ยีสต์ หนอน และแมลงวัน ตอนที่ 2/3 (ต่อ) (ประวัติศาสตร์อุตสาหกรรมไบโอเทคตอนที่ 48)

ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

Biology Beyond Nature | ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

 

ยีสต์ หนอน และแมลงวัน ตอนที่ 2/3 (ต่อ)

(ประวัติศาสตร์อุตสาหกรรมไบโอเทคตอนที่ 48)

 

John E. Sulston และ Robert Horvitz สองนักวิจัยเจ้าของรางวัลโนเบล 2002 เคยทำงานในทีมวิจัยของ Brenner นักชีววิทยาแอฟริกาใต้ ทั้งคู่

Sulston โด่งดังจากผลงานการศึกษาพัฒนาการ (developmental biology) เขาใช้เวลาหลายปีหมกมุ่นอยู่กับการนับเซลล์ ติดตามการแบ่งตัวและจัดเรียงของเซลล์ C.elegans ทีละเซลล์ๆ จนได้แผนที่เซลล์ทั้งหมดสำเร็จต้นทศวรรษที่ 1980s

เขาค้นพบว่า C.elegans มีแบบแผนการแบ่งเซลล์ที่แน่นอนตายตัว มีเซลล์ร่างกาย (สำหรับ hermaphrodite) 959 เซลล์พอดีเป๊ะ

นอกจากนี้ เขายังค้นพบว่าระหว่างการพัฒนาจะมีเซลล์จำนวนหนึ่งถูกโปรแกรมให้ทำลายตัวเองไปตามธรรมชาติ

John E. Sulston สร้างแผนที่เซลล์ทุกเซลล์บนหนอน C.elegans
Cr. ณฤภรณ์ โสดา

Horvitz ต่อยอดศึกษาระบบยีนที่เกี่ยวข้องกับโปรแกรมให้เซลล์ทำลายตัวเองทิ้งตามธรรมชาติใน C.elegans

หลังจากนั้นก็พบว่ากลไกทำลายตัวเองหรือที่เรียกทางการว่า apoptosis นี้พบได้สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ทุกชนิดรวมทั้งมนุษย์ เป็นกลไกสำคัญสำหรับกำจัดเซลล์ส่วนเกินระหว่างการพัฒนาร่างกาย

ตลอดจนทำลายเซลล์ที่อาจจะก่อปัญหาอย่างเซลล์มะเร็งและเซลล์ภูมิคุ้มกันที่ทำงานมากเกินไป

กลางทศวรรษที่ 1970s ไล่เลี่ยกับช่วงเวลาที่ Brenner เปิดตัว C.elegans ประจวบเหมาะกับการคิดค้นเทคโนโลยีตัดต่อดีเอ็นเอลูกผสม (recombinant DNA) และเทคโนโลยีการอ่านลำดับเบส (DNA sequencing)

Brenner ตื่นเต้นกับเรื่องนี้มาก เขาเปรียบเทียบว่าที่ผ่านมาการศึกษาพันธุศาสตร์ติดข้อจำกัดสำคัญคือระยะวงจรชีวิตของสิ่งที่เราศึกษา แม้แต่สัตว์วงจรชีวิตสั้นอย่าง C.elegans เรายังต้องรอถึงสามสี่วันกว่าจะศึกษาความสัมพันธ์ของยีนและลักษณะทีละรุ่นๆ ได้

เมื่อมีเทคนิค recombinant DNA และ DNA sequencing เราสามารถตัดต่อเอายีนจากดีเอ็นเอตรงไหนมาเพิ่มจำนวนมากเท่าไหร่เมื่อไรก็ได้ในแบคทีเรียตามต้องการ

สามารถศึกษาการเปลี่ยนแปลงละเอียดถึงลำดับเบสทีละตัวได้ง่ายเหมือนอ่านหนังสือ

การทำแผนที่ยีนและจีโนมของ C.elegans
Cr. ณฤภรณ์ โสดา

เมื่อเหล่านักวิจัยเริ่มตัดต่อโคลนดีเอ็นเอ C.elegans ออกมาศึกษา Sulston คิดการณ์ไกลว่าแทนที่จะให้แต่ละคนเสียเวลาหายีนเองทีละตัว เรามาทำแผนที่ยีนและรวบรวมจัดระเบียบชิ้นดีเอ็นเอให้เสร็จไปเลยทีเดียวน่าจะดีกว่า

