารถ

ผาน checkpoint ของ G1 ไปไดเซลลจะหยุดและเขาสูภาวะที่ไมเกิดการแบงตัว เรียกระยะนีวา G0 phase

หลายๆเซลลในรางกายของคนอยูในระยะ G0 เชน เซลลประสาทและเซลลกลามเนื้อ ในเซลลอ่ืนๆ เชน เซลลตับ

สามารถกลับมาสูสภาพของเซลลที่สามารถแบงตัวไดโดยถูกกระตุนจาก growth factor ในชวงที่เกิดบาดแผล

เพื่อใหเขาใจวา cell cycle ถูกควบคุมอยางไร จึงตองมาทําความเขาใจเกี่ยวกับโมเลกุลที่เกี่ยวของในขั้นตอนนี้

รูปที่ 3-10 ระบบ checkpoint ของ cell cycle (Campbell and Reece, 2002)

The cell cycle clock: Cyclins and cyclin-dependent kinase โปรตีนสําคัญ 2 ชนิด ที่เกี่ยวของกับกระบวนการควบคุม ของ cell cycle คือ protein kinase ซึ่ง

protein kinase ที่เกี่ยวกับกระบวนการ checkpoint นี้เรียกวา cyclin-dependent kinase หรือ Cdks) และ

โปรตีนอีกชนิดคือ cyclin เรียก cyclin เนื่องจากมีความเขมขนมากนอยเปนวัฏจักร สวน Cdks จะมีปริมาณ

46

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

คงที่ภายในเซลล Cdks และ cyclin จะจับกันเรียกวา MPF กิจกรรมของ Cdks แปรผันตามความเขมขนของ

cyclin รูปที่ 3-11a แสดงถึงกิจกรรมของ MPF มีความแปรผันขึ้นลงโดยกิจกรรมสูงสุดสัมพันธกับปริมาณของ

cyclin ระดับความเขมขนของ cyclin สูงสุดอยูในระยะ G1, S และ G2 และจะลดลงอยางรวดเร็วในระยะ M

phase

MPF ยอมาจาก “Maturation or M phase-promoting factor” เพราะชวยกระตุนใหเซลลผานจาก G2

ไปยัง M phase เมื่อ cyclin ที่ถูกสะสมในชวง G2 จับกับโมเลกุลของ Cdk ทําใหได MPF complex เปนการ

เร่ิมตนระยะ mitosis ซึ่งจะมีการเติมหมู phosphate ใหแกโปรตีนอื่นๆ

หลังจากสิ้นสุดกระบวนการ M phase MPF จะถูกยับยั้งการทํางานโดยมีการสลาย cyclin ทําใหระดับ

ของ cyclin ลดลงเมื่อส้ินสุดระยะ M phase สวน Cdks ยังคงอยูในเซลลในรูปแบบที่ไมสามารถทํางานได

(inactive form) ซึ่งจะกลายเปน active form อีกครั้งเมื่อจับกับ cyclin ในรอบของ cell cycle คร้ังตอไป (ดังรูป

ที่ 3-11b)

สวน G1 checkpoint ก็จะเกี่ยวของกับ Cdk protein และ cyclin หลายตัวดวยกัน ซึ่งจะเห็นวา

กิจกรรมของ Cdks-cyclin complex มีความสําคัญในทุกจุดของ checkpoint ของ cell cycle

รูปที่ 3-11 (a) แสดงถึงกิจกรรมของ MPF มีความแปรผันขึ้นลงโดยกิจกรรมสูงสุดสัมพันธกับ

ปริมาณของ cyclin ระดับความเขมขนของ cyclin สูงสุดอยูในระยะ G1, S และ G2 และจะลดลง

อยางรวดเร็วในระยะ M phase (b) แสดงการทํางานของ MPF ในการควบคุมของ cell cycle

(Campbell and Reece, 2002)

47

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

ปจจัยภายนอกและภายในที่มีผลตอการควบคุมของ cell cycle มีการศึกษาจนทราบวา Signaling pathway ภายในเซลลที่เกิดจากการทํางานของ Cdks-cyclin

complex เปนอยางไร โดยที่ Cdks ทํางานโดยการเติมหมู phosphate ใหกับ substrate protein ตัวอ่ืนที่มีผล

ตอข้ันตอนของ cell cycle แตการที่จะใหชี้ชัดวา substrate protein เหลานั้นคืออะไรบางนั้นเปนการยาก

