Comparative genomics of bat endogenous retroviruses: abundance and coding integrity are decoupled, and de novo detection can counterfeit a lineage-specific expansion

प्रत्येक स्तनपायी के डीएनए के भीतर, चूहों से लेकर मनुष्यों तक, प्राचीन वायरल संक्रमणों का एक छिपा हुआ संग्रह मौजूद है। ये सक्रिय वायरस नहीं हैं जो हमला करने के लिए प्रतीक्षा कर रहे हों, बल्कि उन रेट्रोवायरस के जीवाश्म अवशेष हैं जिन्होंने लाखों साल पहले हमारे पूर्वजों की प्रजनन कोशिकाओं पर सफलतापूर्वक आक्रमण किया था। एक बार जब कोई वायरस अपने आनुवंशिक कोड को किसी मेजबान की जर्म लाइन (germ line) में डाल देता है, तो वह कोड वंशावली का एक स्थायी हिस्सा बन जाता है, जो पीढ़ी दर पीढ़ी आगे बढ़ता रहता है। समय के साथ, इनमें से अधिकांश वायरल आक्रमणकारी अपनी कार्य करने की क्षमता खो देते हैं, उत्परिवर्तन (mutations) जमा करते हैं और टूटते जाते हैं जब तक कि वे केवल आनुवंशिक कोड के बिखरे हुए टुकड़े मात्र न रह जाएं। वैज्ञानिक इन्हें एंडोजेनस रेट्रोवायरस (endogenous retroviruses) कहते हैं। वे गहरे समय में मेजबानों और वायरसों के बीच हुए युद्धों के एक रिकॉर्ड के रूप में कार्य करते हैं, और चूंकि विभिन्न पशु समूहों ने अलग-अलग वायरल इतिहास का सामना किया है, इसलिए जीवन के वृक्ष (tree of life) में इन वायरल जीवाश्मों की मात्रा और स्थिति अत्यधिक भिन्न होती है।

चमगादड़ इस संदर्भ में अध्ययन करने के लिए एक विशेष रूप से आकर्षक समूह हैं। स्तनपदियों के दूसरे सबसे विविध क्रम के रूप में, 1,400 से अधिक प्रजातियों के साथ, वे वायरसों की एक विशाल श्रृंखला को बिना बीमार पड़े ले जाने की अपनी क्षमता के लिए भी प्रसिद्ध हैं। इस अद्वितीय सहनशीलता ने उन्हें उन शोधकर्ताओं के लिए गहन रुचि का विषय बना दिया है जो यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि वायरस कैसे विकसित होते हैं और मेजबान उनसे कैसे जीवित रहते हैं। हालाँकि, जब वैज्ञानिकों ने विभिन्न चमगादड़ परिवारों के जीनोम के भीतर मौजूद वायरल जीवाश्मों की तुलना करना शुरू किया, तो उन्हें एक समस्या का सामना करना पड़ा। जो डेटा वे देख रहे थे वह अक्सर अविश्वसनीय था। उनके द्वारा उपयोग किए गए जीनोम कभी-कभी गलत लेबल वाले थे, जिनमें गलत प्रजाति का डीएनए शामिल था, या वायरल जीवाश्मों को गिनने की विधियाँ डीएनए के संयोजन (assembly) के तरीके के प्रति इतनी संवेदनशील थीं कि उन्होंने हालिया वायरल गतिविधि के झूठे संकेत पैदा कर दिए। चमगादड़ के वायरल इतिहास की वास्तविक तस्वीर पाने के लिए, शोधकर्ताओं को पहले एक ऐसा ढांचा बनाना था जो वास्तविक जैविक तथ्यों को कंप्यूटर-जनित त्रुटियों से अलग कर सके।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने 29 अलग-अलग चमगादड़ प्रजातियों का विश्लेषण करके, जो 11 विशिष्ट परिवारों का प्रतिनिधित्व करती हैं, इस विश्वसनीय ढांचे को बनाने का प्रयास किया। उनका पहला कार्य यह सत्यापित करना था कि प्रत्येक उपयोग किया गया जीनोम वास्तव में उसी चमगादड़ प्रजाति का है जिसका दावा किया गया है। उन्होंने डेटा पर आधिकारिक लेबल को तीन स्वतंत्र साक्ष्यों के साथ क्रॉस-रेफरेंस किया: डेटाबेस द्वारा प्रदान किया गया मेटाडेटा, प्रमुख चमगादड़ जीनोम परियोजनाओं द्वारा उपयोग किए गए नामकरण के नियम, और कोशिका के ऊर्जा केंद्रों, माइटोकॉन्ड्रिया में पाए जाने वाले एक विशिष्ट जीन का आनुवंशिक अनुक्रम। यह कठोर जांच आवश्यक थी क्योंकि एक भी गलत लेबल वाला जीनोम पूरी तुलना को विकृत कर सकता था, जिससे ऐसा लग सकता था कि एक वायरस असंबंधित प्रजातियों के बीच कूद गया है जबकि वास्तव में ऐसा नहीं हुआ था। इस स्क्रीनिंग के बाद, उन्होंने तीन गलत पहचान वाले असेंबली को हटा दिया और पांच अन्य को बाहर कर दिया जो विश्वसनीय रूप से विश्लेषण करने के लिए बहुत खंडित (fragmented) थे, जिससे उनके पास 29 जीनोम का एक स्वच्छ, सत्यापित पैनल बचा।

