เปิด “Codebook” แผนที่ใหม่ของ DNA มนุษย์ ไขรหัสโปรตีน 177 ชนิด พร้อมพบเมทิลเลชันเปลี่ยนวิธีอ่านยีน

งานวิจัย 2 ชิ้นจากความร่วมมือระดับนานาชาติช่วยเติมรายละเอียดสำคัญให้กับภาพรวมว่า เซลล์มนุษย์ควบคุมการทำงานของยีนอย่างไร งานแรกนำโดย Timothy Hughes จากมหาวิทยาลัยโตรอนโต สร้าง “Codebook” หรือแผนที่ความชอบในการจับ DNA ของ transcription factor ที่ครอบคลุมขึ้น ส่วนงานคู่ขนานจากทีมของ Bart Deplancke พัฒนาวิธีตรวจสอบว่า DNA methylation เปลี่ยนความชอบดังกล่าวอย่างไร

ข้อค้นพบสำคัญคือ การควบคุมยีนไม่ได้ขึ้นอยู่กับตัวอักษรของ DNA เพียงอย่างเดียว เมทิลเลชันอาจทำให้ transcription factor จับกับลำดับ DNA ได้อ่อนลง เปลี่ยนลำดับที่โปรตีนชอบจับ หรือในบางกรณีทำให้จับได้ดีขึ้น

Codebook ทำแผนที่อะไร

Transcription factor คือโปรตีนที่ช่วยควบคุมการแสดงออกของยีน โดยจดจำลำดับ DNA สั้น ๆ ที่เรียกว่า motif หรือ “ลวดลายการจับ” แต่ก่อนหน้านี้ transcription factor ของมนุษย์จำนวนมากยังมีข้อมูลการจับ DNA ที่จำกัดหรือไม่เคยผ่านการทดสอบอย่างเป็นระบบ

กลุ่ม Codebook ผสานแพลตฟอร์มการทดลอง 5 รูปแบบเข้ากับการวิเคราะห์เชิงคำนวณ และทำการทดลองมากกว่า 4,800 ครั้งกับ transcription factor มนุษย์ 332 ชนิดที่ยังมีข้อมูลน้อยหรือยังไม่สามารถระบุลักษณะได้ชัดเจน ผลการศึกษาระบุ motif ของ transcription factor ได้ 177 ชนิด หรือ 53% และเพิ่มลวดลายที่แตกต่างกันราว 130 แบบให้กับ “คลังคำศัพท์” ของการควบคุมยีนในมนุษย์

motif ที่ค้นพบจากการทดลองยังพบมากเป็นพิเศษในตำแหน่งที่ transcription factor จับอยู่จริงภายในเซลล์ ทำให้นักวิจัยระบุตำแหน่งการจับบนจีโนมที่ไม่เคยรู้จักมาก่อนหลายหมื่นตำแหน่ง ตำแหน่งเหล่านี้จำนวนมากอยู่บริเวณ promoter ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ DNA ที่เกี่ยวข้องกับการเริ่มทำงานของยีน และข้อมูลดังกล่าวช่วยเชื่อมโยงการจับของ transcription factor กับรูปแบบการแสดงออกของยีนได้ดีขึ้น

เมื่อรวมข้อมูลทั้งหมด Codebook ทำให้มีข้อมูล motif ของ transcription factor มนุษย์ประมาณ 1,421 จากราว 1,600 ชนิด อย่างไรก็ตาม ฐานข้อมูลนี้ยังไม่ใช่คำอธิบายที่สมบูรณ์ของการควบคุมยีน แต่ช่วยปิดช่องว่างสำคัญได้มาก นั่นคือการตอบว่าโปรตีนแต่ละชนิดสามารถจดจำลำดับ DNA ใดได้บ้าง

meSMiLE-seq เผยบทบาทของเมทิลเลชัน

แผนที่ motif ทั่วไปอาจบอกได้ว่า transcription factor ชอบลำดับ DNA แบบใด แต่ยังตอบไม่ได้เต็มที่ว่าโปรตีนจะจับแตกต่างกันหรือไม่ หาก DNA ในบริเวณนั้นมีการดัดแปลงทางเคมี

ทีมของ Deplancke จึงพัฒนา meSMiLE-seq ซึ่งย่อมาจาก methylation-sensitive selective microfluidics-based ligand enrichment followed by sequencing วิธีนี้ใช้การทดสอบแบบไมโครฟลูอิดิกส์เพื่อเปรียบเทียบการจับของ transcription factor กับ DNA ที่มีเมทิลเลชันและ DNA ลำดับเดียวกันที่ไม่มีเมทิลเลชัน ทำให้สามารถสร้างแบบจำลองที่พิจารณาทั้งความชอบต่อลำดับ DNA และความไวต่อเมทิลเลชันได้พร้อมกัน

การทดลองครอบคลุม transcription factor มนุษย์ 114 ชนิดจากการทดลอง 23 ครั้ง และสร้างแบบจำลองตำแหน่งการจับได้ 48 ชนิด ในกลุ่มนี้ 13 ชนิดหลีกเลี่ยง DNA ที่มีเมทิลเลชัน ขณะที่ 11 ชนิดมีความชอบต่อ DNA ที่มีเมทิลเลชัน หรือเปลี่ยนไปใช้ตำแหน่งการจับอีกแบบที่มีการดัดแปลงดังกล่าว ส่วน transcription factor ที่เหลือไม่พบผลกระทบจากเมทิลเลชันภายใต้เงื่อนไขของการทดสอบ

