วัฏจักรเซลล์ การแบ่งเซลล์ และการปฏิสนธิ (The Cell Cycle, Cell Division, and Fertilization)

พื้นฐานของวัฏจักรเซลล์ (Fundamentals of the Cell Cycle)

• นิยามและการควบคุม: การแบ่งตัวของเซลล์ทุกชนิดต้องได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังและมีการประสานงานกัน (Coordinated) ทั้งในด้านการเจริญเติบโตของเซลล์และการจำลองตัวของ DNA (DNA replication)
• ระยะต่างๆ ของวัฏจักรเซลล์ในยูแคริโอต (Eukaryote): เซลล์ที่กำลังแบ่งตัวจะผ่านระยะต่างๆ 4 ระยะหลัก โดยแบ่งตามช่วงเวลาของการสังเคราะห์ DNA:
  • Gap Phase 1 (G1): ระยะก่อนการสังเคราะห์ DNA
  • Synthesis Phase (S): ระยะที่มีการจำลองสารพันธุกรรม (Genetic material duplication)
  • Gap Phase 2 (G2): ระยะหลังการสังเคราะห์ DNA เพื่อเตรียมพร้อมเข้าสู่การแบ่งนิวเคลียส
  • Mitosis Phase (M): ระยะที่เกิดการแบ่งนิวเคลียส (Mitosis) และการแบ่งไซโทพลาซึม เพื่อแยกสารพันธุกรรมออกจากกัน
• ระยะอินเตอร์เฟส (Interphase): เป็นช่วงเวลาที่เซลล์มีการเจริญเติบโตและจำลองตัวของ DNA โดยเซลล์จะเติบโตในอัตราที่สม่ำเสมอตลอดระยะนี้ และเป็นระยะที่เซลล์ใช้เวลาอยู่นานที่สุด
• ระยะเวลาของวัฏจักรเซลล์ในเซลล์ประเภทต่างๆ:
  • เซลล์มนุษย์ที่เพิ่มจำนวนอย่างรวดเร็ว: ใช้เวลาประมาณ $24$ ชั่วโมง แบ่งเป็น:
    • ระยะ G1 ประมาณ $11$ ชั่วโมง
    • ระยะ S ประมาณ $8$ ชั่วโมง
    • ระยะ G2 ประมาณ $4$ ชั่วโมง
    • ระยะ M ประมาณ $1$ ชั่วโมง
  • Budding yeast (ยีสต์): ใช้เวลาประมาณ $90$ นาที
  • E. coli (แบคทีเรีย): ใช้เวลาประมาณ $20$ นาที
  • เซลล์ตัวอ่อนในระยะแรก (Early embryo cells): หลังการปฏิสนธิจะใช้เวลาสั้นมากเพียง $30$ นาทีหรือน้อยกว่า เพื่อแบ่งไซโทพลาซึมของไข่ให้เป็นเซลล์ขนาดเล็กจำนวนมาก โดยไม่มีระยะ G1 หรือ G2 และมีระยะ S และ M ที่สั้นมาก

ภาวะพักตัวของเซลล์ (Quiescence) และระยะ G0

• ความแตกต่างในการแบ่งตัว: เซลล์ในสัตว์ตัวเต็มวัยบางชนิดหยุดการแบ่งตัวโดยสิ้นเชิง (เช่น เซลล์ประสาท) ในขณะที่บางชนิดแบ่งตัวเฉพาะเมื่อจำเป็นเพื่อซ่อมแซมส่วนที่สึกหรอหรือบาดเจ็บ เช่น Skin fibroblasts, เซลล์ตับ, ไต และปอด
• ระยะ G0: เซลล์ที่หยุดแบ่งตัวจะออกจากระยะ G1 เพื่อเข้าสู่ระยะ G0 ซึ่งเป็นระยะพักตัวที่มีความว่องไวทางเมแทบอลิซึม (Metabolically active) แต่ไม่เพิ่มจำนวน จนกว่าจะได้รับการกระตุ้นด้วยสัญญาณจากภายนอกเซลล์ (Extracellular signals) ที่เหมาะสม

การควบคุมวัฏจักรเซลล์ด้วยสัญญาณและจุดตรวจสอบ (Regulation and Checkpoints)

