Unit 4 Continuity of life (12 hrs) 1. Reproduction & Development 2. Genetics 3. Evolution

1. รายวิชา 2303105 General Biology • Unit 4 Continuity of life (12 hrs) • 1. Reproduction & Development • 2. Genetics • 3. Evolution โดย ผศ. ดร. มาลินี ฉัตรมงคลกุล

2. เอกสารอ้างอิง 1. Campbell, N.A., Reece, J.B. and Mitchell, L. G. 1999. Biology, 5th ed. Addison Wesley Longmann, Inc. California. 2. วิสุทธิ์ ใบไม้ 2536 พันธุศาสตร์ ฉบับปรับปรุงใหม่ (3) เจ้าพระยาระบบการพิมพ์ กรุงเทพฯ

3. Reproduction & Development การสืบพันธุ์ (reproduction)หมายถึง ความสามารถในการผลิตหน่วยสิ่งมีชีวิตที่เหมือนตนเอง (like begets like) การเจริญ (development)หมายถึง การเติบโต (growth) และการเปลี่ยนแปลงที่เรียกว่าดิฟเฟอเรนทิเอชั่น (differentiation) เรื่องของการสืบพันธุ์และการเจริญเกี่ยวข้องสัมพันธ์กับวงจรชีวิต (life cycle) ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด Reproductionแบ่งออกเป็น 1. Cellular reproduction 2. Organismic reprodution

4. Cellular reproduction วัตถุประสงค์ 1. เซลล์ผลิตหน่วยที่เหมือนตัวเองได้อย่างไร 2. กระบวนการที่เกิดขึ้น 3. ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและหน้าที่ 4. เน้นเรื่อง division of eukaryotic cell

5. การแบ่งเซลล์เป็นกระบวนการสืบพันธุ์ เจริญเติบโต และซ่อมแซม • คุณสมบัติของสิ่งมีชีวิตคือการสืบพันธุ์ การสืบพันธุ์มีทั้งแบบอาศัยเพศ (sexual reproduction) และแบบไม่อาศัยเพศ (asexual reproduction) การสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศเกี่ยวข้องกับการรวมตัวกันของเซลล์สืบพันธุ์ (gamete) ที่มาจากพ่อและแม่ ทำให้ได้เซลล์ที่เรียกว่าโซโกต (zygote) ซึ่งจะเจริญต่อไปเป็นลูกรุ่นใหม่ที่มีองค์ประกอบพันธุกรรมแตกต่างไปจากพ่อและแม่ การสืบพันธุ์แบบไม่อาศัยเพศเป็นการเพิ่มจำนวนของสิ่งมีชีวิตเพียงอย่างเดียว โดยตัวที่เกิดใหม่มีองค์ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกับตัวเริ่มต้นทุกประการ • การสืบพันธุ์แบบไม่อาศัยเพศเกี่ยวข้องกับการแบ่งเซลล์แบบปกติ ที่เรียกว่า ไมโทซิส (mitosis) (mitosis มาจากคำว่า mitos = สายใย หรือ เส้นโครโมโซม) ซึ่งเป็นกระบวนการเพิ่มจำนวนเซลล์ โดยที่เซลล์ใหม่ยังคงมีโครโมโซมเหมือนเดิม และจำนวนเท่ากับเซลล์เริ่มต้น • การแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส เป็นกระบวนการสืบพันธุ์แบบไม่อาศัยเพศในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว เช่น อมีบา สำหรับในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์พบการแบ่งเซลล์แบบนี้ในการเจริญเติบโต การสร้าง และการซ่อมแซมเนื้อเยื่อ

6. The functions of cell division (b) (a) (a) Amoeba : reproduction (b) Multicellular organisms: growth and development (c) Mature multicellular organisms: renewal and repair of tissues (c)

