ความสำคัญของ RNAi Technology and Its application

RNAi เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นโดยปกติตามธรรมชาติของ eukaryotic cell ทั่วไป ซึ่งกระบวนการเหล่านี้มีความสำคัญมากต่อการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิต โดยเฉพาะสิ่งมีชีวิตชั้นต่ำ หน้าที่สำคัญของกระบวนการนี้อาจกล่าวโดยสรุปได้เป็น 3 ด้าน คือ การป้องกันและต่อต้านการติดเชื้อไวรัส การป้องกันจีโนม (genome) จาก jumping genes และ การควบคุมการแสดงออกของยีน


RNAi มีความสำคัญในกระบวนการป้องกันและต่อต้านการติดเชื้อไวรัส โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสิ่งมีชีวิตชั้นต่ำ ไวรัสหลายชนิดมีสารพันธุกรรมเป็นแบบ dsRNA ซึ่งเมื่อไวรัสเหล่านี้ปลดปล่อยสารพันธุกรรมเข้าสู่เซลล์ dsRNA จะถูกตัดเป็น short interference RNA (siRNA)โดย Dicer ซึ่งเป็นเอ็นไซม์ที่มีอยู่แล้วในสิ่งมีชีวิตบางชนิด จากนั้น Dicer จะกระตุ้นให้ RISC complex เข้ามาจับ และตัดสาย RNA เกิดการยับยั้งการสร้างโปรตีน ทำให้ไวรัสไม่สามารถก่อโรคได้
RNAi ยังมีความสำคัญในการป้องกันจีโนม (genome) จาก Jumping genes (transposons) ซึ่งเป็นลำดับของดีเอ็นเอ ที่สามารถเคลื่อนที่ไปได้ทั่วจีโนมของสิ่งมีชีวิต และพบ Jumping genes ได้ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ซึ่งในกรณีที่ Jumping genes เคลื่อนไปอยู่ในตำแหน่งที่ไม่ถูกต้องและมีความสำคัญจะทำให้เกิดความเสียหายแก่เซลล์ของสิ่งมีชีวิตได้ Jumping genes หลายๆชนิดทำงานโดยการถอดรหัส ดีเอ็นเอ ให้เป็น RNA ก่อน และจากนั้นจะถอดรหัสกลับเป็นดีเอ็นเอแล้วไปแทรกอยู่ในตำแหน่งอื่นๆของจีโนมต่อไป บ่อยครั้งที่ RNA ที่เกิดขึ้นจะเป็น dsRNA และเป็นตัวเริ่มต้นกระบวนการ RNAi
ดังนั้น RNAi จึงมีบทบาทช่วยป้องกันจีโนมจาก Jumping genes โดยการทำลาย dsRNA
นอกจากนั้น RNAi ยังเป็นกลไกสำคัญที่มีบทบาทในการควบคุมการแสดงออกของยีน ที่พบในสัตว์หลายชนิด ตั้งแต่ระดับกลุ่มหนอนพยาธิจนถึงระดับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม พบว่ายีนหลายร้อยตำแหน่งในจีโนมของมนุษย์จะได้รับการถอดรหัสออกมาเป็น RNA ขนาดเล็กที่เรียกว่า microRNA (miRNA) ซึ่ง miRNA จะบรรจุชิ้นส่วนของลำดับของยีนต่างๆ
ดังนั้น miRNA เหล่านี้จึงอาจเกิดเป็นโครงสร้างสายคู่ได้ เช่น เกิดเป็น hairpin RNA (hpRNA) เมื่อเกิดเป็น hpRNA ที่เป็น dsRNA ขึ้นจะเป็นการกระตุ้นให้เริ่มกระบวนการ RNAi ทำให้เกิดการยับยั้งการแสดงออกของยีน

ประวัติ RNAi

พัฒนาการของความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับ RNAi คาดว่าเริ่มขึ้นเมื่อ ในปี 1990 Jorgensen และคณะ รายงานปรากฏการณ์ที่เขาทำการทดลองในการพยายามทำให้สีของดอกพิทูเนีย (petunia) มีสีเข้มขึ้น โดยการใส่ยีนที่จะกระตุ้นการสร้างรงควัตถุสีแดงจากภายนอกเข้าไป แต่ผลที่พบ คือ ยีนสารสีของดอกพิทูเนีย หยุดการทำงานลง

