Multi-omic long-read sequencing reveals nucleosome control of transcriptional fidelity at the isoform level

प्रत्येक जीवित कोशिका के भीतर, एक जीव के निर्माण और संचालन के निर्देश डीएनए (DNA) नामक एक लंबी, पतली अणु में लिखे होते हैं। इस विशाल अणु को एक सूक्ष्म स्थान में फिट करने के लिए, इसे न्यूक्लियोसोम नामक स्पूल जैसे प्रोटीनों के चारों ओर कसकर लपेटा जाता है। इन स्पूलों को धागे पर पिरोए गए मोतियों के रूप में समझें। यह लिपटना केवल जगह बचाने के लिए नहीं है; यह एक द्वारपाल की तरह कार्य करता है। जब डीएनए कसकर लिपटा होता है, तो कोशिका की मशीनरी निर्देशों को पढ़ नहीं पाती है। जब स्पूलों को एक तरफ हटा दिया जाता है या निकाल दिया जाता है, तो निर्देश सुलभ हो जाते हैं, और कोशिका काम करना शुरू कर सकती है। कोशिका इन स्पूलों को डीएनए स्ट्रिंग पर खिसकाने के लिए रिमॉडलर (remodelers) नामक विशेष प्रोटीनों का उपयोग करती है, जो जीन को पढ़ने के लिए विशिष्ट खंडों को खोलते हैं और काम पूरा होने पर उन्हें बंद कर देते हैं। यह प्रक्रिया महत्वपूर्ण है क्योंकि एक ही जीन को अलग-अलग प्रोटीन के विभिन्न संस्करण बनाने के लिए अलग-अलग तरीकों से पढ़ा जा सकता है, और इन स्पूलों की सटीक व्यवस्था यह निर्धारित करने में मदद करती है कि कौन सा संस्करण बनाया जाएगा।

लंबे समय तक, वैज्ञानिक इस बात को समझने के लिए संघर्ष करते रहे कि डीएनए के एक विशिष्ट हिस्से पर यह स्पूल व्यवस्था उसी डीएनए के टुकड़े से बनने वाले प्रोटीन के सटीक संस्करण को कैसे प्रभावित करती है। पिछली विधियाँ भीड़ की एक धुंधली तस्वीर लेने जैसी थीं; वे आपको कमरे में लोगों की औसत संख्या तो बता सकती थीं, लेकिन वे यह नहीं बता सकती थीं कि कौन सा विशिष्ट व्यक्ति किस विशिष्ट वस्तु के बगल में खड़ा था। वे यह नहीं देख सकते थे कि क्या एक ही डीएनए स्ट्रैंड पर स्पूल जीन की शुरुआत में खुले थे और बीच में बंद थे। इस स्पष्ट दृश्य के बिना, यह समझना असंभव था कि डीएनए की भौतिक अवस्था सीधे अंतिम आनुवंशिक संदेश को कैसे आकार देती है।

कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांता क्रूज़ के शोधकर्ताओं की एक टीम ने औसत के बजाय व्यक्तिगत डीएनए स्ट्रैंड्स को देखकर इस समस्या को हल करने का निर्णय लिया। उन्होंने बेकर्स यीस्ट (baker's yeast) के साथ काम किया, जो कोशिका जीव विज्ञान का अध्ययन करने के लिए उपयोग किया जाने वाला एक सरल जीव है। वैज्ञानिकों ने दो विशिष्ट प्रोटीनों, ISW1 और CHD1 को हटा दिया, जो कोशिका के स्पूल मूवर्स (spool movers) के रूप में कार्य करते हैं। इन प्रोटीनों के बिना, डीएनए स्ट्रिंग पर स्पूल अपनी व्यवस्थित व्यवस्था खो देते हैं। शोधकर्ताओं ने एक शक्तिशाली नई अनुक्रमण (sequencing) तकनीक का उपयोग किया जो एक बार में डीएनए और आरएनए (RNA) के बहुत लंबे स्ट्रैंड्स को पढ़ सकती है। इसने उन्हें एक एकल डीएनए फाइबर को देखने और यह देखने की अनुमति दी कि ठीक उसी फाइबर से आरएनए संदेश क्या बना, जिससे पता चला कि कोशिका ने वास्तव में क्या बनाया।

