Computational Evidence that Array-Associated Reverse Transcriptase Loci Are Retron Systems with Multiple ncRNA Genes

पृथ्वी पर जीवन आनुवंशिक आक्रमणकारियों और उन जीवों के बीच एक निरंतर बातचीत है जिन्हें वे संक्रमित करने की कोशिश करते हैं। बैक्टीरिया और उन्हें शिकार बनाने वाले वायरस, जिन्हें फेज (phages) कहा जाता है, अरबों वर्षों से एक विकासवादी युद्ध में फंसे हुए हैं। जीवित रहने के लिए, बैक्टीरिया ने परिष्कृत रक्षा प्रणालियाँ विकसित की हैं, जिनमें से कुछ रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेज (reverse transcriptase) नामक एक विशेष प्रकार के एंजाइम पर निर्भर करती हैं। यह एंजाइम एक आणविक फोटोकॉपी मशीन की तरह कार्य करता है, लेकिन डीएनए को अधिक डीएनए में कॉपी करने के बजाय, यह आरएनए (RNA) को पढ़कर एक अद्वितीय हाइब्रिड अणु बनाता है जो आरएनए और डीएनए दोनों से बना होता है। कई ज्ञात जीवाणु रक्षा प्रणालियों में, इस प्रक्रिया को एक जोड़ी द्वारा प्रबंधित किया जाता है: एंजाइम और एक विशिष्ट आरएनए गाइड जो इसे क्या कॉपी करना है, यह बताता है। हाल ही में, वैज्ञानिकों ने बैक्टीरियोफेज में इन रहस्यमय एंजाइमों का एक अजीब नया परिवार खोजा, लेकिन उनका उद्देश्य और वे कैसे काम करते हैं, यह एक रहस्य बना रहा।

इंडियाना यूनिवर्सिटी ब्लूमिंगटन की युज़ेन ये द्वारा किया गया एक नया अध्ययन इन रहस्यमय प्रणालियों पर एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है, जो यह सुझाव देता है कि वे पूरी तरह से नई खोज नहीं हैं बल्कि ज्ञात रक्षा उपकरणों का एक अजीब रूपांतरण हैं। शोधकर्ताओं ने एरे-एसोसिएटेड रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेस (array-associated reverse transcriptases), या ARTs नामक एंजाइमों के एक समूह पर ध्यान केंद्रित किया। इन्हें सबसे पहले बैक्टीरियोफेज के जीनोम में देखा गया था, जहाँ वे डीएनए के लंबे, दोहराव वाले हिस्सों के बगल में स्थित थे जो कुछ हद तक बैक्टीरिया द्वारा पिछले संक्रमणों को याद रखने के लिए उपयोग किए जाने वाले रक्षा एरे (defense arrays) जैसे दिखते थे। प्रारंभिक खोज ने इन्हें एक नवीन परिवार के रूप में वर्णित किया था, लेकिन नया विश्लेषण एक अलग कहानी बताता है। कंप्यूटर प्रोग्रामों का उपयोग करके आनुवंशिक कोड की जांच करने और यह अनुमान लगाने के लिए कि आरएनए अणु तीन-आयामी आकारों में कैसे मुड़ते हैं, यह अध्ययन प्रस्तावित करता है कि ये ART सिस्टम वास्तव में ज्ञात रक्षा प्रणाली का एक अनूठा प्रकार हैं, जिसकी विशेषता केवल एक के बजाय एक पंक्ति में कई आरएनए गाइडों का व्यवस्थित होना है।

जांच की शुरुआत उन आनुवंशिक पड़ोसों को करीब से देखकर हुई जहाँ ये एंजाइम रहते हैं। शोधकर्ताओं ने कई बैक्टीरियोफेज के जीनोम और मिट्टी के एक पर्यावरणीय डीएनए के टुकड़े का विश्लेषण किया, और ज्ञात रक्षा प्रणालियों के विशिष्ट आनुवंशिक हस्ताक्षरों की खोज की। उन्होंने पाया कि विचाराधीन एंजाइम किसी अन्य प्रकार के एंजाइम के बजाय मानक जीवाणु रक्षा प्रणालियों में पाए जाने वाले रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेस के सबसे समान थे। यह समानता इतनी मजबूत थी कि यह सुझाव देती है कि वे एक ही परिवार से संबंधित हैं। हालांकि, असली आश्चर्य तब आया जब टीम ने इन एंजाइमों के आसपास के डीएनए को देखा। एंजाइम के बगल में एक एकल आरएनए जीन खोजने के बजाय, जैसा कि सामान्य है, उन्हें कई आरएनए जीन वाले लंबे एरे मिले। एक वायरस में पांच प्रतियां थीं, दूसरे में सात, और मिट्टी के एक डीएनए टुकड़े में चौदह तक थीं।

