Dual regulation of chemical stress-induced DDI2/3 expression by a transcription factor Fzf1 and nucleosome in Saccharomyces cerevisiae

प्रत्येक जीवित कोशिका के भीतर, जेनेटिक कोड ढीले धागों की तरह स्वतंत्र रूप से नहीं तैर रहा होता है; यह न्यूक्लियोसोम नामक प्रोटीन स्पूल (तुलों) के चारों ओर कसकर लिपटा होता है। एक लंबी, नाजुक निर्देश वाली रिबन की कल्पना करें जो व्यवस्थित और सघन रखने के लिए स्पूलों की एक श्रृंखला के चारों ओर लिपटी हुई है। यह पैकेजिंग एक द्वारपाल (गेटकीपर) के रूप में कार्य करती है, जो यह तय करती है कि जेनेटिक रिबन के कौन से हिस्से उन्हें पढ़ने वाली मशीनरी के लिए सुलभ हैं और कौन से हिस्से बंद रखे गए हैं। बेकर्स यीस्ट (baker's yeast) की सूक्ष्म दुनिया में, जो एक एकल-कोशिका वाला जीव है और जिसका उपयोग अक्सर जीवन कैसे काम करता है, यह समझने के लिए किया जाता है, यह पैकेजिंग प्रणाली अस्तित्व के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। जब यीस्ट हानिकारक रसायनों का सामना करता है, तो उसे उन प्रोटीनों को बनाने के लिए विशिष्ट जीन को जल्दी से अनलॉक करना पड़ता है जो खतरे को बेअसर कर सकें। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों ने समझा था कि इन जीन को खोलने के लिए एक विशिष्ट प्रोटीन, जो एक चाबी के रूप में कार्य करता है, की आवश्यकता होती है। हालांकि, वह सटीक तंत्र जिसके द्वारा यह चाबी काम करती थी, विशेष रूप से तब जब जेनेटिक रिबन कसकर लिपटा हुआ था, एक रहस्य बना रहा।

शोधकर्ताओं ने हाल ही में यह समझने के लिए प्रयास किया कि एक विशिष्ट यीस्ट जीन, जिसे DDI2 के रूप में जाना जाता है, कोशिका के साइनामाइड (cyanamide) या मिथाइल मेथान सल्फोनेट (methyl methanesulfonate) जैसे जहरीले रसायनों के संपर्क में आने पर इतनी अविश्वसनीय गति और शक्ति के साथ कैसे सक्रिय हो जाता है। जबकि यीस्ट के अन्य जीन भी इन्हीं रसायनों के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं, वे बहुत कमजोर संकेत के साथ ऐसा करते हैं। टीम जानना चाहती थी कि DDI2 इतना अधिक प्रतिक्रियाशील क्यों था। उन्हें संदेह था कि उत्तर न केवल स्वयं चाबी में है, बल्कि इस बात में भी है कि चाबी डीएनए पैकेजिंग के स्पूलों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है। जेनेटिक इंजीनियरिंग और रासायनिक उपचारों के संयोजन का उपयोग करके, उन्होंने पाया कि जीन को उसके डीएनए के कसकर लिपटे होने के कारण गहरे मौन की स्थिति में रखा गया है। इसे चालू करने के लिए, कोशिका केवल दरवाजा नहीं खोलती; इसे पहले स्वयं रैपिंग (लपेट) को ढीला करना होगा, एक ऐसी प्रक्रिया जिसके लिए नियामक प्रोटीन (regulatory protein) से एक अद्वितीय दोहरी कार्रवाई की आवश्यकता होती है।

जांच की शुरुआत उस क्षेत्र को देखकर हुई जो DDI2 जीन शुरू होने से ठीक पहले स्थित है, जिसे प्रमोटर (promoter) कहा जाता है। यह क्षेत्र एक नियंत्रण पैनल के रूप में कार्य करता है जहाँ नियामक प्रोटीन जुड़ते हैं ताकि जीन को बताते सकें कि उसे कब काम शुरू करना है। वैज्ञानिकों ने पाया कि इस नियंत्रण पैनल में एक विशिष्ट अनुक्रम (sequence) है जिसे Fzf1 नामक प्रोटीन पहचानता है और उससे जुड़ता है। हालांकि, केवल इस बाइंडिंग साइट का होना उस भारी जीन गतिविधि की व्याख्या करने के लिए पर्याप्त नहीं था जो रसायनों के उपचार के दौरान देखी गई थी। लापता कड़ी को खोजने के लिए, शोधकर्ताओं ने प्रयोगशाला सेटिंग में प्रमोटर के खंडों को व्यवस्थित रूप से हटाया। उन्होंने डीएनए का एक लंबा हिस्सा खोजा, जो जेनेटिक कोड की लगभग 500 इकाइयों तक फैला हुआ था, जिसने एक शक्तिशाली ब्रेक के रूप में कार्य किया, जिससे रासायनिक संकेत की उपस्थिति में भी जीन बंद रहा। जब उन्होंने इस ब्रेकिंग सेक्शन को हटाया, तो जीन स्वतः ही चालू होने लगा, जिससे पता चला कि यह क्षेत्र प्राथमिक कारण था कि जीन सामान्य परिस्थितियों में शांत क्यों रहता था।

