เรื่องโดย
ดร.วรพงศ์ สิงห์ชาติ, ดร.ฐิติพงศ์ พันทุม และ ศ. ดร.ครศร ศรีกุลนาถ
หากนำโครโมโซมของมนุษย์กับไก่มาวางเรียงเปรียบเทียบกัน ภาพที่เห็นจะแตกต่างกันอย่างชัดเจน โครโมโซมของมนุษย์แม้จะมีขนาดแตกต่างกัน แต่โดยรวมยังอยู่ในช่วงที่ค่อนข้างต่อเนื่อง ขณะที่แคริโอไทป์ของนกจำนวนมากกลับดูราวกับมี “สองโลก” อยู่ในเซลล์เดียวกัน คือ แมโครโครโมโซม (macrochromosome) ซึ่งเป็นโครโมโซมขนาดใหญ่เพียงไม่กี่คู่ และไมโครโครโมโซม (microchromosome) ซึ่งเป็นโครโมโซมขนาดเล็กมากอีกหลายคู่ บางแท่งเล็กมากจนเมื่อมองผ่านกล้องจุลทรรศน์อาจเห็นเป็นเพียงจุดเล็ก ๆ ท่ามกลางโครโมโซมแท่งใหญ่
แต่ไมโครโครโมโซมไม่ได้เป็นเอกลักษณ์ของนกเท่านั้น โครโมโซมขนาดเล็กเช่นนี้พบกระจายอยู่ในสัตว์มีกระดูกสันหลังหลายสายวิวัฒนาการ ตั้งแต่ปลา สัตว์สะเทินน้ำสะเทินบก ไปจนถึงสัตว์เลื้อยคลานหลายกลุ่ม เช่น เต่า กิ้งก่า งู ขณะที่สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอย่างมนุษย์กลับไม่มีชุดไมโครโครโมโซมที่แยกออกมาอย่างเด่นชัดเหมือนในสัตว์เหล่านั้น
ความแตกต่างนี้นำไปสู่คำถามที่ดูเหมือนเรียบง่าย แต่ซ่อนประวัติศาสตร์วิวัฒนาการของจีโนมไว้หลายร้อยล้านปีว่า เหตุใดสัตว์บางสายวิวัฒนาการจึงยังคงมี “โครโมโซมจิ๋ว” จำนวนมาก ขณะที่ในสัตว์อีกหลายสาย โครโมโซมเหล่านี้กลับไม่ปรากฏให้เห็นอีกแล้ว ? คำถามที่ว่า “ทำไมสัตว์เหล่านั้นจึงมีไมโครโครโมโซม ?” จึงอาจจะไม่น่าสนใจเท่า “แล้วไมโครโครโมโซมของบรรพบุรุษเราหายไปไหน ?”
 โครโมโซมจากเซลล์ระยะเมทาเฟสของไก่ (Gallus gallus; 2n = 78) แสดงในรูปแบบภาพย้อม DAPI แบบกลับสี (inverted DAPI) โดยพบโครโมโซมขนาดใหญ่เพียงไม่กี่คู่ร่วมกับโครโมโซมขนาดเล็กจำนวนมาก ซึ่งบางแท่งมีขนาดเล็กมากจนมองเห็นเป็นเพียงจุดเล็ก ๆ |
 ภาพแนวคิดเปรียบเทียบแมโครโครโมโซมและไมโครโครโมโซมซึ่งอยู่ร่วมกันในจีโนมเดียวกันได้ |
ใครมีไมโครโครโมโซมบ้าง ?
