ดีเอ็นเอไรโบโซม
ดีเอ็นเอไรโบโซม ( rDNA ) ประกอบด้วยกลุ่มของอาร์เอ็นเอไรโบโซมที่เข้ารหัสยีนและองค์ประกอบควบคุมที่เกี่ยวข้อง และแพร่หลายในรูปแบบที่คล้ายคลึงกันในสิ่งมีชีวิตทุกโดเมน ดีเอ็นเอไรโบโซมเข้ารหัส อาร์เอ็นเอไรโบโซมที่ไม่เข้ารหัสซึ่งเป็นองค์ประกอบโครงสร้างที่สำคัญในการประกอบไรโบโซมความสำคัญของมันทำให้เป็นส่วนของอาร์เอ็นเอที่พบมากที่สุดในเซลล์ของยูคาริโอต [ 1 ] นอกจากนี้ ส่วนเหล่านี้ยังรวมถึง ส่วน ควบคุมเช่นโปรโมเตอร์ที่เฉพาะเจาะจงสำหรับอาร์เอ็นเอพอลิเมอเรส Iรวมถึงส่วนสเปเซอร์ ทั้งที่ถูกถอดรหัสและไม่ถูกถอดรหัส
เนื่องจากมีความสำคัญอย่างยิ่งในการประกอบไรโบโซมเพื่อการสังเคราะห์โปรตีนยีน rDNA จึงมักได้รับการอนุรักษ์ไว้อย่างสูงในวิวัฒนาการระดับโมเลกุลจำนวนสำเนาอาจแตกต่างกันอย่างมากในแต่ละสปีชีส์[ 1 ]ดีเอ็นเอไรโบโซมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการศึกษาทางวิวัฒนาการ[ 2 ] [ 3 ]
โครงสร้าง
| พิมพ์ | เอสเอสยูอาร์เอ็นเอ | แอลเอสยู อาร์เอ็นเอ |
|---|---|---|
| ยูคาริโอต | 18S rRNA | 28S rRNA 5.8S rRNA 5S rRNA |
| แบคทีเรีย | 16S rRNA | 23S rRNA 5S rRNA |
| ไมโตคอนเดรีย | MT-RNR1 (12S rRNA) | MT-RNR2 (16S rRNA) |
| พลาสติด | 16S rRNA | 23S rRNA 4.5S rRNA 5S rRNA |
ดีเอ็นเอไรโบโซมประกอบด้วยยีนทั้งหมดที่เข้ารหัส โมเลกุลอาร์เอ็นเอไรโบโซมที่ไม่เข้ารหัสซึ่งเป็นลำดับโครงสร้างของหน่วยย่อยขนาดเล็ก ( 16Sหรือ18S rRNA ) และหน่วยย่อยขนาดใหญ่ ( 23Sหรือ28S rRNA ) การประกอบ หน่วยหลังนี้ยังรวมถึง5S rRNAและ5.8S rRNA เพิ่มเติม ในยูคาริโอต ด้วย
ยีน rDNA มักมีสำเนาหลายชุดในจีโนม โดยจัดเรียงเป็นกลุ่มที่เชื่อมโยงกันในสปีชีส์ส่วนใหญ่ คั่นด้วยตัวเว้นวรรคที่ถอดรหัสภายใน (ITS)และนำหน้าด้วยตัวเว้นวรรคที่ถอดรหัสภายนอก (ETS) 5S rRNAก็เชื่อมโยงกับบริเวณ rDNA เหล่านี้ในโปรคาริโอตในขณะที่อยู่ในบริเวณที่ซ้ำกันแยกต่างหากในยูคาริโอตส่วนใหญ่[ 4 ]พวกมันถูกถอดรหัสร่วมกันเป็น RNA ต้นแบบ จากนั้นจึงถูกประมวลผลเป็น rRNA แต่ละชนิดในปริมาณที่เท่ากัน
โปรคาริโอต
โมเลกุล rRNA โครงสร้างหลักในแบคทีเรียและอาร์เคียมีขนาดเล็กกว่าโมเลกุล rRNA ในยูคาริโอต ซึ่งจัดกลุ่มเป็น16S rRNAและ23S rRNAในขณะเดียวกัน5S rRNAซึ่งพบในโปรคาริโอตด้วยนั้น มีขนาดใกล้เคียงกับยูคาริโอต
รูปแบบของโอเปรอน rDNA ในแบคทีเรียและอาร์เคียส่วนใหญ่เป็นแบบ "เชื่อมโยง": จาก 3' ถึง 5' จะเห็นลำดับต่อเนื่องของ 16S – 23S – 5S ส่วนที่อยู่ระหว่าง 16S และ 23S เรียกว่าตัวเว้นวรรคที่ถอดรหัสภายใน (ITS) และมักจะมี tRNA รวมอยู่ด้วย ส่วนที่อยู่ระหว่าง 23S และ 5S แม้ว่าในทางเทคนิคจะเป็นตัวเว้นวรรคที่อยู่ภายในและถูกถอดรหัสเช่นกัน แต่ก็ไม่มีชื่อเรียกเฉพาะ[ 5 ]
