Catenated DNA Enforces Sister Chromatid Cohesion

जब भी एक मानव कोशिका दो नई कोशिकाओं को बनाने के लिए विभाजित होती है, तो उसे अत्यधिक सटीकता का प्रदर्शन करना पड़ता है: उसे अपने आनुवंशिक पदार्थ, डीएनए (DNA), को दो बिल्कुल समान हिस्सों में विभाजित करना होता है। यह प्रक्रिया, जिसे माइटोसिस (mitosis) कहा जाता है, शरीर में विकास और मरम्मत का इंजन है। यदि मशीनरी विफल हो जाती है, तो परिणामी कोशिकाओं को बहुत अधिक या बहुत कम गुणसूत्र (chromosomes) प्राप्त हो सकते हैं, जिसे एन्युप्लोइडी (aneuploidy) नामक स्थिति कहा जाता है। यह असंतुलन कैंसर की एक पहचान है और विकासात्मक विकारों का कारण बन सकता है। इस अराजकता को रोकने के लिए, कोशिका एक आणविक गोंद पर निर्भर करती है जिसे कोहेसिन कॉम्प्लेक्स (cohesin complex) कहा जाता है। यह वलय के आकार का प्रोटीन डीएनए की दो नई कॉपी की गई स्ट्रैंड्स, जिन्हें सिस्टर क्रोमैटिड्स (sister chromatids) कहा जाता है, को उनके बनने के क्षण से लेकर विभाजन के अंतिम क्षण तक मजबूती से थामे रखता है। दशकों तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि यह प्रोटीन गोंद ही बहनों को एक साथ रखने वाली एकमात्र शक्ति है, और जैसे ही कोशिका विभाजित होने के लिए तैयार होती, एक एंजाइम बस उस गोंद को काट देता, जिससे बहनें कोशिका के आंतरिक कंकाल द्वारा अलग की जा सकती थीं।

हालाँकि, कोपेनहेगन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं का एक नया अध्ययन इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देता है। उन्होंने खोजा कि कोशिका की शक्तिशाली खींचने वाली ताकतों के विरुद्ध बहनों को एक साथ रखने के लिए केवल प्रोटीन गोंद ही पर्याप्त नहीं है। इसके बजाय, डीएनए की दोनों स्ट्रैंड्स आपस में भौतिक रूप से उलझी हुई भी होती हैं, जैसे कि एक चेन की कड़ियाँ। ये उलझनें, जिन्हें कैटेनेन्स (catenanes) कहा जाता है, एक माध्यमिक भौतिक लॉक के रूप में कार्य करती हैं जो प्रोटीन गोंद के साथ मिलकर काम करती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि प्रोटीन गोंद को काट दिया जाए, तब भी बहनें अलग नहीं होंगी यदि ये डीएनए उलझनें बरकरार रहती हैं। केवल तभी जब कोशिका की मशीनरी इन डीएनए लिंक्स को सुलझा देती है, तब बहनें अंततः अलग हो पाती हैं। यह खोज बताती है कि कोशिका यह सुनिश्चित करने के लिए एक 'दोहरे-लॉक' (dual-lock) सिस्टम का उपयोग करती है कि आनुवंशिक पदार्थ कभी भी समय से पहले न विभाजित हो जाए, यह एक ऐसी खोज है जो हमारे इस समझ को नया रूप देती है कि कोशिकाएं अपनी आनुवंशिक स्थिरता कैसे बनाए रखती हैं।

