RNA pol II speed controls the level of read-through mediated transcriptional interference

प्रत्येक मानव कोशिका के केंद्रक (न्यूक्लियस) के भीतर, आरएनए पॉलीमरेज़ II (RNA polymerase II) नामक एक सूक्ष्म मशीन, एक मुख्य लिपिक (मास्टर स्क्राइब) के रूप में कार्य करती है। इसका काम डीएनए (DNA) के ब्लूप्रिंट को पढ़ना और उसे मैसेंजर आरएनए (messenger RNA) में ट्रांसक्राइब करना है, जो कोशिका को यह निर्देश देते हैं कि प्रोटीन कैसे बनाया जाए। यह प्रक्रिया केवल शुरुआत से अंत तक की एक सरल, सीधी रेखा नहीं है; यह एक कड़ाई से विनियमित यात्रा है। मशीन को सही स्थान से शुरू करना चाहिए, डीएनए स्ट्रैंड के साथ एक विशिष्ट गति से आगे बढ़ना चाहिए, और सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि इसे सही समय पर रुकना चाहिए। जब यह रुकती है, तो यह अपनी प्रति (copy) को छोड़ देती है और अलग हो जाती है, जिससे अगली जीन अपना काम शुरू कर सके। दशकों तक, वैज्ञानिक समझते थे कि यदि यह मशीन रुकने में विफल रहती है, तो यह एक जीन के अंत से आगे बढ़ते हुए अगले जीन के क्षेत्र में चली जाएगी। इस घटना को, जिसे 'रीड-थ्रू ट्रांसक्रिप्शन' (read-through transcription) कहा जाता है, अक्सर एक गलती या कोशिकीय तनाव का संकेत माना जाता था, एक ऐसी त्रुटि जो तब होती थी जब कोशिका हमले के अधीन होती थी या वायरस से संक्रमित होती थी।

हालांकि, टुलूज़ विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं का एक नया अध्ययन बताता है कि यह "त्रुटि" पहले की तुलना में कहीं अधिक सामान्य और कहीं अधिक महत्वपूर्ण है। टीम ने पाया कि स्वस्थ, तनावमुक्त मानव कोशिकाओं में, इन ट्रांसक्रिप्शन मशीनों का एक महत्वपूर्ण हिस्सा समय पर रुकने में विफल रहता है। निर्धारित फिनिश लाइन पर रुकने के बजाय, वे आगे बढ़ते रहते हैं, और ठीक अगले जीन के स्थान पर अतिक्रमण कर लेते हैं। यह आक्रमण कोई यादृच्छिक अराजकता नहीं है; यह एक जानबूझकर अपनाया गया तंत्र है जिसका उपयोग कोशिका यह नियंत्रित करने के लिए करती है कि कितना प्रोटीन बनाया जाए। बहुत आगे जाकर, मशीन अगले जीन की शुरुआत को भौतिक रूप से बाधित करती है, प्रभावी रूप से उसे कम या बंद कर देती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस मशीन की गति वह प्रमुख स्विच है जो यह निर्धारित करता है कि यह अवरोध होगा या नहीं, जो जीन नियंत्रण के एक परिष्कृत स्तर को प्रकट करता है जो रोजमर्रा के जीवन के बैकग्राउंड में चुपचाप संचालित होता है।

इस घटना के कितने व्यापक होने को समझने के लिए, टीम ने पहले तीन अलग-अलग प्रकार की मानव कोशिकाओं से प्राप्त जेनेटिक डेटा का अध्ययन किया: दो जो कैंसरकारी नहीं थीं और एक जो थी। उन्होंने जीन के जोड़ों के डेटा की जांच की, जहाँ एक जीन डीएनए की एक ही स्ट्रैंड पर दूसरे के ठीक पहले स्थित होता है। एक आदर्श दुनिया में, यदि दो जीन एक-दूसरे के बगल में हैं, तो उन्हें समान स्तर पर सक्रिय होना चाहिए। लेकिन डेटा ने एक अलग कहानी बताई। इन जोड़ों में, दूसरा जीन पहले जीन की तुलना में लगातार कम सक्रिय था। शोधकर्ताओं को संदेह था कि पहला जीन किसी तरह दूसरे जीन के साथ हस्तक्षेप कर रहा है। इसकी जांच करने के लिए, उन्होंने जेनेटिक डेटा को 'रीड-थ्रू ट्रांसक्रिप्ट्स' (read-through transcripts)—उन आरएनए प्रतियों के साक्ष्य खोजने के लिए स्कैन करने हेतु एक नई कंप्यूटर विधि विकसित की, जो पहले जीन से शुरू हुई थीं लेकिन अपने आधिकारिक अंत बिंदु से आगे निकल गईं।

