Nanopore sequencing reveals the DNA replication timing programme of the malaria parasite Plasmodium falciparum
यह अध्ययन ऑक्सफोर्ड नैनोपोर लॉन्ग-रीड सीक्वेंसिंग और DNAscent का उपयोग करके मलेरिया परजीवी *Plasmodium falciparum* के पहले रेप्लिकेशन टाइमिंग प्रोग्राम को मैप करता है, जो डीएनए टूटने (DNA breakage) और क्षणिक रेप्लिकेशन फोर्क स्टॉलिंग (transient replication fork stalling) के साथ इसके संबंध को प्रकट करता है।
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प्रत्येक जीवित कोशिका में डीएनए (DNA) के रूप में लिखे गए निर्देशों का एक समूह होता है, जो एक लंबा अणु है जिसे कोशिका के विभाजित होने से पहले पूरी तरह से कॉपी किया जाना चाहिए। यह कॉपी करने की प्रक्रिया, जिसे रेप्लिकेशन (replication) कहा जाता है, एक साथ नहीं होती है। इसके बजाय, डीएनए के विभिन्न हिस्सों को कोशिका के विभाजन चक्र के दौरान विशिष्ट समय पर कॉपी किया जाता है। मनुष्यों जैसे जटिल जीवों में, यह कार्यक्रम अत्यधिक व्यवस्थित होता है: कुछ क्षेत्रों को जल्दी कॉपी किया जाता है, जबकि अन्य बाद तक प्रतीक्षा करते हैं। यह समय निर्धारण यादृच्छिक (random) नहीं है; यह इस बात से जुड़ा है कि डीएनए कितनी मजबूती से पैक है और कौन से जीन सक्रिय हैं। जब यह कार्यक्रम गलत हो जाता है, तो डीएनए टूट सकता है या अस्थिर हो सकता है, जिससे कैंसर जैसी बीमारियां हो सकती हैं। इस समय निर्धारण को समझना यह जानने के लिए महत्वपूर्ण है कि जीवन अपने आनुवंशिक ब्लूप्रिंट को कैसे बनाए रखता है।
द दशकों से, वैज्ञानिक मानव कोशिकाओं और सरल यीस्ट (yeast) में इस कार्यक्रम का मानचित्र बनाने में सक्षम रहे हैं, जो कोशिकाओं को उनके विभाजन चक्र में वे कितनी दूर तक पहुँच चुके हैं, इसके आधार पर समूहों में छाँटने की विधि पर निर्भर करता है। हालाँकि, यह दृष्टिकोण मलेरिया परजीवी, प्लाज्मोडियम फाल्सीपेरम (Plasmodium falciparum) के लिए पूरी तरह से विफल हो जाता है। यह छोटा जीव एक अजीब तरीके से विभाजित होता है। दो में विभाजित होने के बजाय, यह एक ऐसी प्रक्रिया से गुजरता है जहाँ यह अपने पूरे जीनोम को तेजी से चार या पांच बार कॉपी करता है और फिर अंततः कई नए परजीवियों में विभाजित हो जाता है। क्योंकि ये कॉपियाँ एक साथ और ओवरलैप होते हुए समय में होती हैं, रेप्लिकेशन टाइमिंग मापने की मानक विधियों का उपयोग नहीं किया जा सकता है। इसने हमारे ज्ञान में एक बड़ी कमी छोड़ दी थी: हमें यह नहीं पता था कि क्या मलेरिया परजीवी के पास कोई शेड्यूल है भी या नहीं, या क्या उसके अराजक विभाजन का मतलब यह था कि उसका डीएनए पूरी तरह से अलग तरीके से कॉपी होता है।
इस पहेली को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं ने नैनोपोर सीक्वेंसिंग (nanopore sequencing) नामक एक नई तकनीक का सहारा लिया। कल्पना कीजिए कि डीएनए के एक लंबे स्ट्रैंड को एक सूक्ष्म छिद्र (pore) के माध्यम से खींचा जा रहा है, जहाँ एक कंप्यूटर अक्षरों के अनुक्रम को गुजरते समय पढ़ता है। इस तकनीक को एक चतुर लेबलिंग तकनीक के साथ जोड़कर, टीम डीएनए को कॉपी करने वाली मशीनरी, जिसे रेप्लिकेशन फोर्क (replication fork) कहा जाता है, की गति को ट्रैक कर सकी। उन्होंने लैब में मलेरिया परजीवियों को उगाया और उन्हें थोड़े समय के लिए एक रासायनिक टैग खिलाया जो केवल तभी डीएनए में शामिल होता है जब उसे कॉपी किया जा रहा हो। डीएनए को सीक्वेंस करके और यह देखकर कि ये टैग कहाँ दिखाई दिए, वे देख सके कि जीनोम के विभिन्न हिस्से अलग-अलग क्षणों में कैसे कॉपी किए जा रहे थे। इसने उन्हें पहली बार रेप्लिकेशन शेड्यूल का मानचित्र बनाने की अनुमति दी, जिससे पता चला कि असामान्य विभाजन चक्र के बावजूद, परजीवी वास्तव में एक विशिष्ट क्रम का पालन करता है।