आगे की जांच से पता चला कि यह ब्रेकिंग क्षेत्र केवल डीएनए पर अक्षरों का एक अनुक्रम नहीं था; यह एक भौतिक बाधा थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि डीएनए का यह विशिष्ट हिस्सा तीन न्यूक्लियोसोम (वही प्रोटीन स्पूल जिनका उल्लेख पहले किया गया था) के चारों ओर कसकर लिपटा हुआ था। इस सख्त रैपिंग ने नियामक प्रोटीन को अपना काम करने से भौतिक रूप से रोक दिया। टीम ने एक परिकल्पना का परीक्षण किया कि क्या रासायनिक उपचार स्वयं इस पैकेजिंग को ढीला कर सकते हैं। उन्होंने यीस्ट कोशिकाओं को जहरीले रसायनों से उपचारित किया और न्यूक्लियोसोम बनाने वाले हिस्टोन (histone) प्रोटीनों के स्तर को मापा। उन्होंने पाया कि रसायनों के कारण कोशिका के भीतर इन प्रोटीनों की मात्रा में महत्वपूर्ण गिरावट आई, जिससे प्रभावी रूप से स्पूल पतले हो गए और डीएनए ढीला हो गया। यह कमी हिस्टोन की उपस्थिति के बिना भी हुई, जो यह दर्शाता है कि रसायन स्वयं कोशिका की अपनी पैकेजिंग संरचना बनाए रखने की क्षमता को नुकसान पहुँचा रहे थे।

यह देखने के लिए कि क्या पैकेजिंग का यह पतला होना इस जीन के व्यवहार को समझाने के लिए पर्याप्त था, शोधकर्ताओं ने यीस्ट का एक विशेष स्ट्रेन उपयोग किया जहाँ वे कोशिकाओं को खाए जाने वाले भोजन के स्रोत को बदलकर कृत्रिम रूप से हिस्टोन प्रोटीन को हटा सकते थे। जब हिस्टोन कम हो गए, तो DDI2 जीन चालू हो गया, लेकिन केवल मध्यम स्तर तक। इसने अपनी गतिविधि में लगभग तीस गुना वृद्धि की, जो महत्वपूर्ण तो थी, लेकिन रसायनों के प्रयोग के दौरान देखी गई हजार-गुना विस्फोट वाली गतिविधि से बहुत कम थी। यह परिणाम एक महत्वपूर्ण सुराग था। इसने दिखाया कि जबकि डीएनए पैकेजिंग को ढीला करना आवश्यक था, लेकिन यह पूरी कहानी नहीं थी। रसायन कुछ और भी कर रहे थे।

शोधकर्ताओं ने दोनों स्थितियों को मिलाया: उन्होंने हिस्टोन कम करने वाले विशेष यीस्ट स्ट्रेन का उपयोग किया और रासायनिक उपचार जोड़ा। इस परिदृश्य में, जीन की गतिविधि फिर से आसमान छू गई, जो सामान्य कोशिकाओं में देखे गए स्तरों के बराबर पहुँच गई। इसने सिद्ध किया कि रासायनिक संकेत और पैकेजिंग को ढीला करना मिलकर काम कर रहे थे। रासायनिक उपचार ने दो काम किए: इसने हिस्टोन प्रोटीनों की संख्या को कम कर दिया, जिससे डीएनए तक पहुंच आसान हो गई, और इसने नियामक प्रोटीन Fzf1 को अपना काम करने के लिए सक्रिय किया। नियामक प्रोटीन के बिना, डीएनए ढीला होने के बावजूद, जीन रासायनिक प्रतिक्रिया में चालू नहीं होता। प्रोटीन सिग्नल को पहचानने और शेष न्यूक्लियोसोम को हटाने में मदद करने, जो अभी भी जीन को ब्लॉक कर रहे थे, दोनों के लिए आवश्यक था।

