Naturally arising de novo open reading frames as potential zinc chelators in Drosophila melanogaster

जीवन जीन की नींव पर बना है, जो माता-पिता से बच्चों को मिलने वाली निर्देश नियमावलियों (instruction manuals) की तरह हैं। अधिकांश विकासवादी इतिहास के लिए, वैज्ञानिकों का मानना था कि नए जीन केवल इन मौजूदा नियमावलियों की नकल करके और उनमें बदलाव करके ही उत्पन्न हो सकते हैं। यदि किसी प्रजाति को एक नए उपकरण की आवश्यकता होती, तो वह एक पुराने ब्लूप्रिंट को उधार लेती, उसकी एक प्रति बनाती, और धीरे-धीरे उसमें संशोधन करती जब तक कि वह कुछ अलग न करने लगे। लेकिन प्रमाणों का एक बढ़ता हुआ समूह यह सुझाव देता है कि प्रकृति एक अधिक क्रांतिकारी कार्य करने में भी सक्षम है: उस कच्चे, गैर-कोडिंग (non-coding) डीएनए का उपयोग करके, जो पहले मौन था, पूरी तरह से एक नई निर्देश नियमावली शून्य से लिख सकती है। इन्हें de novo जीन कहा जाता है। वे बिना किसी पूर्ववर्ती प्रति के, अचानक कहीं से भी प्रकट हो जाते हैं। बड़ा सवाल हमेशा से यह रहा है: यदि ये जीन इतने नए और यादृच्छिक (random) हैं, तो वे वास्तव में क्या करते हैं? बिना किसी स्पष्ट कार्य के, यह समझना कठिन है कि वे प्राकृतिक चयन (natural selection) की कठोर छँटनी में कैसे जीवित रह पाते हैं।

द रॉकफेलर यूनिवर्सिटी में अनजिन ली (UnJin Lee) द्वारा किया गया एक नया अध्ययन इस रहस्य को हल करने के लिए फ्रूट फ्लाई (Drosophila melanogaster) पर ध्यान केंद्रित करता है। शोधकर्ता ने इन हजारों नए, युवा जीनों पर ध्यान दिया जो वर्तमान में मक्खी की आबादी में दिखाई दे रहे हैं। अपने अनुक्रमों (sequences) का विश्लेषण करके, ली ने पाया कि कई नए जीन एक विशिष्ट, सरल रासायनिक क्षमता साझा करते हैं: वे धातु आयनों, विशेष रूप से जिंक (zinc) को पकड़ सकते हैं। इस क्षमता के लिए अन्य प्रोटीनों के साथ किसी जटिल, पूर्व-विद्यमान साझेदारी की आवश्यकता नहीं होती है। इसके बजाय, यह अमीनो एसिड के एक सरल पैटर्न पर निर्भर करता है—हिस्टिडीन (histidine) के जोड़े जो बिल्कुल सही अंतराल पर स्थित होते हैं, जो धातु के लिए एक छोटे हुक की तरह कार्य करते हैं। अध्ययन बताता है कि ये नए जीन मक्खियों को उनके धातु स्तर को प्रबंधित करने में मदद कर रहे होंगे, जो अस्तित्व के लिए एक महत्वपूर्ण कार्य है, और वे पुराने जीनों की नकल करके नहीं, बल्कि जीनोम की अपनी पुनरावृत्ति संरचना (repetitive structure) की एक विशेषता का लाभ उठाकर उत्पन्न हुए हैं।

कहानी जीनोम की कच्ची सामग्री को देखने से शुरू होती है। फ्रूट फ्लाई में, डीएनए के ऐसे हिस्से होते हैं जो अक्षरों के दोहराव वाले जोड़ों से बने होते हैं, विशेष रूप से C और A। इन्हें माइक्रोसेटेलाइट्स (microsatellites) कहा जाता है, और ये फैलने और सिकुड़ने के प्रति संवेदनशील होते हैं, जैसे कि एक रबर बैंड जो कभी लंबा तो कभी छोटा हो जाता है। जब कोशिका इन दोहराव वाले C-A अनुक्रमों को प्रोटीन बनाने के लिए पढ़ती है, तो जेनेटिक कोड उन्हें अमीनो एसिड की एक विशिष्ट श्रृंखला में अनुवादित करता है। C-A-C अनुक्रम हिस्टिडीन में अनुवादित होता है, और अगला C-A थ्रोनिन (threonine) में। इसलिए, इन दोहरावों का एक लंबा हिस्सा हिस्टिडीन-थ्र-हिस्टिडीन-थ्र की श्रृंखला बन जाता है। यह पैटर्न महत्वपूर्ण है क्योंकि एक अन्य अमीनो एसिड द्वारा अलग किए गए दो हिस्टिडीन ज्ञात रूप से जिंक जैसे धातु आयनों को बांधने में उत्कृष्ट होते हैं।

