A koala pangenome reveals hidden structural variation with implications for disease and fertility

दशकों से, वैज्ञानिक प्रत्येक प्रजाति के लिए एक एकल, रैखिक मानचित्र (linear map) को देखकर जीवन के आनुवंशिक ब्लूप्रिंट को समझने की कोशिश कर रहे हैं। यह दृष्टिकोण, पूरे देश के लिए एक ही सड़क मानचित्र का उपयोग करने जैसा है, जो प्रमुख स्थलों को खोजने के लिए तो अच्छा काम करता है लेकिन उन जटिल, घुमावदार गलियों और छिपे हुए आंगनों को पकड़ने में विफल रहता है जो जीनोम के वास्तविक परिदृश्य को बनाते हैं। इन लुप्त हिस्सों को संरचनात्मक भिन्नता (structural variations) के रूप में जाना जाता है: डीएनए के बड़े हिस्से जिन्हें इस तरह डाला, हटाया या पुनर्व्यवस्थित किया गया है कि एक एकल संदर्भ मानचित्र उन्हें नहीं दिखा सकता। ये भिन्नताएं पुरानी, मानक अनुक्रमण (sequencing) विधियों के लिए अदृश्य हैं, लेकिन इन्हें जानवरों के अपने वातावरण के अनुकूल होने, बीमारियों से लड़ने और प्रजनन करने के छिपे हुए चालक के रूप में तेजी से समझा जा रहा है। पूरी आबादी में आनुवंशिक विविधता की पूरी तस्वीर देखे बिना, वैज्ञानिक उन तंत्रों को खोने का जोखिम उठाते हैं जो प्रजातियों को बदलती दुनिया में जीवित रहने में सक्षम बनाते हैं।

यह वास्तविकता विशेष रूप से कोआला के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, जो एक प्रतिष्ठित ऑस्ट्रेलियाई मार्सुपियल (marsupial) है और जटिल खतरों के जाल का सामना कर रहा है। ऑस्ट्रेलिया के पूर्वी तट पर कोआला की आबादी उनके स्वास्थ्य और प्रजनन क्षमता में आश्चर्यजनक अंतर दिखाती है, फिर भी वर्षों से, शोधकर्ता एक एकल संदर्भ जीनोम पर निर्भर रहे हैं जो यह समझाने में असमर्थ था कि उत्तरी कोआला दक्षिण के कोआला की तुलना में अलग बीमारियों से क्यों पीड़ित हो सकता है। एक नए अध्ययन ने अंततः उस एकल मानचित्र से परे देखने का निर्णय लिया है। एक मार्सुपियल के लिए पहला 'पैनजीनोम' (pangenome) बनाने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने प्रजाति की पूरी सीमा तक फैले तेरह व्यक्तिगत कोआलाओं से एक व्यापक आनुवंशिक लाइब्रेरी तैयार की है। इस नए दृष्टिकोण ने एक विशाल, पहले से छिपी हुई आनुवंशिक दुनिया को उजागर किया, जिसमें लाखों संरचनात्मक परिवर्तन और आधा गीगाबेस डीएनए अनुक्रम सामने आया जो मौजूदा संदर्भ मानचित्र में पूरी तरह से अनुपस्थित था।

शोधकर्ताओं ने उन्नत 'लॉन्ग-रीड टेक्नोलॉजी' का उपयोग करके जंगली कोआलाओं के डीएनए को अनुक्रमित करके यह उपलब्धि हासिल की, जो छोटे, खंडित शब्दों के बजाय लंबी, निरंतर वाक्यों में एक किताब पढ़ने जैसा कार्य करती है। उन्होंने डीएनए की विभिन्न गुणवत्ता वाले नमूनों को शामिल किया, यहाँ तक कि आंशिक रूप से खराब ऊतकों से उच्च गुणवत्ता वाला डेटा निकालने के लिए एक संशोधित तकनीक का भी उपयोग किया। इन तेरह व्यक्तिगत जीनोमों को एक एकल, लचीले ग्राफ में बुनकर, वे आनुवंशिक विविधता के पूर्ण स्पेक्ट्रम को देख सके। इसका परिणाम लगभग 1,93,000 संरचनात्मक विविधताओं की खोज थी, जिसमें वे विशाल प्रविष्टियाँ (insertions) और विलोपन (deletions) शामिल थे जिन्हें पुराने संदर्भ जीनोम ने पूरी तरह से छोड़ दिया था। इस नए मानचित्र ने दिखाया कि कोआला का जीनोम पहले की कल्पना की तुलना में कहीं अधिक गतिशील और विविध है, जिसमें उत्तरी और दक्षिणी आबादी के बीच महत्वपूर्ण अंतर हैं जो उनकी विशिष्ट जैविक चुनौतियों की व्याख्या कर सकते हैं।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक कोआला का बीमारी के साथ संघर्ष है। अध्ययन ने एक विशिष्ट आनुवंशिक दोहराव (duplication) की पहचान की जो केवल हंटर वैली के दक्षिण के कोआलाओं में पाया जाता है। ये जीव एक ऐसे जीन की दो प्रतियां रखते हैं जो एक ऐसे प्रोटीन का उत्पादन करता है जो क्लोस्ट्रीडिया (chlamydia) को रोकने में सक्षम है, जो एक जीवाणु संक्रमण है और कई कोआला आबादी में गंभीर बीमारी और बांझपन का कारण बनता है। इस अतिरिक्त प्रति की उपस्थिति संभवतः यह समझाती है कि दक्षिणी कोआला अक्सर अपने उत्तरी समकक्षों की तुलना में इस बीमारी के हल्के लक्षण क्यों अनुभव करते हैं। इसके विपरीत, अध्ययन में पाया गया कि दक्षिणी कोआला ने कई जीन पूरी तरह से खो दिए हैं, जिनमें प्रतिरक्षा प्रणाली और सूंघने की शक्ति से जुड़े जीन शामिल हैं। अतीत में एक गंभीर 'पॉपुलेशन बॉटलनेक' (population bottleneck) के कारण हुए इन नुकसानों ने, आनुवंशिक अनुकूलता के आधार पर साथी चुनने की उनकी क्षमता को कमजोर कर दिया होगा, जो एक स्वस्थ प्रतिरक्षा प्रणाली बनाए रखने के लिए एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया है।

