วอลเตอร์ ชัตตัน (Walter Sutton) นักชีววิทยา เสนอทฤษฎีโครโมโซมในการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม (chromosome theory of inheritance) โดยเสนอว่า สิ่งที่เรียกว่าแฟกเตอร์จากข้อเสนอของเมนเดล (ยีน) น่าจะอยู่บนโครโมโซม เพราะมีเหตุการณ์หลายอย่างที่ยีนและโครโมโซมมีความสอดคล้องกัน

โดยชี้ให้เห็นว่า ยีนและโครโมโซมมีความสอดคล้องกัน ดังนี้

1. ยีนและโครโมโซมมี 2 ชุด 
2. ยีนและโครโมโซมสามารถถ่ายทอดไปสู่รุ่นลูกหลาน 
3. การแบ่งเซลล์แบบ meiosis โครโมโซมมีการเข้าคู่กัน และต่างแยกจากกัน ซึ่งยีนก็มีการ แยกตัวของยีนทั้งสองไปยังเซลล์สืบพันธุ์ เช่นกัน 
4. การแบ่งเซลล์แบบ meiosis การแยกตัวของโครโมโซมดำเนินไปอย่างอิสระเช่นเดียวกันกับ การแยกตัวของยีนไปยังเซลล์สืบพันธุ์ 
5. ขณะเกิดการสืบพันธุ์ การรวมตัวกันระหว่างชุดโครโมโซมจากเซลล์ไข่และสเปิร์มเป็นไปอย่างสุ่มซึ่งเหมือนกับยีน 
6. ทุกเซลล์ที่พัฒนามาจากไซโกตจะมีโครโมโซมครึ่งหนึ่งจากแม่ และอีกครึ่งหนึ่งจากพ่อ ส่วนยีนก็เช่นเดียวกัน

หลังจากการทดลองของเมนเดลได้ถูกตีพิมพ์ ต่อมาในปี ค.ศ. 1869 โยฮันน์ ฟรีดริช มีเชอร์ (Johann Friedrich Miescher) นายแพทย์ชาวสวิส ได้ศึกษาองค์ประกอบของนิวเคลียสของเซลล์เม็ดเลือดขาวที่ตายแล้วบนผ้าพันแผล มีเชอร์ทดลองนำเซลล์เม็ดเลือดขาวมาย่อยโปรตีนออก พบว่ามีสารชนิดหนึ่งภายในนิวเคลียสที่ไม่สามารถย่อยได้ จึงนำสารนี้มาวิเคราะห์องค์ประกอบต่อ

มีเชอร์พบว่า สารนี้ประกอบด้วยธาตุ C H O และ P และสารนี้ก็ไม่ใช่ทั้ง ลิพิด โปรตีน หรือคาร์โบไฮเดรต จึงเรียกสารนี้ว่านิวคลีอิน (nuclein) เนื่องจากเป็นสารที่อยู่ในนิวเคลียส แต่ต่อมาพบว่าสารนี้มีสมบัติเป็นกรด จึงเรียกว่ากรดนิวคลีอิก (nucleic acid)

ในปี ค.ศ. 1928 เอฟ กริฟฟิท (F. Griffith) แพทย์ชาวอังกฤษ ค้นพบว่า มีสารบางอย่างทำให้แบคทีเรีย streptococcus pneumonia เกิดการแปลสภาพ จากสายพันธุ์ R (ไม่ก่อโรค) เป็นสายพันธุ์ S (ก่อโรค) โดยกริฟฟิทช์ทำการทดลองทั้งหมด 4 ชุด

การทดลองชุดที่ 1 ทดลองฉีดแบคทีเรียสายพันธุ์ R เข้าไปในหนูทดลอง ปรากฏว่าหนูไม่ตาย

การทดลองชุดที่ 2 ทดลองฉีดแบคทีเรียสายพันธุ์ S เข้าไปในหนูทดลอง ปรากฏว่าหนูตาย

การทดลองชุดที่ 3 ฆ่าแบคทีเรียสายพันธุ์ S ให้ตายด้วยความร้อน จากนั้น จึงฉีดเข้าไปในหนูทดลอง ปรากฏว่าหนูไม่ตาย

