Structural analysis of the 5' terminal of human immunodeficiency virus type 1 genome RNAs transcribed from proviruses with mutations in the transcription start site

वायरस को अक्सर एक सरल आक्रमणकारी माना जाता है, लेकिन ह्यूमन इम्यूनोडेफिशिएंसी वायरस, जिसे HIV-1 के रूप में जाना जाता है, अपने आनुवंशिक पदार्थ के भीतर निर्देशों का एक जटिल समूह लेकर चलता है। यह पदार्थ RNA का एक धागा है, जो नए वायरस कणों को बनाने के लिए एक ब्लूप्रिंट और वायरस की अपनी मशीनरी के लिए निर्देशों के सेट, दोनों के रूप में कार्य करता है। इस वायरस के लिए एक महत्वपूर्ण समस्या यह है कि इस RNA के एकल धागे को एक ही समय में दो बहुत अलग काम करने होते हैं। इसे मानव कोशिका के भीतर छिपने के लिए DNA में कॉपी किया जाना चाहिए और साथ ही वायरस बनाने वाले प्रोटीन बनाने के लिए कोशिका द्वारा पढ़ा भी जाना चाहिए। इसे हल करने के लिए, वायरस एक विशिष्ट शुरुआती बिंदु पर निर्भर करता है जहाँ से प्रतिलिपि (copying) की प्रक्रिया शुरू होती है। वाइल्ड-टाइप वायरस में, यह शुरुआती बिंदु तीन समान बिल्डिंग ब्लॉक्स का एक अनुक्रम है, जो सभी एक प्रकार के 'ग्वानिन' (guanine) हैं। वायरस ने एक चतुर तरकीब विकसित की है: यदि प्रतिलिपि इन तीन ब्लॉकों में से पहले ब्लॉक से शुरू होती है, तो परिणामी RNA लचीला और फुदकन वाला होता है, जो इसे प्रोटीन में बदलने और पढ़ने के लिए एकदम सही बनाता है। यदि प्रतिलिपि तीसरे ब्लॉक से शुरू होती है, तो RNA एक तंग, स्थिर संरचना में मुड़ जाता है, जो नए वायरस कणों में पैक होने के लिए आदर्श है। यह संरचनात्मक अंतर निर्धारित करता है कि RNA एक 'श्रमिक' बनेगा या एक 'यात्री'।

हालाँकि, प्रकृति शायद ही कभी पूर्ण होती है। जब वायरस एक नई कोशिका को संक्रमित करता है, तो कॉपी करने वाली मशीनरी कभी-कभी गलतियाँ करती है, जिससे उन तीन शुरुआती ब्लॉकों में से एक बदलकर कुछ और (जैसे साइटोसिन या यूरासिल) हो जाता है। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों को नहीं पता था कि इन उत्परिवर्तित (mutated) संस्करणों के साथ क्या हुआ। क्या वायरस केवल प्रजनन करने में विफल रहा? या क्या इसने अनुकूलन करने का कोई तरीका खोज लिया, शायद त्रुटि की भरपाई के लिए प्रतिलिपि प्रक्रिया को किसी अलग स्थान से शुरू करके? इस रहस्य को समझना इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि वायरस इन परिवर्तनों के प्रति आसानी से अनुकूल हो सकता है, तो इसे रोकना बहुत कठिन हो जाता है। जापान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन उत्परिवर्तित RNA धागों के व्यवहार को समझने के लिए उनके छोटे, कृत्रिम मॉडल बनाकर इस रहस्य को सुलझाने का प्रयास किया।

शोधकर्ताओं ने प्रयोगशाला में RNA के धागे के चार अलग-अलग संस्करण बनाना शुरू किया। उन्होंने एक संस्करण डिजाइन किया जो दूसरे ब्लॉक से शुरू होता था लेकिन तीसरे में उत्परिवर्तन (mutation) था, और एक अन्य संस्करण जो पहले ब्लॉक से शुरू होता था लेकिन तीसरे में उत्परिवर्तन था। उन्होंने एक अलग प्रकार के उत्परिवर्तन के साथ भी संस्करण बनाए ताकि यह देखा जा सके कि क्या परिणाम समान था। एक बार जब ये धागे बन गए, तो वैज्ञानिकों को यह देखना था कि वे कैसे मुड़ते (fold) हैं। उन्होंने 'जेल इलेक्ट्रोफोरेसिस' नामक एक तकनीक का उपयोग किया, जो अनिवार्य रूप से एक जिलेटिनी भूलभुलैया में दौड़ की तरह है। इस दौड़ में, कसकर मुड़े हुए, सघन अणु तेजी से चलते हैं, जबकि ढीले, लचीले अणु फंस जाते हैं और धीरे चलते हैं। टीम ने इस दौड़ को दो बार चलाया: एक बार सामान्य वातावरण में और एक बार एक कठोर वातावरण में जो एक ऐसे रसायन से भरा था जो अणुओं को खोलने के लिए मजबूर करता है।

