Negative supercoiling facilitates human TOP3α-mediated decatenation of DNA braids via catenation junction melting
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि नकारात्मक सुपरकॉइलिंग (negative supercoiling), क्रॉसओवर जंक्शनों पर स्थानीय डुप्लेक्स मेल्टिंग (local duplex melting) को प्रेरित करके, मानव TOP3α-मध्यस्थता वाले डीएनए ब्रेड्स के डिकैटेनेशन (decatenation) को सुगम बनाती है, जिससे सिंगल-स्ट्रैंडेड डीएनए सबस्ट्रेट्स उत्पन्न होते हैं जो टाइप IA टोपोआइसोमेरेज़ और इसके नियामक भागीदारों के लिए सुलभ होते हैं।
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जब भी एक कोशिका विभाजित होती है, तो उसे अपने आनुवंशिक कोड की एक सटीक प्रति बनानी पड़ती है, जो डीएनए (DNA) की एक लंबी, घुमावदार सीढ़ी है। जैसे-जैसे कॉपी करने वाली मशीनरी स्ट्रैंड के साथ आगे बढ़ती है, वह सीढ़ियों की एक नई जोड़ी बनाती है जो शुरू में आपस में उलझी हुई होती है, जैसे रस्सी के दो धागे जो एक साथ घुमाए गए हों। कोशिका के दो भागों में विभाजित होने से पहले, इन उलझे हुए धागों को पूरी तरह से सुलझाना आवश्यक होता है। यदि वे जुड़े रहे, तो गुणसूत्र (chromosomes) अलग नहीं हो पाएंगे और कोशिका ठीक से विभाजित नहीं हो पाएगी। दशकों तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि केवल 'टाइप II टोपोआइसोमेरेज़' (type II topoisomerases) नामक एंजाइमों का एक विशिष्ट वर्ग ही यह भारी काम कर सकता है। ये एंजाइम आणविक कैंची की तरह काम करते हैं जो डीएनए की सीढ़ी के दोनों धागों को काटते हैं, दूसरे धागे को अंतराल के माध्यम से गुजारते हैं, और फिर कटे हुए हिस्से को फिर से सील कर देते हैं। यह दोहरी-स्ट्रैंड काटने वाली प्रक्रिया दो पूरी तरह से बनी हुई, दोहरी-स्ट्रैंड वाली डीएनए अणुओं को सुलझाने के लिए आवश्यक मानी जाती थी।
हालाँकि, एंजाइमों का एक अन्य वर्ग, जिसे 'टाइप IA टोपोआइसोमेरेज़' कहा जाता है, अलग तरह से कार्य करता है। ये एंजाइम डीएनए की सीढ़ी के केवल एक धागे को ही काट सकते हैं। क्योंकि वे एक साथ दो धागों को नहीं काट सकते, इसलिए माना जाता था कि वे दो पूर्णतः बरकरार डीएनए अणुओं को सुलझाने में असमर्थ हैं। वे केवल एकल धागों या डीएनए में विशिष्ट अंतरालों पर काम करने तक सीमित प्रतीत होते थे। इसने एक पहेली खड़ी कर दी: यदि कोशिकाएं कुछ कार्यों के लिए इन सिंगल-स्ट्रैंड काटने वाले एंजाइमों पर निर्भर करती हैं, तो वे दो पूर्ण डीएनए स्ट्रैंड्स के बीच बने जटिल गांठों को कैसे सुलझाती हैं? प्रश्न यह था कि क्या डीएनए की भौतिक अवस्था स्वयं नियमों को बदलने का कोई तरीका प्रदान कर सकती है, जिससे ये सिंगल-स्ट्रैंड काटने वाले एंजाइम वह काम भी कर सकें जो आमतौर पर डबल-स्ट्रैंड काटने वालों के लिए आरक्षित होता है।
लंदन में एमआरसी (MRC) लैबोरेटरी ऑफ मेडिकल साइंसेज के शोधकर्ताओं ने इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए वास्तविक समय में इस प्रक्रिया को देखते हुए काम शुरू किया। उन्होंने 'ऑप्टिकल ट्वीज़र्स' (optical tweezers) से युक्त एक परिष्कृत सेटअप का उपयोग किया, जो अनिवार्य रूप से प्रकाश की किरणें हैं जो सूक्ष्म वस्तुओं को पकड़ सकती हैं और उन पर खिंचाव डाल सकती हैं। इस मामले में, वस्तुएं डीएनए के लंबे धागे से जुड़ी सूक्ष्म मोतियां (beads) थीं। इन मोतियों के हेरफेर द्वारा, वैज्ञानिक डीएनए को घुमा सकते थे, उसे खींच सकते थे और विशिष्ट गांठें बना सकते थे, जिन्हें 'ब्रेड्स' (braids) कहा जाता है, जहाँ दो डीएनए अणु एक-दूसरे के ऊपर से गुजरते हैं। इसके बाद उन्होंने मानव एंजाइम कॉम्प्लेक्स 'TOP3α' को उसके सहायक प्रोटीन RMI1 और RMI2 के साथ पेश किया, यह देखने के लिए कि क्या यह इन गांठों को सुलझा सकता है।
