
1. การควบคุมการแสดงออกของยีน
1.1. เป็นกระบวนการที่สิ่งมีชีวิตปรับเปลี่ยนการผลิตโปรตีนหรือ RNA จากยืนเฉพาะ เพื่อให้เหมาะสมกับสภาวะที่เปลี่ยนแปลงการควบคุมนี้เกิดขึ้นในทุกสิ่งมีชีวิตทั้งโปรคาริโอตและยูคาริโอตา
1.2. 1.ความสำคัญของการควบคุมการแสดงออกของยีน
1.2.1. •การตอบสนองต่อสภาพแวดล้อม : ปรับการแสดงออกของยืนตามปัจจัยภายนอก เช่น ฮอร์โมน สารอาหาร หรือสารพิษ
1.2.2. •การอนุรักษ์พลังงาน : ลดการผลิตโปรตีนที่ไม่จำเป็นในช่วงเวลาหนึ่ง
1.2.3. •การพัฒนาและความแตกต่างของเซลล์ : ช่วยให้เซลล์ในสิ่งมีชีวิตพัฒนาและทำหน้าที่เฉพาะตัว เช่น การพัฒนาอวัยวะ.
1.3. 2.ระดับของการควบคุมการแสดงออกของยีน
1.3.1. 2.1 ระดับการควบคุมการถอดรหัส
1.3.1.1. เป็นระดับที่สำคัญที่สุดโดยการควบคุมเกิดขึ้นที่โปรโมเตอร์และองค์ประกอบอื่น ๆ บน DNA เช่น •Promoter: บริเวณที่ RNA polymerase เริ่มต้นการถอดรหัส การควบคุมโปรโมเตอร์สามารถเพิ่มหรือลดความถี่ในการถอดรหัส •Enhancer และ Silencer: บริเวณ DNA ที่ช่วยเพิ่มหรือลดการทำงานของโปรโมเตอร์ โดยทำงานผ่านโปรตีนที่จับกับ DNA •ตัวควบคุมแบบบวกและลบ ตัวควบคุมแบบบวก : เพิ่มการถอดรหัส เช่น CAMP-CAP ใน lac operon ตัวควบคุมแบบลบ : ยับยั้งการถอดรหัส เช่น lac repressor
1.3.2. 2.2 การควบคุมหลังการถอดหลัง
1.3.2.1. การควบคุมหลังการถอดรหัส
1.3.2.1.1. 1. การตัดต่อ RNA (RNA Splicing): หลังจากที่ mRNA ถูกสร้างขึ้น จะมีส่วนที่ไม่จำเป็นหรืออินทรอน (introns) ซึ่งต้องถูกตัดออก และส่วนที่มีความสำคัญหรือเอ็กซอน (exons) จะถูกเชื่อมต่อกันใหม่ กระบวนการนี้ทำให้ mRNA พร้อมสำหรับการแปลรหัสเป็นโปรตีน
1.3.2.1.2. 2. การเติมหมวก 5' (5' Capping) และหางโพลี-เอ (Polyadenylation): ที่ปลาย 5' ของ mRNA จะมีการเติมหมวก (cap) และที่ปลาย 3' จะมีการเติมหางโพลี-เอ (poly-A tail) ซึ่งช่วยป้องกันการสลายของ mRNA และช่วยในการขนส่ง mRNA ออกจากนิวเคลียสไปยังไซโทพลาซึม
1.3.2.1.3. 3. การขนส่ง mRNA (mRNA Export): mRNA ที่ผ่านการตัดต่อและปรับปรุงแล้วจะถูกขนส่งออกจากนิวเคลียสไปยัง ไซโทพลาซึม เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการแปลรหัสเป็นโปรตีน
1.3.2.1.4. 4. การควบคุมเสถียรภาพของ mRNA (mRNA Stability): อายุการใช้งานของ mRNA มีผลต่อปริมาณโปรตีนที่ถูกสร้างขึ้น mRNA ที่มีเสถียรภาพสูงจะมีอายุการใช้งานนานกว่า ทำให้มีการผลิตโปรตีนมากขึ้น ในขณะที่ mRNA ที่ไม่เสถียรจะถูกสลายอย่างรวดเร็ว
1.3.2.1.5. 5. การแทรกแซงของ RNA (RNA Interference): โมเลกุลของ microRNA (miRNA) หรือ small interfering RNA (siRNA) สามารถจับกับ mRNA เป้าหมายและยับยั้งการแปลรหัสหรือกระตุ้นการสลายของ mRNA นั้น
1.3.3. 2.3 การควบคุมในระดับการแปลรหัส
