การควบคุมการแสดงออกของยีนในระดับการแปลรหัส แบ่งออกเป็น 2 ประเภทใหญ่คือ

        1 การเลือก mRNA ที่จะถูกแปลรหัสโดยไรโบโซม

        2 การเลือกสลายโมเลกุล mRNA ในไซโทพลาสซึม



   การควบคุมแบบลบโดยโปรตีนที่จับที่ 5' และ 3' ของ mRNA


       โดยปกติแล้วการควบคุมระดับของผลผลิตโปรตีนมักจะมีการควบคุมในขั้นตอนเริ่มต้น
ของการแปลรหัสในแบคทีเรีย ตำแหน่งที่จับของ mRNA บนไรโบโซมเรียกว่า
Shine-Dalgarno (ไชน์ ดาลการ์โน่) ซึ่งพบเสมอบริเวณต้นทาง(เยื้องไปทาง 5' ของยีน)
ซึ่งจับกับเบสของ mRNA บน16S RNA ในหน่วยย่อยเล็กของไรโบโซม (30 S) ทำให้เริ่มต้น
การแปลรหัสที่โคดอน AUG ได้ถูกต้อง ดังนั้นการควบคุมแบบลบจึงเกี่ยวกับการขัดขวางที่
Shine-Dalgarno โดยการบดบังด้วยโปรตีนที่เข้ามาจับ mRNA ของแบคทีเรียมีโปรตีน
ตัวกดระดับการแปลรหัสเฉพาะที่สามารถจับบริเวณใกล้ๆ Shine-Dalgarno ดังนั้นจึงเป็น
การยับยั้งการแปลรหัสของ mRNA ชนิดนั้นๆ ตัวอย่างเช่น โปรตีนของไรโบโซมบางตัว
สามารถกดการแปลรหัสโดยการจับที่ 5' ของบริเวณต้นทาง กลไกนี้เกิดขึ้นเมื่อโปรตีนของ
ไรโบโซมถูกผลิตขึ้นมากเกินกว่าที่จะถูกรวมในไรโบโซมจึงเหลืออยู่ในไซโทพลาสซึม
และใช้บริเวณที่คล้ายบริเวณที่จับกับ rRNA ของ mRNA เพื่อควบคุมการผลิตโปรตีน

     ส่วน mRNA ของยูแคริโอตไม่มี Shine-Dalgarno Sequence การเลือกโคดอน AUG
เป็นตำแหน่งเริ่มการแปลรหัสส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยบริเวณใกล้ปลาย5' (ที่เรียกว่า 5' cap)
ของ mRNA ซึ่งเป็นที่ที่หน่วยย่อยเล็กของไรโบโซมมาจับเพื่อเริ่มเข้าหาโคดอนเริ่มต้น AUG
ยูแคริโอตจะใช้ตัวกดการแปลรหัสบางตัวจับที่ปลาย 5' ของ mRNA แล้วยับยั้งการเริ่มต้น
การแปลรหัสบางตัวจำลำดับเบสใน 3' ของ mRNA และลดการเริ่มการแปลรหัสโดยรบกวน
การสื่อสารระหว่างหมวกทางปลาย 5' (5' cap) กับ หางทางปลาย 3' (3' poly-A tail) ซึ่งมี
ความจำเป็นสำหรับการแปลรหัสที่มีประสิทธิภาพ







รูปที่  4.12  การควบคุมแบบลบโดยโปรตีนที่จับทางปลาย 5'
         ตัวอย่าง   ในยูแคริโอต เช่นการควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนเฟอริติน (ferritin) ที่ใช้
จับกับเหล็ก ซึ่งขึ้นอยู่กับลำดับเบสประมาณ 30 เบสในส่วนต้นทางปลาย 5' ของ mRNA
ลำดับเบสนี้จะม้วนตัวเป็นบ่วงที่จับกับโปรตีนตัวกดการแปลรหัสที่เรียกอะโคนิเทส (aconitase)
ซึ่งขัดขวางการแปลรหัสของ mRNA ปลายทาง แต่อะโคนิเทสเป็นโปรตีนที่จับธาตุเหล็ก ดังนั้น
เมื่อปริมาณของเหล็กในไซโทซอลเพิ่มขึ้นอะโคนิเทสจะแยกออกจาก mRNA สำหรับ
เฟอริตินไปจับกับเหล็กแทน  การแปลรหัสจึงไม่ถูกขัดขวาง





