Limit-pushing overexpression reveals constraints on protein abundance
*Saccharomyces cerevisiae* में एक सीमा-धकेलने वाले ओवरएक्सप्रेशन दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन प्रोटीन प्रचुरता सहनशीलता (IE50) में व्यापक भिन्नता को परिमाणित करता है और यह प्रकट करता है कि ओवरएक्सप्रेशन विषाक्तता एक मात्रात्मक गुण है जो संरचनात्मक क्रम और स्थानीयकरण जैसे विशिष्ट प्रोटीन लक्षणों के साथ-साथ अंतःकोशिकीय संगठन की अनुक्रम-निर्भर क्षमताओं से जुड़ा हुआ है।
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प्रत्येक जीवित कोशिका के भीतर, प्रोटीन उन आवश्यक श्रमिकों के रूप में कार्य करते हैं जो संरचनाओं का निर्माण करते हैं, रासायनिक प्रतिक्रियाओं को संचालित करते हैं और व्यवस्था बनाए रखते हैं। ये अणु समान मात्रा में मौजूद नहीं होते; कुछ दुर्लभ होते हैं, जबकि अन्य प्रचुर मात्रा में होते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि एक प्रोटीन की मात्रा मायने रखती है। बहुत कम होने पर, कोशिका कार्य नहीं कर सकती; बहुत अधिक होने पर, कोशिका बीमार हो सकती है या मर सकती है। दशकों से, शोधकर्ताओं ने प्रोटीनों को दो सरल श्रेणियों में वर्गीकृत करने का प्रयास किया है: वे जो अधिक मात्रा में उत्पादन होने पर हानिरहित होते हैं और वे जो विषाक्त होते हैं। हालाँकि, यह द्विआधारी दृष्टिकोण एक महत्वपूर्ण विवरण को छोड़ देता है। यह मान लेता है कि यदि कोई प्रोटीन कोशिका को तुरंत नहीं मारता है, तो वह सुरक्षित है, बिना यह पूछे कि कोशिका वास्तव में उस प्रोटीन की कितनी मात्रा झेल सकती है इससे पहले कि वह संघर्ष करने लगे। प्रश्न केवल यह नहीं है कि क्या एक प्रोटीन विषाक्त है, बल्कि यह है कि कोशिका की वृद्धि धीमी होने या रुकने से पहले वह वास्तव में कितने प्रोटीन को सहन कर सकती है।
जापान और कनाडा के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यीस्ट कोशिकाओं को उनकी पूर्ण सीमाओं तक धकेल कर अब इस प्रश्न का उत्तर दिया है। उन्होंने लगभग अस्सी अलग-अलग प्रोटीनों का अध्ययन किया जो यीस्ट Saccharomyces cerevisiae में पाए जाते हैं, जो बेकिंग और ब्रूइंग (शराब बनाने) में उपयोग किया जाने वाला एक सामान्य जीव है। केवल यह पूछने के बजाय कि क्या प्रोटीन विषाक्त था, उन्होंने कोशिकाओं को इन प्रोटीनों का भारी मात्रा में उत्पादन करने के लिए मजबूर किया, जो स्वाभाविक रूप से वे कभी भी नहीं बनातीं। ऐसा करके, उन्होंने पाया कि लगभग हर प्रोटीन जिसे उन्होंने परखा, अंततः हानिकारक हो गया यदि कोशिका को उसे पर्याप्त मात्रा में बनाने के लिए मजबूर किया गया। मुख्य खोज यह है कि वह सीमा जिस पर एक प्रोटीन विषाक्त हो जाता है, एक प्रोटीन से दूसरे प्रोटीन के बीच बहुत भिन्न होती है। कुछ प्रोटीनों का बिना किसी समस्या के भारी मात्रा में उत्पादन किया जा सकता है, जबकि अन्य थोड़े से इजाफे के साथ ही खतरनाक हो जाते हैं। शोधकर्ताओं ने इस सीमा को सटीक रूप से मापने का एक तरीका विकसित किया, जिससे एक ऐसा पैमाना बना जो स्पष्ट रूप से दिखाता है कि एक कोशिका प्रत्येक प्रोटीन की कितनी मात्रा सहन कर सकती है।
इसे प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिकों ने कोशिका की प्राकृतिक रक्षा प्रणाली से बचने के लिए एक चतुर आनुवंशिक युक्ति का उपयोग किया। सामान्यतः, यदि किसी कोशिका को बहुत अधिक हानिकारक प्रोटीन बनाने के लिए मजबूर किया जाता है, तो वह उस प्रोटीन को बनाने के लिए जिम्मेदार जीन की प्रतियों की संख्या को कम करके जीवित रहने की कोशिश करेगी। यह आत्म-संरक्षण का एक रूप है जो वैज्ञानिकों के लिए यह देखना कठिन बना देता है कि एक प्रोटीन वास्तवт कितना विषाक्त है। शोधकर्ताओं ने इन जीन प्रतियों को कम करने से रोकने के लिए 'जेनेटिक टग-ऑफ-वॉर' (आनुवंशिक खींचतान) नामक एक विधि का उपयोग किया। उन्होंने कोशिका को इन जीनों को सक्रिय रखने के लिए मजबूर किया, जिससे लक्षित प्रोटीनों का उत्पादन उन स्तरों तक पहुँच गया जो सामान्यतः पहुँचना असंभव होता। उन्होंने प्रत्येक प्रोटीन के साथ एक चमकता हुआ टैग लगाया ताकि वे ठीक से माप सकें कि कितना उत्पादन हो रहा है और कोशिकाएं कितनी स्वस्थ बनी हुई हैं। कोशिकाओं की चमक और वृद्धि को देखकर, वे उस सटीक क्षण को पहचान सके जब एक विशिष्ट प्रोटीन की प्रचुरता के कारण कोशिका की वृद्धि दर आधी रह गई।
