Human-specific retrotransposons encode the regulatory logic of two lineages in a bipotent neural crest and central nervous system precursor
यह अध्ययन प्रकट करता है कि मानव-विशिष्ट रेट्रोट्रांसपोज़ोन, विशेष रूप से SVA-F और LTR5Hs, द्विपक्षीय तंत्रिका अग्रदूतों (bipotent neural precursors) में सक्रिय सिस-नियामक तत्वों के रूप में कार्य करते हैं क्योंकि वे तंत्रिका उत्क्रमणीय (neural crest) और केंद्रीय तंत्रिका तंत्र की वंशावलियों, दोनों के लिए रूपांकनों (motifs) को धारण करते हैं, जिससे वे उस नियामक तर्क को कूटबद्ध करते हैं जो प्रारंभिक विकासात्मक क्षमता को बनाए रखता है।
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मानव जीनोम को अक्सर एक पुस्तकालय के रूप में वर्णित किया जाता है, लेकिन यह उस पुस्तकालय की तरह अधिक है जिसे लगातार नई, कभी-कभी अराजक प्रविष्टियों के साथ विस्तारित किया गया है। हमारे डीएनए का लगभग आधा हिस्सा ट्रांसपोसेबल तत्वों (transposable elements) से बना है, जिन्हें अक्सर "जंपिंग जींस" (jumping genes) कहा जाता है। ये वे अनुक्रम हैं जो अपनी प्रतियां बना सकते हैं और जीनोम के भीतर नई जगहों पर खुद को स्थापित कर सकते हैं। दशकों तक, वैज्ञानिकों ने इन तत्वों को मुख्य रूप से जीनोमिक परजीवियों या अस्थिरता के स्रोतों के रूप में देखा, जो महत्वपूर्ण जीनों को बाधित करके रोग का कारण बन सकते हैं। हालांकि, शोध के एक बढ़ते समूह ने एक अधिक सूक्ष्म वास्तविकता का खुलासा किया है: होस्ट जीनोम अक्सर इन तत्वों को कार्यात्मक स्विच (functional switches) के रूप में उपयोग करने के लिए भर्ती करता है, जो सही समय और स्थान पर जीनों को चालू या बंद करते हैं। सह-चयन (co-option) के रूप में जानी जाने वाली यह प्रक्रिया, विकासवादी नवाचार का एक प्रमुख चालक है। क्योंकि इन तत्वों के सबसे युवा परिवार मानव विशिष्ट हैं, वे इस बात की सीधी खिड़की प्रदान करते हैं कि कैसे हमारी प्रजातियों ने विशिष्ट लक्षण विकसित किए, विशेष रूप से मस्तिष्क की जटिल वायरिंग और चेहरे के निर्माण में। इन मानव-विशिष्ट स्विचों का उपयोग कब और कैसे किया जाता है, इसे समझना मानव विकास और विकास की कहानी को जोड़ने के लिए महत्वपूर्ण है।
एक नए अध्ययन में, इंपीरियल कॉलेज लंदन के शोधकर्ताओं ने जांच की कि ये मानव-विशिष्ट आनुवंशिक स्विच प्रारंभिक विकास के एक महत्वपूर्ण, क्षणिक क्षण के दौरान वास्तव में कैसे कार्य करते हैं। उन्होंने एक ऐसे चरण पर ध्यान केंद्रित किया जहां कोशिकाओं का एक एकल समूह दो बहुत अलग चीजों में बदलने की क्षमता रखता है: न्यूरल क्रेस्ट (neural crest), जो चेहरे, खोपड़ी और परिधीय तंत्रिकाओं को जन्म देता है, और केंद्रीय तंत्रिका तंत्र (central nervous system), जो मस्तिष्क और रीढ़ की हड्डी का निर्माण करता है। यह द्वैत क्षमता एक क्षणिक