ในทางตรงกันขามยังมีปจจัยอื่นที่นอกเหนือจาก Cdks ที่เกี่ยวของกับการควบคุมของ cell cycle ปจจัยภายใน ระยะ Anaphase เปนระยะที่ sister chromatid แยกออกจากกัน ซึ่งระยะนี้จะยังไมเกิดขึ้นตอเมื่อ

chromosome ไดมีการยึดเกาะกับ spindle fiber ที่ metaphase plate อยางสมบูรณกอน ซึ่งเหตุการณ

ดังกลาวตองมีการตรวจสอบที่ M phase checkpoint เพื่อใหแนใจวาหลังจากการแบงเซลลไปแลวเซลลลูกไมมี

การขาดหายหรือไดรับ chromosome เกินมา นักวิจัยพบวาสัญญาณที่ชวยชะลอระยะ anaphase นั้นเกิดจาก

kinetochore ไมมีการจับกับ spindle microtubule นั่นเอง ทําให Anaphase-promoting complex (APC) อยู

ในรูป inactive แตเมื่อใดที่ทุกแทงของ chromosome จับกับ kinetochore จะกระตุนให APC กลับมาอยูในรูป

active form อีกครั้ง APC จะไปกระตุนการสลายตัวของ cyclin ปจจัยภายนอก ในการเพาะเลี้ยงเซลล จําเปนตองทราบถึงปจจัย สารเคมีหรือสารตางๆที่มีผลตอการแบงเพิ่มจํานวน

ของเซลล ยกตัวอยาง เชน เซลลจะหยุดการแบงตัวเมื่อขาดสารอาหารที่จําเปนในอาหารที่ใชเพาะเลี้ยง เซลล

เพาะเลี้ยงชนิดตางๆ สวนใหญแบงตัวไดดีเพียงมี Growth factor ที่จําเพาะกับชนิดของเซลลเพาะเลี้ยงผสมอยู

ในอาหาร ซึ่ง growth factor ก็คือ โปรตีนที่หลั่งออกมาจากเซลลของรางกายเพื่อกระตุนใหเซลลอ่ืนเกิดการแบง

เซลล

ตัวอยางหนึ่งของ growth factor คือ “Platelet-derived growth factor (PDGF)” ซึ่งหลั่งมาจากเกล็ด

เลือด ในการทดลองจากรูปที่ 3-12 ชี้ใหเห็นวา PDGF มีความจําเปนตอการแบงตัวของเซลล fibroblast ซึ่ง

เซลลชนิดนี้มี ตัวรับ (receptor) PDGF บนเยื่อหุมเซลล การจับของ PDGF กับตัวรับซึ่งเปนชนิด tyrosine-

kinase receptor กระตุนทําใหเกิด signal transduction pathway ที่นําไปสูการกระตุนใหเซลลมีการแบงตัว

เพิ่มจํานวน PDGF ไมเพียงแตกระตุนการแบงเซลลของเซลลเพาะเลี้ยงเทานั้น แตภายในรางกายยังชวยกระตุน

การแบงเซลลเมื่อรางกายเกิดบาดแผล PDGF จะถูกหลั่งมาจากเกล็ดเลือดทําให fibroblast แบงตัวทดแทน

เซลลที่ตาย เปนกระบวนการรักษาบาดแผลของรางกาย นักวิจัยยังมีการคนพบ growth factor ตัวอื่นๆ อีก

มากมาย ซึ่งเซลลชนิดตางๆ จะตอบสนองตอ growth factor ที่แตกตางกัน และมีการทํางานของ growth factor

มากกวาหนึ่งชนิดในเซลลชนิดเดียวกัน

48

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

รูปที่ 3-12 การเพาะเลี้ยงเซลล fibroblast จําเปนตองมี PDGF ผสมไปกับอาหารเพาะเลี้ยง

มาตรฐานจึงจะทําใหเซลลเกิดการเจริญเติบโต (Campbell and Reece, 2002)

กระบวนการแบงเซลลข้ึนอยูกับความหนาแนนของเซลลดวย เซลลเพาะเลี้ยงที่มีความหนาแนนมากจะ

หยุดแบงเซลล (ดังรูปที่ 3-13) เซลลเพาะเลี้ยงปกติที่มีการแบงตัวจนเต็มพื้นผิวของจานเพาะเลี้ยง เซลลจะมี

ลักษณะเปนแผนชั้นเดียวและหยุดแบงตัว จะแบงตัวอีกครั้งเมื่อมีการยายเอาเซลลบางสวนออกไป