แบคทีเรียและอาร์เคียจำนวนมากเบี่ยงเบนจากโครงสร้างมาตรฐานของโอเปรอนที่มีจีน rDNA โดยมีจีน 16S และ 23S – 5S ที่ "ไม่เชื่อมโยงกัน" อยู่ในตำแหน่งที่แตกต่างกันในจีโนมของพวกมัน [ 6 ]อาร์เคียยังแสดงรูปแบบการเบี่ยงเบนอื่นๆ อีกด้วย เช่น เทอร์โมโปรเทียติมีโอเปรอนแบบยูคาริโอตที่ไม่มี 5S และอาร์เคียบางชนิดมีทั้งสามส่วนอยู่ในตำแหน่งที่แตกต่างกัน[ 5 ]
พลาสติด
DNA ไรโบโซมในคลอโรพลาสต์ ทั่วไป มีโครงสร้างตามแบบแผนของ DNA ไรโบโซมของโปรคาริโอตและเรียงลำดับดังนี้: 16S – trnI – trnA – 23S – 4.5S – 5S โดย 4.5S สอดคล้องกับส่วนปลาย 5' ของ 23S ในแบคทีเรีย[ 7 ]
ดีเอ็นเอไมโครคอนเดรียของมนุษย์แสดงโครงสร้าง 12S – tRNA Val – 16S ทั่วไป โดยที่ 12S และ 16S เป็นเวอร์ชันที่ลดขนาดลงอย่างมากของ 16S และ 23S ของแบคทีเรีย[ 8 ]สัตว์มีกระดูกสันหลังส่วนใหญ่มีโครงสร้างโอเปรอน rDNA เหมือนกัน[ 9 ]เช่นเดียวกับเห็บ[ 10 ]ยูคาริโอตบางชนิด เช่น หอยทาก มีโครงสร้างแยกกัน โดยที่ 16S และ 12S แยกออกจากกัน[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]
ยูคาริโอต
กลุ่มยีน 45S rDNA ของยูคาริโอตประกอบด้วยยีนสำหรับ18S , 5.8Sและ28S rRNAซึ่งคั่นด้วย สเปเซอร์ ITS-1 และ ITS-2 สอง ตัว จีโนมที่ทำงานอยู่ของยูคาริโอตมีสำเนาหลายร้อยชุดของหน่วยการถอดรหัส rDNA แบบโพลีซิสโทรนิกในรูปแบบการทำซ้ำแบบเรียงต่อกัน โดย จัดเรียงอยู่ใน บริเวณจัด ระเบียบของนิวคลีโอลัส (NORs) [ 4 ]ซึ่งสามารถมีอยู่ได้ในหลายตำแหน่งในจีโนม[ 14 ]
คล้ายกับโครงสร้างของโปรคาริโอต5S rRNAจะถูกต่อท้ายเข้ากับคลัสเตอร์ rDNA ในSaccharomycetes [ 14 ]เช่นSaccharomyces cerevisiae [ 4 ] อย่างไรก็ตามยูคาริโอตส่วนใหญ่มียีนสำหรับ5S rRNAในรูปแบบยีนซ้ำแยกกันที่ตำแหน่งต่าง ๆ ในจีโนม[ 14 ] [ 4 ] 5S rDNA ยังมีอยู่ในรูปแบบซ้ำแบบเรียงต่อกัน อย่างอิสระเช่นในDrosophila [ 14 ]
เนื่องจากบริเวณ DNA ที่ซ้ำกันมักเกิดเหตุการณ์การรวมตัวใหม่ การทำซ้ำของ rDNA จึงมีกลไกการควบคุมมากมายที่ป้องกันไม่ให้ DNA เกิดการกลายพันธุ์จึงทำให้ rDNA ยังคงได้รับการอนุรักษ์ไว้[ 1 ]
ในนิวเคลียสบริเวณจัดระเบียบนิวคลีโอลัสก่อให้เกิดนิวคลีโอลัสซึ่งบริเวณ rDNA ของโครโมโซมจะสร้างวงโครโมโซมที่ขยายใหญ่ขึ้น สามารถเข้าถึงได้สำหรับการถอดรหัสrRNAใน rDNA ส่วนที่ซ้ำกันส่วนใหญ่จะพบในนิวคลีโอลัส แต่ rDNA เฮเทอโรโครมาติกจะพบอยู่นอกนิวคลีโอลัส อย่างไรก็ตาม rDNA ที่ทำงานด้านการถอดรหัสจะอยู่ภายในนิวคลีโอลัสเอง[ 1 ]
มนุษย์