7. การแบ่งเซลล์ในสิ่งมีชีวิตพวกโปรคาริโอต พวกโปรคาริโอตมีสภาพเป็นเซลล์เดี่ยว ไม่มีเยื่อหุ้มนิวเคลียส มี DNA เพียง 1 โมเลกุลรวมอยู่กับและโปรตีนมีลักษณะเป็นวงเรียกว่า genophore มีวิธีการสืบพันธุ์แบบไม่อาศัยเพศ เป็นแบบ binary fission ซึ่งมีกระบวนการดังนี้ เวลาที่จะมีการแบ่งเซลล์ genophore จะเคลื่อนตัวเข้ามาติดกับเยื่อหุ้มเซลล์ เพื่อใช้เยื่อหุ้มเซลล์เป็นที่ยึด แล้วเริ่มคลายตัวของ DNA และจำลอง DNA ได้เป็น genophore 2 วง ซึ่งจะเคลื่อนย้ายออกจากกันตามผิวของเยื่อหุ้มเซลล์ ต่อจากนั้นเซลล์จะแบ่งตัวที่กึ่งกลางได้เป็น 2 เซลล์ แต่ละเซลล์ประกอบด้วย genophore 1 วง

8. เซลล์ของยูคาริโอต (eukaryotic cell) ภายใน eukaryotic cell มีนิวเคลียสที่หุ้มด้วยเยื่อหุ้มนิวเคลียส นิวเคลียสเป็นศูนย์ควบคุมกิจกรรมต่างๆ ภายในนิวเคลียสมี nuceolus และเส้นใยขนาดเล็กที่ย้อมติดสีจำเพาะมากมายขดม้วนซ้อนกันเหมือนร่างแห เรียกว่า โครมาติน (chromatin) เส้นใยโครมาตินประกอบด้วย DNA ที่พันรอบโมเลกุลโปรตีน histone อย่างมีแบบแผน และขดม้วนตัวหลายชั้น ในช่วง metaphase จะขดม้วนตัวแน่นที่สุดเป็นแท่งโครโมโซม

9. โครโมโซม ของ ยูคาริโอต (a) (b) (c) (d)

10. แผนภาพแสดงโครงสร้างของโครมาตินที่ประกอบด้วย DNA และ histone ที่ขดม้วนตัวกันแน่นจนเห็นเป็นรูปร่างของโครโมโซมชัดเจนในระยะ metaphase a) DNA รวมกับ histone 4 ประเภท เป็นโครงสร้างที่เรียกว่า nucleosome แต่ละหน่วยจะต่อเข้าด้วยกันด้วย histone อีกประเภทหนึ่งที่เรียกว่า H1 b) nucleosome รวมตัวกันเป็นสายยาว เรียกว่า chromatin fiber c)โครมาตินจะม้วนตัวอยู่ภายในนิวเคลียสในสภาวะปกติ แต่ในเซลล์ที่มีการแบ่งตัวสายโครมาตินจะม้วนตัวเองทบกันเป็นชั้นๆอย่างมีระบบจนมีความหนามากขึ้น d)โครโมโซมที่มีความแน่นมากที่สุดในช่วง metaphase

11. Cellular reproduction (การสืบพันธุ์ของเซลล์) การแบ่งเซลล์ประกอบด้วย การแบ่งนิวเคลียส (nuclear division หรือ karyokinesis) สลับกับการแบ่งไซโตพลาสซึม (cytoplasmic division หรือ cytokinesis) ในกระบวนการแบ่งนิวเคลียส มี 2 แบบ คือ ไมโทซิส (mitosis) และไมโอซิส (meiosis)

12. หมายเหตุ คำว่า mitosis และ meiosis หมายถึงกระบวนการแบ่งนิวเคลียสเท่านั้น แต่คนมักเรียกผิดเป็นการแบ่งเซลล์จึงเป็นที่เข้าใจว่า หมายถึง การแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส (mitotic cell division) และการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส (meiotic cell division)

13. The Cell Cycle The continuity of life is based on the reproduction of cells, or cell division การแบ่งเซลล์ : โครโมโซม (สีเหลือง) และ microtubules (สีแดง)

14. The cell cycle หมายถึงวงจรชีวิตเซลล์ที่เริ่มจากเซลล์เดิม 1 เซลล์ผ่านกระบวนการแบ่งเซลล์จนเสร็จสิ้นสมบูรณ์ได้เซลล์ใหม่ 2 เซลล์ ประกอบด้วย 2 ช่วง คือ 1. Interphase 2. M phase

