DNA microarray

Microarray : One Chip One Genome
เรียบเรียงโดย ศิรินันท์ สุวรรณโมลี

ถึงแม้ว่าเซลล์ทุกเซลล์ในร่างกายมนุษย์จะมีข้อมูลทางพันธุกรรมที่เหมือนกัน เราจะเห็นว่าเซลล์ในส่วนต่างๆ ของร่างกายที่มีความแตกต่างกันนั้นจะมีการแสดงออกที่ต่างกัน ทั้งนี้เนื่องจากยีนที่มีอยู่มากมายในเซลล์แต่ละชนิด ทำงานในตำแหน่งที่ต่างกัน ตัวอย่างเช่น ยีนที่ผลิตเอนไซม์สำหรับใช้ในการกำจัดสารพิษจะทำงานมากในตับ แต่ไม่ทำงานเลยในเซลล์ที่สร้างกระดูก การที่จะศึกษาว่ายีนใดที่ทำงานต่างกันในเซลล์ตับและเซลล์กระดูก เหมือนเป็นเรื่องยาก แต่ในปัจจุบันสามารถทำได้ง่ายขึ้นด้วยเทคโนโลยี DNA microarray (หรือ DNA chips)
บทนำ เป็นที่เชื่อกันโดยทั่วไปว่ายีนนับพันและผลิตภัณฑ์จากยีนเช่น อาร์เอ็นเอและโปรตีน ที่อยู่ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตนั้นเป็นแหล่งที่เก็บความลับของชีวิตเอาไว้ เทคโนโลยี DNA microarray ถือเป็นเทคโนโลยีที่น่าจับตามองอย่างยิ่งเพราะเทคโนโลยีล่าสุดนี้สามารถผลิตสามารถบรรจุรหัสพันธุกรรมทั้งหมดเอาไว้ในชิปเพียงอันเดียว ทำให้นักวิจัยสามารถมองเห็นภาพรวมของการเกิดปฏิกิริยาต่อกันระหว่างยีนทั้งหมดกว่าพันยีนได้ในเวลาเดียวกัน
การทำงานของ microarray เทคโนโลยี DNA microarray เกิดจากการสังเคราะห์ดีเอ็นเอขึ้นมาจำนวนหนึ่งเพื่อเป็นตัวแทนของยีนทั้งหมดที่ทราบจากเซลล์ของมนุษย์ โมเลกุลของดีเอ็นเอเหล่านี้จะถูกหยอดด้วยตำแหน่งที่แน่นอนเรียงกันอยู่บนแผ่นแก้วบางๆ (ขนาดเพียง 1.6 x 1.6 ตารางเซนติเมตร) ดังนั้นแผ่นแก้วแผ่นเดียวจึงสามารถบรรจุโมเลกุลดีเอ็นเอตัวแทนของยีนนับพันได้ในพื้นที่จำกัด array หนึ่งแผ่นจะมีจำนวนจุดหนึ่งพันจุด แต่ละจุดที่มีขนาดเล็กกว่า 200 micron นี้จะบรรจุไปด้วยข้อมูลของ DNA หรือ Oligonucleotide นับล้าน ซึ่งแต่ละจุดนั้นจะมีการจับคู่กันจำเพาะต่อกันอย่างด้วย cDNA ของยีนที่เข้าคู่กัน การใช้งานของ microarray นั้นเราจะนำ mRNA ซึ่งเป็นหน่วยที่จำลองมาจากยีนที่กำลังทำงานอยู่จากเซลล์ที่มีอยู่ในตำแหน่งต่างกันหรือมีการทำงานต่างกัน เช่น เซลล์ตับกับเซลล์ไขกระดูก เพราะต้องการตรวจสอบการแสดงออกและไม่แสดงออกของยีนที่อยู่ในสภาวะต่างกัน จากนั้นสร้างDNA จาก mRNA template นี้ด้วยกระบวนการ reverse transcript จะได้ cDNA (complementary DNA) ซึ่งมีความคงทนกว่า RNA ที่ย่อยสลายได้ง่าย คู่เบสที่ได้จากการแปลง DNA คือ A-T และ G-C ส่วนของ RNA เป็น A-U และ G-C จากนั้นให้ความร้อนเพื่อทำให้ DNA แยกเป็นสายเดี่ยว แล้วติดฉลาก cDNA ด้วยสีที่ต่างกัน โดยติดสี cDNA เป้าหมายเป็นสีเขียวและติดสี cDNA อ้างอิงเป็นสีแดง จากนั้นนำ cDNA ดังกล่าวมาติดกับ microarray โดยเคลือบให้ทั่วแล้วล้างออก เพื่อให้เกิดการจับเข้าคู่กันของ cDNA บน microarray