การทดลองชุดที่ 4 นำแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ตายแล้ว มาผสมกับแบคทีเรียสายพันธุ์ R ที่ยังมีชีวิต แล้วฉีดเข้าไปในหนูทดลอง ปรากฏว่าหนูตาย และเมื่อนำเลือดของหนูไปตรวจ ก็พบว่ามีทั้งแบคทีเรียสายพันธุ์ R และ S

จากการทดลองนี้ ทำให้กริฟฟิทช์สรุปได้ว่า มีสารบางอย่างจากแบคทีเรียสายพันธุ์ S เข้าไปทำให้แบคทีเรียสายพันธุ์ R แปลสภาพเป็นแบคทีเรียสายพันธุ์ S เราเรียกกระบวนการนี้ว่า transformation แต่กริฟฟิทช์ก็ยังไม่รู้ว่าสารที่ว่านี้คืออะไร

ในปี ค.ศ. 1944 เอเวอรี่และคณะ จึงทำการทดลองต่อจาก เฟร็ดเดอริก กริฟฟิทช์ โดยนำแบคทีเรียสายพันธุ์ S มาฆ่าให้ตายด้วยความร้อน สกัดออกมาเป็น 4 หลอด แล้วเติมเอนไซม์ที่แตกต่างกัน

หลอดที่ 1 ไม่เติมเอนไซม์อะไรเลย (เป็นชุดควบคุมการทดลอง) > แบคทีเรียสายพันธุ์ S ในหลอดที่ 4 มี RNA, DNA และโปรตีน

หลอดที่ 2 เติมเอนไซม์ protease เพื่อย่อยโปรตีน > แบคทีเรีย S ในหลอดที่ 2 ไม่มีโปรตีน

หลอดที่ 3 เติมเอนไซม์ ribonuclease เพื่อย่อย RNA > แบคทีเรียสายพันธุ์ S ในหลอดที่ 1 ไม่มี RNA

หลอดที่ 4 เติมเอนไซม์ deoxyribonuclease เพื่อย่อย DNA > แบคทีเรียสายพันธุ์ S ในหลอดที่ 3 ไม่มี DNA

จากนั้น จึงเติมแบคทีเรียสายพันธุ์ R ลงไปในหลอดทดลองทั้ง 4 เมื่อทิ้งไว้ระยะหนึ่งจึงพบว่า

หลอดที่ 1 พบแบคทีเรียสายพันธุ์ S

หลอดที่ 2 พบแบคทีเรียสายพันธุ์ S

หลอดที่ 3 พบแบคทีเรียสายพันธุ์ S

หลอดที่ 4 ไม่พบแบคทีเรียสายพันธุ์ S

สังเกตว่า เมื่อเติมแบคทีเรียสายพันธุ์ R ลงไปในหลอดทดลองที่ 4 ซึ่งเป็นแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ไม่มี DNA ก็ไม่พบแบคทีเรียสายพันธุ์ S เพิ่ม ต่างจากหลอดอื่นๆ ที่ยังมี DNA อยู่ จึงพบแบคทีเรียสายพันธุ์ S จากผลการทดลองนี้ เอเวอรี่และคณะจึงสรุปได้ว่า DNA เป็นสารพันธุกรรม ที่ทำให้แบคทีเรียสายพันธุ์ R เกิดกระบวนการ transformation กลายเป็นแบคทีเรียสายพันธุ์ S

ดังนั้น จึงถือได้ว่าผลการทดลองของกริฟฟิท แอเวอรี่และคณะ เป็นจุดเริ่มต้นที่นำไปสู่ข้อสรุปที่สำคัญเป็นอย่างมากก็คือ ยีนหรือสารพันธุกรรมซึ่งทำหน้าที่ถ่ายทอดลักษณะของสิ่งมีชีวิตไปสู่รุ่นต่อๆ ไปนั้น เป็นสารชีวโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ชื่อว่า DNA นั่นเอง และจากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ในระยะต่อมา พบว่า DNA มีส่วนที่ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม และส่วนที่ไม่ได้ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม ส่วนที่ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม เรียกว่า ยีน ดังนั้น หน่วยพันธุกรรมที่เมนเดลเรียกว่า แฟกเตอร์ ก็คือยีนที่อยู่ในโครโมโซมนั่นเอง 

รูปร่าง ลักษณะ และจำนวนโครโมโซม

เซลล์ที่ยังไม่มีการแบ่งเซลล์โครโมโซม จะมีลักษณะเป็นเส้นเล็กยาวขดพันกันอยู่ภายในนิวเคลียส เรียกว่า โครมาทิน (chromatin)

