A protein-dependent riboswitch activates ribosomal frameshifting in cardioviruses

वायरस की सूक्ष्म दुनिया के भीतर, उत्तरजीविता अक्सर अनुवाद (translation) की एक चतुर तकनीक पर निर्भर करती है। वायरस अपने आनुवंशिक निर्देशों को आरएनए (RNA) की एक लंबी लड़ी में रखते हैं, जो आवश्यक प्रोटीन बनाने के लिए एक ब्लूप्रिंट के रूप में कार्य करता है। आमतौर पर, इस ब्लूप्रिंट को पढ़ने वाली कोशिकीय मशीनरी इसके साथ एक सीधी रेखा में, एक बार में एक कदम आगे बढ़ती है, और एक विशिष्ट क्रम में प्रोटीन का निर्माण करती है। हालाँकि, कुछ वायरसों ने इस मशीनरी को लड़खड़ाने के लिए मजबूर करने का एक तरीका विकसित किया है। उनमें एक ऐसा संकेत होता है जो पाठक को एक कदम पीछे फिसलने के लिए मजबूर करता है, जिसे 'फ्रेमशिफ्ट' (frameshift) नामक युक्ति कहा जाता है। यह फिसलन रीडिंग फ्रेम को बदल देती है, जिससे वायरस को पहले के ठीक पीछे छिपे निर्देशों के एक दूसरे सेट तक पहुँच प्राप्त होती है। इस बात को नियंत्रित करके कि यह फिसलन कितनी बार होती है, वायरस उन विभिन्न प्रोटीनों की मात्रा को सटीक रूप से ट्यून कर सकता है जो वह बनाता है, जो उसके संक्रमित करने और फैलने की क्षमता के लिए एक महत्वपूर्ण संतुलन है।

द दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि कार्डियोवायरस (cardioviruses) नामक वायरसों का एक विशिष्ट समूह इस पीछे की ओर फिसलन को असाधारण दक्षता के साथ करता है। इन वायरसों में, लगभग पचासी प्रतिशत रीडिंग मशीनें सफलतापूर्वक बदलाव करने में सफल रहती हैं, जो किसी भी अन्य ज्ञात प्रणाली की तुलना में बहुत अधिक दर है। फिर भी, इस उच्च सफलता दर के पीछे का तंत्र एक रहस्य बना रहा। अन्य वायरसों के विपरीत जहाँ केवल आरएनए संरचना ही फिसलन को प्रेरित करती है, कार्डियोवायरस के लिए इस घटना के होने के लिए एक विशिष्ट वायरल प्रोटीन, जिसे 2A के रूप में जाना जाता है, का उपस्थित होना आवश्यक है। प्रश्न यह था कि एक प्रोटीन आरएनए की एक लड़ी के साथ भौतिक रूप से कैसे परस्पर क्रिया कर सकता है ताकि व्यवहार में इतना नाटकीय परिवर्तन लाया जा सके। शोधकर्ताओं ने आरएनए अणु को क्रिया में देखते हुए इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया, जिससे पता चला कि वायरस अपने स्वयं के आनुवंशिक कोड पर एक स्विच को पलटने के लिए एक प्रोटीन का उपयोग करता है।