การอ่านผลข้อมูลที่ได้จะใช้มีอุปกรณ์สแกน slide ของ microarray ซึ่งจะมีลักษณะเป็นตู้มืดภายในมีเครื่องสแกนด้วยลำแสงสีแดงและลำแสงสีเขียว สำหรับการตรวจวัดการจับกันของ cDNA กับ probe บน array โดยคอมพิวเตอร์จะบันทึกภาพของจุดสีที่ปรากฏบนแผ่น microarray แล้วแปลผลด้วย image processing software สีที่ปรากฏบน microarray นั้นจะมีสามสีคือ สีแดง สีเขียว และสีเหลือง ช่องที่ปรากฏสีเขียวและสีแดงหมายถึง มี cDNA ของเซลล์เป้าหมายและเซลล์อ้างอิงจับอยู่แยกกัน ส่วนช่องที่ปรากฏเป็นสีเหลืองคือ มีเซลล์เป้าหมายและเซลล์อ้างอิงจับอยู่ร่วมกัน
Microarray ในปัจจุบัน การบีบอัดข้อมูลลำดับพันธุกรรมของมนุษย์ลงไปในชิปได้ก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็ว ไบโอชิปซึ่งบรรจุข้อมูลลำดับพันธุกรรมทั้งหมดของมนุษย์ที่มีลำดับยีน 30,000 ถึง 40,000 หน่วยภายในชิปแผ่นเดียวนี้ ได้สร้างมาตรฐานใหม่แก่ microarray ซึ่งเป็นงานวิจัยที่สามารถสังเคราะห์ oligonucleotide microarrays ในระดับห้องปฏิบัติการได้ การออกแบบ microarray ทั้งหมดนั้นจะถูกจัดเก็บไว้เป็นข้อมูลดิจิตอลซึ่งง่ายต่อการปรับปรุงแก้ไข หรือนำไปใช้ร่วมกับข้อมูลที่เกี่ยวกับ DNA อื่นๆ เช่น ลำดับของฐานข้อมูล ซึ่งสะดวกและรวดเร็วต่อการปรับเปลี่ยนโครงสร้างของ array เพื่อนำไปปรับใช้กับการทดลองอื่นๆ การนำ microarray ไปใช้ประโยชน์ ประโยชน์ของ microarry นอกจากจะใช้ในการศึกษาการทำงานของยีนในตำแหน่งที่ต่างกันแล้ว ยังสามารถประยุกต์ใช้ในด้านอื่นเช่น การทดสอบความเป็นพิษต่อสารพันธุกรรม (Toxicogenomics) ซึ่งเกิดการรวมตัวกัน (hybridization) ของกลุ่ม functional genomics และ molecular toxicology จุดมุ่งหมายของ toxicogenomics คือ การหาความสัมพันธ์ระหว่างสารที่มีผลต่อความเป็นพิษและการเปลี่ยนแปลงทางข้อมูลพันธุกรรมที่มีผลจากสารพิษนั้น ในด้านการแพทย์ Microarray สามารถใช้ในการศึกษาการทำงานของยีนที่ก่อให้เกิดโรค เช่น ศึกษาการแสดงออกของยีนมะเร็งและการตอบสนองต่อการรักษาในวิธีต่างๆ ใช้ในการเปรียบเทียบว่ามียีนใดบ้างที่ทำงานแตกต่างกันระหว่างในผู้ป่วยและในคนปกติ ซึ่งอาจเป็นสาเหตุของการเกิดโรค หรืออาจนำไปใช้ศึกษาเชื้อโรคที่ดื้อยา เพื่อค้นหาว่ามียีนตัวใดที่ทำงานต่างกันในเชื้อที่ดื้อยาและไม่ดื้อยา เพื่อปรับปรุงยาให้ดีขึ้นได้
สรุป เทคโนโลยีการวิเคราะห์การแสดงออกในระดับยีนนั้นช่วยให้การศึกษาด้านชีวโมเลกุลนั้นก้าวหน้าไปรวดเร็วอย่างไม่น่าเชื่อ หากมองย้อนกลับไป จากแผ่นสไลด์สู่ไมโครชิป ยีนนับพันชิ้นถูกบรรจุลงในชิปเล็กๆอย่าง microarray เพื่อใช้สังเกตเหตุการณ์ที่มองไม่เห็นซึ่งเกิดขึ้นภายในเซลล์ นวัตกรรมนี้นับเป็นความก้าวหน้าของเทคโนโลยีที่น่าตื่นเต้นมาก แต่ได้รับการกล่าวถึงเพียงน้อยนิด ผู้ที่ศึกษาและใช้เทคโนโลยีเหล่านี้จึงควรให้การสนับสนุนการเผยแพร่ความรู้ความเข้าใจให้มากกว่านี้

From LAB.TODAY
>http://www.thaiscience.com/lab_vol/P21/microarray.asp