The processing class of the second residue is conserved across three domains of life, and retention of the initiator methionine is coupled to packing into the protein fold
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि तीनों डोमेनों में इनीशिएटर मेथियोनीन के प्रसंस्करण भाग्य का विकासवादी संरक्षण—जो सभी तीन डोमेनों में दूसरे अवशेष के वर्ग द्वारा निर्धारित होता है—विशिष्ट कार्यात्मक दबावों द्वारा संचालित है, विशेष रूप से हटाने-प्रकार के अवशेषों के लिए अनुवाद उपकरण (ट्रांसलेशन अपैरेटस) में संवर्धन और बनाए रखने-प्रकार के अवशेषों के लिए संरचनात्मक पैकिंग आवश्यकताओं द्वारा।
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प्रत्येक जीवित जीव अपने प्रोटीन बनाने के लिए एक ही बुनियादी निर्देश नियमावली का उपयोग करता है। यह प्रक्रिया हमेशा एक एकल शुरुआती अमीनो एसिड से शुरू होती है जिसे मेथिओनिन (methionine) कहा जाता है, जो एक नवगठित प्रोटीन श्रृंखला के लिए सार्वभौमिक कैप (cap) के रूप में कार्य करता है। हालाँकि, यह कैप हमेशा रहने के लिए नहीं होता है। जीवन के एक विशाल समूह में, बैक्टीरिया से लेकर मनुष्यों तक, एक विशिष्ट कोशिकीय मशीन एक गुणवत्ता नियंत्रण निरीक्षक के रूप में कार्य करती है। यह मशीन, जिसे मेथिओनिन अमीनोपेप्टिडेज़ (methionine aminopeptidase) के रूप में जाना जाता है, श्रृंखला के बिल्कुल दूसरे निर्माण खंड की जाँच करती है। यदि वह दूसरा खंड छोटा और निर्बाध है, तो मशीन शुरुआती मेथिओनिन को काट देती है, जिससे प्रोटीन किसी अन्य अमीनो एसिड के साथ शुरू होता है। यदि दूसरा खंड बड़ा और भारी है, तो मशीन मेथिओनिन को यथास्थान छोड़ देती है। यह सरल नियम, जो आनुवंशिक कोड के एक एकल अक्षर द्वारा निर्धारित होता है, प्रोटीन की शुरुआत के अंतिम आकार को निर्धारित करता है और यह प्रभावित करता है कि कोशिका द्वारा प्रोटीन को कैसे संशोधित और पहचाना जाता है। दशकों से, वैज्ञानिक जानते थे कि यह नियम मौजूद है, लेकिन वे पूरी तरह से नहीं समझ पाए थे कि विकास (evolution) इसे कितनी सख्ती से सुरक्षित रखता है, या क्यों कुछ प्रोटीनों को उस शुरुआती कैप की आवश्यकता होती है जबकि अन्य को इसकी आवश्यकता नहीं होती।
सेंट लुइस यूनिवर्सिटी स्कूल ऑफ मेडिसिन की यी-ह्वा चांग द्वारा किया गया एक नया अध्ययन इस बात की जांच करता है कि क्या यह नियम प्रकृति का एक कठोर कानून है या एक लचीला सुझाव जो समय के साथ बदलता रहता है। शोधकर्ता ने एक मौलिक प्रश्न पूछा: जब प्रोटीन विकसित होते हैं और उनका दूसरा अमीनो एसिड बदलता है, तो क्या कोशिका उस नए अमीनो एसिड की विशिष्ट पहचान की परवाह करती है, या वह केवल इस बात की परवाह करती है कि नया अमीनो एसिड उसी श्रेणी का है—या तो हटाने की अनुमति देने के लिए पर्याप्त छोटा है या बनाए रखने के लिए मजबूर करने के लिए पर्याप्त बड़ा है? इसका उत्तर देने के लिए, अध्ययन ने पचास तीन विभिन्न प्रजातियों में हजारों प्रोटीनों की जांच की, जो जीवन की तीन प्रमुख शाखाओं: बैक्टीरिया, आर्किया (archaea), और यूकेरियोट्स (eukaryotes) तक फैली हुई थीं। इन प्रोटीनों की अन्य प्रजातियों में उनके विकासवादी चचेरे भाइयों से तुलना करके, विश्लेषण ने एक आश्चर्यजनक पैटर्न का खुलासा किया। जब दूसरा अमीनो एसिड बदला, तो वह लगभग हमेशा उसी आकार की श्रेणी के दूसरे अमीनो एसिड में बदल गया। एक छोटा अमीनो एसिड दूसरे छोटे अमीनो एसिड द्वारा प्रतिस्थापित किया गया, और एक बड़े अमी एसिड को दूसरे बड़े अमी एसिड द्वारा, बहुत अधिक बार जितना कि यादृच्छिक संभावना (random chance) भविष्यवाणी करती है। "प्रसंस्करण भाग्य" (processing fate) का यह संरक्षण तब भी बना रहा जब अमीनो एसिड की विशिष्ट पहचान संरक्षित नहीं थी, जो यह सुझाव देता है कि कोशिका नियम के विशिष्ट अक्षर के बजाय उसके परिणाम की रक्षा कर रही है।
