ATAC-seq and MNase-seq Detect Distinct Modes of Chromatin Accessibility

प्रत्येक कोशिका के केंद्रक (न्यूक्लियस) के भीतर, जेनेटिक कोड एक ढीली, खुली किताब की तरह नहीं फैला होता है। इसके बजाय, डीएनए (DNA) के लंबे धागे न्यूक्लियोसोम नामक प्रोटीन स्पूल के चारों ओर कसकर लिपटे होते हैं, जो क्रोमैटिन (chromatin) नामक एक सघन, संगठित संरचना बनाते हैं। एक कोशिका को अपने जीन को पढ़ने और आवश्यक प्रोटीन बनाने के लिए, उस मशीनरी को, जो यह कार्य करती है, डीएनए तक पहुँचने में सक्षम होना चाहिए। इसका अर्थ है कि क्रोमैटिन को विशिष्ट स्थानों पर "खुला" या सुलभ होना चाहिए। वैज्ञानिक लंबे समय से इन खुले क्षेत्रों का मानचित्र बनाने के लिए दो मुख्य उपकरणों पर निर्भर रहे हैं: एक जो एक पाचन एंजाइम का उपयोग करके असुरक्षित डीएनए को खा जाता है, और दूसरा जो सुलभ स्थानों को काटने और टैग करने के लिए एक आणविक मशीन का उपयोग करता है। वर्षों तक, वैज्ञानिक समुदाय ने यह मान लिया था कि ये दोनों उपकरण केवल अलग-अलग कोणों से एक ही चीज़ को देख रहे हैं, जो इस बात का दोहरा नक्शा प्रदान करते हैं कि डीएनए कहाँ व्यवसाय के लिए स्वतंत्र है।

एक नया अध्ययन इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देता है, यह दिखाते हुए कि ये दो उपकरण वास्तव में जीनोम की दो बहुत अलग अवस्थाओं को प्रकट कर रहे हैं। शोधकर्ताओं ने, जो मुख्य रूप से बडिंग यीस्ट (budding yeast) पर काम कर रहे थे—जो एक सरल जीव है जिसका छोटा जीनोम जटिल जीवन को समझने के लिए एक शक्तिशाली मॉडल के रूप में कार्य करता है—इन दो विधियों की आमने-सामने तुलना की। उन्होंने पाया कि दोनों तकनीकों द्वारा बनाए गए मानचित्र शायद ही कभी मेल खाते थे। वास्तव में, पहली विधि द्वारा पहचाने गए खुले क्षेत्रों में से केवल एक-पंचमांश ही दूसरे द्वारा बनाए गए मानचित्र पर दिखाई दिए। यह विसंगति कोई गलती या तकनीकी त्रुटि नहीं है; यह इस बात की एक मौलिक विशेषता है कि क्रोमैटिन कैसे व्यवहार करता है। अध्ययन बताता है कि जिसे वैज्ञानिक "खुला क्रोमैटिन" कह रहे हैं, वह वास्तव में दो अलग-अलग जैविक घटनाओं का मिश्रण है: एक जो एक स्थिर, खाली स्थान का प्रतिनिधित्व करता है जहाँ न्यूक्लियोसोम पूरी तरह से गायब हैं, और दूसरा जो एक गतिशील, परिवर्तनशील क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करता है जहाँ न्यूक्लियोसोम अभी भी मौजूद हैं लेकिन उन्हें लगातार कोशिकीय मशीनरी द्वारा धकेला और खींचा जा रहा है।

शोधकर्ताओं ने दोनों तकनीकों के साथ यीस्ट जीनोम का मानचित्रण करके शुरुआत की। पहली विधि, जो एक पाचन एंजाइम का उपयोग करती है, उन क्षेत्रों की पहचान करती है जहाँ न्यूक्लियोसोम पूरी तरह से अनुपस्थित होते हैं, जिससे प्रोटीन स्पूल में एक स्पष्ट अंतराल बन जाता है। ये अंतराल, जिन्हें न्यूक्लियोसोम-डेप्लिटेड रीजन (nucleosome-depleted regions) कहा जाता है, आमतौर पर जीन के प्रारंभ में पाए जाते हैं जहाँ ट्रांसक्रिप्शन मशीनरी को एकत्रित होने की आवश्यकता होती है। दूसरी विधि, जो डीएनए को काटने और टैग करने के लिए एक आणविक मशीन का उपयोग करती है, उन क्षेत्रों की पहचान करती है जहाँ डीएनए इतना सुलभ है कि मशीन उससे जुड़ सके। जब टीम ने इन दोनों मानचित्रों को एक के ऊपर एक रखा, तो परिणाम चौंकाने वाले थे। पहली विधि द्वारा पाए गए अंतरालों में से केवल लगभग बीस प्रतिशत ही दूसरे द्वारा पता लगाए गए थे। इसके विपरीत, दूसरी विधि द्वारा पहचाने गए सुलभ स्थानों में से केवल आधा ही पहले विधि द्वारा पाए गए अंतरालों के अनुरूप था। इसका अर्थ था कि जीनोम का एक बड़ा हिस्सा एक उपकरण द्वारा "खुला" और दूसरे द्वारा "बंद" या व्यस्त पढ़ा जा रहा था।