Sulston ซึ่งตอนนั้นทำงานอยู่ที่ Medical Research Council (MRC) ที่ Cambridge ประเทศอังกฤษ ร่วมมือกับ Robert Waterson จาก Washington University ฝั่งสหรัฐ (Waterson ก็เคยอยู่ในทีมของ Brenner เช่นกัน) ทำแผนที่ยีนของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์สำเร็จเป็นครั้งแรกช่วงทศวรรษที่ 1980s

ผลงานนี้มีชิ้นส่วนดีเอ็นเอบริเวณต่างๆ ของ C.elegans ที่ถูกตัดต่อมาใส่ในเก็บไว้ในแบคทีเรียหรือยีสต์เรียบร้อยแล้ว

ชิ้นส่วนดีเอ็นเอพวกนี้ขนาดอยู่ที่หลักหลายสิบถึงหลายร้อยกิโลเบส รวมกันหลายหมื่นชิ้นครอบคลุมทุกบริเวณบนจีโนม C.elegans

นอกจากนี้ ยังมีข้อมูลแผนที่ระบุว่าดีเอ็นเอชิ้นไหนน่าจะอยู่ต่อกับชิ้นไหนบนโครโมโซมคู่ที่เท่าไหร่

ที่ผ่านมาการจะศึกษายีนสักตัวต้องเริ่มจากตรวจสอบแบบแผนถ่ายทอดพันธุกรรม หาตำแหน่งอ้างอิง แล้วค่อยๆ บีบตำแหน่งค้นหาให้แคบลงๆ จนเจอยีนนั้น (เทคนิคที่เรียกว่า chromosome walking) อาจจะใช้เวลาเป็นปีกว่าจะเจอ

แต่สำหรับวงการหนอน C.elegans ที่ทำแผนที่ยีนสำเร็จและมีโคลนต่างๆ พร้อมแล้ว อยากศึกษาอะไรตรงไหนก็แค่ให้ Sulston หรือ Waterson ส่งดีเอ็นเอไปให้ ไม่กี่สัปดาห์ก็เสร็จงานแล้ว ในช่วงเวลานั้นมีแค่วงการหนอน C.elegans และวงการยีสต์ Saccharomyces cerevisiae ที่พร้อมขนาดนี้

ดังนั้น ตอนที่เทรนด์การถอดรหัสจีโนมมนุษย์เริ่มมาในทศวรรษที่ 1980s นี้ วงการหนอน C.elegans ก็ถูกชวนเข้าไปร่วมงานด้วยในฐานะผู้เชี่ยวชาญการศึกษาพันธุศาสตร์ระดับจีโนมอันดับต้นๆ ของโลก

 

Brenner ไม่ค่อยเชื่อเรื่องประโยชน์ของโครงการจีโนมมนุษย์เท่าไหร่

เขามองว่าจีโนมของสัตว์ชั้นสูงนั้นใหญ่และซับซ้อนเกินกว่าเทคโนโลยียุคนั้นจะอ่านหมดไหว

ที่สำคัญส่วนใหญ่ของจีโนมน่าจะเป็น “ขยะ (junk DNA)” ที่ไม่ได้มีหน้าที่สำคัญอะไร แทนที่จะอ่านทั้งจีโนมมนุษย์สู้ไปโฟกัสที่ยีนหรือไม่ก็ไปลองกับสัตว์ที่จีโนมเล็กๆ แต่ยีนหนาแน่นก่อนอย่างเช่นจีโนมปลาปักเป้า (Fugu) ซึ่งเล็กกว่าจีโนมมนุษย์ถึงแปดเท่าแต่มีจำนวนยีนพอๆ

ส่วน C.elegans เขาก็เริ่มถอนตัวออกมาแล้วเพราะเห็นว่ามีนักวิจัยรุ่นหลังๆ ที่เก่งกว่าเขาเยอะให้พวกนั้นทำไปดีกว่า

