Nucleotide-level evolutionary constraint and population variant tolerance at human splice junctions scale continuously with transcript architecture representation

मानव कोशिका के भीतर, स्प्लिसोजोम (spliceosome) नामक एक जटिल आणविक मशीन एक मुख्य संपादक के रूप में कार्य करती है। इसका काम कच्चे आनुवंशिक निर्देशों, जिन्हें प्री-मैसेंजर आरएनए (pre-messenger RNA) के रूप में जाना जाता है, को लेना और अनावश्यक हिस्सों को काटकर उपयोगी खंडों को आपस में जोड़ना है ताकि प्रोटीन बनाने के लिए एक अंतिम ब्लूप्रिंट तैयार किया जा सके। यह प्रक्रिया, जिसे स्प्लिसिंग (splicing) कहा जाता है, अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह एक ही जीन को कई अलग-अलग प्रोटीन संस्करण बनाने की अनुमति देती है, जिससे बिना अधिक जीन की आवश्यकता के शरीर की क्षमताओं का व्यापक विस्तार होता है। हालाँकि, इस संपादन के सही ढंग से काम करने के लिए, मशीन को रखे जाने वाले खंडों के सटीक शुरुआती और अंतिम बिंदुओं को पहचानना होगा। यदि यह आनुवंशिक कोड के एक भी अक्षर के लिए चूक जाता है, तो परिणामी प्रोटीन दोषपूर्ण या खतरनाक हो सकता है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि सबसे सामान्य, आवश्यक कटिंग पॉइंट्स (cutting points) विकास (evolution) द्वारा अत्यधिक संरक्षित हैं, जिसका अर्थ है कि वे समय के साथ शायद ही कभी बदलते हैं। लेकिन एक गहरा प्रश्न बना हुआ था: क्या यह सुरक्षा प्रत्येक कटिंग पॉइंट पर समान रूप से लागू होती है, या यह इस बात पर निर्भर करती है कि एक जीन के विभिन्न संस्करणों में एक विशिष्ट बिंदु का उपयोग कितनी बार किया जाता है?

तंजानिया पशु चिकित्सा प्रयोगशाला एजेंसी के केल्विन म्सोका द्वारा किए गए एक नए अध्ययन ने लगभग बीस हजार मानव जीनों में से लगभग पांच लाख अद्वितीय कटिंग पॉइंट्स का विश्लेषण करके इस प्रश्न का उत्तर दिया है। कटिंग पॉइंट्स को केवल "हमेशा उपयोग किए जाने वाले" या "कभी-कभी उपयोग किए जाने वाले" के रूप में लेबल करने के बजाय, शोधकर्ता ने अभूतपूर्व विवरण के साथ मानव जीनोम का विश्लेषण किया। यह मापने के लिए कि एक जीन के ब्लूप्रिंट के कितने अलग-अलग संस्करण प्रत्येक विशिष्ट कटिंग पॉइंट को शामिल करते हैं, अध्ययन ने खुलासा किया कि विकास के नियम एक साधारण ऑन-ऑफ स्विच नहीं हैं। इसके बजाय, एक कटिंग पॉइंट को अपरिवर्तित रखने का दबाव इस बात के साथ सुचारू रूप से बढ़ता है कि उसका उपयोग कितनी बार किया जाता है। एक कटिंग पॉइंट जीन के विभिन्न संस्करणों में जितनी अधिक बार दिखाई देता है, विकास उसे परिवर्तन से उतनी ही सख्ती से सुरक्षित रखता है। इसके विपरीत, जो कटिंग पॉइंट्स कम बार उपयोग किए जाते हैं, वे मानव आबादी में पाए जाने वाले प्राकृतिक आनुवंशिक विविधताओं के प्रति कहीं अधिक सहिष्णु हैं।

शोधकर्ता ने यह देखने के लिए कि यह सहनशीलता वास्तविक लोगों में कैसे काम करती है, तीन हजार से अधिक व्यक्तियों के जनसंख्या आनुवंशिक डेटा का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि केवल कुछ जीन संस्करणों में उपयोग किए जाने वाले कटिंग पॉइंट्स एक स्पंज की तरह कार्य करते हैं, जो अत्यधिक उपयोग किए जाने वाले पॉइंट्स की तुलना में प्राकृतिक अंतरों के काफी उच्च घनत्व को सोख लेते हैं। वास्तव में, सबसे कम उपयोग किए जाने वाले कटिंग पॉइंट्स में सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले पॉइंट्स की तुलना में प्रति डीएनए इकाई दो गुने से भी अधिक आनुवंशिक विविधताएं मौजूद थीं। यह सुझाव देता है कि ये कम बार उपयोग किए जाने वाले कटिंग पॉइंट्स आनुवंशिक विविधता के लिए एक भंडार (reservoir) के रूप में कार्य करते हैं, जिससे शरीर कोशिका के मूल कार्यों को बाधित किए बिना विभिन्न जीन संस्करणों के साथ प्रयोग कर सकता है। अध्ययन ने यह भी देखा कि जब ये विविधताएं होती हैं तो क्या होता है। इसने पाया कि जब एक कटिंग पॉइंट का उपयोग कम बार किया जाता है, तो प्रोटीन ब्लूप्रिंट में होने वाले परिवर्तन प्रोटीन के लिए बहुत अधिक हानिरहित होने की संभावना रखते हैं। लगभग सत्तर प्रतिशत मामले आनुवंशिक कोड के सही 'रीडिंग फ्रेम' को सुरक्षित रखते हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि प्रोटीन कार्यात्मक बना रहे, जबकि केवल एक बहुत छोटा हिस्सा ही विनाशकारी त्रुटियों का कारण बनता है।

सबसे चौंकाने वाली खोज इन कटिंग पॉइंट्स के आसपास के डीएनए में एक छिपे हुए पैटर्न में थी। जब शोधकर्ता ने कटिंग साइट्स के ठीक पहले और बाद के आनुवंशिक कोड के अक्षरों को देखा, तो उन्हें संरक्षण का एक लयबद्ध, तीन-अक्षर वाला पैटर्न मिला जो प्रोटीन बनने के तरीके से मेल खाता था। यह लय केवल उन खंडों में मौजूद है जो प्रोटीन को कोड करते हैं, न कि गैर-कोडिंग खंडों में, जो यह सिद्ध करता है कि कोशिका को दो चीजें एक साथ बनाए रखनी होती हैं: काटने के स्थान को पहचानने की क्षमता, और प्रोटीन बनाने के निर्देशों को सही क्रम में रखने की आवश्यकता। यह दोहरी आवश्यकता ही स्पष्ट करती है कि क्यों कुछ क्षेत्र तीव्र विकासवादी दबाव के अधीन हैं जबकि अन्य अधिक लचीले हैं। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि मानव जीनोम सटीक, विश्वसनीय जीन अभिव्यक्ति की आवश्यकता और अनुकूलन के लिए आवश्यक लचीलेपन के बीच संतुलन बनाता है, जो कठोर श्रेणियों के बजाय सुरक्षा के एक निरंतर पैमाने का उपयोग करता है। इस ग्रेडिएंट (gradient) को समझकर, वैज्ञानिक बेहतर भविष्यवाणी कर सकते हैं कि कौन सी आनुवंशिक विविधताएं रोग का कारण बन सकती हैं और कौन सी केवल उस प्राकृतिक विविधता का हिस्सा हैं जो हमें मानव बनाती है।