परिणाम चौंकाने वाले थे। उन्होंने पाया कि इन कोशिकाओं में सभी सक्रिय जीनों में से 21 से 30 प्रतिशत इन 'रीड-थ्रू ट्रांसक्रिप्ट्स' का उत्पादन कर रहे थे। इसका मतलब है कि एक सामान्य कोशिका में, लगभग हर चार में से एक जीन अपनी फिनिश लाइन से आगे निकल जाता है। इसके अलावा, यह कोई दुर्लभ घटना नहीं थी जो विशिष्ट कोशिका प्रकारों तक सीमित हो; यह उनके द्वारा अध्ययन किए गए सभी सेल लाइन्स में हुआ, जो यह दर्शाता है कि यह मानव डीएनए के संगठन का एक मौलिक हिस्सा है। जब उन्होंने उन जीनों को देखा जिन पर इन अनियंत्रित मशीनों द्वारा अतिक्रमण किया जा रहा था, तो उन्होंने पाया कि ये डाउनस्ट्रीम (नीचे के) जीन वास्तव में बहुत निचले स्तर पर व्यक्त (express) हो रहे थे। अपस्ट्रीम (ऊपर के) जीन से उत्पन्न रीड-थ्रू ट्रांसक्रिप्ट की उपस्थिति सीधे तौर पर उसके बाद वाले जीन के दमन (suppression) से जुड़ी थी।

शोधकर्ता सुनिश्चित करना चाहते थे कि यह दमन ट्रांसक्रिप्शन (डीएनए की वास्तविक प्रतिलिपि बनाने) के स्तर पर हो रहा है, न कि इस प्रक्रिया के किसी बाद के चरण में। उन्होंने डाउनस्ट्रीम जीनों के डीएनए पर स्वयं ट्रांसक्रिप्शन मशीनरी की उपस्थिति की जांच की। उन्होंने पाया कि जब अपस्ट्रीम जीन ने रीड-थ्रू ट्रांसक्रिप्ट का उत्पादन किया, तो मशीन के डाउनस्ट्रीम जीन के शुरुआती बिंदु पर पाए जाने की संभावना कम थी। इसने पुष्टि की कि यह हस्तक्षेप भौतिक और तत्काल था; आक्रमण करने वाली मशीन अगले जीन को शुरू होने से ही रोक रही थी। उन्होंने यह भी जांचा कि क्या यह उन जीनों में भी होता है जो विपरीत दिशाओं से एक-दूसरे के सामने होते हैं, जिन्हें 'कन्वर्जेंट जीन' (convergent genes) कहा जाता है, और उन्हें वही पैटर्न मिला: जब एक जीन ने रीड-थ्रू ट्रांसक्रिप्ट उत्पन्न किया, तो उसके सामने वाला जीन कम सक्रिय था।

यह सिद्ध करने के लिए कि मशीन द्वारा तय की गई दूरी मायने रखती है, टीम ने प्रयोगशाला में एक कस्टम जेनेटिक सिस्टम बनाया। उन्होंने एक सेटअप बनाया जिसमें दो जीन एक के बाद एक रखे गए थे, जो एक अंतराल (gap) द्वारा अलग किए गए थे। कुछ संस्करणों में, अंतराल बहुत छोटा था, केवल 500 बेस पेयर्स; अन्य में, यह 4,000 बेस पेयर्स तक बड़ा था। उन्होंने देखा कि जब अंतराल छोटा था, तो दूसरा जीन मुश्किल से सक्रिय था। जैसे-जैसे उन्होंने अंतराल का आकार बढ़ाया, दूसरा जीन अधिक सक्रिय होता गया। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि पहले जीन की ट्रांसक्रिप्शन मशीन को दूसरे जीन तक पहुँचने से पहले एक लंबी दूरी तय करनी पड़ी, जिससे उसे समस्या पैदा करने से पहले स्वाभाविक रूप से रुकने के लिए अधिक समय मिला। इस प्रयोग ने दिखाया कि जीनों के बीच की भौतिक दूरी इस बात का एक महत्वपूर्ण कारक है कि कितना हस्तक्षेप होता है।

