ตอนที่ 1 : Multi-omics profiling of virus infection

จากสถานการณ์การแพร่ระบาดของเชื้อไวรัสโคโรนาสายพันธุ์ใหม่ ชนิด SARS-CoV-2 หรือที่รู้จักกันในชื่อ COVID-19 ที่กระจายวงกว้างอย่างรวดเร็วทั่วโลก จึงมีการศึกษาค้นคว้าและพัฒนางานวิจัยออกมาอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้เกิดความเข้าใจในเชื้อไวรัสและพัฒนาวิธีการรักษา ซึ่งหนึ่งในวิธีการศึกษาที่ถูกนำมาใช้ศึกษากลไกการทำงานของเชื้อไวรัส SARS-CoV-2 เมื่อเข้าสู่ร่างกายมนุษย์คือ OMICS หรือการศึกษาสิ่งมีชีวิตแบบองค์รวม

Transcriptome หรือการทรานสคริปต์ของ RNA ทั้งหมด ที่เกิดจากการแสดงออกของยีนส์ทั้งหมด (DNA ->RNA->mRNA)

Proteome คือโปรตีนที่ได้ถูกแปลจาก mRNA ทั้งหมด (ทรานสเลชั่น) ทำการตรวจวัดโปรตีนหลายชนิดได้พร้อมกันในคราวเดียว เพื่อวัดปริมาณและรูปแบบการแสดงออกของโปรตีนทุกชนิด โดยโปรตีโอมิกส์สามารถลงลึกได้มากถึงระดับการศึกษาโปรตีนทุกชนิดที่พบได้ในเซลล์

Ubiquitinome คือกระบวนการสลาย/ปรับเปลี่ยนโปรตีน หลังการทรานสเลชั่น โดยอาจย่อยสลายหลังการติดเชื้อ หรือการปรับเปลี่ยนโครงสร้างโปรตีนที่แสดงออก (Post Translation Modification, PTM)

Phosphoproteome คือการเกิด PTM ของโปรตีนที่แสดงออกด้วยการเติมหมู่ฟอสเฟตลงไป เพื่อเป็นเสมือนสวิตซ์เปิด/ปิด การทำงานของโปรตีน

สำหรับการศึกษาในงานวิจัยนี้ เริ่มจากติดเชื้อไวรัสโคโรนา ชนิด SARS-CoV-2 และชนิด SARS-CoV (โรคไข้หวัดซาร์) ลงไปใน lung-derived human cell line และใช้วิธีการศึกษา Multi-Omics Profiling of Virus Infection โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อระบุชนิด และหน้าที่ของ Protein และ Protein–Protein Interactions ระหว่างไวรัสและร่างกายมนุษย์ (Host)

วิธีการศึกษาแบบ Multi-Omics นั้นดีอย่างไร ?

          การศึกษา Multi-Omics คือการบูรณาการระหว่าง OMICS เข้าด้วยกัน เช่น การศึกษาวิเคราะห์ทางทรานสคริปโตม (Transcriptome) เข้ากับการศึกษาวิเคราะห์ทางโปรตีโอม (Proteome) เพื่อให้ได้ข้อมูลที่มากขึ้นทั้งของระดับการแสดงออกของยีน การระบุชนิดและหน้าที่ของโปรตีน รวมถึงความสัมพันธ์ระหว่างโปรตีน

โดยบทความวิจัยนี้มีการใช้ข้อมูลร่วมกันของ Transcriptome, Proteome, Phosphoproteome และ Ubiquitinome เพื่อทำความเข้าใจทั้งการทำงานของโปรตีนควบคุม (Regulatory Protein) และการส่งสัญญาณของเซลล์ (Cellular Signaling) เนื่องจากโปรตีนเป็นโมเลกุลที่มีโครงสร้างที่ซับซ้อน ดังนั้นเครื่องมือที่นำมาใช้อ่านลำดับโปรตีนนั้นจำเป็นต้องมีความละเอียด และแม่นยำสูง ซึ่งในการศึกษานี้ได้ใช้เครื่อง Mass Spectrometer ที่มีเทคโนโลยี Orbitrap ต่อกับ Nano-Electrospray Source ที่มีอัตราการไหลต่ำ เพื่อให้สามารถแยกโปรตีนแต่ละชนิดได้อย่างชัดเจน โดยเลือกใช้โหมดการเก็บข้อมูลแบบ data-independent ที่สามารถเก็บข้อมูลได้อย่างละเอียดทุกช่วง m/z และมีค่า resolution ที่สูง ทำให้เก็บข้อมูลอย่างมีประสิทธิภาพ