परिणामों ने इस बात में एक स्पष्ट पैटर्न का खुलासा किया कि उच्च स्तरों पर कौन से प्रोटीन सहन करने योग्य या विषाक्त होते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि जो प्रोटीन कोशिका के मुख्य तरल, जिसे साइटोप्लाज्म (कोशिकाद्रव्य) कहा जाता है, में स्वतंत्र रूप से तैरते रहते हैं, उनका उत्पादन उन प्रोटीनों की तुलना में बहुत अधिक मात्रा में किया जा सकता है जो विशिष्ट संरचनाओं में बसने या गुच्छे बनाने की कोशिश करते हैं। जिन प्रोटीनों का एक सुस्पष्ट, स्थिर आकार होता है, उनके बड़े पैमाने पर सहन किए जाने की संभावना भी अधिक होती है। इसके विपरीत, जो प्रोटीन गुच्छे बनाने के प्रति प्रवृत्त हैं या जिनमें सल्फर की मात्रा अधिक है, उनके अधिक उत्पादन के समय समस्या पैदा करने की संभावना बहुत अधिक थी। अध्ययन ने दिखाया कि कोशिका के भीतर प्रोटीन का स्थान उसकी सुरक्षा का एक प्रमुख कारक है। यदि प्रोटीन खुले साइटोप्लाज्म में रहता है, तो कोशिका इसकी बहुत अधिक मात्रा संभाल सकती है। यदि यह विशिष्ट स्थानों पर इकट्ठा होने या समुच्चय (एग्रीगेट्स) बनाने की कोशिश करता है, तो कोशिका बहुत जल्दी तनावग्रस्त हो जाती है।
टीम ने यह भी देखा कि इन प्रोटीनों को उच्च स्तर तक पहुँचाने पर कोशिका शारीरिक रूप से कैसे बदलती है। कुछ मामलों में, प्रोटीन के अत्यधिक उत्पादन के कारण कोशिका की आंतरिक संरचनाएं, जैसे कि केंद्रक (न्यूक्लियस) या माइटोकॉन्ड्रिया, अपना आकार बदल देती हैं या कोशिका के विभिन्न हिस्सों में चली जाती हैं। तीन विशिष्ट प्रोटीनों के लिए, शोधकर्ता देख सके कि प्रोटीन के अनुक्रम (सीक्वेंस) के कौन से हिस्से इन नाटकीय परिवर्तनों के लिए जिम्मेदार थे। एक प्रोटीन, अधिक उत्पादन होने पर, एक सघन, व्यवस्थित क्षेत्र बनाता है जो अन्य कोशिका भागों को एक तरफ धकेल देता है। दूसरे ने केंद्रक के चारों ओर की झिल्लियों को जटिल, परतदार संरचनाओं में मोड़ दिया। तीसरे ने ट्यूब जैसी झिल्लियों का एक नेटवर्क बनाया जिसने कोशिका के एक बड़े हिस्से को भर दिया। इन अवलोकनों ने दिखाया कि एक प्रोटीन का अनुक्रम न केवल उसके कार्य को, बल्कि उन विशिष्ट भौतिक अवस्थाओं को भी निर्धारित करता है जो वह भारी मात्रा में मौजूद होने पर बना सकता है।
यह कार्य प्रोटीन विषाक्तता के बारे में वैज्ञानिकों की सोच को बदल देता है। यह सुझाव देता है कि विषाक्तता प्रोटीन का एक निश्चित गुण नहीं है, बल्कि खुराक का मामला है। एक प्रोटीन जो एक सामान्य कोशिका में हानिरहित लगता है, वह घातक हो सकता है यदि कोशिका को बहुत अधिक बनाने के लिए मजबूर किया जाए। शोधकर्ताओं ने इस सहनशीलता को मापने का एक नया तरीका स्थापित किया, जिससे विभिन्न प्रोटीनों की तुलना एक ही पैमाने पर करना संभव हो सका। उन्होंने पाया कि एक प्रोटीन की स्थिर रहने और साइटोप्लाज्म में रहने की क्षमता ही सबसे अच्छा भविष्यवक्ता है कि क्या उसे कोशिका को नुकसान पहुँचाए बिना बड़ी मात्रा में उत्पादित किया जा सकता है। ये निष्कर्ष जीवन की भौतिक सीमाओं की गहरी समझ प्रदान करते हैं, यह दिखाते हैं कि कोशिकाओं के पास अतिरिक्त प्रोटीन को संभालने की एक विशिष्ट क्षमता होती है, और वह क्षमता प्रोटीन के आकार और स्थान पर बहुत अधिक निर्भर करती है।
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