ตั้งแต่ทากเคลือบเมือกไปจนถึงน้ำลายในปากของเรา ของเหลวในร่างกายที่ลื่นจำนวนมากมีเมือก ดังนั้นความมหัศจรรย์ของชีววิทยานี้มีวิวัฒนาการอย่างไร?
ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม คำตอบมีหลายครั้ง และมักจะเป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจ จากการศึกษาใหม่เกี่ยวกับโปรตีนที่เรียกว่า mucins โมเลกุลเหล่านี้มีหน้าที่หลากหลาย แต่ในฐานะครอบครัว โมเลกุลเหล่านี้เรียกว่าส่วนประกอบของเมือก ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดความเหนียวเหนอะหนะของสาร
จากการเปรียบเทียบยีนของ mucin ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม 49 สายพันธุ์ นักวิทยาศาสตร์ระบุกรณีตัวอย่าง 15 กรณีที่ดูเหมือนว่า mucin ใหม่จะมีวิวัฒนาการผ่านกระบวนการเติมแต่งที่เปลี่ยนโปรตีนที่ไม่ใช่ mucin ให้เป็น mucin
นักวิทยาศาสตร์เสนอว่าเหตุการณ์ “การสร้างเมือก” แต่ละเหตุการณ์เริ่มต้นด้วยโปรตีนที่ไม่ใช่เมือก เมื่อถึงจุดหนึ่ง วิวัฒนาการได้ตรึงส่วนใหม่ไว้บนฐานที่ไม่ใช่ mucin ซึ่งประกอบด้วยกลุ่มย่อยที่เรียกว่ากรดอะมิโนที่ตกแต่งด้วยโมเลกุลน้ำตาล เมื่อเวลาผ่านไป บริเวณใหม่นี้มีการทำซ้ำ โดยเพิ่มสำเนาหลายชุดเพื่อยืดโปรตีนให้ดียิ่งขึ้นไปอีก ทำให้เป็นเยื่อเมือก
มหาวิทยาลัยที่นักวิจัยบัฟฟาโล Omer Gokcumen และ Stefan Ruhl ผู้เขียนอาวุโสของการศึกษากล่าวว่าภูมิภาคสองเท่าเรียกว่า “ซ้ำ” เป็นกุญแจสำคัญในการทำงานของ mucin และ Petar Pajic ผู้เขียนคนแรกกล่าว
น้ำตาลที่เคลือบส่วนเหล่านี้จะยื่นออกมาด้านนอกเหมือนขนแปรงของขวด และให้เมือกที่มีคุณสมบัติเป็นเมือกซึ่งมีความสำคัญต่องานสำคัญหลายอย่างที่โปรตีนเหล่านี้ทำ
งานวิจัยนี้จะเผยแพร่ในวันที่ 26 สิงหาคมใน Science Advances
“ฉันไม่คิดว่าก่อนหน้านี้จะทราบมาก่อนว่าหน้าที่ของโปรตีนสามารถวิวัฒนาการในลักษณะนี้ได้ จากโปรตีนที่ได้รับลำดับซ้ำๆ โปรตีนที่ไม่ใช่ mucin จะกลายเป็น mucin เพียงแค่ทำซ้ำ นี่เป็นวิธีสำคัญที่วิวัฒนาการสร้างเมือก มันเป็นกลอุบายเชิงวิวัฒนาการ และตอนนี้เราบันทึกเหตุการณ์นี้ซ้ำแล้วซ้ำเล่า” Gokcumen, PhD, รองศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์ชีวภาพใน UB College of Arts and Sciences กล่าว
“การทำซ้ำที่เราเห็นใน mucins เรียกว่า ‘PTS repeats’ เนื่องจากมีกรดอะมิโน proline, threonine และ serine สูง และช่วย mucins ในการทำงานทางชีวภาพที่สำคัญซึ่งมีตั้งแต่การหล่อลื่นและปกป้องพื้นผิวของเนื้อเยื่อเพื่อช่วยให้อาหารของเราลื่น เพื่อให้เราสามารถกลืนมันได้” Stefan Ruhl, DDS, PhD, คณบดีชั่วคราวของ UB School of Dental Medicine และศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาช่องปากกล่าว “จุลินทรีย์ที่เป็นประโยชน์ได้พัฒนาให้อาศัยอยู่บนพื้นผิวที่เคลือบด้วยเมือกในขณะที่เมือกสามารถทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันและป้องกันโรคโดยการป้องกันเราจากผู้บุกรุกที่ไม่พึงประสงค์”
