Trypanosoma congolense Variant Surface Glycoprotein gene expression occurs in the absence of monoallelic transcription control

एक स्तनधारी के भीतर जीवित रहने के लिए, एक एकल-कोशिकीय परजीवी को लगातार अपना भेष बदलना पड़ता है। इसके मेजबान की प्रतिरक्षा प्रणाली एक अत्यधिक प्रशिक्षित सुरक्षा बल की तरह कार्य करती है, जो आक्रमणकारी के विशिष्ट सतही आवरण (surface coat) को पहचानना सीख लेती है और फिर उस पर हमला करती है। एक कदम आगे रहने के लिए, कई रोगजनक 'एंटीजेनिक वेरिएशन' (antigenic variation) नामक एक चाल का अभ्यास करते हैं। वे विभिन्न सतही प्रोटीनों का एक विशाल पुस्तकालय रखते हैं लेकिन एक समय में केवल एक ही प्रदर्शित करते हैं। जब मेजबान की प्रतिरक्षा प्रणाली अंततः उस विशिष्ट प्रोटीन को पहचानने में सक्षम हो जाती है और हमला करती है, तो परजीवी अपने पुस्तकालय से एक अलग प्रोटीन अपना लेता है, जिससे वह प्रतिरक्षा प्रणाली के पकड़ने से पहले प्रभावी रूप से अपना चेहरा बदल लेता है। यह प्रक्रिया अफ्रीकी ट्रिपैनोसोम Trypanosoma brucei में अच्छी तरह से समझी गई है, जो स्लीपिंग सिकनेस (नींद की बीमारी) का कारण है। इस प्रजाति में, परजीवी अपने भेष के मामले में एक सख्त 'मोनोगैमिस्ट' (एकनिष्ठ) है: किसी भी दिए गए क्षण में, एक एकल कोशिका केवल एक सतही प्रोटीन जीन को व्यक्त करती है जबकि अन्य सभी को शांत रखती है। यह "मोनोएललिक" (monoallelic) नियंत्रण एक परिष्कृत आणविक मशीनरी द्वारा प्रबंधित किया जाता है जो यह सुनिश्चित करता है कि केवल एक जीन सक्रिय रहे, जिससे आबादी एक समन्वित, क्रमिक लहर के रूप में अपना स्वरूप बदल सकती है।

हालाँकि, एक निकट संबंधी परजीवी, Trypanomyces congolense, जो उप-सहारा अफ्रीका में पशुधन के लिए विनाशकारी बीमारी का कारण बनता है, लंबे समय से एक रहस्य बना हुआ है। जबकि वैज्ञानिक जानते थे कि यह भी प्रतिरक्षा से बचने के लिए सतही प्रोटीनों का उपयोग करता है, वे यह नहीं जानते थे कि यह इन जीनों की अभिव्यक्ति को कैसे नियंत्रित करता है। क्या यह अपने चचेरे भाई की तरह सख्त, एकल-जीन नियम का पालन करता था, या यह अलग तरह से काम करता था? यूनाइटेड किंगडम और बेल्जियम के विभिन्न विश्वविद्यालयों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने सीधे व्यक्तिगत परजीवियों की आनुवंशिक गतिविधि को देखकर इस प्रश्न का उत्तर देने का प्रयास किया। वे देखना चाहते थे कि क्या प्रसिद्ध स्लीपिंग सिकनेस परजीवी के नियम इस कृषि संबंधी प्लेग पर भी लागू होते हैं।

