GenDiMug: a generic inclusive multigraph framework to analyze genomic organizations and -omics data at multiple scales
GenDiMug एक नवीन मल्टीग्राफ फ्रेमवर्क है जो मल्टी-ओमिक्स डेटा को एकीकृत करने और कई पैमानों पर जीनोमिक संगठन का विश्लेषण करने के लिए नेटवर्क मॉडल का उपयोग करके रैखिक जीनोम निरूपण की सीमाओं को दूर करता है, जिससे जीन अभिव्यक्ति के क्लम्पिंग (clumping) और सर्कैडियन विनियमन जैसे संरचनात्मक पैटर्न प्रकट होते हैं।
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द दशकों से, वैज्ञानिकों ने जीवित कोशिकाओं की सामग्री का मानचित्रण उन्हें लंबी, सीधी रेखाओं के रूप में खींचकर किया है। कल्पना कीजिए कि डीएनए (DNA) की एक रिबन को फैलाया गया है, जिसमें जीन को एक स्ट्रिंग के साथ विशिष्ट दूरियों पर मोतियों के रूप में चिह्नित किया गया है। यह रैखिक मानचित्र जीनोम को पढ़ने का एक मानक तरीका रहा है, और यह यह खोजने में अच्छा काम करता है कि कोई विशिष्ट जीन कहाँ स्थित है। हालाँकि, कोशिका के भीतर जीवन शायद ही कभी एक सीधी रेखा होता है। डीएनए मुड़ता है, घूमता है और लूप बनाता है, जिससे दूर के हिस्से एक-दूसरे के करीब आ जाते हैं और परस्पर क्रिया करते हैं। इसके अलावा, आधुनिक जीव विज्ञान ने इस बारे में नए डेटा की बाढ़ ला दी है कि जीन कैसे चालू और बंद होते हैं, प्रोटीन कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, और जीनोम समय के साथ कैसे बदलता है। पुराने सीधी-रेखा वाले मानचित्र यह दिखाने में संघर्ष करते हैं कि ये सभी गतिशील भाग एक साथ कैसे फिट होते हैं या वे एक-दूसरे को कैसे प्रभावित करते हैं। वैज्ञानिकों को जीनोम को देखने के एक नए तरीके की आवश्यकता थी जो इस जटिलता को संभाल सके, जो न केवल यह दिखाए कि चीजें कहाँ हैं, बल्कि यह भी कि वे कैसे जुड़ी हुई हैं और एक प्रणाली के रूप में कैसे व्यवहार करती हैं।
इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने 'जेनडिमुग' (GenDiMug) नामक एक नया उपकरण विकसित किया। जीनोम को एक सपाट रेखा के रूप में खींचने के बजाय, उन्होंने एक नेटवर्क बनाया, यानी कनेक्शनों का एक जाल, जहाँ प्रत्येक जीन और डीएनए का प्रत्येक हिस्सा एक बिंदु है, और उनके बीच के संबंध उन बिंदुओं को जोड़ने वाली रेखाएँ हैं। इस नेटवर्क में, बिंदु आनुवंशिक कोड के विभिन्न हिस्सों का प्रतिनिधित्व करते हैं, जैसे कि जीन, उनके बीच के क्षेत्र, और एक जीन को बनाने वाले विशिष्ट खंड। उन्हें जोड़ने वाली रेखाएँ दो मुख्य चीजें दर्शाती हैं: डीएनए स्ट्रैंड के साथ अंतरिक्ष में उनके हिस्से कैसे व्यवस्थित हैं, और वे अपने विकास में कैसे संबंधित हैं, जैसे कि एक जनक जीन एक संतान आरएनए (RNA) अणु का उत्पादन करता है। यह दृष्टिकोण शोधकर्ताओं को जीनोम को एक स्थिर सूची के बजाय एक गतिशील संरचना के रूप में देखने की अनुमति देता है। यह उपकरण वायरस के छोटे, गोलाकार जीनोम, बैक्टीरिया के जटिल गुणसूत्रों और पौधों एवं जानवरों के विशाल, जटिल जीनोम को संभालने के लिए पर्याप्त लचीला है, और इन सभी के साथ एक ही गणितीय तर्क के साथ व्यवहार करता है।
