Structural polymorphism and population-variable coding capacity of HERV-K(HML-2) in human pangenomes
292 दाताओं के हैप्लोटाइप-रिज़ॉल्व्ड लॉन्ग-रीड जीनोम असेंबली का विश्लेषण करके, यह अध्ययन प्रकट करता है कि HERV-K(HML-2) मानव पैनजीनोम में महत्वपूर्ण संरचनात्मक बहुरूपता और परिवर्तनशील कोडिंग क्षमता प्रदर्शित करता है, जो यह दर्शाता है कि मानक संदर्भ जीनोम और शॉर्ट-रीड सीक्वेंसिंग अक्सर व्यक्तियों में मौजूद अक्षुण्ण प्रोवायरल संरचनाओं और कार्यात्मक एलील्स को सटीक रूप से कैप्चर करने में विफल रहते हैं।
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मानव जीनोम के भीतर, हमारे डीएनए को बनाने वाले अरबों अक्षरों के बीच छिपे हुए, प्राचीन वायरल संक्रमणों के जीवाश्म अवशेष मौजूद हैं। ये अवशेष, जिन्हें एंडोजेनस रेट्रोवायरस (endogenous retroviruses) के रूप में जाना जाता है, उन वायरसों के आनुवंशिक अवशेष हैं जिन्होंने लाखों साल पहले हमारे पूर्वजों के डीएनए में अपने स्वयं के जेनेटिक कोड को डालने में सफलता प्राप्त की थी। समय के साथ, ये वायरल आक्रमणकारी हमारे जैविक विरासत का एक स्थायी हिस्सा बन गए, जो अब हमारे संपूर्ण जेनेटिक ब्लूप्रिंट का लगभग आठ प्रतिशत हिस्सा बनाते हैं। हालांकि इनमें से अधिकांश प्राचीन वायरल अनुक्रमों (sequences) में इतनी गलतियाँ जमा हो गई हैं कि वे टूट चुके और निष्क्रिय हैं, लेकिन HERV-K(HML-2) नामक एक विशिष्ट समूह अलग है। क्योंकि ये हमारे विकासवादी इतिहास में अधिक हाल ही में एकीकृत हुए थे, इसलिए इनमें से कई अनुक्रम अभी भी वायरल प्रोटीन बनाने की क्षमता बनाए हुए हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से संदेह कर रहे हैं कि ये सक्रिय अवशेष मानव विकास, बुढ़ापे और कैंसर तथा एमयोट्रॉफिक लेटरल स्क्लेरोसिस (ALS) जैसी बीमारियों में भूमिका निभाते हैं, लेकिन यह समझना कि वे वास्तव में कैसे काम करते हैं, कठिन रहा है। चुनौती इस तथ्य में निहित है कि ये वायरल अनुक्रम एक-दूसरे के लगभग समान हैं, जिससे जीनोम को देखते समय उनमें अंतर करना अविश्वसनीय रूप से कठिन हो जाता है।
वर्षों तक, शोधकर्ताओं ने इन वायरल अवशेषों का अध्ययन करने के लिए 'शॉर्ट-रीड सीक्वेंसिंग' (short-read sequencing) नामक पद्धति पर भरोसा किया है। कल्पना कीजिए कि आप एक जटिल पहेली (puzzle) को फिर से बनाने की कोशिश कर रहे हैं जहाँ हर टुकड़ा बिल्कुल एक जैसा दिखता है; शॉर्ट-रीड सीक्वेंसिंग उस पहेली के छोटे, धुंधले अंशों की तस्वीर लेने और यह अनुमान लगाने जैसा है कि वे कहाँ फिट बैठते हैं। चूंकि वायरल टुकड़े इतने समान हैं, इसलिए जीनोम को जोड़ने के लिए उपयोग किए जाने वाले कंप्यूटर प्रोग्राम अक्सर भ्रमित हो जाते हैं, और किसी विशिष्ट अंश को उसके सही स्थान पर असाइन करने में असमर्थ रहते हैं। इस