1.3.3.1. กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการควบคุมประสิทธิภาพในการแปล mRNA เป็นโปรตีน เช่น:การจับตัวของโปรตีนที่บริเวณ 5' UTR หรือ 3' UTR ของ mRNA เพื่อเพิ่มหรือลดการแปลรหัสการควบคุมผ่านปัจจัยเริ่มต้นการแปล (Translation Initiation Factors
1.3.4. 2.4 การควบคุมหลังการแปลรหัส
1.3.4.1. เป็นขั้นตอนการควบคุมการทำงานของโปรตีนหลังจากที่โปรตีนนั้นถูกสร้างขึ้น (แปลรหัสจาก mRNA) กระบวนการนี้ช่วยให้เซลล์สามารถปรับเปลี่ยนคุณสมบัติ หน้าที่อายุการใช้งาน และตำแหน่งของโปรตีนได้เพื่อให้เหมาะสมกับความต้องการและสภาพแวดล้อมของเซลล์
1.3.4.1.1. กระบวนการหลักใน Post-Translational Control
1.3.4.1.2. 1. การดัดแปลงโปรตีนหลังการแปลรหัส เป็น การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโปรตีนเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติหรือหน้าที่ ได้แก่ Phosphorylation, Acetylation, Ubiquitination, Methylation, Glycosylation
1.3.4.1.3. 2. การพับตัวของโปรตีน (Protein Folding): โปรตีนต้องถูกพับตัวอย่างถูกต้องเพื่อทำหน้าที่ได้โปรตีนบางชนิดต้องการ chaperones (โปรตีนช่วยพับตัว) เพื่อให้การพับตัวมีความถูกต้อง การพับตัวที่ผิดพลาดอาจทำให้เกิดโปรตีนที่ไม่ทำงานหรือเป็ นพิษต่อเซลล์ เช่น การสะสมของโปรตีนที่ผิดปกติในโรคอัลไซเมอร์
1.3.4.1.4. 3. การตัดโปรตีน (Proteolytic Cleavage): โปรตีนบางชนิดถูกสร้างขึ้นในรูปแบบ inactive precursor (zymogen) และต้องผ่านการตัดเพื่อเปลี่ยนเป็น active form ตัวอย่างเช่น: อินซูลินที่ถูกสร้างในรูปแบบ proinsulin และต้องถูกตัดออกเพื่อใช้งานเอนไซม์ในระบบย่อยอาหาร เช่น trypsin ถูกสร้างในรูปแบบไม่ทำงานและถูกกระตุ้นในลำไส้
1.3.4.1.5. 4. การสลายโปรตีน (Protein Degradation): โปรตีนที่หมดอายุการใช้งานหรือทำงานผิดพลาดจะถูกสลา ยผ่านระบบ ubiquitin-proteasome หรือ autophagy การควบคุมนี้ช่วยรักษาสมดุลของโปรตีนในเซลล์
1.3.4.1.6. 5. การขนส่งโปรตีน (Protein Transport):โปรตีนบางชนิดต้องถูกส่งไปยังตำแหน่งเฉพาะ เช่น เยื่อหุ้มเซลล์ ไมโทคอนเดรีย หรืออวัยวะเซลล์อื่น ๆ เพื่อทำหน้าที่ได้อย่างเหมาะสม
1.3.4.1.7. บทบาทสำคัญของ Post-Translational Control
1.3.4.1.8. 1. การตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อม: ช่วยให้เซลล์ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อ ม เช่น การกระตุ้นเอนไซม์ในกระบวนการส่งสัญญาณ
1.3.4.1.9. 2. การควบคุมวงจรเซลล์และการแบ่งเซลล์: โปรตีนที่ควบคุมวงจรเซลล์ เช่น cyclins และ CDKS ต้องผ่านการดัดแปลงหลังการแปลรหัสเพื่อเปิดหรือปิดการทํางาน
1.3.4.1.10. 3. การรักษาความเสถียรของเซลล์: การควบคุมการพับตัว การสลาย และการขนส่งโปรตีนช่วยให้เซลล์มีสมดุลและป้องกันความเสียหาย
1.3.4.1.11. 4. การสร้างความหลากหลายของโปรตีน: ช่วยเพิ่มความหลากหลายให้กับโปรตีน แม้จะมีการแปลรหัสจากยืนเดียวกัน
1.4. 3. การควบคุมในโปรคาริโอตา
