Pan-genome analysis of whole genome of Chlamydia trachomatis uncovers a highly conserved core and structured accessory variations
यह अध्ययन 70 पूर्ण *Chlamydia trachomatis* जीनोम का विश्लेषण करता है ताकि एक अत्यधिक संतृप्त पैनजीनोम को प्रकट किया जा सके जो 772 जीन परिवारों के एक संरक्षित कोर द्वारा प्रधान है, जिसमें परिवर्तनशीलता एक संरचित सहायक अंश में केंद्रित है जो समान पुनर्रचना (reannotation) और स्वतंत्र फाइलोगैनेटिक सत्यापन की आवश्यकता का सुझाव देती है।
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बैक्टीरिया को अक्सर सरल, एकल-कोशिका वाले जीवों के रूप में समझा जाता है, लेकिन उनके आनुवंशिक ब्लूप्रिंट एक अधिक जटिल कहानी बताते हैं। प्रत्येक बैक्टीरिया अपने भीतर निर्देशों का एक समूह, अपना जीनोम, लेकर चलता है, जो यह निर्धारित करता है कि वह कैसे जीवित रहता है और दुनिया के साथ कैसे अंतःक्रिया करता है। वैज्ञानिकों को लंबे समय से पता है कि हालांकि एक ही प्रकार के बैक्टीरिया (प्रजाति) के सदस्य बड़ी मात्रा में आनुवंशिक सामग्री साझा करते हैं, फिर भी वे एक जैसे क्लोन नहीं होते हैं। कुछ जीन आवश्यक होते हैं और प्रजाति के हर एक जीव में पाए जाते हैं, जो एक स्थिर आधार बनाते हैं। अन्य जीन वैकल्पिक उपकरणों की तरह होते हैं, जो कुछ स्ट्रेन (प्रजाणुओं) में दिखाई देते हैं लेकिन दूसरों में अनुपस्थित होते हैं, जिससे बैक्टीरिया को विशिष्ट वातावरण या चुनौतियों के अनुकूल होने में मदद मिलती है। इन सभी जीनों के संग्रह को, जो पूरी प्रजाति में पाए जाने वाले जीनों का समूह है, 'पैनजीनोम' कहा जाता है। इन साझा, आवश्यक जीनों और परिवर्तनशील, वैकल्पिक जीनों के बीच के संतुलन को समझना यह जानने के लिए महत्वपूर्ण है कि बैक्टीरिया कैसे विकसित होते हैं, वे रोग कैसे फैलाते हैं, और हम उन्हें कैसे रोक सकते हैं।
ऐसा ही एक बैक्टीरिया, क्लैमिडिया ट्रैकोमैटिस (Chlamydia trachomatis), दुनिया भर में एक सामान्य यौन संचारित संक्रमण का प्रमुख कारण है। यह मानव कोशिकाओं के भीतर जीवित रहने में माहिर है, क्योंकि इसने अपनी ऊर्जा बनाने के लिए आवश्यक कई जीनों को त्याग दिया है और ईंधन के लिए पूरी तरह से अपने होस्ट (मेजबान) पर निर्भर है। चूंकि यह एक सीमित जीवन जीता है, इसलिए इसका जीनोम छोटा और सघन है। हालांकि, इस संक्षिप्त आनुवंशिक पैकेज के भीतर भी भिन्नता मौजूद है। शोधकर्ता पारंपरिक रूप से इस बैक्टीरिया के विभिन्न स्ट्रेन की पहचान करने के लिए केवल एक या दो जीनों को देखते रहे हैं, लेकिन यह दृष्टिकोण कभी-कभी इस बात की बड़ी तस्वीर को समझने में चूक सकता है कि ये सूक्ष्मजीव एक-दूसरे से कैसे संबंधित हैं। एक स्पष्ट दृश्य प्राप्त करने के लिए, ब्राजील के वैज्ञानिकों की एक टीम ने सी. ट्रैकोमैटिस के सत्तर अलग-अलग स्ट्रेन के संपूर्ण आनुवंशिक पुस्तकालय का परीक्षण करने का निर्णय लिया। वे यह देखना चाहते थे कि इस प्रजाति का कितना हिस्सा सभी में साझा है और कितना विशिष्ट समूहों के लिए अद्वितीय है, प्रभावी रूप से इस प्रजाति के पूर्ण आनुवंशिक परिदृश्य का मानचित्रण करना चाहते थे।
