ความหลากหลายของรหัสพันธุกรรมในเอนไซม์เพอร์ออกซิเดสที่ศึกษาด้วยวิธีชีวสารสนเทศ

อาจารย์ ดร.ภัสราวดี เผ่าจินดา สาขาวิชาเทคนิคการแพทย์ คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏบ้านสมเด็จเจ้าพระยา #BSRU

เพอร์ออกซิเดส (Peroxidase) เป็นเอนไซม์ที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย และเป็นเอนไซม์ที่พืชสังเคราะห์ขึ้นเพื่อตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อมทางธรรมชาติ เอนไซม์เพอร์ออกซิเดสที่ใช้ในการเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันต่างๆ และยังพบว่าในกระบวนการทางชีววิทยาของสิ่งมีชีวิตนั้น เอนไซม์เพอร์ออกซิเดสยังมีบทบาทสำคัญในหลายๆ ด้าน และยังคงเป็นเอนไซม์ที่พบได้มากตั้งแต่จุลินทรีย์สำหรับสัตว์ จะมีหน้าที่การทำงานและบทบาทที่แตกต่างกันไปในแต่ละสิ่งมีชีวิต โดยส่วนใหญ่จะกระตุ้นการเกิดปฏิกิริยาการออกซิเดชัน (Oxidation) โดยใช้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H2O2) ซึ่ง peroxidase จะเป็นเอนไซม์กลุ่มใหญ่ที่สามารถพบได้ทั้งในสัตว์ และในพืช โดยสามารถจำแนก Peroxidase enzymes ในพืช ตามที่มาและหน้าที่ของเอนไซม์ ได้ 3 ประเภท (Class) (Class I, II และ Class III) (Chauhan et al.,2020)ปัจจุบันมีการศึกษาความสัมพันธ์ของ peroxidase enzyme ในพืชทั้ง 3 class จากลำดับของกรดอะมิโน peroxidase enzyme และคุณสมบัติทางเคมี-กายภาพของ peroxidase enzyme โดยใช้การวิเคราะห์ผ่านเครื่องมือชีวสารสนเทศ (Bioinformatic) และมีการสร้างความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการระหว่างสิ่งมีชีวิต (Phylogenetic tree) ของ peroxidase enzyme พบว่า peroxidase enzyme Class III (EC:1.11.1.7) เป็นกลุ่มของเอนไซม์ที่มีความเสถียรมากที่สุด และในทางตรงกันข้าม peroxidase enzyme Class I จะมีความเสถียรน้อยที่สุด โดย peroxidase enzyme ในพืชจะมีลักษณะภายนอกเซลล์ที่แตกต่างกันออกไป (Chauhan et al.,2020)

Peroxidase enzyme ทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดซ์ และช่วยในการย่อยสลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H2O2) ที่แตกต่างกันออกไปตามหน้าที่ในแต่ละสิ่งมีชีวิต เช่นเดียวกันกับในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ที่ทำหน้าที่ช่วยในเรื่องของระบบภูมิคุ้มกัน ควบคุมฮอร์โมน ซึ่งในพืชยังพบว่า peroxidase enzyme มีความเกี่ยวข้องในกระบวนการเมแทบอลิซึม (metabolism) ของ Lignification และsuberization ของผนังเซลล์ และ auxins metabolism โดย Peroxidase ในพืช (peroxidase EC:1.11.1.7) เป็น heme protein ซึ่งจะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นสารสื่อกลางของ H2O2 (Chauhan et al.,2020)

ในช่วงต้นทศวรรษ 1900 มนุษย์จำแนกชนิดของเอนไซม์จากบทบาทหน้าที่และจัด
peroxidase enzyme ว่าเป็น “catalases” ต่อมาพบว่าเอนไซม์ชนิดนี้ในสิ่งมีชีวิตทั้งพืชและสัตว์ที่สามารถใช้โพลีฟีนอล (Polyphenols) ในการย่อยสลาย H2O2 ในมนุษย์มากกว่า 30 ชนิด และใน Arabidopsis thaliana มากถึง130 ชนิด จากงานวิจัยก่อนหน้านี้ได้มีการศึกษาเกี่ยวกับ peroxidase enzyme ในคุณสมบัติในหลายๆ ด้าน พบว่า horseradish peroxidases เป็นเอนไซม์ที่นิยมศึกษากันมากที่สุด และ peroxidase enzyme ที่พบในแบคทีเรียมีความน่าสนใจมากกว่าในพืช (Chauhan et al.,2020)