ली ने फ्रूट मक्खियों में इन लगभग 8,000 नए बने युवा जीनों का परीक्षण किया। विश्लेषण से एक चौंकाने वाला पैटर्न सामने आया: ये नए जीन इन विशिष्ट हिस्टिडीन जोड़ों से भरे हुए थे, जो कि यादृच्छिक संयोग से कहीं अधिक था। इसके विपरीत, मक्खी के पुराने, स्थापित धातु-बाइंडिंग प्रोटीन एक अलग रासायनिक रणनीति का उपयोग करते हैं, जो सिस्टीन (cysteine) अमीनो एसिड के जोड़ों पर निर्भर करता है। नए जीनों ने इस पुरानी विधि का उपयोग नहीं किया। इसके बजाय, वे पूरी तरह से उन हिस्टिडीन जोड़ों पर निर्भर थे जो सरल C-A दोहराव से उत्पन्न हुए थे। यह एक सीधा संबंध सुझाता है—एक अव्यवस्थित, दोहराव वाले डीएनए से एक कार्यात्मक प्रोटीन तक जो धातु को पकड़ सकता है। यह एक ऐसा तंत्र है जो एक जटिल विकासवादी इतिहास की आवश्यकता को दरकिनार कर देता है; डीएनए स्वयं, अपनी पुनरावृत्ति प्रकृति के माध्यम से, धातु को बांधने के लिए आवश्यक रासायनिक उपकरण को स्वतः उत्पन्न करता है।

यह देखने के लिए कि क्या यह केवल एक सैद्धांतिक संभावना थी या एक वास्तविक जैविक घटना, ली ने एक विशिष्ट नए जीन का पता लगाया, जिसे ZMEG नाम दिया गया है। नौ अलग-अलग फ्रूट फ्लाई प्रजातियों के जीनोम की तुलना करके, शोधकर्ता इस जीन के जन्म को 'स्लो मोशन' में देख सके। सबसे दूर के रिश्तेदारों में, इस स्थान पर डीएनए केवल एक मौन, गैर-कोडिंग हिस्सा था। जैसे-जैसे वंशावली आधुनिक फ्रूट फ्लाई की ओर बढ़ी, एक उत्परिवर्तन (mutation) ने रीडिंग फ्रेम को विस्तारित होने दिया, और C-A दोहराव का एक हिस्सा लंबा होता गया। अंततः, आधुनिक फ्रूट फ्लाई में, यह हिस्सा इतना बढ़ गया कि हिस्टिडीन की एक ऐसी श्रृंखला बना दी जो संभावित रूप से जिंक को बांध सकती थी। यह जीन एक बार में प्रकट नहीं हुआ; यह दोहराव वाले डीएनए के विस्तार के साथ चरण-दर-चरण विकसित हुआ, जिससे एक मौन अनुक्रम एक कार्यात्मक पेप्टाइड में बदल गया।

अध्ययन ने यह भी देखा कि क्या ये जीन वास्तव में सक्रिय हैं। लैब में विकसित फ्रूट फ्लाई कोशिकाओं के डेटा का उपयोग करते हुए, शोधकर्ता ने पाया कि ये नए जीन वास्तव में पढ़े जा रहे हैं और प्रोटीन में परिवर्तित हो रहे हैं, हालांकि आमतौर पर बहुत कम स्तर पर। इन जीनों की अभिव्यक्ति (expression) तब थोड़ी बढ़ जाती है जब कोशिकाओं को मैंगनीज (manganese) की उपस्थिति से तनाव होता है, जो कि उच्च मात्रा में जहरीला हो सकता है। हालांकि यह वृद्धि इतनी नाटकीय नहीं थी कि यह सिद्ध किया जा सके कि ये जीन धातु तनाव के विरुद्ध प्राथमिक रक्षा प्रणाली हैं, फिर भी यह सुझाव देती है कि वे एक व्यापक, तनाव-प्रतिक्रियाशील प्रणाली का हिस्सा हैं। शोधकर्ता का प्रस्ताव है कि ये जीन एक 'डिस्ट्रीब्यूटेड सेफ्टी नेट' (वितरित सुरक्षा जाल) के रूप में कार्य कर सकते हैं। एक या दो शक्तिशाली धातु-बाइंडिंग प्रोटीनों पर भरोसा करने के बजाय, मक्खी इन सैकड़ों नवनिर्मित छोटे पेप्टाइड्स का उपयोग धातु स्तर को प्रबंधित करने में कर सकती है। चूंकि वे सरल, दोहराव वाले डीएनए से उत्पन्न होते हैं, वे तेजी से प्रकट और लुप्त हो सकते हैं, जो प्रजातियों को बदलते वातावरण के अनुकूल होने का एक लचीला तरीका प्रदान करता है।