1.4.1. Lac Operon เป็นกลุ่มของยืนในแบคทีเรีย Escherichia coli ที่เกี่ยวข้องกับการเผาผลาญแลคโตส ซึ่งเป็นน้ำตาลชนิดหนึ่ง
1.4.1.1. โครงสร้างของ Lac Operon
1.4.1.2. 1. ยืนโครงสร้าง (Structural Genes) •lacZ: เข้ารหัสเอนไซม์เบต้า-กาแลคโตซิเดส (β- galactosidase) ที่ย่อยแลคโตสเป็นกลูโคสและกาแลคโตส •lacY: เข้ารหัสโปรตีนแลคโตสเพอร์มีเอส (lactose permease) ที่ช่วยนำแลคโตสเข้าสู่เซลล์ •lacA: เข้ารหัสเอนไซม์ไทโอ-กาแลคโตซิดีทรานส์อะเซทิเลส (thiogalactoside transacetylase)
1.4.1.3. 2. โปรโมเตอร์ (Promoter): บริเวณที่ RNA โพลีเมอเรสจับเพื่อเริ่มการถอดรหัสยืน
1.4.1.4. 3. โอเปอเรเตอร์ (Operator): บริเวณที่โปรตีนรีเพรสเซอร์ (repressor) จับเพื่อยับยั้งการถอดรหัส
1.4.1.5. 4. ยืนควบคุม (Regulator Gene): เช่น lacl ที่เข้ารหัสโปรตีนรีเพรสเซอร์
1.4.1.6. การทำงานของ Lac Operon ขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของแลคโตสและกลูโคส
1.4.1.7. ไม่มีแลคโตส: รีเพรสเซอร์จับกับโอเปอเรเตอร์ ยับยั้งการถอดรหัสยืน ทำให้ไม่มีการผลิตเอนไซม์ที่ย่อยแลคโตส
1.4.1.8. มีแลคโตส: แลคโตสถูกแปลงเป็นอัลโลแลคโตส (allolactose) ซึ่งทำหน้าที่เป็นอินดิวเซอร์ (inducer) โดยจับกับรีเพรสเซอร์ ทำให้รีเพรสเซอร์หลุดจากโอเปอเรเตอร์ ส่งผลให้ RNA โพลีเมอเรสสามารถถอดรหัสยืนได้ และผลิตเอนไซม์ที่ย่อยแลคโตส
1.4.1.9. มีทั้งกลูโคสและแลคโตส: การแสดงออกของ Lac Operon จะถูกยับยั้งเนื่องจากกลูโคสเป็นแหล่งพลังงานที่ต้องการมากกว่า
1.4.1.10. ไม่มีกลูโคส แต่มีแลคโตส: ระดับ CAMP ในเซลล์จะสูงขึ้น CAMP จะจับกับโปรตีน CAP (catabolite activator protein) และซับซ้อนนี้จะจับกับโปรโมเตอร์ของ Lac Operon เพื่อกระตุ้นการถอดรหัสยืน
1.4.1.11. Lac Operon เป็นระบบที่แบคทีเรียใช้ในการควบคุมการผลิตเอนไซม์ที่จำเป็นสำหรับ การย่อยแลคโตส
1.5. 4. การควบคุมในยูคาริโอต: บทบาทของ Chromatin และ Enhancer
1.5.1. 4.1 การดัดแปลงโครมาติน การดัดแปลงฮิสโทน เช่น acetylation ช่วยให้ DNA เปิดและพร้อมสำหรับการถอดรหัสการ methylation ของ DNA ทำให้โครมาตินอยู่ในสถานะที่ไม่พร้อมสำหรับการถอดรหัส
1.5.2. 4.2 Enhancer และ Silencer Enhancer: ช่วยเพิ่มการแสดงออกของยืนแม้อยู่ไกลจากโปรโมเตอร์ Silencer: ลดการแสดงออกของยืน
2. ความสำคัญทางชีวการแพทย์
2.1. 1.การควบคุมการแสดงออกของยีนและบทบาทต่อการปรับตัว
2.1.1. กระบวนการควบคุมการแสดงออกของยีนมีบทบาทสำคัญในการปรับตัวของเซลล์และสิ่งแวดล้อม เช่น การปรับการแสดงออกของยีนต่อสิ่งแวดล้อมหรือต่อการเปลี่ยนแปลงของสารอาหารในเซลล์ ยกตัวอย่าง E.coli ใช้กลไก lac operon เพื่อควบคุมการทำงานจากแหล่งคาร์บอนต่างๆ เป็นต้น
2.2. 2.การควบคุมการแสดงออกของยีนในภาวะพยาธิสภาพ