ตัวเลขนี้มีประเด็นที่ควรอ่านอย่างระมัดระวัง เพราะบทสรุปบางแห่งระบุว่ากลุ่มที่มีความชอบหรือการจับที่เปลี่ยนแปลงมี 14 ชนิด ขณะที่บทคัดย่อของชุดข้อมูลที่อ้างถึงรายงานไว้ที่ 11 ชนิด ดังนั้น การตีความที่รอบคอบที่สุดคือ พบผลจากเมทิลเลชันใน transcription factor เพียงบางส่วน โดยมี 13 ชนิดจับลดลง และ 11 ชนิดจับเพิ่มขึ้นหรือเปลี่ยนความชอบตามข้อมูลชุดนี้

DNA methylation ไม่ใช่สวิตช์ปิดยีนแบบตายตัว

ผลการศึกษาท้าทายภาพจำง่าย ๆ ที่มอง DNA methylation เป็นสัญญาณกดการทำงานของยีนโดยอัตโนมัติ เมทิลเลชันอาจรบกวนการจดจำ motif ของ transcription factor แต่ก็อาจสร้างบริบททางเคมีที่โปรตีนบางชนิดชอบ หรือเปลี่ยนว่าลำดับใดจะเป็นจุดจับที่เหมาะสม ผลลัพธ์จึงขึ้นอยู่กับทั้ง transcription factor และลำดับ DNA ที่กำลังทดสอบ

เรื่องนี้ช่วยอธิบายว่า เหตุใดเซลล์ต่างชนิดที่มีจีโนมเหมือนกันจึงยังคงมีโปรแกรมการทำงานที่แตกต่างกัน เซลล์แต่ละประเภทผลิต transcription factor ไม่เหมือนกัน และมีตำแหน่ง DNA ที่เกิดเมทิลเลชันแตกต่างกัน ด้วยเหตุนี้ ลำดับ DNA เดียวกันอาจไม่ถูกใช้งานในเซลล์หนึ่ง ถูกจดจำโดยโปรตีนอีกชนิดในอีกเซลล์หนึ่ง หรือถูกจับด้วยความแรงต่างกันเมื่อสถานะเมทิลเลชันเปลี่ยนไป

กล่าวอีกอย่างหนึ่ง เซลล์ไม่ได้อ่านเพียง “รหัสลำดับ” ที่เขียนด้วยตัวอักษร A, C, G และ T แต่ยังอ่าน “สถานะทางเคมี” ที่เปลี่ยนวิธีตีความรหัสดังกล่าวด้วย

อาจช่วยศึกษาความเสี่ยงโรคได้อย่างไร

แคตตาล็อก motif ที่ละเอียดขึ้นอาจช่วยวิเคราะห์ ความแปรผันทางพันธุกรรมในบริเวณที่ไม่สร้างโปรตีน หรือ noncoding variants ได้ดีขึ้น แม้การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะไม่อยู่ในส่วนที่เข้ารหัสโปรตีน แต่ก็อาจกระทบการควบคุมยีนได้ เช่น ทำลาย motif เดิมของ transcription factor หรือสร้าง motif ใหม่ขึ้นมา จากนั้นเมทิลเลชันอาจเป็นตัวกำหนดว่า เซลล์ชนิดใดจะจดจำตำแหน่งที่เปลี่ยนแปลงนั้นจริงหรือไม่

ทรัพยากรนี้จึงอาจเป็นประโยชน์ต่อการศึกษาการเปลี่ยนแปลงของระบบควบคุมยีนที่เกี่ยวข้องกับพัฒนาการ อายุที่เพิ่มขึ้น และมะเร็ง แต่ในระยะนี้ควรมอง Codebook เป็นฐานข้อมูลอ้างอิงสำหรับงานวิจัย ไม่ใช่เครื่องมือวินิจฉัยโรคโดยตรง แบบจำลองการจับช่วยให้นักวิจัยออกแบบการทดลองและตีความผลได้แม่นยำขึ้น ทว่าผลกระทบจริงยังขึ้นอยู่กับบริบทของเซลล์ และจำเป็นต้องตรวจสอบในระบบชีวภาพที่เกี่ยวข้อง

ก้าวสำคัญสู่การอ่านจีโนมแบบสมจริงขึ้น

โครงการ Codebook เป็นความร่วมมือขนาดใหญ่ที่มีสถาบันมากกว่าสองโหลจากอเมริกาเหนือ ยุโรป และรัสเซียเข้าร่วม จุดเด่นไม่ได้อยู่ที่จำนวน transcription factor ที่ตรวจสอบเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการใช้การทดสอบหลายรูปแบบ การวิเคราะห์ด้วยคอมพิวเตอร์ และการตรวจสอบในเซลล์จริงมาประกอบกัน

เมื่อพิจารณาร่วมกัน งานทั้งสองชิ้นชี้ว่า เราอาจต้องปรับภาพการควบคุมยีนให้ซับซ้อนกว่าพจนานุกรมตายตัวที่ motif หนึ่งมีความหมายเดียวเสมอไป เซลล์มนุษย์อ่านลำดับ DNA ควบคู่กับการดัดแปลงทางเคมี ชนิดและปริมาณของ transcription factor ที่มีอยู่ รวมถึงสภาพแวดล้อมรอบข้างของเซลล์

Codebook เริ่มรวบรวม “คำศัพท์” ของลำดับ DNA ที่โปรตีนใช้จดจำ ส่วน meSMiLE-seq แสดงให้เห็นว่าเมทิลเลชันสามารถเปลี่ยนวิธีที่เซลล์อ่านคำศัพท์เหล่านั้นได้