การประทับรอยจีโนม (Genomic Imprinting)

การประทับรอยจีโนมเป็นปรากฏการณ์ทางเอพิจีเนติกที่ยีนบางส่วนจะแสดงออกเพียงจากอัลลีลเดียวจากสองอัลลีลที่ได้รับมาจากพ่อแม่ โดยขึ้นอยู่กับว่าได้รับมาจากพ่อหรือแม่ ยีนที่ถูกประทับรอยบางชนิดจะแสดงออกเฉพาะจากสำเนาที่ได้รับมาจากแม่เท่านั้น และบางชนิดจะแสดงออกเฉพาะจากสำเนาที่ได้รับมาจากพ่อเท่านั้น รอยประทับนี้ถูกกำหนดให้เป็นเครื่องหมายการเติมหมู่เมทิลของดีเอ็นเอในเซลล์สืบพันธุ์ ซึ่งคงอยู่รอดจากการปรับโปรแกรมใหม่ในช่วงต้นของการพัฒนาตัวอ่อน และจะถูกอ่านตลอดชีวิตของแต่ละบุคคล

Definition

การประทับรอยจีโนมคือการทำเครื่องหมายทางเอพิจีเนติกของยีนบางชนิดในเซลล์สืบพันธุ์ เพื่อให้ยีนเหล่านั้นแสดงออกเฉพาะจากอัลลีลที่ได้รับมาจากแม่หรือเฉพาะจากอัลลีลที่ได้รับมาจากพ่อในลูกหลาน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงคำจำกัดความและตรรกะทางชีววิทยาของการประทับรอย การสร้างเครื่องหมายการเติมหมู่เมทิลที่จำเพาะเจาะจงต่อพ่อแม่ในเซลล์สืบพันธุ์ บริเวณควบคุมการประทับรอยและกลุ่มยีนที่อยู่ภายใต้การควบคุม การคงอยู่ของรอยประทับตลอดการพัฒนา และการตีความเชิงวิวัฒนาการว่าทำไมการประทับรอยจึงมีอยู่ สภาวะเฉพาะของมนุษย์จะกล่าวถึงในหัวข้อความผิดปกติของการประทับรอย

Core questions

• การที่ยีนถูกประทับรอยหมายความว่าอย่างไร?
• รอยประทับที่จำเพาะเจาะจงต่อพ่อแม่ถูกสร้างขึ้นในไข่และอสุจิได้อย่างไร?
• รอยประทับถูกรักษาไว้อย่างไรในขณะที่จีโนมส่วนที่เหลือถูกปรับโปรแกรมใหม่ในตัวอ่อน?
• ทำไมการประทับรอยจึงวิวัฒนาการขึ้นมา หากมันต้องแลกมาด้วยความปลอดภัยของการมีอัลลีลที่ทำงานได้สองชุด?

Key concepts

• การแสดงออกที่จำเพาะเจาะจงต่อพ่อแม่ที่ให้กำเนิด
• การสร้างรอยประทับในเซลล์สืบพันธุ์
• บริเวณที่มีการเติมหมู่เมทิลแตกต่างกัน (บริเวณควบคุมการประทับรอย)
• กลุ่มยีนที่ถูกประทับรอย
• การคงอยู่ตลอดการปรับโปรแกรมใหม่ของตัวอ่อน
• ยีนที่แสดงออกโดยแม่เทียบกับยีนที่แสดงออกโดยพ่อ

Key theories

ทฤษฎีความขัดแย้งระหว่างพ่อแม่ (ความสัมพันธ์ทางเครือญาติ)

การประทับรอยถูกตีความว่าเป็นผลผลิตของความขัดแย้งเชิงวิวัฒนาการระหว่างอัลลีลที่ได้รับมาจากแม่และพ่อเกี่ยวกับการถ่ายโอนทรัพยากรไปยังลูกหลาน โดยคาดการณ์ว่ายีนที่แสดงออกโดยพ่อมักจะส่งเสริมการเจริญเติบโต และยีนที่แสดงออกโดยแม่มักจะจำกัดการเจริญเติบโต

