วิวัฒนาการของการควบคุมแบบซิส

การเปลี่ยนแปลงในดีเอ็นเอควบคุม (regulatory DNA) ที่ควบคุมยีนที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาการขับเคลื่อนวิวัฒนาการของรูปร่างร่างกาย ในขณะที่ยีนเองยังคงสภาพเดิม

Definition

วิวัฒนาการของการควบคุมแบบซิส (Cis-regulatory evolution) คือการเปลี่ยนแปลงทางวิวัฒนาการในลำดับดีเอ็นเอควบคุมที่ไม่ใช่ส่วนที่เข้ารหัส (non-coding regulatory DNA sequences) เช่น เอนแฮนเซอร์ ซึ่งกำหนดว่ายีนที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาการจะแสดงออกเมื่อใด ที่ไหน และแรงแค่ไหน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างโดยไม่เปลี่ยนแปลงโปรตีนที่ถูกเข้ารหัส

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมบทบาทของการเปลี่ยนแปลงการควบคุมแบบซิส (cis-regulatory change) ซึ่งเป็นการกลายพันธุ์ในเอนแฮนเซอร์ (enhancers) และลำดับควบคุมอื่นๆ ในวิวัฒนาการของสัณฐานวิทยา (morphology) โดยจะกล่าวถึงเหตุผลที่การเปลี่ยนแปลงการควบคุมเป็นที่นิยมมากกว่าการเปลี่ยนแปลงรหัสโปรตีนในการปรับเปลี่ยนรูปร่าง การทำงานแบบโมดูลาร์ของเอนแฮนเซอร์ และกรณีศึกษาที่การเปลี่ยนแปลงการแสดงออกของยีน (gene expression) แทนที่จะเป็นการสูญเสียหรือเพิ่มยีน เป็นสาเหตุของความแตกต่างทางวิวัฒนาการ

Core questions

• การเปลี่ยนแปลงดีเอ็นเอควบคุมสามารถปรับเปลี่ยนรูปร่างร่างกายได้อย่างไรโดยไม่เปลี่ยนแปลงโปรตีน?
• เหตุใดการเปลี่ยนแปลงการควบคุมแบบซิสจึงมักเป็นที่นิยมในวิวัฒนาการทางสัณฐานวิทยา?
• การทำงานแบบโมดูลาร์ของเอนแฮนเซอร์ช่วยให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางวิวัฒนาการที่เฉพาะเจาะจงได้อย่างไร?
• มีตัวอย่างใดบ้างที่แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงการแสดงออกขับเคลื่อนความแตกต่างทางวิวัฒนาการ?

Key concepts

• เอนแฮนเซอร์และโมดูลควบคุมแบบซิส
• การทำงานแบบโมดูลาร์ของการควบคุมยีน
• การเปลี่ยนแปลงการแสดงออกเทียบกับการเปลี่ยนแปลงโปรตีน
• ภาวะพหุผล (Pleiotropy) และการหลีกเลี่ยง
• การเพิ่มขึ้นและการสูญเสียกิจกรรมของเอนแฮนเซอร์

Key theories

สมมติฐานการควบคุมแบบซิสของวิวัฒนาการทางสัณฐานวิทยา

เนื่องจากเอนแฮนเซอร์ควบคุมการแสดงออกของยีนในลักษณะที่เป็นโมดูลและเฉพาะบริบท การกลายพันธุ์ในเอนแฮนเซอร์จึงสามารถเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในส่วนหนึ่งของร่างกายได้โดยไม่กระทบต่อหน้าที่อื่นๆ ของยีน ทำให้การเปลี่ยนแปลงการควบคุมเป็นเส้นทางที่นิยมสำหรับการวิวัฒนาการของรูปร่าง

Mechanisms

ยีนที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาการถูกควบคุมโดยเอนแฮนเซอร์หลายตัวซึ่งส่วนใหญ่ทำงานเป็นอิสระต่อกัน โดยแต่ละตัวจะควบคุมการแสดงออกในเนื้อเยื่อหรือระยะเฉพาะ การทำงานแบบโมดูลาร์นี้หมายความว่าการกลายพันธุ์ในเอนแฮนเซอร์ตัวใดตัวหนึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงการแสดงออกของยีนในบริบทเดียว ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเฉพาะ โดยไม่ส่งผลกระทบต่อบทบาทอื่นๆ อีกมากมายของยีนนั้น จึงหลีกเลี่ยงผลข้างเคียงที่เป็นอันตราย (pleiotropy) ที่การกลายพันธุ์ของรหัสโปรตีนในยีนดังกล่าวจะก่อให้เกิด ดังนั้น วิวัฒนาการจึงสามารถปรับแต่งสัณฐานวิทยาได้โดยการเพิ่ม การสูญเสีย หรือการปรับเปลี่ยนกิจกรรมของเอนแฮนเซอร์ ซึ่งเป็นการเปลี่ยนตำแหน่งและเวลาที่ยีนที่ได้รับการอนุรักษ์ (conserved gene) ถูกนำไปใช้ กรณีที่ได้รับการบันทึกของการวิวัฒนาการลักษณะที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของเอนแฮนเซอร์สนับสนุนมุมมองที่ว่าวิวัฒนาการของการควบคุมเป็นแหล่งสำคัญของความหลากหลายทางสัณฐานวิทยา

Clinical relevance

ตรรกะเดียวกันนี้ใช้ได้กับความหลากหลายและโรคในมนุษย์: การกลายพันธุ์ในดีเอ็นเอควบคุมสามารถเปลี่ยนแปลงพัฒนาการและนำไปสู่ความผิดปกติได้ ทำให้บริเวณควบคุมแบบซิสมีความสำคัญต่อการตีความความหลากหลายทางพันธุกรรมที่ไม่ใช่ส่วนที่เข้ารหัส (non-coding genetic variants) ข้อมูลนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาเท่านั้นและไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์

History

เมื่อพบว่ายีนที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาการได้รับการอนุรักษ์ ความสนใจก็หันไปที่ดีเอ็นเอควบคุมที่ควบคุมยีนเหล่านั้น กรณีศึกษาที่เชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงในกิจกรรมของเอนแฮนเซอร์กับความแตกต่างของการสร้างเม็ดสี (pigmentation) รยางค์ (appendages) และลักษณะอื่นๆ ได้สร้างให้การเปลี่ยนแปลงการควบคุมแบบซิสเป็นแก่นหลักของชีววิทยาพัฒนาการเชิงวิวัฒนาการ (evolutionary developmental biology)

Key figures

• Sean B. Carroll

Seminal works

• carroll2005
• gilbert2016

Frequently asked questions

องค์ประกอบควบคุมแบบซิส (cis-regulatory element) คืออะไร?

เป็นส่วนของดีเอ็นเอที่ไม่ใช่ส่วนที่เข้ารหัส เช่น เอนแฮนเซอร์ ซึ่งควบคุมว่ายีนที่อยู่ใกล้เคียงจะแสดงออกเมื่อใดและที่ไหน

เหตุใดจึงเปลี่ยนการควบคุมแทนที่จะเปลี่ยนตัวยีนเอง?

ยีนที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาการหลายตัวมีหน้าที่หลายอย่าง การเปลี่ยนเอนแฮนเซอร์ตัวใดตัวหนึ่งสามารถปรับเปลี่ยนโครงสร้างเดียวได้โดยไม่รบกวนหน้าที่อื่นๆ ของยีน ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงการควบคุมจึงเป็นเส้นทางที่ก่อกวนน้อยกว่าในการวิวัฒนาการของรูปร่าง