การขนส่ง RNA ในพืช
การศึกษาการแสดงออกของยีนในพืช พบว่ามีการขนส่งสาย RNA ที่ได้จากการ transcription ภายในนิวเคลียสไปยังออร์แกนเนลที่ต้องการ ซึ่งการขนส่งสาย RNA อาจเกิดอันเนื่องมาจากโครงสร้างของพืชที่มีแวคิวโอขนาดใหญ่เบียดส่วนประกอบต่างๆ ภายในเซลล์ไปอยู่บริเวณขอบของเซลล์ ดังภาพ 1 ทำให้ยีนต่างๆ เมื่อเกิดการถอดรหัสภายในนิวเคลียสที่อยู่ด้านหนึ่งของเซลล์แล้ว จะต้องขนส่งสาย RNA ที่ได้ไปยังออร์แกนเนลเป้าหมายที่อยู่อีกด้านหนึ่งของเซลล์
ภาพ 1 โครงสร้างของเซลล์พืชที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
ที่มา http://www.oncoursesystems.com/school/webpage/10845583/788307
ซึ่งจากการบรรยายเรื่อง The complexities of RNA localization in plants using rice as a model โดย Professor Thomas W. Okita ที่ใช้ข้าวเป็นต้นแบบในการศึกษาการขนส่งของสาย RNA ของยีนโปรตีนสะสม 2 ชนิด คือ โปรตีน glutelins และโปรตีน prolamines ซึ่งโปรตีน glutelins จะสะสมใน storage vacuoles (PB-II) และโปรตีน prolamines สะสมใน ER lumen (PB-I) โดยที่ในการแสดงออกเป็นโปรตีนสะสมทั้งสองชนิดจะเกิดการถอดรหัส (transcription) เป็นสาย mRNA ที่นิวเคลียสจากนั้นจะขนส่งไปยังบริเวณเป้าหมาย โดยที่สายmRNA ของ prolamines จะขนส่งไปที่ PB-ER ส่วนสาย mRNA ของ glutelins จะขนส่งไปที่ C-ER ดังภาพ 2 เพื่อเกิดการแปลรหัส (translation) ได้เป็นสายโปรตีนต่อไป ซึ่งจากการแสดงออกในลักษณะดังกล่าว จึงเกิดคำถามว่าสาย mRNA ของยีน prolamines และยีน glutelins จะขนส่งไปยังบริเวณ PB-ER และ C-ER เพื่อเกิดการแปลรหัสได้อย่างไร ซึ่งจากการศึกษาของ Professor Thomas W. Okita พบว่าการขนส่งจะต้องประกอบด้วย 2 องค์ประกอบสำคัญ คือ สาย mRNA จะต้องมีสัญญาณเพื่อชี้นำว่าสาย mRNA นั้นจะต้องขนส่งไปยังบริเวณเป้าหมาย และโปรตีนต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการขนส่ง
ภาพ 2 การขนส่งสาย mRNA ของยีน glutelins และยีน prolamines
ที่มา http://www.plantphysiol.org/content/136/3/3414.full
องค์ประกอบหลักในการขนส่งสาย mRNA ของยีน glutelins และยีน prolamines จะขนส่งไปยังบริเวณ storage vacuoles และ ER lumen ได้แก่
- สัญญาณบนสาย mRNA
โดยในสาย mRNA ของยีน prolamine มีสัญญาณเป็น zipcode จำนวน 2 บริเวณ ที่ตำแหน่งภายในบริเวณรหัส (5’ CDS) และบริเวณไม่แปลรหัสด้าน 3’ (3’UTR) อย่างละ 1 บริเวณ ส่วนในสาย mRNA ของยีน glutelin จะมี zipcode จำนวนมาก อาจจะมีได้ถึง 6 บริเวณ โดยที่จะมีตำแหน่งภายในบริเวณรหัส (5’ CDS) และบริเวณไม่แปลรหัสด้าน 3’ (3’UTR) เช่นกัน โดยหากเกิดการกลายพันธุ์ในบริเวณดังกล่าวจะทำให้การขนส่งไปยังบริเวณอื่นที่ไม่ใช่เป้าหมาย
2.โปรตีนขนส่งสาย mRNA
จากการศึกษาข้าวสายพันธุ์ที่ได้จากการกลายพันธุ์ (mutant) พบว่าข้าวที่มีการกลายพันธุ์ในยีน glu2 ยีน glu4 ยีน glu6 (ภาพ 3) จะมีความผิดปกติในการขนส่งสาย mRNA โดยที่ยีน glu4/glu6 จะเกี่ยวข้องกับโปรตีน GTPase และ GTP/GDP exchange ที่เกี่ยวข้องการขนส่งข้ามเยื่อหุ้ม ส่วนยีน glu2 เป็นโปรตีนที่เป็นส่วนประกอบของเยื่อหุ้ม (membrane protein)
