การถอดรหัสและการแสดงออกของยีน

การถอดรหัส (Transcription) เป็นกระบวนการที่ลำดับของยีนใน DNA ถูกคัดลอกเป็น RNA โดยเอนไซม์ RNA polymerase ที่ขึ้นกับ DNA และเป็นขั้นตอนหลักในการควบคุมการแสดงออกของยีน (gene expression) สาขาวิชานี้จัดระเบียบกลไกระดับโมเลกุลและตรรกะการควบคุมของการถอดรหัส: เอนไซม์ polymerase ค้นหายีนได้อย่างไร, ลำดับและโปรตีนควบคุมเปิดหรือปิดยีนได้อย่างไร, และการสังเคราะห์เริ่มต้น, ดำเนินต่อไป และหยุดลงได้อย่างไร

Definition

การถอดรหัสทางพันธุกรรม (Transcription, genetic) คือการสังเคราะห์ทางชีวภาพของ RNA บนแม่แบบ DNA โดยมีเอนไซม์ DNA-directed RNA polymerase เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา; การแสดงออกของยีน (gene expression) เป็นกระบวนการที่กว้างกว่าซึ่งข้อมูลในยีนถูกเปลี่ยนให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานได้ โดยเริ่มต้นจากการถอดรหัส

Scope

สาขาวิชานี้ครอบคลุมขั้นตอนหลักของการถอดรหัส (การเริ่มต้น, การยืดตัว, การสิ้นสุด) และชั้นการควบคุมที่ทำงานกับขั้นตอนเหล่านั้น ครอบคลุมทั้งระบบแบคทีเรียและยูคาริโอต หัวข้อต่างๆ เกี่ยวกับเอนไซม์ RNA polymerase, โปรโมเตอร์และองค์ประกอบ DNA ที่ออกฤทธิ์แบบ cis (cis-acting DNA elements), ปัจจัยการถอดรหัสที่ออกฤทธิ์แบบ trans (trans-acting transcription factors), การสิ้นสุดและการลดทอน (attenuation), และกลไกการถอดรหัสแบบหลายหน่วยย่อยในยูคาริโอต เป็นแผนที่อ้างอิงและให้ความรู้เกี่ยวกับกลไก ไม่ใช่แนวทางทางคลินิก

Sub-topics

• กลไกการถอดรหัสพันธุกรรมในยูคาริโอต
• โปรโมเตอร์และองค์ประกอบซิส-แอคติง
• อาร์เอ็นเอ โพลีเมอเรส และการเริ่มต้นการถอดรหัส
• ปัจจัยการถอดรหัสและการควบคุมแบบทรานส์แอคติง
• การยุติการถอดรหัสและการลดทอนการถอดรหัส

Core questions

• RNA polymerase จดจำตำแหน่งบนจีโนมที่จะเริ่มต้นสังเคราะห์ RNA ได้อย่างไร?
• ลำดับ DNA และโปรตีนใดที่กำหนดว่ายีนจะถูกถอดรหัสหรือไม่ และมีความแรงเท่าใด?
• การเริ่มต้น, การดำเนินต่อไป และการสิ้นสุดของการถอดรหัสถูกควบคุมด้วยกลไกอย่างไร?
• อุปกรณ์การถอดรหัสของยูคาริโอตแตกต่างจากของแบคทีเรียอย่างไร และเหตุใดจึงมีความซับซ้อนมากกว่า?

Key concepts

• RNA polymerase ที่ขึ้นกับ DNA
• การเริ่มต้น, การยืดตัว และการสิ้นสุด
• โปรโมเตอร์และองค์ประกอบที่ออกฤทธิ์แบบ cis
• ปัจจัยการถอดรหัส (ที่ออกฤทธิ์แบบ trans)
• สายแม่แบบและสายรหัส
• การเชื่อมโยงการถอดรหัสกับการประมวลผล RNA

Key theories

แบบจำลองโอเปรอนของการควบคุมยีน

Jacob และ Monod เสนอว่ายีนของแบคทีเรียถูกจัดระเบียบเป็นหน่วยที่ถูกควบคุมร่วมกัน (โอเปรอน) ซึ่งการถอดรหัสถูกควบคุมโดยโปรตีนควบคุมที่จับกับลำดับโอเปอเรเตอร์ ซึ่งเป็นการวางรากฐานแนวคิดสำหรับการควบคุมการถอดรหัสที่ออกฤทธิ์แบบ trans

