มารู้จัก DNA Microsatellite กันเถอะ (ตอนที่ ๑)

กนกพร บุญศิริชัย และ วไลลักษณ์ แพทย์วิบูลย์
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

เมื่อพูดถึง microsatellite หลายคนอาจจะนึกถึงดาวเทียมขนาดเล็กที่โคจรรอบโลก เช่น ดาวเทียมไทพัฒ ที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานครร่วมกับ University of Surrey ประเทศสหราชอาณาจักร ร่วมกันพัฒนาขึ้น แต่บทความนี้ เราจะมาทำความรู้จักกับ microsatellite ที่พบในดีเอ็นเอซึ่งเป็นสารพันธุกรรมของพืช สัตว์ และมนุษย์

microsatellite คืออะไร
microsatellite เป็นส่วนของดีเอ็นเอที่แสดงลำดับนิวคลีโอไทด์ซ้ำ ๆ ทีละ 1-4 นิวคลีโอไทด์ และอาจมีจำนวนซ้ำได้มากกว่า 10 – 20 ซ้ำ ตัวอย่าง เช่น

  Mononucleotide repeats    AAAAAAAAAAAAAAA หรือ (A)15
  Dinucleotide repeats CGCGCGCGCGCGCG หรือ (CG)7
  Trinucleotide repeats ACGACGACGACGACG หรือ (ACG)5
  Tetranucleotide repeats ATCGATCGATCGATCG หรือ (ATCG)4

microsatellite ยังเป็นที่รู้จักในชื่อของ Simple Sequence Repeats (SSR) Short Tandem Repeats (STR) หรือ Variable Number Tandem Repeats (VNTR) ซึ่งชื่อเหล่านี้ล้วนสื่อความหมายถึงลำดับนิวคลีโอไทด์ที่ซ้ำกันเป็นชุด

microsatellite อยู่ที่ไหน
microsatellite พบในโครโมโซมของสิ่งมีชีวิตพวก eukaryotes เช่น คน พืช และสัตว์ โดยส่วนใหญ่แล้วไม่พบในยีน แต่จะพบได้ในส่วนของโครโมโซมที่ไม่ใช่ยีน เช่น ในส่วนของ intergenic space (ดีเอ็นเอที่อยู่ระหว่างยีน)

 
  Microsatellite คือส่วนของดีเอ็นเอที่แสดงลำดับนิวคลีโอไทด์ซ้ำกันเป็นชุด พบบนโครโมโซมของ คน สัตว์ และพืช (รูปจาก www.woodrow.org)
คนแต่ละคนมีจำนวนซ้ำของนิวคลีโอไทด์ใน microsatellite เท่ากันไหม
อาจจะไม่เท่ากัน เนื่องจาก microsatellite เป็นส่วนของโครโมโซมที่มีวิวัฒนาการหรือการเปลี่ยนแปลงค่อนข้างเร็ว โดยเฉพาะการเพิ่มหรือลดจำนวนซ้ำของชุดนิวคลีโอไทด์ microsatellite จึงมีหลากหลายอัลลีล (allyl distribution คือ รูปแบบของยีนหรือลำดับนิวคลีโอไทด์ที่ตำแหน่งใด ๆ บนโครโมโซม) โดยแต่ละอัลลีลจะมีจำนวนซ้ำของชุดนิวคลีโอไทด์ ที่แตกต่างกัน สำหรับ microsatellite หนึ่ง ๆ อาจสามารถพบจำนวนอัลลีลได้มากถึง 70-80 อัลลีล
 
