Investigating the pathogenicity of missense spliceogenic variants using whole-genome sequencing, RNA-sequencing, and proteomics data from population and clinical research cohorts

मानव स्वास्थ्य हमारे डीएनए में लिखे एक जटिल निर्देश मैनुअल पर निर्भर करता है, एक ऐसा कोड जो हमारी कोशिकाओं को बताता है कि जीवन के लिए आवश्यक प्रोटीन कैसे बनाए जाएं। दशकों से, वैज्ञानिकों ने इस बात पर ध्यान केंद्रित किया है कि इस कोड में बदलाव अंतिम प्रोटीन के आकार और कार्य को कैसे बदल देते हैं, ठीक वैसे ही जैसे यह जांचना कि क्या रेसिपी में कोई टाइपो (लिखने की गलती) केक के स्वाद को खराब कर देता है। हालांकि, अंतिम उत्पाद बनने से पहले निर्देश मैनुअल में एक महत्वपूर्ण संपादन (एडिटिंग) चरण होता है। स्प्लिसिंग (splicing) के रूप में जानी जाने वाली यह प्रक्रिया, अनावश्यक हिस्सों को काट देती है और शेष भागों को एक साफ, उपयोगी संदेश बनाने के लिए आपस में जोड़ देती है। यदि यह संपादन चरण गलत हो जाता है, तो कोशिका संदेश को पूरी तरह से त्याग सकती है या एक टूटा हुआ संस्करण बना सकती है, जिससे रोग उत्पन्न होते हैं। जबकि शोधकर्ता लंबे समय से जानते थे कि इन खंडों के बिल्कुल किनारों पर होने वाली त्रुटियां ऐसी गलतियां पैदा कर सकती हैं, उन्होंने काफी हद तक यह मान लिया था कि इन खंडों के बीच में होने वाले बदलाव सुरक्षित होते हैं, बशर्ते अंतिम प्रोटीन अभी भी सही दिखे।

एक नया अध्ययन इस धारणा को चुनौती देता है, यह प्रकट करते हुए कि कई आनुवंशिक परिवर्तन जिन्हें पहले हानिरहित माना जाता था, वास्तव में संपादन प्रक्रिया को बाधित करते हैं। लगभग पांच लाख लोगों के आनुवंशिक डेटा का विश्लेषण करके और उनके रक्त में प्रोटीन के स्तर को मापकर, शोधकर्ताओं ने पाया कि इन "मध्य" परिवर्तनों में से एक महत्वपूर्ण संख्या संपादन तंत्र (splicing machinery) को बाधित करती है। ये त्रुटियां, जिन्हें टीम ने 'मिसेंस स्प्लिसोजेनिक वेरिएंट्स' (missense spliceogenic variants) कहा है, अक्सर वर्तमान नैदानिक उपकरणों द्वारा अनसुनी रह जाती हैं क्योंकि वे उपकरण केवल अंतिम प्रोटीन के आकार को देखते हैं, संपादन प्रक्रिया को नहीं। निष्कर्ष बताते हैं कि वर्तमान में 'अनिश्चित' या 'सौम्य' (benign) लेबल किए गए आनुवंशिक वेरिएंट्स का एक बड़ा हिस्सा वास्तव में बीमारी का कारण बन रहा है क्योंकि वे आवश्यक प्रोटीन बनाने से रोक रहे हैं।

इस छिपी हुई समस्या के पैमाने को समझने के लिए, शोध टीम ने यूके बायोबैंक (UK Biobank) की ओर रुख किया, जो लगभग 5,00,000 स्वयंसेवकों की आनुवंशिक जानकारी और स्वास्थ्य रिकॉर्ड वाला एक विशाल डेटाबेस है। वे एक विशिष्ट प्रकार के आनुवंशिक परिवर्तन पर ध्यान केंद्रित कर रहे थे जिसे 'मिसेंस वेरिएंट' (missense variant) कहा जाता है, जो डीएनए कोड में एक एकल अक्षर का परिवर्तन है जिसके परिणामस्वरूप आमतौर पर प्रोटीन में एक अलग निर्माण खंड (building block) का उपयोग किया जाता है। टीम ने आठ मिलियन से अधिक इन वेरिएंट्स की जांच की ताकि यह देखा जा सके कि क्या उनमें से किसी ने भी स्प्लिसिंग प्रक्रिया को बाधित किया। उन्होंने यह अनुमान लगाने के लिए कि प्रत्येक वेरिएंट आनुवंशिक संदेश के संपादन को कैसे प्रभावित करेगा, एक परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया। परिणाम चौंकाने वाले थे: इन मिसेंस वेरिएंट्स में से लगभग 2.7 प्रतिशत के बारे में भविष्यवाणी की गई थी कि वे स्प्लिसिंग में हस्तक्षेप करेंगे, जो 'सिनोनिमस वेरिएंट्स' (synonymous variants) की दर के लगभग समान है, जो प्रोटीन को बिल्कुल भी परिवर्तित नहीं करते हैं। यह सुझाव देता है कि संपादन प्रक्रिया को बाधित करने का जोखिम कोड के बीच में उतना ही आम है जितना कि किनारों पर।