शोधकर्ताओं ने प्रयोगशाला में T. congolense की संस्कृतियाँ उगाकर और उन आनुवंशिक संदेशों, या 'ट्रांसक्रिप्ट्स' (transcripts) की जांच करके शुरुआत की, जिन्हें परजीवी बना रहे थे। उन्हें उम्मीद थी कि, T. brucei की तरह, प्रत्येक कोशिका एक एकल सतही प्रोटीन जीन पर केंद्रित होगी। इसके बजाय, उन्हें एक अराजक दृश्य मिला। हाल ही में क्लोन किए गए परजीवियों के छोटे समूहों में, उन्होंने पाया कि एक ही समय में सैकड़ों अलग-अलग सतही प्रोटीन जीन सक्रिय थे। यह T. brucei के बिल्कुल विपरीत था, जहाँ लगभग हर कोशिका केवल एक प्रमुख जीन को व्यक्त करती है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह परजीवियों द्वारा नए संयोजन बनाने के लिए जीन बदलने के कारण कोई संयोग नहीं है, वैज्ञानिकों ने T. congolense के ऐसे उत्परिवर्ती (mutant) संस्करण बनाए जिनमें आनुवंशिक पुनर्संयोजन (recombination) करने की क्षमता नहीं थी। अपनी आनुवंशिक ताश की गड्डी को मिलाने की क्षमता के बिना भी, परजीवी एक साथ कई अलग-अलग सतही प्रोटीनों को व्यक्त करना जारी रखते थे। यह विविधता जीन बदलने का परिणाम नहीं थी; यह इन परजीवियों के अपने डीएनए को पढ़ने के तरीके की एक मौलिक विशेषता थी।

एक एकल कोशिका के भीतर क्या हो रहा है, इसे समझने के लिए, टीम ने 'सिंगल-सेल ट्रांसक्रिप्टोमिक्स' (single-cell transcriptomics) का सहारा लिया, जो एक ऐसी तकनीक है जो वैज्ञानिकों को पूरे जनसंख्या के औसत शोर के बजाय व्यक्तिगत कोशिकाओं की आनुवंशिक बातचीत को सुनने की अनुमति देती है। उन्होंने हजारों व्यक्तिगत T. congolense कोशिकाओं का विश्लेषण किया और उनकी तुलना हजारों T. brucei कोशिकाओं से की। अंतर तत्काल और गहरा था। T. brucei के नमूनों में, लगभग हर कोशिका एक एकल सतही प्रोटीन जीन को व्यक्त कर रही थी, जिसमें शायद कहीं-कहीं दूसरे जीन की एक हल्की सी आहट थी। हालाँकि, T. congolense की कोशिकाएं एक साथ कई अलग-अलग सतही प्रोटीन जीन व्यक्त कर रही थीं। एक विशिष्ट T. congolense कोशिका को एक साथ दो से तीस अलग-अलग सतही प्रोटीन जीन ट्रांसक्राइब (transcribe) करते हुए पाया गया। वास्तव में, अधिकांश कोशिकाएं कई जीनों को सह-व्यक्त (co-expressing) कर रही थीं, और जीनों का विशिष्ट संयोजन एक कोशिका से दूसरी कोशिका में बहुत भिन्न था। कुछ कोशिकाओं ने एक दर्जन प्रोटीन व्यक्त किए, जबकि अन्य ने कुछ ही व्यक्त किए, लेकिन "एक कोशिका प्रति जीन" का नियम पूरी तरह से अनुपस्थित था।

शोधकर्ताओं ने इन सक्रिय जीनों के स्थान को परजीवी के जीनोम के भीतर मैप किया ताकि यह देखा जा सके कि क्या कोई विशिष्ट "कमांड सेंटर" है जहाँ इन जीनों को चालू किया जा रहा है। T. brucei में, गुणसूत्रों के अंत पर एक समर्पित साइट होती है जहाँ सक्रिय जीन स्थित होता है, और अन्य सभी प्रतियां शांत रहती हैं। T. congolense में, ऐसी कोई समर्पित साइट मौजूद नहीं थी। सक्रिय जीन पूरे जीनोम में बिखरे हुए थे, जो बड़े गुणसूत्रों और छोटे गुणसूत्रों पर पाए गए, जो अक्सर उन सिरों से दूर थे जहाँ अन्य ट्रिपैनोसोम में सक्रिय साइटें रहती हैं। एक ही कोशिका में व्यक्त किए जाने वाले जीन पड़ोसी नहीं थे; वे जीनोम के पूरी तरह से अलग हिस्सों में स्थित थे। इससे संकेत मिला कि T. congolense अपने भेष को नियंत्रित करने के लिए किसी एक विशेष अभिव्यक्ति स्थल (expression site) पर निर्भर नहीं है। इसके बजाय, इसमें एक ही समय में कई अलग-अलग सतही प्रोटीन जीन चालू करने की स्वतंत्रता प्रतीत होती है, चाहे वे डीएनए में कहीं भी स्थित हों।