“มีคนไม่มากที่รู้ว่า mucin ตัวแรกที่ได้รับการทำให้บริสุทธิ์และมีลักษณะทางชีวเคมีมาจากต่อมน้ำลาย” Ruhl กล่าวเสริม “ห้องแล็บของฉันได้ศึกษาเกี่ยวกับเยื่อเมือกในน้ำลายมาเป็นเวลา 30 ปีแล้ว ส่วนใหญ่เป็นเพราะพวกมันปกป้องฟันจากฟันผุและเพราะมันช่วยปรับสมดุลของจุลินทรีย์ในช่องปาก”
วิวัฒนาการที่น่าสนใจของ ‘ลักษณะชีวิตที่น่าอัศจรรย์’
“ฉันคิดว่าบทความนี้น่าสนใจจริงๆ” Gokcumen กล่าว “มันเป็นช่วงเวลาหนึ่งที่เราโชคดี เรากำลังศึกษาน้ำลาย และจากนั้นเราก็พบบางสิ่งที่น่าสนใจและเจ๋ง และตัดสินใจที่จะตรวจสอบมัน”
ในขณะที่ศึกษาน้ำลาย ทีมวิจัยสังเกตเห็นว่าไม่มีเมือกน้ำลายขนาดเล็กในมนุษย์ที่เรียกว่า MUC7 ในหนู อย่างไรก็ตาม หนูมีเมือกน้ำลายที่มีขนาดใกล้เคียงกันที่เรียกว่า MUC10 นักวิทยาศาสตร์ต้องการทราบ: โปรตีนทั้งสองนี้มีความสัมพันธ์กันจากมุมมองของวิวัฒนาการหรือไม่?
คำตอบคือไม่ แต่สิ่งที่งานวิจัยค้นพบต่อไปนั้นน่าประหลาดใจ แม้ว่า MUC10 จะไม่เกี่ยวข้องกับ MUC7 แต่โปรตีนที่พบในน้ำตาของมนุษย์ที่เรียกว่า PROL1 มีส่วนในโครงสร้างของ MUC10 PROL1 ดูคล้ายกับ MUC10 มาก ลบแปรงขวดที่เคลือบน้ำตาลซ้ำซึ่งทำให้ MUC10 เป็น mucin
Gokcumen กล่าวว่า “เราคิดว่ายีนน้ำตานั้นถูกนำไปใช้ใหม่ “มันได้รับการทำซ้ำที่ทำให้การทำงานของเมือกและตอนนี้แสดงออกอย่างมากมายในน้ำลายของหนูและหนู”
นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่า mucins อื่น ๆ อาจมีรูปแบบเดียวกันหรือไม่ พวกเขาเริ่มตรวจสอบและค้นพบตัวอย่างปรากฏการณ์เดียวกันหลายตัวอย่าง แม้ว่า mucin จำนวนมากจะมีบรรพบุรุษร่วมกันในกลุ่มสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหลายกลุ่ม แต่ทีมวิจัยได้บันทึก 15 กรณีที่วิวัฒนาการดูเหมือนจะเปลี่ยนโปรตีนที่ไม่ใช่ mucin ให้เป็น mucins ผ่านการเติม PTS ซ้ำ
และนี่คือ “รูปลักษณ์ที่ค่อนข้างอนุรักษ์นิยม” Gokcumen กล่าวโดยสังเกตว่าการศึกษามุ่งเน้นไปที่บริเวณหนึ่งของจีโนมในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมไม่กี่โหล เขาเรียกสไลม์ว่าเป็น “ลักษณะชีวิตที่น่าอัศจรรย์” และเขาสงสัยว่ากลไกการวิวัฒนาการแบบเดียวกันนี้อาจกระตุ้นการก่อตัวของเมือกในทาก ปลาไหลเมือก และสัตว์อื่นๆ ได้หรือไม่ จำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อหาคำตอบ