รูปที่ 4.13 การควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนเฟอริติน




การควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนโดยการเติมหมู่ฟอสเฟตที่แฟกเตอร์
ช่วยเริ่มต้นการแปลรหัส


         เซลล์ยูแคริโอตลดอัตราการสังเคราะห์โปรตีนในการตอบสนองต่อหลายสถานการณ์ เช่นการขาดสารอาหารต่างๆ การติดเชื้อไวรัส หรือการเพิ่มอุณหภูมิอย่างกระทันหัน การลดลง
ของการสังเคราะห์โปรตีนเหล่านี้ส่วนมากเกิดเนื่องจากการเติมหมู่ฟอสเฟตที่แฟกเตอร์ช่วย
ในการแปลรหัส elF-2 โดยโปรตีนไคเนส หน้าที่ิของ elF-2 ตามปกติคือ จับกับ GTP และ
เป็นตัวกลางในการจับของ tRNA ตัวเริ่มต้น(ที่มีเมไธโอนีน) กับไรโบโซมหน่วยย่อยเล็ก ซึ่ง
สามารถจับกับปลาย 5' ของ mRNA และเริ่มเคลื่อนไปตาม mRNA เมื่อถึง AUG จะมีการสลาย
GTP ที่จับอยู่เป็น GDP เนื่องจาก eLF-2 จับกับ GDP แน่นมาก และต้องมีการปล่อย GDP
ก่อน GTP โมเลกุลใหม่จึงจะเข้ามาจับกับ eLF-2 ที่จะถูกนำมาใช้ใหม่ได้ และตัวที่ทำให้ GDP
หลุดจาก eLF-2 คือ eLF-2B การนำมาใช้ใหม่ของ eLF-2 ถูกยับยั้งมีการเติมหมู่ฟอสเฟต
eLF-2 ที่ถูกเติมหมู่ฟอสเฟตจะจับกับ eLF-2B อย่างแน่นผิดปกติทำให้ eLF-2 ไม่สามารถ
ถูกนำกลับมาใช้ใหม่ได้ การสังเคราะห์โปรตีนจะชะลอลงอย่างมาก





                                            รูปที่ 4.14 วัฏจักรของ elF-2

                           ก. การนำ elF-2 กลับมาใช้ใหม่โดยความช่วยเหลือของ elF-2B
                           ข. การเติมหมู่ฟอสเฟตที่ elF-2 ยับยั้งการนำกลับมาใช้ใหม่



การควบคุมการเริ่มการแปลรหัสของยูแคริโอตที่โคดอน AUG ของการเริ่มแปลรหัส


         อย่างที่ทราบแล้วว่าการแปลรหัสในยูแคริโอตเริ่มที่ AUG แรกของปลาย 5' ของ mRNA ที่ไรโบโซมหน่วยย่อยเล็กหาพบแต่นิวคลีโอไทด์ที่ล้อมรอบ AUG ก็มีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพ
การเริ่มการแปลรหัส ถ้าการจำไม่ดีพอ ไรโบโซมหน่วยย่อยเล็กจะละเลยโคดอน AUG แรก
บน mRNA และจะข้ามไปโคดอน AUG ที่สองหรือที่สามแทน ที่เรียกว่าการมองหาที่ผิดพลาด
(leaky scanning) ทำให้ได้้ผลผลิตโปรตีนที่คล้ายของเดิมแต่ต่างกันเพียงกรดอะมิโนที่ปลาย
ตัวอย่างเช่น ผลิตโปรตีนที่มีและไม่มีลำดับสัญญาณติดอยู่ที่ปลายกรดอะมิโน ดังนั้นโปรตีน
สองชนิดนี้จะถูกพาไปยังสองที่ที่ี่ี่ต่างกันในเซลล์