अध्ययन ने अन्य जीनों का भी अध्ययन किया जो समान प्रोटीन, Fzf1 द्वारा नियंत्रित होते हैं। इन जीनों ने समान रासायनिक उपचारों के प्रति बहुत अलग तरह से प्रतिक्रिया दी। कुछ थोड़े ही चालू हुए, जबकि कुछ वास्तव में हिस्टोन को हटाने पर बंद हो गए। इस अंतर को प्रत्येक जीन के डीएनए के लिपटने के अनूठे तरीके से समझाया गया। DDI2 जीन के लिए, कसकर लिपटना एक बाधा थी, जिसे एक बार हटाने के बाद, गतिविधि में भारी उछाल आया। अन्य जीनों के लिए, रैपिंग शायद अलग तरह से व्यवस्थित थी, या जीन शायद नियंत्रण के एक अलग प्रकार के लिए हिस्टोन पर निर्भर थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि रासायनिक उपचार ने DDI2 जीन पर न्यूक्लियोसोम की संख्या को इस तरह से कम किया जो पूरी तरह से नियामक प्रोटीन की उपस्थिति पर निर्भर था। यदि प्रोटीन गायब होता, तो रसायन न्यूक्लियोसोम को नहीं हटा पाता, और जीन शांत रहता।

नियामक प्रोटीन की यह दोहरी भूमिका बताती है कि यह एक 'पायनियर' (अग्रदूत) के रूप में कार्य करता है, जो कसकर पैक किए गए डीएनए तक पहुँचने और जीन को पढ़े जाने के लिए रास्ता साफ करने में सक्षम है। शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रोटीन डीएनए पर एक विशिष्ट अनुक्रम से जुड़ता है, लेकिन इसका काम केवल उस स्थान पर चिपकने तक सीमित नहीं है। यह क्रोमैटिन संरचना (chromatin structure) को पुनर्गठित करने में भी मदद करता है, प्रभावी रूप से न्यूक्लियोसोम को रास्ते से हटा देता है ताकि जीन को पूरी तरह से सक्रिय किया जा सके। यह दो-चरणीय प्रक्रिया बताती है कि क्यों DDI2 जीन रासायनिक तनाव के दौरान इतनी नाटकीय रूप से प्रतिक्रिया दे सकता है जबकि इसके पड़ोसी ऐसा नहीं करते। जीन को एक भारी, न्यूक्लियोसोम-कवर्ड ब्रेक द्वारा रोका जाता है, और रासायनिक संकेत उस ब्रेक को छोड़ने के लिए बल प्रदान करता है, लेकिन केवल तभी जब नियामक प्रोटीन वहां प्रक्रिया का मार्गदर्शन करने के लिए मौजूद हो।

निष्कर्षों ने यह भी स्पष्ट किया कि विभिन्न रसायन यीस्ट कोशिका को कैसे प्रभावित करते हैं। जबकि दोनों साइनामाइड और मिथाइल मेथान सल्फोनेट ने हिस्टोन के स्तर को गिराया और DDI2 जीन को चालू किया, उन्होंने इसे अलग-अलग तंत्रों के माध्यम से किया। एक रसायन सीधे डीएनए को नुकसान पहुँचाने के लिए जाना जाता है, जबकि दूसरा कोशिका को इस तरह प्रभावित करता है जो कम समझा गया है। इन अंतरों के बावजूद, दोनों ने जीन में समान प्रतिक्रिया को ट्रिगर किया, जो उसी नियामक प्रोटीन और डीएनए पैकेजिंग को ढीला करने की एक ही विधि पर निर्भर था। अध्ययन ने पुष्टि की कि नियामक प्रोटीन इस प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक है, क्योंकि इसे पूरी तरह से हटाने से जीन का चालू होना रुक गया, भले ही डीएनए ढीला क्यों न हो गया हो।

अंत में, यह शोध एक स्पष्ट चित्र प्रदान करता है कि कैसे एक एकल जीन भौतिक बाधाओं और नियामक संकेतों के संयोजन द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। जीन केवल एक चाबी द्वारा चालू नहीं किया जाता; चाबी को पहले न्यूक्लियोसोम पैकेजिंग के रूप में भारी ताले को हटाने में मदद करनी होती है। यह खोज जीन विनियमन की जटिलता पर प्रकाश डालती है, यह दर्शाती है कि डीएनए की भौतिक अवस्था उतनी ही महत्वपूर्ण है जितना कि वे प्रोटीन जो इससे जुड़ते हैं। नियामक प्रोटीन के बाइंडर (जुड़ने वाले) और रिमॉडलर (पुनर्गठन करने वाले) दोनों के रूप में कार्य करने की क्षमता यह बताती है कि यह यीस्ट कोशिका को रासायनिक तनाव से बचने में मदद करने के लिए एक अद्वितीय और महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इस तंत्र को समझकर, वैज्ञानिक जीवित जीवों के अनुकूलन की गहरी अंतर्दृष्टि प्राप्त करते हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जो डीएनए, प्रोटीन और उनके आसपास के रासायनिक संकेतों के बीच के जटिल नृत्य पर निर्भर करती है।