टीम ने एक सार्वजनिक डेटाबेस में उपलब्ध सत्तर अलग-अलग स्ट्रेन के पूर्ण आनुवंशिक अनुक्रमों (sequences) को एकत्र किया। उन्होंने केवल कच्चे डीएनए (DNA) को ही नहीं देखा; उन्होंने सावधानीपूर्वक एनोटेशन (annotations) की भी जांच की, जो वे लेबल हैं जिनका उपयोग वैज्ञानिक डीएनए के प्रत्येक टुकड़े के कार्य को पहचानने के लिए करते हैं। एक विशेष कंप्यूटर प्रोग्राम का उपयोग करके, उन्होंने समान जीनों को परिवारों में समूहित किया। यदि कोई जीन किसी स्ट्रेन में मौजूद था, तो उसे उपस्थित के रूप में चिह्नित किया गया; यदि वह अनुपस्थित था, तो उसे अनुपस्थित के रूप में चिह्नित किया गया। इन सत्तर जीनोमों को एक साथ रखकर, वे ठीक से गिन सके कि कितने जीन परिवार सार्वभौमिक थे, जो प्रत्येक स्ट्रेन में पाए जाते थे, और कितने सहायक (accessory) थे, जो केवल कुछ में ही दिखाई देते थे।
परिणामों ने एक उल्लेखनीय रूप से स्थिर जीनोम का खुलासा किया। सभी स्ट्रेन में पहचाने गए लगभग एक हजार विशिष्ट जीन परिवारों में से, लगभग चार-पांचवां हिस्सा प्रत्येक एक में पाया गया। यह "कोर" (मूल) जीन सेट उस आवश्यक टूलकिट का प्रतिनिधित्व करता है जिसकी प्रत्येक सी. ट्रैकोमैटिस बैक्टीरिया को जीवित रहने के लिए आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह कोर इतना प्रभावशाली है कि यदि आपने केवल पचास स्ट्रेन देखे होते, तो आप पूरे समूह में उपलब्ध कुल आनुवंशिक विविधता का निन्यानवे दशमलव पाँच प्रतिशत पहले ही खोज चुके होते। अध्ययन में शेष बीस स्ट्रेन जोड़ने से कुल गणना में बहुत कम बदलाव आया, क्योंकि अंतिम कुछ जीनोमों ने लगभग कोई नए जीन प्रदान नहीं किए। यह सुझाव देता है कि प्रजाति ने संतृप्ति (saturation) के एक ऐसे बिंदु पर पहुँच गई है जहाँ उपलब्ध आनुवंशिक विविधता अच्छी तरह से परिभाषित है और नए नमूनों के साथ तेजी से विस्तारित नहीं हो रही है।
जबकि कोर विशाल और अपरिवर्तनीय है, जीनोम का शेष भाग, जिसे सहायक जीनोम (accessory genome) कहा जाता है, स्ट्रेन के बीच के अंतर की कुंजी रखता है। यह छोटा हिस्सा, जो कुल जीनों का लगभग एक-पांचवां भाग है, विविधता का केंद्र है। कुछ जीन सामान्य हैं, जो अधिकांश स्टים में दिखाई देते हैं, जबकि अन्य दुर्लभ हैं, जो केवल एक या दो में ही मिलते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि किसी भी एकल स्ट्रेन में जीनों की संख्या में थोड़ा अंतर था, जो लगभग आठ सौ सत्तर से नौ सौ जीनों तक था। हालांकि, यह भिन्नता यादृच्छिक अराजकता नहीं थी; यह संरचित थी। जब उन्होंने विभिन्न स्ट्रेन के सहायक जीनों की तुलना की, तो उन्होंने पाया कि स्ट्रेन के कुछ जोड़े जीन सामग्री में लगभग समान थे, जबकि अन्य काफी भिन्न थे। इसने विशिष्ट क्लस्टर (समूह) बनाए, जो यह संकेत देते हैं कि बैक्टीरिया के कुछ समूह विशिष्ट वैकल्पिक उपकरणों के सेट साझा करते हैं जो दूसरों के पास नहीं हैं।
