Position-resolved k-mer analysis of mature microRNAs reveal widespread CG and UA depletion across taxa
यह अध्ययन 271 जीवों में लगभग 49,000 परिपक्व माइक्रोआरएनए (microRNA) अनुक्रमों का विश्लेषण करता है ताकि एक व्यापक, वंशावली-जुड़े स्थितिजन्य संगठन को प्रकट किया जा सके, जो CG और UA डाइन्यूक्लियोटाइड्स की महत्वपूर्ण कमी और UG की प्रचुरता द्वारा अभिलक्षित है, जो सरल उत्परिवर्तक पूर्वाग्रह से परे संरचनात्मक या विकासवादी बाधाओं का सुझाव देता है।
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प्रत्येक जीवित कोशिका के भीतर, सूक्ष्म आणविक निर्देशों का एक विशाल नेटवर्क जीवन की मशीनरी को सुचारू रूप से चलाने में मदद करता है। इन निर्देशों में सबसे महत्वपूर्ण में से एक माइक्रोआरएनए (microRNA) नामक आरएनए (RNA) के छोटे धागे हैं। ये अणु सटीक नियामक के रूप में कार्य करते हैं, जो अन्य आनुवंशिक संदेशों में विशिष्ट मिलान वाले अनुक्रमों को खोजते हैं और उन्हें शांत (silence) करते हैं ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि कोशिका सही समय पर सही प्रोटीन का उत्पादन करे। एक माइक्रोआरएनए के काम करने के लिए, उसका आकार और रासायनिक संरचना सटीक होनी चाहिए। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि माइक्रोआरएनए के अनुक्रम के शुरुआती कुछ अक्षर अत्यंत महत्वपूर्ण होते हैं, जो एक चाबी की तरह कार्य करते हैं जो प्रक्रिया शुरू करने के लिए एक विशिष्ट ताले में फिट होती है। हालाँकि, शेष अणु के नियमों को नियंत्रित करने वाले अक्षर—वे अक्षर जो उन शुरुआती कुछ अक्षरों के बाद आते हैं—एक रहस्य बने हुए थे। क्या इन सूक्ष्म धागों में एक-दूसरे के बगल में बैठने वाले अक्षर एक छिपे हुए पैटर्न का पालन करते हैं, या वे यादृच्छिक (random) रूप से व्यवस्थित हैं?
भारत के भरथिदससन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए इन सूक्ष्म अणुओं के संपूर्ण परिदृश्य का मानचित्र तैयार किया है। उन्होंने केवल कुछ उदाहरणों को नहीं देखा; इसके बजाय, उन्होंने मनुष्यों और अन्य स्तनधारियों से लेकर कीटों, मछलियों और पौधों तक, 271 विभिन्न जीवों के लगभग 49,000 परिपक्व माइक्रोआरएनए रिकॉर्ड्स का परीक्षण किया। इस विशाल संग्रह का विश्लेषण करके, उन्होंने खोजा कि इन अणुओं में अक्षरों की व्यवस्था यादृच्छिक नहीं है। एक व्यापक, सुसंगत नियम है जो यह नियंत्रित करता है कि इन लघु आनुवंशिक धागों का निर्माण कैसे किया जाता है, एक ऐसा नियम जो जीवन के पूरे वृक्ष (tree of life) में सत्य है।
शोधकर्ताओं ने इस बात पर ध्यान केंद्रित किया कि विशिष्ट अक्षरों के जोड़े कितनी बार एक-दूसरे के बगल में दिखाई देते हैं। आनुवंशिकी की भाषा में, इन जोड़ों को डाइन्यूक्लियोटाइड (dinucleotides) कहा जाता है। जब उन्होंने अध्ययन किए गए लाखों अनुक्रमों में प्रत्येक संभावित युग्म की गणना की, तो दो विशिष्ट जोड़े उनकी अनुपस्थिति के लिए विशिष्ट रूप से उभरे। C और G अक्षरों का संयोजन, और U और A का संयोजन, संयोग की तुलना में बहुत कम बार दिखाई दिया। वास्तव में, C-G का संयोजन सभी सोलह संभावित संयोजनों में सबसे दुर्लभ था, जो कुल का केवल लगभग 3.3 प्रतिशत था। U-A जोड़ा दूसरा सबसे दुर्लभ था। इसके विपरीत, U-G जोड़ा सबसे आम था, जो अपेक्षित से काफी अधिक बार दिखाई दिया।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये निष्कर्ष केवल संख्याओं का परिणाम नहीं हैं, वैज्ञानिकों ने तुलना की एक कठोर पद्धति का उपयोग किया। उन्होंने "क्या-होता-यदि" (what-if) के दो अलग-अलग परिदृश्य बनाए। पहले में, उन्होंने बिल्कुल उन्हीं माइक्रोआरएनए अनुक्रमों को लिया और प्रत्येक में अक्षरों के क्रम को उलट-पुलट (scramble) कर दिया, जिससे प्रत्येक अक्षर की कुल संख्या समान रही लेकिन कोई प्राकृतिक क्रम नष्ट हो गया। दूसरे में, उन्होंने समान लंबाई के सभी अनुक्रमों में प्रत्येक विशिष्ट स्थिति पर अक्षरों को पुनर्व्यवस्थित किया। इन बिखरे हुए, यादृच्छिक संस्करणों के विरुद्ध तुलना करने के बाद भी, वास्तविक माइक्रोआरएनए ने C-G और U-A जोड़ों की स्पष्ट कमी दिखाई। इससे यह सिद्ध हुआ कि इन जोड़ों की कमी एक वास्तविक विशेषता है, न कि केवल इस बात का दुष्प्रभाव कि वहां प्रत्येक अक्षर की संख्या कितनी मौजूद है।