RNA polymerase หลายชนิดในยูคาริโอต

Roeder และ Rutter แสดงให้เห็นว่ายูคาริโอตมี RNA polymerase ที่ขึ้นกับ DNA ในนิวเคลียสหลายชนิดที่แตกต่างกัน (ต่อมาเรียกว่า Pol I, II และ III) โดยมีความจำเพาะต่อแม่แบบที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นการกำหนดการแบ่งงานในการถอดรหัสของยูคาริโอต

Mechanisms

การถอดรหัสจะดำเนินไปโดยการจดจำโปรโมเตอร์, การสร้างคอมเพล็กซ์แบบเปิดที่สาย DNA แยกออกจากกัน, การสังเคราะห์ RNA ในทิศทาง 5' ไป 3' โดยใช้สายหนึ่งเป็นแม่แบบ, และการสิ้นสุดที่ปล่อยสารถอดรหัสและเอนไซม์ polymerase การควบคุมจะซ้อนทับอยู่บนขั้นตอนเหล่านี้: ลำดับ DNA ที่ออกฤทธิ์แบบ cis (cis-acting DNA sequences) ให้ตำแหน่งการจับ, และโปรตีนที่ออกฤทธิ์แบบ trans (trans-acting proteins) จะรวมสัญญาณเพื่อดึงดูด, กระตุ้น หรือยับยั้งเอนไซม์ polymerase ในแบคทีเรีย เอนไซม์ polymerase หลักเดี่ยวที่มีปัจจัยซิกมา (sigma factors) ที่สามารถสับเปลี่ยนได้จะอ่านโปรโมเตอร์หลายตัว; ในยูคาริโอต เอนไซม์ polymerase ในนิวเคลียสสามชนิดจะแบ่งงานกันและต้องการการรวมตัวกันขนาดใหญ่ของปัจจัยทั่วไปและปัจจัยเฉพาะยีน โดยเชื่อมโยงการถอดรหัสเข้ากับสถานะของโครมาตินและการประมวลผล RNA

Clinical relevance

เนื่องจากการถอดรหัสเป็นจุดควบคุมหลักของการแสดงออกของยีน การควบคุมที่ผิดปกติจึงเป็นสาเหตุของกระบวนการของโรคหลายชนิด และปัจจัยการถอดรหัสและวิถีของพวกมันจึงถูกศึกษาในฐานะกลุ่มเป้าหมายยาที่มีศักยภาพที่สำคัญ สาขาวิชานี้อธิบายกลไกเหล่านั้นในระดับอ้างอิงและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

การศึกษาโมเลกุลของการถอดรหัสเติบโตมาจากแบบจำลองโอเปรอน (operon model) ของ Jacob และ Monod ในปี 1961 ซึ่งอธิบายว่ายีนถูกเปิดและปิดได้อย่างไร และจากการค้นพบของ Roeder และ Rutter ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 ว่ายูคาริโอตมี RNA polymerase หลายชนิด ทศวรรษต่อมาได้ไขความกระจ่างเกี่ยวกับเอนไซม์วิทยา โครงสร้าง และเครือข่ายการควบคุมที่จัดระเบียบภายใต้สาขาวิชานี้ในปัจจุบัน

Key figures

• François Jacob
• Jacques Monod
• Robert G. Roeder
• Roger Kornberg

Seminal works

• jacob-monod-1961
• roeder-rutter-1969
• lee-young-2013

Frequently asked questions

การถอดรหัสและการแสดงออกของยีนแตกต่างกันอย่างไร?

การถอดรหัสเป็นขั้นตอนเฉพาะของการคัดลอก DNA เป็น RNA; การแสดงออกของยีนเป็นกระบวนการทั้งหมดของการเปลี่ยนข้อมูลของยีนให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานได้ ซึ่งการถอดรหัสเป็นขั้นตอนแรกและเป็นขั้นตอนที่มีการควบคุมมากที่สุด

เหตุใดการถอดรหัสจึงเป็นจุดหลักของการควบคุมยีน?

การควบคุมว่ามีการสร้าง RNA มากน้อยเพียงใดเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสำหรับเซลล์ในการกำหนดระดับโปรตีน ดังนั้นเซลล์จึงลงทุนกลไกการควบคุมส่วนใหญ่ในขั้นตอนการถอดรหัสมากกว่าขั้นตอนต่อๆ ไป