अध्ययन ने यह भी देखा कि इन जीन परिवारों के भीतर वास्तविक प्रोटीन अनुक्रम कितने समान थे। प्रोटीन, जो आनुवंशिक निर्देशों से निर्मित कार्य करने वाले भाग हैं, विभिन्न स्ट्रेन में लगभग समान पाए गए, जिनकी औसत समानता नब्बे प्रतिशत से अधिक थी। उच्च स्तर की यह संरक्षण (conservation) पुष्टि करती है कि यह प्रजाति आनुवंशिक रूप से बहुत घनिष्ठ रूप से जुड़ी हुई है। हालांकि, शोधकर्ताओं ने सावधानीपूर्वक यह नोट किया कि जो जीन केवल एक स्ट्रेन में दिखाई देते हैं, जिन्हें 'सिंगलटन' (singletons) कहा जाता है, उन पर आगे की जांच की आवश्यकता है। इनमें से कुछ अद्वितीय जीनों की पहचान विशिष्ट कार्यों के लिए की गई थी, जैसे ऊर्जा उत्पादन या अणुओं को तोड़ने में मदद करना, लेकिन कई को केवल "परिकल्पित" (hypothetical) के रूप में लेबल किया गया था क्योंकि उनका कार्य अज्ञात था। टीम ने इस बात पर जोर दिया कि ये दुर्लभ जीन वास्तविक जैविक विशेषताएं हो सकते हैं, या वे केवल डेटा को संसाधित करने के तरीके के परिणाम (artifacts) हो सकते हैं, और जब तक अधिक समान विधियों से उनका सत्यापन नहीं किया जाता, तब तक उन पर पूरी तरह से भरोसा नहीं किया जा सकता।
अंततः, यह कार्य एक ऐसे बैक्टीरिया की तस्वीर पेश करता है जो अपने मौलिक जीव विज्ञान में अत्यधिक सुसंगत है लेकिन छोटे, संरचित भिन्नता वाले पॉकेट बनाए रखने के लिए पर्याप्त लचीला भी है। आनुवंशिक कोड का विशाल बहुमत सभी के बीच साझा किया जाता है, जो व्यापक-स्पेक्ट्रम निदान और संभावित टीकों के लिए एक ठोस लक्ष्य प्रदान करता है। जीनोम का छोटा, परिवर्तनशील भाग वह है जहाँ स्ट्रेन के बीच विशिष्ट अंतर निहित हैं, जो संभवतः मानव शरीर के भीतर विभिन्न ऊतकों या वातावरण के प्रति अनुकूलन को दर्शाता है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि जबकि कोर जीनोम इस प्रजाति को समझने के लिए एक स्थिर आधार प्रदान करता है, वहीं सहायक जीनोम इसकी विविधता के सुराग रखता है। उन्होंने उल्लेख किया कि इन स्ट्रेन के स्रोत या उनके द्वारा फैलाए जाने वाले रोगों के बारे में अधिक विस्तृत जानकारी के बिना, इन आनुवंशिक अंतरों को विशिष्ट व्यवहारों से जोड़ना कठिन है। फिर भी, इस प्रजाति के संपूर्ण आनुवंशिक भंडार का मानचित्रण करके, यह अध्ययन एक स्पष्ट, उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाला मानचित्र प्रदान करता है जिसका उपयोग भविष्य के वैज्ञानिक इस निरंतर रोगजनक (pathogen) के विकास और उत्तरजीविता को बेहतर ढंग से समझने के लिए कर सकते हैं।
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