अध्ययन ने फिर यह जांचा कि क्या इन अनुमानित त्रुटियों के वास्तविक दुनिया में परिणाम होते हैं। शोधकर्ताओं ने 50,000 प्रतिभागियों के रक्त के नमूनों के साथ आनुवंशिक डेटा की तुलना की, और रक्त में संचारित होने वाले लगभग 3,000 विभिन्न प्रोटीनों के स्तरों को देखा। उन्होंने पाया कि इन विशिष्ट मिसेंस वेरिएंट्स को रखने वाले व्यक्तियों में संबंधित प्रोटीनों के स्तर में उल्लेखनीय कमी आई थी। कई मामलों में, प्रोटीन के स्तर में यह कमी उन लोगों में देखी गई कमी जितनी ही गंभीर थी जिनके ज्ञात, विनाशकारी आनुवंशिक त्रुटियां हैं जो प्रोटीन उत्पादन को पूरी तरह से रोक देते हैं। इसने पुष्टि की कि अनुमानित स्प्लिसिंग त्रुटियां केवल सैद्धांतिक नहीं थीं; वे सक्रिय रूप से शरीर को आवश्यक प्रोटीन बनाने से रोक रही थीं।

जांच का एक महत्वपूर्ण हिस्सा उन उपकरणों की विश्वसनीयता का परीक्षण करना था जिनका उपयोग वर्तमान में डॉक्टर और जेनेटिक विशेषज्ञ वेरिएंट की व्याख्या करने के लिए करते हैं। अधिकांश मानक सॉफ्टवेयर प्रोग्राम इस बात की भविष्यवाणी करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं कि क्या कोई आनुवंशिक परिवर्तन प्रोटीन की संरचना को नुकसान पहुंचाएगा। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके द्वारा पहचाने गए स्प्लिसिंग बाधित करने वाले वेरिएंट्स के लिए, ये मानक उपकरण अक्सर एक "सुरक्षित" रेटिंग देते हैं। वास्तव में, आधे से अधिक वेरिएंट्स जिन्हें स्प्लिसिंग प्रक्रिया को तोड़ने के लिए अनुमानित किया गया था, उन्हें प्रोटीन-केंद्रित उपकरणों द्वारा सौम्य या तटस्थ के रूप में वर्गीकृत किया गया था। यह एक खतरनाक अंध बिंदु (blind spot) बनाता है: एक वेरिएंट को हानिरहित के रूप में चिह्नित किया जा सकता है क्योंकि प्रोटीन ठीक दिखता है, जबकि वास्तव में, कोशिका प्रोटीन बनाने में विफल हो रही होती है। यह विसंगति उन प्रोटीन क्षेत्रों में और भी अधिक स्पष्ट थी जो स्वाभाविक रूप से लचीले हैं और जिनमें एक कठोर संरचना का अभाव है, जहाँ मानक उपकरण समस्या की भविष्यवाणी करने में सबसे कम सक्षम होते हैं।

