Tandem repeat variation within and between species reveals signatures of selection in humans and chimpanzees

अपने DNA की कल्पना एक विशाल पुस्तकालय के रूप में करें जिसमें एक जीवित प्राणी के निर्माण के लिए निर्देश नियमावली (instruction manuals) रखी हैं। इनमें से अधिकांश नियमावली एक अद्वितीय, जटिल कोड में लिखी गई हैं। लेकिन इनके बीच में कुछ विशेष पृष्ठ भी बिखरे हुए हैं जो टैंडम रिपीट्स (Tandem Repeats - TRs) से भरे हुए हैं—ऐसे खंड जहाँ एक ही वाक्य या वाक्यांश को बार-बार कॉपी किया गया है, जैसे कि "ATATATAT" या "GCGCGCGC"।

लंबे समय तक, वैज्ञानिक इन विशिष्ट पृष्ठों को पढ़ने के लिए संघर्ष करते रहे। क्योंकि यह टेक्स्ट बहुत अधिक दोहराया जाता है, इसलिए यह एक ऐसी किताब को पढ़ने जैसा है जहाँ एक ही पैराग्राफ लगातार 50 बार छपा हुआ है; पन्ने आपस में फंस जाते हैं, और यह बताना कठिन हो जाता है कि एक प्रति कहाँ समाप्त होती है और अगली कहाँ से शुरू होती है। इसने विभिन्न प्रजातियों, जैसे कि मानव और चिंपांजी के बीच इन "रिपीट सेक्शन्स" की तुलना करना कठिन बना दिया था।

नया मानचित्र
इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने प्राइमेट DNA के बिल्कुल नए, उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले मानचित्रों (विशेष रूप से "टेलोमेर-टू-टेलोमेर" जीनोम, जिसका अर्थ है कि उन्होंने अंततः सभी लुप्त कड़ियों को भर दिया है) का उपयोग किया और 46 मनुष्यों और 23 चिंपांजी के विस्तृत डेटा का अवलोकन किया। उन्होंने इन रिपीट सेक्शन्स का एक पूर्ण कैटलॉग बनाया और उन्हें आमने-सामने देखने के लिए उपकरणों का एक नया सेट तैयार किया, जिससे यह देखा जा सके कि वे एक प्रजाति के भीतर (जैसे दो मनुष्यों के बीच) और विभिन्न प्रजातियों के बीच (जैसे एक मानव और एक चिंपांजी के बीच) कैसे बदलते हैं।

DNA के "गोल्डिलॉक्स" (Goldilocks) क्षेत्र
शोधकर्ताओं ने पाया कि ये रिपीट्स अलग-अलग व्यवहार करते हैं, इस आधार पर कि वे DNA लाइब्रेरी में कहाँ स्थित हैं:

• कठोर क्षेत्र (The Strict Zones): जब रिपीट्स "कोडिंग" वाले खंडों (उन हिस्सों में जो प्रोटीन बनाते हैं) या निर्देशों की शुरुआत (5' UTRs) में पाए जाते हैं, तो वे बहुत स्थिर होते हैं। वे अधिक नहीं बदलते। ऐसा लगता है जैसे प्रकृति यहाँ एक "छूना मना है" का संकेत लगा रही है। यह स्थिरीकरण चयन (stabilizing selection) का सुझाव देता है: प्रकृति सक्रिय रूप से इन विशिष्ट रिपीट्स को बिल्कुल वैसा ही रखने की कोशिश कर रही है क्योंकि उन्हें बदलने से कुछ महत्वपूर्ण टूट सकता है।
• आश्चर्यजनक स्वीट स्पॉट (The Surprising Sweet Spot): भले ही मुख्य कोडिंग खंडों में रिपीट्स दुर्लभ हैं (क्योंकि वे वहाँ जोखिम भरे होते हैं), वे "5' UTR" क्षेत्रों में आश्चर्यजनक रूप से सामान्य हैं। इन क्षेत्रों के बारे में सोचें जो जीन्स के "कंट्रोल नॉब्स" (नियंत्रण बटन) की तरह हैं। तथ्य यह है कि यहाँ रिपीट्स भरे हुए हैं, यह सुझाव देता है कि वे जीन्स के काम करने के तरीके को ट्यून करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, और यह लाभ उनके अस्थिर होने के जोखिम से कहीं अधिक मूल्यवान है।