รูปที่ 3-13 เซลลปกติที่มีความหนาแนนมากเซลลจะหยดุแบงตัว แตเซลลมะเร็งถงึแมจะมีความ

หนาแนนมากแตก็ยังสามารถแบงตัวตอไดอีก (ที่มา:

www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/b...%3DA7067)

49

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

เซลลมะเร็งและความผิดปกติในกระบวนการควบคุม cell cycle เซลลมะเร็งไมไดตอบสนองตอระบบควบคุมตามปกติของรางกาย ซึ่งจะมีการแบงตัวอยางรวดเร็ว

ควบคุมไมไดและมีการไปบุกรุกทําลายเนื้อเยื่อขางๆ ในที่สุดทําใหเสียชีวิตได ในการศึกษาการเจริญเติบโตของ

เซลลเพาะเลี้ยง นักวิจัยพบวาเซลลมะเร็งไมมีการตอบสนองตอกลไกการควบคุมของ cell cycle ยกตัวอยางใน

รูปที่ 3-13 พบวาเซลลมะเร็งยังสามารถแบงตัวไดตอเนื่องถึงแมจะมีความหนาแนนมาก จะไมมีการหยุดแบงตัว

ถึงแมวาจะขาด growth factor ก็ตาม

ความแตกตางที่สําคัญอีกอยางหนึ่งระหวางเซลลปกติและเซลลมะเร็งคือ เซลลมะเร็งไมตอบสนองตอ

checkpoint ปกติ ซึ่งถาเซลลมะเร็งมีการหยุดแบงตัวจะมีการหยุดที่จุดใดๆ ที่ไมใชเจาะจงที่จุด checkpoint

แสดงวาเซลลมะเร็งเปนความผิดปกติของกระบวนควบคุมของ cell cycle นอกจากนี้ในเซลลเพาะเลี้ยง

เซลลมะเร็งสามารถแบงตัวไดโดยไมส้ินสุด มีคุณสมบัติที่เรียกวา immortal ยกตัวอยาง HeLa cell เร่ิมมีการ

เพาะเลี้ยงในป ค.ศ 1951 ซึ่งไดมาจาก cervical cancer ของผูหญิงที่ชื่อ Henrietta Lacks ซึ่งยังมีการใชเซลล

ชนิดนี้จนทุกวันนี้ ในทางตรงกันขามเซลลที่เพาะเลี้ยงที่ไดจากเซลลปกติสามารถแบงตัวได 20-50 คร้ังเทานั้น

หลังจากนั้นจะหยุดแบงตัวและตายไป

กระบวนการที่เซลลปกติกลายเปนเซลลมะเร็งเรียกวา Transformation เมื่อใดที่เซลลหนึ่งเซลลมีการ

กลายเปนเซลลที่คลายเซลลมะเร็ง ระบบภูมิคุมกันจะจดจําและทําลายเซลลนั้นทิ้งไป แตอยางไรก็ตามถาเซลล

ที่ผิดปกติมีการแบงตัวอยางรวดเร็วและกลายเปนกอน tumor เรียกกอน tumor ที่อยูตําแหนงเดิมไมมีการบุกรุก

เนื้อเยื่ออ่ืนวา Benign tumor ซึ่งสามารถรักษาไดโดยการผาตัดเอาชิ้นเนื้อนี้ทิ้งไป แต tumor ที่เปนชนิด

Malignant tumor เปนชนิดที่รายแรง ซึ่งเรียกวาเปนเซลลมะเร็งจะมีการเจริญบุกรุกไปที่เนื้อเยื่อหรืออวัยวะสวน

อ่ืน ๆ

เซลลของ Malignant tumor มีความผิดปกติไดหลายอยางนอกเหนือจากการมีการแบงตัวอยางรวดเร็ว

ยังอาจมีความผิดปกติของ chromosome กระบวนการเมทาบอลิซึม มีความผิดปกติของตัวรับบนผิวเซลลใน

การสื่อสารกับเซลลอ่ืนในการสงสัญญาณใหมีการหยุดแบงตัวเมื่อเซลลรอบขางมาชิดติดกัน เซลลมะเร็ง

สามารถเล็ดลอดออกไปตามกระแสเลือดและทอน้ําเหลืองลุกลามไปทุกเนื้อเยื่อทั่วรางกาย ถาเมื่อใดที่ผูปวยอยู

ในระยะนี้วิธีการรักษาคือการฉายรังสีและการทํา chemotherapy ซึ่งไปชวยทําลายเซลลที่มีการแบงตัว