15. Interphase • เป็นช่วงที่ยาวที่สุดใน cell cycle ช่วงนี้สังเกตเห็นนิวเคลียสได้ชัดเจนที่สุด ซึ่งภายในจะบรรจุด้วยร่างแหของเส้นใย chromatin ขนาดเล็กยาวและบางเต็มไปหมด • มีกระบวนการ metabolism และกิจกรรมต่างๆของเซลล์มากที่สุด เพราะเป็นช่วงที่มีการเตรียมสะสมวัตถุดิบที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์สารต่างๆ รวมทั้งการสร้าง organelles ด้วยเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการแบ่งเซลล์ • มีการจำลองแบบ DNA และโครโมโซมจาก 1 เป็น 2 โดยแต่ละหน่วยมีองค์ประกอบเหมือนกันทุกประการ • ช่วงเวลาที่อยู่ในระยะ interphase แตกต่างกันแล้วแต่ชนิดของเซลล์ เซลล์ที่อยู่ในสภาวะกำลังเติบโต และต้องการแบ่งตัวเพิ่มจำนวนเซลล์ จะมี interphase ที่ active และมีการเตรียมพร้อมเสมอ • เซลล์ประสาท และเซลล์กล้ามเนื้อจะอยู่ในสภาพ interphase ไปตลอดชีวิต

16. interphase แบ่งออกเป็น 3 ระยะ คือ (1) ระยะ G1 (first gap)เป็นระยะที่ต่อเนื่องจากการแบ่งเซลล์เรียบร้อยแล้ว เป็นระยะทิ้งช่วง ก่อนที่จะมีการจำลองแบบโครโมโซมขึ้นมาใหม่อีก นิวเคลียสในระยะนี้มีปริมาณ DNA เท่ากับเซลล์ร่างกายทั่วไป (2) ระยะ S (synthesis) ต่อเนื่องจาก G1 โดยเริ่มมีการสังเคราะห์ DNA เพื่อสร้างจำลอง DNA และโครโมโซม เมื่อเสร็จสิ้นแล้วโครโมโซม 1 แท่ง จะประกอบด้วย 2 sister chromatids ซึ่งยึดติดกันด้วย centromere (3) ระยะ G2 (second gap)เป็นระยะพักอีกช่วงหนึ่ง ก่อนที่จะเริ่มมีการแบ่งนิวเคลียส ในระยะนี้นิวเคลียสมีปริมาณ DNA เป็น 2 เท่าของเซลล์ร่างกาย เมื่อเสร็จสิ้น G2 แล้ว จะต่อด้วย M phase

17. M phase ประกอบด้วย (1) mitosisเป็นช่วงแบ่งนิวเคลียสจะดำเนินไปอย่างต่อเนื่อง แบ่งออกเป็นระยะย่อยได้ 4 ระยะ ตามลำดับได้แก่ prophase, metaphase, anaphase และ telophase อันเป็นผลให้คู่ chromatid ในโครโมโซมแต่ละแท่งแยกออกจากกันไปอยู่ขั้วตรงข้ามของเซลล์ และเกิดมีเยื่อหุ้มนิวเคลียสล้อมกลุ่มโครโมโซมชุดใหม่ทั้ง 2 ชุดนั้น (2) cytokinesisเป็นช่วงแบ่งไซโตพลาสซึม หลังจากนั้นจะได้ 2 เซลล์ที่เหมือนกันทุกประการ แต่ละเซลล์จะเริ่มเข้าสู่ G1 ใหม่อีกครั้งหนึ่ง

18. The mitotic cell cycle วงชีวิตเซลล์แบบไมโทซิส แบ่งออกเป็น 2 ช่วง คือ mitotic (M) phase สลับกับ interphase ในช่วงแรกของ interphase คือ G1 ต่อกับ S phase เป็นช่วงที่โครโมโซมจำลองตัวเองและช่วงสุดท้าย คือ G2 M phase แบ่งเป็น 2 ช่วง ได้แก่ mitosis เป็นช่วงแบ่งนิวเคลียสซึ่งเป็นช่วงที่โครโมโซมถูกถ่ายทอดไปสู่นิวเคลียสใหม่ทั้งสอง และต่อด้วย cytokinesis ซึ่งเป็นการแบ่งไซโตพลาสซึม ทำให้ได้เซลล์ใหม่ 2 เซลล์

