Circular permutation in proteins
एक वृत्ताकार क्रमपरिवर्तन प्रोटीन के बीच एक संबंध है जिसमें प्रोटीन के पेप्टाइड अनुक्रम में अमीनो एसिड का एक बदला हुआ क्रम होता है। परिणाम अलग-अलग संपर्क के साथ एक प्रोटीन संरचना है, लेकिन कुल मिलाकर समान त्रि-आयामी (3डी) आकार है। 1979 में, गोलाकार क्रमबद्ध प्रोटीन की पहली जोड़ी-कॉन्कानावालिन ए और लेक्टिन-की खोज की गई थी; अब ऐसे 2000 से अधिक प्रोटीन ज्ञात हैं। वृत्तीय क्रमपरिवर्तन विकासवादी घटनाओं, अनुवाद के बाद के संशोधनों या कृत्रिम रूप से इंजीनियर उत्परिवर्तन के परिणामस्वरूप हो सकता है। वृत्ताकार क्रमबद्ध प्रोटीन के विकास की व्याख्या करने के लिए प्रस्तावित दो मुख्य मॉडल हैं दोहराव और विखंडन और संलयन द्वारा क्रमपरिवर्तन। दोहराव द्वारा क्रमपरिवर्तन तब होता है जब प्रोटीन के अनावश्यक वर्गों को हटाने से पहले एक जीन एक टेंडम रिपीट बनाने के लिए दोहराव से गुजरता है; यह संबंध सैपोसिन और स्वैपोसिन के बीच पाया जाता है। विखंडन और संलयन तब होता है जब आंशिक प्रोटीन एकल पॉलीपेप्टाइड बनाने के लिए संलयन करते हैं, जैसे कि निकोटीनामाइड न्यूक्लियोटाइड ट्रांसहाइड्रोजनेज में। वृत्ताकार क्रमपरिवर्तन नियमित रूप से प्रयोगशाला में उनकी उत्प्रेरक गतिविधि या ऊष्मायन क्षमता में सुधार करने या मूल प्रोटीन के गुणों की जांच करने के लिए किए जाते हैं। अनुक्रम संरेखण और संरचना संरेखण के लिए पारंपरिक एल्गोरिदम प्रोटीन के बीच गोलाकार क्रमपरिवर्तन का पता लगाने में सक्षम नहीं हैं। नए गैर-रैखिक दृष्टिकोण विकसित किए गए हैं जो इसे दूर करते हैं और टोपोलॉजी-स्वतंत्र समानताओं का पता लगाने में सक्षम हैं। 1979 में, ब्रूस कनिंघम और उनके सहयोगियों ने प्रकृति में एक गोलाकार क्रमबद्ध प्रोटीन का पहला उदाहरण खोजा। लेक्टिन प्रोटीन फेविन के पेप्टाइड अनुक्रम को निर्धारित करने के बाद, उन्होंने एक ज्ञात प्रोटीन-कॉन्कानावालिन ए-के साथ इसकी समानता देखी, सिवाय इसके कि सिरों को गोलाकार रूप से क्रमबद्ध किया गया था। बाद के काम ने जोड़ी के बीच गोलाकार क्रमपरिवर्तन की पुष्टि की और दिखाया कि कॉन्कानावेलिन ए को दरार और एक असामान्य प्रोटीन बंधन के माध्यम से अनुवाद के बाद क्रमबद्ध किया जाता है। एक प्राकृतिक गोलाकार क्रमबद्ध प्रोटीन की खोज के बाद, शोधकर्ताओं ने इस प्रक्रिया का अनुकरण करने का एक तरीका खोजा। 1983 में, डेविड गोल्डनबर्ग और थॉमस क्रेइटन एक चक्रीय प्रोटीन बनाने के लिए रासायनिक रूप से टर्मिनस को जोड़कर प्रोटीन का एक गोलाकार क्रमबद्ध संस्करण बनाने में सक्षम थे, फिर ट्रिप्सिन का उपयोग करके कहीं और नए टर्मिनस की शुरुआत की। 