นักวิจัยพยายามทําความเขาใจวา เซลลปกติกลายเปนเซลลมะเร็งไดอยางไร ซึ่งสาเหตุมีหลายประการ

ดวยกัน แตอีกสาเหตุหนึ่งคือความผิดปกติของยีนที่เกี่ยวกับการควบคุมของ cell cycle ซึ่งยังมีคําถามที่

ตองการคําตอบอีกมากมายที่จะหาสาเหตุและวิธีการรักษามะเร็งใหไดผลมากกวาวิธีการปจจุบัน

50

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

Meiosis การสืบพันธุแบบไมอาศัยเพศเปนการสรางเซลลสืบพันธุใหมที่มีพันธุกรรมเหมือนตัวพอแมทุกประการ

สวนการสืบพันธุแบบอาศัยเพศ เปนการใหกําเนิดสิ่งมีชีวิตที่มีความหลากหลายในรายละเอียดของลักษณะ

ตางๆ และ เปนกระบวนการที่เกี่ยวของกับการแบงเซลลแบบ Meiosis การสรางเซลลสืบพันธุ และการปฏิสนธิ

ซึ่งเปนการรวมกันของเซลลสืบพันธุ 2 เซลล ขอมูลยีนที่ไดรับจากแตละเซลลจะไมเหมือนกัน อาจจะเกดิจากการ

กลายพันธุ (Mutation) รูปแบบของยีนที่แตกตางกันแตควบคุมลักษณะเดียวกันเรียกวา แอลลีน (allele)

Meiosis เปนกระบวนการแบงเซลลเพื่อสรางเซลลสืบพันธุ เชน ไข และ สเปรม และเปนการแบงเพื่อ

สรางสปอรในพืช ผลจากการแบงทําใหไดเซลลสืบพันธุหรือสปอรที่มีจํานวนโครโมโซมลดเหลือเพียงครึ่งเดียว

ของเซลลเร่ิมตนกอนการแบงเมื่อเซลลสืบพันธุมารวมตัวกันก็จะทําใหโครโมโซมลูกมีจํานวนเทากับรุนพอ แม

การแบงเซลลแบบ Meiosis เปนกลไกสําคัญที่ทําใหส่ิงมีชีวิตแตละชนิดมีจํานวนโครโมโซมคงที่ทุกๆ รุน ขั้นตอนการแบงเซลลที่มีการแบงแบบ Meiosis (ดังรูป 3-14) แบงออกเปน 2 ระยะ คือ

1. Meosis I การแบงในขั้นนี้ โครโมโซมที่เปนคูกัน (Homologous chromosome) จะมาจับคูกันและ

แยกจากกันไปสูคนละขั้วของเซลล ดังนั้นเมื่อส้ินสุดการแบงจึงไดเซลลเกิดขึ้น 2 เซลล และมี