ซึ่งในขณะนั้นยังไม่สามารถอธิบายได้ว่าอะไรเป็นสาเหตุของปรากฏการณ์ดังกล่าว แต่เมื่อมองย้อนกลับไป อาจถือได้ว่า Richard Jorgensen และคณะเป็นกลุ่มบุคคลแรกที่รายงานถึงลักษณะที่คล้ายกับผลจากการเกิดกระบวนการ RNAi ในปีเดียวกันนี้ยังมีการค้นพบปรากฏการณ์ที่คล้ายกันอีกโดย van der Krol และคณะเมื่อทำการใส่ dihydroflavonol-4-reductase (DFR) or chalcone synthase (CHS) genes เข้าไปในดอกพิทูเนียและ Smith และคณะเมื่อทำการใส่ chimaeric polygalacturonase (PG) gene ในมะเขือเทศ ซึ่งในปี1990 นี้ได้มีการกำหนดชื่อเรียกปรากฏการณ์ดังกล่าวว่า post transcriptional gene silencing (PTGS) ต่อมาในปี 1992 Macino และRomanoได้มีการค้นพบปรากฏการณ์ที่ใกล้เคียงกันใน Neurospora crassa เมื่อใส่ยีนที่ทำให้มีการแสดงลักษณะเผือกโดยพบว่า Neurospora crassa บางส่วนไม่มีการแสดงลักษณะเผือก ซึ่งMacino และRomano เรียกปรากฏการณ์ดังกล่าวว่า quelling อย่างไรก็ตามยังไม่มีผู้ที่สามารถอธิบายได้ว่าอะไรคือกลไกที่ทำให้เกิดลักษณะดังกล่าว จนกระทั่งในปี 1998 มีนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน 2 คน คือ Andrew Z. Fire และ Craig C. Mello ได้รายงานการศึกษา RNAi และกลไกที่เกี่ยวข้องจากการศึกษาแสดงออกของยีนในหนอนตัวกลม Caenorhabditis elegans (C. elegans) โดยพบว่าเมื่อฉีด mRNA (sense) ที่ควบคุมการสร้างโปรตีนกล้ามเนื้อ ร่วมกับ antisense RNA ของ mRNA ดังกล่าว ให้แก่ C. elegan พบว่าหนอนมีการเคลื่อนที่แบบกระตุก (twitching movements) คล้ายลักษณะการเคลื่อนที่ของหนอนกลุ่มที่ขาดยีนที่ทำหน้าที่สร้างโปรตีนกล้ามเนื้ออย่างสมบูรณ์ ในขณะที่ การฉีดเฉพาะ sense หรือ antisense RNAเพียงอย่างเดียวไม่พบการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว จากผลการทดลอง Fire และคณะตั้งสมมุติฐานว่า sense และ antisense RNA ที่ถูกฉีดเข้าไปอาจจับเข้าคู่กันเกิดเป็น dsRNA และ dsRNA ที่เกิดขึ้นมีผลไปยับยั้งการแสดงออกของยีนกล้ามเนื้อที่มีรหัสเดียวกันนั้น ต่อมาเมื่อได้ทดลองฉีด dsRNA ที่มีรหัสพันธุกรรมของโปรตีนหลายๆชนิดของหนอนตัวกลม พบว่า การฉีดอาร์เอ็นเอสายคู่ที่มีรหัสพันธุกรรมหนึ่งๆเข้าไป มีผลในการยับยั้งการแสดงออกของยีนที่มีรหัสจำเพาะนั้นๆ

กลไกการเกิดกระบวนการ RNAi

RNA interference (RNAi) ถือเป็นกระบวนการในการควบคุมการแสดงออกของลักษณะทางพันธุกรรมอย่างหนึ่ง ดังนั้นเพื่อความเข้าใจในกระบวนการ RNAi จึงขอกล่าวถึง การแสดงออกของยีนและการควบคุมการแสดงออกของยีนก่อนจะกล่าวถึงการทำงานของกระบวนการ RNAi


การแสดงออกของยีน(Nelson and Cox, 2000) การแสดงออกของยีน หมายถึง การถอดรหัสพันธุกรรมของยีนจากดีเอ็นเอเป็น mRNA แล้วเกิดการแปลรหัสเป็นโปรตีน รหัสพันธุกรรมของยีนในดีเอ็นเอ เป็นตัวกำหนดชนิดของโปรตีนที่เซลล์สร้าง โดยเริ่มจากการถอดรหัสพันธุกรรมที่อยู่ในดีเอ็นเอเป็น mRNA ในนิวเคลียส และแปลรหัสเป็นโปรตีนในไซโตพลาสซึม ซึ่งโปรตีนนี้มีความเกี่ยวข้องในทุกกระบวนการของสิ่งมีชีวิต เช่น เป็นเอ็นไซม์ที่ใช้ในการย่อยอาหาร เป็นส่วนประกอบของตัวรับสัญญาณ (receptor) และ แอนติบอดี้ (antibody) ที่ปกป้องร่างกายจากสิ่งแปลกปลอมต่างๆ จีโนมของคนประกอบด้วยยีนประมาณ 30,000 ชนิดแต่จะมีเพียงบางยีนเท่านั้นที่สามารถใช้งานได้ในแต่ละเซลล์ เพราะมีการควบคุมการแสดงออกของยีนให้เกิดขึ้นเฉพาะส่วนที่ต้องการเท่านั้น เรียกกระบวนการในการควบคุมให้มีการแสดงออกเฉพาะยีนที่ต้องการว่า การควบคุมการแสดงออกของยีน (regulation of gene expression) การควบคุมการแสดงออกของยีน (Regulation of gene expression) (Nelson and Cox, 2000) การแสดงออกของยีนเป็นการถ่ายทอดข้อความทางชีวภาพหรือข้อความทางพันธุกรรมที่บรรจุอยู่ใน ดีเอ็นเอไปยัง mRNA แล้วจึงแปลรหัสไปเป็นโปรตีน ในเซลล์ร่างกายของสิ่งมีชีวิตทุกเซลล์มีข้อมูลทางพันธุกรรมหรือยีนเหมือนกัน แต่ในระหว่างการเจริญเติบโตและการเปลี่ยนสภาพ (differentiation) แต่ละเซลล์มีกลไกการควบคุมการแสดงออกของยีนเหล่านี้ต่างเวลาหรือต่างวาระกัน การควบคุมการแสดงออกของยีนอาจแบ่งเป็น 2 ช่วงคือ ­ ช่วงระหว่างกระบวนการถอดรหัสพันธุกรรม (transcription) โดยเป็นการควบคุมการสังเคราะห์ mRNA ซึ่งลำดับเบสที่อยู่บนสาย mRNA ถูกกำหนดโดยลำดับของเบสในสายแม่พิมพ์ดีเอ็นเอ ­ ช่วงระหว่างกระบวนการแปลรหัสพันธุกรรมมาเป็นโพลีเปปไทด์ (polypeptide) หรือโปรตีนโดยเป็นการสังเคราะห์ โพลีเปปไทด์ หรือการสร้างโปรตีน

