นักวิจัยถอดรหัสจีโนมนกฟินช์ม้าลายได้ครบทั้งชุด พบยีนที่ไม่เคยเห็น 2,710 ยีน

เหตุใดจีโนมนกจึงประกอบขึ้นได้ยาก

จีโนมนกมีลักษณะที่สร้างความท้าทายให้เทคโนโลยีถอดรหัส DNA มากกว่าจีโนมสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหลายชนิด นกมีโครโมโซมขนาดเล็กจำนวนมาก เรียกว่าไมโครโครโมโซม รวมถึงโครโมโซมที่เล็กยิ่งกว่า ซึ่งมักเรียกว่า “โครโมโซมจุด” นอกจากนี้ยังมี DNA ที่เป็นลำดับซ้ำยาว ๆ ซึ่งเครื่องอ่านลำดับแบบเดิมแยกแยะได้ยาก

โครโมโซม 11 แท่งที่มีขนาดเล็กที่สุดเคยไม่สามารถประกอบเป็นลำดับครบทั้งแท่งได้ จีโนมอ้างอิงรุ่นก่อนจึงเต็มไปด้วยช่องว่าง ทำให้นักวิจัยไม่แน่ใจว่ายีนบางชนิดหายไปจริงจากวิวัฒนาการ หรือเพียงตกหล่นเพราะอ่านจีโนมไม่ครบ

ทีมของเอริช จาร์วิสใช้เทคโนโลยีอ่านลำดับ DNA สายยาวหลายชนิด ได้แก่ PacBio HiFi และ Oxford Nanopore เพื่อข้ามข้อจำกัดดังกล่าว ระหว่างการทดลอง นักวิจัยพบว่า DNA ที่มีลำดับซ้ำสามารถทำให้รูรับสัญญาณของเครื่องอ่านเกิดการอุดตัน จึงพัฒนาวิธีทำความสะอาดรูเหล่านี้ซ้ำระหว่างการอ่านข้อมูล และตรวจทานลำดับที่ได้ด้วยการจัดเรียงและแก้ไขทีละโครโมโซม เพื่อปิดช่องว่างที่เหลืออยู่

ผลลัพธ์คือจีโนมแบบไดพลอยด์ที่แยกเฟสได้อย่างสมบูรณ์ หมายความว่าสามารถแยก DNA ที่สืบทอดจากพ่อและแม่ออกจากกันได้ และเป็นการประกอบจีโนมแบบ T2T ที่อ่านโครโมโซมทุกแท่งได้ตั้งแต่ปลายเทโลเมียร์ด้านหนึ่งถึงอีกด้านโดยไม่มีช่วงขาดตอน

สิ่งที่ซ่อนอยู่ในช่องว่างของจีโนม

จีโนมฉบับใหม่นี้เผยยีนที่ไม่เคยรู้จักมาก่อน 2,710 ยีน ในจำนวนนี้ 972 ยีนเป็นยีนที่ใช้สร้างโปรตีน

ตัวอย่างที่น่าสนใจคือยีนซึ่งเกี่ยวข้องกับการสื่อสารระหว่างเซลล์ประสาท ก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์คิดว่านกฟินช์ม้าลายไม่มียีนดังกล่าว แต่แท้จริงแล้วมันซ่อนอยู่บนโครโมโซมหมายเลข 31 ซึ่งเป็นโครโมโซมขนาดเล็กและมี DNA ซ้ำจำนวนมาก จนไม่เคยประกอบลำดับได้ครบ

การศึกษายังสามารถคลี่คลายโครโมโซม W ซึ่งพบเฉพาะในตัวเมียได้อย่างสมบูรณ์ โครโมโซมนี้ประกอบด้วย DNA ซ้ำประมาณ 83% และราวหนึ่งในสามของลำดับไม่เคยถูกอ่านมาก่อน

การมีข้อมูลของโครโมโซมเพศทั้ง Z และ W ช่วยให้นักวิจัยตรวจสอบยีนที่อาจเกี่ยวข้องกับความแตกต่างระหว่างเพศในด้านการเรียนรู้เสียงร้องได้โดยตรง ยีนบางกลุ่มบนโครโมโซมเหล่านี้เชื่อมโยงกับการควบคุมโดยฮอร์โมนเอสโตรเจน และก่อนหน้านี้การวิเคราะห์ยังติดข้อจำกัดเพราะไม่มีข้อมูลจีโนมที่ครบถ้วน

โครงสร้างเซนโทรเมียร์เผยความเชื่อมโยงกับมนุษย์

อีกหนึ่งการค้นพบสำคัญเกี่ยวข้องกับ “เซนโทรเมียร์” หรือบริเวณโครงสร้างที่ช่วยยึดโครมาทิดพี่น้องไว้ด้วยกันระหว่างการแบ่งเซลล์