2.2.1. การแสดงออกของยีนที่ผิดปกติเป็นปัจจัยสำคัญที่นำไปสู่การเกิดโรคหลายชนิด การควบคุมการแสดงออกของยีนจึงเป็นเป้าหมายสำคัญในการพัฒนายาและวิธีการรักษา ยกตัวอย่าง การใช้ยาที่ออกฤทธิ์ในการกระตุ้นหรือยับยั้งการแสดงของยีนเฉพาะ เช่น Tamoxifen
2.3. 3.การพัฒนายาและชีววัตถุ
2.3.1. ความเข้าใจในกระบวนการควบคุมการแสดงออกของยีนช่วยให้เกิดการพัฒนาวิธีการรักษาใหม่ ยกตัวอย่าง การใช้ RNA interference (RNAi) หรือ CRISPR-Cas9 ในการปรับการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับโรค ช่วยกำหนดเป้าหมายการรักษาอย่างแม่นยำ ลดผลข้างเคียง และเพิ่มประสิทธิภาพของการรักษา
2.4. 4.ความสำคัญต่อการรักษาการติดเชื้อและโรคจากเชื้อโรค
2.4.1. กลไกการควบคุมการแสดงออกของยืนในเชื้อจุลชีพ ยกตัวอย่าง การควบคุมการแสดงออกของโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับการต้านทานยาปฏิชีวนะในแบคทีเรีย เป็นประเด็นสำคัญในการวิจัยด้านโรคติดเชื้อการศึกษากลไกเหล่านี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถพัฒนายาใหม่ที่เจาะจงต่อโปรตีนหรือกระบวนการควบคุมในเชื้อโรค เช่น HIV
2.5. 5.การตอบสนองต่อฮอร์โมนและสารเคมี
2.5.1. การควบคุมการแสดงออกของยืนได้รับอิทธิพลจากปัจจัยภายนอก ยกตัวอย่าง ฮอร์โมนและสารเคมี การทำความเข้าใจบทบาทของ enhancer, silencer และ regulatory elements อื่นๆ ในการตอบสนองต่อฮอร์โมน เช่น glucocorticoids หรือ insulin
2.6. 6.การศึกษาการเปลี่ยนแปลงในระดับโมเลกุล
2.6.1. การวิจัยเกี่ยวกับการดัดแปลงฮิสโทนและโครงสร้างโครมาติน ยกตัวอย่าง การ acetylation หรือ methylation ให้ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับการควบคุมการแสดงออกของยีนในโรคมะเร็งและโรคทางระบบประสาท เช่น อัลไซเมอร์ การควบคุมการแสดงออกของยืนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำงานและการรักษาภาวะพยาธิสภาพต่างๆของร่างกาย การปรับตัวของสิ่งมีชีวิต ความเข้าใจในกระบวนการนี้ช่วยเพิ่มโอกาสในการพัฒนาแนวทางการรักษาใหม่
3. โปรตีนควบคุม
3.1. โปรตีนที่ควบคุมการจับกับ DNA มีบทบาทสำคัญในการควบคุมการแสดงออกของยืน โดยเฉพาะในกระบวนการถอดรหัส (transcription) ซึ่งโปรตีนเหล่านี้ทำหน้าที่เพิ่ม (activator) หรือยับยั้ง (repressor) การแสดงออกของยืนผ่านการจับกับ DNA โดยโปรตีนแต่ละชนิดจะมีโครงสร้างเฉพาะที่เหมาะสมกับการจับกับ DNA บริเวณที่กำหนด ตัวอย่างของโปรตีนที่ควบคุมการจับกับ DNA
3.1.1. 1. Helix-Turn-Helix Motif โครงสร้าง Helix-Turn-Helix (HTH) เป็นลักษณะโครงสร้างโปรตีนที่พบได้บ่อยในโปรตีนควบคุมการจับ DNA โดยมีสองเฮลิกซ์ที่เชื่อมต่อกันด้วย turn หนึ่งอัน
3.1.2. 2. Zinc Finger Motif โครงสร้าง Zinc Finger ประกอบด้วยอะตอมของสังกะสีที่จับกับกรดอะมิโน เช่น cysteine และ histidine เพื่อสร้างโครงสร้างที่มีเสถียรภาพสำหรับจับกับ DNA
3.1.3. 3. Leucine Zipper Motif โครงสร้าง Leucine Zipper ประกอบด้วยกรดอะมิโน leucine ที่เรียงตัวในลักษณะซ้ำๆ ทำให้เกิดโครงสร้างซิปที่จับกับ DNA โดยการสร้าง dimers
