मानव ‘डोमेनोम’ वंशानुगत बीमारी के मूल कारण का खुलासा करता है

यह कार्य यह समझाने में मदद करता है कि मानव जीनोम में न्यूनतम परिवर्तन, जिसे मिसेन म्यूटेशन भी कहा जाता है, आणविक स्तर पर बीमारी का कारण बनता है। शोधकर्ताओं ने पता लगाया कि प्रोटीन अस्थिरता वंशानुगत मोतियाबिंद गठन के मुख्य चालकों में से एक है, और विभिन्न प्रकार के न्यूरोलॉजिकल, विकासात्मक और मांसपेशियों को बर्बाद करने वाली बीमारियों में भी योगदान देती है।

बार्सिलोना में सेंटर फॉर जीनोमिक रेगुलेशन (सीआरजी) और शेनझेन में बीजीआई के शोधकर्ताओं ने 621 प्रसिद्ध रोग पैदा करने वाले मिसेंस म्यूटेशन का अध्ययन किया। इन उत्परिवर्तनों में से पांच में से तीन (61%) के कारण प्रोटीन स्थिरता में उल्लेखनीय कमी आई।

अध्ययन में कुछ रोग पैदा करने वाले उत्परिवर्तनों को अधिक बारीकी से देखा गया। उदाहरण के लिए, बीटा-गामा क्रिस्टलिन मानव आँख में लेंस की स्पष्टता बनाए रखने के लिए आवश्यक प्रोटीन का एक परिवार है। उन्होंने पाया कि मोतियाबिंद के गठन से जुड़े 72% (18 में से 13) उत्परिवर्तन क्रिस्टलीय प्रोटीन को अस्थिर कर देते हैं, जिससे प्रोटीन के आपस में टकराने और लेंस में अपारदर्शी क्षेत्र बनने की संभावना बढ़ जाती है।

अध्ययन ने शरीर में मायोपैथी को कम करने के विकास को सीधे तौर पर प्रोटीन अस्थिरता से जोड़ा, एक दुर्लभ स्थिति जो मांसपेशियों की कमजोरी और बर्बादी का कारण बनती है, साथ ही एंकिलोब्लेफेरॉन-एक्टोडर्मल दोष-फांक (एईसी) सिंड्रोम, एक ऐसी स्थिति जो एक फांक तालु के विकास की विशेषता है और अन्य विकासात्मक लक्षण.

हालाँकि, कुछ रोग पैदा करने वाले उत्परिवर्तनों ने प्रोटीन को अस्थिर नहीं किया और वैकल्पिक आणविक तंत्रों पर प्रकाश डाला।

रेट सिंड्रोम एक तंत्रिका संबंधी विकार है जो गंभीर संज्ञानात्मक और शारीरिक हानि का कारण बनता है। यह MECP2 जीन में उत्परिवर्तन के कारण होता है, जो मस्तिष्क में जीन अभिव्यक्ति को विनियमित करने के लिए जिम्मेदार प्रोटीन का उत्पादन करता है। अध्ययन में पाया गया कि MECP2 में कई उत्परिवर्तन प्रोटीन को अस्थिर नहीं करते हैं, बल्कि उन क्षेत्रों में पाए जाते हैं जो प्रभावित करते हैं कि MECP2 अन्य जीनों को विनियमित करने के लिए डीएनए से कैसे जुड़ता है। कार्य की यह हानि मस्तिष्क के विकास और कार्यप्रणाली को बाधित कर सकती है।

अध्ययन के पहले लेखक और बार्सिलोना में सेंटर फॉर जीनोमिक रेगुलेशन (सीआरजी) के शोधकर्ता डॉ. एंटोनी बेल्ट्रान कहते हैं, “हम अभूतपूर्व पैमाने पर खुलासा करते हैं कि कैसे उत्परिवर्तन आणविक स्तर पर बीमारी का कारण बनते हैं।” “इस बात में अंतर करके कि क्या कोई उत्परिवर्तन किसी प्रोटीन को अस्थिर करता है या स्थिरता को प्रभावित किए बिना उसके कार्य को बदल देता है, हम अधिक सटीक उपचार रणनीतियों को तैयार कर सकते हैं। इसका मतलब उन विकासशील दवाओं के बीच अंतर हो सकता है जो प्रोटीन को स्थिर करती हैं बनाम जो हानिकारक गतिविधि को रोकती हैं। यह इस दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है वैयक्तिकृत दवा।”