विकासवादी स्पीडोमीटर (Evolutionary Speedometers)
इस अध्ययन ने यह भी देखा कि ये रिपीट्स कितनी तेज़ी से उत्परिवर्तित (mutate/बदलते) होते हैं। उन्होंने पाया कि परिवर्तन की दर वही है जो हम वंशावली (माता-पिता और बच्चों के त्रिक/trios) और गहरी विकासवादी इतिहास से अपेक्षा करते हैं।

"विशेष" रिपीट्स की खोज
यह पता लगाने के लिए कि कौन से रिपीट्स सक्रिय रूप से विकास द्वारा आकार दिए जा रहे हैं (बजाय इसके कि वे केवल यादृच्छिक रूप से बदल रहे हों), वैज्ञानिकों ने एक चतुर सांख्यिकीय पद्धति ("HKA-जैसा दृष्टिकोण") का उपयोग किया जो यह ध्यान में रखती है कि एक विशिष्ट स्थान आमतौर पर कितनी तेज़ी से उत्परिवर्तित होता है।

• परिणाम: उन्होंने विशिष्ट रिपीट्स पाए जो दिशात्मक चयन (directional selection) (एक विशिष्ट दिशा में बदलने के लिए प्रेरित होना) या संतुलन चयन (balancing selection) (विविधता बनाए रखना) के संकेत दिखाते हैं।
• संबंध: ये विशेष रिपीट्स तंत्रिका तंत्र (nervous system) और मस्तिष्क की कोशिकाओं के जुड़ाव से संबंधित जीन्स में भारी मात्रा में केंद्रित हैं। यह संकेत देता है कि ये दोहराव वाले पैटर्न शायद एक प्रमुख तत्व हैं कि कैसे मानव मस्तिष्क, चिंपांजी के मस्तिष्क से भिन्न विकसित हुआ।

वॉल्यूम कंट्रोल और अनियंत्रित उत्परिवर्तन (Runaway Mutations)
अध्ययन में यह भी पता चला कि जब ये रिपीट्स किसी जीन के "स्टार्ट बटन" (promoters) के पास होते हैं, तो वे इस बात से जुड़े होते हैं कि कितना प्रोटीन बनाया जाता है। विशेष रूप से, यह संबंध मस्तिष्क के विकास के मॉडलों में बहुत मजबूत है। यह सुझाव देता है कि इन रिपीट्स को थोड़ा बदलकर (tweaking) प्रकृति अनुकूलन के लिए जीन अभिव्यक्ति (gene expression) के "वॉल्यूम को ऊपर या नीचे" करने का एक तरीका अपना सकती है।

अंत में, विशिष्ट लक्षणों से जुड़े रिपीट्स को देखते समय, मनुष्यों में चिंपांजी की तुलना में लंबी रिपीट लंबाई और अधिक विविधता देखी गई। यह एक "रनवे" प्रभाव (runaway effect) जैसा दिखता है, जहाँ मानव वंश में उत्परिवर्तन जमा होते गए, जो संभवतः विशिष्ट विकासवादी दबावों द्वारा संचालित थे।

बड़ी तस्वीर (The Big Picture)
संक्षेप में, यह शोध पत्र हमें हमारे DNA के "रिपीट सेक्शन्स" को पढ़ने का एक नया तरीका देता है। यह दिखाता है कि जबकि प्रकृति हमें सुरक्षित रखने के लिए कुछ रिपीट्स को स्थिर रखती है, वह अन्यों का उपयोग नवाचार को गति देने के लिए लचीले उपकरणों के रूप में भी करती है, विशेष रूप से हमारे मस्तिष्क के विकास और हमारे जीन्स के नियमन में।