ดีปโฮโมโลจีและยีนชุดเครื่องมือ

ชุดยีนควบคุมที่ใช้ร่วมกันซึ่งมีขนาดเล็กและเก่าแก่เป็นตัวกำหนดรูปแบบการพัฒนาทั่วทั้งอาณาจักรสัตว์ เผยให้เห็นความคล้ายคลึงกันอย่างไม่คาดคิดระหว่างโครงสร้างที่แตกต่างกันมาก

Definition

ยีนชุดเครื่องมือ (toolkit genes) คือชุดยีนควบคุมที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้ ซึ่งใช้ร่วมกันอย่างกว้างขวางในสัตว์ และควบคุมการตัดสินใจหลักในการพัฒนา ดีปโฮโมโลจี (deep homology) คือการที่โปรแกรมทางพันธุกรรมและการพัฒนาพื้นฐานเดียวกันถูกใช้ร่วมกันระหว่างโครงสร้างในสิ่งมีชีวิตที่มีความสัมพันธ์ห่างไกลกัน แม้ว่าโครงสร้างเหล่านั้นจะไม่ได้สืบทอดมาโดยตรงในฐานะอวัยวะเดียวกันก็ตาม

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมชุดเครื่องมือทางพันธุกรรมเพื่อการพัฒนาที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้ ซึ่งรวมถึงยีน Hox และตัวควบคุมหลักอื่น ๆ ตลอดจนแนวคิดเรื่องดีปโฮโมโลจี (deep homology) ซึ่งโปรแกรมทางพันธุกรรมที่คล้ายคลึงกันเป็นพื้นฐานของโครงสร้างในสัตว์ที่มีความสัมพันธ์ห่างไกลกัน โดยใช้ตัวอย่างคลาสสิก เช่น ยีนหลักที่ใช้ร่วมกันสำหรับการพัฒนาตา เพื่อแสดงให้เห็นว่ายีนควบคุมที่เก่าแก่ถูกนำกลับมาใช้ซ้ำในสายวิวัฒนาการต่าง ๆ ได้อย่างไร

Core questions

• ยีนใดบ้างที่ประกอบกันเป็นชุดเครื่องมือเพื่อการพัฒนาที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้?
• สัตว์ที่แตกต่างกันมากสามารถใช้ยีนเดียวกันในการสร้างร่างกายได้อย่างไร?
• ดีปโฮโมโลจีคืออะไร และแตกต่างจากโฮโมโลจีทั่วไปอย่างไร?
• ตัวควบคุมหลักที่ใช้ร่วมกันเผยให้เห็นอะไรเกี่ยวกับการสืบเชื้อสายร่วมกันของแผนผังร่างกาย?

Key concepts

• ยีนชุดเครื่องมือที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้
• ยีน Hox ในไฟลัมต่าง ๆ
• ยีนควบคุมหลัก
• ดีปโฮโมโลจี
• การนำยีนมาใช้ใหม่

Key theories

ชุดเครื่องมือเพื่อการพัฒนาที่ใช้ร่วมกัน

ชุดยีนควบคุมที่เก่าแก่และมีจำนวนจำกัดได้รับการอนุรักษ์ไว้ทั่วทั้งอาณาจักรสัตว์และถูกนำกลับมาใช้ใหม่เพื่อกำหนดรูปแบบการพัฒนา ดังนั้นความหลากหลายของรูปแบบจึงถูกสร้างขึ้นโดยส่วนใหญ่จากการนำชุดเครื่องมือทางพันธุกรรมร่วมกันมาใช้ใหม่

Mechanisms

ชุดเครื่องมือเพื่อการพัฒนาประกอบด้วยยีนควบคุม ซึ่งได้แก่ ทรานสคริปชันแฟกเตอร์ (transcription factors) และส่วนประกอบการส่งสัญญาณ (signaling components) ที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้ในสัตว์ และควบคุมการสร้างแกนของร่างกาย รยางค์ และอวัยวะ เนื่องจากยีนเหล่านี้ถูกใช้ร่วมกัน ตัวควบคุมเดียวกันจึงสามารถควบคุมการพัฒนาของโครงสร้างที่คล้ายคลึงกันในสายวิวัฒนาการที่ห่างไกลกันได้ เช่นเดียวกับยีนหลักที่เริ่มต้นการพัฒนาตาในสัตว์ที่แตกต่างกันอย่างแมลงวันและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ดีปโฮโมโลจีเกิดขึ้นเมื่อโปรแกรมที่ใช้ร่วมกันดังกล่าวเป็นพื้นฐานของโครงสร้างที่พัฒนาในรายละเอียดของมันอย่างอิสระ วิวัฒนาการมักจะดำเนินไปโดยการนำยีนชุดเครื่องมือมาใช้ในบริบทใหม่ โดยใช้ตัวควบคุมที่มีอยู่แล้วในตำแหน่งหรือเวลาใหม่เพื่อสร้างโครงสร้างใหม่จากส่วนประกอบที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้

Clinical relevance

เนื่องจากยีนชุดเครื่องมือได้รับการอนุรักษ์ไว้ การค้นพบในสิ่งมีชีวิตต้นแบบจึงสามารถนำไปใช้กับยีนพัฒนาการของมนุษย์ได้ และความผิดปกติของตัวควบคุมที่ใช้ร่วมกันเหล่านี้เป็นสาเหตุของความผิดปกติที่เทียบเคียงกันได้ในสัตว์ต่างชนิดกัน บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษา ไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์

History

การค้นพบว่าโฮมีโอโบกซ์ (homeobox) มีอยู่ในสัตว์ต่าง ๆ เผยให้เห็นชุดยีนกำหนดรูปแบบที่เก่าแก่และได้รับการอนุรักษ์ไว้ การแสดงให้เห็นว่ายีนหลักเพียงยีนเดียวสามารถกระตุ้นการสร้างตาในไฟลัมต่าง ๆ ได้ ทำให้แนวคิดเรื่องดีปโฮโมโลจีและชุดเครื่องมือทางพันธุกรรมร่วมกันเป็นที่นิยม

Key figures

• Sean B. Carroll
• Walter Gehring

Seminal works

• carroll2005
• gilbert2016

Frequently asked questions

ชุดเครื่องมือทางพันธุกรรมคืออะไร?

คือชุดยีนควบคุมที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้ ซึ่งใช้ร่วมกันในสัตว์ต่าง ๆ และควบคุมขั้นตอนหลักของการพัฒนา เช่น การสร้างแกน รยางค์ และอวัยวะ

ดีปโฮโมโลจีหมายความว่าอย่างไร?

หมายความว่าโครงสร้างในสัตว์ที่มีความสัมพันธ์ห่างไกลกันถูกสร้างขึ้นโดยใช้โปรแกรมทางพันธุกรรมพื้นฐานเดียวกัน แม้ว่าโครงสร้างเหล่านั้นจะพัฒนาในรายละเอียดของมันแยกกันก็ตาม