19. โครโมโซมจำลองตัวเองและแยกออกจากกันไประหว่างไมโทซิสโครโมโซมจำลองตัวเองและแยกออกจากกันไประหว่างไมโทซิส โครโมโซมของยูคาริโอตจำลองตัวเอง ประกอบด้วย 2 sister chromatids ซึ่งยึดติดกันตรง centromere แต่ละ sister chromatid จะมีองค์ประกอบเหมือนกันทุกประการ ขณะแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส chromatids ทั้ง 2 จะแยกออกจากกันไปสู่แต่ละเซลล์ใหม่

20. โครงสร้างของ mitotic chromosome Kinetochore Centromere Chromatids รูปที่เห็นนี้คือ โครโมโซมจาก scanning electron microscope ซึ่งมองดูมีลักษณะเป็นขนๆยื่นออกมา เนื่องจากโครมาตินสายยาวม้วนและหดตัวเป็นแท่งโครโมโซม chromatids ทั้ง 2 สายถูกยึดให้ติดกันตรง centromere ซึ่งบริเวณ centromere นี้มีโปรตีนที่อัดกันแน่น เรียกว่า kinetochore ทำหน้าที่เป็นจุดยึดสาย spindle fiber เพื่อทำให้โครโมโซมเคลื่อนที่ได้ในกระบวนการแบ่งเซลล์

21. The stages of mitotic cell division in an animal cell

23. The stages of mitotic cell division in an animal cell G2 ของ Interphase ในช่วงนี้สังเกตเห็นนิวเคลียสได้ชัดเจน ภายในนิวเคลียสมี 1 หรือ 2 nucleoli และมีเส้นใย chromatin ขนาดเส้นบางและยาวซึ่งในช่วงนี้ได้มีการจำลองตัวเองเรียบร้อยแล้ว ภายนอกนิวเคลียสมี centrosome 2 อัน ซึ่งได้แบ่งตัวเพิ่มขึ้นมาก่อนแล้ว ภายใน centrosome มี centrioles 1 คู่ และมี microtubules ยื่นออกมาเรียกว่า aster Prophase Chromatin จะม้วนหดตัวมากขึ้นเป็นรูปร่างโครโมโซมแต่ละโครโมโซมประกอบด้วย 2 สายของ sister chromatids nucleolus จะสลายตัวไป ในไซโตพลาสซึมเริ่มมีการสร้าง spindle fiber centrosome แยกออกจากกัน Prometaphase โครโมโซมม้วนตัวหดสั้นมากที่สุด ตรงบริเวณ centomere มีโปรตีน kinetochore เกิดขึ้น เยื่อหุ้มนิวเคลียสจะสลายตัวไปทำให้ spindle fiber ผ่านบริเวณนิวเคลียสโยงระหว่างขั้วได้ kinetochore microtubules ยึดติดกับโครโมโซมตรง kinetochore และดึงให้โครโมโซมเคลื่อนที่

24. Metaphase centrosome เคลื่อนมาอยู่ด้านตรงข้ามของเซลล์ kinetochore microtubules ดึงโครโมโซมให้มาเรียงกันอยู่ตรงกลาง โดย centromere มาเรียงกันในแนว metaphase plate หรือ equatorial plate ซึ่งตั้งฉากกับแนวของ spindle fiber Anaphase เป็นระยะที่โครโมโซมใหม่ทั้งคู่แยกออกจากกันเข้าสู่ขั้วตรงข้ามอย่างรวดเร็ว โดยการทำงานของ spindle fiber Telophase และ cytokinesis เป็นระยะที่โครโมโซมใหม่แต่ละสายเคลื่อนที่เข้าสู่แต่ละขั้วของเซลล์ และเริ่มคลายตัวกลายเป็น chromatin ในขณะเดียวกันเกิดเยื่อหุ้มนิวเคลียสล้อมรอบโครโมโซมทั้งสองชุด เกิดเป็น 2 นิวเคลียส ซึงต่างก็มีองค์ประกอบและสมบัติเหมือนกัน ในขณะเดียวกันมีการแบ่งไซโตพลาสซึมโดย cytokinesis ในเซลล์สัตว์

