प्राकृतिक विविधता की एक विशाल खोज ने एमआईटी के मैकगवर्न इंस्टीट्यूट फॉर ब्रेन रिसर्च और एमआईटी और हार्वर्ड के ब्रॉड इंस्टीट्यूट में वैज्ञानिकों को जीनोम एडिटिंग टूलबॉक्स का विस्तार करने की क्षमता के साथ प्राचीन प्रणालियों को उजागर करने के लिए प्रेरित किया है।
ये सिस्टम, जिन्हें शोधकर्ता TIGR (Tandem इंटरस्पीड गाइड RNA) सिस्टम कहते हैं, उन्हें डीएनए पर विशिष्ट साइटों पर मार्गदर्शन करने के लिए आरएनए का उपयोग करते हैं। TIGR सिस्टम को किसी भी डीएनए अनुक्रम को ब्याज के अनुक्रम को लक्षित करने के लिए पुन: प्राप्त किया जा सकता है, और उनके पास अलग -अलग कार्यात्मक मॉड्यूल हैं जो लक्षित डीएनए पर कार्य कर सकते हैं। इसकी मॉड्यूलरिटी के अलावा, TIGR CRISPR की तरह अन्य RNA- निर्देशित प्रणालियों की तुलना में बहुत कॉम्पैक्ट है, जो इसे एक चिकित्सीय संदर्भ में वितरित करने के लिए एक प्रमुख लाभ है।
इन निष्कर्षों को ऑनलाइन 27 फरवरी को जर्नल में बताया गया है विज्ञान।
“यह एक बहुत ही बहुमुखी आरएनए-निर्देशित प्रणाली है जिसमें बहुत अधिक विविधताएं हैं,” एमआईटी में न्यूरोसाइंस के जेम्स और पेट्रीसिया पोइट्रस प्रोफेसर फेंग झांग कहते हैं, जिन्होंने अनुसंधान का नेतृत्व किया। Tigr- जुड़े (TAS) प्रोटीन जो झांग की टीम ने पाया कि एक विशेषता RNA- बाइंडिंग घटक साझा करता है जो एक RNA गाइड के साथ बातचीत करता है जो इसे जीनोम में एक विशिष्ट साइट पर निर्देशित करता है। कुछ ने उस साइट पर डीएनए को काट दिया, प्रोटीन के आसन्न डीएनए-कटिंग सेगमेंट का उपयोग करके। यह मॉड्यूलरिटी उपकरण विकास की सुविधा प्रदान कर सकती है, जिससे शोधकर्ताओं को प्राकृतिक टीएएस प्रोटीन में उपयोगी नई सुविधाओं को स्वैप करने की अनुमति मिलती है।
“प्रकृति बहुत अविश्वसनीय है,” झांग कहते हैं, जो मैकगवर्न इंस्टीट्यूट में एक अन्वेषक हैं और हावर्ड ह्यूजेस मेडिकल इंस्टीट्यूट, ब्रॉड इंस्टीट्यूट के एक मुख्य सदस्य, मस्तिष्क और संज्ञानात्मक विज्ञान के एक प्रोफेसर और एमआईटी में जैविक इंजीनियरिंग, और एमआईटी में के। लिसा यांग और हॉक ई। टैन सेंटर के सह-निर्देशक हैं। “यह विविधता की एक जबरदस्त मात्रा है, और हम उस प्राकृतिक विविधता की खोज कर रहे हैं जो नए जैविक तंत्र को खोजने और जैविक प्रक्रियाओं में हेरफेर करने के लिए विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए उनका दोहन करने के लिए है,” वे कहते हैं। इससे पहले, झांग की टीम ने बैक्टीरियल CRISPR सिस्टम को जीन एडिटिंग टूल में अनुकूलित किया है, जिन्होंने आधुनिक जीव विज्ञान को बदल दिया है। उनकी टीम ने CRISPR सिस्टम और उससे परे दोनों से विभिन्न प्रकार के प्रोग्राम करने योग्य प्रोटीन भी पाए हैं।
