มนุษย์มีรหัสนอกพันธุกรรม 5% ที่รีเซ็ตไม่หาย

By: terminus
Writer
on Sun, 07/06/2015 - 17:59

รหัสพันธุกรรมบนสาย DNA ไม่ใช่ข้อมูลเพียงอย่างเดียวที่กำหนดว่าสิ่งมีชีวิตจะได้ชีวิตแบบไหน มันยังมีปัจจัยอื่นๆ ที่กำหนดด้วยว่ายีนตัวไหนจะทำงานเปิดปิดเมื่อไรและที่ไหน ข้อมูลที่นอกเหนือรหัสพันธุกรรมเหล่านี้ทำให้สิ่งมีชีวิตแต่ละตัวในสิ่งแวดล้อมแตกต่างกันมีลักษณะและการแสดงออกของยีนต่างกัน แม้แต่ฝาแฝดที่มีรหัสพันธุกรรมบน DNA เหมือนกันทุกประการก็ไม่มีทางที่จะเหมือนกันไปทุกกระเบียดนิ้ว นักชีววิทยาลักษณะความแปรผันที่เกิดจากปัจจัยนอกเหนือพันธุกรรมว่า Epigenetics

หนึ่งในกระบวนการชีวเคมีที่สำคัญทาง Epigenetics คือ DNA methylation ซึ่งหมายถึงกระบวนการเติมหมู่ methyl (-CH3) เข้าไปที่เบสบนสาย DNA (ส่วนใหญ่จะเติมที่เบส Cystosine ซึ่งมีตัวย่อว่า C) ตำแหน่งเบสที่ถูกเติมหมู่ methyl จะทำให้โปรตีนที่เกี่ยวข้องกับการถอดรหัส (transcription) เข้ามาเกาะได้น้อยลงและ/หรือทำให้โปรตีนที่เกาะอยู่กับเส้น DNA ตรงนั้นขดตัวมากขึ้น ส่งผลให้การถอดรหัสเกิดขึ้นได้น้อยลง ดังนั้น DNA methylation มักจะทำให้ยีนถูกปิดการทำงานลงอย่างถาวรในเซลล์นั้นๆ การควบคุมนี้เกี่ยวข้องกับการเติบโตพัฒนาของเอ็มบริโอและการตอบสนองต่อสิ่งเร้าต่างๆ เช่น ภาวะขาดแคลนอาหารจะทำให้ยีนบางตัวปิดการทำงานลง นอกจากนี้การแปะหมู่ methyl ยังทำหน้าที่ควบคุมรหัสพันธุกรรมแปลกปลอมที่อยู่ในจีโนมของเรา (retroelements) ไม่ให้เพ่นพ่านเปิดทำงานมั่วซั่วหรือส่งตัวเองแทรกกระจายไปยังจุดต่างๆ ของจีโนมด้วย

ตามปกติแล้ว หลังจากการปฏิสนธิและแบ่งเซลล์ไม่นาน กลุ่มเซลล์ต้นกำเนิดแรก (primordial germ cell) ของเอ็มบริโอจะ "รีเซ็ต" ต้วเองเพื่อล้างหมู่ methyl ที่ถูกเติมไว้ทั้งหมด ไม่ว่า methyl หมู่นั้นๆ จะติดมาจากเซลล์สืบพันธุ์ของพ่อหรือของแม่ ผลของการรีเซ็ตนี้ทำให้ primordial germ cell กลับคืนสู่จุดเริ่มต้นแห่งการเป็นสเต็มเซลล์ สามารถแบ่งตัวและพัฒนาเปลี่ยนรูปร่าง (differentiation) ไปเป็นเซลล์อะไรก็ได้