25. Mitotic spindle • ระหว่าง prophase : mitotic spindle สร้างจาก microtubules รวมกับ protein • spindle microtubules • ประกอบด้วยหน่วย a และ b tubulin • ยาวขึ้นโดยเพิ่มหน่วย tubulin ที่ปลายข้างหนึ่ง • microtubules รวมกันเรียก spindle fiber ซึ่งมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ จุดเริ่มต้นอยู่ที่ centrosome • ในเซลล์สัตว์ตรงกลางของ centrosome มี centrioles อยู่ แต่ไม่ได้เป็นสิ่งจำเป็นในการแบ่งเซลล์

26. Mitotic spindle at metaphase

27. Testing a hypothesis for chromosome migration during anaphase • (a) ในการทดลอง • 1. microtubules ของเซลล์ที่กำลังแบ่งถูกย้อมด้วยสีเรืองแสง • 2. ในระยะ early anaphase นักวิจัยทำเครื่องหมายบริเวณ kinetochrore microtbules โดยใช้แสงเลเซอร์กำจัดสีเรืองแสงออกไป แต่ microtubules ยังทำหน้าที่ได้เหมือนเดิม • 3. ต่อมาระยะ late anaphase โครโมโซมถูกดึงให้เคลื่อนที่ออกจากกัน microtubules ด้านที่ยึดติดกับ kinetochore สั้นขึ้น ขณะที่ด้านที่ยึดติดกับ centrosome ยาวเท่าเดิม ดังนั้นการทดลองสนับสนุนสมมุติฐานในข้อ (b)

28. b) โครโมโซมถูกดึงให้เคลื่อนที่ด้วย microtubules โดยเกิดการแตกตัว (depolymerization) โมเลกุลของ tubulin ของ kinetochore microtubules ที่บริเวณ kinetochore

29. Cytokinesis ในเซลล์สัตว์ รูป scanning electron microscope แสดงรอยคอดที่เยื่อหุ้มเซลล์บริเวณตรงกลางของเซลล์ที่กำลังแบ่งตัว โดยภายในเซลล์ตรงบริเวณที่เกิดรอยคอด microfilament มารวมกันเกิดเป็นวง (contracting ring) เกิดแรงหดตัวของ actin กับ myosin ทำให้เยื่อหุ้มเซลล์เกิดเป็นรอยคอด รอยคอดจะรัดเข้ามากขึ้นจนไซโตพลาสซึมถูกแบ่งแยกออกจากกันและกลายเป็นเซลล์ใหม่ 2 เซลล์

30. cytokinesis ในเซลล์พืช รูป transmission electron microscope ของระยะ telophase ของเซลล์พืช จะเห็นว่า vesicles จาก Golgi apparatus มารวมกันตรงจุดกลางเซลล์ และขยายยาวออกเป็นโครงสร้างที่เรียกว่า cell plate ซึ่งจะเจริญเป็นผนังเซลล์ของแต่ละเซลล์ต่อไป

31. Mitosis in plant cell (จากรากหอม)

32. สมมุติฐานเกี่ยวกับวิวัฒนาการการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสสมมุติฐานเกี่ยวกับวิวัฒนาการการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส การแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นในพวกยูคาริโอต สำหรับพวกโปรคาริโอตที่มี genome ขนาดเล็กกว่ามาก สืบพันธุ์โดยกระบวนการง่ายๆ ที่เรียกว่า binary fission ดังกล่าวมาแล้ว เมื่อเกิดมีวิวัฒนาการเป็นพวกยูคาริโอตซึ่งมี genome ขนาดใหญ่กว่า นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ากระบวนการ binary fission ได้เกิดวิวัฒนาการเป็นการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส โดยศึกษาพบว่ามีสิ่งมีชีวิตพวกยูคาริโอตบางชนิด เช่น dinoflagellate และ diatom มีการแบ่งเซลล์ที่เป็นแบบกึ่งกลางระหว่าง binary fission กับ การแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสในพืชและสัตว์