एक ठोस और सत्यापित डेटा आधार के साथ, टीम ने स्वयं वायरल जीवाश्मों की ओर रुख किया। उन्होंने इन जीनोमों को 'लॉन्ग टर्मिनल रिपीट्स' (long terminal repeats) के लिए स्कैन करने हेतु एक कंप्यूटर पाइपलाइन का उपयोग किया, जो एक रेट्रोवायरल इंसर्शन (insertion) की शुरुआत और अंत को चिह्नित करने वाली विशिष्ट संरचनाएं हैं। उन्होंने पाया कि वायरल डीएनए की मात्रा परिवारों के बीच नाटकीय रूप से भिन्न होती है। कुछ समूहों में, जैसे कि फल खाने वाले चमगादड़ (Pteropodidae), वायरल जीवाश्म जीनोम का केवल लगभग 1.7% हिस्सा बनाते थे। अन्य में, जैसे कि माउस-टेल्ड बैट्स (Rhinopomatidae), यह आंकड़ा बढ़कर लगभग 19% हो गया। यह ग्यारह गुना अंतर था। महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया कि यह भिन्नता एक वास्तविक जैविक गुण था न कि इस बात का परिणाम कि डीएनए को कितनी अच्छी तरह से जोड़ा गया है। उन्होंने दिखाया कि फल खाने वाले चमगादड़ों में कम मात्रा में वायरल डीएनए, पांच अलग-अलग, स्वतंत्र रूप से असेंबल किए गए जीनोम में सुसंगत था और इसे डीएनए डेटा की गुणवत्ता या पूर्णता द्वारा स्पष्ट नहीं किया जा सकता था।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि एक चमगादड़ के पास कितना वायरल डीएनए है और वह कितना संरक्षित है, इसके बीच एक आश्चर्यजनक विच्छेद (disconnect) है। कोई यह मान सकता है कि जिन परिवारों में सबसे अधिक वायरल डीएनए होता है, उनमें सबसे अधिक बरकरार, कार्यात्मक दिखने वाले वायरस भी होंगे। इसके विपरीत, शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रचुरता (abundance) और अखंडता (integrity) काफी हद तक स्वतंत्र थे। एक परिवार वायरल अनुक्रम में समृद्ध हो सकता है लेकिन ज्यादातर टूटे हुए, क्षय हुए टुकड़ों से भरा हो सकता है, जबकि दूसरा परिवार कम कुल अनुक्रम के साथ भी अधिक पूर्ण, संरचनात्मक रूप से सुदृढ़ वायरल जीवाश्मों को बनाए रख सकता है। यह सुझाव देता है कि वायरल संक्रमण का इतिहास और वायरल क्षय का इतिहास दो अलग-अलग कहानियाँ हैं। उदाहरण के लिए, फल खाने वाले चमगादड़, हालांकि उनके पास कुल मिलाकर बहुत कम वायरल डीएनए है, फिर भी इस कारण से अलग थे क्योंकि उनके पास मौजूद कुछ पूर्ण वायरस असामान्य रूप से एक विशिष्ट जीन, env को धारण करने की संभावना रखते थे, जो वायरल एनवेलप (envelope) को कोड करता है। यह जीन अक्सर वह कुंजी होता है जो वायरस को कोशिका में प्रवेश करने की अनुमति देता है, और इन प्राचीन जीवाश्मों में इसकी उपस्थिति इस ओर संकेत करती है कि इन विशिष्ट वायरल अवशेषों को किसी कारण से संरक्षित किया गया होगा, शायद इसलिए क्योंकि मेजबान जीव ने उनका उपयोग किया होगा।