यह समझने के लिए कि यह कैसे काम करता है, टीम ने 'थेलर म्यूरिन एनसेफलाइटिस वायरस' (Theiler's murine encephalitis virus), जो एक सुविख्यात कार्डियोवायरस है, के भीतर मौजूद आनुवंशिक संकेत पर ध्यान केंद्रित किया। उन्हें आरएनए सिग्नल के आकार को तब देखने की आवश्यकता थी जब वह अकेला हो और तब भी जब वह 2A प्रोटीन से जुड़ा हो। एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी (X-ray crystallography) का उपयोग करते हुए, एक ऐसी तकनीक जो अणुओं को उनकी परमाणु संरचना प्रकट करने के लिए एक स्थान पर जमा देती है, उन्होंने आरएनए सिग्नल के आकार को कैद किया। उन्होंने पाया कि प्रोटीन के बिना, आरएनए एक साधारण स्टेम-लूप (stem-loop) में मुड़ जाता है, जो एक हेयरपिन (hairpin) जैसा दिखता है। हालाँकि, जब 2A प्रोटीन इससे जुड़ता है, तो आरएनए केवल वहीं स्थिर नहीं रहता; बल्कि यह पूरी तरह से पुनर्गठित हो जाता है। प्रोटीन का जुड़ना आरएनए को अपने हेयरपिन को सुलझाने और एक जटिल, गांठदार आकार में फिर से मुड़ने के लिए मजबूर करता है जिसे 'स्यूडोknot' (pseudoknot) कहा जाता है। यह नया आकार भौतिक रूप से पढ़ने वाली मशीन के गुजरने के लिए कठिन होता है, जो इसे पीछे की ओर फिसलने के लिए मजबूर करता है।

शोधकर्ता केवल स्थिर चित्रों तक ही सीमित नहीं रहे; वे देखना चाहते थे कि क्या यह परिवर्तन गतिशील रूप से होता है और क्या यह वास्तव में वायरस के कार्य करने के लिए आवश्यक है। उन्होंने सिंगल-मॉलिक्यूल फ्लोरेसेंस रेजोनेंस एनर्जी ट्रांसफर (single-molecule fluorescence resonance energy transfer) नामक एक विधि का उपयोग किया, जो वैज्ञानिकों को व्यक्तिगत आरएनए अणुओं को वास्तविक समय में बदलते हुए देखने की अनुमति देती है। इन अवलोकनों ने पुष्टि की कि 2A प्रोटीन की उपस्थिति आरएनए को उसके हेयरपिन अवस्था से सक्रिय रूप से गांठदार अवस्था में बदल देती है। यह सिद्ध करने के लिए कि यह गांठ ही वायरस की सफलता की कुंजी है, टीम ने एक नियंत्रित प्रयोगशाला सेटिंग और जीवित कोशिकाओं के भीतर इस प्रक्रिया का परीक्षण किया। दोनों मामलों में, उन्होंने पाया कि जब आरएनए को गांठ बनाने से रोका गया, तो फ्रेमशिफ्टिंग की दक्षता नाटकीय रूप से गिर गई। इसके विपरीत, जब गांठ बनी, तो फिसलने की उच्च दर वापस आ गई।

ये निष्कर्ष दर्शाते हैं कि कार्डियोवायरस पढ़ने वाली मशीन को पकड़ने के लिए एक स्थिर जाल पर निर्भर नहीं करता है। इसके बजाय, यह एक प्रोटीन-निर्भर 'राइबोस्विच' (riboswitch) संचालित करता है, जो एक ऐसा आणविक उपकरण है जो केवल तभी अपना आकार बदलता है जब एक विशिष्ट साथी उपस्थित होता है। 2A प्रोटीन एक ट्रिगर के रूप में कार्य करता है, जो एक हानिरहित हेयरपिन को एक जटिल गांठ में परिवर्तित कर देता है जो कोशिकीय मशीनरी को गियर बदलने के लिए मजबूर करता है। यह तंत्र स्पष्ट करता है कि वायरस को इतनी उच्च दक्षता प्राप्त करने के लिए प्रोटीन की आवश्यकता क्यों होती है; प्रोटीन के बिना गांठ उत्पन्न किए, संकेत उस रूप में रहता है जिसे कोशिका बिना किसी त्रुटि के पढ़ती है। इस आणविक तंत्र को परिभाषित करके, यह अध्ययन स्पष्ट करता है कि कैसे ये वायरस अपने जीवन चक्र के एक महत्वपूर्ण चरण को सशर्त रूप से सक्रिय करते हैं, जिससे एक सरल आनुवंशिक निर्देश को एक अत्यधिक विनियमित घटना में बदल दिया जाता है जो उनके अस्तित्व को सुनिश्चित करती है।