परिणामों ने एक स्पष्ट पैटर्न का खुलासा किया। जो RNA धागे दूसरे ब्लॉक से शुरू होते थे, उत्परिवर्तन के बावजूद, वे सफल, स्थिर 'पैसेंजर' RNA की तरह व्यवहार करते थे। वे तंग, सघन आकार में मुड़ गए जो कठोर रसायन द्वारा उन्हें अलग करने की कोशिश करने पर भी अपना रूप बनाए रखते थे। इसके विपरीत, पहले ब्लॉक से शुरू होने वाले धागे ढीले और लचीले रहे, जो प्रोटीन बनाने के लिए लक्षित 'वर्कर' RNA की तरह व्यवहार करते थे। इसकी पुष्टि करने के लिए, शोधकर्ताओं ने उस तापमान को मापा जिस पर ये धागे टूट जाते हैं। स्थिर धागे तब तक जुड़े रहे जब तक कि तापमान लगभग 60 डिग्री सेल्सियस तक नहीं पहुँच गया, जबकि ढीले धागे बहुत कम तापमान पर अलग हो गए। इसने पुष्टि की कि उत्परिवर्तन ने स्थिर आनुवंशिक सामग्री बनाने की वायरस की क्षमता को नहीं तोड़ा; इसके बजाय, वायरस ने आवश्यक संरचना बनाए रखने के लिए दूसरे ब्लॉक से अपनी प्रतिलिपि प्रक्रिया शुरू करने के लिए अपनी स्थिति बदल ली।

यह देखने के लिए कि वे स्थिर आकार वास्तव में कैसे दिखते हैं, टीम ने 'न्यूक्लियर मैग्नेटिक रेजोनेंस' नामक एक शक्तिशाली इमेजिंग पद्धति का उपयोग किया, जो वैज्ञानिकों को अणु में प्रत्येक परमाणु की स्थिति को मैप करने की अनुमति देता है। उन्होंने स्थिर RNA धागों का त्रि-आयामी (3D) मॉडल बनाया और पाया कि अणु के दो मुख्य भाग एक निरंतर, मजबूत स्टेम (stem) में जुड़े हुए हैं। यह संरचना ठीक वही है जिसकी आवश्यकता वायरस को एक नए कण में पैक होने के लिए होती है। फिर उन्होंने संरचनाओं की गति को देखने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन चलाया। 200 नैनोसेकंड की गति का अनुकरण करने के बाद भी, स्थिर धागे अपना आकार बनाए रखते रहे, जिससे सिद्ध हुआ कि दोनों खंडों के बीच का संबंध मजबूत और विश्वसनीय है।

अध्ययन से पता चलता है कि जब वायरस अपने शुरुआती बिंदु पर उत्परिवर्तन का सामना करता है, तो उसके पास एक अंतर्निहित बैकअप योजना होती है। विफल होने के बजाय, यह प्रतिलिपि प्रक्रिया के प्रारंभ को दूसरे ब्लॉक पर स्थानांतरित कर देता है। यह बदलाव RNA को उस तंग, स्थिर संरचना में मुड़ने की अनुमति देता है जो एक नए वायरस के आनुवंशिक पदार्थ बनने के लिए आवश्यक है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि जबकि ये स्थिर धागे बनते हैं, वे एकमात्र उत्पाद नहीं हैं; वायरस संभवतः दोनों (स्थिर और ढीले) का मिश्रण बनाता है। यह लचीलापन यह समझा सकता है कि वायरस अपने अपूर्ण निर्देशों के बावजूद भी कैसे जीवित रहने और फैलने में सक्षम है। वायरस अपने संरचनात्मक अनुकूलन को इन त्रुटियों के प्रति कैसे प्रबंधित करता है, इसे समझकर, वैज्ञानिक इसकी सहनशीलता और उन विशिष्ट भौतिक नियमों की एक स्पष्ट तस्वीर प्राप्त करते हैं जिनका पालन यह जीवित रहने के लिए करता है।