सीमा के कारण वैज्ञानिकों को एक मानक संदर्भ जीनोम (standard reference genome) पर निर्भर रहना पड़ा, जो मानव डीएनए के एक एकल, औसत मानचित्र के रूप में कार्य करता है। हालांकि, यह मानचित्र अधूरा है। यह कुछ व्यक्तियों का एक सम्मिश्रण है और अक्सर शेष जनसंख्या में मौजूद अद्वितीय विविधताओं को छोड़ देता है। फलस्वरूप, शोधकर्ता इन वायरसों के एक ऐसे संस्करण का अध्ययन कर रहे थे जो शायद वास्तव में किसी भी व्यक्ति के शरीर में मौजूद चीज़ का सटीक रूप से प्रतिनिधित्व नहीं करता है।
एक नए अध्ययन ने 'लॉन्ग-रीड सीक्वेंसिंग' (long-read sequencing) नामक अधिक उन्नत तकनीक का उपयोग करके इस तस्वीर को बदल दिया है। छोटे, धुंधले अंशों को देखने के बजाय, यह विधि डीएनए के लंबे, निरंतर विस्तार को पढ़ती है, जिससे वैज्ञानिकों को इन वायरल अनुक्रमों की पूर्ण संरचना और व्यक्ति दर व्यक्ति उनमें होने वाले बदलावों को देखने की अनुमति मिलती है। 292 विभिन्न व्यक्तियों के पूर्ण जेनेटिक ब्लूप्रिंट का विश्लेषण करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि इन प्राचीन वायरसों का परिदृश्य पहले की कल्पना की तुलना में कहीं अधिक जटिल और विविध है। उन्होंने पाया कि जीनोम में कई स्थान, जिन्हें सभी मनुष्यों में स्थिर और समान माना जाता था, वास्तव में महत्वपूर्ण रूप से भिन्न होते हैं। कुछ लोग एक विशिष्ट स्थान पर एक एकल वायरल प्रति (copy) रखते हैं, जबकि अन्य एक 'टैंडम एरे' (tandem array) रखते हैं—यानी एक के बाद एक व्यवस्थित कई वायरल प्रतियों का एक ढेर। कुछ मामलों में, एक एकल ढेर में छह पूर्ण वायरल अनुक्रमों तक शामिल थे।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि मानक संदर्भ जीनोम अक्सर इन वायरसों की वास्तविक कोडिंग क्षमता को पकड़ने में विफल रहता है। कई व्यक्तियों में, उनके द्वारा ले जाए गए वायरल अनुक्रमों में प्रोटीन बनाने के लिए बरकरार निर्देश होते हैं, भले ही संदर्भ जीनोम उन्हीं स्थानों को टूटा हुआ या गायब दिखाता हो। इसका अर्थ है कि एक व्यक्ति उन वायरल प्रोटीन को बनाने में सक्षम हो सकता है जिसे वैज्ञानिक पहले असंभव मानते थे कि मनुष्य बना सकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन वायरल प्रोटीनों से जुड़ी लगभग एक-तिहाई आनुवंशिक विविधताएं पुरानी शॉर्ट-रीड विधियों का उपयोग करके पता नहीं लगाई जा सकीं। ज्ञान का यह अंतराल बताता है कि पिछले अध्ययनों में शायद इन वायरसों के विभिन्न लोगों में कार्य करने के तरीके के बारे में महत्वपूर्ण अंतर छूट गए होंगे।