टीम ने खोजा कि इस प्रक्रिया को खोलने की कुंजी एंजाइम में बदलाव नहीं, बल्कि स्वयं डीएनए के तनाव और घुमाव में बदलाव था। जब डीएनए ढीला था और एक मानक, बिना घुमाव वाली स्थिति में था, तो एंजाइम कॉम्प्लेक्स गांठों को नहीं सुलझा सका। डीएनए के धागे आपस में लॉक रहे, और एंजाइम को रास्ता खोजने में असमर्थता हुई। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने 'नेगेटिव सुपरकॉइलिंग' (negative supercoiling) पेश की—जो डीएनए में ऊर्जा संचित करने वाला एक विशिष्ट प्रकार का घुमाव है—तो स्थिति नाटकीय रूप से बदल गई। नेगेटिव सुपरकॉइलिंग एक ऐसी स्थिति है जहाँ डीएनए कम-घुमा हुआ (under-twisted) होता है, जिससे एक टॉर्सनल स्ट्रेस (torsional stress) पैदा होता है जो अनवाइंड (unwind) होना चाहता है।
इस तनाव के तहत, कुछ उल्लेखनीय हुआ—ठीक उसी बिंदु पर जहाँ दो डीएनए स्ट्रैंड एक-दूसरे को पार करते हैं। घुमाव वाले बल ने डबल हेलिक्स को स्थानीय रूप से पिघला दिया या खोल दिया। इस पिघलाव ने क्रॉसिंग पॉइंट पर डीएनए के एक छोटे, अस्थायी बुलबुले का निर्माण किया। हालाँकि पूरा अणु एक मजबूत डबल हेलिक्स बना रहा, लेकिन यह छोटा सा खुला हिस्सा इस 'TOP3α' एंजाइम के पकड़ बनाने के लिए पर्याप्त था। एक बार जब एंजाइम इस सिंगल-स्ट्रैंडेड बुलबुले पर टिक गया, तो वह अपना मानक कार्य कर सका: एकल धागे को काटना, दूसरे डीएनए अणु को अंतराल के माध्यम से गुजारना और उसे फिर से सील करना। इस क्रिया ने सफलतापूर्वक दो डीएनए धागों को सुलझा दिया।
शोधकर्ताओं ने पाया कि यह प्रक्रिया अत्यधिक कुशल थी। जब डीएनए नेगेटिवली सुपरकॉइल्ड था, तो एंजाइम कॉम्प्लेक्स ने गांठों को कुछ ही सेकंडों में सुलझा लिया, भले ही डीएनए पर महत्वपूर्ण बल लगाया जा रहा हो। इसके विपरीत, जब डीएनए रिलैक्स्ड (relaxed) था, तो एंजाइम गांठों को सुलझाने में विफल रहा और अक्सर डीएनए के धागों को तोड़ देता था। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि एक प्रोटीन, जिसे RPA कहा जाता है, जो स्वाभाविक रूप से सिंगल-स्ट्रैंडेड डीएनए से जुड़ता है, इन छोटे पिघले हुए बुलबुलों को स्थिर करके प्रक्रिया में मदद करता है, जिससे एंजाइम के लिए काम करना आसान हो जाता है। एक अन्य सहायक प्रोटीन, RMI2 ने दक्षता में सुधार किया, हालांकि मुख्य एंजाइम कॉम्प्लेक्स बिना इसके भी कार्य कर सकता था।
यह पुष्टि करने के लिए कि क्या एंजाइम वास्तव में सिंगल-स्ट्रैंडेड ओपनिंग का उपयोग करके डीएनए को सुलझा रहा था, टीम ने एक विशेष परीक्षण बनाया। उन्होंने एक ऐसा डीएनए स्ट्रैंड इस्तेमाल किया जिसमें पहले से ही एक गैप (एक तरफ की सीढ़ी का एक हिस्सा गायब था) मौजूद था, और उसे एक सामान्य, पूर्णतः बरकरार डीएनए स्ट्रैंड के चारों ओर घुमाया गया था। बिना किसी घुमाव बल के नया बुलबुला बनाए, एंजाइम ने सफलतापूर्वक दोनों धागों को सुलझा लिया। इससे सिद्ध हुआ कि एंजाइम को डीएनए के दोनों धागों को काटने की आवश्यकता नहीं है; उसे केवल एक धागे तक पहुँच की आवश्यकता है, जो या तो पहले से मौजूद गैप या घुमाव के तनाव के कारण होने वाले स्थानीय पिघलाव द्वारा प्रदान की जा सकती है।
ये निष्कर्ष बताते हैं कि डीएनए का भौतिक वातावरण यह निर्धारित करता है कि कौन सा एंजाइम काम करेगा। रिलैक्स्ड अवस्था में, डीएनए सिंगल-स्ट्रैंड काटने वाले के प्रवेश के लिए बहुत सख्त होता है, इसलिए कोशिका को डबल-स्ट्रैंड काटने वाले पर निर्भर रहना पड़ता है। लेकिन जब डीएनए टॉर्सनल स्ट्रेस (torsional stress) के अधीन होता है, जैसे कि रेप्लिकेशन के दौरान या जब गुणसूत्रों को अलग किया जा रहा होता है, तो वह तनाव डीएनए को इतना खोल सकता है कि सिंगल-स्ट्रैंड काटने वाला काम संभाल सके। यह एक भौतिक तंत्र प्रदान करता है जो डीएनए की यांत्रिक स्थिति को उसे हल करने के लिए उपयोग किए जाने वाले एंजाइमेटिक मार्ग से जोड़ता है। यह अध्ययन बताता है कि कोशिका को हर काम के लिए एक ही उपकरण पर निर्भर रहने की आवश्यकता नहीं है; इसके बजाय, डीएनए का तनाव और घुमाव स्वयं एक बंद गांठ को एक सुलभ पहेली में बदल सकता है, जिससे विभिन्न एंजाइम आनुवंशिक जानकारी के निष्ठापूर्ण संचरण को सुनिश्चित करने के लिए मिलकर काम कर सकते हैं।
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