การควบคุมการแปลรหัสที่ตำแหน่งการเข้ามาของไรโบโซม


        โดยทั่วไปแล้วประมาณ 90 % ของ mRNA ของยูแคริโอตถูกแปลรหัสโดยเริ่มต้นที่
โคดอน AUG ตัวแรกของปลาย 5' บางครั้งโคดอนนี้อาจถูกข้ามไปได้ดังกล่าวข้างต้น และยังมี
การแปลรหัสที่เริ่มขึ้นโดยตรงภายในลำดับ mRNA จำเพาะ เรียกว่า Internal Ribosome
Entry Site (IRES) ซึ่งเป็นลำดับนิวคลีโอไทด์ที่มีความยาวหลายร้อยนิวคลีโอไทด์ม้วนเป็น
โครงร่างจำเพาะและจับกับโปรตีนหลายตัวที่ใช้ในการเริ่มต้นการแปลรหัสปกติแฟกเตอร์
ที่ช่วยการแปลรหัสที่จำ IRES ได้คือ eLF-4E IRES ถูกค้นพบครั้งแรกในไวรัสของสัตว์
เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม  ซึ่งไวรัสที่เข้ายึดกลไกการแปลรหัสของเซลล์เจ้าบ้านที่ติดเชื้อไวรัสนี้
จะี้ผลิตโปรตีเอส (จากจีโนมของไวรัสเอง) ที่จะไปย่อยแฟกเตอร์ที่ช่วยการแปลรหัส eLF-4G
ดังนั้นจึงไม่มีการจับกับ eLF-4E ซึ่งจะไปจับทางด้าน 5'(5'-cap) เป็นการปิดการแปลรหัส
ของเซลล์เจ้าบ้าน





                                          รูปที่ 4.15 กลไกการเริ่มแปลรหัส

            ก. กลไกที่เกี่ยวกับแฟกเตอร์ต่างๆ์ที่มาจับกับทางด้าน 5' (5'-cap)และ ด้านปลาย 3'
            ข. กลไกที่ต้องการเพียง elF-4G มาจับที่ IRES





การควบคุมการแสดงออกของยีนโดยการเปลี่ยนแปลงความเสถียรของ mRNA


      ในแบคทีเรีย mRNA ส่วนใหญ่ไม่เสถียรมีครึ่งชีวิตประมาณ 3 นาที เพราะเอ็กโซนิวคลีเอส
จะทำลาย mRNA อย่างรวดเร็วโดยย่อยจากปลาย 3' ไป 5'  สำหรับ mRNA ในเซลล์ยูแคริโอต
จะมีเสถียรภาพมากกว่า เช่น mRNA ที่แปลรหัสให้เบต้าโกลบินมีครึ่งชีวิตมากกว่า 10 ชั่วโมง

      mRNA บางตัวมีครึ่งชีวิต 30 นาที หรือมากกว่า โดยทั่วไปmRNA ที่ไม่เสถียรนี้จะิแปลรหัส
ให้โปรตีนควบคุมเช่น แฟกเตอร์ที่ช่วยในการเจริญเติบโต และโปรตีนควบคุมยีน ซึ่งอัตรา
การผลิตจำเป็นที่จะต้องเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วภายในเซลล์ เพราะจะได้หยุดการผลิตของ
โปรตีนนี้ เมื่อเซลล์ไม่ต้องการเพิ่มอีกแล้ว วิธีหลักสำหรับการสลาย mRNA ของยูแคริโอตมี
2 วิธีคือ วิธีแรกเป็นการทำให้หางโพลีเอสั้นลง โดยเอ็กโซนิวคลีเอสที่ย่อยจาก 3' ไป 5' เมื่อ
ปลาย 3' สั้นลงจนถึงจุดวิกฤติ (เหลือ A อยู่ประมาณ 30 ตัว) ปลายหมวกทางด้าน 5' (5'-cap)
ถูกกำจัด (decapping) และ RNA จะสลายอย่างรวดเร็ว  วิธีที่สองเป็นการทำให้ mRNA
ถูกสลายโดยเอ็นโดนิวคลีเอสซึ่งตัดหางโพลีเอให้หลุดออกจาก mRNA โดยตัดจากภายใน
ในขั้นตอนเดียว mRNA ที่ถูกสลายโดยวิธีนี้มีลำดับเบสจำเพาะซึ่งเอ็นโดนิวคลีเอสจะจำได้และ
จะตัดส่วนหางนี้ออกไป








