A multi-tissue transcriptome and expression atlas of Astacus leptodactylus: assembly and annotation

जीवन के ब्लूप्रिंट का पुस्तकालय

कल्पना कीजिए कि किसी जीवित प्राणी का पूरा इतिहास डीएनए से बनी एक विशाल पुस्तक में लिखा गया है। यह पुस्तक, जिसे जीनोम कहा जाता है, एक नन्हीं चींटी से लेकर एक विशाल व्हेल तक, सब कुछ बनाने के निर्देशों को समाहित करती है। हालाँकि, केवल इसलिए कि एक पुस्तक मौजूद है, इसका मतलब यह नहीं है कि उसके हर पन्ने को एक ही समय में पढ़ा जा रहा है। वास्तव में, अधिकांश पन्ने बंद हैं। निर्देशों को पढ़ने और उन्हें क्रिया में बदलने के लिए विशिष्ट पन्नों को खोलने की इस प्रक्रिया को "जीन एक्सप्रेशन" (gene expression) कहा जाता है। वैज्ञानिक अक्सर इन "खुले पन्नों" का अध्ययन करने के लिए आरएनए (RNA) नामक एक अणु को देखते हैं, जो सक्रिय निर्देशों की एक फोटोकॉपी की तरह कार्य करता है।

लंबे समय से, वैज्ञानिकों के पास फल मक्खी या चूहों जैसे प्रसिद्ध मॉडल जानवरों के इन फोटोकॉपी के विस्तृत "पुस्तकालय" मौजूद हैं। लेकिन कई अन्य जीवों के लिए, विशेष रूप से जंगली वातावरण में रहने वाले जीवों के लिए, जैसे कि क्रेफिश (crayfish), ये पुस्तकालय या तो गायब हैं या बहुत अधूरे हैं। एक अच्छा पुस्तकालय होने के बिना, यह समझना कठिन है कि ये जीव दुनिया को कैसे महसूस करते हैं, अपनी मांसपेशियों को कैसे चलाते हैं, या अपने पर्यावरण के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देते हैं। यह शोध पत्र उस कमी को भरने का प्रयास करता है, जो एक विशिष्ट प्रकार के क्रेफिश, जिसे 'नैरो-क्लॉड क्रेफिश' (narrow-clawed crayfish) कहा जाता है, पर केंद्रित है। यह जीव तुर्की और पूर्वी यूरोप जैसे स्थानों में प्रकृति और स्थानीय मछली पकड़ने के उद्योगों के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। यहाँ लक्ष्य एक व्यापक "एक्सप्रेशन एटलस" (expression atlas) बनाना है—एक ऐसा मानचित्र जो यह दर्शाता है कि क्रेफिश के शरीर के किस हिस्से में, जैसे कि उसकी आँखों से लेकर उसके सूक्ष्म संवेदी तंत्रिकाओं तक, कौन से जीन सक्रिय हैं।

अंतिम क्रेफिश निर्देश पुस्तिका का निर्माण

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने नैरो-क्लॉड क्रेफिश (Astacus leptodactylus) के लिए अब तक की सबसे पूर्ण निर्देश पुस्तिका तैयार करने का निर्णय लिया। क्रेफिश के शरीर को बारह अलग-अलग जिलों वाले एक हलचल भरे शहर के रूप में सोचें, जिनमें से प्रत्येक एक बहुत ही विशिष्ट कार्य करता है: कुछ पाचन संभालते हैं, अन्य गति को नियंत्रित करते हैं, और कुछ स्पर्श और दृष्टि के माध्यम से दुनिया को महसूस करने के लिए समर्पित हैं। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि प्रत्येक जिले में वास्तव में क्या "कार्य" हो रहा है।

ऐसा करने के लिए, उन्होंने केवल क्रेफिश के एक हिस्से को नहीं देखा; उन्होंने बारह विभिन्न ऊतकों (tissues) से नमूने एकत्र किए, जिनमें एंटीना, हृदय, पेट और यहाँ तक कि तंत्रिका तंत्र का एक बहुत ही विशेष, छोटा हिस्सा जिसे "एब्डोमिनल रिसेप्टर ऑर्गन" (abdominal receptor organ) कहा जाता है, शामिल हैं। यह अंग एक उच्च-तकनीकी सेंसर की तरह है जो क्रेफिश को पानी में कंपन और हलचल को महसूस करने में मदद करता है। इन सभी स्थानों से डेटा एकत्र करके, टीम का लक्ष्य क्रेफिश की पूर्ण जैविक गतिविधियों को पकड़ना था।

यह प्रक्रिया हजारों छोटे कागज के टुकड़ों से एक फटी हुई विश्वकोश (encyclopedia) को पुनर्गठित करने की कोशिश करने जैसी थी। शोधकर्ताओं ने 37 विभिन्न नमूनों से आरएनए को अनुक्रमित (sequence) करके शुरुआत की, जिससे डेटा की एक विशाल मात्रा उत्पन्न हुई—जेनेटिक "अक्षरों" के 1.8 बिलियन से अधिक जोड़े। फिर उन्होंने इन टुकड़ों को पूर्ण वाक्यों (ट्रांसक्रिप्ट्स) में जोड़ने के लिए तीन अलग-अलग कंप्यूटर प्रोग्रामों का उपयोग किया। एक प्रोग्राम ने शून्य से वाक्य बनाने (de novo) की कोशिश की, जबकि दूसरे ने क्रेफिश के जीनोम (मास्टर ब्लूप्रिंट) के एक कच्चे मसौदे का उपयोग मार्गदर्शक के रूप में किया।