33. สมมุติฐานเกี่ยวกับวิวัฒนาการการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสสมมุติฐานเกี่ยวกับวิวัฒนาการการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส (a)การแบ่งเซลล์แบบ binary fission ของแบคทีเรีย: genophore ติดอยู่ที่เยื่อหุ้มเซลล์ เมื่อเซลล์ยาวขึ้น genophore ถูกดึงให้แยกออกจากกัน (b) การแบ่งเซลล์ของพวก dinoflagellate: โครโมโซมจำลองตัวเองและติดอยู่ที่เยื่อหุ้มนิวเคลียส microtubules ผ่านเข้าไปในนิวเคลียสทำหน้าที่ยึดนิวเคลียส และภายในนิวเคลียสมีการแบ่งตัวคล้ายกับของแบคทีเรีย (c) การแบ่งเซลล์ของพวก diatom: เยื่อหุ้มนิวเคลียสยังอยู่ มีmicrotubules ภายในนิวเคลียสทำหน้าที่ดึงโครโมโซมให้แยกออกจากกัน และนิวเคลียสแบ่งเป็น 2 อัน (d) ในพวกยูคาริโอตอื่นๆ รวมทั้งพืชและสัตว์:microtubules หรือ spindle fiber อยู่ภายนอกนิวเคลียส เยื่อหุ้มนิวเคลียสสลายไปขณะเกิดไมโทซิส microtubules ดึงโครโมโซมให้แยกออกจากกัน แล้วเยื่อหุ้มนิวเคลียสถูกสร้างขึ้นมาใหม่อีก (a) (b) (c) (d)

34. Regulation of the cell cycle (การควบคุมวงชีวิตเซลล์) เซลล์แต่ละชนิดจะมีแบบแผนของวงจรชีวิตเซลล์แตกต่างกัน เช่น -เซลล์ที่ผิวหนังแบ่งตัวตลอดเวลา -เซลลืที่ตับจะไม่แบ่งตัว แบ่งเฉพาะเมื่อมีบาดแผล -เซลล์ประสาทและเซลล์กล้ามเนื้อไม่แบ่งตัวเลย

35. ปัจจัยที่ควบคุมการแบ่งเซลล์ ได้แก่ 1. การจำลองตัวเองของ DNAนักวิทยาศาสตร์มีสมมุติฐานว่า เมื่อโครโมโซมจำลองตัวเองใน S phase จะทำให้เกิดการเติบโตของเซลล์ในระยะ G2 ซึ่งอาจกระตุ้นให้เซลล์แบ่งตัว

36. 2. สารเคมีบางอย่างที่อยู่ในไซโตพลาสซึม ตัวอย่างเช่น เซลล์ 2 เซลล์ที่อยู่ในระยะต่างกัน แต่เอามารวมกันเป็นเซลล์เดียวที่มี 2 นิวเคลียส ถ้าเซลล์หนึ่งอยู่ในระยะ M phase และอีกเซลล์หนึ่งอยู่ในระยะ G1 นิวเคลียสของเซลล์ที่สองจะเข้าระยะ M phase ทันที ซึ่งถูกกระตุ้นโดยสารเคมีที่อยู่ในเซลล์แรก Evidence for cytoplasmic chemical signals in cell-cycle regulation

37. 3. ในช่วงวงจรชีวิตเซลล์มี checkpoint 3 แห่งด้วยกันซึ่งเป็นสัญญาณว่าเซลล์จะแบ่งตัวหรือไม่ ได้แก่ G1, G2 และ M checkpoint

38. 3.1 G1 checkpointในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมดูเหมือนจุดนี้จะสำคัญ ถ้าเซลล์ผ่านจุดนี้ไปได้เซลล์จะมีการแบ่งตัว ถ้าไม่ผ่านจะเข้าสู่ Go phase ซึ่งเซลล์ส่วนใหญ่ในร่างกายจะอยู่ที่ระยะนี้ เช่นเซลล์ประสาทและเซลล์กล้ามเนื้อ แต่เซลล์ตับซึ่งปกติไม่แบ่งตัว แต่ถ้าได้รับบาดเจ็บจะสามารถแบ่งตัวได้อีก เนื่องจากมีปัจจัยอื่นกระตุ้น เช่น growth factor ที่หลั่งออกมาขณะได้รับบาดเจ็บ