การควบคุมการแสดงออกของยีนโดย RNAi และ องค์ประกอบที่เกี่ยวข้องในกระบวนการ RNAi

กระบวนการ RNAi เป็นการควบคุมการแสดงออกของยีนในขั้นตอนposttranscriptional processing ของ mRNA ซึ่งจากการศึกษาการควบคุมการแสดงออกของยีนโดยกระบวนการ RNAi ที่เกิดภายในเซลล์ของคนและสัตว์หลายชนิดพบว่ามีกลไกคล้ายกันโดยจีโนมมีการกำหนดการสร้างโมเลกุล RNA ขนาดเล็กที่เรียกว่า micro RNA (miRNA) ซึ่งเป็น double-stranded RNA (dsRNA) และเป็นจุดเริ่มต้นในการกระตุ้นกลไกการทำงานของ RNAi ในการขัดขวางการสร้างโปรตีน RNAi จึงมีบทบาทในการควบคุมการแสดงออกของยีน และมีบทบาทสำคัญต่อการควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม ควบคุมการทำงานของเซลล์ และรวมถึงการพัฒนาของสิ่งมีชีวิต


Dicer Dicer คือ RNAse III nuclease ทำหน้าที่ตัด double-stranded RNA และ pre-microRNA ออกเป็น double-stranded RNA สายสั้นๆ ซึ่งยาว 20-25 นิวคลีโอไทด์ เรียกว่า small interfering RNA (siRNA) โครงสร้างของ Dicer ประกอบไปด้วย RNase 2 โดเมน (domain) และ PAZ 1 โดเมน (รูปที่ 4) Dicer เป็นตัวกระตุ้นปฏิกิริยา (catalyze) ในขั้นตอนแรกของ RNA interference pathway และเป็นจุดเริ่มต้นในการสร้าง RNA-induced silencing complex (RISC) (Provost et al, 2002; Macrae et al, 2006; Jaronczyk et al, 2005; Bernstein et al, 2001)

Small Interfering RNA(Elbashir et al. 2001) Small Interfering RNA (siRNA) บางครั้งรู้จักกันในชื่อ short interfering RNA หรือ silencing RNA โครงสร้างโมเลกุลของ siRNA เป็น dsRNA สายสั้นๆ (ประมาณ 21 นิวคลีโอไทด์)โดยมีนิวคลีโอไทด์ 2 ตัวยื่นออกมา (overhange) จากปลาย 3' ของแต่ละสาย ผลจากการตัดของ Dicer ทำให้ได้สาย siRNA ที่มีปลาย 5' เป็นหมู่ฟอสเฟต และปลาย 3' เป็นหมู่ไฮดรอกซิล (รูปที่ 5) ปัจจุบันทราบว่า siRNA มีบทบาทในวิถี RNAi และเกี่ยวข้องกับกระบวนการทางชีวภาพที่หลากหลาย เช่น กระบวนการต่อต้านไวรัส หรือการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโครมาตินในจีโนม

อื่นๆ

Argonaute RNA-induced silencing complex (RISC) กระบวนการทำงานของ RNAi การประยุกต์ใช้เทคโนโลยี RNAi เทคโนโลยี RNAi ในปัจจุบันและอนาคต การนำเทคโนโลยี RNAi ไปใช้ในพืช ตัวอย่างการนำเทคโนโลยี RNAi ไปใช้ในพืช | | | v รายละเอียดทั้งหมด