หากมองข้ามเส้นแบ่งระหว่างชนิด เราจะพบว่าไมโครโครโมโซมไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะในนก แต่พบกระจายอยู่ในสัตว์มีกระดูกสันหลังหลายกลุ่ม ทั้งสัตว์เลื้อยคลาน เช่น งู กิ้งก่า และเต่า รวมถึงปลาและสัตว์สะเทินน้ำสะเทินบกบางชนิด จำนวนของไมโครโครโมโซมแตกต่างกันมากในแต่ละกลุ่ม ตั้งแต่เพียงไม่กี่คู่ไปจนถึงหลายสิบคู่ ความแปรผันนี้ทำให้ไมโครโครโมโซมกลายเป็นหน้าต่างสำคัญสำหรับศึกษาว่าโครงสร้างของจีโนมสัตว์มีกระดูกสันหลังได้รับการอนุรักษ์ แตกออก และรวมตัวใหม่อย่างไรตลอดประวัติศาสตร์วิวัฒนาการ
 การกระจายของไมโครโครโมโซมในสัตว์มีกระดูกสันหลังมีความหลากหลายมาก ตั้งแต่ไม่มีเป็นชุดแยกเด่นชัดไปจนถึงมีมากกว่า 40 คู่ ในบางสายวิวัฒนาการ |
เล็กแต่แน่นไปด้วยยีน
ชื่อไมโครโครโมโซมอาจทำให้รู้สึกว่าโครโมโซมขนาดเล็กเหล่านี้คงมีข้อมูลทางพันธุกรรมน้อยตามขนาด แต่สิ่งที่น่าสนใจคือ แม้จะมีดีเอ็นเอน้อยกว่าโครโมโซมแท่งใหญ่ แต่ไมโครโครโมโซมหลายแท่งกลับเป็นบริเวณที่มียีนหนาแน่น มีสัดส่วน GC (guanine (กัวนีน), cytosine (ไซโทซีน)) สูง มีดีเอ็นเอที่มีลำดับเบสซ้ำกัน (repetitive DNA) และชิ้นส่วนดีเอ็นเอที่เคลื่อนที่ได้ (transposable elements) ต่ำกว่าโดยเฉลี่ย และมีอัตราการเกิดรีคอมบิเนชัน (recombination) ต่อหน่วยความยาวของดีเอ็นเอสูงกว่าแมโครโครโมโซมคุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ไมโครโครโมโซมไม่ได้เป็นเพียง “โครโมโซมเล็ก” แต่มีลักษณะทางจีโนมที่แตกต่างจากโครโมโซมขนาดใหญ่ค่อนข้างชัดเจน
ความแตกต่างนี้เห็นได้ชัดมากในไก่ซึ่งมีไมโครโครโมโซมรวมกันประมาณร้อยละ 23 ของจีโนม แต่กลับเป็นบริเวณที่อุดมด้วยยีน และมีอย่างน้อยประมาณครึ่งหนึ่งของยีนทั้งหมดอยู่บนโครโมโซมกลุ่มนี้ กล่าวอีกแบบหนึ่งคือ แม้ไมโครโครโมโซมจะมีขนาดเล็ก แต่พื้นที่หนึ่งเมกะเบสบนโครโมโซมเหล่านี้โดยเฉลี่ยจะมียีนหนาแน่นกว่าแมโครโครโมโซมมาก
ความพิเศษของไมโครโครโมโซมจึงไม่ได้อยู่ที่ “ความเล็ก” เพียงอย่างเดียว แต่ยังรวมถึงวิธีที่ยีนถูกบรรจุ การแลกเปลี่ยนสารพันธุกรรม และองค์ประกอบของดีเอ็นเอภายในโครโมโซมเหล่านี้ด้วย
ไมโครโครโมโซมเกิดขึ้นจากไหน ?
