Structural basis for co-translational assembly of homo-oligomeric proteins in cis and in trans

प्रत्येक जीवित कोशिका के भीतर, राइबोसोम नामक सूक्ष्म मशीनें जीवन के कारखानों के रूप में कार्य करती हैं, जो प्रोटीन बनाने के लिए आनुवंशिक निर्देशों को पढ़ती हैं। ये प्रोटीन कोशिका के कार्यबल (workhorses) हैं, लेकिन वे शायद ही कभी अकेले काम करते हैं। कार्य करने के लिए, उन्हें अक्सर अन्य प्रोटीनों के साथ जुड़कर जटिल संरचनाएं बनानी पड़ती हैं, ठीक वैसे ही जैसे व्यक्तिगत गियर एक घड़ी के तंत्र में एक साथ लॉक होते हैं। दशकों तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि ये जुड़ाव आमतौर पर तब होता है जब प्रोटीन पूरी तरह से बन जाता है और कोशिका में मुक्त हो जाता है। हालांकि, हालिया शोध से पता चला है कि कई प्रोटीन अपने बनने के दौरान ही अपने साथियों के साथ जुड़ना शुरू कर देते हैं, जिसे 'को-ट्रांसलेशनल असेंबली' (co-translational assembly) कहा जाता है। यह प्रारंभिक जुड़ाव प्रोटीनों को कोशिका के भीड़भाड़ वाले वातावरण में उलझने या टूटने से बचाने में मदद करता है। एक प्रमुख प्रश्न बना हुआ था: जब दो समान प्रोटीनों को एकजुट होने की आवश्यकता होती है, तो क्या वे एक ही आनुवंशिक स्ट्रैंड पर बनाए जा रहे समय में एक-दूसरे को ढूंढते हैं, या वे पास के पूरी तरह से अलग स्ट्रैंड्स पर बनाए जा रहे साथियों की ओर हाथ बढ़ाते हैं?

हाइडेलबर्ग यूनिवर्सिटी के सेंटर फॉर मॉलिक्यूलर बायोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब PheA नामक एक विशिष्ट बैक्टीरिया प्रोटीन के लिए इस प्रश्न का उत्तर दे दिया है। उन्नत इमेजिंग तकनीकों और जेनेटिक टूल्स का उपयोग करके, उन्होंने पाया कि यह प्रोटीन मुख्य रूप से इस नियम को अनदेखा करता है कि असेंबली एक ही जेनेटिक स्ट्रैंड पर होती है। इसके बजाय, उन्होंने पाया कि PheA अणु अक्सर अलग, पड़ोसी स्ट्रैंड्स पर बनाए जा रहे साथियों की ओर हाथ बढ़ाकर असेंबल होते हैं। यह खोज जीवाणु कोशिका में संगठन के एक आश्चर्यजनक स्तर को प्रकट करती है, जहाँ विभिन्न आनुवंशिक निर्देशों पर मौजूद राइबोसोम भौतिक रूप से जुड़कर विशाल, परस्पर जुड़े नेटवर्क बनाते हैं जो यह सुनिश्चित करते हैं कि ये प्रोटीन सही ढंग से और कुशलता से बनाए जाएं।

शोधकर्ताओं ने E. coli बैक्टीरिया में पाए जाने वाले एक दो-भाग वाले एंजाइम PheA पर ध्यान केंद्रित किया जो कोशिका को एक महत्वपूर्ण पोषक तत्व बनाने में मदद करता है। यह एंजाइम दो समान हिस्सों से बना है जिन्हें काम करने के लिए एक-दूसरे के चारों ओर घूमना (twist) पड़ता है। वैज्ञानिक जानते थे कि यदि ये हिस्से राइबोसोम से एक विशिष्ट खंड के बाहर निकलने के तुरंत बाद नहीं जुड़ते हैं, तो प्रोटीन संभवतः गलत तरीके से मुड़ (misfold) जाएगा और बेकार हो जाएगा। यह समझने के लिए कि यह जुड़ाव कैसे होता है, टीम ने पहले कोशिका में राइबोसोम के व्यवहार को देखा। उन्होंने राइबोसोम के भारी समूहों को हल्के समूहों से अलग करने के लिए एक विधि का उपयोग किया और पाया कि जब PheA बड़ी मात्रा में बनाया जा रहा था, तो राइबोसोम विशाल, भारी गुच्छों में बदल गए जो उनके परीक्षण ट्यूबों के तल में बैठ गए। ये गुच्छे तब गायब हो गए जब शोधकर्ताओं ने नमूने को एक ऐसे एंजाइम के साथ उपचारित किया जो प्रोटीन श्रृंखलाओं को पचा देता है, जिससे यह सिद्ध हुआ कि राइबोसोम केवल तैरते हुए नहीं थे, बल्कि बढ़ती हुई प्रोटीन श्रृंखलाओं द्वारा एक साथ पकड़े गए थे।

यह देखने के लिए कि ये श्रृंखलाएं वास्तव में कैसे जुड़ी थीं, टीम ने PheA जीन के दो थोड़े अलग संस्करणों का उपयोग करके एक चतुर प्रयोग विकसित किया। उन्होंने एक ही कोशिका के भीतर एक ही जेनेटिक स्ट्रैंड पर इन दो जीनों को रखा। प्रोटीन के एक संस्करण को एक विशिष्ट हैंडल (tag) के साथ टैग किया गया था, और दूसरे को एक अलग हैंडल के साथ। जब उन्होंने पहले हैंडल के साथ प्रोटीनों को बाहर निकाला, तो उन्होंने पाया कि दूसरा संस्करण उसके साथ जुड़ा हुआ था। इसने प्रत्यक्ष प्रमाण दिया कि एंजाइम के दोनों आधे हिस्से आपस में जुड़ रहे थे, भले ही वे पूरी तरह से अलग आनुवंशिक निर्देशों से बनाए जा रहे थे। इसका अर्थ था कि असेंबली इन ट्रांस (in trans), यानी अलग-अलग जेनेटिक स्ट्रैंड्स के माध्यम से हो रही थी, न कि इन सिस (in cis), यानी एक ही स्ट्रैंड पर।