अध्ययन ने फिर इस बात की जांच की कि विकास इस परिणाम को सुरक्षित रखने के लिए इतनी मेहनत क्यों करता है। इसका उत्तर इस बात पर निर्भर था कि प्रोटीन नियम के किस पक्ष में आता है। उन प्रोटीनों के लिए जो एक छोटा दूसरा अमीनो एसिड रखते हैं, जिससे शुरुआती मेथिओनिन को हटाना संभव होता है, संरक्षण कोशिका की प्रोटीन बनाने वाली फैक्ट्री की मशीनरी में सबसे मजबूत था। ये प्रोटीन, जिनमें राइबोसोम और उन्हें बनाने में मदद करने वाले कारक शामिल हैं, एक साफ, बिना अवरुद्ध शुरुआत की आवश्यकता महसूस करते हैं। हालाँकि, बड़े दूसरे अमीनो एसिड को संरक्षित करने का कारण—जो कोशिका को शुरुआती मेथिओनिन को रखने के लिए मजबूर करता है—संरचनात्मक पाया गया। इन मामलों में, शुरुआती मेथिओनिन केवल एक अवशेष टैग नहीं है; यह प्रोटीन की मुड़ी हुई संरचना के भीतर गहराई में स्थित है, जो एक महत्वपूर्ण वास्तुशिल्प पहेली के हिस्से के रूप में कार्य करता है।
प्रोटीन के 3D आकार की भविष्यवाणी करने वाले उन्नत कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करते हुए, शोधकर्ता ने पाया कि जिन प्रोटीनों में शुरुआती मेथिओनिन को रखा जाता है, वहाँ वह मेथिओनिन प्रोटीन फोल्ड के कोर (core) में मजबूती से पैक होता है। यह अक्सर प्रोटीन को एक साथ थामने वाले संरचनात्मक स्ट्रैंड का बिल्कुल पहला हिस्सा होता है। मानव प्रोटीनों की वास्तविक, प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित संरचनाओं को देखकर इसकी पुष्टि की गई, जहाँ अधिकांश मामलों में, जहाँ नियम ने भविष्यवाणी की थी कि इसे रखा जाना चाहिए, वहाँ शुरुआती मेथिओनिन वास्तव में फोल्ड के भीतर दबा हुआ पाया गया। साक्ष्य बताते हैं कि इन प्रोटीनों के लिए, शुरुआती मेथिओनिन एक संरचनात्मक आवश्यकता है। यदि दूसरा अमीनो एसिड एक छोटे अमीनो एसिड में बदल जाता, तो शुरुआती मेथिओनिन हटा दिया जाता, और प्रोटीन संभवतः अपना आकार या स्थिरता खो देता।
शोध ने उन प्रोटीनों के एक समूह की भी पहचान की जो संरचनात्मक स्पष्टीकरण में सटीक रूप से फिट नहीं बैठते थे। इन मामलों में, दूसरे अमीनो एसिड को सख्ती से स्थिर रखा गया था, फिर भी शुरुआती मेथिओनिन प्रोटीन के कोर में दबा हुआ नहीं था। इनमें से कुछ अपवादों के लिए, शोधकर्ता विशिष्ट जैविक भूमिकाओं की ओर संकेत कर सके, जैसे कि प्रोटीन को कोशिका के एक विशिष्ट भाग तक लक्षित करना या एक साथी अणु के साथ जुड़ना, जो यह समझाता है कि यह अनुक्रम इतना कठोर क्यों है। शेष के लिए, कारण अभी भी एक रहस्य है, लेकिन संरक्षण की सख्ती यह संकेत देती है कि ये प्रोटीन किसी ऐसे कारण से हैं जो अभी तक समझा नहीं गया है और वे एक मजबूत विकासवादी दबाव के तहत हैं।
अंततः, यह कार्य प्रोटीन के बिल्कुल आरंभ में उनके विकास की समझ को बदल देता है। यह दिखाता है कि शुरुआती मेथिओनिन को रखने या हटाने का निर्णय एक ऐसा गुण है जिसे विकास बहुत सावधानी से सुरक्षित रखता है। कुछ प्रोटीनों के लिए, यह संरक्षण सुनिश्चित करता है कि कोशिका की मशीनरी द्वारा प्रोटीन को सही ढंग से बनाया जा सके। अन्य के लिए, यह सुनिश्चित करता है कि एक महत्वपूर्ण संरचनात्मक हिस्सा अपनी जगह पर बना रहे ताकि प्रोटीन को एक साथ थामे रखा जा सके। जीवन के वृक्ष के माध्यम से इन पैटर्नों को मैप करके, यह अध्ययन एक स्पष्ट ढांचा प्रदान करता है कि क्यों प्रोटीन कोड के पहले कुछ अक्षर अक्सर संरक्षित रहते हैं, जो यह प्रकट करता है कि प्रोटीन की शुरुआत उतनी ही संरचनात्मक अखंडता और कोशिकीय कार्य के बारे में है जितनी कि उन आनुवंशिक निर्देशों के बारे में जो उन्हें बनाते हैं।
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