การศึกษาความหลากหลายของรหัสพันธุกรรมของเอนไซม์เพอร์ออกซิเดสที่ศึกษาด้วยวิธีชีวสารสนเทศมาใช้ในการจัดจำแนก และบ่งชี้ความหลากหลายและความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการของ peroxidase enzyme ในสิ่งมีชีวิต ตลอดจนใช้เป็นข้อมูลพื้นฐานที่นำไปสู่การวิจัยขั้นสูงทางด้านต่างๆ เช่น การศึกษาสารเคมีต่างๆ ที่มีฤทธิ์ทางยา เป็นต้น

จากการสืบค้นข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของปฐมภูมิของลำดับกรดอะมิโนของเอนไซม์เพอร์ออกซิเดสจากฐานข้อมูลโปรตีนใน NCBI พบโครงสร้างของ amino acid sequence ที่แตกต่างกันโดยมีความยาวอยู่ในช่วง 58–352 amino acid ซึ่ง Arabidopsis thaliana มี 309 amino acid Armoracia rusticana (Horseradish peroxidase) มี 349 amino acid Escherichia coli (แบคทีเรีย) มี 168 amino acid Glycine max (ถั่วเหลือง) มี 352 amino acid Homo sapiens (มนุษย์) มี 58 amino acid Ipomoea batatas มี 327 amino acid Saccharomyces cerevisiae (ยีสต์) มี 162 amino acid โดยคุณสมบัติทางเคมี-กายภาพ จะส่งผลต่อโครงสร้างระดับที่สี่ (quaternary structure) การม้วนพับของโปรตีน (Protein folding) บริเวณเร่ง (active site) ของโปรตีนเพอร์ออกซิเดส ชี้ให้เห็นว่าเอนไซม์ชนิดเดียวกันที่มาจากสิ่งมีชีวิตต่างชนิดกันจะมีการทำงานของเอนไซม์แตกต่างกัน

สำหรับความคล้ายคลึงของลำดับกรดอะมิโนเอนไซม์เพอร์ออกซิเดสของสิ่งมีชีวิตสามารถวิเคราะห์ผ่านการทำ Multiple alignment sequence เพื่อเปรียบเทียบความเหมือนกันของกรดอะมิโนแต่ละตัวบนสายพอลิเพปไทด์ของโปรตีนด้วยโปรแกรม Clustal W และคำนวณค่า percent identity (%identity) สามารถบ่งบอกถึงเปอร์เซ็นต์ของ homology sequence ของโปรตีนตัวอื่นที่ค้นพบ ลำดับกรดอะมิโนของ peroxidase enzyme มีค่า percent identity (%identity) อยู่ในช่วง 11.11–65.70 ซึ่งมีความผันแปรสูงมาก โดยสิ่งมีชีวิตที่มีความแปรผันสูงสุดคือ S.cerevisiac รองลงมาคือ E.coli, H.sapiens, I.batatas, G.max และ A.thalina ตามลำดับ จึงสามารถสันนิษฐานว่าโปรตีนในเอนไซม์เพอร์ออกซิเดสของสิ่งมีชีวิตทั้ง 7 ชนิดนั้น มีคุณสมบัติในการทำงานของโปรตีนที่คล้ายคลึงกัน แต่บทบาทหน้าที่การทำงานแตกต่างกันออกไปในแต่ละสิ่งมีชีวิต