टीम ने राइबोसोम को देखने के लिए 'क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी' नामक एक शक्तिशाली इमेजिंग तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने राइबोसोम को बर्फ की एक पतली परत में जमा दिया और उनके विन्यास को देखने के लिए हजारों उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली छवियां लीं। उन्होंने राइबोसोम के निकास सुरंगों (exit tunnels)—वे छोटे छेद जहाँ से नई प्रोटीन श्रृंखलाएं बाहर निकलती हैं—के बीच की दूरी को मापा। उन्होंने पाया कि जब PheA बनाया जा रहा था, तो राइबोसोम इस तरह से स्थित थे कि उनके निकास सुरंग बहुत करीब, लगभग 120 एंगस्ट्रॉम की दूरी पर थे। इस निकटता ने उभरती हुई प्रोटीन श्रृंखलाओं को लगभग तुरंत स्पर्श करने और लॉक होने की अनुमति दी। आश्चर्यजनक रूप से, छवियों ने दिखाया कि इन राइबोसोमों का कोई निश्चित ओरिएंटेशन नहीं था; वे स्वतंत्र रूप से घूम और हिल सकते थे जब तक कि उनके निकास सुरंग पास रहते थे। इस लचीलेपन ने सुझाव दिया कि राइबोसोम एक कठोर संरचना में नहीं फंसे थे, बल्कि वे कनेक्शन को सुगम बनाने के लिए गतिशील रूप से एक-दूसरे को ढूंढ रहे थे।

जब शोधकर्ताओं ने बरकरार जेनेटिक स्ट्रैंड्स पर राइबोसोमों को देखा, तो उन्होंने पाया कि निकास सुरंगों की निकटता सबसे अधिक अक्सर अलग-अलग स्ट्रैंड्स पर मौजूद राइबोसोमों के बीच होती थी। हालांकि यह संभव था कि एक ही स्ट्रैंड पर मौजूद राइबोसोम जुड़ जाएं, लेकिन यह दुर्लभ था और इसके लिए आमतौर पर जेनेटिक स्ट्रैंड का खुद पर वापस मुड़ने (loop back) की आवश्यकता होती थी ताकि दूर स्थित राइबोसोम एक-दूसरे तक पहुँच सकें। एक ही स्ट्रैंड पर मौजूद सीधे पड़ोसी वास्तव में अपनी उभरती हुई प्रोटीनों को जोड़ने के लिए बहुत दूर थे। इस निष्कर्ष ने इस प्रचलित विचार को चुनौती दी कि समान प्रोटीन आमतौर पर एक ही जेनेटिक स्ट्रैंड पर असेंबल होते हैं। इसके बजाय, PheA के लिए, कोशिका विभिन्न जेनेटिक स्ट्रैंड्स के मिलने पर निर्भर करती है।

शोधकर्ताओं ने समझाया कि विभिन्न स्ट्रैंड्स के बीच जुड़ने की यह प्राथमिकता संभवतः उस गति के कारण है जिस गति से PheA को असेंबल होना होता है। प्रोटीन का वह हिस्सा जिसे अपने साथी के साथ जुड़ना है, बहुत छोटा है और तेजी से बाहर निकलता है। यदि राइबोसोम एक ही स्ट्रैंड पर फंसे होते, तो जेनेटिक सामग्री की ज्यामिति (geometry) निकास सुरंगों को इतना दूर कर देती कि प्रोटीन समय पर नहीं जुड़ पाते। अलग-अलग स्ट्रैंड्स पर मौजूद राइबोसोमों को एक साथ आने की अनुमति देकर, कोशिका एक लचीला वातावरण बनाती है जहाँ प्रोटीन तुरंत एक-दूसरे को ढूंढ सकते हैं। यह तंत्र सुनिश्चित करता है कि ऊर्जा बर्बाद किए बिना या दोषपूर्ण हिस्से बनाए बिना एंजाइम सही ढंग से निर्मित हो।

यह अध्ययन जटिल मशीनों के निर्माण को व्यवस्थित करने के तरीके का एक स्पष्ट दृश्य प्रदान करता है। यह दिखाता है कि कोशिका प्रोटीन को असेंबल करने के लिए केवल एक एकल, कठोर पद्धति पर निर्भर नहीं करती है। इसके बजाय, यह राइबोसोम की भौतिक निकटता का उपयोग करती है, चाहे वे किसी भी जेनेटिक स्ट्रैंड पर हों, ताकि प्रोटीन सही समय पर अपने साथी को पा सकें। PheA के लिए, इसका अर्थ है कि कोशिका राइबोसोम का एक गतिशील जाल बनाती है, जो एक संरचनात्मक समस्या को हल करने के लिए विभिन्न जेनेटिक निर्देशों को एक साथ जोड़ती है। यह खोज बताती है कि कोशिका का भीड़भाड़ वाला आंतरिक भाग केवल हिस्सों का एक अराजक मिश्रण नहीं है, बल्कि एक अत्यधिक संगठित स्थान है जहाँ मशीनरी का भौतिक विन्यास बन रहे प्रोटीनों की विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुरूप होता है।