1989 में, कैरोलिन लूगर और उनके सहयोगियों ने डी. एन. ए. को सावधानीपूर्वक विखंडित और जोड़कर गोलाकार क्रमपरिवर्तन करने के लिए एक आनुवंशिक विधि पेश की। इस विधि ने मनमाने स्थलों पर क्रमपरिवर्तन शुरू करने की अनुमति दी। अनुवाद के बाद के गोलाकार क्रमपरिवर्तन की प्रारंभिक खोज और गोलाकार क्रमपरिवर्तकों को विकसित करने के लिए एक संभावित आनुवंशिक तंत्र के सुझाव के बावजूद, यह 1995 तक नहीं था कि जीन की पहली गोलाकार क्रमपरिवर्तित जोड़ी की खोज की गई थी। सैपोसिन प्रोटीन का एक वर्ग है जो मनुष्यों में लिपिड के स्फिंगोलिपिड अपचय और प्रतिजन प्रस्तुति में शामिल है। क्रिस पोंटिंग और रॉबर्ट रसेल ने पौधे के एस्पार्टिक प्रोटीनेज में डाले गए सैपोसिन के एक गोलाकार क्रमबद्ध संस्करण की पहचान की, जिसे उन्होंने स्वैपोसिन उपनाम दिया। सैपोसिन और स्वैपोसिन वृत्ताकार क्रमपरिवर्तन द्वारा संबंधित दो प्राकृतिक जीनों का पहला ज्ञात मामला था। वृत्ताकार क्रमपरिवर्तन द्वारा संबंधित प्रोटीन जोड़े के सैकड़ों उदाहरण बाद में प्रकृति में खोजे गए या प्रयोगशाला में उत्पादित किए गए। फरवरी 2012 तक, सर्कुलर क्रमपरिवर्तन डेटाबेस में ज्ञात संरचनाओं के साथ 2,238 गोलाकार क्रमबद्ध प्रोटीन जोड़े हैं, और कई और संरचनाओं के बिना जाने जाते हैं। साइबेस डेटाबेस ऐसे प्रोटीन एकत्र करता है जो चक्रीय होते हैं, जिनमें से कुछ चक्रीय जंगली प्रकार के प्रोटीन के क्रमबद्ध रूप होते हैं। सिसाइफस एक डेटाबेस है जिसमें गैर-तुच्छ संबंधों के साथ प्रोटीन के हाथ से क्यूरेटेड मैनुअल संरेखण का एक संग्रह होता है, जिनमें से कई में गोलाकार क्रमपरिवर्तन होते हैं। दो मुख्य मॉडल हैं जिनका उपयोग वर्तमान में गोलाकार क्रमबद्ध प्रोटीन के विकास की व्याख्या करने के लिए किया जा रहा हैः दोहराव और विखंडन और संलयन द्वारा क्रमपरिवर्तन। दोनों मॉडलों के पास उनका समर्थन करने वाले सम्मोहक उदाहरण हैं, लेकिन विकास में प्रत्येक मॉडल का सापेक्ष योगदान अभी भी बहस के दायरे में है। अन्य, कम सामान्य, तंत्र प्रस्तावित किए गए हैं, जैसे "कट एंड पेस्ट" या "एक्सॉन शफ़लिंग"। दोहराव द्वारा क्रमपरिवर्तन वृत्ताकार क्रमपरिवर्तन के विकास के लिए प्रस्तावित सबसे पहला मॉडल दोहराव तंत्र द्वारा क्रमपरिवर्तन है। इस मॉडल में, एक अग्रदूत जीन पहले एक बड़े अग्रक्रम पुनरावृत्ति बनाने के लिए एक दोहराव और संलयन से गुजरता है। इसके बाद, प्रोटीन के अनावश्यक वर्गों को हटाते हुए, डुप्लिकेट जीन में संबंधित स्थानों पर स्टार्ट और स्टॉप कोडन पेश किए जाते हैं। दोहराव तंत्र द्वारा क्रमपरिवर्तन की एक आश्चर्यजनक भविष्यवाणी यह है कि मध्यवर्ती क्रमपरिवर्तन हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, प्रोटीन का दोहरा संस्करण अभी भी कार्यात्मक होना चाहिए, क्योंकि अन्यथा विकास जल्दी से ऐसे प्रोटीन के खिलाफ चयन करेगा। इसी तरह, आंशिक रूप से डुप्लिकेट मध्यवर्ती जहां केवल एक टर्मिनस को काटा गया था, कार्यात्मक होना चाहिए। डी. एन. ए. मिथाइलट्रांसफेरेज जैसे प्रोटीन परिवारों में इस तरह के मध्यवर्ती को व्यापक रूप से प्रलेखित किया गया है। सैपोसिन और स्वैपोसिन डुप्लिकेशन द्वारा क्रमपरिवर्तन का एक उदाहरण सैपोसिन और स्वैपोसिन के बीच का संबंध है। सैपोसिन अत्यधिक संरक्षित ग्लाइकोप्रोटीन होते हैं, लगभग 80 एमिनो एसिड अवशेष लंबे होते हैं और चार अल्फा पेचदार संरचना बनाते हैं। उनके पास सिस्टीन अवशेषों और ग्लाइकोसिलेशन स्थलों