Mechanisms

รอยประทับคือเครื่องหมายทางเอพิจีเนติกที่แตกต่างกัน โดยหลักคือการเติมหมู่เมทิลของดีเอ็นเอ ซึ่งถูกสร้างขึ้นที่บริเวณควบคุมการประทับรอยในระหว่างการสร้างเซลล์สืบพันธุ์: ลำดับบางอย่างจะถูกเติมหมู่เมทิลในเซลล์สืบพันธุ์เพศเมีย และลำดับอื่น ๆ จะถูกเติมหมู่เมทิลในเซลล์สืบพันธุ์เพศผู้ หลังจากการปฏิสนธิ เมื่อจีโนมส่วนใหญ่ถูกกำจัดหมู่เมทิลและเติมหมู่เมทิลใหม่ บริเวณควบคุมการประทับรอยเหล่านี้จะได้รับการปกป้องเพื่อให้เครื่องหมายจากพ่อแม่ยังคงอยู่ สถานะการเติมหมู่เมทิลของบริเวณควบคุมการประทับรอยจะควบคุมการแสดงออกของยีนที่อยู่ใกล้เคียงแบบจำเพาะเจาะจงต่ออัลลีล โดยมักจะควบคุมการทำงานของฉนวน (insulator function) หรือการถอดรหัสอาร์เอ็นเอที่ไม่เข้ารหัส (noncoding-RNA transcription) ทั่วทั้งกลุ่มยีนที่ถูกประทับรอย เพื่อให้อัลลีลจากพ่อแม่หนึ่งแสดงออกและอีกอัลลีลหนึ่งถูกยับยั้ง ยีน Igf2 ในหนูเป็นตัวอย่างแรกที่แสดงให้เห็นว่ายีนออโตโซมสามารถแสดงออกในลักษณะที่ขึ้นอยู่กับพ่อแม่ที่ให้กำเนิดได้

Clinical relevance

เนื่องจากยีนที่ถูกประทับรอยจะทำงานได้เพียงสำเนาเดียว การกลายพันธุ์ การขาดหายไป หรือการเปลี่ยนแปลงทางเอพิจีเนติกที่ส่งผลกระทบต่อสำเนาเดียวนั้นจะไม่ถูกชดเชยด้วยอัลลีลอื่น ดังนั้นการประทับรอยจึงทำให้ตำแหน่งบางแห่งมีความเปราะบางเป็นพิเศษและก่อให้เกิดโรคที่ขึ้นอยู่กับพ่อแม่ที่ให้กำเนิด หัวข้อนี้อธิบายว่าทำไมต้นกำเนิดของความเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมจากพ่อแม่จึงสามารถกำหนดได้ว่าโรคจะปรากฏขึ้นหรือไม่และอย่างไร; เป็นการอธิบายเชิงพรรณนาและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Epidemiology

ยีนที่ถูกประทับรอยเป็นส่วนน้อยของจีโนม ซึ่งคาดว่ามีจำนวนไม่กี่ร้อยยีน และมักจะรวมตัวกันเป็นกลุ่ม ยีนเหล่านี้มีความสำคัญอย่างมากต่อการเจริญเติบโต การทำงานของรก และการพัฒนาสมองเมื่อเทียบกับจำนวนของมัน

History

การทดลองการปลูกถ่ายนิวเคลียสในช่วงทศวรรษ 1980 แสดงให้เห็นว่าจีโนมของแม่และพ่อไม่สามารถใช้แทนกันได้ ซึ่งเป็นการยืนยันการมีอยู่ของการประทับรอย ยุคโมเลกุลเริ่มต้นขึ้นประมาณปี 1991 เมื่อยีน Igf2 ในหนูถูกแสดงให้เห็นว่าแสดงออกเฉพาะจากอัลลีลของพ่อเท่านั้น และงานวิจัยต่อมาได้ระบุตำแหน่งของกลุ่มยีนที่ถูกประทับรอย ระบุบริเวณควบคุมการประทับรอย และเชื่อมโยงการประทับรอยกับการเติมหมู่เมทิลของดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอที่ไม่เข้ารหัส ทฤษฎีความขัดแย้งระหว่างพ่อแม่เชิงวิวัฒนาการได้ให้กรอบแนวคิดที่มีอิทธิพลว่าทำไมการประทับรอยจึงมีอยู่

Key figures

• Azim Surani
• Wolf Reik
• Anne Ferguson-Smith
• Shirley Tilghman
• David Haig

Seminal works

• dechiara-1991
• reik-walter-2001
• peters-2014

Frequently asked questions

การประทับรอยจีโนมแตกต่างจากการกลายพันธุ์อย่างไร?

การประทับรอยไม่ได้เปลี่ยนแปลงลำดับดีเอ็นเอ; เป็นเครื่องหมายทางเอพิจีเนติก ส่วนใหญ่คือการเติมหมู่เมทิลของดีเอ็นเอ ซึ่งยับยั้งสำเนาของยีนจากพ่อแม่หนึ่ง ดังนั้นยีนเดียวกันจึงสามารถทำงานหรือไม่ทำงานก็ได้ ขึ้นอยู่กับว่าได้รับมาจากพ่อหรือแม่เท่านั้น

รอยประทับคงอยู่ถาวรหรือไม่?

ภายในแต่ละบุคคล รอยประทับจะคงที่ แต่ในเซลล์สืบพันธุ์ รอยประทับเก่าจะถูกลบและตั้งค่าใหม่ตามเพศของบุคคลนั้น ดังนั้นรอยประทับของยีนสามารถเปลี่ยนได้เมื่อถูกส่งต่อไปยังรุ่นถัดไป