लेकिन सबसे आश्चर्यजनक खोज यह थी कि मशीन की गति स्वयं इस पूरी प्रक्रिया को नियंत्रित करती है। शोधकर्ताओं ने ट्रांसक्रिप्शन मशीनरी के विशेष संस्करणों का उपयोग किया जो सामान्य से या तो धीमी या तेज़ चलती थीं। जब उन्होंने मशीन को धीमा किया, तो यह जल्दी रुक गई, फिनिश लाइन से कम दूरी तय की, और अगले जीन के साथ कम हस्तक्षेप किया। परिणामस्वरूप, डाउनस्ट्रीम जीन अधिक सक्रिय हो गया। इसके विपरीत, जब उन्होंने मशीन की गति बढ़ाई, तो वह और आगे बढ़ी, अगले जीन पर अधिक आक्रामक तरीके से अतिक्रमण किया, और उसकी गतिविधि को दबा दिया। यह खोज बताती है कि कोशिका अपने जीनों की अभिव्यक्ति (expression) को केवल ट्रांसक्रिप्शन मशीन की गति को समायोजित करके सूक्ष्मता से नियंत्रित कर सकती है।

टीम ने यह भी परीक्षण किया कि क्या यह गति नियंत्रण कोशिका के प्राकृतिक वातावरण में काम करता है, न कि केवल उनके कृत्रिम सेटअप में। उन्होंने कोशिकाओं को उन रसायनों से उपचारित किया जो ट्रांसक्रिप्शन मशीनरी की गति को बदलने के लिए जाने जाते हैं। जब उन्होंने मशीन को तेज़ चलाया, तो हस्तक्षेप बढ़ गया, और डाउनस्ट्रीम जीन दब गए। जब उन्होंने इसे धीमा किया, तो हस्तक्षेप कम हो गया, और डाउनस्ट्रीम जीनों को स्वतंत्र रूप से कार्य करने की अनुमति मिल गई। इसने पुष्टि की कि मशीन की गति जीन अभिव्यक्ति का एक प्राकृतिक नियामक है, जो मशीन द्वारा तय की गई दूरी को बदलकर जीनों को चालू या बंद करने में सक्षम है।

अंत में, शोधकर्ताओं ने देखा कि इसका कोशिका की प्रोटीन बनाने की क्षमता पर क्या प्रभाव पड़ता है। उन्होंने इस डेटा का विश्लेषण किया कि कोशिका के राइबोसोम (ribosomes), जो प्रोटीन बनाने वाली फैक्ट्रियां हैं, उन जीनों पर कितनी कुशलता से काम कर रहे थे जिन पर अतिक्रमण किया गया था। उन्होंने पाया कि भले ही आरएनए मौजूद था, लेकिन जिन जीनों में रीड-थ्रू ट्रांसक्रिप्शन द्वारा अतिक्रमण किया गया था, उन्हें प्रोटीन में बहुत कम कुशलता से अनुवादित (translate) किया गया था। इसका अर्थ है कि हस्तक्षेप न केवल आरएनए की मात्रा को कम करता है, बल्कि यह भी सुनिश्चित करता है कि उस आरएनए से कम प्रोटीन बने। जो जीन इस तंत्र से सबसे अधिक प्रभावित हुए, वे अक्सर वे थे जो ट्रांसक्रिप्शन की प्रक्रिया को ही नियंत्रित करने में शामिल थे, जो यह सुझाव देता है कि कोशिका इस प्रणाली का उपयोग अपने स्वयं के जेनेटिक तंत्र को नियंत्रण में रखने के लिए करती है।

यह कार्य जीनोम के प्रति हमारे दृष्टिकोण को बदल देता है। यह सुझाव देता है कि जीनों के बीच का स्थान खाली या निष्क्रिय नहीं है, बल्कि यह एक गतिशील क्षेत्र है जहाँ आणविक मशीनों की गति जेनेटिक सूचना के प्रवाह को निर्धारित करती है। कोशिका केवल जीनों को चालू या बंद करने के लिए स्विचों पर निर्भर नहीं रहती है; वह इस मोमेंटम (गति) का भी उपयोग करती है ताकि एक बफर ज़ोन बनाया जा सके जो पड़ोसी जीनों की रक्षा करता है। इस मशीन की गति को नियंत्रित करके, कोशिका यह तय कर सकती है कि कितना हस्तक्षेप होगा, जिससे वह अपनी आंतरिक स्थिति के अनुसार जीनों की अभिव्यक्ति को सूक्ष्मता से समायोजित कर सकती है। यह तंत्र मानव जीव विज्ञान की एक मानक, दैनिक विशेषता प्रतीत होता है, जो स्वस्थ कोशिकाओं में जीन अभिव्यक्ति के संतुलन को बनाए रखने के लिए चुपचाप कार्य करता है।