จีโนมของมนุษย์ ประกอบด้วย หน่วยการถอดรหัส 45S rDNA ทั้งหมด 560 ชุด[ 4 ] กระจายอยู่บนโครโมโซม 5 โครโมโซมที่มี บริเวณจัดระเบียบนิวคลีโอลัส กลุ่มการทำซ้ำตั้งอยู่บน โครโมโซมอะโค รเซนทริก 13 ( RNR1 ), 14 ( RNR2 ), 15 ( RNR3 ), 21 ( RNR4 ) และ 22 ( RNR5 ) [ 15 ]
ดีเอ็นเอไรโบโซม 5S ของมนุษย์ตั้งอยู่บนโครโมโซม 1 มีทั้งหมด 17 ชุดในจีโนมอ้างอิงของมนุษย์ ในตำแหน่งที่เข้ารหัสRNA5S1 ถึง RNA5S17 [ 16 ] จีโนมแฮพลอยด์ของมนุษย์โดยเฉลี่ยมี 5S จำนวน 98 ชุด[ 17 ]
ซิลิเอต
ในซีลิเอตการมีไมโครนิวเคลียส ที่สร้างเซลล์สืบพันธุ์ อยู่ข้างๆมาโครนิวเคลียส ที่สร้างพืช ทำให้สามารถลดจำนวนยีน rDNA ในเซลล์สืบพันธุ์ได้ จำนวนสำเนาที่แน่นอนในจีโนมแกนกลางของไมโครนิวเคลียสมีตั้งแต่หลายสำเนาในพาราเมเซียม[ 18 ]ไปจนถึงสำเนาเดียวในเตตระไฮมีนาเทอร์โมฟิลา[ 4 ]และ สายพันธุ์ เตตระไฮมีนา อื่นๆ ในระหว่าง การสร้าง มาโครนิวเคลียสบริเวณที่มีกลุ่มยีน rDNA จะถูกขยาย ทำให้ปริมาณแม่แบบที่ใช้ได้สำหรับการถอดรหัสเพิ่มขึ้นอย่างมากถึงหลายพันสำเนา ในบางสกุลของซีลิเอต เช่นเตตระไฮมีนาหรือสกุลไฮโปทริช ออกซีทริชา [ 18 ]การแตกตัวอย่างกว้างขวางของ DNA ที่ขยายแล้วนำไปสู่การก่อตัวของไมโครโครโมโซม ซึ่งมีศูนย์กลางอยู่ที่หน่วยการถอดรหัส rDNA [ 18 ]มีรายงานกระบวนการที่คล้ายกันจากกลอโคมา แชตโทนี และ ในระดับที่น้อยกว่าจากพาราเมเซียม[ 18 ]
ความสม่ำเสมอของลำดับ
ในอาร์เรย์ rDNA ขนาดใหญ่ ความหลากหลายทางพันธุกรรมระหว่างหน่วยซ้ำของ rDNA อยู่ในระดับต่ำมาก ซึ่งบ่งชี้ว่าอาร์เรย์ rDNA แบบเรียงต่อกันกำลังวิวัฒนาการผ่านวิวัฒนาการแบบร่วมกัน [ 14 ] อย่างไรก็ตาม กลไกของวิวัฒนาการแบบร่วมกันนั้นไม่สมบูรณ์แบบ ดังนั้นความหลากหลายทางพันธุกรรมระหว่างหน่วยซ้ำภายในแต่ละบุคคลจึงสามารถเกิดขึ้นได้ในระดับที่สำคัญและอาจทำให้การวิเคราะห์ ทางวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตที่มีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกันเกิดความสับสนได้[ 19 ] [ 20 ]
ลำดับการทำซ้ำแบบคู่ 5S ในDrosophila หลายชนิด ถูกนำมาเปรียบเทียบกัน ผลลัพธ์เผยให้เห็นว่าการแทรกและการลบเกิดขึ้นบ่อยครั้งระหว่างสายพันธุ์ และมักมีลำดับที่อนุรักษ์ไว้ล้อมรอบ[ 21 ]สิ่งเหล่านี้อาจเกิดขึ้นได้จากการเลื่อนของสายที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่ระหว่างการจำลองแบบ DNA หรือโดยการแปลงยีน[ 21 ]
ความแตกต่างของลำดับ