इस खोज की कहानी एक पहेली के साथ शुरू होती है जो कोशिका जीव विज्ञान (cell biology) में कुछ समय से बनी हुई थी। जब वैज्ञानिक विभाजन से ठीक पहले सूक्ष्मदर्शी (microscope) के नीचे कोशिकाओं को देखते हैं, तो वे अक्सर दो सिस्टर क्रोमैटिड्स को बहुत करीब, लगभग छूते हुए देखते हैं, जो एक रेल की पटरी जैसी संरचना में होते हैं। भले ही कुछ प्रयोगात्मक स्थितियों में उन्हें एक साथ रखने वाला प्रोटीन गोंद काट दिया गया हो, फिर भी बहनें उम्मीद के मुताबिक दूर नहीं भागतीं। वे जिद्दी रूप से जुड़ी रहती हैं। इस अवलोकन ने शोधकर्ताओं को यह परिकल्पना करने के लिए प्रेरित किया कि कुछ और भी है जो उन्हें एक साथ थामे हुए है। उन्हें संदेह था कि डीएनए स्ट्रैंड्स स्वयं आपस में गुंथी हुई हैं। कल्पना कीजिए कि दो लंबी, लचीली रस्सियाँ हैं जो एक-दूसरे के चारों ओर कई बार लिपटी हुई हैं; भले ही आप उन्हें अगल-बगल थामने वाली टेप को काट दें, फिर भी घुमाव (twists) स्वयं उन्हें तब तक जुड़े रखेंगे जब तक कि आप उन्हें सक्रिय रूप से अनट्विस्ट (untwist) नहीं करते। कोशिका में, ये घुमाव ही कैटेनेन्स हैं, और शोधकर्ताओं ने यह साबित करने के लिए प्रयास किया कि वे बहनों को एक साथ रखने के लिए आवश्यक हैं।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने मानव कोशिकाओं को एक विशेष संस्करण का कोहेसिन प्रोटीन ले जाने के लिए इंजीनियर किया। इस संस्करण में एक विशिष्ट कमजोर बिंदु था जिसे TEV प्रोटीज नामक एक कस्टम-मेड एंजाइम द्वारा काटा जा सकता था। शोधकर्ताओं ने इन कोशिकाओं को उगाया और फिर कोशिकाओं को विभाजन के बीच में रखते हुए गोंद को काटने के लिए इस एंजाइम को पेश किया। उन कोशिकाओं में जहाँ डीएनए उलझनों को स्वाभाविक रूप से सुलझाने की अनुमति दी गई थी, गोंद कटने के तुरंत बाद बहनें अलग हो गईं, जिससे पुष्टि हुई कि एंजाइम ने काम किया। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने फिर एक अलग दृष्टिकोण अपनाया। उन्होंने इन कोशिकाओं से गुणसूत्रों को अलग किया और एक टेस्ट ट्यूब में गोंद को काटा, लेकिन बिना कोशिका की प्राकृतिक मशीनरी के जो डीएनए को सुलझा सके। गोंद के पूरी तरह नष्ट होने के बाद भी, सिस्टर क्रोमैटिड्स चिपके रहे। वे केवल तभी अलग हुए जब शोधकर्ताओं ने एक यांत्रिक बल जोड़ा, जैसे कि ज़ोरदार हिलाना (vigorous shaking), या जब उन्होंने एक ऐसा एंजाइम जोड़ा जो डीएनए को ही काट सके। इस प्रयोग ने पहली बार प्रत्यक्ष प्रमाण प्रदान किया कि भौतिक तनाव के विरुद्ध बहनों को एक साथ रखने के लिए केवल प्रोटीन गोंद पर्याप्त नहीं है; डीएनए की उलझनें भारी काम कर रही हैं।

शोधकर्ताओं ने फिर जीवित कोशिकाओं के भीतर इन उलझनों को करीब से देखा। उन्होंने उन संरचनाओं की पहचान की जिन्हें उन्होंने 'सिस्टर सेंट्रोमियर लिंकेज' (sister centromere linkages) कहा, जो गुणसूत्र के केंद्रीय बिंदु पर दो हिस्सों के बीच भौतिक संबंध हैं। उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग का उपयोग करते हुए, उन्होंने देखा कि ये लिंकेज एक विशिष्ट प्रोटीन से ढके हुए थे जिसे PICH कहा जाता है, जो खिंचे हुए डीएनए से जुड़ने के लिए जाना जाता है। उन्होंने यह भी पाया कि टोपोआइसोमेरेज़ II (Topoisomerase II) नामक एक एंजाइम, जो डीएनए को सुलझाने के लिए जिम्मेदार है, इन स्थानों पर मौजूद था। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने देखा कि ये लिंकेज केवल तभी गायब हुए जब कोशिका के आंतरिक कंकाल, स्पिंडल (spindle) ने गुणसूत्रों पर बल के साथ खिंचाव डाला। जब शोधकर्ताओं ने ICRF-193 नामक दवा का उपयोग करके सुलझाने वाले एंजाइम की गतिविधि को रोका, तो प्रोटीन गोंद कटने के बाद भी बहनें अलग होने से इनकार कर गईं। दवा ने अनिवार्य रूप से डीएनए उलझनों को अपनी जगह पर लॉक कर दिया, जिससे कोशिका का विभाजन रुक गया। इसके विपरीत, एक अलग दवा जिसने डीएनए को अस्थायी रूप से तोड़ा लेकिन उसे फिर से जोड़ने की अनुमति दी, उसने अलगाव को नहीं रोका। इसने सिद्ध किया कि डीएनए उलझनों की भौतिक अखंडता ही मुख्य कारक थी, न कि केवल एंजाइम की उपस्थिति।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि क्या होता है जब कोशिका को विभाजन के बीच में बहुत लंबे समय तक रुकने के लिए मजबूर किया जाता है। सामान्यतः, यदि कोई कोशिका इस चरण में फंसी हुई है, तो प्रोटीन गोंद अंततः घिस जाता है, जिसे 'कोहेशन फटीग' (cohesion fatigue) कहा जाता है, और बहनें समय से पहले अलग हो जाती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब उन्होंने सुलझाने वाले एंजाइम को ब्लॉक किया, तो कोशिकाएं बहनों के अलग होने के बिना इस प्रतीक्षा चरण में बहुत लंबे समय तक रह सकीं। डीएनए उलझनें एक बैकअप सिस्टम के रूप में कार्य करती थीं, जो प्रोटीन गोंद के विफल होने के बाद भी बहनों को थामे रखती थीं। इसके विपरीत, जब उन्होंने डीएनए उलझनों को कमजोर करने वाली दवा का उपयोग किया, तो बहनें सामान्य से बहुत तेज़ी से अलग हो गईं। इसने पुष्टि की कि उलझनें केवल डीएनए प्रतिकृति (replication) का निष्क्रिय उपोत्पाद नहीं हैं, बल्कि कोशिका के विभाजन तंत्र का एक सक्रिय, बल-प्रतिरोधी घटक हैं।