นอกจากนี้ยังมีการศึกษาการเปรียบเทียบหาความคล้ายคลึงกันของกรดอะมิโนบนสายพอลิเพปไทด์ของเอนไซม์เพอร์ออกซิเดสในสิ่งมีชีวิตทั้ง 7 ชนิด ด้วยโปรแกรม Clustal W พบว่า Glycine max และ Ipomoea batatas ถูกจัดอยู่ในกลุ่มเดียวกัน มีความสัมพันธ์ทางพันธุกรรมที่มีความใกล้ชิดกันมากที่สุด และยังถูกจัดอยู่ในกลุ่มที่มีความสัมพันธ์ใกล้เคียงกันและมีแหล่งกำเนิดเดียวกัน และยังมีความสัมพันธ์ใกล้เคียงกันกับ Horseradish peroxidase และ Arabidopsis thaliana และทั้ง Arabidopsis thaliana, Horseradish peroxidase, Glycine max, Ipomoea batatas มีต้นกำเนิดเดียวกันกับ Homo sapiens และ Homo sapiens นั้น มีต้นกำเนิดเดียวกันกับ Saccharomyces cerevisiae ส่วนใน Escherishia coli นั้นจะมีความสัมพันธ์ใกล้เคียงกันกับ Saccharomyces cerevisiae มากที่สุด ซึ่งสามารถบ่งบอกความเหมือนของลำดับกรดอะมิโน ด้วยค่าของ %Identity หรือความคล้ายคลึงกันของลำดับกรดอะมิโน ด้วยค่าของ %Similarity โดยตำแหน่งกรดอะมิโนที่มีความเหมือนกันทุก sequence จากการวิเคราะห์ข้อมูลด้วย Multiple alignment sequence ด้วยโปรแกรม Clustal W ที่ได้รับการสนับสนุนจากงานวิจัยของ Karen Gjesing Welinder ในปี 1992 ที่ศึกษาเกี่ยวกับกลุ่มของเพอร์ออกซิเดสจากพืช เชื้อรา และแบคทีเรีย พบว่าโครงสร้างของเพอร์ออกซิเดสมีความสัมพันธ์กันในเชิงวิวัฒนาการและการทำงานของเพอร์ออกซิเดสในพืชทั้ง 3 กลุ่ม มีโครงสร้างที่เกี่ยวข้องกันกับ: mitochondrial yeast cytochrome c peroxidase, chloroplast และ cytosol ascorbate peroxidase และ gene duplicated bacterial peroxidase (กลุ่มที่ 1)
peroxidase จากเชื้อรา (กลุ่มที่ 2) และ peroxidase ในพืช (กลุ่มที่ 3) (Welinder KG,1992) และเป็นไปตามแนวทางของงานวิจัย Karen Gjesing Welinder ในปี 1985 ที่การศึกษาเกี่ยวกับโครงสร้างปฐมภูมิ โครงสร้างทุติยภูมิ และโครงสร้างตติยภูมิ และความสัมพันธ์ของเอนไซม์เพอร์ออกซิเดสในพืชกับ cytochrome C peroxidase พบว่าลำดับกรดอะมิโนของ horiseradish peroxidase HRP C และ peroxidase TP7 ในหัวผักกาด มีความแตกต่างกันร้อยละ 51 โดยลำดับกรดอะมิโนของ cytochrome C peroxidase คล้ายกับ apoperoxidase ซึ่งประกอบด้วยกรดอะมิโน 300 ตัว มีความคล้ายกันอยู่ 8 ตัว มีความแตกต่างกันร้อยละ 18 และระหว่างเอนไซม์เพอร์ออกซิเดสในยีสต์กับในพืชมีความแตกต่างกันร้อยละ 16 โดยการทดสอบโครงสร้างที่แตกต่างกันใช้โปรตีนของเพอร์ออกซิเดสในแต่ละกลุ่มเป็นตัวจำแนกจึงเป็นที่มาของวิวัฒนาการร่วมกัน (Welinder KG,1985) และมีความสัมพันธ์ทางพันธุกรรมของวิวัฒนาการที่ใกล้เคียงกันอยู่ จึงเป็นผลดีต่อการพัฒนากลยุทธ์เชิงปฏิบัติการในการสร้างเอนไซม์เพอร์ออกซิเดสและศักยภาพของเอนไซม์ในด้านอุตสาหกรรมทางชีวภาพและกระบวนการบำบัดทางชีวภาพอีกด้วย

เอกสารอ้างอิง

Chauhan V., Kumari V., & Kanwa. (2020). Comparative Analysis of Aminoacid Sequence Diversity and Physiochemical Properties of Peroxidase Superfamily.Journal of Protein Research & Bioinformatics, 2(1), 1–8.

Welinder KG (1992) Superfamily of plant, fungal and bacterial peroxidase. Current Opinion in Structural Biology, 2: 388–393.

Welinder KG (1985) Plant peroxidases. European Journal of Biochemistry, 151: 497–504.