अध्ययन में यह भी पाया गया कि जिस तरह से उत्परिवर्तन बीमारी का कारण बनता है वह अक्सर इस बात से संबंधित होता है कि बीमारी अप्रभावी है या प्रभावी है। प्रमुख आनुवंशिक विकार तब होते हैं जब एक उत्परिवर्तित जीन की एक प्रति ही बीमारी पैदा करने के लिए पर्याप्त होती है, भले ही दूसरी प्रति सामान्य हो, जबकि अप्रभावी स्थितियां तब होती हैं जब किसी व्यक्ति को उत्परिवर्तित जीन की दो प्रतियां विरासत में मिलती हैं, प्रत्येक माता-पिता से एक।

अप्रभावी विकार पैदा करने वाले उत्परिवर्तन प्रोटीन को अस्थिर करने की अधिक संभावना रखते थे, जबकि प्रमुख विकार पैदा करने वाले उत्परिवर्तन अक्सर केवल स्थिरता के बजाय प्रोटीन फ़ंक्शन के अन्य पहलुओं को प्रभावित करते थे, जैसे डीएनए या अन्य प्रोटीन के साथ बातचीत।

उदाहरण के लिए, अध्ययन में पाया गया कि सीआरएक्स प्रोटीन में एक अप्रभावी उत्परिवर्तन, जो आंखों के कार्य के लिए महत्वपूर्ण है, प्रोटीन को महत्वपूर्ण रूप से अस्थिर कर देता है, जो वंशानुगत रेटिनल डिस्ट्रोफी का कारण बन सकता है क्योंकि एक स्थिर, कार्यात्मक प्रोटीन की कमी सामान्य दृष्टि को ख़राब कर देती है। हालाँकि, दो अलग-अलग प्रकार के प्रमुख उत्परिवर्तनों का मतलब है कि प्रोटीन स्थिर रहा लेकिन फिर भी अनुचित तरीके से काम करता रहा, जिससे प्रोटीन की संरचना बरकरार रहने के बावजूद रेटिना की बीमारी हो गई।

प्रोटीन वेरिएंट की एक विशाल लाइब्रेरी, ह्यूमन डोमेनोम 1 के निर्माण के कारण ये खोजें संभव हुईं। कैटलॉग में 522 मानव प्रोटीन डोमेन में आधे मिलियन से अधिक उत्परिवर्तन शामिल हैं, एक प्रोटीन के टुकड़े जो इसके कार्य को निर्धारित करते हैं। यह आज तक मानव प्रोटीन डोमेन वेरिएंट की सबसे बड़ी सूची है।

प्रोटीन डोमेन विशिष्ट क्षेत्र हैं जो एक स्थिर संरचना में बदल सकते हैं और बाकी प्रोटीन से स्वतंत्र रूप से कार्य कर सकते हैं। मानव डोमेनोम 1 को इन डोमेन में प्रत्येक अमीनो एसिड को हर दूसरे संभावित अमीनो एसिड में व्यवस्थित रूप से बदलकर, सभी संभावित उत्परिवर्तनों की एक सूची बनाकर बनाया गया था।

खमीर कोशिकाओं में उत्परिवर्तित प्रोटीन डोमेन को शामिल करके प्रोटीन स्थिरता पर इन उत्परिवर्तनों के प्रभाव की खोज की गई। परिवर्तित खमीर केवल एक प्रकार के उत्परिवर्तित प्रोटीन डोमेन का उत्पादन कर सकता है, और संस्कृतियों को परीक्षण ट्यूबों में ऐसी परिस्थितियों में उगाया जाता था जो प्रोटीन की स्थिरता को खमीर के विकास से जोड़ते थे। यदि उत्परिवर्तित प्रोटीन स्थिर होता, तो यीस्ट कोशिका अच्छी तरह विकसित होती। यदि प्रोटीन अस्थिर होता, तो यीस्ट कोशिका की वृद्धि ख़राब होती।