                                   รูปที่  4.16 กลไกการสลาย mRNA ของยูแคริโอต

                                           ก. การสลายโดยการย่อยหาง 3'
                                           ข. การตัดภายใน



การควบคุมการแปลรหัสโดยการเติมหางโพลีเอ


          การเติม A ให้ mRNA เกือบทุกชนิดเกิดขึ้นในนิวเคลียส แต่ก็มี mRNA บางชนิดที่มี
การเติมในไซโทพลาสซึม และกลไกนี้เองที่ทำให้มีการควบคุมการแปลรหัสอีกแบบหนึ่ง
การเจริญของโอโอไซต์ (oocyte) และ ไข่ (egg) เป็นตัวอย่างหนึ่งที่พบการควบคุมโดย
การเติมหางโพลีเอ  เซลล์จำพวกนี้มีขนาดใหญ่และ้สามารถสร้างและเก็บ mRNA จำนวนมาก
เพื่อเตรียมไว้สำหรับการปฏิสนธิ mRNA หลายชนิดที่ถูกเก็บสะสมไว้มี A 10-30 ตัวที่ปลาย 3'
ซึ่ง mRNA ที่อยู่ในรูปนี้ไม่สามารถถูกแปลรหัสได้ เมื่อถึงเวลาหนึ่งระหว่างการเจริญของ
โอโอไซต์จะมีการเติม A และหลังการผสมเมื่อเซลล์ต้องการโปรตีนที่ผลิตโดย mRNA เหล่านี้
จะมีการเลือกเติม A ด้วย





รูปที่ 4.17 การแข่งขันระหว่างการแปลรหัสและการสลาย mRNA



การควบคุมการแปลรหัสโดยการสลายของน็อนเซ็นต์ mRNA ในยูแคริโอต


       เมื่อทุกขั้นตอนของการผลิต mRNA เสร็จสิ้นลง mRNA จึงจะถูกส่งออกสู่ไซโทพลาสซึม
เพื่อการแปลรหัสเป็นโปรตีน แต่ถ้าขั้นตอนเหล่านั้นผิดไป RNA จะถูกสลายในนิวเคลียสในที่สุด
(เกิดควบคู่กับการตัดอินทรอน) โดยเอ็กโซโซม (exosome) ซึ่งเป็นโปรตีนเชิงซ้อนขนาดใหญ่
เซลล์ยูแคริโอตมีกลไกนอกเหนือไปจากนี้เรียก การสลายของน็อนเซ็นต์ mRNA ที่กำจัด
mRNA ที่ผิดก่อนที่จะถูกแปลรหัสเป็นโปรตีน โดยกลไกนี้ เมื่อ mRNA มีโคดอนหยุดอยู่ผิดที่
หรืออยู่ในกรอบอ่าน mRNA จะถูกสลายอย่างรวดเร็ว โคดอนหยุดเหล่านี้สามารถมีจำนวนเพิ่ม
ขึ้นโดยการกลายหรือจากการตัดแต่งที่ไม่สมบูรณ์ ดังนั้นระบบการสลายของน็อนเซ็นต์ mRNA
จึงมีไว้เพื่อป้องกันการสังเคราะห์โปรตีนที่ผิดปกติซึ่งอาจจะเป็นอันตรายต่อเซลล์

