นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยคอร์แนล ได้พบข้อมูลใหม่ที่เกี่ยวกับกลไกว่ายีนไหนจะคลายตัวและเผยตัวออกเพื่อให้เกิดการแสดงออกของยีน

มนุษย์มีดีเอ็นเอจำนวน 3 พันล้านคู่เบสในจีโนม ซึ่งถูกเก็บรักษาในโครงสร้างที่มีขนาดเล็กที่พอดีกับนิวเคลียสของเซลล์ สายดีเอ็นเอจะพันตัวรอบโปรตีนฮีสโตนสองรอบ ทำให้เกิดโครงสร้างที่เรียกว่า nucleosomes ที่จะไปรวมกันไปโครงสร้างที่ใหญ่และกระชับตัวมากขึ้น

เมื่อเซลล์ต้องการโปรตีนบางชนิด รหัสของดีเอ็นเอจะต้องถูกอ่านในกระบวนการที่เรียกว่า transcription โดยเอนไซม์ที่ซับซ้อนและมีขนาดใหญ่ที่ชื่อว่า RNA polymerase II โดยเอนไซม์จะทำการจำลองรหัสจากดีเอ็นเอเส้นหนึ่งมาเป็นสายอาร์เอ็นเอซึ่งจะนำรหัสออกไปแปลเป็นโปรตีน เพื่อให้เกิดกระบวนการแสดงออกดังกล่าวได้ nucleosomes จำเป็นต้องสลายตัว เพื่อให้เส้นดีเอ็นเอเปิดส่วนหนึ่งออกมาให้เกิดการจำลองได้

(ภาพบน) ภาพกล้องจุลทรรศน์แสดงสายดีเอ็นเอบางส่วน (น้ำเงิน) ซึ่งมียีน heat shock (จุดสีเขียว) ซึ่งในสภาพปกติจะมาอยู่รวมกันอย่างหนาแน่น (ภาพล่าง) เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ยีน heat shock จะถูกรบกวนอย่างมาก เห็นได้จากกลุ่มจุดสีเขียว ซึ่งเกิดจากเส้นดีเอ็นเอคลายตัวเพื่อทำให้ยีนพร้อมเพื่อการแสดงออกได้

นักวิทยาศาสตร์สงสัยมานานว่า RNA polymerase II จะทำหน้าที่ในการคลายตัวของดีเอ็นเอออกจากสภาพที่ขดตัวกันแน่น แต่ข้อมูลล่าสุดที่ตีพิมพ์ลงวารสาร Cell ได้ให้มุมมองที่แตกต่างออกไป ซึ่งบ่งชี้หลักฐานว่า ดีเอ็นเอคลายตัวออกก่อนที่เอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการ transcription จะเข้าไปจับบนดีเอ็นเอ ซึ่งหมายความว่าอาจมีสัญญาณที่เป็นอิสระจาก RNA polymerase II ไปทำให้ nucleosome คลายตัวออก

โดยการศึกษาครั้งก่อนแสดงผลของกลไกว่ามีนัยยะเป็นเช่นนี้ และนี่เป็นการศึกษาครั้งแรกที่ให้รายละเอียดระดับโมเลกุลว่าปมดีเอ็นเอคลายตัวออกโดยอิสระจาก RNA polymerase II นักวิจัยสงสัยว่าสิ่งที่ค้นพบคือสิ่งที่น่าจะถูกต้องในการควบคุมกระทำงานของยีนหลาย ๆ ยีน ซึ่งเรียกว่า การผลิตโปรตีนจำนวนมหาศาล

กระบวนการดังกล่าวทำให้มองเห็นภาพที่เกิดขึ้นในกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดต่ำเป็นกลุ่มหมอก และกลไกนี้จะดำเนินไปอย่างรวดเร็วเมื่อเกิดการเริ่มต้นขึ้น ซึ่งนี้ไม่ใช่วิถีทางปกติของการเกิด transcription ที่รู้กันมา

โดยความรู้ดังเดิมเชื่อว่าการคลายตัวของ nucleosomes ทำให้เกิดการ transcription แต่งานวิจัยนี้กลับพบว่ากระบวนการ transcription และการคลายตัวของ nucleosomes ไม่ได้เกี่ยวข้องซึ่งกันและกัน

นักวิจัยได้ทดลองในแมลงวันผลไม้ โดยใช้ยีน heat shock เป็นต้นแบบ โดยยีน heat shock นี้เป็นยีนที่พบได้ในสิ่งมีชีวิตหลายชนิด และจะทำงานต่อเมื่ออุณหภูมิสูงจนถึงจุดที่กระตุ้นได้ (threshold) เช่นการเป็นไข้ในมนุษย์ หรือวันที่ร้อนมาสำหรับแมลงวันผลไม้ ยีน heat shock จะทำงานเพื่อปกป้องเซลล์จากความเสียหาย และยังแสดงบทบาทในเซลล์มะเร็ง นักวิจัยสามารถกระตุ้นให้เกิดกระบวนการ transcription ของยีนนี้ในวินาทีด้วยความร้อน เมื่อยีนถูกกระตุ้นแล้ว เซลล์ทุกเซลล์ในตัวอย่างจะตอบสนองเช่นเดียวกัน ทำให้ง่ายต่อการที่จะมองเห็นกระบวนการคลายตัว

หลังจากให้ความร้อน นักวิจัยใช้สารเคมีหยุดกระบวนการ transcription ไว้ตามระยะเวลาต่าง ๆ กัน โดยแบ่งเป็นวินาที และแต่ละระยะตัวอย่างจะถูกจับด้วยเอนไซม์ที่จะเข้าไปตัดดีเอ็นเอที่ไม่ได้รวมตัวเป็น nucleosome ซึ่งจะทำให้นักวิจัยสามารถติดตามได้ว่าการคลายตัวของ nucleosome เกิดขึ้นที่ไหนและเมื่อใด ซึ่งพวกเขาพบว่ากระบวนการคลายตัวเกิดขึ้นก่อนที่เอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับ transcription จะมาถึง

นอกจากนี้การตัดดีเอ็นเอยังพบว่า nucleosomes ที่เกิดการคลายตัวจะถูกจำกัดด้วยระยะที่ทำให้เกิดการกีดขวาง ซึ่งเป็นการป้องกันยีนข้างเคียงที่อยู่บริเวณระยะดังกล่าวไม่ให้เกิดการแสดงออก ซึ่งการจำกัดดังกล่าวทำให้ยีนที่จะแสดงออกเท่านั้นที่จะทำงานได้

ที่มา - PhysOrg.com

เอกสารอ้างอิง - Cell (DOI)