แทร็กการถอดรหัส rDNA มีอัตราการเกิดโพลีมอร์ฟิซึม ต่ำ ระหว่างสปีชีส์ ซึ่งช่วยให้สามารถเปรียบเทียบระหว่างสปีชีส์เพื่ออธิบายความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการโดยใช้ตัวอย่างเพียงไม่กี่ตัวอย่าง บริเวณการเข้ารหัสของ rDNA มีการอนุรักษ์สูงระหว่างสปีชีส์ แต่บริเวณ ITS มีความแปรปรวนเนื่องจากการแทรก การลบ และการกลายพันธุ์แบบจุด การเปรียบเทียบลำดับที่แทร็ก ITS ระหว่างสปีชีส์ที่ห่างไกลกัน เช่น มนุษย์และกบ จึงไม่เหมาะสม[ 22 ]ลำดับที่อนุรักษ์ไว้ในบริเวณการเข้ารหัสของ rDNA ช่วยให้สามารถเปรียบเทียบสปีชีส์ที่ห่างไกลกันได้ แม้กระทั่งระหว่างยีสต์และมนุษย์ rRNA 5.8S ของมนุษย์มีความเหมือนกับ rRNA 5.8S ของยีสต์ 75% [ 23 ] ในกรณีของสปีชีส์พี่น้อง การเปรียบเทียบส่วนของ rDNA รวมถึงแทร็ก ITS ระหว่างสปีชีส์และการวิเคราะห์ทางวิวัฒนาการทำได้อย่างน่าพอใจ[ 24 ] [ 25 ] บริเวณการเข้ารหัสที่แตกต่างกันของ rDNA ซ้ำมักแสดงอัตราวิวัฒนาการที่แตกต่างกัน ด้วยเหตุนี้ DNA นี้จึงสามารถให้ข้อมูลทางวิวัฒนาการของสายพันธุ์ที่อยู่ในระดับอนุกรมวิธานที่กว้างขวางได้[ 2 ]
กิจกรรมกระตุ้นการรวมตัวใหม่ในยีสต์
ชิ้นส่วนของ rDNA ของยีสต์ที่มีจีน 5S, DNA สเปเซอร์ที่ไม่ถูกถอดรหัส และส่วนหนึ่งของจีน 25S (เวอร์ชันยีสต์ของ 28S) มีกิจกรรมกระตุ้นการรวมตัวใหม่แบบไมโทซิส ที่ออกฤทธิ์เฉพาะที่ [ 26 ] ชิ้นส่วน DNA นี้มีฮอตสปอตการรวมตัว ใหม่แบบไมโทซิส ซึ่งเรียกว่า HOT1 HOT1 แสดงกิจกรรมกระตุ้นการรวมตัวใหม่เมื่อถูกแทรกเข้าไปในตำแหน่งใหม่ในจีโนม ของยีสต์ HOT1 ประกอบด้วยโปรโมเตอร์ การถอดรหัส RNA polymerase I (PolI) ที่เร่งปฏิกิริยาการถอดรหัสจีน 35S ribosomal rRNA (เวอร์ชันยีสต์ของ 45S) ในกลายพันธุ์ที่บกพร่อง PolI กิจกรรมกระตุ้นการรวมตัวใหม่ของฮอตสปอต HOT1 จะถูกยกเลิก ระดับการถอดรหัส PolI ใน HOT1 ดูเหมือนจะกำหนดระดับของการรวมตัวใหม่[ 27 ]
ความสำคัญทางคลินิก
โรคต่างๆ อาจเกี่ยวข้องกับการกลายพันธุ์ของดีเอ็นเอ ซึ่งอาจทำให้ดีเอ็นเอขยายตัว เช่นโรคฮันติงตันหรืออาจสูญเสียไปเนื่องจากการกลายพันธุ์แบบลบ การกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นในลำดับซ้ำของ rDNA ก็เช่นเดียวกัน มีการค้นพบว่าหากยีนที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ไรโบโซมถูกรบกวนหรือกลายพันธุ์ อาจส่งผลให้เกิดโรคต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับโครงกระดูกหรือไขกระดูก นอกจากนี้ ความเสียหายหรือการรบกวนใดๆ ต่อเอนไซม์ที่ปกป้องลำดับซ้ำของ rDNA อาจส่งผลให้การสังเคราะห์ไรโบโซมลดลง ซึ่งนำไปสู่ความผิดปกติอื่นๆ ในเซลล์ได้เช่นกัน โรคทางระบบประสาทก็อาจเกิดขึ้นจากการกลายพันธุ์ในลำดับซ้ำของ rDNA เช่นกลุ่มอาการบลูมซึ่งเกิดขึ้นเมื่อจำนวนลำดับซ้ำเพิ่มขึ้นเกือบหนึ่งร้อยเท่า เมื่อเทียบกับจำนวนลำดับซ้ำปกติ มะเร็งหลายชนิดก็อาจเกิดจากการกลายพันธุ์ของลำดับซ้ำในดีเอ็นเอไรโบโซมได้เช่นกัน เซลล์สายพันธุ์ต่างๆ สามารถกลายเป็นมะเร็งได้จากการจัดเรียงใหม่ของลำดับซ้ำแบบคู่ขนาน หรือการขยายตัวของลำดับซ้ำใน rDNA [ 28 ]