अपने नए काम में, उपन्यास प्रोग्रामेबल सिस्टम को खोजने के लिए, टीम ने CRISPR-CAS9 प्रोटीन की एक संरचनात्मक विशेषता में शून्य करके शुरू किया जो एंजाइम के आरएनए गाइड को बांधता है। यह एक महत्वपूर्ण विशेषता है जिसने CAS9 को ऐसा शक्तिशाली उपकरण बना दिया है: “आरएनए-निर्देशित होने से यह अपेक्षाकृत आसान हो जाता है, क्योंकि हम जानते हैं कि आरएनए अन्य डीएनए या अन्य आरएनए को कैसे बांधता है,” झांग बताते हैं। उनकी टीम ने ज्ञात या पूर्वानुमानित संरचनाओं के साथ सैकड़ों करोड़ों जैविक प्रोटीनों की खोज की, जो किसी भी समान डोमेन को साझा करने के लिए देख रहे थे। अधिक दूर से संबंधित प्रोटीन खोजने के लिए, उन्होंने एक पुनरावृत्त प्रक्रिया का उपयोग किया: CAS9 से, उन्होंने IS110 नामक एक प्रोटीन की पहचान की, जिसे पहले RNA को बांधने के लिए दूसरों द्वारा दिखाया गया था। फिर उन्होंने IS110 की संरचनात्मक विशेषताओं पर शून्य कर दिया जो आरएनए बाइंडिंग को सक्षम करता है और उनकी खोज को दोहराता है।
इस बिंदु पर, खोज ने इतने दूर से संबंधित प्रोटीनों को बदल दिया था कि वे टीम ने सूची की समझ बनाने के लिए कृत्रिम बुद्धिमत्ता की ओर रुख किया। “जब आप पुनरावृत्ति, गहरी खनन कर रहे हैं, तो परिणामी हिट इतने विविध हो सकते हैं कि उन्हें मानक phylogenetic तरीकों का उपयोग करके विश्लेषण करना मुश्किल होता है, जो संरक्षित अनुक्रम पर भरोसा करते हैं,” झांग की प्रयोगशाला में एक कम्प्यूटेशनल बायोलॉजिस्ट गिल्हेम फ्योर बताते हैं। एक प्रोटीन बड़े भाषा मॉडल के साथ, टीम उन प्रोटीनों को क्लस्टर करने में सक्षम थी जो उन्होंने अपने संभावित विकासवादी संबंधों के अनुसार समूहों में पाए थे। बाकी के अलावा एक समूह सेट किया गया था, और इसके सदस्य विशेष रूप से पेचीदा थे क्योंकि वे नियमित रूप से स्थानिक दोहराए गए अनुक्रमों के साथ जीन द्वारा एन्कोड किए गए थे, जो CRISPR सिस्टम के एक आवश्यक घटक की याद ताजा करते थे। ये टाइग्र-टैस सिस्टम थे।
झांग की टीम ने 20,000 से अधिक विभिन्न टीएएस प्रोटीन की खोज की, जो ज्यादातर बैक्टीरिया-संक्रमित वायरस में होती हैं। प्रत्येक जीन के दोहराए जाने वाले क्षेत्र के भीतर अनुक्रम-इसके टाइग्रा सरणियों-एक आरएनए गाइड को एनकोड करें जो प्रोटीन के आरएनए-बाइंडिंग भाग के साथ बातचीत करता है। कुछ में, आरएनए-बाइंडिंग क्षेत्र प्रोटीन के डीएनए-कटिंग हिस्से से सटे है। अन्य अन्य प्रोटीन से जुड़ते दिखाई देते हैं, जो बताते हैं कि वे उन प्रोटीनों को डीएनए लक्ष्यों को निर्देशित करने में मदद कर सकते हैं।
