ดีเอ็นเอถูกจัดระเบียบให้พอดีกับเซลล์อย่างไร?

คุณมีเซลล์ประมาณ 50 ล้านล้านเซลล์ในร่างกายของคุณ เกือบทั้งหมดมี DNA อยู่ในตัว อันที่จริงมี DNA อยู่สองเมตร ถ้าคุณร้อยสาย DNA ทั้งหมดเข้าด้วยกันแบบ end-to-end คุณจะมีสายยาวพอที่จะไปรอบโลกได้สองล้านครึ่ง อย่างไรก็ตาม DNA นั้นถูกบรรจุอย่างแน่นหนาพอที่จะไม่เพียงแค่พอดีกับร่างกายของคุณ แต่ยังเข้ากับนิวเคลียสเล็กๆ ของเซลล์ที่ประกอบเป็นร่างกายของคุณด้วย ร่างกายของคุณจัดการสิ่งนี้ในลักษณะเดียวกับที่คุณจะจัดการรวบรวมเชือกหรือเส้นด้ายสีรุ้ง มันม้วนเป็นม้วนและร้อยเป็นเกลียวเข้าด้วยกัน

โมเลกุลเดี่ยวของ DNA ประกอบด้วยสายยาวของโมเลกุลอะดีนีน ไซโตซีน กัวนีน และไทมีนที่เชื่อมโยงกับกลุ่มน้ำตาลและฟอสเฟต โมเลกุลของ DNA นั้นแทบจะไม่มีอยู่โดยตัวของมันเอง พวกมันมักจะจับคู่กันเป็นเกลียวคู่ขนานกันที่พันกันเป็นเกลียวคู่ที่มีชื่อเสียง เช่นเดียวกับเส้นด้ายสองเส้น DNA แบบสองเกลียวให้การป้องกันสารเคมีชนิดหนึ่งที่ทำให้ทั้งสองเข้าด้วยกันแข็งแกร่งกว่าตัวเดียว เกลียวคู่นั้นเป็นกลไกแรกในการบรรจุ DNA ในบรรจุภัณฑ์ที่แน่นหนา โดยลดความยาวสองเมตรลงเหลือเพียงเส้นเดียว

ถ้าคุณมีด้ายยาว 50 หลา คุณคงไม่อยากทิ้งมันลงกอง คุณจะได้หลอดและพันด้ายไว้รอบๆ แทน นั่นคือสิ่งที่ร่างกายของคุณทำกับ DNA มันใช้กลุ่มของโมเลกุลที่เรียกว่าฮิสโตนเป็นหลอดสำหรับดีเอ็นเอ สถานการณ์นี้ซับซ้อนกว่าหลอดด้ายเล็กน้อย เนื่องจากร่างกายของคุณจำเป็นต้องสามารถเข้าถึงส่วนต่างๆ ของ DNA ของคุณได้ในเวลาที่ต่างกัน ดังนั้น แทนที่จะใช้หลอดใหญ่เส้นเดียวที่จะต้องแกะออกมากเพื่อไปยังที่ใดที่หนึ่งตรงกลาง ร่างกายของคุณจะสร้างหลอดเล็กๆ จำนวนมาก ทำให้ DNA ของคุณวนซ้ำแล้วซ้ำอีก DNA ที่สปูลเป็นวงเล็กๆ เหล่านี้เรียกว่านิวคลีโอโซม และโครโมโซมแต่ละโครโมโซมมีนับแสนโครโมโซม โครงสร้างที่เป็นผลลัพธ์มักเรียกว่า "ร้อยลูกปัด" การสปูลนี้ลดความยาวของดีเอ็นเอจากประมาณหนึ่งเมตรเหลือประมาณ 14 เซนติเมตร

ขั้นตอนต่อไปในการกระชับ DNA ไม่เป็นที่เข้าใจกันดีนัก แม้ว่าจะทราบผลลัพธ์แล้วก็ตาม ยังไงก็ตาม นิวคลีโอโซมหมุนรอบกันและกัน บางทีก็เหมือนกลีบบนดอกเดซี่ ถ้าแต่ละกลีบเป็นนิวคลีโอโซมแนวตั้ง จากนั้นวงนิวคลีโอโซมจะวนเป็นวงกลมวนทับกัน ผลที่ได้คือโครงสร้างที่เรียกว่าเส้นใย 30 นาโนเมตร เพราะเป็นเส้นที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 30 พันล้านส่วน เส้นใยขนาด 30 นาโนเมตรนั้นจะพันรอบตัวเอง จากนั้นลูปก็วนกลับมาที่ตัวเองอีกครั้ง ซึ่งตอนนี้เหมือนเป็นเส้นไหมพรมมากกว่าหลอดด้าย การม้วนตัวในระดับนั้นเพียงพอที่จะใส่ DNA เข้าไปในนิวเคลียสของเซลล์

เมื่อเซลล์แบ่งตัว เซลล์จะแยกออกเป็นสองสำเนาที่สมบูรณ์แบบของตัวมันเอง สำเนาที่สมบูรณ์แบบสองชุดนั้นรวมถึง DNA สองชุด เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการทำซ้ำ โครโมโซมจะถูกควบแน่นยิ่งขึ้นไปอีก โดยเรียงต่อกันในช่วงชีวิตของเซลล์ที่เรียกว่าเมตาเฟส ในเมตาเฟส DNA มีลูปต่อลูปจำนวนมากจนถูกบีบอัดให้มีความยาวหนึ่งในหมื่นของความยาวเดิม รูปแบบที่ถูกบีบอัดเหล่านั้นเป็นรูปแบบแรกของ DNA ที่ค้นพบ