แต่นักวิทยาศาสตร์สังเกตมานานแล้วว่ารูปแบบของ DNA methylation บางส่วนสามารถส่งผ่านไปยังอีกรุ่นได้ การศึกษาเอ็มบริโอของหนูก็แสดงให้เห็นว่ากระบวนการรีเซ็ตนั้นไม่สมบูรณ์ มีบางส่วนบนสาย DNA ที่ทนทานต่อการรีเซ็ต มักจะรอดการล้างเครื่องได้เสมอๆ (อ้างอิง Magnúsdóttir et al., 2013 และ Nakaki et al., 2013)

ล่าสุด ทีมวิจัยที่นำโดย Azim Surani แห่งมหาวิทยาลัยแคมบริดจ์ได้ศึกษากระบวนการรีเซ็ต DNA methylation ในเอ็มบริโอมนุษย์เป็นครั้งแรกด้วยเทคนิค RNA-seq (RNA Sequencing) ร่วมกับ Bisulfite sequencing ผลพบว่าบางส่วนของสาย DNA ของคนทนต่อการรีเซ็ต สอดคล้องกับผลที่พบในหนู สัดส่วนของส่วนที่มักหนีรอดการล้างเครื่องนี้คิดเป็นประมาณ 5% ของ DNA ทั้งหมดในจีโนมมนุษย์ ถึงตัวเลขสัดส่วนจะดูน้อยนิด แต่การวิเคราะห์ด้วยข้อมูล bioinformatics เผยให้เห็นว่ายีนที่มักรอดการล้างเครื่องเป็นยีนที่มีการแสดงออกในเซลล์ประสาท ความผิดปกติในยีนกลุ่มนี้มักจะส่งผลให้เกิดโรคต่างๆ เช่น สคิโซฟรีเนีย, ความผิดปกติของกระบวนการเมตาบอลิซึม, โรคอ้วน

นอกจากยีนสำคัญของเซลล์ประสาทแล้ว พวก retroelements ที่โดนแปะหมู่ methyl ก็เป็นอีกกลุ่มหนึ่งที่มักถูกยกเว้นไม่โดนล้างตอนรีเซ็ตจีโนม ผลการวิจัยนี้จึงเป็นหลักฐานอีกชิ้นที่ยืนยันหน้าที่สำคัญของกระบวนการ DNA methylation ในการช่วยปกป้องจีโนมของเรา

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ใน Cell DOI: 10.1016/j.cell.2015.04.053

ที่มา - Press Release ของมหาวิทยาลัยแคมบริดจ์ via ScienceAlert

7 Comments

blue_j's picture

พอจะทราบมั้ยครับ ว่าที่ข้อมูล Epigenetics ส่งผ่านจากรุ่นหนึ่งไปยังอีกรุ่นหนึ่ง นี่มันส่งผ่านอะไร ผ่านทางส่วนไหนของสเปิร์ม,ไข่ ถ้าเป็นดีเอ็นเอ ก็ส่งผ่าน 23 โครโมโซม ใช่มั้ยครับ แล้วถ้าเป็น methylation ของแขน เล็บ สมอง เม็ดเลือด พวกนี้มันส่งผ่านทางไหนพอจะทราบมั้ยครับ

โปรดใช้วิจารณญาณในการรับข่าวสาร

terminus's picture

Epigenetics มีความหมายที่กว้างมากครับ เอาง่ายๆ คือทุกอย่างที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการต่างๆ ของเซลล์และการเจริญเติบโตที่ไม่ถูกกำหนดโดยรหัสเบสบน DNA เช่น การที่เบสโดนแปะหมู่ methyl, การขดตัวของโครโมโซมตรงตำแหน่งยีนนั้นๆ (chromatin regulation), การแปะ methyl ที่โปรตีนที่เกาะกับสาย DNA (histone methylation), การแปะเครื่องหมายว่าโครโมโซมแท่งนี้มาจากพ่อหรือแม่แล้วเลือกให้แสดงออกแค่ยีนในแท่งเดียว (imprinting) เป็นต้น