मानचित्र ने दिखाया कि परजीवी का डीएनए यादृच्छिक रूप से कॉपी नहीं होता है। गुणसूत्रों (chromosomes) के बीच के क्षेत्र, जिन्हें सेंट्रोमेयर (centromeres) कहा जाता है, जल्दी कॉपी किए जाते हैं, जबकि गुणसूत्रों के सिरों, जिन्हें टेलोमेयर (telomeres) कहा जाता है, देर से कॉपी किए जाते हैं। यह पैटर्न अन्य जटिल जीवों में देखी जाने वाली चीज़ के समान है, जो यह सुझाव देता है कि भले ही मलेरिया परजीवी मनुष्यों से बहुत अलग है, फिर भी वह अपने जीनोम को व्यवस्थित करने के लिए कुछ मौलिक नियमों को साझा करता है। शोधकर्ताओं ने उन विशिष्ट जीन समूहों की भी जांच की जो परजीवी को मानव प्रतिरक्षा प्रणाली से छिपने में मदद करते हैं। ये जीन, जो परजीवी को अपना स्वरूप बदलने और पहचान से बचने की अनुमति देते हैं, चक्र में देर से कॉपी किए जाते पाए गए। यह समय निर्धारण इस तथ्य के अनुरूप है कि ये जीन अक्सर कसकर पैक होते हैं और शांत रखे जाते हैं, केवल तभी सक्रिय होते हैं जब उनकी आवश्यकता होती है।
सबसे आश्चर्यजनक खोज स्वयं कॉपी करने वाली मशीनरी का व्यवहार था। जैसे ही शोधकर्ताओं ने रेप्लिकेशन फोर्क की गति को ट्रैक किया, उन्होंने पाया कि ये मशीनें मानव कोशिकाओं या एक संबंधित परजीवी प्लाज्मोडियम नोवेली (Plasmodium knowlesi) की तुलना में बहुत अधिक बार रुकती और शुरू होती हैं। परजीवी का डीएनए दो विशिष्ट रासायनिक बिल्डिंग ब्लॉक्स से अत्यधिक समृद्ध है, जो डीएनए स्ट्रैंड को नेविगेट करना कठिन बना देता है। टीम ने पाया कि कॉपी करने वाली मशीनरी इस कठिन इलाके से गुजरते समय अक्सर रुक जाती या धीमा हो जाती है। हालाँकि, ये रुकावटें आमतौर पर अस्थायी थीं। मशीनरी रुकती, फिर से संभलती और आगे बढ़ती, बजाय इसके कि पूरी तरह से टूट जाए।
यह समझने के लिए कि परजीवी लगभग 60 मिनट में अपने पूरे जीनोम को कॉपी करना कैसे प्रबंधित करता है, शोधकर्ताओं ने एक गणितीय मॉडल बनाया। उन्होंने दो संभावनाओं का परीक्षण किया: एक जहाँ रुकावटें स्थायी थीं और जिनके लिए शून्य से फिर से शुरू करने की आवश्यकता थी, और दूसरा जहाँ रुकावटें संक्षिप्त अंतराल थीं। मॉडल ने दिखाया कि यदि रुकावटें स्थायी होतीं, तो परजीवी को समय पर पूरा करने के लिए हजारों अतिरिक्त बिंदुओं से कॉपी करना शुरू करना पड़ता, जो भौतिक साक्ष्यों से मेल नहीं खाता था। इसके बजाय, मॉडल जो डेटा के सबसे करीब था, वह एक ऐसा था जहाँ रुकावटें क्षणिक (transient) थीं। कॉपी करने वाली मशीनरी बार-बार रुकती है लेकिन जल्दी रिकवर करती है, जिससे जीनोम कुशलतापूर्वक कॉपी हो पाता है।
यह निष्कर्ष बताता है कि मलेरिया परजीवी अपने विभाजन के दौरान निरंतर उच्च तनाव की स्थिति में रहता है। बार-बार होने वाले अंतराल संभवतः उसके अद्वितीय, रासायनिक रूप से कठिन डीएनए का एक दुष्प्रभाव हैं, लेकिन परजीवी ने आगे बढ़ते रहने का एक तरीका विकसित किया है। हालांकि ये अंतराल स्थायी नहीं हैं, फिर भी वे एक तनावपूर्ण वातावरण बनाते हैं जो वास्तव में परजीवी को विकसित होने में मदद कर सकता है। यह तनाव डीएनए में छोटे बदलावों को प्रोत्साहित कर सकता है, जिससे परजीवी तेजी से अनुकूलित होने और मानव प्रतिरक्षा प्रणाली से एक कदम आगे रहने में सक्षम होता है। इस छिपे हुए शेड्यूल और रास्ते में होने वाले बार-बार के ठहराव को उजागर करके, यह अध्ययन प्रदान करता है कि यह घातक परजीवी हर बार विभाजित होने पर अपने अस्तित्व और विकास के लिए किन जैविक चुनौतियों का सामना करता है।
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