“การทำงานของยีนใหม่วิวัฒนาการยังคงเป็นคำถามที่เรากำลังถามอยู่ในปัจจุบัน” Pajic นักศึกษาปริญญาเอกสาขาวิทยาศาสตร์ชีวภาพของ UB กล่าว “ด้วยเหตุนี้ เรากำลังเพิ่มวาทกรรมนี้โดยการให้หลักฐานของกลไกใหม่ ซึ่งการได้รับลำดับซ้ำภายในยีนทำให้เกิดการทำงานใหม่”
“ฉันคิดว่าสิ่งนี้อาจมีนัยยะกว้างกว่านั้น ทั้งในการทำความเข้าใจวิวัฒนาการแบบปรับตัวและในการอธิบายตัวแปรที่ก่อให้เกิดโรคบางอย่าง” Pajic กล่าวเสริม “ถ้าเมือกเหล่านี้พัฒนาต่อไปเรื่อยๆ จากที่ไม่ใช่เมือกซ้ำแล้วซ้ำเล่าในสปีชีส์ต่างๆ ในช่วงเวลาที่ต่างกัน ก็แสดงว่ามีแรงกดแบบปรับตัวบางอย่างที่ทำให้เกิดประโยชน์ และในส่วนอื่น ๆ ของสเปกตรัมบางทีถ้ากลไกนี้ ‘นอกราง’ – เกิดขึ้นมากเกินไปหรือในเนื้อเยื่อที่ไม่ถูกต้อง – บางทีก็อาจนำไปสู่โรคเช่นมะเร็งบางชนิดหรือโรคเยื่อเมือกได้”
การศึกษาเกี่ยวกับ mucins แสดงให้เห็นว่าการเป็นหุ้นส่วนกันเป็นเวลานานระหว่างนักชีววิทยาด้านวิวัฒนาการและนักวิจัยทันตกรรมที่ UB ได้ให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับยีนและโปรตีนที่มีความสำคัญต่อสุขภาพของมนุษย์ด้วย
“ทีมของฉันได้ศึกษาเกี่ยวกับ mucins มาเป็นเวลาหลายสิบปีแล้ว และการทำงานร่วมกันของฉันกับ Dr. Gokcumen ได้นำงานวิจัยนี้ไปสู่ระดับใหม่ด้วยการเปิดเผยข้อมูลเชิงลึกใหม่ที่น่าตื่นเต้นเหล่านี้เกี่ยวกับพันธุศาสตร์วิวัฒนาการของพวกเขา” Ruhl กล่าว “ในขั้นที่ก้าวหน้าในอาชีพการงานของฉัน มันเป็นเรื่องน่ายินดีอย่างยิ่งที่เห็นว่าไฟแห่งความอยากรู้ทางวิทยาศาสตร์กำลังถูกส่งต่อโดยนักวิจัยรุ่นใหม่อย่าง Petar Pajic”
ผู้ร่วมวิจัยเพิ่มเติม ได้แก่ Shichen Shen, PhD, postdoctoral Associate และ Jun Qu, PhD, ศาสตราจารย์ทั้งในภาควิชาเภสัชศาสตร์ใน UB School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences และใน UB Center of Excellence in Bioinformatics and Life วิทยาศาสตร์; และ Alison J. May, PhD, อดีตนักวิชาการดุษฎีบัณฑิตและ Sarah Knox, PhD, รองศาสตราจารย์ทั้งใน Department of Cell and Tissue Biology ใน University of California, San Francisco School of Dentistry ปัจจุบันเมย์เป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ Icahn School of Medicine ที่ Mount Sinai
นักวิทยาศาสตร์ที่ทำการศึกษาวิจัยได้รับการสนับสนุนจาก US National Science Foundation ร่วมกับ National Institute of Dental and Craniofacial Research และ National Cancer Institute ซึ่งทั้งสองเป็นส่วนหนึ่งของ US National Institutes of Health