39. 3.2 The molecular basis of the cell cycle control system: control at the G2 checkpoint ขั้นตอนต่างๆของวงชีวิตเซลล์ถูกควบคุมโดยปฏิกิริยาของเอนไซม์ protein kinases ที่เปลี่ยนแปลงไประหว่างวงชีวิตเซลล์ เอนไซม์เหล่านี้เรียกว่า cyclin-dependent kinase (Cdks) เนื่องจากว่ามันจะทำงานได้เมื่อรวมอยู่กับ cyclin เท่านั้น ซึ่ง cyclin เป็นโปรตีนที่ถูกสร้างขึ้นระหว่าง interphase ในวงชีวิตเซลล์ ในที่นี้จะกล่าวถึงเฉพาะ Cdk-cyclin complex ที่เรียกว่า MPF (M-phase promoting factor) เท่านั้น MPF ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจาก interphase สู่ mitosis เช่น การหดตัวมากขึ้นของโครโมโซม การสลายตัวของเยื่อหุ้มนิวเคลียส และการเกิด spindle fiber เป็นต้น

40. The molecular basis of the cell cycle control system: control at the G2 checkpoint (a)กราฟแสดงปฏิกิริยาของ MPF ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามปริมาณของ cyclin ในเซลล์ cyclin จะถูกสังเคราะห์ขึ้นและสะสมเพิ่มมากขึ้นในระยะ interphase (G1, S และ G2 phase) จนมีปริมาณสูงสุดและลดลงในระหว่าง M phase ปฏิกิริยาของ MPF จะสูงสุดเมื่อมีปริมาณ cyclin มากเพียงพอ ส่วน Cdk จะมีปริมาณคงที่ (ไม่ได้แสดงในที่นี้)

41. (b) • (1) ที่ G2 checkpoint (ขีดสีแดง) มีปริมาณ cyclin มากเพียงพอที่จะผลิต MPF • (2) MPF กระตุ้นให้เกิด mitosis โดยกระตุ้นโปรตีนหลายชนิดและเอนไซม์ต่างๆด้วย • (3) ผลของการทำงานของ MPF อีกอย่างหนึ่งคือสุดท้ายจะสลาย cyclin ไป • (4) ส่วน Cdk ซึ่งเป็นอีกส่วนประกอบหนึ่งของ MPF จะคงอยู่และสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ เมื่อ cyclin มีปริมาณเพิ่มขึ้นอีก

42. 3.3M checkpoint : ปัจจัยภายในเซลล์ : message from the kinetochore ระยะ anaphase ซึ่งเป็นระยะที่แยก sister chromatids ออกจากกัน จะไม่เกิดขึ้นนอกจากทุกโครโมโซมจะมี spindle fiber มาเกาะ และมาเรียงตัวกันตรง metaphase plate (นี่คือ M checkpoint) เพื่อเป็นการแน่ใจว่า หลังจากการแบ่งเซลล์แล้ว เซลล์จะไม่ได้รับโครโมโซมไม่ครบหรือเกินมา โดยนักวิจัยพบว่า ถ้า kinetochore ยังไม่ติดกับ spindle fiber โปรตีน APC (anaphase promoting complex) จะอยู่ในรูป inactive และไม่ส่งสัญญาณต่อ จึงไม่เกิด anaphase แต่ถ้า kinetochore เกาะกับ spindle fiber เรียบร้อยแล้ว โปรตีน APC จะอยู่ในรูป active ดังนั้นส่งสัญญาณให้ proteolytic enzyme ย่อย cyclin และโปรตีนที่ยึด sister chromatids ให้ติดกัน ทำให้เกิดระยะ anaphase ตามมา

43. 4. ปัจจัยภายนอกเซลล์อื่นๆ • จากเทคนิคการเพาะเลี้ยงเซลล์ นักวิทยาศาสตร์ค้นพบปัจจัยภายนอกเซลล์หลายอย่างที่มีผลต่อการแบ่งเซลล์ เช่น • - สารอาหารที่จำเป็น • - อาหารเลี้ยงเซลล์ที่มี specific growth factor • - density – dependent inhibition • - anchorage dependence