จากการศึกษาด้วยการติดตามการเคลื่อนที่ของสาย mRNA ที่ติดฉลากด้วยสารเรืองแสง พบว่าสาย mRNA จะเคลื่อนที่ภายในเซลล์ ดังภาพ 3 จึงสมารถตั้งสมมติฐานได้มาการเคลื่อนที่/ขนส่ง สาย mRNA น่าจะเกี่ยวข้องกับส่วน cytoskeleton ของเซลล์พืช (ภาพ 4) เพราะโครงสร้างส่วนนี้จะรักษารูปร่างและการเคลื่อนที่ของออร์แกนเนลต่างๆ ภายในไซโทพลาสซึม
ภาพ 3 การเคลื่อนที่ของสาย mRNA ของยีน prolamine ที่เวลาต่างๆ (วินาที)
ที่มา http://public.wsu.edu/~tokita/research.htm
ภาพ 4 โครงสร้างของ cytoskeleton ของเซลล์พืช
ที่มา http://pixshark.com/cytoskeleton-in-cell.htm
จากการศึกษาพบว่ามีโปรตีนกลุ่มอื่นที่เกี่ยวข้องกับการขนส่งสาย mRNA โดยการนำสาย mRNA ที่มีบริเวณ zipcode มาตึงบนอนุภาค จากนั้นนำโปรตีนมาผ่านอนุภาค หากโปรตีนนั้นเกี่ยวข้องกับการจับสาย mRNA จะถูกตรึงไว้กับอนุภาค แล้วล้าง และชะเอาโปรตีนที่จับอนุภาคออกมาศึกษา โดยโปรตีนที่ได้จะเป็นกลุ่มโปรตีนที่จับกับสาย mRNA (RNA binding proteins; RBPs) ได้ ซึ่งประกอบด้วยโปรตีนจำนวนมาก (RBP-A ถึง RBP-R) เป็น heterogeneous nuclear ribonucleoproteins (hnRNPs) ซึ่งเกี่ยวข้องกับขั้นตอน post-transcription จากนั้น ซึ่งในขณะนี้พบว่าโปรตีน RBP-A, RBP-I, RBP-J, RBP-K เกี่ยวข้องกับการจับสาย mRNA บริเวณ zipcode เมื่อนำโปรตีน RPBs เหล่านี้ไปเป็นตัวจับสาย cDNA ที่ได้จากการเปลี่ยน mRNA ทั้งหมดของเซลล์ จากนั้นนำไปอ่านลำดับเบส พบว่าได้สาย cDNA ของ mRNA จำนวน 168 RNAs พบว่าเป็นยีนของ small expressed proteins, transposon, gluteins, ATP synthatase, ribosomal proteins, RBPs, transporters และ starch biosynthesis จากข้อมูลดังกล่าวแสดงให้เห็นว่านอกจากสาย mRNA ของยีน gluteins และ prolamines แล้วยังมียีนในกระบวนการอื่นๆ ในพืชก็มีการขนส่งสาย mRNA ไปยังส่วนต่างๆ ของเซลล์ เพื่อการแปลรหัสต่อไป
นอกจากนี้ยังพบโปรตีน Tudor-SN/ Rp120 (multi-functional RNA binding protein) ที่มีคุณสมบัติเป็น RBP (RNA binding protein) พบมากในส่วนที่เป็นโปรตีนจาก cytoskeleton (cytoskeleton-protein body fraction) จะพบอยู่รวมกับ microtubules (องค์ประกอบของ cytoskeleton) ซึ่งจากการศึกษาด้วยเทคนิค TILLING (targeting induced Local Lesions in Genomes) เป็นเทคนิคการทำให้เกิดการกลายพันธุ์ในดีเอ็นเอจีโนมของข้าว จากนั้นจะได้กลุ่มพันธุ์กลาย ที่จะนำมาศึกษาต่อได้ว่าบริเวณใดของยีนเกิดการกลายพันธุ์และมีผลกระทบต่อการขนส่งโปรตีนไปยังบริเวณอื่นๆ ที่ไม่ใช่เป้าหมายก็จะพบว่าบริเวณนั้นหรือกรดอะมิโนนั้นสำคัญต่อการทำหน้าที่ของโปรตีนที่ศึกษา
ในการบรรยายพิเศษในครั้งนี้ยังได้เรียนรู้เทคนิคต่างๆ ที่ใช้ในการศึกษาในงานชีวโมเลกุลเพิ่มเติม เช่น เทคนิคการติดฉลากสาย mRNA ด้วยสารเรืองแสง เพื่อใช้ระบุตำแหน่งของสาย mRNA ว่าอยู่บริเวณใดของเซลล์ เทคนิค immune-precipitation (IP) ที่เป็นการตกตะกอนโปรตีนที่ทำงานร่วมกันหรือจับกัน เพื่อแยกโปรตีนเหล่านั้นออกมาศึกษาจากโปรตีนทั้งหมดของเซลล์ เทคนิคการแยกโปรตีนที่จับกับสาย mRNA ด้วยการใช้สาย mRNA เป็นเหยื่อ เทคนิค TILLING ที่เป็นการสร้างพันธุ์กลาย (mutant) ข้องข้าว โดยจะได้ตัวอย่างพันธุ์กลายจำนวนมากที่จะผิดปกติในยีนแตกต่างกัน ซึ่งจะสามารถนำมาคัดเลือกเฉพาะลักษณะที่เราสนใจต่อไปได้ และเทคนิคการหาลำดับเบสของ cDNA ทั้งหมดที่ได้จากการตกตะกอนร่วมกับ IP