शायद इस अध्ययन की सबसे महत्वपूर्ण खोज यह चेतावनी थी कि वैज्ञानिक इन आनुवंशिक परिदृश्यों की व्याख्या कैसे करते हैं। एक विशिष्ट जीनोम में, प्रारंभिक कंप्यूटर स्कैन ने वायरल गतिविधि के एक विशाल, हालिया विस्फोट का सुझाव दिया, जिसमें बड़ी संख्या में युवा वायरल जीवाश्म दिखाई दिए जो ऐसा प्रतीत होता था कि विकास के बहुत हालिया समय में खुद को सम्मिलित किया गया है। यह एक नाटकीय जैविक घटना की तरह लग रहा था: एक वंश-विशिष्ट संक्रमण का उछाल (lineage-specific burst)। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने करीब से देखा, तो उन्हें एहसास हुआ कि यह प्रकाश का एक भ्रम (trick of the light) था। विचाराधीन जीनोम को कम स्तर के विवरण के साथ असेंबल किया गया था, जिसका अर्थ था कि डीएनए कई छोटे, असंबद्ध टुकड़ों में टूटा हुआ था। इस विखंडन (fragmentation) के कारण कंप्यूटर ने एक ही वायरल टुकड़े को कई बार गिना और उसकी कॉपियों को वास्तव में जितना वे थे, उससे कहीं अधिक युवा दिखा दिया। जब शोधकर्ताओं ने उसी जीनोम की जांच एक अलग विधि से की जो असेंबली संरचना पर निर्भर नहीं थी, तो वह "उछाल" गायब हो गया। उस चमगादड़ में वास्तव में वायरल डीएनए का सामान्य, निम्न स्तर था, जो उसके करीबी रिश्तेदारों से मिलता-जुलता था।

यह खोज भविष्य के अनुसंधान के लिए एक महत्वपूर्ण सुरक्षा कवच के रूप में कार्य करती है। यह प्रदर्शित करती है कि वायरल जीवाश्मों की कच्ची कंप्यूटर गणना आसानी से डीएनए असेंबली के तरीके से धोखा खा सकती है, जिससे एक हालिया जैविक घटना का भ्रम पैदा हो जाता है जो वास्तव में मौजूद ही नहीं है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि वायरल जीवास्मों के किसी भी अद्वितीय, वंश-विशिष्ट विस्तार के दावे को स्वीकार करने से पहले, वैज्ञानिकों को ऐसे साक्ष्य के साथ पुष्टि करनी चाहिए जो असेंबली संरचना पर निर्भर न हो, जैसे कि विशिष्ट जीन अनुक्रमों की सीधी तुलना। इन सख्त नियंत्रणों को लागू करके, टीम ने चमगादड़ों के वायरल इतिहास को समझने के लिए पहला विश्वसनीय आधार प्रदान किया। उन्होंने दिखाया कि जबकि फल खाने वाले चमगादड़ों ने वास्तव में अपने वायरल लोड को दबा दिया है, चमगादड़ों में वायरल विकास की कहानी जटिल है, जहाँ प्रचुरता और संरक्षण एक ही इतिहास के अलग-अलग अध्याय बताते हैं, और डेटा में सबसे नाटकीय संकेत अक्सर वे होते हैं जिन्हें सबसे सावधानीपूर्वक जांच की आवश्यकता होती है।