यह कमी का पैटर्न केवल दो-अक्षर वाले जोड़ों तक ही सीमित नहीं था। शोधकर्ताओं ने तीन अक्षरों के समूहों को भी देखा, जिन्हें ट्राइन्यूक्लियोटाइड (trinucleotides) कहा जाता है। उन्होंने पाया कि प्रत्येक संयोजन जिसमें C-G या U-A जोड़ा शामिल था, वह भी कम था, जो कि यादृच्छिक मॉडलों की तुलना में कम बार दिखाई दिया। यह सुझाव देता है कि इन विशिष्ट पड़ोसियों के विरुद्ध नियम माइक्रोआरएनए की पूरी लंबाई में लागू होता है, न कि केवल एक विशिष्ट स्थान पर। यह खोज उनके द्वारा परीक्षण किए गए दस प्रमुख समूहों में से सभी में सुसंगत थी, जिनमें फूलों वाले पौधों से लेकर नेमाटोड कृमि और मनुष्य तक शामिल थे। चाहे जीव एक पौधा हो या जानवर, माइक्रोआरएनए ने लगातार C को G के बगल में या U को A के बगल में रखने से परहेज किया।
एक दिलचस्प अपवाद था जिसे सूक्ष्म निरीक्षण की आवश्यकता थी। जबकि U-A जोड़ा समग्र रूप से दुर्लभ था, शोधकर्ताओं ने माइक्रोआरएनए अनुक्रम के बिल्कुल प्रारंभ में इसकी आवृत्ति में एक छोटा सा उछाल देखा। पहले स्थान पर, U-A जोड़ा शेष अणु की तुलना में अधिक बार दिखाई दिया। हालाँकि, जब वैज्ञानिकों ने इस तथ्य को ध्यान में रखा कि एक माइक्रोआरएनए का पहला अक्षर लगभग हमेशा एक U होता है, तो यह उछाल गायब हो गया। यह पता चला कि शुरुआत में U-A जोड़ों की उच्च संख्या केवल इसलिए थी क्योंकि शुरुआत में U की संख्या बहुत अधिक थी, न कि इसलिए कि अणु में U के ठीक बाद A रखने की कोई विशेष प्राथमिकता थी। एक बार इस प्रारंभिक संरचना को ध्यान में रखने के बाद, U-A जोड़ा हर जगह कम पाया गया, ठीक उसी तरह जैसे C-G जोड़ा।
अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि ये पैटर्न क्यों मौजूद हो सकते हैं। लुप्त C-G जोड़ों के लिए, एक तर्कसंगत स्पष्टीकरण डीएनए उत्परिवर्तन (DNA mutation) के इतिहास में निहित है। कई जानवरों में, अक्षर C अक्सर रासायनिक रूप से संशोधित होता है जो इसे विकासवादी समय के दौरान T (या RNA में U) में बदलने के प्रति संवेदनशील बनाता है। यदि DNA में एक C-G जोड़ा एक U-G जोड़े में उत्परिवर्तित हो जाता है, तो परिणामी RNA में स्वाभाविक रूप से C-G जोड़े कम और U-G जोड़े अधिक होंगे। यह शोधकर्ताओं के इस अवलोकन से मेल खाता है कि U-G सबसे आम जोड़ा है जबकि C-G सबसे दुर्लभ है। हालाँकि, शोध पत्र नोट करता है कि यह केवल एक परिकल्पना है; अध्ययन ने सीधे DNA मिथाइलेशन या उत्परिवर्तन दर को नहीं मापा, इसलिए यह एक संभावित कारण है न कि एक पुष्ट कारण।
हालाँकि, U-A जोड़े की कमी का कारण पूरी तरह से रहस्य बना हुआ है। शोधकर्ता कोई जैविक तंत्र नहीं ढूंढ सके जो यह समझा सके कि ये दो अक्षर एक-दूसरे से क्यों बचते हैं। यह संभव है कि अणु की स्वयं की संरचना, कोशिका के भीतर इसके प्रसंस्करण का तरीका, या इसके लक्ष्यों के साथ इसकी अंतःक्रिया का तरीका, U-A संयोजन को अस्थिर या अवांछनीय बनाता हो। अध्ययन ने सफलतापूर्वक पहचान की कि यह कमी मौजूद है और सार्वभौमिक है, लेकिन यह समझाने के मामले में अधूरा है कि ऐसा क्यों है।
इन सूक्ष्म नियामकों के अक्षरों की व्यवस्था का एक विस्तृत मानचित्र बनाकर, शोधकर्ताओं ने माइक्रोआरएनए जीव विज्ञान को समझने के लिए एक नया आधार प्रदान किया है। उन्होंने दिखाया है कि ये अणु केवल अक्षरों की यादृच्छिक कतारें नहीं हैं बल्कि इन्हें एक विशिष्ट, संरक्षित वास्तुकला के साथ बनाया गया है जिसे लाखों वर्षों के विकास के दौरान बनाए रखा गया है। जबकि इस वास्तुकला का पूर्ण कारण अभी ज्ञात नहीं है, यह खोज कि माइक्रोआरएनए सार्वभौमिक रूप से कुछ विशिष्ट अक्षर संयोजनों से बचते हैं, वैज्ञानिकों के लिए एक नया सुराग प्रदान करती है जो यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि ये महत्वपूर्ण अणु कैसे कार्य करते हैं और विकसित होते हैं। यह कार्य सुझाव देता है कि जीवन के नियम न केवल व्यक्तिगत अक्षरों में, बल्कि इस विशिष्ट तरीके में भी लिखे गए हैं कि उन अक्षरों को एक-दूसरे के बगल में बैठने की अनुमति दी जाती है।
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