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

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