รูปแบบการต่อเชื่อมและมิวเทชันควบคุม

รูปแบบการต่อเชื่อม (splicing variants) และมิวเทชันควบคุม (regulatory mutations) ส่งผลกระทบต่อกระบวนการหรือการแสดงออกของยีน แทนที่จะเปลี่ยนแปลงลำดับกรดอะมิโนโดยตรง รูปแบบการต่อเชื่อมจะรบกวนวิธีการกำจัดอินตรอนและการเชื่อมต่อเอกซอน ในขณะที่มิวเทชันควบคุมจะเปลี่ยนแปลงโปรโมเตอร์ (promoters), เอนแฮนเซอร์ (enhancers) หรือองค์ประกอบที่ไม่ใช่การเข้ารหัสอื่นๆ ที่ควบคุมเวลาและปริมาณการถอดรหัสของยีน ทั้งสองชนิดนี้ตีความได้ยากกว่าการเปลี่ยนแปลงการเข้ารหัส เนื่องจากผลกระทบของมันเป็นทางอ้อม

Definition

รูปแบบการต่อเชื่อม (splicing variant) คือการเปลี่ยนแปลงของ DNA ที่เปลี่ยนแปลงการจดจำตำแหน่งการต่อเชื่อม (splice sites) หรือองค์ประกอบควบคุมการต่อเชื่อม (splicing regulatory elements) ซึ่งส่งผลให้เกิดการประกอบทรานสคริปต์ที่แตกต่างไป; มิวเทชันควบคุม (regulatory mutation) คือการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบควบคุมที่ไม่ใช่การเข้ารหัส เช่น โปรโมเตอร์ หรือเอนแฮนเซอร์ ที่เปลี่ยนแปลงการแสดงออกของยีน แทนที่จะเป็นลำดับโปรตีน

Scope

บทความนี้ครอบคลุมผลกระทบระดับโมเลกุลของรูปแบบที่เปลี่ยนแปลงการต่อเชื่อม (splice-altering variants), หมวดหมู่ที่กว้างขึ้นของการแปรผันควบคุมที่ไม่ใช่การเข้ารหัส (non-coding regulatory variation), เครื่องมือทางคอมพิวเตอร์และการทดลองที่ใช้ในการประเมิน และเหตุผลที่การแปรผันเหล่านี้ก่อให้เกิดความท้าทายในการตีความที่แตกต่างกัน บทความนี้เป็นหัวข้ออ้างอิงทางระเบียบวิธีวิจัย ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• รูปแบบต่างๆ รบกวนการต่อเชื่อม RNA ปกติได้อย่างไร และผลลัพธ์ของทรานสคริปต์ที่เกิดขึ้นคืออะไร?
• รูปแบบควบคุม (ที่ไม่ใช่การเข้ารหัส) คืออะไร และเปลี่ยนแปลงการแสดงออกของยีนได้อย่างไร?
• ผลกระทบของการต่อเชื่อมและการควบคุมถูกทำนายและทดสอบอย่างไร?
• เหตุใดรูปแบบเหล่านี้จึงจัดประเภทได้ยากกว่าการเปลี่ยนแปลงการเข้ารหัส?

Key concepts

• รูปแบบที่ตำแหน่งการต่อเชื่อมแบบแคนอนิคัล
• การข้ามเอกซอนและการคงอยู่ของอินตรอน
• องค์ประกอบควบคุมการต่อเชื่อม
• รูปแบบโปรโมเตอร์และเอนแฮนเซอร์
• การแปรผันที่ไม่ใช่การเข้ารหัส
• เครื่องมือทำนายการต่อเชื่อม
• การยืนยันระดับ RNA

Mechanisms

รูปแบบที่ตำแหน่งผู้ให้และผู้รับการต่อเชื่อมแบบแคนอนิคัล (canonical splice donor and acceptor sites) หรือในองค์ประกอบควบคุมการต่อเชื่อมที่อยู่ใกล้เคียง อาจทำให้เกิดการข้ามเอกซอน (exon skipping), การคงอยู่ของอินตรอน (intron retention) หรือการใช้ตำแหน่งการต่อเชื่อมที่ซ่อนอยู่ (cryptic splice sites) ซึ่งทำให้เกิดทรานสคริปต์ที่ผิดปกติที่อาจถูกย่อยสลายหรือผลิตโปรตีนที่ผิดปกติ ซึ่งเป็นเส้นทางหลักที่นำไปสู่โรคตามที่สรุปไว้ในบทวิจารณ์เกี่ยวกับการต่อเชื่อม RNA ที่ผิดพลาด (Scotti & Swanson, 2016) ในทางกลับกัน รูปแบบควบคุมในโปรโมเตอร์, เอนแฮนเซอร์ และองค์ประกอบที่ไม่ใช่การเข้ารหัสอื่นๆ จะเปลี่ยนแปลงระดับหรือบริบทของการถอดรหัส ผลกระทบของมันกระจายตัวและได้รับการอธิบายในรูปแบบที่ตำแหน่งควบคุมหลายตำแหน่งมีส่วนร่วมเล็กน้อยต่อลักษณะที่ซับซ้อน (Boyle et al., 2017) เนื่องจากผลกระทบเป็นทางอ้อม การตีความจึงอาศัยตัวทำนายทางคอมพิวเตอร์ ซึ่งรวมถึงแบบจำลองการเรียนรู้เชิงลึกที่ทำนายผลกระทบของการต่อเชื่อมจากลำดับปฐมภูมิ (Jaganathan et al., 2019) และหากเป็นไปได้ การยืนยันในระดับ RNA กรอบการจำแนกประเภทตระหนักถึงการทำนายการต่อเชื่อมว่าเป็นหลักฐานเชิงคำนวณ ในขณะที่เน้นการยืนยันเชิงหน้าที่ (Richards et al., 2015)

