J-domain proteins stimulate PKL-mediated chromatin compaction at H3K4-hypomethylated genomic loci
यह अध्ययन प्रकट करता है कि *Arabidopsis thaliana* में, J-डोमेन प्रोटीन का एक उपपरिवार H3K4me3 की कमी को महसूस करने के लिए क्रोमैटिन रिमॉडलर PKL को स्थिर और सक्रिय करता है, जिससे विशिष्ट जीनोमिक लोकी पर क्रोमैटिन संकुचन (compaction) प्रेरित होता है ताकि विकासात्मक रूप से विनियमित जीन को दबाया जा सके और प्रमुख विकासात्मक संक्रमणों को सुगम बनाया जा सके।
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प्रत्येक जीवित कोशिका के भीतर, डीएनए के लंबे धागे ढीले और तैरते हुए नहीं होते; वे हिस्टोन नामक स्पूल जैसी प्रोटीनों के चारों ओर कसकर लिपटे होते हैं, जो क्रोमैटिन नामक एक सघन पदार्थ का निर्माण करते हैं। यह पैकेजिंग आनुवंशिक कोड को एक सूक्ष्म स्थान में फिट करने के लिए आवश्यक है, लेकिन यह एक बाधा भी उत्पन्न करती है। किसी जीव के निर्माण के निर्देशों को पढ़ने के लिए, कोशिका को इन स्पूलों को अस्थायी रूप से ढीला करके डीएनए को उजागर करना पड़ता है। क्रोमैटिन के खुले या बंद होने की डिग्री यह निर्धारित करती है कि कौन से जीन सक्रिय हैं और कौन से शांत (silent) हैं। पौधों में, जानवरों की तरह ही, सही समय पर जीन को चालू या बंद करने की क्षमता ही यह तय करती है कि एक बीज अंकुर बन जाए और एक अंकुर अंततः फूल बन जाए। यदि यह पैकेजिंग प्रणाली विफल हो जाती है, तो पौधा भ्रूण अवस्था में ही फंसा रह सकता है या प्रजनन करने में विफल हो सकता है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि क्रोमैटिन रिमॉडलर नामक विशेष आणविक मशीनें इन स्पूलों को कसने या ढीला करने वाले हाथों के रूप में कार्य करती हैं, लेकिन वे सटीक संकेत जो इन मशीनों को बताते हैं कि उन्हें कहाँ काम करना है और कब रुकना है, एक रहस्य बना हुआ था।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब मॉडल पौधे अरैबिडोप्सिस थैलियाना (Arabidopsis thaliana) में एक विशिष्ट तंत्र का पता लगाया है जो यह बताता है कि कोशिका विशिष्ट क्षेत्रों में क्रोमैटिन को सघन करने और जीन को शांत करने का निर्णय कैसे लेती है। उन्होंने पाया कि PICKLE नामक एक प्रोटीन, जो एक क्रोमैटिन रिमॉडलर के रूप में कार्य करता है, अकेला काम नहीं करता है। इसके बजाय, यह जे-डोमेन (J-domain) प्रोटीनों के एक परिवार के चार संबंधित प्रोटीनों के साथ साझेदारी करता है। साथ मिलकर, वे एक जटिल संरचना (complex) बनाते हैं जो एक लक्षित संपीड़न दल (targeted compaction crew) की तरह कार्य करती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस दल को स्वयं हिस्टोन स्पूलों की रासायनिक अवस्था द्वारा निर्देशित किया जाता है। विशेष रूप से, जे-डोमेन प्रोटीन ऐसे सेंसर के रूप में कार्य करते हैं जो यह पता लगा सकते हैं कि हिस्टोन पूंछ से एक विशिष्ट रासायनिक टैग, जिसे H3K4me3 कहा जाता है, गायब है। जब यह टैग अनुपस्थित होता है, तो जे-डोमेन प्रोटीन हिस्टोन से मजबूती से जुड़ जाते हैं, जो बदले में PICKICLE मशीन को जगा देता है, जिससे यह डीएनए स्पूलों को एक-दूसरे के करीब खिसकाने और जीन गतिविधि को बंद करने में सक्षम होता है।
यह अध्ययन उन भागीदारों की पहचान करने से शुरू हुआ जो PICKLE को कार्य करने में मदद करते हैं। प्रोटीन को निकालने की एक तकनीक का उपयोग करते हुए, जिससे यह देखा जा सके कि वे किसे पकड़े हुए हैं, शोधकर्ताओं ने पाया कि PICKLE लगातार चार विशिष्ट जे-डोमेन प्रोटीनों और PAP नामक एक छोटे प्रोटीन के साथ जुड़ा रहता है। यह समझने के लिए कि उसके साथी क्या करते हैं, टीम ने ऐसे उत्परिवर्ती (mutant) पौधे बनाए जिनमें एक या अधिक प्रोटीन की कमी थी। केवल एक या दो जे-डोमेन प्रोटीन की कमी वाले पौधे सामान्य दिखाई दिए, लेकिन तीन या चार की कमी वाले पौधों में गंभीर विकासात्मक दोष दिखाई दिए। ये उत्परिवर्ती पौधे आकार में छोटे थे, सामान्य से बहुत देर से पुष्पित हुए, और उनकी जड़ों ने भ्रूण के लक्षण बनाए रखे, जो उन पौधों में देखे जाने वाले "पिकल" (अचार) के आकार जैसा था जिनमें PICKLE प्रोटीन की कमी होती है। इससे पता चला कि जे-डोमेन प्रोटीन और PICKLE एक ही मार्ग (pathway) में मिलकर काम करते हैं ताकि पौधे की वृद्धि और जीवन चक्र को नियंत्रित किया जा सके।