Sulston ที่ก้าวขึ้นมาเป็นเจ้าพ่อ C.elegans แทน Brenner มองว่าแม้แต่จีโนมขนาด 100 ล้านเบสของหนอนตัวกลมก็ยังใหญ่เกินเทคโนโลยีสมัยนั้น (ปลายทศวรรษที่ 1980s จีโนมที่อ่านสำเร็จยังมีแค่จีโนมไวรัสขนาดไม่กี่แสนเบสเท่านั้น) เมื่อโครงการจีโนมมนุษย์เริ่มต้นช่วงปี 1989 และ James Watson หัวหน้าโครงการจาก NIH มองหาสิ่งมีชีวิตต้นแบบสำหรับถอดรหัสจีโนม C.elegans ก็เกือบตกโผไปเพราะไม่มีใครดัน

ยังดีที่ได้ Horvitz มาช่วยเชียร์ให้ Sulstons ยอมลงมาเดินหน้าโครงการนี้

 

โครงการ C.elegans จีโนมฉบับนำร่องสามล้านเบสแรกเริ่มต้นปี 1989 นำทีมโดย Sulston และ Waterson ภายใต้การสนับสนุนของ NIH และ MRC รวม 6 ล้านเหรียญสหรัฐ

โครงการเฟสสองเริ่มปี 1992 เพื่ออ่านลำดับเบสส่วนที่เหลือ รอบนี้ Sulston กับ Waterson จัดเต็มขอทุนก้อนโต 80 ล้าน ร่วมงานกับทั้งโครงการอ่านลำดับเบสหนอน ยีสต์ และมนุษย์

Sulston ที่ตอนนั้นรับตำแหน่งผู้อำนวยการ Sanger Center ศูนย์จีโนมที่ใหญ่ที่สุดของอังกฤษกลายมาเป็นตัวแทนของโครงการจีโนมมนุษย์ฝั่งอังกฤษในที่สุด

Sulston และ Waterson เอาวัฒนธรรมการทำวิจัยแบบโปร่งใส สามัคคีและเปิดกว้างจากสมาคมวิจัย C.elegans มาสู่โครงการจีโนมมนุษย์

ในปี 1996 ทั้งคู่ช่วยกันผลักดันให้เกิด Bermuda Accord ข้อตกลงร่วมจะให้ทุกทีมวิจัยในโครงการจีโนมมนุษย์ต้องรีบแชร์ผลงานที่ทำโดยเฉพาะลำดับเบสที่อ่านได้ภายใน 24 ชั่วโมงต่อสาธารณะ

 

โครงการจีโนม C.elegans สำเร็จในปี 1998 อ่านลำดับเบสได้ 97% ของทั้งหมด ค้นพบยีนสังเคราะห์โปรตีนรวมเกือบสองหมื่นยีนใกล้เคียงกับจำนวนยีนของจีโนมมนุษย์ที่ถูกอ่านลำดับเบสสำเร็จในภายหลังทั้งที่จีโนม C.elegans เล็กว่าของเราถึงราว 30 เท่า ประมาณ 35% ของยีนเหล่านี้พบยีนที่คล้ายคลึงกันในมนุษย์ด้วย

โครงการจีโนม C.elegans กลายเป็นตัวอย่างนำร่องโครงการข้อโครงการจีโนมมนุษย์ฝั่งรัฐบาล ภายในสองปีหลังความสำเร็จของโครงการจีโนมยีสต์ S.cerevisiae ขนาด 12 ล้านเบส บัดนี้เพดานของขนาดจีโนมที่เราสามารถอ่านรหัสสำเร็จขึ้นมาเกือบสิบเท่าอยู่ที่เกือบ 100 ล้านเบส แถมยังเป็นจีโนมของสัตว์หลายเซลล์ที่เราเข้าใจทุกแง่มุมทางชีววิทยาของมันดีที่สุดอย่างที่ Brenner วางวิสัยทัศน์ไว้

Sulston เข้าสู่โครงการจีโนมนุษย์เต็มตัว แนวคิดจีโนมสาธารณะและ Bermuda Accord ทำให้เขากลายเป็นกลายมาเป็นไม้เบื่อไม้เมากับ Celera บริษัทเอกชนที่เขามองว่าเล่นการเมือง บ้าพีอาร์ และหวังฮุบจีโนมมนุษย์เป็นสมบัติตัวเอง

ตอนหน้าจะถึงคราว Celera โชว์ผลงานนำร่องบ้างแล้วในโครงการจีโนมแมลงวัน