Clinical relevance

รูปแบบที่เปลี่ยนแปลงการต่อเชื่อมและรูปแบบควบคุมมีส่วนทำให้เกิดโรคทางพันธุกรรมและโรคที่เกิดขึ้นภายหลัง และมีการรายงานเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นการทำความเข้าใจว่าเหตุใดจึงตีความได้ยากจึงเป็นส่วนหนึ่งของการประเมินผลการค้นพบทางโมเลกุล บทความนี้อธิบายกลไกและตรรกะการประเมิน; ไม่ได้ให้การตีความหรือคำแนะนำการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

การทำนายการต่อเชื่อมด้วยคอมพิวเตอร์ถือเป็นหลักฐานสนับสนุนภายใต้กรอบ ACMG/AMP ซึ่งเน้นการยืนยันโดยการศึกษาเชิงหน้าที่หรือ RNA (Richards et al., 2015) ตัวทำนายการต่อเชื่อมด้วยการเรียนรู้เชิงลึกได้ปรับปรุงการจัดลำดับความสำคัญของรูปแบบที่เปลี่ยนแปลงการต่อเชื่อมที่เป็นผู้สมัคร (Jaganathan et al., 2019)

History

การกลายพันธุ์ที่ตำแหน่งการต่อเชื่อมได้รับการยอมรับว่าเป็นสาเหตุทางโมเลกุลแรกๆ ของโรคทางพันธุกรรม แต่การตีความอย่างเป็นระบบของตำแหน่งการต่อเชื่อมที่ไม่ใช่แบบแคนอนิคัลและรูปแบบควบคุมที่ไม่ใช่การเข้ารหัสยังล้าหลังการวิเคราะห์การเข้ารหัส การระบุหน้าที่ทั่วทั้งจีโนม และล่าสุดคือตัวทำนายการเรียนรู้ของเครื่องจักรที่อิงตามลำดับ ได้ขยายความสามารถในการประเมินรูปแบบเหล่านี้ (Jaganathan et al., 2019)

Debates

การทำนายด้วยคอมพิวเตอร์สามารถใช้แทนการยืนยันเชิงหน้าที่ของผลกระทบการต่อเชื่อมได้มากน้อยเพียงใด?

ตัวทำนายการต่อเชื่อมแบบ in silico สามารถระบุรูปแบบผู้สมัครได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่การทำนายอาจผิดพลาดได้ และกรอบการทำงานยังคงเรียกร้องให้มีการยืนยันในระดับ RNA หรือเชิงหน้าที่ก่อนที่จะถือว่าผลกระทบการต่อเชื่อมเป็นหลักฐานที่แข็งแกร่ง

Seminal works

• scotti-2016
• jaganathan-2019

Frequently asked questions

เหตุใดรูปแบบการต่อเชื่อมและรูปแบบควบคุมจึงตีความได้ยากกว่ารูปแบบการเข้ารหัส?

ผลกระทบของมันเป็นทางอ้อม — ต่อวิธีการประกอบทรานสคริปต์หรือปริมาณการแสดงออกของยีน — แทนที่จะเป็นการเปลี่ยนแปลงกรดอะมิโนโดยตรง ดังนั้นการประเมินมักต้องอาศัยการทำนายด้วยคอมพิวเตอร์ร่วมกับการยืนยันในระดับ RNA หรือเชิงหน้าที่

รูปแบบที่ตำแหน่งการต่อเชื่อมแบบแคนอนิคัลคืออะไร?

เป็นการเปลี่ยนแปลงที่ตำแหน่งผู้ให้หรือผู้รับที่มีการอนุรักษ์สูงที่ขอบเขตของอินตรอน รูปแบบดังกล่าวนี้มักจะรบกวนการต่อเชื่อมและมักถูกถือว่าเป็นหลักฐานที่แข็งแกร่งต่อการก่อโรคเมื่อกลไกของยีนสนับสนุน