झांग और उनकी टीम ने दर्जनों टीएएस प्रोटीन के साथ प्रयोग किया, जिसमें दिखाया गया कि कुछ को मानव कोशिकाओं में डीएनए को लक्षित कटौती करने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है। जैसा कि वे TIGR-TAS सिस्टम को प्रोग्राम करने योग्य उपकरणों में विकसित करने के बारे में सोचते हैं, शोधकर्ताओं को उन सुविधाओं द्वारा प्रोत्साहित किया जाता है जो उन उपकरणों को विशेष रूप से लचीला और सटीक बना सकते हैं।
वे ध्यान दें कि CRISPR सिस्टम को केवल डीएनए के खंडों के लिए निर्देशित किया जा सकता है जो कि PAMS (Protospacer आसन्न रूपांकनों) के रूप में जाने जाने वाले लघु रूपांकनों द्वारा फ़्लैंक किए जाते हैं। Tigr tas प्रोटीन, इसके विपरीत, ऐसी कोई आवश्यकता नहीं है। “इसका मतलब है कि सैद्धांतिक रूप से, जीनोम में कोई भी साइट लक्षित होनी चाहिए,” वैज्ञानिक सलाहकार रियानोन मैकरे कहते हैं। टीम के प्रयोगों से यह भी पता चलता है कि TIGR सिस्टम के पास “दोहरे-गाइड सिस्टम” को क्या कहा जाता है, जो अपने लक्ष्य अनुक्रमों पर घर में डीएनए डबल हेलिक्स के दोनों स्ट्रैंड्स के साथ बातचीत करते हैं, जो यह सुनिश्चित करना चाहिए कि वे केवल वही कार्य करें जहां वे अपने आरएनए गाइड द्वारा निर्देशित हैं। क्या अधिक है, टीएएस प्रोटीन कॉम्पैक्ट हैं – आकार CAS9 का एक चौथाई, औसतन – उन्हें वितरित करने में आसान हो जाता है, जो जीन संपादन उपकरणों के चिकित्सीय तैनाती के लिए एक बड़ी बाधा को दूर कर सकता है।
उनकी खोज से उत्साहित, झांग की टीम अब वायरस में TIGR सिस्टम की प्राकृतिक भूमिका की जांच कर रही है, साथ ही साथ उन्हें अनुसंधान या चिकित्सीय के लिए कैसे अनुकूलित किया जा सकता है। उन्होंने मानव कोशिकाओं में काम करने वाले टीएएस प्रोटीनों में से एक की आणविक संरचना का निर्धारण किया है, और उस जानकारी का उपयोग उस जानकारी का उपयोग करेंगे ताकि इसे और अधिक कुशल बनाने के लिए उनके प्रयासों का मार्गदर्शन किया जा सके। इसके अतिरिक्त, वे मानव कोशिकाओं में TIGR-TAS सिस्टम और कुछ RNA-प्रोसेसिंग प्रोटीन के बीच संबंध नोट करते हैं। “मुझे लगता है कि उन रिश्तों में से कुछ के संदर्भ में अध्ययन करने के लिए और भी बहुत कुछ है, और यह हमें यह समझने में मदद कर सकता है कि इन प्रणालियों का उपयोग मनुष्यों में कैसे किया जाता है,” झांग कहते हैं।
इस काम को हेलेन हे व्हिटनी फाउंडेशन, हावर्ड ह्यूजेस मेडिकल इंस्टीट्यूट, के। लिसा यांग और हॉक ई। टैन सेंटर फॉर मॉलिक्यूलर थेरेप्यूटिक्स, ब्रॉड इंस्टीट्यूट प्रोग्रामेबल थेरेप्यूटिक्स गिफ्ट डोनर्स, पर्सिंग स्क्वायर फाउंडेशन, विलियम एकमैन, नेरी ऑक्समैन, द फिलिप्स फैमिली, जे। और पी। पोट्रास, और बीटी चार्टेट फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था।
। लिसा यांग और हॉक ई। टैन सेंटर फॉर मॉलिक्यूलर थैरेप्यूटिक्स (टी) टाइग्र (टैंडेम इंटरसेप्ड गाइड आरएनए) (टी) टाइग्रा-टैस (टी) जीन एडिटिंग टूल्स (टी) CRISPR/CAS9 (T) जीनोम एडिटिंग