यह कार्य इस विचार को चुनौती देता है कि नए जीन को जटिल, विशिष्ट उपकरणों के रूप में शुरुआत करनी चाहिए। इसके बजाय, यह सुझाव देता है कि विकास जीनोम के दोहराव वाले क्षेत्रों के अंतर्निहित गुणों का लाभ उठाकर नए कार्यों का आविष्कार कर सकता है। C-A दोहराव अस्थिर हैं और बार-बार बदलते हैं, लेकिन यह अस्थिरता रचनात्मकता का एक स्रोत भी है। हर बार जब दोहराव फैलता है, तो इसमें एक विशिष्ट रासायनिक क्षमता वाला नया पेप्टाइड बनाने की क्षमता होती है। यदि वह क्षमता उपयोगी है—जैसे धातु आयन को पकड़ना—तो इसे बनाए रखा और परिष्कृत किया जा सकता है। अध्ययन यह दावा नहीं करता कि इनमें से प्रत्येक नया जीन आवश्यक है या यह सभी जीवित मक्खी में धातु बांधने के लिए सिद्ध हो चुके हैं। हालाँकि, यह एक सरल डीएनए दोहराव से एक कार्यात्मक प्रोटीन तक का एक स्पष्ट, परीक्षण योग्य मार्ग प्रदान करता है, जो दिखाता है कि प्रकृति कैसे एक 'जीनोमिक विचित्रता' को जैविक समाधान में बदल सकती है।

ये निष्कर्ष यह भी उजागर करते हैं कि जीवों द्वारा धातुओं को संभालने के बारे में हमारी समझ में एक कमी है। हालांकि हम जानते हैं कि मक्खियाँ धातुओं को कैसे स्थानांतरित करती हैं, लेकिन हम यह बहुत कम जानते कि वे उन्हें कैसे बांधती और संग्रहीत करती हैं, विशेष रूपकर स्तनधारियों की तुलना में। इन हिस्टिडीन-समृद्ध पेप्टाइड्स की खोज बताती है कि फ्रूट मक्खियाँ उस रणनीति से भिन्न रणनीति का उपयोग कर सकती हैं जो मनुष्यों में देखी जाती है, जहाँ विशिष्ट, जटिल प्रोटीन इस कार्य के लिए समर्पित होते हैं। मक्खियों में, यह कार्य इन नए, सरल पेप्टाइड्स के एक विशाल, निरंतर बदलते परिवार के बीच विभाजित हो सकता है। यह सामूहिक दृष्टिकोण प्रजातियों को एक जटिल जीन को शून्य से विकसित करने की धीमी प्रक्रिया की प्रतीक्षा किए बिना, पर्यावरणीय परिवर्तनों के प्रति तेजी से प्रतिक्रिया करने की अनुमति दे सकता है।

अंततः, यह शोध जीवन की जटिलता के उद्भव को देखने का एक नया तरीका प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि नए कार्यों के लिए कच्चा माल पहले से ही जीनोम में मौजूद है, जो उस दोहराव वाले, "जंक" डीएनए में छिपा है जिसे कभी बेकार माना जाता था। फैलने और सिकुड़ने के माध्यम से, ये दोहराव स्वतः ही ऐसे रासायनिक उपकरण उत्पन्न कर सकते हैं जो प्राकृतिक चयन द्वारा चुने जाने के लिए तैयार हैं। शोधकर्ता ने दिखाया है कि एक मौन डीएनए खंड से एक कार्यात्मक प्रोटीन तक की यात्रा सीधी हो सकती है, जो दोहरावदार अनुक्रमों को पढ़ने के जेनेटिक कोड के सरल यांत्रिकी द्वारा संचालित होती है। यह एक अनुस्मारक है कि विकास को हमेशा शून्य से एक नया घर बनाने की आवश्यकता नहीं होती; कभी-कभी, इसे बस उन ईंटों को व्यवस्थित करने की आवश्यकता होती जो पहले से ही आसपास पड़ी हुई हैं।