जब शोधकर्ताओं ने इस नेटवर्क उपकरण को विभिन्न जीवों के जीनोम पर लागू किया, तो उन्होंने पाया कि जीनों की व्यवस्था यादृच्छिक (random) नहीं थी। बैक्टीरिया और आर्किया (archaea) में, उन्होंने पाया कि जीवन के लिए आवश्यक जीन एक साथ क्लस्टर (समूहबद्ध) होते हैं। ये महत्वपूर्ण जीन अक्सर पड़ोसी थे, जो आनुवंशिक नेटवर्क पर एक-दूसरे के बगल में स्थित थे। इसने इस बात की पुष्टि की जो वैज्ञानिक पहले से ही इन सरल जीवों के बारे में संदेह करते थे: वे अपने सबसे महत्वपूर्ण उपकरणों को पास रखते हैं। लेकिन इस उपकरण ने यीस्ट (yeast), कृमि (worms) और मनुष्यों जैसे जटिल जीवों में कुछ अधिक आश्चर्यजनक खुलासा किया। जबकि ये जीव अपने जीनों को बैक्टीरिया में देखी गई घनी, कार्यात्मक ब्लॉक्स में व्यवस्थित नहीं करते हैं, शोधकर्ताओं ने पाया कि समान स्तर की गतिविधि वाले जीन अभी भी एक साथ समूहबद्ध होने की प्रवृत्ति रखते हैं। उदाहरण के लिए, यीस्ट जीनोम में, अत्यधिक सक्रिय जीन अक्सर अन्य अत्यधिक सक्रिय जीनों के पड़ोसी थे, जबकि शांत जीन अन्य शांत जीनों के पास बैठे थे। इसने गुणसूत्रों के साथ विशिष्ट "तेज" और "शांत" क्षेत्रों का निर्माण किया, जो यह सुझाव देता है कि जटिल जीवन में भी, एक जीन की स्थिति उसके व्यवहार को प्रभावित करती है।
शोधकर्ताओं ने इस नेटवर्क का उपयोग यह देखने के लिए भी किया कि समय के साथ ये पैटर्न कैसे बदलते हैं। एक हरे शैवाल (green alga) से डेटा फीड करके, जो दैनिक प्रकाश-अंधकार चक्र का पालन करता है, उन्होंने देखा कि दिन के बढ़ने के साथ "तेज" और "शांत" क्षेत्र स्थानांतरित हो गए। प्रकाश के घंटों के दौरान, जीनोम के कुछ क्षेत्र सक्रिय हो गए, जबकि अन्य शांत हो गए, और जब प्रकाश चला गया तो यह पैटर्न उलट गया। यह गतिशील बदलाव बताता है कि जीनोम केवल एक निश्चित ब्लूप्रिंट नहीं है, बल्कि एक उत्तरदायी परिदृश्य है जो जीव की जरूरतों के अनुरूप खुद को पुनर्गठित करता है। इस उपकरण ने उन जीनों के समूहों की पहचान करने में भी मदद की जो संभवतः एक साथ काम कर रहे थे, भले ही वे किसी ज्ञात परिवार का हिस्सा न हों। यह देखकर कि कौन से जीन पड़ोसी थे और साथ ही वे एक ही समय पर सक्रिय भी हुए, शोधकर्ता उन नए जीन क्लस्टर्स के उम्मीदवारों को पहचान सके जिन्हें पारंपरिक तरीकों से मिस किया जा सकता था।
अध्ययन यह सुझाव देता है कि जिस तरह से हम वर्षों से जीनोम को देख रहे हैं, वह संगठन की एक परत को मिस कर रहा होगा। रैखिक मानचित्र स्थान के लिए सटीक हैं, लेकिन वे उन संरचनात्मक संबंधों को छिपा देते हैं जो जैविक कार्य को संचालित करते हैं। जीनोम को एक नेटवर्क में बदलकर, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि जीनों के बीच की दूरी मायने रखती है, न केवल भौतिक स्थान के संदर्भ में, बल्कि इस संदर्भ में भी कि वे एक-दूसरे को कैसे प्रभावित करते हैं। यह दृष्टिकोण पुराने मानचित्रों को प्रतिस्थापित नहीं करता है, बल्कि उनमें एक नया आयाम जोड़ता है, जिससे वैज्ञानिकों को जीनोम को एक जुड़े हुए सिस्टम के रूप में देखने की अनुमति मिलती है। निष्कर्ष संकेत देते हैं कि प्रकृति की एक प्राथमिकता है कि वह समान चीजों को एक साथ रखे, चाहे वे बैक्टीरिया में आवश्यक उत्तरजीविता जीन हों या शैवाल में एक ही समय के दिन सक्रिय होने वाले जीन हों। यह नया ढांचा जीवन के सभी रूपों में, सरल सूक्ष्मजीवों से लेकर सबसे जटिल जानवरों तक, इन पैटर्नों को खोजने का एक तरीका प्रदान करता है, जो जीवन के निर्देशों के व्यवस्थित और विनियमित होने की एक स्पष्ट तस्वीर पेश करता है।
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