Emergence of new function through evolutionary divergence of an intrinsically disordered region
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि पैरलॉगस प्रोटीन FCHO1 और FCHO2 का कार्यात्मक विचलन एक अंतर्निहित अव्यवस्थित क्षेत्र (intrinsically disordered region) के भीतर एक क्षणिक सर्पिल संरचना (transient helical structure) के विकासवादी अधिग्रहण से उत्पन्न होता है, जो दोनों प्रोटीनों द्वारा साझा की जाने वाली पूर्वज झिल्ली-बाइंडिंग गतिविधि को संरक्षित करते हुए FCHO1 को नई स्व-संयोजन (self-association) क्षमताएं प्रदान करता है।
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कोशिका के भीतर जीवन सामग्रियों के एक निरंतर, संगठित प्रवाह पर निर्भर करता है। इस प्रवाह को चालू रखने के लिए, कोशिकाएं प्रोटीन से बनी नन्ही मशीनों का उपयोग करती हैं जो कोशिका की बाहरी त्वचा को पकड़ती हैं, उसे अंदर की ओर खींचती हैं, और एक बुलबुला बनाती हैं जो कार्गो (माल) को वहां ले जाता है जहां उसकी आवश्यकता होती है। एंडोसाइटोसिस (endocytosis) के रूप रूप में ज्ञात यह प्रक्रिया, प्रोटीनों के एक विशिष्ट समूह की मांग करती है जो अग्रदूतों (pioneers) के रूप में कार्य करते हैं, जो पहले पहुँचकर स्थान को चिह्नित करते हैं और बाकी टीम को बुलाते हैं। लंबे समय तक, वैज्ञानिक मानते थे कि ये प्रोटीन कैसे कार्य करते हैं, इसके निर्देश उनके कठोर, मुड़े हुए आकारों में लिखे गए थे। हालांकि, शोध के एक बढ़ते समूह ने दिखाया है कि कई प्रोटीनों में लंबे, लचीले खंड होते हैं जो किसी निश्चित आकार में नहीं मुड़ते हैं। इन्हें 'इंट्रिन्सिकली डिसऑर्डर्ड रीजन' (intrinsically disordered regions) कहा जाता है। हालांकि इनमें कोई स्थायी संरचना नहीं होती, फिर भी वे बेकार नहीं हैं; इसके बजाय, वे लचीले संयोजकों के रूप में कार्य करते हैं जो प्रोटीनों को कई अलग-अलग भागीदारों के साथ बातचीत करने की अनुमति देते हैं। बड़ा प्रश्न जो अनसुलझा रह गया है वह यह है कि ये लचीले, आकारहीन खंड विकास (evolution) के दौरान अपनी मौजूदा क्षमताओं को खोए बिना अचानक एक नया, विशिष्ट कार्य कैसे प्राप्त कर सकते हैं।
दो प्रोटीन, जिन्हें FCHO1 और FCHO2 नाम दिया गया है, इस रहस्य में एक स्पष्ट खिड़की प्रदान करते हैं। वे चचेरे भाई हैं, जो एक प्राचीन जीन के दोहराव (duplication) से उत्पन्न हुए हैं, और वे दोनों एक ही कोशिकीय प्रक्रिया के लिए अग्रदूत के रूप में कार्य करते हैं। अपने साझा इतिहास और समान समग्र डिजाइन के बावजूद, वे विशिष्ट कार्य करते हैं और एक-दूसरे का स्थान नहीं ले सकते। यदि एक गायब हो जाता है, तो दूसरा उसके कर्तव्यों को नहीं संभाल सकता। शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए प्रयास किया कि ये दो लगभग समान प्रोटीन इतने अलग व्यवहार क्यों करते हैं। परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी (nuclear magnetic resonance spectroscopy) नामक तकनीक का उपयोग करके, जो वैज्ञानिकों को प्रोटीन में परमाणुओं की गति को देखने की अनुमति देती है, उन्होंने खोजा कि अंतर लचीले क्षेत्रों के भीतर एक विशिष्ट, क्षणिक परिवर्तन में निहित है। जबकि FCHO2 का डिसऑर्डर्ड क्षेत्र पूरी तरह से आकारहीन रहता है, FCHO1 में संबंधित क्षेत्र कभी-कभी एक तंग, सर्पिल आकार में बदल जाता है जिसे हेलिक्स (helix) कहा जाता है। यह सर्पिल स्थायी नहीं है; यह तेजी से बनता और घुलता है, लेकिन यह इतना स्थिर है कि इसे पहचाना और अध्ययन किया जा सके।
अध्ययन से पता चला कि यह अस्थायी सर्पिल प्रोटीन के अद्वितीय व्यवहार की कुंजी है। FCHO1 में, हेलिक्स एक चुंबक की तरह कार्य करता है जो प्रोटीनों को एक-दूसरे से चिपका देता है, जिससे वे कोशिका के भीतर बड़े समूहों में एकत्रित होने के लिए प्रेरित होते हैं। FCHO2 में यह हेलिक्स नहीं है और परिणामस्वरूप, यह उसी तरह से गुच्छे नहीं बनाता है। यह सिद्ध करने के लिए कि यह छोटा संरचनात्मक लक्षण ही अंतर का एकमात्र कारण था, शोधकर्ताओं ने एक सटीक प्रयोग किया। उन्होंने FCHO1 से हेलिक्स के लिए जेनेटिक कोड लिया और उसे FCHO2 में डाल दिया। यह सरल जोड़ FCHO2 को बदलने के लिए पर्याप्त था, जिससे उसे अपने स्वयं के साथ जुड़ने और अपने चचेरे भाई की तरह कोशिकीय संरचनाओं को बनाने की क्षमता मिल गई। यह निष्कर्ष दर्शाता है कि एक नया कार्य केवल इसलिए उभर सकता है क्योंकि एक डिसऑर्डर्ड क्षेत्र में एक क्षणिक संरचना बनाने की क्षमता आ जाती है, जिससे एक लचीले खंड को एक कार्यात्मक मॉड्यूल में बदल दिया जाता जिसे प्रोटीनों के बीच स्थानांतरित किया जा सकता है।
विकासवादी विश्लेषण (Evolutionary analysis) ने दिखाया कि यह हेलिकल क्षमता इन प्रोटीनों के मूल पूर्वज में मौजूद नहीं थी। यह केवल जीन के दोहराव के बाद प्रकट हुई, और समय के साथ, इस आकार को बनाने की प्रवृत्ति अधिक मजबूत और विश्वसनीय होती गई। उल्लेखनीय रूप से, जैसे ही FCHO1 ने यह नई क्षमता प्राप्त की, इसने दोनों प्रोटीनों का मूल कार्य भी बनाए रखा: कोशिका झिल्ली से जुड़ने की क्षमता। वह क्षेत्र जो नया हेलिक्स बनाता था, उसने सतह से जुड़ने के अपने प्राचीन कार्य को भी निभाया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि एक प्रोटीन अपने पुराने व्यवहार को छोड़े बिना एक नया व्यवहार विकसित कर सकता है। यह कार्य एक स्पष्ट तंत्र प्रदान करता है कि कैसे प्रकृति उन प्रोटीनों को विशिष्ट बना सकती है जो समान रूप से शुरू होते हैं। एक लचीले क्षेत्र में एक छोटा, अस्थायी संरचना जोड़कर, विकास कोशिका के लिए एक नया उपकरण बना सकता है जबकि उन आवश्यक कार्यों को सुरक्षित रखता है जो जीव को जीवित रखते हैं।
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