สมมติเทียบกับการเก็บข้อมูลบนฮาร์ดดิสก์นะครับ ข้อมูล Genetics คือข้อมูลที่เขียนบนฮาร์ดดิสก์ เขียนยังไงก็อ่านตามนั้น คุณจะย้ายมันไปอยู่ตรงตำแหน่งใดๆ ของจานแม่เหล็ก เนื้อหาตามบิตของมันก็ยังคงเดิม (สมมติง่ายๆ ในทางทฤษฏีนะครับ อย่าเพิ่งซีเรียส ผมรู้มันไม่เหมือนเดิมในทางปฏิบัติ) คุณเขียนตัว A ไว้ในไฟล์ มันก็ต้องอ่านเป็น A เสมอ

Epigenetics คือ เนื้อหาของไฟล์มันไม่อ่านตามบิตที่มันบันทึกไว้ เช่น ถ้าไฟล์นั้นถูกเก็บบนเซคเตอร์หนึ่ง มันอ่านค่าเป็น AA, หรือถ้าคุณวางฮาร์ดดิสก์ซ้อนกันสองลูก มันข้ามไม่อ่านไฟล์นั้นเลย, หรือถ้าวางฮาร์ดดิสก์ในแนวตั้ง ให้อ่านไฟล์นั้นสองครั้ง, หรือถ้าอ่านไฟล์นั้นครั้งที่สอง ให้อ่านเป็น B เป็นต้น ซึ่งทั้งหมดทั้งมวลนี้ เนื้อหาบิตในไฟล์ไม่ถูกเปลี่ยนเลย มันเป็น 01010101... ยังไง ก็ยังเป็น 01010101... ยังงั้น (นี่ก็สมมติง่ายๆ เหมือนกันนะครับ เพราะการเปลี่ยนแปลงทาง Epigenetics บางอย่าง ก็ทำให้เบสเปลี่ยนได้เหมือนกัน แต่ประเด็นคือว่ากันตามแนวคลาสสิกของพันธุศาสตร์ รหัสพันธุกรรมมันเปลี่ยนแปลงไม่ได้เลย เป็นชะตาฟ้าลิขิตนอกจากจะเกิดการกลายพันธุ์ แต่ถึงจะกลายพันธุ์หรือไม่ สารพันธุกรรมเขียนมาอย่างไรก็ต้องแสดงออกได้ผลตามนั้นเสมอ Epigenetics คือตรงกันข้าม สิ่งแวดล้อมหรือความบังเอิญอย่างจังหวะเวลาสามารถส่งอิทธิพลให้เกิดการ"เขียนทับ"คำสั่งรหัสเบสได้ทำให้มีการแสดงออกเป็น phenotype อีกอย่าง)

คราวนี้ก็ตอบคำถามทีละคำถาม

"Epigenetics ส่งผ่านอะไร"
- ก็ส่งผ่านมาทางเซลล์สืบพันธุ์ (ไข่ หรือ สเปิร์ม) เหมือนลักษณะทาง genetics ครับ แต่มันจะไม่เป็นไปตามกฏของเมนเดล และในบางทีมันจะดูคล้ายๆ กับการถ่ายทอดแบบ Lamarckian ด้วย เพราะลักษณะบางอย่างที่สิ่งมีชีวิตได้รับมาระหว่างชีวิต (acquired characteristics) สามารถถูกส่งต่อไปได้ อย่างในตัวอย่างข่าวนี้คือตำแหน่งเบสที่โดน methylated แต่ทั้งนี้ทั้งนั้น มันไม่ได้แปลว่า Lamarckian ถูกนะครับ เพราะมันเป็น interaction ระหว่างสิ่งแวดล้อมและรหัสพันธุกรรม ไม่ใช่ลักษณะที่พัฒนามาแล้วถูกเก็บแล้วส่งต่อ (ถ้ายกตัวอย่างฮาร์ดดิสก์อีกที Lamarckian นี่คือ คุณวางฮาร์ดดิสก์แนวตั้ง แล้วบิตในไฟล์ของคุณเปลี่ยนไปเลย) ถึงกระนั้นบางคนก็พยายามตบแต่ง Lamarckian และเรียกว่าการถ่ายทอดแบบนี้เป็น Neo-Lamarckian ครับ ซึ่งส่วนตัวผมไม่เห็นด้วยสักเท่าไร