उन्होंने व्यक्तिगत डीएनए स्ट्रैंड्स को समूहों में वर्गीकृत करने के लिए एक नया कंप्यूटर तरीका विकसित किया, जो इस आधार पर था कि जीन की शुरुआत में और जीन के बीच में स्पूल कितने खुले या बंद थे। उन्होंने पाया कि जब स्पूल-हिलाने वाले प्रोटीन गायब होते हैं, तो कोशिका केवल यादृच्छिक रूप से डीएनए को खराब नहीं करती है। इसके बजाय, स्पूल एक समन्वित तरीके से चलते हैं। कई डीएनए स्ट्रैंड्स पर, जो स्पूल आमतौर पर एक जीन के प्रारंभ में स्थित होते हैं, वे जीन के मध्य में चले गए, जबकि जीन का मध्य हिस्सा खुल गया। इस बदलाव ने उन निर्देशों को बदल दिया जिनका कोशिका पालन करती है। जो जीन आमतौर पर शांत थे वे सक्रिय हो गए, और जो जीन आमतौर पर मुखर थे वे शांत हो गए। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि कोशिका ने गलत शुरुआती बिंदुओं से जीन को पढ़ना शुरू कर दिया, जिससे सामान्य से भिन्न आनुवंशिक संदेशों के संस्करण बने।

अध्ययन ने खुलासा किया कि स्पूल व्यवस्था में यह परिवर्तन प्रोटीन के विभिन्न संस्करण बनाने का सीधा कारण था। जब स्पूल गलत जगह पर थे, तो कोशिका की पढ़ने वाली मशीन, जिसे आरएनए पॉलीमरेज़ (RNA polymerase) कहा जाता है, को सुचारू रूप से आगे बढ़ने में कठिनाई हुई। इसने पढ़ना शुरू तो किया लेकिन काम पूरा करने से पहले ही यह रुक गई या अलग हो गई। यह विशेष रूप से उन जीनों के लिए सच था जो आमतौर पर बहुत सक्रिय रहते थे। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि कोशिका को आनुवंशिक संदेश के अनावश्यक हिस्सों को काटने में कठिनाई हुई, जिसे स्प्लिसिंग (splicing) कहा जाता है। क्योंकि स्पूल सही ढंग से व्यवस्थित नहीं थे, इसलिए कटाई करने वाली मशीन कुशलतापूर्वक अपना काम नहीं कर सकी, जिससे अधूरे या त्रुटिपूर्ण संदेश बने।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक यह था कि कोशिका ने इन त्रुटियों की भरपाई करने के लिए जीनों के भीतर छिपे स्थानों से पढ़ना शुरू करके प्रयास किया। ये छिपे हुए स्थान सामान्य शुरुआती बिंदुओं की तरह दिखते थे, लेकिन आमतौर पर स्पूलों द्वारा अवरुद्ध होते थे। जब स्पूल-हिलाने वाले प्रोटीन गायब हो गए, तो ये छिपे हुए स्थान खुल गए, और कोशिका ने वहां से पढ़ना शुरू कर दिया। इसका मतलब यह था कि कोशिका सही और गलत संदेशों का मिश्रण बना रही थी, जो अक्सर एक ही जीन से एक ही समय में उत्पन्न होते थे। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि एक एकल डीएनए स्ट्रैंड पर स्पूलों का विशिष्ट पैटर्न ठीक से भविष्यवाणी कर सकता था कि कोशिका संदेश का कौन सा संस्करण बनाएगी।

अध्ययन ने इस सामान्य विचार को भी खारिज कर दिया कि कोशिका की पढ़ने वाली मशीन इन छिपे हुए स्थानों से पढ़ने की कोशिश करने वाली अन्य मशीनों से टकरा रही है। डेटा ने दिखाया कि धीमापन तब भी हुआ जब रास्ते में कोई अन्य मशीन नहीं थी। इसके बजाय, समस्या केवल यह थी कि डीएनए स्ट्रिंग स्वयं बहुत अव्यवस्थित थी। स्पूलों की नियमित रिक्ति के बिना, पढ़ने वाली मशीन कुशलतापूर्वक आगे नहीं बढ़ सकी। इस व्यवस्था की कमी ने संदेश के अतिरिक्त हिस्सों को काटने के कार्य को भी कठिन बना दिया, जिससे अंतिम उत्पाद में अधिक त्रुटियां हुईं।

एक कोशिका के स्ट्रैंड को एक बार में देखकर, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि डीएनए का भौतिक संगठन एक सटीक नियंत्रण प्रणाली है। यह केवल जीनों को चालू या बंद नहीं करता है; यह यह भी निर्धारित करता है कि निर्देशों को ठीक से कैसे पढ़ा और संसाधित किया जाए। जब डीएनए को व्यवस्थित करने वाले प्रोटीन हटा दिए जाते हैं, तो प्रणाली अपनी सटीकता खो देती है, जिससे आनुवंशिक संदेशों का एक अराजक मिश्रण बन जाता है। यह कार्य एक स्पष्ट चित्र प्रदान करता है कि कैसे हमारे आनुवंशिक कोड की भौतिक संरचना प्रोटीन की जटिल विविधता को प्रभावित करती है, यह दिखाते हुए कि स्पूलों की व्यवस्था डीएनए स्ट्रिंग पर लिखे गए अक्षरों जितनी ही महत्वपूर्ण है।