ที่มาของไมโครโครโมโซมเป็นคำถามที่นักพันธุศาสตร์ถกเถียงกันมานาน แนวคิดหนึ่งเสนอว่าโครโมโซมขนาดเล็กเหล่านี้อาจเกิดจากการแตกแยก (fission) ของโครโมโซมขนาดใหญ่ในบรรพบุรุษ ขณะที่อีกแนวคิดมองในทิศทางตรงกันข้ามว่าไมโครโครโมโซมหลายแท่งอาจเป็นหน่วยโครโมโซมดั้งเดิมที่มีอยู่มาตั้งแต่บรรพบุรุษ และเก็บรักษาไว้ในสัตว์บางสายวิวัฒนาการ ขณะที่ในสัตว์อีกหลายสาย หน่วยเหล่านี้ค่อย ๆ หลอมรวมเข้าด้วยกันหรือรวมเข้ากับโครโมโซมขนาดใหญ่จนไม่ปรากฏเป็นไมโครโครโมโซมอีกต่อไป
หลักฐานจากจีโนมระดับโครโมโซมในช่วงหลังสนับสนุนภาพหลังมากขึ้น มีงานวิจัยของวอเทอส์และคณะ เปรียบเทียบจีโนมของนก สัตว์เลื้อยคลาน และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม และพบว่าไมโครโครโมโซมจำนวนมากมีการคงอยู่ร่วมกันของกลุ่มยีนในโครโมโซมเดียวกัน (conserved synteny) อย่างน่าประหลาดใจ แม้สัตว์เหล่านี้จะแยกสายวิวัฒนาการจากกันมานานมากก็ตาม
หลักฐานที่น่าสนใจยิ่งกว่านั้นมาจากการเปรียบเทียบกับแอมฟิออกซัส (amphioxus) หรือแลนเซเลต (lancelet) ซึ่งเป็นสัตว์ในกลุ่มคอร์เดต (chordate) ที่แยกสายวิวัฒนาการออกจากสายที่นำไปสู่สัตว์มีกระดูกสันหลังมานานราว 684 ล้านปี แอมฟิออกซัสมีจีโนมขนาดเล็กที่แบ่งออกเป็นโครโมโซมขนาดเล็กหลายแท่ง และเมื่อนำมาเปรียบเทียบกับจีโนมของนก พบว่าไมโครโครโมโซมของนกหลายแท่งยังคงมีความสัมพันธ์กับโครโมโซมเหล่านี้อย่างชัดเจน
ผลดังกล่าวทำให้ภาพของไมโครโครโมโซมเปลี่ยนไปอย่างมาก เพราะมันชี้ว่าไมโครโครโมโซมบางส่วนไม่ได้เป็น “ของใหม่” ที่เพิ่งเกิดขึ้นในนกหรือสัตว์เลื้อยคลาน แต่เป็นร่องรอยของหน่วยโครโมโซมโบราณที่สืบทอดมาจากบรรพบุรุษร่วมของคอร์เดตในอดีตอันไกลโพ้น
ดังนั้นเมื่อเรามองไมโครโครโมโซมของไก่ในวันนี้ เราอาจไม่ได้กำลังมองเพียงโครโมโซมขนาดเล็ก แต่กำลังมองเห็นชิ้นส่วนของสถาปัตยกรรมจีโนมที่มีรากย้อนกลับไปหลายร้อยล้านปี ไมโครโครโมโซมจึงอาจไม่ใช่โครโมโซมที่ “ผิดปกติ” ของนกและสัตว์เลื้อยคลาน แต่ในทางกลับกันไมโครโครโมโซมอย่างน้อยบางส่วนอาจเป็นหน่วยโครโมโซมดั้งเดิมของจีโนมสัตว์ ที่สายวิวัฒนาการเหล่านี้ยังคงเก็บรักษาไว้จนถึงปัจจุบัน
ทำไมบางกลุ่มยังมี แต่บางกลุ่มไม่มี?
นี่คือคำถามสำคัญที่สุดของเรื่องนี้ ปัจจุบันยังไม่มีหลักฐานที่อธิบายว่าทำไมสัตว์บางกลุ่มจึงมีไมโครโครโมโซมจำนวนมาก ขณะที่บางกลุ่มไม่มี แต่สิ่งที่หลักฐานบอกได้ชัดเจนคือ การมีหรือไม่มีไมโครโครโมโซมในสัตว์แต่ละกลุ่มเป็นผลสะสมจากประวัติการจัดเรียงโครโมโซมใหม่ (chromosome rearrangement) ที่แตกต่างกันไปในแต่ละสายวิวัฒนาการ โดยเฉพาะกระบวนการรวมตัว (fusion) และการแตกตัว (fission)