"methylation ของแขน เล็บ สมอง เม็ดเลือด พวกนี้มันส่งผ่านทางไหน?"
ไม่ส่งผ่านทางไหนทั้งนั้นครับ ไม่ว่าจะเป็น Genetics หรือ Epigenetics ลักษณะที่จะส่งผ่านไปยังรุ่นลูกได้ต้องผ่านทางเซลล์สืบพันธุ์เท่านั้น ยีนตัวนั้นจะแสดงออกที่ไหนไม่สำคัญ จะถูกปิดหรือเปิดที่ไหนไม่สำคัญ ถ้าการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นไม่เกิดที่เซลล์สืบพันธุ์ก็ไม่มีทางได้ส่งต่อไป

เซลล์ทุกเซลล์มีสำเนา DNA ของตัวเองที่เหมือนกันหมด (ถ้าไม่นับการกลายพันธุ์) ในข่าวนี้ผมยกตัวอย่างยีนที่แสดงออกในเซลล์ประสาท ไม่ได้แปลว่าเซลล์อื่นไม่มียีนนี้บน DNA มันแค่ไม่แสดงออก และ DNA methylation ก็ไม่ได้เกิดที่เซลล์ประสาทครับ แต่เป็น Methylation ของเซลล์เอ็มบริโอที่อยู่ในการทดลอง

นี่แหละครับ สาเหตุที่ผมไม่เห็นด้วยกับการนำ Lamarckian มาตบแต่งแล้วขายในยี่ห้อใหม่ มันชวนให้สับสนว่าพอเกิดการเปลี่ยนแปลงแล้วไม่ว่าส่วนไหน มันถูกแพ็ครวมพร้อมส่งสู่รุ่นลูกให้ใช้ในส่วนนั้นทันที

blue_j's picture

>>> "methylation ของแขน เล็บ สมอง เม็ดเลือด พวกนี้มันส่งผ่านทางไหน?"
>>> ไม่ส่งผ่านทางไหนทั้งนั้นครับ ไม่ว่าจะเป็น Genetics หรือ Epigenetics ลักษณะที่จะส่งผ่านไปยังรุ่นลูกได้ต้องผ่านทางเซลล์สืบพันธุ์เท่านั้น ยีนตัวนั้นจะแสดงออกที่ไหนไม่สำคัญ จะถูกปิดหรือเปิดที่ไหนไม่สำคัญ ถ้าการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นไม่เกิดที่เซลล์สืบพันธุ์ก็ไม่มีทางได้ส่งต่อไป

สรุปคือมันส่งผ่านทางเซลล์สืบพันธุ์ใช่มั้ยครับ

โปรดใช้วิจารณญาณในการรับข่าวสาร

terminus's picture

ใช่ครับ ผมแค่อธิบายไว้ยาวๆครับ เพราะกลัวสับสนกัน ต้นฉบับใน Science Alert มันชวนให้งงอยู่พอควรครับ

zipper's picture

อ่านแล้วก็สงสัยว่ามันรู้ได้ยังไงว่าส่วนนี้ห้ามรีเซต หรือเป็นเพราะเหตุบังเอิญ

illuminator's picture

"แต่การวิเคราะห์ด้วยข้อมูล bioinformatics เผยให้เห็นว่ายีนที่มักรอดการล้างเครื่องเป็นยีนที่มีการแสดงออกในเซลล์ประสาท ความผิดปกติในยีนกลุ่มนี้มักจะส่งผลให้เกิดโรคต่างๆ เช่น สคิโซฟรีเนีย, ความผิดปกติของกระบวนการเมตาบอลิซึม, โรคอ้วน"

คิดว่าไม่น่าจะบังเอิญ อาจเป็นกลไกที่พยายามป้องกันความผิดปกติก็เป็นได้