का लगभग समान स्थान है। सी. डी. एन. ए. अनुक्रम जो सैपोसिन के लिए कोड करता है, उसे प्रोसापोसिन कहा जाता है। यह चार दरार उत्पादों, सैपोसिन ए, बी, सी और डी के लिए एक अग्रदूत है। चार सैपोसिन डोमेन संभवतः एक पैतृक जीन के दो टेंडम डुप्लिकेशन से उत्पन्न हुए हैं। यह पुनरावृत्ति पादप-विशिष्ट प्रविष्टि (पी. एस. आई.) के साथ संबंध के विकास के लिए एक तंत्र का सुझाव देती है। पी. एस. आई. एक ऐसा क्षेत्र है जो विशेष रूप से पौधों में पाया जाता है, जिसमें लगभग 100 अवशेष होते हैं और पौधे के एस्पार्टिक प्रोटीज में पाए जाते हैं। यह सैपोसिन जैसे प्रोटीन परिवार (एस. ए. पी. एल. आई. पी.) से संबंधित है और इसमें एन-और सी-टर्मिनि "स्वैप्ड" है, जैसे कि हेलिक्स का क्रम सैपोसिन की तुलना में 3-4-1-2 है, इस प्रकार "स्वैपोसिन" नाम की ओर जाता है। विखंडन और संलयन वृत्ताकार क्रमपरिवर्तन के विकास के लिए एक अन्य मॉडल विखंडन और संलयन मॉडल है। प्रक्रिया दो आंशिक प्रोटीन से शुरू होती है। ये दो स्वतंत्र पॉलीपेप्टाइड्स (जैसे एक हेटेरोडाइमर के दो भाग) का प्रतिनिधित्व कर सकते हैं, या मूल रूप से एक एकल प्रोटीन के आधे हो सकते हैं जो दो पॉलीपेप्टाइड्स बनने के लिए एक विखंडन घटना से गुजरते हैं। दोनों प्रोटीन बाद में एक एकल पॉलीपेप्टाइड बनाने के लिए एक साथ फ्यूज कर सकते हैं। चाहे कौन सा प्रोटीन पहले आए, यह संलयन प्रोटीन समान कार्य दिखा सकता है। इस प्रकार, यदि दो प्रोटीनों के बीच संलयन विकास में दो बार होता है (या तो एक ही प्रजाति के भीतर पैरालॉगों के बीच या विभिन्न प्रजातियों में ऑर्थोलॉगों के बीच) लेकिन एक अलग क्रम में, परिणामी संलयन प्रोटीन एक गोलाकार क्रमपरिवर्तन द्वारा संबंधित होंगे। विखंडन और संलयन तंत्र द्वारा विकसित एक विशेष प्रोटीन के लिए साक्ष्य संबंधित प्रजातियों में स्वतंत्र पॉलीपेप्टाइड्स के रूप में क्रमपरिवर्तन के हिस्सों को देखकर या प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित करके प्रदान किया जा सकता है कि दोनों आधे अलग-अलग पॉलीपेप्टाइड्स के रूप में कार्य कर सकते हैं। ट्रांसहाइड्रोजनेज विखंडन और संलयन तंत्र का एक उदाहरण निकोटीनामाइड न्यूक्लियोटाइड ट्रांसहाइड्रोजनेज में पाया जा सकता है। ये झिल्ली-बद्ध एंजाइम हैं जो एन. ए. डी. (एच.) और एन. ए. डी. पी. (एच.) के बीच एक हाइड्राइड आयन के हस्तांतरण को एक प्रतिक्रिया में उत्प्रेरित करते हैं जो ट्रांसमेम्ब्रेन प्रोटॉन स्थानान्तरण से जुड़ा होता है। इनमें तीन प्रमुख कार्यात्मक इकाइयाँ (I, II और III) होती हैं जो बैक्टीरिया, प्रोटोजोआ और उच्च यूकेरियोट्स में अलग-अलग व्यवस्था में पाई जा सकती हैं। जातिजनित विश्लेषण से पता चलता है कि क्षेत्र व्यवस्था के तीन समूहों को स्वतंत्र रूप से अधिग्रहित और संयोजित किया गया था। अन्य प्रक्रियाएँ जो वृत्ताकार क्रमपरिवर्तन का कारण बन सकती हैं अनुवाद के बाद के संशोधन ऊपर वर्णित दो विकासवादी मॉडल उन तरीकों का वर्णन करते हैं जिनमें जीन को वृत्ताकार रूप से क्रमबद्ध किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप प्रतिलेखन के बाद एक वृत्ताकार रूप से क्रमबद्ध एम. आर. एन. ए. हो सकता है। अंतर्निहित जीन को क्रमबद्ध किए बिना, प्रोटीन को अनुवाद के बाद के संशोधन के माध्यम से भी गोलाकार रूप से क्रमबद्ध किया जा सकता है। वृत्तीय क्रमपरिवर्तन स्वतः उत्प्रेरण के माध्यम से अनायास हो सकते हैं, जैसा कि कॉन्कानावलिन ए के मामले में होता है। वैकल्पिक रूप से, क्रमपरिवर्तन के लिए प्रतिबंध एंजाइम और लिगाज़ की आवश्यकता हो सकती है। प्रोटीन इंजीनियरिंग में भूमिका कई प्रोटीनों के अंत 3डी स्थान में एक साथ स्थित होते हैं। इस वजह से, प्रोटीन के गोलाकार क्रमपरिवर्तन को डिजाइन करना अक्सर संभव होता है। आज, मानक आनुवंशिकी तकनीकों का उपयोग करके प्रयोगशाला में नियमित रूप से गोलाकार क्रमपरिवर्तन उत्पन्न किए जाते हैं। हालांकि कुछ क्रमपरिवर्तन स्थल प्रोटीन को सही ढंग से मोड़ने से रोकते हैं, कई क्रमपरिवर्तक मूल प्रोटीन के लगभग समान संरचना और कार्य के साथ बनाए गए हैं। प्रोटीन के गोलाकार क्रमपरिवर्तक बनाने की प्रेरणा अलग-अलग हो सकती है। वैज्ञानिक प्रोटीन के कुछ गुणों में सुधार करना चाह सकते हैं, जैसे किः प्रोटीयोलिटिक संवेदनशीलता को कम करना। जिस दर से प्रोटीन टूटते हैं, वह कोशिकाओं में उनकी गतिविधि पर बड़ा प्रभाव डाल सकता है। चूँकि टर्मीनी अक्सर प्रोटीज के लिए सुलभ होते हैं, इसलिए कम सुलभ टर्मीनी के साथ एक गोलाकार क्रमबद्ध प्रोटीन को डिजाइन करने से कोशिका में उस प्रोटीन का जीवनकाल बढ़ सकता है। उत्प्रेरक गतिविधि में सुधार करें। एक प्रोटीन को गोलाकार रूप से क्रमबद्ध करने से कभी-कभी उस दर में वृद्धि हो सकती है जिस पर यह एक रासायनिक प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करता है, जिससे अधिक कुशल प्रोटीन बनते हैं। सब्सट्रेट या लिगैंड बाइंडिंग को बदलें। एक प्रोटीन को गोलाकार रूप से क्रमबद्ध करने के परिणामस्वरूप सब्सट्रेट बाइंडिंग का नुकसान हो सकता है, लेकिन कभी-कभी नई लिगैंड बाइंडिंग गतिविधि या परिवर्तित सब्सट्रेट विशिष्टता का कारण बन सकता है। थर्मोस्टेबिलिटी में सुधार करें। प्रोटीन को तापमान और स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला में सक्रिय बनाने से उनकी उपयोगिता में सुधार हो सकता है। वैकल्पिक रूप से, वैज्ञानिक मूल प्रोटीन के गुणों में रुचि ले सकते हैं, जैसे किः तह क्रम। उस क्रम को निर्धारित करना जिसमें प्रोटीन के विभिन्न भागों को मोड़ना शामिल है, अत्यधिक तेज समय पैमाने के कारण चुनौतीपूर्ण है। प्रोटीन के गोलाकार क्रमबद्ध संस्करण अक्सर एक अलग क्रम में मोड़ते हैं, जो मूल प्रोटीन के तह के बारे में जानकारी प्रदान करते हैं। आवश्यक संरचनात्मक तत्व। कृत्रिम गोलाकार क्रमबद्ध प्रोटीन प्रोटीन के कुछ हिस्सों को चुनिंदा रूप से हटाने की अनुमति दे सकते हैं। यह अंतर्दृष्टि देता है कि कौन से संरचनात्मक तत्व आवश्यक हैं या नहीं। चतुर्धातुक संरचना को संशोधित करें। वृत्ताकार रूप से क्रमबद्ध प्रोटीन को जंगली प्रकार के प्रोटीन की तुलना