सबसे आश्चर्यजनक खोजों में से एक, क्रोमोसोम 8 पर एक स्थान पर केवल एक व्यक्ति में पाया गया एक अज्ञात, पूर्ण-लंबाई वाला वायरल अनुक्रम था। अध्ययन किए गए प्रत्येक अन्य व्यक्ति में, उस स्थान पर वायरस का केवल एक एकल, टूटा हुआ हिस्सा था। यह खोज इस बात पर प्रकाश डालती है कि जब हम एक एकल संदर्भ मानचित्र पर भरोसा करते हैं तो कितनी आनुवंशिक विविधता छिपी रहती है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने इन वायरल अनुक्रमों के इतिहास का पता लगाया और पाया कि वे समय के साथ जीनोम के विभिन्न हिस्सों के बीच इधर-उधर बदले और साझा किए गए हैं। विभिन्न स्थानों पर पाए गए कुछ वायरल अनुक्रम इतने समान थे कि वे संभवतः एक ही प्राचीन सम्मिलन (insertion) घटना से उत्पन्न हुए थे, जिसे बाद में डुप्लिकेट किया गया और जीनोम में स्थानांतरित कर दिया गया। यह हेरफेर (shuffling) प्रत्येक व्यक्ति के लिए एक अद्वितीय जेनेटिक सिग्नेचर बनाता है, जिसका अर्थ है कि एक व्यक्ति द्वारा ले जाए गए विशिष्ट वायरल उपकरण उनके फिंगरप्रिंट की तरह अद्वितीय हैं।
अध्ययन ने इन संरचनात्मक अंतरों को वास्तविक जैविक प्रभावों से भी जोड़ा। शोधकर्ताओं ने पाया कि विशिष्ट वायरल संरचनाओं की उपस्थिति या अनुपस्थिति का संबंध इस बात से था कि कोशिकाएं कैसे बढ़ती हैं और वे उपचारों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती हैं। उदाहरण के लिए, एक विशिष्ट वायरल व्यवस्था वाले लोगों की कोशिकाएं उन लोगों की तुलना में अलग दर से बढ़ीं जिनके पास वह व्यवस्था नहीं थी। एक अन्य भिन्नता इस बात से जुड़ी थी कि कोशिकाएं एक विशिष्ट प्रकार के दवा उपचार में कितनी अच्छी तरह जीवित रहती हैं। ये निष्कर्ष बताते हैं कि इन प्राचीन वायरसों की छिपी हुई विविधता केवल एक जेनेटिक जिज्ञासा का मामला नहीं है; इसके वास्तविक स्वास्थ्य परिणाम हैं। हमारे डीएनए में इन वायरल अवशेषों की संरचना हमारे कोशिकाओं के व्यवहार को प्रभावित करती है, जो संभावित रूप से बीमारी के प्रति हमारी संवेदनशीलता या चिकित्सा के प्रति हमारी प्रतिक्रिया को प्रभावित करती है।
अंततः, यह शोध दर्शाता है कि मानव जीव विज्ञान में इन प्राचीन वायरसों की भूमिका को वास्तव में समझने के लिए, वैज्ञानिकों को एक एकल, औसत मानचित्र पर निर्भर रहने के बजाय प्रत्येक व्यक्ति के जीनोम को देखना चाहिए। मानव जीनोम एक स्थिर, समान कोड नहीं है बल्कि विविधताओं का एक गतिशील संग्रह है, और ये वायरल अवशेष उस विविधता का एक बड़ा हिस्सा हैं। इन अनुक्रमों की वास्तविक संरचना को प्रकट करने के लिए लॉन्ग-रीड सीक्वेंसिंग का उपयोग करके, यह अध्ययन इस बात की समझ को खोलता है कि कैसे हमारा आनुवंशिक इतिहास हमारे वर्तमान स्वास्थ्य को आकार देता है। यह सुझाव देता है कि इन वायरल अवशेषों के रहस्यों को खोलने की कुंजी यह पहचानने में निहित है कि प्रत्येक व्यक्ति अपने अद्वितीय सेट के जेनेटिक टूल्स को ले जाता है, जिनमें से कुछ टूटे हुए हो सकते हैं, जबकि अन्य पूरी तरह से कार्यात्मक और सक्रिय रहते हैं।
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