Phylogenetic and structural studies uncover the ancestral role of CYP74 clan proteins among proteobacterial P450s
यह अध्ययन प्रोटियोबैक्टीरियल (proteobacterial) P450s के फाइलोगैनेटिक (phylogenetic) और संरचनात्मक विश्लेषणों का उपयोग करते हुए यह प्रस्तावित करता है कि CYP74 क्लैन प्रोटीन इस सुपरफैमिली की पूर्वज वंशावली है, जो एक संरक्षित नौ-अमीनो एसिड सिस्टीन पॉकेट विशेषता द्वारा अभिलक्षित है जिसे एरोबिक चयापचय और रेडॉक्स पार्टनर इंटरैक्शन को सुगम बनाने के लिए विकास के दौरान क्रमिक रूप से खो दिया गया था।
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एक सूक्ष्म मशीनों के हलचल भरे शहर की कल्पना करें जिन्हें प्रोटीन कहा जाता है, जिनमें से प्रत्येक का एक विशिष्ट कार्य है ताकि जीवन को सुचारू रूप से चलाया जा सके। इनमें सबसे महत्वपूर्ण 'साइटोक्रोम P450' (Cytochrome P450s) हैं, जिन्हें संक्षेप में "P450s" कहा जाता है। आप इन्हें जैविक दुनिया के मास्टर केमिस्ट के रूप में देख सकते हैं। इनका मुख्य काम कच्चे माल को लेना और उन्हें थोड़ा बदलना है, अक्सर ऑक्सीजन जोड़कर, ताकि वे जटिल अणु बना सकें जिनकी जीवों को जीवित रहने, बढ़ने और संवाद करने के लिए आवश्यकता होती है। लंबे समय से, वैज्ञानिक इन P450s का एक वंशावली वृक्ष (family tree) बनाने की कोशिश कर रहे हैं ताकि यह पता लगाया जा सके कि कौन किससे संबंधित है और वे कैसे विकसित हुए। लेकिन यह एक कठिन काम है। बैक्टीरिया से लेकर मनुष्यों तक, जीवन के हर साम्राज्य में लाखों ऐसे प्रोटीन मौजूद हैं, और वे अरबों वर्षों में इतने बदल गए हैं कि यह फटे हुए पारिवारिक फोटो के ढेर को छांटने जैसा है जहाँ हर कोई थोड़ा अलग दिखता है। इस पहेली को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं ने केवल एक पड़ोस पर ध्यान केंद्रित करने का निर्णय लिया: प्रोटियोबैक्टीरिया (Proteobacteria), जो बैक्टीरिया का एक विशाल समूह है। केवल इन जीवाणु संबंधी रिश्तेदारों को देखकर, वे शोर को कम करने और पूरे P450 परिवार के वास्तविक मूल को खोजने की उम्मीद कर रहे थे।
यह शोध पत्र इन रासायनिक मशीनों के प्राचीन इतिहास के बारे में एक जासूसी जांच की तरह है। शोधकर्ता एलेक्जेंडर ग्रेचकिन के नेतृत्व में, उन्होंने विभिन्न प्रकार के प्रोटियोबैक्टीरिया से 81 अलग-अलग P450 प्रोटीनों का एक विशाल डेटासेट एकत्र किया। उन्होंने केवल प्रोटीनों के कार्यों को ही नहीं देखा; उन्होंने उनके ब्लूप्रिंट—उनके अमीनो एसिड अनुक्रमों (sequences)—को देखा और शक्तिशाली कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके एक विस्तृत वंशावली वृक्ष बनाया। बड़ा सवाल यह था: इनमें से कौन सा जीवाणु प्रोटीन अन्य सभी का "दादा-दादी/पूर्वज" है?