में अलग-अलग चतुर्थक संरचना लेने के लिए दिखाया गया है। अन्य प्रोटीनों के लिए सम्मिलन स्थल खोजें। एक प्रोटीन को दूसरे प्रोटीन में एक डोमेन के रूप में डालना उपयोगी हो सकता है। उदाहरण के लिए, ग्रीन फ्लोरोसेंट प्रोटीन (जी. एफ. पी.) में कैलमोडुलिन डालने से शोधकर्ताओं को स्प्लिट-जी. एफ. पी. के प्रतिदीप्ति के माध्यम से कैलमोडुलिन की गतिविधि को मापने में मदद मिली। जी. एफ. पी. के क्षेत्र जो वृत्ताकार क्रमपरिवर्तन की शुरुआत को सहन करते हैं, वे दोनों प्रोटीनों के कार्य को बनाए रखते हुए एक और प्रोटीन के जोड़ को स्वीकार करने की अधिक संभावना रखते हैं। नवीन जैव उत्प्रेरक और जैव संवेदक का अभिकल्पना। वृत्ताकार क्रमपरिवर्तन का परिचय विशिष्ट रासायनिक प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करने के लिए प्रोटीन को डिजाइन करने के लिए या प्रोटीन का उपयोग करके कुछ अणुओं की उपस्थिति का पता लगाने के लिए किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, ऊपर वर्णित जी. एफ. पी.-कैल्मोडुलिन संलयन का उपयोग एक नमूने में कैल्शियम आयनों के स्तर का पता लगाने के लिए किया जा सकता है। एल्गोरिदमिक डिटेक्शन कई अनुक्रम संरेखण और प्रोटीन संरचना संरेखण एल्गोरिदम को रैखिक डेटा प्रतिनिधित्व मानते हुए विकसित किया गया है और इस तरह वे प्रोटीन के बीच गोलाकार क्रमपरिवर्तन का पता लगाने में सक्षम नहीं हैं। अक्सर उपयोग की जाने वाली विधियों के दो उदाहरण जिनमें वृत्ताकार क्रमपरिवर्तन द्वारा संबंधित प्रोटीन को सही ढंग से संरेखित करने में समस्या होती है, वे हैं गतिशील प्रोग्रामिंग और कई छिपे हुए मार्कोव मॉडल। इनके विकल्प के रूप में, कई एल्गोरिदम गैर-रैखिक दृष्टिकोणों के शीर्ष पर बनाए गए हैं और टोपोलॉजी-स्वतंत्र समानताओं का पता लगाने में सक्षम हैं, या उन्हें गतिशील प्रोग्रामिंग की सीमाओं को दरकिनार करने की अनुमति देने वाले संशोधनों को नियोजित करते हैं। नीचे दी गई तालिका ऐसी विधियों का एक संग्रह है। एल्गोरिदम को उनकी आवश्यकता के अनुसार इनपुट के प्रकार के अनुसार वर्गीकृत किया जाता है। अनुक्रम-आधारित एल्गोरिदम को संरेखण बनाने के लिए केवल दो प्रोटीनों के अनुक्रम की आवश्यकता होती है। अनुक्रम विधियाँ आम तौर पर प्रोटीन के गोलाकार क्रमबद्ध जोड़े के लिए पूरे जीनोम की खोज के लिए तेज़ और उपयुक्त होती हैं। संरचना-आधारित विधियों के लिए दोनों प्रोटीनों की 3डी संरचनाओं पर विचार करने की आवश्यकता होती है। वे अक्सर अनुक्रम-आधारित विधियों की तुलना में धीमे होते हैं, लेकिन कम अनुक्रम समानता के साथ दूर से संबंधित प्रोटीन के बीच गोलाकार क्रमपरिवर्तन का पता लगाने में सक्षम होते हैं। कुछ संरचनात्मक विधियाँ टोपोलॉजी स्वतंत्र हैं, जिसका अर्थ है कि वे गोलाकार क्रमपरिवर्तन की तुलना में अधिक जटिल पुनर्व्यवस्था का पता लगाने में भी सक्षम हैं। संदर्भ आगे पढ़ने के लिए डेविड गुड्सेल (अप्रैल 2010) कॉन्कैनवलिन ए और सर्कुलर परमुटेशन प्रोटीन डेटा बैंक (पी. डी. बी.) महीने का अणु बाहरी लिंक प्रोटीन परमुटेशन