จํานวนโครโมโซมเปน haploid Meiosis I แบงเปนระยะยอยได 5 ระยะ

1.1 Interphase I เปนระยะที่ Chromosome จําลองตัวเองมาอีกชุดหนึ่ง และยังติดกันที่

centromere ในระยะนี้ chromosome แตละแทงที่อยูในเซลลจึงประกอบดวย 2

chromatid 1.2 Prophase I แบงเปน 5 ระยะยอยคือ

1.2.1 Leptotene เปนระยะที่ chromosome มีลักษณะเปนเสนยาวๆ สานพันกัน

อยูภายในนิวเครียส

1.2.2 Zygotene ระยะนี้ Homologous chromosome จะจับคูกันโดยแนบชิดกัน

ตามความยาวของ chromosome การจับคูกันของ Homologous

chromosome เรียกวา Synapsis ในเซลลสัตว centriole จะแบงตัวเปน 2

ชุด

1.2.3 Pachytene ระยะนี้จะเห็น chromosome เสนหนาชัดเจนขึ้น และเห็นไดวา

แตละ Homologous chromosome ที่เขาคูกันประกอบดวย chromatid 4

เสนเรียกสภาพนี้วา tetrad

51

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

1.2.4 Diplotene เปนระยะที่ Homologous chromosome ที่มาแนบชิดกันจะผละ

ออกจากกันตามแกนยาวโดยเฉพาะบริเวณ centromere จะแยกออกจากกัน

มากกวาตําแหนงอื่น การผละออกจากกันของ homologous chromosome

ยังไมสมบูรณซึ่งยังมีบางสวนที่ยังคงติดกันอยู เรียกตําแหนงนี้วา Chiasma

ระยะนี้จะมีการแลกเปลี่ยนชิ้นสวนของ chromatid ระหวาง Homologous

chromosome เรียกวา crossing over ผลจากการเกิด crossing over ทําให

ยีนที่อยูบน chromosome เกิดการเรียงตัวกันใหม สงผลทําใหเกิดลักษณะที่

มีความแปรผันของสิ่งมีชีวิต Nucleolus ลดขนาดลง

1.2.5 Diakinesis ระยะนี้ chromosome จะหดสั้นมากขึ้น Homologous

chromosome ผละหางจากกันมากขึ้นจะเชื่อมติดกันเฉพาะตรงปลายสุด

เยื่อหุมนิวเคลียสเริ่มสลายตัว

1.3 Metaphase I เปนระยะที่เยื่อหุมนิวเครียสหายไปและมี mitotic spindle กอตัวในลกัษณะ

เชนเดียวกับการแบงแบบ mitosis โครโมโซมหดสั้นมากที่สุด tetrad มาเรียงตรงบริเวณ

metaphase plate กึ่งกลางของเซลล spindle fiber ที่ยึดบริเวณ kinetochore พยายาม

ดึง Homologous chromosome ใหแยกออกจากกัน

1.4 Telophase I เปนระยะที่ Homologous chromosome เคลื่อนที่แยกออกจากกันไปคนละ

ข้ัวของเซลล เปนการแยกคูกัน แตละ chromosome ที่เคลื่อนไปที่ข้ัวของเซลล จะยังคง

ประกอบดวย chromatid 2 แทง และยังติดกันที่ centromere ระยะนี้จํานวน

chromosome ภายในเซลลยังเปน 2n เหมือนเดิมเพราะ Homologous chromosome ยัง

อยูในเซลลเดียวกันเหมือนเดิม

1.5 Telophase I เปนระยะที่ chromosome ทั้ง 2 กลุมแยกไปยังจนถึงขั้วเซลลทําใหได

จํานวน chromosome ลดเหลือเพียงครึ่งเดียว หรือ haploid (n) ส่ิงมีชีวิตสวนใหญจะมี

การสรางเยื่อหุมนิวเคลียสรอบกลุมของ chromosome เกิดเปนสองนิวเคลียสใหม แตละ

นิวเคลียสมี chromosome เปน haploid โครโมโซมมีการคลายตัวและผานสูระยะ

Interphase II ชั่วระยะสั้นๆ

2. Meiosis II เปนขั้นตอนที่ chromatid ของแตละ chromosome ที่เปน haploid แยกออกจากกันไป

คนละขั้วของเซลลซึ่งมีกระบวนการตางๆ เหมือนกับการแบงแบบ mitosis เวนแตในขั้นตอนนี้ไมมี

การจําลอง chromosome ข้ึนมาใหม เมื่อเสร็จส้ินในการแบงในขั้นตอนนี้ ทําใหไดผลลัพยจํานวน

4 เซลล แตละเซลลมี chromosome เปน haploid ข้ันตอนการแบง meiosis II มีดังนี้

52

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

2.1 Interphase II เปนระยะสั้นๆ ไมมีการจําลอง DNA หรือจําลอง chromosome แตอยางใด

ระยะนี้อาจมีหรือไมมีแลวแตชนิดของเซลล

2.2 Prophase II เยื่อหุมนิวเคลียสหายไป chromosome ส้ันลงมากขึ้น ทําใหเห็น

chromosome ประกอบดวย 2 chromatid ชัดเจน

2.3 Metaphase II ไมมี synapsis, chiasma หรือ crossing over แตอยางใด chromosome

เรียงตัวในแนวกลางเซลล chromatid เร่ิมแยกออกจากกัน

2.4 Anaphase II ระยะนี้ centromere แยกออกจากกัน Chromatid แยกออกจากกันไปอยูคน

ละขั้วของเซลล

2.5 Telophase II โครโมโซมจะรวมกันที่ข้ัวของเซลล มีการสรางเยื่อหุมนิวเคลียสใหม 4 เซลล

แตละนิวเคลียสมีจํานวน chromosome เปน haploid มีการแบง cytoplasm แยก

ออกเปนเซลลใหม

53

300104 Dr. La-iad Nakkrasae

รูปที่ 3-14 ข้ันตอนการแบงเซลลแบบ Meiosis (Campbell and Reece, 2002)

54