टीम ने पाया कि शून्य से निर्माण करना कठिन था क्योंकि क्रेफिश का जीनोम बहुत बड़ा है और दोहराव वाले पैटर्न से भरा है, जिससे रास्ता भटकना आसान हो जाता है। हालाँकि, विभिन्न कंप्यूटर प्रोग्रामों के परिणामों को मिलाकर और डुप्लिकेट या अव्यवस्थित टुकड़ों को हटाने के लिए स्मार्ट फिल्टर का उपयोग करके, वे 93,345 ट्रांसक्रिप्ट्स वाली एक अंतिम लाइब्रेरी को जोड़ने में सफल रहे। यह संग्रह क्रेफिश के सक्रिय जीनों का एक विशाल शब्दकोश है। यह जाँचने के लिए कि उनका शब्दकोश कितना अच्छा है, उन्होंने BUSCO नामक एक मानक परीक्षण का उपयोग किया, जो उन 1,536 जीनों के सेट की तलाश करता है जो लगभग सभी क्रस्टेशियंस (crustaceans) में होने चाहिए। उनकी लाइब्रेरी 89.5% पूर्ण थी, जिसका अर्थ है कि उन्होंने सफलतापूर्वक लगभग उन सभी आवश्यक जीनों को खोज लिया जिन्हें वे ढूंढ रहे थे।

इस परियोजना के सबसे रोमांचक हिस्सों में से एक तंत्रिका तंत्र के ऊतकों को शामिल करना था। पिछले अध्ययनों में इन्हें छोड़ दिया गया था, जिससे यह समझने में एक बड़ी कमी रह गई थी कि क्रेफिश कैसे सोचते और महसूस करते हैं। शोधकर्ताओं ने विशेष रूप से आयन चैनलों (ion channels) से संबंधित जीनों की तलाश की—जो कोशिकाओं में छोटे द्वार होते हैं जो बिजली और गति को नियंत्रित करते हैं। उन्होंने पहले इस क्रेफिश प्रजाति से दस विशिष्ट आयन चैनल जीनों को क्लोन किया था और यह देखने के लिए एक "टेस्ट की" (test key) के रूप में उपयोग किया था कि क्या उनकी नई लाइब्रेरी में सही चाबियाँ मौजूद हैं। परिणाम? वे सभी दस विशिष्ट चैनल उनकी नई लाइब्रेरी में पाए गए, जिसमें मिलान दर 84% से 100% थी। इससे भी बेहतर बात यह है कि लाइब्रेरी ने दिखाया कि ये विद्युत चैनल ठीक वहीं सक्रिय थे जहाँ उन्हें होना चाहिए था: तंत्रिका चैनल मस्तिष्क और संवेदी न्यूरॉन्स में स्पष्ट रूप से सक्रिय थे, जबकि मांसपेशी-नियंत्रण चैनल मांसपेशियों में गूँज रहे थे। इसने पुष्टि की कि उनका मानचित्र केवल शब्दों का यादृच्छिक संग्रह नहीं था; बल्कि एक जैविक रूप से सटीक मार्गदर्शिका थी।

शोधकर्ताओं ने यह भी खोजा कि इन ट्रांसक्रिप्ट्स में से लगभग 25,729 को अन्य जानवरों के ज्ञात प्रोटीनों से जोड़ा जा सकता है, जो उन्हें नाम और कार्य प्रदान करते हैं। हालाँकि, लाइब्रेरी का एक बड़ा हिस्सा—लगभग 67,616 ट्रांसक्रिप्ट्स—मौजूदा डेटाबेस में किसी से भी मेल नहीं खाता था। शुरू में, कोई यह सोच सकता है कि ये गलतियाँ थीं, लेकिन टीम ने यह साबित करके कि वे वास्तविक थे, उन्हें सही ठहराया कि वे क्रेफिश के अपने डीएनए ब्लूप्रिंट के साथ पूरी तरह से संरेखित (align) होते हैं। यह सुझाव देता है कि क्रेफिश के पास हजारों अद्वितीय जीन हैं जिन्हें पहले कभी नहीं देखा गया है, जो संभवतः क्रस्टेशियंस के विशिष्ट हैं और अभी तक उनका अध्ययन नहीं किया गया है।

अंत में, यह शोध पत्र वैज्ञानिकों के लिए एक आधारभूत संसाधन प्रदान करता है। यह केवल जीनों की सूची नहीं है; यह एक कार्यात्मक एटलस है जो दिखाता है कि क्रेफिश का शरीर वास्तविक समय में कैसे काम करता है। संवेदी न्यूरॉन्स और अन्य ऊतकों की गतिविधि को कैप्चर करके, शोधकर्ताओं ने उन द्वारों को खोल दिया है जिनसे यह समझा जा सके कि ये जीव अपने पर्यावरण को कैसे महसूस करते हैं, वे कैसे चलते हैं, और वे अपने पारिस्थितिकी तंत्र में होने वाले परिवर्तनों के प्रति कैसी प्रतिक्रिया दे सकते हैं। डेटा अब सार्वजनिक है, जो अन्य वैज्ञानिकों के लिए इन आकर्षक जीवों के बारे में भविष्य की खोजों के लिए एक शुरुआती बिंदु के रूप में उपयोग करने हेतु तैयार है।