ทีมวิจัยพบลำดับซ้ำขนาด 716 คู่เบสที่เซนโทรเมียร์ของโครโมโซมนกฟินช์ม้าลายทุกแท่ง ลำดับดังกล่าวมีรูปแบบโมเลกุลที่ใกล้เคียงกับตำแหน่งจับของโปรตีน CENP-B ในมนุษย์

นักวิจัยยังระบุโปรตีนผู้สมัครที่อาจจับกับบริเวณนี้ได้ โดยโปรตีนนั้นมาจากตระกูล DNA เคลื่อนที่โบราณเดียวกับที่เป็นต้นกำเนิดของ CENP-B ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ผลการค้นพบนี้ชี้ว่า นกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอาจมีการจัดระเบียบเซนโทรเมียร์ที่เป็นระบบมากกว่าที่เคยเข้าใจ

ส่วนโครงสร้างของไมโครโครโมโซมอาจสะท้อนรูปแบบดั้งเดิมของจีโนมสัตว์มีกระดูกสันหลัง และช่วยให้นักวิทยาศาสตร์มองเห็นเส้นทางวิวัฒนาการของจีโนมตลอดช่วงเวลาหลายร้อยล้านปีได้ชัดเจนขึ้น

ก้าวสำคัญต่อการศึกษาการเรียนรู้เสียงร้อง

นกฟินช์ม้าลายเรียนรู้เสียงร้องด้วยการฟังและเลียนแบบ ทำให้มันเป็นสัตว์ต้นแบบสำคัญสำหรับศึกษาชีววิทยาของการเรียนรู้เสียง การสื่อสาร และกลไกที่เกี่ยวข้องกับการพูด

เมื่อมีจีโนมที่สมบูรณ์ นกฟินช์ม้าลายจึงกลายเป็นสัตว์ที่เรียนรู้เสียงชนิดที่สองต่อจากมนุษย์ ซึ่งมีจีโนมอ้างอิงแบบครบถ้วน นักวิจัยสามารถตรวจสอบยีนที่เกี่ยวข้องกับการเรียนรู้เสียงได้ละเอียดขึ้น แทนที่จะต้องคาดเดาจากจีโนมที่มีช่องว่าง

เอริช จาร์วิส หัวหน้าห้องปฏิบัติการประสาทพันธุศาสตร์ภาษาที่มหาวิทยาลัยร็อกกีเฟลเลอร์ ระบุว่า หากมีโมเลกุลสำคัญที่ทำให้สัตว์ที่เรียนรู้เสียงแตกต่างจากสัตว์ที่เรียนรู้เสียงไม่ได้ โมเลกุลนั้นก็น่าจะอยู่ที่ใดที่หนึ่งในจีโนม และจีโนมฉบับใหม่นี้ทำให้นักวิจัยสามารถเข้าไปตรวจสอบได้โดยตรง

อย่างไรก็ตาม การค้นพบยีนใหม่ไม่ได้หมายความว่ายีนเหล่านั้นได้รับการยืนยันแล้วว่าเป็นสาเหตุของความสามารถในการเรียนรู้เสียง งานวิจัยต่อไปยังต้องทดสอบว่ายีนใดทำหน้าที่เกี่ยวข้องกับการเรียนรู้เพลง การควบคุมเสียง หรือการทำงานของสมองจริง

ความหมายต่อการศึกษาวิวัฒนาการของสัตว์มีกระดูกสันหลัง

จีโนมใหม่นี้ยังเป็นข้อมูลอ้างอิงสำคัญสำหรับการเปรียบเทียบจีโนมของสัตว์มีกระดูกสันหลัง นักวิจัยสามารถแยกแยะได้ดีขึ้นว่า ยีนที่ดูเหมือนหายไปจากนกนั้นเป็นการสูญเสียจริงในทางวิวัฒนาการ หรือเป็นเพียงผลจากการประกอบจีโนมที่ไม่สมบูรณ์

โครงการจีโนมนกฟินช์ม้าลายเป็นส่วนหนึ่งของความพยายามของ Vertebrate Genomes Project ซึ่งมีเป้าหมายสร้างจีโนมสมบูรณ์ของสัตว์มีกระดูกสันหลังจำนวนหลายพันชนิด เมื่อมีจีโนมแบบ T2T ของสิ่งมีชีวิตมากขึ้น นักวิทยาศาสตร์จะสามารถตั้งคำถามที่เจาะจงกว่าเดิมเกี่ยวกับวิวัฒนาการของจีโนม การเรียนรู้เสียง และรากฐานทางพันธุกรรมของพฤติกรรมซับซ้อน

สำหรับตอนนี้ จีโนมฉบับสมบูรณ์ของนกฟินช์ม้าลายได้มอบแผนที่ที่ละเอียดที่สุดเท่าที่เคยมีมา เพื่อสำรวจว่าการเรียนรู้เพลงของนกถูกสร้างขึ้นจากการทำงานร่วมกันของยีน เซลล์ประสาท และสมองอย่างไร ซึ่งอาจช่วยต่อยอดความเข้าใจเกี่ยวกับรากฐานของการพูดในมนุษย์ได้ในอนาคต