เมื่อไมโครโครโมโซมสองแท่งหลอมรวมเข้าด้วยกัน หรือไมโครโครโมโซมรวมเข้ากับแมโครโครโมโซม จำนวนโครโมโซมขนาดเล็กที่มองเห็นเป็นแท่งแยกก็จะลดลง แต่ยีนที่อยู่บนโครโมโซมเหล่านั้นไม่ได้หายไปพร้อมกับการหลอมรวม แต่ยังคงอยู่โดยกลายเป็นส่วนหนึ่งของโครโมโซมที่มีขนาดใหญ่ขึ้น การเปรียบเทียบจีโนมระหว่างสัตว์หลายกลุ่มพบร่องรอยของเหตุการณ์ลักษณะนี้ในหลายสายวิวัฒนาการ รวมถึงเต่า งู และกิ้งก่าหลายกลุ่ม
ในทางกลับกัน กระบวนการฟิชชันหรือการแตกของโครโมโซมขนาดใหญ่ก็ทำให้เกิดโครโมโซมขนาดเล็กขึ้นใหม่ได้เช่นกัน มีตัวอย่างจากสัตว์บางสายวิวัฒนาการที่ไมโครโครโมโซมบางแท่งไม่ได้สืบทอดมาในรูปเดิมจากบรรพบุรุษอันเก่าแก่ แต่เกิดขึ้นภายหลังจากการแตกและจัดเรียงโครโมโซมใหม่
ดังนั้นคำว่า ไมโครโครโมโซมจึงบอกเราเพียงว่าโครโมโซมนั้นมีขนาดเล็ก แต่ไม่ได้บอกว่าโครโมโซมทุกแท่งมีต้นกำเนิดหรืออายุทางวิวัฒนาการเหมือนกัน บางแท่งอาจเป็นหน่วยโครโมโซมโบราณที่ถูกเก็บรักษามาหลายร้อยล้านปี ขณะที่บางแท่งอาจเกิดขึ้นใหม่ในภายหลังจากการจัดเรียงโครโมโซมใหม่
สิ่งที่เราเห็นในแคริโอไทป์ของสัตว์ปัจจุบัน จึงเปรียบเสมือนผลลัพธ์ปลายทางของประวัติการ “แยก–รวม–จัดเรียงใหม่” ของโครโมโซมที่ดำเนินมาอย่างต่อเนื่องตลอดวิวัฒนาการ
 ความแตกต่างระหว่างสายวิวัฒนาการอาจเกิดจากการรวมตัว (fusion) ของไมโครโครโมโซมหรือการแตกตัว (fission) ของโครโมโซมใหญ่ กระบวนการทั้งสองเปลี่ยนจำนวนไมโครโครโมโซมได้โดยไม่จำเป็นต้องสูญเสียยีนทั้งหมด |
โครโมโซมจิ๋วมี “ที่อยู่” ของตัวเองในนิวเคลียส
ความพิเศษของไมโครโครโมโซมไม่ได้หยุดอยู่เพียงที่ลำดับดีเอ็นเอหรือจำนวนยีน เพราะเมื่อศึกษาการจัดระเบียบจีโนมในสามมิติ นักวิทยาศาสตร์พบว่าโครโมโซมขนาดเล็กเหล่านี้ยังมีรูปแบบการวางตัวในนิวเคลียสที่แตกต่างจากแมโครโครโมโซมด้วย
 แบบจำลองเชิงแนวคิดของการจัดตัวในนิวเคลียส ไมโครโครโมโซมมีปฏิสัมพันธ์กันสูงและมีแนวโน้มรวมตัวบริเวณส่วนกลาง ขณะที่แมโครโครโมโซมแยกเป็นพื้นที่เฉพาะตัวชัดกว่า ที่มาภาพ : สรุปแนวคิดจาก Perry et al., 2021; Waters et al., 2021 |
ถ้าอย่างนั้น สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม “ทำไมโครโครโมโซมหายไป” หรือไม่?
สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในปัจจุบันไม่ได้รักษาชุดไมโครโครโมโซมบรรพบุรุษ ไว้เป็นแท่งแยกอย่างเด่นชัดเหมือนที่พบในนกและสัตว์เลื้อยคลานหลายกลุ่ม แต่ไม่ได้หมายความว่ายีนหรือชิ้นส่วนของหน่วยโครโมโซมโบราณเหล่านั้นหายไปจากจีโนมทั้งหมด การเปรียบเทียบลำดับจีโนมพบว่า บริเวณต่าง ๆ บนโครโมโซมของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมยังเชื่อมโยงย้อนกลับไปยังไมโครโครโมโซมของนกและสัตว์เลื้อยคลานได้ เพียงแต่หน่วยเดิมเหล่านั้นผ่านการรวมตัวและเรียงตัวใหม่ซ้ำหลายครั้งจนไม่เหลือรูปร่างเป็นไมโครโครโมโซมแยกอิสระเหมือนเดิม
กล่าวอีกแบบหนึ่งคือ ไมโครโครโมโซมอาจไม่ได้หายไปจากจีโนมของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม แต่ “ประกอบขึ้นใหม่” หน่วยโครโมโซมขนาดเล็กในบรรพบุรุษค่อย ๆ ถูกนำมารวม แยก และจัดเรียงใหม่ จนกลายเป็นส่วนหนึ่งของโครโมโซมขนาดใหญ่ที่พบในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมปัจจุบัน ในมนุษย์และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมกลุ่มเทอเรียน (therian) ร่องรอยเหล่านี้ยิ่งถูกแบ่งและกระจายออกไปจากการจัดเรียงจีโนมซ้ำหลายครั้งตลอดวิวัฒนาการ
จาก “จุดเล็ก ๆ” สู่ประวัติศาสตร์ของจีโนม
หากย้อนกลับไปยังคำถามว่า “ทำไมสัตว์บางกลุ่มจึงมีไมโครโครโมโซม ?” คำตอบที่เหมาะสมที่สุดในปัจจุบันไม่ใช่เพราะว่าสัตว์เหล่านั้นจำเป็นต้องสร้างโครโมโซมขนาดเล็กขึ้นมาเพื่อทำหน้าที่เฉพาะอย่างใดอย่างหนึ่ง แต่เป็นเพราะจีโนมของพวกมันมีประวัติวิวัฒนาการของโครโมโซมที่แตกต่างกัน บางสายยังคงรักษาหน่วยโครโมโซมขนาดเล็กโบราณไว้เป็นแท่งแยก ขณะที่ในอีกหลายสายหน่วยเหล่านั้นผ่านการรวมตัวและเรียงใหม่จนกลายเป็นส่วนหนึ่งของโครโมโซมที่มีขนาดใหญ่ขึ้น
และยิ่งเรามีจีโนมระดับโครโมโซมจากสัตว์หลากหลายชนิดมากขึ้น ภาพก็ยิ่งชัดว่าไมโครโครโมโซมจำนวนมากไม่ใช่เพียง “โครโมโซมเล็ก” แต่เป็นหน่วยของจีโนมที่มีประวัติยาวนาน มียีนหนาแน่น มีอัตรารีคอมบิเนชันสูง มีรูปแบบการจัดตัวในนิวเคลียสที่โดดเด่น และในบางกรณีสามารถคงความเป็นหน่วยเดิมผ่านช่วงเวลาวิวัฒนาการนับร้อยล้านปี
โครโมโซมที่เล็กที่สุดบางแท่งจึงอาจกำลังเก็บเรื่องราวที่เก่าแก่ที่สุดของจีโนมเอาไว้
แหล่งข้อมูลอ้างอิง
- Griffin, D. K., Kretschmer, R., Srikulnath, K., Singchat, W., O’Connor, R. E., & Romanov, M. N. (2024). Insights into avian molecular cytogenetics—with reptilian comparisons. Molecular Cytogenetics, 17, 24. https://doi.org/10.1186/s13039-024-00696-y
– O’Connor, R. E., Kiazim, L., Skinner, B., Fonseka, G., Joseph, S., Jennings, R., Larkin, D. M., & Griffin, D. K. (2019). Patterns of microchromosome organization remain highly conserved throughout avian evolution. Chromosoma, 128, 21–29. https://doi.org/10.1007/s00412-018-0685-6
Perry, B. W., Schield, D. R., Adams, R. H., & Castoe, T. A. (2021). Microchromosomes exhibit distinct features of vertebrate chromosome structure and function with underappreciated ramifications for genome evolution. Molecular Biology and Evolution, 38, 904–910. https://doi.org/10.1093/molbev/msaa253
Srikulnath, K., Ahmad, S. F., Singchat, W., & Panthum, T. (2021). Why do some vertebrates have microchromosomes? Cells, 10, 2182. https://doi.org/10.3390/cells10092182
Waters, P. D., Patel, H. R., Ruiz-Herrera, A., Álvarez-González, L., Lister, N. C., Simakov, O., et al. (2021). Microchromosomes are building blocks of bird, reptile, and mammal chromosomes. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118, e2112494118. https://doi.org/10.1073/pnas.2112494118
About Author