अवस्था में मौजूद होती है जिसे न्यूरल प्लेट बॉर्डर (neural plate border) कहा जाता है। इसका अध्ययन करने के लिए, टीम ने प्रयोगशाला की डिश में मानव स्टेम कोशिकाओं को उगाया, उन्हें छोटे, तीन-आयामी कोशिका समूहों को बनाने के लिए निर्देशित किया जो इस प्रारंभिक भ्रूण अवस्था की नकल करते हैं। विकास के पांचवें दिन तक, कोशिकाओं ने अभी तक अपना अंतिम भाग्य नहीं चुना था; वे एक द्वि-क्षमता (bipotent) आबादी के रूप में बनी रहीं, जो या तो न्यूरल क्रेस्ट या मस्तिष्क ऊतक बन सकती थी। शोधकर्ताओं ने इन कोशिकाओं में डीएनए के "खुले" क्षेत्रों का मानचित्रण किया—वे क्षेत्र जहाँ आनुवंशिक सामग्री सुलभ है और कोशिका की मशीनरी द्वारा पढ़े जाने के लिए तैयार है—और इस परिदृश्य की तुलना पास के जीनों की गतिविधि से की।
टीम ने पाया कि जीनोम में बिखरे हुए हजारों मानव-विशिष्ट ट्रांसपोसेबल तत्वों में से, केवल एक छोटा सा अंश ही इन विकसित हो रही कोशिकाओं में सक्रिय था। विशेष रूप से, उन्होंने पाया कि 289 तत्व इन सेल क्लस्टर्स में लगातार सुलभ थे। ये सक्रिय तत्व यादृच्छिक रूप से नहीं रखे गए थे; वे निष्क्रिय तत्वों की तुलना में जीनों के बहुत करीब स्थित थे, और वे ऐसे पड़ोसों में स्थित थे जो कई जीनों से भरे हुए थे। इसके अलावा, इन सक्रिय तत्वों के आसपास के जीन निष्क्रिय तत्वों के पास वाले जीनों की तुलना में अधिक उच्च स्तर पर अभिव्यक्त (expressed) थे, जो यह सुझाव देता है कि ये ट्रांसपोसेबल तत्व वास्तव में नियामक स्विच (regulatory switches) के रूप में कार्य कर रहे हैं जो आस-पास की आनुवंशिक गतिविधि को प्रभावित करते हैं। अध्ययन ने पुष्टि की कि इस चरण पर कोशिकाएं वास्तव में अनिर्णायक थीं, क्योंकि सक्रिय तत्वों में ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर्स (transcription factors)—वे प्रोटीन जो जीन अभिव्यक्ति को नियंत्रित करते हैं—के बाइंडिंग साइट्स शामिल थे, जो न्यूरल क्रेस्ट और केंद्रीय तंत्रिका तंत्र दोनों से जुड़े हैं। इस आणविक हस्ताक्षर ने कोशिकाओं की जैविक स्थिति को प्रतिबिंबित किया, जो एक ही एकीकृत नियामक परिदृश्य में दो अलग-अलग नियतिों के लिए निर्देश धारण किए हुए था।
जब शोधकर्ताओं ने यह देखा कि इन मानव-विशिष्ट तत्वों के कौन से विशिष्ट परिवार उपयोग किए जा रहे हैं, तो एक उल्लेखनीय निष्कर्ष सामने आया। मानव जीनोम में इन तत्वों के कई अलग-अलग परिवार हैं, लेकिन कोशिकाओं ने उनका समान रूप से उपयोग नहीं किया। दो परिवारों, जिन्हें SVA-F और LTR5Hs के रूप में जाना जाता है, सक्रिय तत्वों में अत्यधिक प्रतिनिधित्व किया गया था, जबकि अन्यों को काफी हद तक अनदेखा कर दिया गया। इससे भी अधिक आश्चर्यजनक रूप से, इन दो सक्रिय परिवारों के पास अलग-अलग प्रकार के निर्देश प्रतीत होते थे। SVA-F तत्व न्यूरल क्रेस्ट विकास में शामिल कारकों के मोटिफ्स (motifs) से समृद्ध थे, जैसे कि चेहरे की संरचनाओं के निर्माण के लिए मार्गदर्शन करने वाले कारक। इसके विपरीत, LTR5Hs तत्व केंद्रीय तंत्रिका तंत्र के विकास में शामिल कारकों के मोटिफ्स से समृद्ध थे, जिनमें रेटिना और आंतरिक कान के लिए विशिष्ट कारक शामिल थे। यह सुझाव देता है कि जबकि कोशिकाएं समग्र रूप से अनिर्णायक हैं, उनके द्वारा उपयोग किए जा रहे विशिष्ट आनुवंशिक स्विच पहले से ही एक वंश या दूसरे की ओर झुके हुए हैं, जो संभावित रूप से चेहरे और मस्तिष्क के बीच के अंतिम विभाजन के लिए मंच तैयार कर रहे हैं।
शोधकर्ताओं ने इन सक्रिय तत्वों के पास के जीनों के कनेक्शन को भी ट्रैक किया और पाया कि उन्हें चुप कराने वाली मशीनरी के साथ एक आश्चर्यजनक संबंध है। इन सक्रिय स्विचों के सबसे करीब के जीनों में KRAB जिंक-फिंगर प्रोटीन और उनके साथी TRIM28 का एक क्लस्टर शामिल था। ये प्रोटीन ट्रांसपोसेबल तत्वों के खिलाफ कोशिका की प्राथमिक रक्षा प्रणाली हैं; वे इन अनुक्रमों से बंधते हैं और उन्हें कूदने और नुकसान पहुँचाने से रोकने के लिए उन्हें बंद कर देते हैं। तथ्य यह है कि इन साइलेंसिंग मशीनरी को कोड करने वाले जीन स्वयं सक्रिय ट्रांसपोसेबल तत्वों के पास स्थित हैं, यह एक जटिल फीडबैक लूप का सुझाव देता है। यह संभव है कि प्रारंभिक विकास में इन तत्वों का सक्रिय होना एक नियंत्रित घटना है, जहाँ कोशिका इन स्विचों के नियामक शक्ति का उपयोग करने के लिए उन्हें अस्थायी रूप से खोलती है, जबकि साथ ही यह सुनिश्चित करने के लिए साइलेंसिंग मशीनरी को पास रखती है कि प्रक्रिया पूरी तरह से नियंत्रण में रहे। यह अवलोकन इस विचार का समर्थन करता है कि होस्ट जीनोम और इन आनुवंशिक परजीवियों के बीच का संबंध एक गतिशील, विकासवादी हथियारों की दौड़ (arms race) है जिसे विकास के लाभ के लिए अपनाया गया है।
अंततः, यह अध्ययन मानव विकास के शुरुआती निर्णयों में मानव-विशिष्ट आनुवंशिक तत्वों के योगदान का एक विस्तृत मानचित्र प्रदान करता है। यह दिखाकर कि ये तत्व द्वि-क्षमता अवस्था में सक्रिय हैं और चेहरे तथा मस्तिष्क के विकास के लिए निर्देश रखते हैं, यह शोध मानव वंश की अद्वितीय विशेषताओं को आकार देने में उनकी भूमिका को उजागर करता। निष्कर्ष बताते हैं कि मानव और अन्य प्राइमेट्स के बीच क्रैनियोफेशियल (craniofacial) और तंत्रिका संरचनाओं के बीच का अंतर, कम से कम, इन युवा, मानव-केवल आनुवंशिक स्विचों की विशिष्ट भर्ती द्वारा संचालित हो सकता है। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने मानव विकास की पूरी पहेली को सुलझा लिया है, लेकिन यह दृढ़ता से स्थापित करता है कि चेहरे और मस्तिष्क के बीच के विभाजन को नियंत्रित करने वाला नियामक तर्क, इन कभी उपेक्षित "जंपिंग जींस" की गतिविधि के साथ गहराई से जुड़ा हुआ है।
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