เมื่อมีการแบ่งเซลล์ โครโมโซมจะจำลองตัวเองเป็นเส้นคู่ที่เหมือนกันทุกประการในระยะอินเตอร์เฟส แล้วจึงขดสั้นและหนาขึ้น สามารถเห็นได้อย่างชัดเจนที่สุดในระยะเมทาเฟสจากการย้อมด้วยสีย้อม DNA เช่น สีแอซีซีโครคาร์มีน หรือ ฮีมาทอซิลิน (hematoxylin) เป็นต้น สิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งอาจมีโครโมโซมที่มีรูปร่างแบบเดียวหรือหลายแบบก็ได้

ในสิ่งมีชีวิตที่เซลล์ร่างกายมีโครโมโซม 2 ชุด เรียกว่าดิพลอยด์ (diploid) เช่น คน โครโมโซมชุดหนึ่งได้รับมาจากพ่อ อีกชุดหนึ่งได้รับมาจากแม่ เมื่อมีการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส โครโมโซมที่จะเป็นคู่กันและจะมาเข้าคู่กัน แล้วแยกออกจากกันไปสู่เซลล์ลูกที่สร้างขึ้น เมื่อเสร็จสิ้นการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส โครโมโซมในเซลล์ลูกที่เกิดขึ้นจะลดลงครึ่งหนึ่ง เรียกว่า แฮพลอยด์ (haploid) โดยทั่วไปแล้ว สิ่งมีชีวิตแต่ละสปีชีส์มีจำนวนโครโมโซมคงที่

ตารางแสดงจำนวนโครโมโซมของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด

ส่วนประกอบของโครโมโซม

ถ้าหากจะประมาณสัดส่วนระหว่าง DNA และโปรตีนที่เป็นองค์ประกอบของโครโมโซมของยูคาริโอต จะพบว่า ประกอบด้วย DNA 1 ใน 3 และอีก 2 ใน 3 เป็นโปรตีน โดยส่วนที่เป็นโปรตีนจะเป็น ฮิสโตน (histone ) และนอนฮิสโตน (non-histone ) อย่างละประมาณเท่าๆ กัน

นักวิทยาศาสตร์พบว่า ฮิสโตนเป็นโปรตีนที่มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นกรดอะมิโนที่มีประจุบวก (basic amino acid) เช่น ไลซีน และอาร์จีนีน ทำให้มีคุณสมบัติในการเกาะจับกับสาย DNA ซึ่งมีประจุลบได้เป็นอย่างดี และทำให้เกิดการสร้างสมดุลของประจุ (neutralize) ของโครมาทินด้วยสาย DNA พันรอบกลุ่มโปรตีนฮิสโตนคล้ายเม็ดลูกปัด เรียกโครงสร้างนี้ว่า นิวคลีโอโซม (nucleosome) โดยจะมีฮิสโตนบางชนิดเชื่อมต่อระหว่างเม็ดลูกปัดแต่ละเม็ด

ส่วนของโปรตีนนอนฮิสโตนนั้นมีมากมายหลายชนิด อาจจะเป็นร้อยหรือพันชนิด ขึ้นอยู่กับชนิดของสิ่งมีชีวิต โดยโปรตีนเหล่านี้จะมีหน้าที่แตกต่างกันไป บางชนิดมีหน้าที่ช่วยในการขดตัวของ DNA หรือบางชนิดก็เกี่ยวข้องกับกระบวนการจำลองตัวเองของ DNA (DNA replication) หรือการแสดงออกของยีน เป็นต้น

สำหรับในโพรคาริโอต เช่น แบคทีเรีย E. Coli มีจำนวนโครโมโซมชุดเดียว และมีโครโมโซมเพียงโครโมโซมเดียว เป็นรูปวงแหวนอยู่ในไซโทพลาซึม ประกอบด้วย DNA 1 โมเลกุล และไม่มีฮิสโตนเป็นองค์ประกอบ

จีโนม (genome) 

สารพันธุกรรมทั้งหมดของสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งๆ เรียกว่า จีโนม (genome) จากการศึกษาพบว่า สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีขนาดจีโนมและจำนวนยีนแตกต่างกัน

ตารางแสดงขนาดของจีโนมในสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด

พัดชา วิจิตรวงศ์