3.1.4. 4. Helix-Loop-Helix Motif โครงสร้าง Helix-Loop-Helix (HLH) มีโครงสร้างคล้าย HTH แต่มี loop ยาวระหว่างเฮลิกซ์สองอัน มักพบในโปรตีนที่จับ DNA แบบ dimer
3.1.4.1. Helix-Loop-Helix Motif
3.1.5. 5. Other DNA-Binding Proteins TATA-Binding Protein (TBP): ส่วนหนึ่งของ TFIID ที่จับกับ TATA box ในโปรโมเตอร์ของยืนในยูคาริโอต p53: โปรตีนที่มีบทบาทในกระบวนการควบคุมการเติบโตของเซลล์และกา รป้องกันมะเร็ง โดยจับกับ DNA ในบริเวณที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมเซลล์วงจร (cell cycle) และ apoptosis
4. การศึกษาองค์ประกอบของ DNA
4.1. 1. การใช้ Reporter Gene เพื่อตรวจสอบ Enhancer และ Regulatory Elements ต่างๆ
4.1.1. เป็นยืนที่ถูกดัดแปลงให้สามารถสร้างโปรตีนที่ตรวจจับได้ง่าย เช่นโปรตีนที่ให้แสงหรือเปลี่ยนสีในปฏิกิริยาทางชีวเคมี
4.1.1.1. กระบวนการใช้งาน
4.1.1.1.1. 1. การสร้างพลาสมิดที่ผสมระหว่าง DNA ทดสอบและ reporter gene: DNA ที่ต้องการตรวจสอบ เช่น โปรโมเตอร์หรือ enhancer จะถูกนำมาผสมกับ reporter gene ในพลาสมิด ตัวอย่างเช่น DNA ที่มีโปรโมเตอร์ของยืนที่ต้องการตรวจสอบจะถูกใส่เข้าไปด้าน หน้าของ reporter gene เพื่อควบคุมการแสดงออกของโปรตีน
4.1.1.1.2. 2. การนำพลาสมิดเข้าสู่เซลล์ (Transfection):พลาสมิดที่ประกอบด้วย DNA และ reporter gene จะถูกนำเข้าสู่เซลล์ (โดยใช้เทคนิค transfection เช่น การใช้สารเคมีหรือ electroporation)
4.1.1.1.3. 3. การวิเคราะห์การแสดงออกของ Reporter Gene:หาก DNA ที่ต้องการตรวจสอบมีคุณสมบัติเป็น enhancer หรือ regulatory element ที่กระตุ้นการถอดรหัส โปรตีนจาก reporter gene จะถูกผลิตและสามารถตรวจวัดได้ ตัวอย่าง: หากใช้ luciferase เป็น reporter gene นักวิจัยสามารถวัดการเปล่งแสงที่เกิดจาก luciferase ได้ด้วย luminometer
4.2. 2. การระบุองค์ประกอบของ DNA ที่ตอบสนองต่อฮอร์โมน โลหะหนัก และปัจจัยภายนอกอื่นๆ
4.2.1. DNA มีองค์ประกอบเฉพาะที่สามารถตอบสนองต่อปัจจัยภายนอก เช่น ฮอร์โมน สารเคมี หรือโลหะหนัก องค์ประกอบเหล่านี้ทำหน้าที่เป็น "response elements" ซึ่งเป็นบริเวณที่โปรตีน regulatory factors จับเพื่อควบคุมการแสดงออกของยืน
4.2.1.1. ตัวอย่างของ Response Elements
4.2.1.1.1. 1. Hormone Response Elements (HREs): องค์ประกอบของ DNA ที่ตอบสนองต่อฮอร์โมน เช่น glucocorticoids, estrogens หรือ thyroid hormones
4.2.1.1.2. 2. Metal Response Elements (MREs): บริเวณ DNA ที่ตอบสนองต่อโลหะหนัก เช่น สังกะสีหรือแคดเมียม
4.2.1.1.3. 3. Heat Shock Elements (HSES): องค์ประกอบที่ตอบสนองต่อความเครียด เช่น อุณหภูมิสูง
4.2.1.1.4. 4. Cyclic AMP Response Elements (CREs): องค์ประกอบที่ตอบสนองต่อ CAMP ซึ่งเป็นสารส่งสัญญาณภายในเซลล์