• กลไกการควบคุม: การดำเนินไปของวัฏจักรเซลล์ถูกควบคุมโดยระดับสัญญาณจากภายนอก (สิ่งแวดล้อม) และสัญญาณภายในที่ตรวจสอบความพร้อมของกระบวนการต่างๆ
• จุดควบคุมสำคัญในระยะ G1:
  • START (ใน Saccharomyces cerevisiae): อยู่ในปลายระยะ G1 ควบคุมโดยความพร้อมของสารอาหาร, ปัจจัยการผสมพันธุ์ (Mating factors) และขนาดของเซลล์ โดยเซลล์ลูก (Daughter cell) ต้องมีขนาดถึงเกณฑ์ขั้นต่ำจึงจะผ่านจุดนี้ได้
  • Restriction point (ในเซลล์สัตว์): หากในช่วง G1 สัตว์ไม่ได้รับปัจจัยการเจริญเติบโต (Growth factors) เซลล์จะเข้าสู่ระยะ G0 และอาจคงอยู่ในสภาพนั้นได้นานมาก
• การควบคุมในระยะ G2: เซลล์บางชนิด เช่น Fission yeast (Schizosaccharomyces pombe) จะควบคุมวัฏจักรเซลล์หลักๆ ที่จุดเปลี่ยนผ่านจาก G2 ไป M เพื่อตรวจสอบขนาดเซลล์และความพร้อมของสารอาหาร
• จุดตรวจสอบวัฏจักรเซลล์ (Cell Cycle Checkpoints):
  • ทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้โครโมโซมที่ชำรุดหรือไม่สมบูรณ์ถูกจำลองและส่งต่อไปยังเซลล์ลูก
  • G2 Checkpoint: ตรวจสอบ DNA ที่ยังจำลองไม่เสร็จหรือเสียหาย หากพบความผิดปกติจะส่งสัญญาณยับยั้งการเข้าสู่ระยะ M
  • G1 Checkpoint: ตรวจสอบความเสียหายของ DNA ก่อนเข้าสู่ระยะ S
  • โปรตีน p53: ในเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม p53 จะทำหน้าที่หยุดวัฏจักรเซลล์ที่ G1 เพื่อให้เวลาร่างกายซ่อมแซม DNA ที่เสียหาย (เช่น จากการฉายรังสี) หาก p53 เกิดการมิวเทชัน จะนำไปสู่โรคมะเร็งได้บ่อยที่สุด

การเชื่อมโยงระหว่างระยะ S และระยะ M (Coupling of S and M Phase)

• การควบคุมการจำลองตัวของ DNA: เซลล์ต้องจำลองจีโนมเพียงรอบเดียวต่อหนึ่งวัฏจักร เพื่อป้องกันไม่ให้เซลล์ในระยะ G2 กลับเข้าสู่ระยะ S ซ้ำ
• กลไกโมเลกุล (MCM Proteins):
  • มีการใช้โปรตีนตระกูล MCM เป็น "Licensing factors" ร่วมกับ Origin of Replication Complex (ORC)
  • MCM จะจับกับ DNA ได้เฉพาะในระยะ G1 เท่านั้น เพื่อรอให้เริ่มการจำลองในระยะ S
  • เมื่อการจำลองเริ่มขึ้น MCM จะหลุดออกไป ทำให้ DNA ไม่สามารถเริ่มการจำลองซ้ำได้อีกจนกว่าจะผ่านพ้นระยะไมโทซิสไปแล้ว

ตัวควบคุมหลักของการดำเนินวัฏจักรเซลล์ (Regulators of Cell Cycle Progression)

การค้นพบโมเลกุลควบคุมหลักมาจาก 3 สายงานวิจัยสำคัญ:

1. การศึกษาในโอไซต์ของกบ (Frog Oocytes):
   • โอไซต์กบมักจะหยุดอยู่ที่ระยะ G2
   • การฉีดไซโทพลาซึมจากเซลล์ระยะ M เข้าไปในโอไซต์ระยะ G2 จะกระตุ้นให้เปลี่ยนไปสู่ระยะ M ได้
   • ปัจจัยนี้เรียกว่า Maturation Promoting Factor (MPF) ค้นพบในปี $1971$ โดย Yoshio Masui, Clement Markert, Dennis Smith และ Robert Ecker
2. การวิเคราะห์พันธุกรรมในยีสต์ (Yeast Genetics):
   • Lee Hartwell ($1970$) พบมิวแทนท์ cdc28 ใน S. cerevisiae ที่หยุดวัฏจักรเซลล์ที่จุด START
   • Paul Nurse พบมิวแทนท์ cdc2 ใน S. pombe ที่หยุดวัฏจักรเซลล์ทั้งใน G1 และรอยต่อ G2-M
   • พบว่า cdc28 และ cdc2 ทำหน้าที่เหมือนกันและรหัสโปรตีนเอนไซม์ Protein kinase
3. การศึกษาโปรตีนในตัวอ่อนเม่นทะเล (Sea Urchin Embryos):
   • Tim Hunt ($1983$) พบโปรตีนที่มีการสะสมและสลายตัวเป็นคาบเวลา (Periodic) เรียกว่า Cyclins (Cyclin A และ B)
   • Cyclins จะเพิ่มขึ้นตลอดระยะ Interphase และถูกทำลายอย่างรวดเร็วตอนท้ายของไมโทซิส การฉีด Cyclin A เข้าไปในโอไซต์กบสามารถกระตุ้นการเปลี่ยนผ่าน G2-M ได้

กลไกการทำงานของ MPF และ Cdk

• องค์ประกอบของ MPF: ประกอบด้วย 2 หน่วยย่อย คือ Cdc2 (ทำหน้าที่เป็น Catalytic subunit หรือเอนไซม์ไดเนส) และ Cyclin B (ทำหน้าที่เป็น Regulatory subunit)
• การควบคุมการทำงานของ MPF:
  • การจับกันระหว่าง Cdc2 และ Cyclin B เกิดขึ้นในระยะ S และ G2
  • การกระตุ้น: ต้องมีการเติมหมู่ฟอสเฟตที่ตำแหน่ง Threonine-161 ($T161$)
  • การยับยั้ง: การเติมหมู่ฟอสเฟตที่ตำแหน่ง Threonine-14 ($T14$) และ Tyrosine-15 ($Y15$) โดยเอนไซม์ Wee1 จะทำให้คอมเพล็กซ์อยู่ในสถานะ Inactive ตลอดระยะ G2
  • การเปลี่ยนเข้าสู่ระยะ M: เกิดจากการกำจัดหมู่ฟอสเฟตที่ $T14$ และ $Y15$ ออกโดยเอนไซม์ฟอสฟาเทสชื่อ Cdc25
• ตระกูล Cdk: ปัจจุบันพบว่ามี Cdk และ Cyclin หลายชนิดควบคุมจุดต่างๆ กัน เช่น ในระยะ G1 ของสัตว์จะใช้ Cyclin D (กระตุ้นโดยสัญญาณ Ras/Raf/ERK จากฟอสเฟอร์เรต) เพื่อควบคุมการผ่าน Restriction point
• ตัวยับยั้ง Cdk (Cdk Inhibitors): เช่น โปรตีน p21 ซึ่งถูกกระตุ้นโดย p53 เมื่อ DNA เสียหาย เพื่อยับยั้ง Cdk/Cyclin complexes และอาจจับกับ PCNA เพื่อยับยั้งการจำลอง DNA โดยตรง

เหตุการณ์ในระยะไมโทซิส (The Events of M Phase)

ไมโทซิสแบ่งออกเป็น 4 ระยะย่อย:

1. Prophase: โครโมโซมเริ่มขดตัวแน่นโดยอาศัยโปรตีน Condensins (ซึ่งถูกกระตุ้นโดย Cdc2) นิวเคลีโอลัสสลายตัว เยื่อหุ้มเกลียวนิวเคลียสเริ่มสลายตัวเนื่องจาก Cdc2 เติมหมู่ฟอสเฟตให้ Lamins
2. Metaphase: โครโมโซมเรียงตัวตรงกลางเซลล์ (Metaphase plate) ไมโครทูบูลจากสปินเดิลจับที่ Kinetochore ของโครโมโซม
3. Anaphase: Sister chromatids แยกออกจากกันด้วยการทำลายโปรตีน Scc1 (Cohesin) โดยอาศัยการทำงานของ Anaphase-promoting complex (APC)
4. Telophase: สร้างเยื่อหุ้มเกลียวนิวเคลียสใหม่จากถุงเวสิเคิลที่สลายตัวไป โครโมโซมคลายตัว