अनुसंधान ने कोआला के ज्ञात रेट्रोवायरस (retrovirus) के साथ चल रहे संघर्ष पर भी प्रकाश डाला, जो वर्तमान में कोआला जीनोम में एकीकृत हो रहा है। टीम ने पाया कि वायरस समान नहीं है; विभिन्न क्षेत्रों में विभिन्न संस्करण प्रसारित होते हैं, और वायरस सक्रिय रूप से कोआला के डीएनए को नया आकार दे रहा है। कुछ दक्षिणी आबादी में, विशिष्ट होस्ट जीन का नुकसान, जो आमतौर पर वायरस को कोशिकाओं में प्रवेश करने में मदद करते हैं, वास्तव में वायरस के संक्रमण की गति को धीमा कर सकता है। यह एक जटिल विकासवादी खींचतान (evolutionary tug-of-war) का सुझाव देता जहाँ कुछ जीनों का नुकसान, अन्य तरीकों से हानिकारक होने के बावजूद, वायरल आक्रमण के खिलाफ एक आश्चर्यजनक रक्षा प्रदान कर सकता है। अध्ययन ने एक नए, हाल ही में सक्रिय रेट्रोवायरस के प्रमाण भी पाए जो मौजूदा कोआला रेट्रोवायरस के साथ परस्पर क्रिया कर रहा है, जो इन वायरसों के विकसित होने और फैलने के तरीके में जटिलता की एक और परत जोड़ता है।

शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज दक्षिणी कोआलाओं में एक विशिष्ट जीन परिवार का विशाल विस्तार था, जो सेंट्रोमियर (centromere) के पास स्थित है, जो गुणसूत्र (chromosome) का केंद्रीय क्षेत्र है जो कोशिका विभाजन के दौरान आनुवंशिक सामग्री को अलग करने में मदद करता है। ये जीन, जो प्रजनन क्षमता और वायरस के दमन में भूमिका निभाते हैं, पूरी सीमा में बहुत अलग संख्या में पाए गए, जिसमें दक्षिणी आबादी में उत्तरी आबादी की तुलना में दस गुना अधिक प्रतियां थीं। शोधकर्ताओं को संदेह है कि यह विस्तार 'सेंट्रोमियर ड्राइव' (centromere drive) नामक घटना द्वारा संचालित है, जहाँ कुछ आनुवंशिक क्षेत्र कोशिका विभाजन की प्रक्रिया को नियंत्रित करते हैं ताकि उन्हें अधिक बार पारित किया जा सके। यह खोज बताती है कि गुणसूत्र की संरचना स्वयं तीव्र विकासवादी परिवर्तन का एक स्रोत है, जो इन जानवरों की प्रजनन क्षमता और रोग प्रतिरोधक क्षमता को प्रभावित कर सकती है, जो पहले विज्ञान के लिए अदृश्य थी।

एक एकल संदर्भ जीनोम से आगे बढ़कर, इस अध्ययन ने यह समझने के लिए एक शक्तिशाली ढांचा प्रदान किया है कि संकटग्रस्त वन्यजीव कैसे अनुकूलित होते हैं। यह प्रदर्शित करता है कि आबादी के बीच आनुवंशिक अंतर केवल मामूली बदलाव नहीं हैं, बल्कि इनमें बड़े पैमाने पर संरचनात्मक परिवर्तन शामिल हो सकते हैं जो किसी जानवर के कार्य करने के तरीके को मौलिक रूप से बदल देते हैं। संरक्षणवादियों के लिए, इसका अर्थ है कि किसी प्रजाति की रक्षा करने के लिए उसकी पूर्ण आनुवंशिक परिदृश्य को समझना आवश्यक है, न कि केवल एक एकल स्नैपशॉट को। कोआला पैनजीनोम उस छिपी हुई आनुवंशिक विविधता को उजागर करने के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है जो प्रजातियों को जीवित रहने में सक्षम बनाती है, यह आशा जगाती है कि पूर्ण चित्र को देखकर, हम उन्हें उन बीमारियों और पर्यावरणीय परिवर्तनों से बेहतर ढंग से बचा सकते हैं जो उनके भविष्य के लिए खतरा हैं।