शायद सबसे चौंकाने वाला प्रमाण उस प्रयोग से आया जहाँ शोधकर्ताओं ने एक आणविक उपकरण जिसका नाम CRISPR है, का उपयोग करके डीएनए को विशेष रूप से उन स्थानों पर काटा जहाँ ये उलझनें ज्ञात रूप से बनती हैं। उन्होंने गुणसूत्रों के केंद्र में पाए जाने वाले एक विशिष्ट डीएनए अनुक्रम को लक्षित किया। जब उन्होंने उन कोशिकाओं में इस डीएनए को काटा जहाँ प्रोटीन गोंद को पहले ही हटाया जा चुका था, तो बहनें तुरंत अलग हो गईं, भले ही सुलझाने वाले एंजाइम को ब्लॉक किया गया था। इसने दिखाया कि डीएनए का भौतिक जुड़ाव ही वह अंतिम बाधा थी जो बहनों को एक साथ थामे हुए थी। एक बार जब वह बाधा टूट गई, तो बहनें कोशिका के खींचने वाले बलों का प्रतिरोध नहीं कर सकीं।

इस कार्य के निहितार्थ हमारे इस समझने के लिए महत्वपूर्ण हैं कि कोशिकाएं कैसे कार्य करती हैं। यह सुझाव देता है कि कोशिका ने यह सुनिश्चित करने के लिए कि गुणसूत्र बहुत जल्दी विभाजित न हों, एक रेडंडेंट (redundant), दो-भाग वाला सुरक्षा तंत्र विकसित किया है। प्रोटीन गोंद एक नियंत्रित, रासायनिक लॉक प्रदान करता है जिसे सही समय पर बंद किया जा सकता है, जबकि डीएनए उलझनें एक भौतिक लॉक प्रदान करती हैं जो विभाजन के दौरान उत्पन्न होने वाले अत्यधिक बलों का विरोध करती हैं। कोशिका इस दूसरे लॉक को तभी खोलती है जब वह तैयार होती है, और सुलझाने वाले एंजाइम को अपना काम करने के लिए निर्देशित करने हेतु स्पिंडल के खींचने वाले बल का उपयोग करती है। यदि यह प्रणाली विफल हो जाती है, तो परिणाम गुणसूत्रों का असमान वितरण हो सकता है, जो कैंसर का एक प्राथमिक चालक है। डीएनए कैनेशन (DNA catenation) को एक महत्वपूर्ण, सक्रिय खिलाड़ी के रूप में प्रकट करके, शोधकर्ताओं ने इस क्षेत्र में एक लंबे समय से चली आ रही धारणा को सुधारा है। उन्होंने दिखाया है कि सिस्टर क्रोमैटिड्स का अलगाव केवल एक प्रोटीन रिंग को काटने का मामला नहीं है, बल्कि एक जटिल यांत्रिक घटना है जहाँ डीएनए की भौतिक अवस्था स्वयं निर्णायक भूमिका निभाती है। यह नया मॉडल यह समझाने में मदद करता है कि कुछ कोशिकाएं सही ढंग से विभाजित होने में क्यों विफल रहती हैं और जीवन की मौलिक यांत्रिकी के प्रति एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है।