जांच ने एक स्पष्ट पैटर्न का खुलासा किया जो एक आश्चर्यजनक पूर्वज की ओर संकेत करता है। अध्ययन में पाया गया कि प्रोटीनों का CYP74 क्लान (clan) विकासवादी वृक्ष के बिल्कुल नीचे, या आधार पर स्थित है। यह सुझाव देता है कि CYP74 प्रोटीन पूरे P450 परिवार के सबसे पुराने जीवित प्रतिनिधि हैं। लेकिन सबसे दिलचस्प सुराग केवल यह नहीं था कि वे पेड़ पर कहाँ बैठे थे; बल्कि वह एक अजीब भौतिक विशेषता थी जिसे वे सभी साझा करते थे।
कल्पित करें कि P450 प्रोटीन एक छोटा, जटिल ताला है। इस ताले के बीच में, एक विशेष पॉकेट (pocket) है जहाँ एक चाबी (एक अणु जिसे हीम/heme कहा जाता है) फिट होती है। अधिकांश आधुनिक P450s में, यह पॉकेट चिकना और सुव्यवस्थित होता है। हालाँकि, प्राचीन CYP74 प्रोटीनों में एक अजीब, अतिरिक्त कपड़े का फ्लैप है—अमीनो एसिड से बनी एक "पूंछ"—जो सीधे इस पॉकेट में निकली हुई है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह "पूंछ" एक नौ-अमीनो एसिड का इंसर्शन (insertion) है (या एक बहुत ही प्राचीन दिखने वाले बैक्टीरिया, Paracoccaceae में एक दस-अमीनो एसिड का इंसर्शन है)।
जैसे-जैसे शोधकर्ता प्राचीन CYP74s से उनके अधिक आधुनिक वंशजों की ओर वंशावली वृक्ष में ऊपर बढ़े, उन्होंने एक दिलचस्प रुझान देखा: यह "पूंछ" धीरे-धीरे छोटी होने लगी।
- CYP5164 क्लान (CYP74 का एक सिस्टर ग्रुप) में सात-अमीनो एसिड की पूंछ थी।
- CYP152 परिवार में चार-अमीनो एसिड की पूंछ थी।
- एक असूचित (unclassified) प्रोटीनों के समूह में तीन-अमीनो एसिड की पूंछ थी।
- अंत में, सबसे आधुनिक समूहों (जैसे CYP7, CYP4 और CYP51 क्लान) में कोई पूंछ नहीं थी।
पत्र यह सुझाव देता है कि यह "पूंछ" वास्तव में बाद में जोड़ी गई चीज़ नहीं थी; बल्कि, यह एक आदिम विशेषता थी जो पूर्वजों के पास थी, जिसे उनके वंशजों ने धीरे-धीरे खो दिया। इसे एक भारी, फूले हुए सर्दियों के कोट की तरह समझें। पहले के P450s ने यह भारी कोट पहना था (लंबा इंसर्शन) क्योंकि वे एक प्राचीन दुनिया में रहते थे जहाँ ऑक्सीजन कम थी। लेकिन जैसे-जैसे पृथ्वी का वातावरण बदला और ऑक्सीजन प्रचुर मात्रा में उपलब्ध हुई, इन प्रोटीनों को अपने काम करने के तरीके को बदलने की आवश्यकता पड़ी। उन्हें इस नई, ऑक्सीजन-समृद्ध दुनिया में कार्य करने के लिए नए भागीदारों (रेडॉक्स पार्टनर्स) के साथ बातचीत करनी थी। भारी कोट रास्ते का रोड़ा बन गया! इसलिए, लाखों वर्षों में, विकास ने धीरे-धीरे इस कोट को छाँटा, अमीनो एसिड को थोड़ा-थोड़ा काटकर हटा दिया जब तक कि प्रोटीन चिकने और उनकी नई एरोबिक जीवनशैली के लिए तैयार नहीं हो गए।
यह अध्ययन स्पष्ट रूप से एक पुराने विचार के खिलाफ तर्क देता है जिसने सुझाव दिया था कि ये "पूंछ" गलत भागीदारों के साथ बातचीत को रोकने के लिए बाद में जोड़ी गई थीं। इसके बजाय, लेखक प्रस्ताव देते हैं कि इसके विपरीत था: पूंछ मूल अवस्था थी, और इसे खोना उन प्रोटीनों को आज के ऑक्सीजन-निर्भर मशीनों के रूप में विकसित होने की अनुमति देने के लिए आवश्यक कदम था।
Paracoccaceae बैक्टीरिया से CYP74 प्रोटीन का उपयोग करके (एक "आउटग्रुप" के रूप में), शोधकर्ताओं ने पौधों (Arabidopsis) और जानवरों (Branchiostoma) के लिए भी वंशावली वृक्ष बनाए। दोनों मामलों में, CYP74 प्रोटीन अभी भी पेड़ के आधार पर दिखाई दिए, जो इस विचार को पुख्ता करता है कि वे न केवल बैक्टीरिया में, बल्कि जीवन के संपूर्ण वृक्ष में P450 के प्राचीन पूर्वज हैं।
संक्षेप में, यह पत्र सुझाव देता है कि CYP74 प्रोटीनों में पाई जाने वाली "अजीब पूंछ" एक आणविक जीवाश्म (molecular fossil) है। यह उन पहले P450s का अवशेष है जो ऑक्सीजन-रहित पृथ्वी पर रहते थे। जैसे-जैसे जीवन ऑक्सीजन के साथ सांस लेने के लिए विकसित हुआ, इन प्रोटीनों ने अपनी प्राचीन पूंछों को त्याग दिया ताकि वे कुशल, ऑक्सीजन का उपयोग करने वाले रसायन बन सकें जो आज जीवन को संचालित करते हैं। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने P450 विकास के हर रहस्य को सुलझा लिया है, लेकिन यह एक मजबूत, डेटा-आधारित मानचित्र प्रदान करता है जो दिखाता है कि CYP74 क्लान ही वह मूल जड़ है जिससे बाकी परिवार विकसित हुआ।
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