       mRNA ที่เป็นอันตรายต่อเซลล์เหล่านี้ถูกเซลล์จำได้อย่างไร? ในสัตว์มีกระดูกสันหลัง
ลักษณะของ mRNA ที่จำได้โดยระบบการสลายของนอนเซ็นต์ mRNA จำได้ คือ ช่วงระหว่าง
โคดอนหยุดในกรอบอ่านแรกกับขอบเอ็กซอนที่เกิดขึ้นจากการตัดแต่ง RNA ถ้าโคดอนหยุดอยู่
ปลายทางของขอบเขตเอ็กซอน mRNA จะถูกเก็บไว้ โปรตีนในนิวเคลียสจับที่ตำแหน่งรอยต่อ
เอ็กซอนตามการตัดแต่ง RNA และจะถูกใช้เพื่อประเมินความเหมาะสมของ mRNA สำหรับ
การแปลรหัสต่อไป




รูปที่ 4.18 การสลายของน็อนเซ็นต์ mRNA
          ระบบการสลายของนอนเซ็นต์ mRNA มีความสำคัญในการพัฒนาของเซลล์
ระบบภูมิคุ้มกันที่ซึ่งมีการเรียงตัวใหม่ของดีเอ็นเอเกิดเพิ่มเติม ซึ่งมักจะมีโคดอนหยุดปรากฏ
เร็วกว่าที่ควรจะเป็น mRNA ที่ถูกผลิตจากการเรียงตัวใหม่ของยีนถูกย่อยโดยวิธีการสลายของ
น็อนเซ็นต์ mRNA นี้เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบจากอันตรายของโปรตีนที่ขาดด้วน



การระงับการแสดงออกของยีนโดยอินเทอร์เฟอริงอาร์เอ็นเอ
(interfering RNA (RNAi))



       เซลล์ยูแคริโอตใ้ช้ระบบการย่อยสลาย RNA ชนิดพิเศษที่เรียกว่า อาร์เอ็นเอ
อินเทอร์เฟอเร็นซ์ (RNA interference) เพื่อทำลายโมเลกุล RNA แปลกปลอมโดยเฉพาะ
ที่ปรากฏในรูปเกลียวคู่ กลไกนี้พบในสิ่งมีชีวิตหลายชนิด เช่น รา พืช หนอน หนู และน่าจะพบ
ในคนด้วย ในพืช RNAi ป้องกันเซลล์โดยช่วยต้านอาร์เอ็นเอไวรัส การปรากฏของ RNA
สายคู่กระตุ้น RNAi โดยดึงดูดโปรตีนที่ทำหน้าที่เป็นเอ็นไซม์  ซึ่งประกอบด้วยอาร์เอ็นเอ
นิวคลีเอส และอาร์เอ็นเอเฮลิเคส เอ็นไซม์นี้ตัด RNA สายคู่ให้เป็นชิ้นที่เล็กลง (ประมาณ 23
คู่นิวคลีโอไทด์) ซึ่งยังคงจับกับเอ็นไซม์นี้ จากนั้นชิ้น RNA ที่ถูกเอ็นไซม์จับอยู่นี้จะไปที่
โมเลกุล RNA อื่นที่มีลำดับเบสคู่สม และเอ็นไซม์นี้ย่อย RNA นั้นด้วย

       มีการใช้ประโยชน์จากระบบอาร์เอ็นเออินเทอร์เฟอเร็นซ์นี้เพื่อการศึกษาหน้าที่ของยีน
ที่สนใจโดยการชักนำโมเลกุล mRNA สายคู่แปลกปลอมเข้าสู่เซลล์เป้าหมาย ทำให้มี
การย่อยสลาย mRNA ของเซลล์เป้าหมาย ดังรูปที่ 4.19






รูปที่ 4.19 การทำงานของระบบอาร์เอ็นเออินเทอร์เฟอเร็นซ์