44. 4.1 specific growth factorเป็นโปรตีนที่หลั่งออกมาจากเซลล์ร่างกายและกระตุ้นให้เซลล์แบ่งตัวได้ในเซลล์แต่ละชนิดต้องการ specific growth factor แตกต่างกันเช่น PDGF (platelet derived growth factor) เป็น specific growth factor สำหรับการแบ่งเซลล์ของ fibroblast cell สร้างมาจาก blood platelet ขณะที่เนื้อเยื่อเกี่ยวพันเป็นแผล และมีความสำคัญเกี่ยวกับการสมานบาดแผล คือกระตุ้นให้เซลล์ fibroblast แบ่งตัว

45. รูปแสดงการเพาะเลี้ยงเซลล์ fibroblasts แสดงให้เห็นว่า platelet-derived growth factor (PDGF) กระตุ้นให้เกิดการแบ่งเซลล์

46. 4.2 Density-dependent inhibition of cell division (ความหนาแน่นหยุดการแบ่งเซลล์) (a)ในการเพาะเลี้ยงเซลล์ เซลล์ปกติจะเพิ่มจำนวนจนกระทั่งแผ่เต็มพื้นผิวของจานเพาะเลี้ยง และเรียงเป็นชั้นเดียว ก็จะหยุดแบ่ง เนื่องจากอาหาร growth factor และพื้นที่ผิวที่เซลล์เกาะเป็นตัวจำกัดความหนาแน่นของเซลล์ ถ้านำเซลล์บางส่วนออกไป เซลล์ที่อยู่ข้างๆช่องว่างที่เกิดขึ้นจะแบ่งตัวจนกระทั่งเต็มช่องว่างนั้น ก็จะหยุดแบ่ง (b) แต่เซลล์มะเร็งไม่ได้เป็นเช่นนั้น เซลล์มะเร็งจะแบ่งตัวมากจนกระทั่งเซลล์ซ้อนกันหลายชั้น (a) (b)

47. 4.3 Anchorage dependenceกล่าวคือ การที่เซลล์จะแบ่งตัว เซลล์ต้องสัมผัสกับพื้นผิว ตัวอย่างเช่น เซลล์ที่เพาะเลี้ยงในจานเพาะเลี้ยงต้องสัมผัสกับพื้นผิวของจานเพาะเลี้ยง เป็นต้น ซึ่งจากการสัมผัสจะส่งสัญญาณผ่าน plasma membrane และ cytoskeleton ทำให้เซลล์แบ่งตัวต่อไป density-dependent inhibition of cell division และ anchorage dependence แสดงผลทั้งในเซลล์ที่เพาะเลี้ยงและในร่างกาย เพื่อให้เซลล์แบ่งเซลล์จนมีความหนาแน่นเพียงพอและอยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสม สำหรับเซลล์มะเร็งจะไม่แสดง density-dependent inhibition of cell division และ anchorage dependence

48. การเติบโตของเซลล์มะเร็งไปยังเนื้อเยื่อข้างเคียงการเติบโตของเซลล์มะเร็งไปยังเนื้อเยื่อข้างเคียง

49. สรุป Control of cell cycle G1 phase - most variable phase ปัจจัยที่ควบคุมได้แก่ - nutrition - growth factors - density of cell population - anchorage dependence - developmental state of cell ที่ทำให้เกิด 1. length of G1 2. whether the cell will pass the restriction point and divide Cell division เซลล์เข้าสู่ระยะ S G2 M APC MPF

50. Reproduction = ความสามารถในการผลิตสิ่งมีชีวิตที่เหมือนตนเอง ความสำคัญ: กลไกการดำรงเผ่าพันธุ์หรือ species ให้คงอยู่ในโลก Heredity = การถ่ายทอดลักษณะทางกรรมพันธุ์จากรุ่นหนึ่งไปรุ่นต่อไป Variation = ความแตกต่างของสิ่งมีชีวิตแต่ละตัวใน species เดียวกัน Genetics = วิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับ heredity และ variation Meiosis, sexual reproduction, heredity เป็นเรื่องที่เกี่ยวข้องกัน