आगे की जांच से पता चला कि जे-डोमेन प्रोटीन केवल निष्क्रिय सहायक नहीं हैं; वे PICKLE प्रोटीन को स्थिर रखने के लिए आवश्यक हैं। जिन पौधों में जे-डोमेन प्रोटीन की कमी थी, उनमें PICKLE प्रोटीन की मात्रा काफी कम हो गई, जिससे स्पष्ट हुआ कि वे पौधे PICKLE की कमी वाले पौधों के कितने समान दिखते हैं। शोधकर्ताओं ने जीनोम की जांच की ताकि यह देखा जा सके कि ये प्रोटीन कहाँ काम कर रहे हैं। उन्होंने पाया कि PICKLE और जे-डोमेन प्रोटीन डीएनए के पूरे स्थानों पर, विशेष रूप से उन क्षेत्रों में बंधते हैं जहाँ जीन शुरू होने से ठीक पहले होते हैं। उत्परिवर्ती पौधों में, जिनमें इन प्रोटीनों की कमी थी, इन विशिष्ट स्थानों पर क्रोमैटिन अधिक खुला और सुलभ हो गया, जबकि स्वस्थ पौधों में, यह कसकर पैक रहा। इसने पुष्टि की कि यह कॉम्प्लेक्स इन क्षेत्रों को बंद रखने और जीन को शांत रखने के लिए जिम्मेदार है।
यह समझने के लिए कि यह कॉम्प्लेक्स बिल्कुल कहाँ जाना जानता है, शोधकर्ताओं ने प्रोटीनों की संरचना का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि जे-डोमेन प्रोटीनों में एक विशिष्ट क्षेत्र होता है, जिसे उन्होंने हिस्टोन-बाइंडिंग डोमेन नाम दिया है, जो हिस्टोन पूंछ के लिए एक सेंसर के रूप में कार्य करता है। विस्तृत प्रयोगों के माध्यम से, उन्होंने दिखाया कि यह सेंसर हिस्टोन पूंछ से केवल तभी मजबूती से जुड़ता है जब H3K4me3 टैग अनुपस्थित होता है। यदि टैग मौजूद है, तो सेंसर नहीं जुड़ पाता है। यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि H3K4me3 एक ऐसा निशान है जो सक्रिय जीन से जुड़ा होता है। इस निशान की अनुपस्थिति को महसूस करके, जे-डोमेन प्रोटीन यह सुनिश्चित करते हैं कि क्रोमैटिन संपीड़न मशीन केवल उन्हीं क्षेत्रों में तैनात की जाए जहाँ जीन को बंद किया जाना चाहिए, जैसे कि उन जीनों के ऊपर के क्षेत्र जिन्हें विकास के दौरान दबाने (repress) की आवश्यकता होती है।
शोधकर्ताओं ने डीएनए स्पूल पर बैठे PICKLE प्रोटीन की त्रि-आयामी संरचना का भी निर्धारण किया। उन्होंने पाया कि PICKीले (PICKLE) एक अद्वितीय मोटिफ का उपयोग करता है, जो RYA नामक एक छोटा संरचनात्मक फीचर है, जो न्यूक्लियोसोम को पकड़ने और डीएनए को थोड़ा खोलने (unwrapping) के लिए है। मशीन को कार्य करने के लिए यह क्रिया आवश्यक है। हालांकि, जे-डोमेन प्रोटीन सीधे डीएनए या PICKLE के मुख्य मोटर से नहीं जुड़ते हैं। इसके बजाय, वे PICKLE प्रोटीन के एक अलग हिस्से से जुड़ते हैं और अपने हिस्टोन-बाइंडिंग डोमेन के माध्यम से हिस्टोन पूंछ से चिपक जाते हैं। यह दोहरा जुड़ाव कॉम्प्लेक्स को स्थिर करता है और इसकी गतिविधि को बढ़ाता है, जिससे यह न्यूक्लियोसोम को खिसकाने और क्रोमैटिन को सघन करने में बहुत अधिक कुशल बन जाता है।
जब शोधकर्ताओं ने जे-डोमेन प्रोटीनों से हिस्टोन-बाइंडिंग डोमेन को हटा दिया, तो कॉम्प्लेक्स ने प्रभावी ढंग से क्रोमैटिन को सघन करने की अपनी क्षमता खो दी, भले ही प्रोटीन अभी भी PICKLE से जुड़ सकते थे। उत्परिवर्ती पौधों में देखे गए विकासात्मक दोषों को ठीक करने में ये दोषपूर्ण प्रोटीन विफल रहे, जिससे यह सिद्ध हुआ कि हिस्टोन पूंछ को महसूस करने की क्षमता इस कॉम्प्लेक्स के जैविक कार्य के लिए आवश्यक है। अध्ययन का निष्कर्ष यह है कि यह तंत्र पौधे को सक्रिय जीन मार्क की अनुपस्थिति को महसूस करने और क्रोमैटिन को कसने के माध्यम से प्रतिक्रिया करने की अनुमति देता है, जिससे उन जीनों की अभिव्यक्ति को रोका जा सके जिन्हें शांत रहना चाहिए। यह प्रक्रिया पौधे के लिए जीवन के एक चरण से दूसरे चरण में जाने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, यह सुनिश्चित करती है कि जैसे-जैसे अंकुर बढ़ता है, भ्रूण के जीन बंद हो जाएं और पुष्पन (flowering) सही समय पर हो। यह कार्य प्रकट करता है कि एक परिष्कृत प्रणाली जहाँ कोशिका अपने स्वयं के डीएनए पैकेजिंग के रासायनिक परिदृश्य का उपयोग उस मशीनरी को निर्देशित करने के लिए करती है जो उसके विकास को नियंत्रित करती है।
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