पहली नज़र में, ये दोहराव वाले आरएनए अनुक्रम एक-दूसरे से बहुत अलग लग रहे थे, बिल्कुल वैसे ही जैसे घरों की एक कतार जिसे अलग-अलग रंगों में रंगा गया हो और जिनकी खिड़कियों की शैली अलग हो। यदि आप केवल आनुवंशिक कोड के अक्षरों को देखते, तो अंतर महत्वपूर्ण होते। हालांकि, शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर मॉडल का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए किया कि ये आरएनए स्ट्रैंड भौतिक आकार में कैसे मुड़ेंगे। जब उन्होंने इन अनुमानित संरचनाओं की जांच की, तो एक स्पष्ट पैटर्न उभर कर आया। अपने आनुवंशिक अक्षरों में अंतर के बावजूद, आरएनए अणु सभी समान आकारों में मुड़े। महत्वपूर्ण रूप से, वे उन विशिष्ट संरचनात्मक विशेषताओं को बनाए रखते हैं जो रक्षा प्रणाली को काम करने के लिए आवश्यक मानी जाती हैं, जैसे कि एक विशिष्ट लूप जो एंजाइम के लिए एक प्रमुख शुरुआती बिंदु को थामे रखता है और अन्य स्थिर क्षेत्र जो एंजाइम को आरएनए को पहचानने में मदद करते हैं।

यह निष्कर्ष इस विचार को चुनौती देता है कि ये रक्षा तंत्र का एक पूरी तरह से नया प्रकार हैं। प्रारंभिक खोज ने नोट किया था कि दोहराव वाला डीएनए उन एरे जैसा दिखता है जिनका उपयोग बैक्टीरिया द्वारा पिछले वायरल हमलों की स्मृति संग्रहीत करने के लिए किया जाता है, जिससे यह परिकल्पना हुई कि ये एक नए प्रकार की प्रणाली हैं। नया अध्ययन सुझाव देता है कि स्मृति एरे से समानता सतही है। दोहराव वाली इकाइयाँ किसी स्मृति की सटीक प्रतियां नहीं हैं, बल्कि संबंधित आरएनए जीन की एक श्रृंखला हैं जो समय के साथ अलग हो गई हैं। वे सतह पर अलग दिखते हैं, लेकिन वे एक ही अंतर्निहित ब्लूप्रिंट साझा करते हैं, ठीक वैसे ही जैसे उपकरणों का एक परिवार जिन्हें विभिन्न कार्यों के लिए संशोधित किया गया है लेकिन वे अभी भी एक ही मूल तंत्र साझा करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि संरचना के सबसे महत्वपूर्ण हिस्से, वे हिस्से जिन्हें एंजाइम को पकड़ने और उपयोग करने की आवश्यकता होती है, सभी प्रतियों में संरक्षित रहे, भले ही बाकी अनुक्रम बदल गया हो।

अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उसने इन प्रणालियों के क्या करने के पूरे रहस्य को सुलझा लिया है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि उनके निष्कर्ष आनुवंशिक अनुक्रमों और अनुमानित आकारों के कंप्यूटर विश्लेषण पर आधारित हैं, न कि प्रत्यक्ष प्रयोगशाला प्रयोगों पर। वे सुझाव देते हैं कि ये प्रणालियाँ संभवतः एक असामान्य वास्तक्चर का प्रतिनिधित्व करती हैं जहाँ एक एकल एंजाइम को कई आरएनए गाइडों के टैंडम एरे (tandem array) के साथ जोड़ा जाता है। यह व्यवस्था वायरस को एक ही एंजाइम से विभिन्न रक्षा उत्पादों को उत्पन्न करने की अनुमति दे सकती है, या यह विभिन्न खतरों के खिलाफ अपनी रक्षा को विविध बनाने का एक तरीका हो सकता है। यह भी संभव है कि इनमें से कुछ आरएनए प्रतियां एक बीते हुए विकासवादी अतीत के गैर-कार्यात्मक अवशेष हों। लेखक नोट करते हैं कि यह पुष्टि करने के लिए कि ये प्रणालियाँ कैसे काम करती हैं, वैज्ञानिकों को इन वायरसों को लैब में उगाना होगा, अणुओं को निकालना होगा, और एंजाइम को क्रिया में देखना होगा कि क्या यह अपेक्षित हाइब्रिड अणु बनाता है।

अंततः, यह कार्य हाल ही में खोजे गए एक जैविक तंत्र के बारे में हमारी समझ को फिर से परिभाषित करता है। यह सुझाव देता है कि जो एक नवीन और अपरिचित एंजाइम परिवार प्रतीत हुआ था, वह वास्तव में एक ज्ञात रक्षा रणनीति का एक रूपांतरण है, जो एक ही आनुवंशिक क्लस्टर में कई आरएनए गाइड ले जाने के लिए विकसित हुआ है। यह अध्ययन दर्शाता है कि कैसे कंप्यूटर विश्लेषण उन छिपे हुए संबंधों को प्रकट कर सकता है जो दिखने में भिन्न आनुवंशिक अनुक्रमों के बीच होते हैं लेकिन एक सामान्य संरचनात्मक तर्क साझा करते हैं। हालांकि इतने सारे आरएनए प्रतियों के होने का सटीक जैविक लाभ अज्ञात है, साक्ष्य एक ऐसी प्रणाली की ओर इशारा करते हैं जो जीवाणु रक्षा के मौजूदा टूलकिट में गहराई से निहित है, जिसे एक ऐसे तरीके से पुन: उपयोग और विस्तारित किया गया है जो आश्चर्यजनक और सुरुचिपूर्ण दोनों है। अगला कदम वैज्ञानिक समुदाय के लिए इन कम्प्यूटेशनल भविष्यवाणियों से प्रयोगात्मक प्रमाण की ओर बढ़ना है, यह देखने के लिए कि क्या ये आनुवंशिक ब्लूप्रिंट उन जटिल आणविक मशीनों में परिवर्तित होते हैं जो वे प्रतीत होते हैं।