• การยับยั้ง MPF: APC ทำหน้าที่เติม Ubiquitin ให้กับ Cyclin B เพื่อส่งไปทำลาย ทำให้ MPF หมดฤทธิ์ นำไปสู่การเข้าสู่อะนาเฟสและเทโลเฟส

การแบ่งไซโทพลาซึม (Cytokinesis)

• ในเซลล์สัตว์: เกิดจากการทำงานของ Contractile ring ที่ประกอบด้วยเส้นใย Actin และ Myosin II รัดตัวตรงตำแหน่ง Metaphase plate เดิม จนเซลล์ขาดออกจากกัน
• ในเซลล์พืช: เนื่องจากมีผนังเซลล์ที่แข็งแรง จึงใช้การสร้าง Cell plate โดยเวสิเคิลจาก Golgi apparatus จะนำสารพวกโพลีแซคคาไรด์มาสะสมตรงกลาง และขยายออกด้านข้างจนบรรจบกับเยื่อหุ้มเซลล์เดิม

ไมโอซิส (Meiosis)

• ภาพรวม: การแบ่งจากเซลล์ดิพลอยด์ (Diploid, $2n$) กลายเป็นเซลล์แฮพลอยด์ ($n$) 4 เซลล์
• Meiosis I: เป็นระยะที่มีการเข้าคู่ของโครโมโซมคู่เหมือน (Synapsis) เกิดเป็น Bivalent หรือ Tetrad และมีการแลกเปลี่ยนชิ้นส่วน DNA (Genetic recombination)
  • Prophase I แบ่งเป็น 5 ระยะ:
    1. Leptotene: โครโมโซมเริ่มขดตัว
    2. Zygotene: โครโมโซมคู่เหมือนเริ่มจับคู่กัน (Synapsis)
    3. Pachytene: เกิดการ Crossing over
    4. Diplotene: โครโมโซมคู่เหมือนเริ่มแยกกันแต่ยังติดกันที่ตำแหน่ง Chiasmata (ระยะนี้ในมนุษย์อาจค้างอยู่นาน $40-50$ ปี)
    5. Diakinesis: โครโมโซมขดตัวสูงสุดและแยกออกจากนิวเคลียส
• Meiosis II: คล้ายคลึงกับไมโทซิสปกติ แต่ไม่มีการจำลอง DNA ซ้ำก่อนเริ่ม

การปฏิสนธิและการควบคุมในเซลล์ไข่สัตว์มีกระดูกสันหลัง

• การหยุดค้างของเซลล์ไข่: เซลล์ไข่ส่วนมากจะหยุดค้างที่ระยะ Metaphase II โดยอาศัยปัจจัยที่เรียกว่า Cytostatic Factor (CSF) ซึ่งมีโปรตีน Mos kinase เป็นองค์ประกอบหลัก
• กระบวนการปฏิสนธิ:
  • อสุจิจับกับรีเซปเตอร์บนผิวไข่ กระตุ้นการเพิ่มขึ้นของ $Ca^{2+}$ ในไซโทพลาซึม (ผ่านการไฮโดรไลซิสของ $PIP_2$)
  • $Ca^{2+}$ ที่เพิ่มขึ้นกระตุ้นการหลั่งสารจาก Secretory vesicles เพื่อเปลี่ยนเคลือบผิวไข่ ป้องกันการเข้าของอสุจิตัวอื่น (Polyspermy)
  • $Ca^{2+}$ ส่งสัญญาณให้ไมโอซิส II ดำเนินต่อไปจนเสร็จ และขับ Polar body ตัวที่สองออกมา
  • นิวเคลียสของอสุจิและไข่ (Pronuclei) จำลอง DNA ขณะเคลื่อนเข้าหากัน แล้วจึงรวมตัวกันแบ่งทางไมโทซิสเป็นตัวอ่อนระยะ 2 เซลล์ที่มีโครโมโซมชุดสมบูรณ์ ($2n$)