यह सिद्ध करने के लिए कि उनके कंप्यूटर अनुमान जैविक वास्तविकता से मेल खाते हैं, टीम ने उन दुर्लभ बीमारियों वाले रोगियों के वास्तविक आनुवंशिक डेटा को देखा जिन्हें पहले कोई निदान नहीं मिला था। उन्होंने एनएचएस (NHS) जीनोमिक मेडिसिन सर्विस से 14 ऐसे 'अनिश्चित महत्व के मिसेंस वेरिएंट्स' की पहचान की जिन्हें उनके मॉडल ने स्प्लिसिंग को बाधित करने वाला बताया था। जब शोधकर्ताओं ने इन रोगियों के आरएनए (RNA), यानी आनुवंशिक संदेश, की जांच की, तो उन्होंने पुष्टि की कि स्प्लिसिंग वास्तव में बाधित हुई थी, जिससे इन वेरिएंट्स को रोगजनक (pathogenic) या संभावित रूप से रोगजनक के रूप में वर्गीकृत करने के लिए मजबूत साक्ष्य मिले। एक मामले में, VRK1 नामक जीन में एक वेरिएंट, जिसे पहले हानिरहित माना जाता था, ने दिखाया कि यह कोशिका को संदेश के एक पूरे हिस्से को छोड़ने के लिए मजबूर करता है, जिससे एक गंभीर न्यूरोलॉजिकल स्थिति पैदा होती है। एक अन्य मामले में, PRG4 जीन में एक वेरिएंट, जो जोड़ों और हृदय की समस्याओं का कारण बनता है, ने पाया कि वह कोशिका को एक गलत संपादन स्थल का उपयोग करने के लिए मजबूर करता है, जिससे संदेश का एक महत्वपूर्ण हिस्सा डिलीट हो जाता है। इन निष्कर्षों ने प्रत्यक्ष प्रमाण प्रदान किया कि कंप्यूटर मॉडल उन रोगजनक त्रुटियों की सही पहचान कर रहे थे जिन्हें पारंपरिक तरीकों से छोड़ दिया गया था।

शोधकर्ताओं ने एक बड़े समूह पर भी अपना नया दृष्टिकोण लागू किया जो 100,000 जीनोम्स प्रोजेक्ट (100,000 Genomes Project) के अनसुलझे मामलों का हिस्सा है, जो दुर्लभ बीमारियों के आनुवंशिक कारणों को खोजने की एक राष्ट्रीय पहल है। इन विशिष्ट स्प्लिसिंग त्रुटियों के लिए स्क्रीनिंग करके, उन्होंने एक ऐसे रोगी की पहचान की जो वर्षों से बिना निदान के था। नए विश्लेषण ने खुलासा किया कि DYSF नामक जीन में एक परिवर्तन ने संपादन स्थल को नष्ट कर दिया, जिससे मस्कुलर डिस्ट्रॉफी (muscular dystrophy) का एक रूप पैदा हुआ, और निष्कर्षों ने रोगी के लक्षणों के साथ मजबूती से मेल खाया, जिससे आगे के नैदानिक परीक्षण की आवश्यकता सिद्ध हुई। उन्होंने समान अस्पष्ट स्थितियों वाले दो अन्य रोगियों के लिए भी मजबूत उम्मीदवार पाए। ये सफलताएं दर्शाती हैं कि केवल अंतिम प्रोटीन को देखने के बजाय संपादन प्रक्रिया को देखना, लंबे समय से चले आ रहे चिकित्सा रहस्यों को हल कर सकता है।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि आनुवंशिक परिवर्तनों की व्याख्या करने के वर्तमान तरीके को विकसित होने की आवश्यकता है। वर्षों से, ध्यान इस बात पर रहा है कि क्या कोई परिवर्तन प्रोटीन के आकार को तोड़ता है, लेकिन यह शोध दिखाता है कि एक परिवर्तन उतना ही हानिकारक हो सकता है यदि वह संदेश को सही ढंग से संपादित होने से रोकता है। अपने मानक नैदानिक वर्कफ़्लो में स्प्लिसिंग त्रुटियों की भविष्यवाणी करने वाले उपकरणों को एकीकृत करके, डॉक्टर कई अधिक रोगियों में रोग के वास्तविक कारण का पता लगा सकते हैं। दृष्टिकोण में यह बदलाव क्षेत्र को अंतिम उत्पाद के संकीर्ण फोकस से हटाकर संपूर्ण निर्माण प्रक्रिया की व्यापक समझ की ओर ले जाता है, यह सुनिश्चित करता है कि किसी भी आनुवंशिक त्रुटि को केवल इसलिए अनदेखा न किया जाए क्योंकि वह आंखों के सामने छिपी हुई है।