  อัลลีล A มีจำนวนซ้ำของชุดนิวคลีโอไทด์ที่ตำแหน่ง microsatellite หนึ่ง น้อยกว่าอัลลีล B (รูปซ้าย) เมื่อนำดีเอ็นเอจากตำแหน่งนั้นมาแยกขนาดด้วยวิธี agarose gel electrophoresis จะพบว่าอัลลีล A มีขนาดสั้นกว่าอัลลีล B โดยแถบดีเอ็นเอที่สั้นกว่าจะอยู่ด้านล่างของแผ่นเจล (A = อัลลีล A; B = อัลลีล B; M = ดีเอ็นเอมาตรฐานสำหรับประเมินขนาด) (รูปจาก www.sciencebuddies.org)
microsatellite วิวัฒนาการได้อย่างไร
วิวัฒนาการหรือการเปลี่ยนแปลงลำดับนิวคลีโอไทด์ของ microsatellite มักพบในรูปแบบของการเพิ่มหรือลดจำนวนซ้ำของชุดนิวคลีโอไทด์ สัณนิษฐานว่าเกิดจากการเลื่อนตัว (slippage) ของสายดีเอ็นเอออกจากกันในบริเวณของ microsatellite ในขณะที่เซลล์กำลังจำลองดีเอ็นเอระหว่างการแบ่งเซลล์ ทำให้นิวคลีโอไทด์ส่วนหนึ่งไม่สามารถจับคู่กับนิวคลีโอไทด์บนสายตรงข้ามได้ หากนิวคลีโอไทด์ที่เลื่อนตัวออกอยู่บนสายดีเอ็นเอต้นแบบ สายดีเอ็นเอที่สร้างขึ้นใหม่จะมีจำนวนซ้ำของนิวคลีโอไทด์ลดลงเมื่อเทียบกับสายเดิม แต่ถ้านิวคลีโอไทด์ที่เลื่อนตัวออกอยู่บนสายดีเอ็นเอที่กำลังสร้างขึ้นใหม่ สายดีเอ็นเอใหม่นี้จะมีจำนวนซ้ำเพิ่มขึ้นกว่าสายเดิม
 
  replication คือการสร้างดีเอ็นเอสายใหม่จากสายเดิม รูปแสดงการเลื่อน (slippage) ของนิวคลีโอไทด์ชุดซ้ำ ( ) บนสายดีเอ็นเอที่กำลังสร้างขึ้นใหม่ทำให้มีจำนวนซ้ำของชุดนิวคลีโอไทด์เพิ่มขึ้นในรอบ replication ถัดไป (ซ้าย) หากการเลื่อนเกิดบนสายดีเอ็นเอต้นแบบ จะทำให้โมเลกุลดีเอ็นเอในรอบถัดไปมีจำนวนซ้ำของชุดนิวคลีโอไทด์ลดลง (ขวา) รูปจาก www.scielo.br
อีกกรณีหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงลำดับนิวคลีโอไทด์ของ microsatellite อาจเกิดจากการแลกเปลี่ยนชิ้นส่วนของโครโมโซมแบบไม่สมดุล (unequal crossingover) ที่ตำแหน่งของ microsatellite ระหว่างการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส (meiosis) เพื่อสร้างเซลล์สืบพันธุ์ ทำให้โครโมโซมชิ้นหนึ่งได้รับจำนวนชุดซ้ำของ microsatellite มากกว่า ในขณะที่อีกชิ้นหนึ่งได้รับน้อยกว่า เซลล์สืบพันธุ์ที่เกิดขึ้นส่วนหนึ่งจึงมีจำนวนซ้ำของชุดนิวคลีโอไทด์เปลี่ยนไปจากเดิม
 
  รูปแสดงการแลกเปลี่ยนชิ้นส่วนของโครโมโซมแบบไม่สมดุลที่ตำแหน่งของ microsatellite ทำให้โครโมโซมชิ้นหนึ่งมีขนาดยาวกว่าเดิม ในขณะที่อีกชิ้นหนึ่งมีขนาดสั้นกว่าเดิม (รูปจาก www.scielo.br)

ในตอนต่อไปเราจะมาเรียนรู้กันว่าในทางการแพทย์ นิติวิทยาศาสตร์ การเกษตร และการศึกษาวิจัย เขาใช้ microsatellite ทำอะไรกันบ้าง สำหรับตอนนี้ขอจบเพียงเท่านี้ก่อน แล้วพบกันใหม่