एक विशेष तकनीक का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने यह सुनिश्चित किया कि केवल स्थिर प्रोटीन पैदा करने वाली यीस्ट कोशिकाएं ही जीवित रह सकें और गुणा कर सकें। यीस्ट वृद्धि से पहले और बाद में प्रत्येक उत्परिवर्तन की आवृत्ति की तुलना करके, उन्होंने निर्धारित किया कि कौन से उत्परिवर्तन के कारण स्थिर प्रोटीन बने और कौन से उत्परिवर्तन के कारण अस्थिरता हुई।

यद्यपि मानव डोमेनोम 1 प्रोटीन वेरिएंट के पिछले पुस्तकालयों की तुलना में लगभग 4.5 गुना बड़ा है, फिर भी यह ज्ञात मानव प्रोटीन का केवल 2.5% ही कवर करता है। जैसे-जैसे शोधकर्ता कैटलॉग का आकार बढ़ाते हैं, प्रोटीन अस्थिरता में रोग पैदा करने वाले उत्परिवर्तन का सटीक योगदान तेजी से स्पष्ट हो जाएगा।

इस बीच, शोधकर्ता 522 प्रोटीन डोमेन से प्राप्त जानकारी का उपयोग समान प्रोटीन के लिए एक्सट्रपलेशन के लिए कर सकते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि उत्परिवर्तन अक्सर उन प्रोटीनों पर समान प्रभाव डालते हैं जो संरचनात्मक या कार्यात्मक रूप से संबंधित होते हैं। प्रोटीन डोमेन के विविध सेट का विश्लेषण करके, शोधकर्ताओं ने पैटर्न की खोज की कि उत्परिवर्तन प्रोटीन स्थिरता को कैसे प्रभावित करते हैं जो संबंधित प्रोटीनों में सुसंगत हैं।

“अनिवार्य रूप से, इसका मतलब यह है कि एक प्रोटीन डोमेन का डेटा यह अनुमान लगाने में मदद कर सकता है कि उत्परिवर्तन एक ही परिवार के भीतर या समान संरचनाओं वाले अन्य प्रोटीनों को कैसे प्रभावित करेगा। इन 522 डोमेन के ‘नियम’ हमें कई अन्य प्रोटीनों के बारे में शिक्षित भविष्यवाणियां करने में मदद करने के लिए पर्याप्त हैं। कैटलॉग में हैं,” सेंटर फॉर जीनोमिक रेगुलेशन और वेलकम सेंगर इंस्टीट्यूट में दोहरी संबद्धता के साथ अध्ययन के संबंधित लेखक, आईसीआरईए अनुसंधान प्रोफेसर बेन लेहनर बताते हैं।

अध्ययन की सीमाएँ हैं। शोधकर्ताओं ने पूर्ण लंबाई वाले प्रोटीन के बजाय अलगाव में प्रोटीन डोमेन की जांच की। जीवित जीवों में, प्रोटीन प्रोटीन के अन्य भागों और कोशिका में अन्य अणुओं के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। अध्ययन पूरी तरह से यह नहीं बता सका कि उत्परिवर्तन मानव कोशिकाओं के अंदर उनके प्राकृतिक आवास में प्रोटीन को कैसे प्रभावित करते हैं। शोधकर्ता लंबे प्रोटीन डोमेन और अंततः, पूर्ण लंबाई वाले प्रोटीन में उत्परिवर्तन का अध्ययन करके इस पर काबू पाने की योजना बना रहे हैं।

डॉ. लेहनर ने निष्कर्ष निकाला, “आखिरकार, हम प्रत्येक मानव प्रोटीन पर हर संभावित उत्परिवर्तन के प्रभावों को मैप करना चाहते हैं। यह एक महत्वाकांक्षी प्रयास है, और जो सटीक दवा को बदल सकता है।”