यह देखने के लिए कि क्या यह अजीब व्यवहार केवल प्रयोगशाला तक सीमित था या यह वास्तविक संक्रमण में भी होता है, टीम ने संक्रमित चूहों से लिए गए परजीवियों का उपयोग करके प्रयोग को दोहराया। उन्होंने जानवरों के रक्त से विभिन्न चरणों में परजीवियों को निकाला और व्यक्तिगत रूप से उनका विश्लेषण किया। एक जीवित मेजबा के जटिल वातावरण में भी, पैटर्न कायम रहा। अधिकांश T. congolense कोशिकाएं एक ही समय में कई सतही प्रोटीन जीन व्यक्त कर रही थीं, जबकि उसी प्रकार के प्रयोग में T. brucei की कोशिकाएं अपने एकल-जीन नियम का पालन करती रहीं। इसने पुष्टि की कि सख्त नियंत्रण का अभाव प्रयोगशाला की स्थितियों का कोई कृत्रिम प्रभाव (artifact) नहीं है, बल्कि T. congolense की एक मुख्य जैविक विशेषता है। शोधकर्ताओं ने T. congolense के एक अलग स्ट्रेन का भी परीक्षण किया और समान परिणाम प्राप्त किए, जिससे पता चलता है कि यह इस प्रजाति के लिए एक सार्वभौमिक लक्षण है।

ये निष्कर्ष इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देते हैं कि सभी अफ्रीकी ट्रिपैनोसोम प्रतिरक्षा तंत्र से बचने के लिए एक ही तंत्र का उपयोग करते हैं। जहाँ T. brucei एक एकल भेष के क्रमिक और व्यवस्थित बदलाव पर निर्भर करता है, वहीं T. congolense एक ही समय में कई अलग-अलग भेषों का एक पैचवर्क कोट पहने हुए प्रतीत होता है। यह सुझाव देता है कि परजीवी शायद एक-एक करके अपना चेहरा बदलकर नहीं, बल्कि एक साथ कई बदलते हुए चेहरों का एक विषम मिश्रण प्रस्तुत करके प्रतिरक्षा प्रणाली को भ्रमित कर रहा है। अध्ययन ने इस विचार को भी खारिज कर दिया कि यह विविधता परजीवियों द्वारा नए संयोजन बनाने के लिए लगातार जीन बदलने से आती है, क्योंकि जीन बदलने में असमर्थ उत्परिवर्ती (mutants) भी उतनी ही उच्च विविधता प्रदर्शित कर रहे थे। इसके बजाय, विविधता एक ही समय में कई जीनों को ट्रांसक्राइब करने की क्षमता से उत्पन्न होती है।

यह खोज इन परजीवियों के जीवित रहने के बारे में नए प्रश्न खड़े करती है। यदि एक T. congolense कोशिका विभिन्न प्रोटीनों के मिश्रण से ढकी हुई है, तो वह हमले से कैसे बचती है? शोधकर्ताओं ने पाया कि हालांकि कोशिकाएं कई अलग-अलग आनुवंशिक संदेश बनाती हैं, लेकिन सतह पर पता लगाए गए वास्तविक प्रोटीन अणुओं की संख्या संदेशों की संख्या से कम थी, जिससे पता चलता है कि जीनों को पढ़े जाने के बाद भी कुछ स्तर का नियंत्रण मौजूद हो सकता है, जो शायद यह फ़िल्टर करता है कि कौन से प्रोटीन वास्तव में सतह तक पहुँचते हैं। हालाँकि, जीनों को चालू करने का मौलिक तंत्र स्पष्ट रूप से इसके चचेरे भाई से भिन्न है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि विकास ने एक ही समस्या को हल करने के लिए दो बहुत अलग रास्ते चुने हैं: एक पथ एक सख्त, एकल-जीन फोकस की ओर ले जाता है, जबकि दूसरा पथ एक अराजक, बहु-जीन अभिव्यक्ति की ओर ले जाता है। रणनीति में यह अंतर इन परजीवियों की अविश्वसनीय अनुकूलन क्षमता को उजागर करता है और बताता है कि उनके अस्तित्व को नियंत्रित करने वाले नियम पहले की तुलना में कहीं अधिक विविध हैं।