ผลการศึกษา Multi-omics profiling of virus infection

จากผลการวิเคราะห์ข้อมูล Transcriptome และ Proteome พบว่าการติดเชื้อของ SARS-CoV-2 มีระดับการแสดงออกของยีนและโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับ TGF-β factors* สูงกว่าการติดเชื้อของ SARS-CoV อย่างมีนัยสำคัญ โดย TGF-β factors ดังกล่าวทำหน้าที่เป็นตัวสนับสนุนการทำงานของ TGF-β signalling ซึ่งหากพบว่ามี TGF-β signalling มากเกินจนเสียสมดุล อาจทำให้เกิดสภาวะน้ำท่วมปอด** ที่เป็นภาวะแทรกซ้อน พบได้ในปอดของผู้ที่ติดเชื้อ COVID-19

นอกจากนี้จากการศึกษาข้อมูล phosphoproteome ร่วมด้วยยังพบว่า SARS-Cov-2 แพร่กระจายไปในร่างกาย Host มากกว่า SARS-CoV เนื่องจาก SARS-Cov-2 มีการแสดงออกสูงกว่าในเรื่อง Highly regulated sites ของโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับการติดเชื้อไวรัส หรือกระบวนการติดเชื้อในร่างกายที่ควบคุมโดยยีนสำคัญของ Host ซึ่งได้แก่ RAB7A*** และหลังจากเกิดการติดเชื้อไป 24 ชั่วโมง ยังพบ EGFR**** ที่ทำหน้าที่เป็น receptor สูงกว่าเช่นกัน

อีกทั้งยังทราบถึงบทบาทในการควบคุมการเจริญเติบโต (cell growth), ดีฟเฟอเรนชิเอชัน  (differentiation) และการสร้างหลอดเลือดใหม่ (angiogenesis) ซึ่งเป็นกลไกที่ร่างกายพยายามกำจัดเชื้อภายในร่างกาย จากการวิเคราะห์ข้อมูล Ubiquitinome ระหว่างไวรัสและ Host อีกด้วย

ดังนั้นจากบทความข้างต้น ข้อมูลแต่ละ OMICS ทำให้ทราบถึงโปรไฟล์ของ factor สำคัญสำหรับกลไกหรือกระบวนการที่เกิดขึ้นระหว่างร่างกายมนุษย์และไวรัส ในตอนต่อไปจะกล่าวถึงความสัมพันธ์ใน pathway ว่าโปรตีนหรือยีนทำงานเกี่ยวข้องกันอย่างไร และโปรตีนหลังเกิด Post-translation จะทำหน้าที่อะไร ตัวไหนจะเป็นตัวสำคัญที่แสดงออกหลังติดเชื้อ COVID-19 และจะสามารถพัฒนาการรักษาได้อย่างไร โปรดติดตามตอนต่อไป ขอบคุณค่ะ

  *TGF-β หรือ Transforming Growth Factor Beta เป็นกลไกสำคัญมากต่อระบบไซโตไคน์ (Cytokine) ในการทำให้เกิดการพังผืด (Fibrosis) การแข็งตัวของหลอดเลือด เพื่อกระตุ้นให้เกิดการต้านการติดเชื้อหรือภูมิคุ้มกัน 

**ภาวะน้ำท่วมปอด เกิดจากการอักเสบอย่างรุนแรงของปอด ระบบภูมิคุ้มกันที่อาศัยสารน้ำ อันได้แก่ระบบแอนติบอดี้ บีเซลล์ จำเป็นต้องเข้าไปที่ปอดมากขึ้น จึงเกิดภาวะสะสมของน้ำ หรือจะเรียกว่าปวดบวมน้ำ ทำให้เกิดการขาดอ็อกซิเจนเฉียบพลัน

*** RAB7A เกี่ยวข้องกับกระบวนการ Endocytosis หรือกระบวนการนำสารเข้าสู่เซลล์ เป็นหนึ่งในกระบวนการที่เกิดการเข้าเซลล์ของเชื้อไวรัส

****EGFR หรือ Epidermal Growth Factor Receptor เป็นส่วนหนึ่งของกลไกในการสร้างแอนติบอดี้ เมื่อมีการติดเชื้อจะมีการกระตุ้นการสร้าง Interleukin ทำให้เกิดการอักเสบ เพื่อเรียกการเข้ามาถึงของระบบภูมิคุ้มกันที่อาศัยสารน้ำ

เค้าโครงแปลจากวารสาร Nature; Alexey S. et al. Multilevel proteomics reveals host perturbations by SARS-CoV-2 and SARS-CoV. Nature volume 594, pages246–252 (2021)