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हो रहा था, टीम ने पहले इस विचार को खारिज कर दिया कि अंतर केवल इसलिए है क्योंकि एंजाइमों की कुछ विशिष्ट डीएनए अनुक्रमों के प्रति अलग-अलग प्राथमिकताएं हैं। उन्होंने यह भी जांचा कि क्या अंतरालों का आकार मायने रखता है, यह पाते हुए कि हालांकि छोटे अंतराल पहचानना कठिन था, लेकिन अकेले यह बड़े अंतर की व्याख्या नहीं कर सकता था। इसके बजाय, उन्होंने खोजा कि दोनों विधियाँ क्रोमैटिन के विभिन्न भौतिक गुणों के प्रति संवेदनशील थीं। पहली विधि द्वारा पहचाने गए अंतराल स्थिर, खाली स्थान थे जहाँ डीएनए वास्तव में न्यूक्लियोसोम से मुक्त था। इन क्षेत्रों को अक्सर विशिष्ट प्रोटीनों द्वारा चिह्नित किया जाता है जो जीन ट्रांसक्रिप्शन शुरू करने में मदद करते हैं। इसके विपरीत, दूसरी विधि द्वारा पहचाने गए स्थान अक्सर वे क्षेत्र थे जहाँ न्यूक्लियोसोम अभी भी मौजूद थे लेकिन अत्यधिक गतिशील थे। ये न्यूक्लियोसोम स्थिर नहीं थे; उन्हें लगातार अस्थिर किया जा रहा था, खोला जा रहा था, या को-रेगुलेटर्स (co-regulators) नामक शक्तिशाली कोशिकीय मशीनों द्वारा हटाया जा रहा था।

अध्ययन ने एक विशिष्ट कोशिकीय मशीन परिवार, जिसे SWI/SNF कहा जाता है, को इस गतिशील सुलभता के मुख्य चालक के रूप में चिन्हित किया। जब शोधकर्ताओं ने यीस्ट कोशिकाओं से इन मशीनों को हटा दिया, तो दूसरी विधि के संकेत गायब हो गए, भले ही पहली विधि द्वारा पहचाने गए स्थिर अंतराल काफी हद तक अपरिवर्तित रहे। इसने सिद्ध कर दिया कि दूसरी विधि केवल खाली स्थान को नहीं देख रही थी, बल्कि वह इन मशीनों की गतिविधि का पता लगा रही थी जो क्रोमैटिन संरचना को ढीला करने के काम में लगी हुई थीं। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि विभिन्न प्रकार के ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर्स—वे प्रोटीन जो तय करते हैं कि कौन से जीन चालू किए जाने हैं—के इन दो प्रकार के खुले क्रोमैटिन को बनाने की अलग-अलग क्षमताएं होती हैं। कुछ कारक केवल न्यूक्लियोसोम को एक तरफ धकेल कर एक स्थिर अंतराल बना सकते हैं, जबकि अन्य को उस गतिशील, सुलभ अवस्था बनाने के लिए SWI/SNF मशीनों को नियुक्त करने की आवश्यकता होती है जिसे दूसरी विधि पहचानती है।

यह अंतर केवल यीस्ट तक ही सीमित नहीं है। शोधकर्ताओं ने अन्य जीवों, जिनमें यीस्ट का एक अन्य प्रकार, फ्रूट फ्लाई और मानव कोशिकाएं शामिल हैं, में अपना विश्लेषण दोहराया। हर मामले में, उन्होंने पाया कि वही पैटर्न था: दोनों विधियाँ खुले क्रोमैटिन के विभिन्न उपसमुच्चयों (subsets) की पहचान कर रही थीं। मानव कोशिकाओं में, दूसरी विधि द्वारा पहचाने गए गतिशील क्षेत्र अक्सर उन्हीं कोशिकीय मशीनों से जुड़े थे जो यीस्ट में पाई गई थीं, जो यह सुझाव देते हैं कि यह तंत्र जटिल जीवों द्वारा अपने जीन को विनियमित करने का एक मौलिक हिस्सा है। निष्कर्ष बताते हैं कि जब वैज्ञानिक इन मानचित्रों को देखते हैं, तो वे केवल एक स्थिर चित्र नहीं देख रहे होते हैं कि डीएनए कहाँ मुक्त है। वे एक जटिल परिदृश्य देख रहे हैं जहाँ कुछ क्षेत्र यातायात के लिए स्थायी रूप से खाली किए गए हैं, जबकि अन्य निर्माण क्षेत्र हैं जहाँ सड़क को कोशिकीय श्रमिकों द्वारा लगातार खोला और बंद किया जा रहा है।

इस कार्य के निहितार्थ जीन विनियमन (gene regulation) को समझने के हमारे तरीके के लिए महत्वपूर्ण हैं। यह सुझाव देता है कि किसी जीन का चालू या बंद होने की क्षमता केवल इस बारे में नहीं है कि डीएनए शारीरिक रूप से सुलभ है या नहीं, बल्कि सुलभता के विशिष्ट प्रकार के बारे में है। एक स्थिर अंतराल उस जीन के लिए पर्याप्त हो सकता है जो हमेशा चालू रहता है, जबकि एक गतिशील, मशीन-चालित सुलभता उन जीनों के लिए आवश्यक हो सकती है जिन्हें पर्यावरण में परिवर्तनों के प्रति तेजी से प्रतिक्रिया करने की आवश्यकता होती है। यह जानकर कि ये दो उपकरण अलग-अलग चीजें मापते हैं, वैज्ञानिक अब अपने डेटा की अधिक सटीकता के साथ व्याख्या कर सकते हैं। वे एक ऐसे जीन के बीच अंतर कर सकते हैं जो बस एक खुले मैदान में प्रतीक्षा कर रहा है और एक ऐसे जीन के बीच जो सक्रिय रूप से कोशिका की नियामक मशीनरी द्वारा कार्रवाई के लिए तैयार किया जा रहा है। जीनोम की भौतिक स्थिति की यह गहरी समझ हमें जीवन के जटिल तर्क को सुलझाने के करीब लाती है, यह दिखाते हुए कि हमारे जेनेटिक कोड की सुलभता पहले की कल्पना की तुलना में कहीं अधिक सूक्ष्म और सक्रिय प्रक्रिया है।