Circular permutation in proteins
سرکلر پرموٹیشن پروٹین کے درمیان ایک رشتہ ہے جس کے تحت پروٹین کی پیپٹائڈ ترتیب میں امینو ایسڈ کی تبدیل شدہ ترتیب ہوتی ہے۔ نتیجہ مختلف رابطے کے ساتھ ایک پروٹین ڈھانچہ ہے، لیکن مجموعی طور پر اسی طرح کی تین جہتی (3D) شکل ہے۔ 1979 میں، سرکلر پرموٹڈ پروٹینز کا پہلا جوڑا-کونکاناولین اے اور لیکٹین-دریافت کیا گیا۔ اب ایسے 2000 سے زیادہ پروٹین معلوم ہیں۔ سرکلر پرموٹیشن ارتقائی واقعات، پوسٹ ٹرانسلیشنل ترمیم، یا مصنوعی طور پر تیار کردہ تغیرات کے نتیجے میں ہو سکتا ہے۔ سرکلر پرموٹڈ پروٹین کے ارتقاء کی وضاحت کے لیے تجویز کردہ دو اہم ماڈل نقل اور فشن اور فیوژن کے ذریعے پرموٹیشن ہیں۔ ڈپلیکیشن کے ذریعے پرموٹیشن اس وقت ہوتا ہے جب پروٹین کے بے کار حصوں کو ہٹانے سے پہلے جین ٹینڈم ریپیٹ بنانے کے لیے ڈپلیکیشن سے گزرتا ہے۔ یہ تعلق ساپوسن اور سویپوسن کے درمیان پایا جاتا ہے۔ فشن اور فیوژن اس وقت ہوتا ہے جب جزوی پروٹین ایک واحد پولی پیپٹائڈ بنانے کے لیے فیوز ہوتے ہیں، جیسے کہ نیکوٹینامائڈ نیوکلیوٹائڈ ٹرانس ہائیڈروجنیسز میں۔ سرکلر ترتیبیں باقاعدگی سے لیبارٹری میں ان کی اتپریرک سرگرمی یا تھرموسٹیبلٹی کو بہتر بنانے، یا اصل پروٹین کی خصوصیات کی تحقیقات کے لیے تیار کی جاتی ہیں۔ ترتیب کی صف بندی اور ساخت کی صف بندی کے لیے روایتی الگورتھم پروٹین کے درمیان سرکلر تغیرات کا پتہ لگانے کے قابل نہیں ہیں۔ نئے غیر لکیری نقطہ نظر تیار کیے گئے ہیں جو اس پر قابو پاتے ہیں اور ٹوپولوجی-آزاد مماثلتوں کا پتہ لگانے کے قابل ہیں۔ 1979 میں، بروس کننگھم اور ان کے ساتھیوں نے فطرت میں ایک سرکلر پرموٹڈ پروٹین کی پہلی مثال دریافت کی۔ لیکٹن پروٹین فاوین کی پیپٹائڈ ترتیب کا تعین کرنے کے بعد، انہوں نے اس کی مماثلت ایک معروف پروٹین-کونکاناولین اے سے محسوس کی-سوائے اس کے کہ سرے سرکلر طور پر غیر فعال تھے۔ بعد میں کام نے جوڑی کے درمیان سرکلر پرموٹیشن کی تصدیق کی اور یہ ظاہر کیا کہ کونکاناولین اے کلیویج اور ایک غیر معمولی پروٹین لائیگیشن کے ذریعے ترجمہ کے بعد پرموٹ کیا جاتا ہے۔ ایک قدرتی سرکلر پرموٹڈ پروٹین کی دریافت کے بعد، محققین نے اس عمل کی تقلید کرنے کا ایک طریقہ تلاش کیا۔ 1983 میں، ڈیوڈ گولڈن برگ اور تھامس کریئٹن ایک سائیکلک پروٹین بنانے کے لیے ٹرمینی کو کیمیائی طور پر جوڑ کر، پھر ٹرپسن کا استعمال کرتے ہوئے کہیں اور نئے ٹرمینی کو متعارف کروا کر پروٹین کا ایک سرکلر پرموٹ ورژن بنانے میں کامیاب ہوئے۔ 1989 میں، کیرولن لوگر اور ان کے ساتھیوں نے ڈی این اے کو احتیاط سے ٹکڑے ٹکڑے کرکے اور جوڑ کر سرکلر ترتیبات بنانے کے لیے ایک جینیاتی طریقہ متعارف کرایا۔ اس طریقہ کار نے صوابدیدی مقامات پر ترتیبات کو متعارف کرانے کی اجازت دی۔ ترجمہ کے بعد کے سرکلر پرموٹیشن کی ابتدائی دریافت اور سرکلر پرموٹینٹس کو تیار کرنے کے لیے ممکنہ جینیاتی طریقہ کار کی تجویز کے باوجود، یہ 1995 تک نہیں تھا کہ جینوں کی پہلی سرکلر طور پر پرموٹیڈ جوڑی دریافت ہوئی۔ ساپوسن پروٹین کی ایک کلاس ہے جو انسانوں میں اسپنگولیپیڈ کیٹابولزم اور لپڈ کی اینٹیجن پریزنٹیشن میں شامل ہے۔ کرس پونٹنگ اور رابرٹ رسل نے پودے کے ایسپارٹک پروٹینیز میں داخل کیے گئے ساپوسن کے ایک سرکلر پرموٹڈ ورژن کی نشاندہی کی، جسے انہوں نے سویپوسن کا عرفی نام دیا۔ ساپوسن اور سویپوسن دو قدرتی جینوں کا پہلا معلوم معاملہ تھا جو ایک سرکلر پرموٹیشن سے متعلق تھا۔ سرکلر پرموٹیشن سے متعلق پروٹین کے جوڑوں کی سینکڑوں مثالیں بعد میں فطرت میں دریافت کی گئیں یا لیبارٹری میں تیار کی گئیں۔ فروری 2012 تک، سرکلر پرموٹیشن ڈیٹا بیس میں معروف ڈھانچوں کے ساتھ 2,238 سرکلر پرموٹیڈ پروٹین کے جوڑے شامل ہیں، اور بہت سے ڈھانچے کے بغیر جانے جاتے ہیں۔ سائ بیس ڈیٹا بیس ایسے پروٹین جمع کرتا ہے جو چکور ہوتے ہیں، جن میں سے کچھ چکور جنگلی قسم کے پروٹین کی متغیر قسمیں ہیں۔ SISYPHUS ایک ڈیٹا بیس ہے جس میں غیر معمولی تعلقات کے ساتھ پروٹین کی ہاتھ سے تیار کردہ دستی صف بندی کا مجموعہ ہوتا ہے، جن میں سے کئی میں سرکلر ترتیبات ہوتے ہیں۔ ارتقاء دو اہم ماڈلز ہیں جو فی الحال سرکلر طور پر پرموٹیڈ پروٹین کے ارتقاء کی وضاحت کے لیے استعمال کیے جا رہے ہیں: ڈپلیکیشن اور فشن اور فیوژن کے ذریعے پرموٹیشن۔ دونوں ماڈلز کے پاس ان کی حمایت کرنے والی زبردست مثالیں ہیں، لیکن ارتقاء میں ہر ماڈل کی نسبتا شراکت اب بھی زیر بحث ہے۔ دیگر، کم عام، میکانزم تجویز کیے گئے ہیں، جیسے "کٹ اینڈ پیسٹ" یا "ایکسن شفلنگ"۔ ڈپلیکیشن کے ذریعے پرموٹیشن سرکلر پرموٹیشن کے ارتقاء کے لیے تجویز کردہ ابتدائی ماڈل ڈپلیکیشن میکانزم کے ذریعے پرموٹیشن ہے۔ اس ماڈل میں، ایک پیش رو جین پہلے ایک نقل اور فیوژن سے گزرتا ہے تاکہ ایک بڑا ٹینڈم ریپیٹ تشکیل پائے۔ اس کے بعد، پروٹین کے بے کار حصوں کو ہٹاتے ہوئے، ڈپلیکیٹڈ جین میں متعلقہ مقامات پر اسٹارٹ اینڈ اسٹاپ کوڈن متعارف کرائے جاتے ہیں۔ ڈپلیکیشن میکانزم کے ذریعہ ترتیب کی ایک حیرت انگیز پیش گوئی یہ ہے کہ درمیانی ترتیبات واقع ہو سکتی ہیں۔ مثال کے طور پر، پروٹین کا ڈپلیکیٹڈ ورژن اب بھی فعال ہونا چاہیے، کیونکہ بصورت دیگر ارتقاء تیزی سے اس طرح کے پروٹین کے خلاف انتخاب کرے گا۔ اسی طرح، جزوی طور پر ڈپلیکیٹڈ انٹرمیڈیٹس جہاں صرف ایک ٹرمینس کاٹا گیا تھا، فعال ہونا چاہیے۔ اس طرح کے انٹرمیڈیٹس کو پروٹین کے خاندانوں جیسے ڈی این اے میتھائل ٹرانسفرسز میں بڑے پیمانے پر دستاویزی شکل دی گئی ہے۔ ساپوسن اور سویپوسن ڈپلیکیشن کے ذریعے پرموٹیشن کی ایک مثال ساپوسن اور سویپوسن کے درمیان تعلق ہے۔ ساپوسن انتہائی محفوظ گلائکوپروٹین ہوتے ہیں، تقریبا 80 امینو ایسڈ کے باقیات لمبے ہوتے ہیں اور چار الفا ہیلیکل ڈھانچہ بناتے ہیں۔ ان میں سسٹین کے باقیات اور گلائکوسیلیشن سائٹس کی تقریبا ایک جیسی جگہ ہے۔ سی ڈی این اے کی ترتیب جو ساپوسن کے لیے کوڈ کرتی ہے اسے پروساپوسن کہا جاتا ہے۔ یہ چار کلیویج پروڈکٹس، سیپوسن اے، بی، سی، اور ڈی کا پیش خیمہ ہے۔ چار سیپوسن ڈومینز غالبا ایک آبائی جین کی دو ٹینڈم نقلوں سے پیدا ہوئے ہیں۔ یہ تکرار پودے کے مخصوص اندراج (پی ایس آئی) کے ساتھ تعلقات کے ارتقاء کے لیے ایک طریقہ کار کی تجویز کرتا ہے۔ پی ایس آئی ایک ایسا ڈومین ہے جو خصوصی طور پر پودوں میں پایا جاتا ہے، جو تقریبا 100 باقیات پر مشتمل ہوتا ہے اور پودوں کے ایسپارٹک پروٹیسیس میں پایا جاتا ہے۔ یہ ساپوسن نما پروٹین خاندان (ایس اے پی ایل آئی پی) سے تعلق رکھتا ہے اور اس میں این-اور سی-ٹرمینی "تبدیل شدہ" ہے، اس طرح کہ ہیلیکس کی ترتیب ساپوسن کے مقابلے میں 3-4-1-2 ہے، اس طرح اس کا نام "سویپوسن" ہے۔ فشن اور فیوژن سرکلر پرموٹیشن کے ارتقاء کا ایک اور نمونہ فشن اور فیوژن ماڈل ہے۔ یہ عمل دو جزوی پروٹین سے شروع ہوتا ہے۔ یہ دو آزاد پولی پیپٹائڈز کی نمائندگی کر سکتے ہیں (جیسے کہ ہیٹروڈائمر کے دو حصے)، یا اصل میں ایک ہی پروٹین کے آدھے حصے ہو سکتے ہیں جو ایک فشن ایونٹ سے گزر کر دو پولی پیپٹائڈز بن جاتے ہیں۔ دونوں پروٹین بعد میں ایک ساتھ مل کر ایک واحد پولی پیپٹائڈ تشکیل دے سکتے ہیں۔ اس بات سے قطع نظر کہ کون سا پروٹین پہلے آتا ہے، یہ فیوژن پروٹین اسی طرح کا کام دکھا سکتا ہے۔ اس طرح، اگر دو پروٹینوں کے درمیان فیوژن ارتقاء میں دو بار ہوتا ہے (یا تو ایک ہی نوع کے اندر پیرالوگوں کے درمیان یا مختلف نوع میں آرتھولوگوں کے درمیان) لیکن ایک مختلف ترتیب میں، نتیجے میں فیوژن پروٹینوں کا تعلق ایک سرکلر پرموٹیشن سے ہوگا۔ کسی مخصوص پروٹین کے فشن اور فیوژن میکانزم کے ذریعے تیار ہونے کا ثبوت متعلقہ انواع میں پرموٹیشن کے حصوں کو آزاد پولی پیپٹائڈز کے طور پر مشاہدہ کرکے، یا تجرباتی طور پر یہ ظاہر کرکے فراہم کیا جا سکتا ہے کہ دونوں حصے الگ الگ پولی پیپٹائڈز کے طور پر کام کر سکتے ہیں۔ ٹرانس ہائیڈروجنیسیس فشن اور فیوژن میکانزم کی ایک مثال نیکوٹینامائڈ نیوکلیوٹائڈ ٹرانس ہائیڈروجنیسیس میں پائی جا سکتی ہے۔ یہ جھلی سے جڑے ہوئے انزائم ہیں جو این اے ڈی (ایچ) اور این اے ڈی پی (ایچ) کے درمیان ہائیڈرائڈ آئن کی منتقلی کو ایک رد عمل میں متحرک کرتے ہیں جو ٹرانس میمبرین پروٹون ٹرانسلوکیشن سے منسلک ہوتا ہے۔ وہ تین بڑی فعال اکائیوں (I، II، اور III) پر مشتمل ہوتے ہیں جو بیکٹیریا، پروٹوزوا، اور اعلی یوکرائٹس میں مختلف ترتیب میں پائے جا سکتے ہیں۔ فائیلوجنیٹک تجزیہ سے پتہ چلتا ہے کہ ڈومین کے انتظامات کے تین گروپوں کو آزادانہ طور پر حاصل کیا گیا اور مربوط کیا گیا۔ دیگر عمل جو سرکلر پرموٹیشن پوسٹ ٹرانسلیشنل ترمیم کا باعث بن سکتے ہیں اوپر بیان کردہ دو ارتقائی ماڈل ان طریقوں کو بیان کرتے ہیں جن میں جینز کو سرکلر طور پر پرموٹ کیا جا سکتا ہے، جس کے نتیجے میں ٹرانسکرپشن کے بعد سرکلر طور پر پرموٹ ایم آر این اے ہوتا ہے۔ پروٹین کو ترجمہ کے بعد کی ترمیم کے ذریعے بھی سرکلر طور پر پرموٹ کیا جا سکتا ہے، بغیر بنیادی جین کو پرموٹ کیے۔ سرکلر تغیرات آٹوکیٹالیسس کے ذریعے بے ساختہ ہو سکتے ہیں، جیسا کہ کونکاناولین اے کے معاملے میں ہوتا ہے۔ متبادل طور پر، تغیرات کے لیے پابندی والے انزائموں اور لگازوں کی ضرورت پڑ سکتی ہے۔ پروٹین انجینئرنگ میں کردار بہت سے پروٹینوں کے ٹرمینی تھری ڈی اسپیس میں قریب قریب واقع ہوتے ہیں۔ اس کی وجہ سے، پروٹین کے سرکلر پرموٹیشن ڈیزائن کرنا اکثر ممکن ہوتا ہے۔ آج، لیبارٹری میں معیاری جینیات کی تکنیکوں کا استعمال کرتے ہوئے سرکلر تغیرات معمول کے مطابق پیدا کیے جاتے ہیں۔ اگرچہ کچھ پرموٹیشن سائٹس پروٹین کو صحیح طریقے سے جوڑنے سے روکتی ہیں، لیکن بہت سے پرموٹیٹس اصل پروٹین سے تقریبا ایک جیسی ساخت اور فنکشن کے ساتھ بنائے گئے ہیں۔ پروٹین کا سرکلر پرموٹینٹ بنانے کا محرک مختلف ہو سکتا ہے۔ سائنس دان پروٹین کی کچھ خصوصیات کو بہتر بنانا چاہتے ہیں، جیسے: پروٹولائٹک حساسیت کو کم کریں۔ جس شرح پر پروٹین ٹوٹ جاتے ہیں وہ خلیوں میں ان کی سرگرمی پر بڑا اثر ڈال سکتا ہے۔ چونکہ ٹرمینی اکثر پروٹیسیس کے لیے قابل رسائی ہوتے ہیں، اس لیے کم قابل رسائی ٹرمینی کے ساتھ ایک سرکلر پرموٹڈ پروٹین کو ڈیزائن کرنا سیل میں اس پروٹین کی عمر میں اضافہ کر سکتا ہے۔ اتپریرک سرگرمی کو بہتر بنائیں۔ سرکلر طور پر پروٹین کو پرموٹ کرنا بعض اوقات اس شرح میں اضافہ کر سکتا ہے جس پر یہ کیمیائی رد عمل کو متحرک کرتا ہے، جس سے زیادہ موثر پروٹین بنتے ہیں۔ سبسٹریٹ یا لگینڈ بائنڈنگ کو تبدیل کریں۔ سرکلر طور پر پروٹین کو پرموٹ کرنے کے نتیجے میں سبسٹریٹ بائنڈنگ کا نقصان ہوسکتا ہے، لیکن کبھی کبھار نئی لگینڈ بائنڈنگ سرگرمی یا تبدیل شدہ سبسٹریٹ کی خاصیت کا باعث بن سکتا ہے۔ تھرموسٹیبلٹی کو بہتر بنائیں۔ درجہ حرارت اور حالات کی ایک وسیع رینج پر پروٹین کو فعال بنانا ان کی افادیت کو بہتر بنا سکتا ہے۔ متبادل طور پر، سائنس دان اصل پروٹین کی خصوصیات میں دلچسپی لے سکتے ہیں، جیسے: فولڈ آرڈر۔ اس ترتیب کا تعین کرنا جس میں پروٹین کے مختلف حصے فولڈ ہوتے ہیں اس میں شامل انتہائی تیز وقت کے پیمانے کی وجہ سے مشکل ہے۔ پروٹین کے سرکلر طور پر پرمیوٹڈ ورژن اکثر مختلف ترتیب میں فولڈ ہوتے ہیں، جو اصل پروٹین کے فولڈنگ کے بارے میں معلومات فراہم کرتے ہیں۔ ضروری ساختی عناصر۔ مصنوعی سرکلر پرمیوٹڈ پروٹین پروٹین کے کچھ حصوں کو منتخب طور پر حذف کرنے کی اجازت دے سکتے ہیں۔ اس سے اس بات کی بصیرت ملتی ہے کہ کون سے ساختی عناصر ضروری ہیں یا نہیں۔ چوتھائی ساخت میں ترمیم کریں۔ جنگلی قسم کے پروٹینوں کے مقابلے میں سرکلر طور پر پرموٹڈ پروٹینوں کو مختلف چوتھائی ساخت اختیار کرنے کے لیے دکھایا گیا ہے۔ دوسرے پروٹین کے لیے اندراج کی جگہیں تلاش کریں۔ ایک پروٹین کو دوسرے پروٹین میں ڈومین کے طور پر ڈالنا مفید ثابت ہو سکتا ہے۔ مثال کے طور پر، گرین فلوروسینٹ پروٹین (جی ایف پی) میں کیلمڈولین ڈالنے سے محققین کو اسپلٹ-جی ایف پی کے فلوروسینس کے ذریعے کیلمڈولین کی سرگرمی کی پیمائش کرنے میں مدد ملی۔ جی ایف پی کے وہ علاقے جو سرکلر پرموٹیشن کے تعارف کو برداشت کرتے ہیں ان میں دونوں پروٹینوں کے کام کو برقرار رکھتے ہوئے دوسرے پروٹین کے اضافے کو قبول کرنے کا امکان زیادہ ہوتا ہے۔ نوول بائیو کیٹالسٹس اور بائیو سینسروں کا ڈیزائن۔ مخصوص کیمیائی تعاملات کو متحرک کرنے کے لیے پروٹین کو ڈیزائن کرنے کے لیے، یا پروٹین کا استعمال کرتے ہوئے بعض مالیکیولز کی موجودگی کا پتہ لگانے کے لیے سرکلر پرموٹیشنز کا تعارف استعمال کیا جا سکتا ہے۔ مثال کے طور پر، اوپر بیان کردہ جی ایف پی-کیلموڈولین فیوژن کو نمونے میں کیلشیم آئنوں کی سطح کا پتہ لگانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ الگورتھم کا پتہ لگانا بہت سے ترتیب کی صف بندی اور پروٹین ڈھانچے کی صف بندی الگورتھم لکیری ڈیٹا کی نمائندگی کو فرض کرتے ہوئے تیار کیے گئے ہیں اور اس طرح پروٹین کے درمیان سرکلر تغیرات کا پتہ لگانے کے قابل نہیں ہیں۔ اکثر استعمال ہونے والے طریقوں کی دو مثالیں جن میں سرکلر پرموٹیشن سے متعلق پروٹین کو صحیح طریقے سے صف بندی کرنے میں دشواری ہوتی ہے وہ متحرک پروگرامنگ اور بہت سے پوشیدہ مارکوف ماڈل ہیں۔ ان کے متبادل کے طور پر، متعدد الگورتھم غیر لکیری طریقوں کے اوپر بنائے گئے ہیں اور وہ ٹوپولوجی سے آزاد مماثلتوں کا پتہ لگانے کے قابل ہیں، یا تبدیلیوں کو استعمال کرتے ہیں جس سے وہ متحرک پروگرامنگ کی حدود کو نظر انداز کر سکتے ہیں۔ نیچے دیا گیا جدول اس طرح کے طریقوں کا مجموعہ ہے۔ الگورتھم کی درجہ بندی ان کے مطلوبہ ان پٹ کی قسم کے مطابق کی جاتی ہے۔ ترتیب پر مبنی الگورتھم کو صف بندی بنانے کے لیے صرف دو پروٹین کی ترتیب کی ضرورت ہوتی ہے۔ ترتیب کے طریقے عام طور پر تیز ہوتے ہیں اور پروٹین کے سرکلر طور پر پرموٹیڈ جوڑوں کے لیے پورے جینوم کو تلاش کرنے کے لیے موزوں ہوتے ہیں۔ ساخت پر مبنی طریقوں کے لیے دونوں پروٹین کے 3D ڈھانچے پر غور کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ وہ اکثر ترتیب پر مبنی طریقوں سے سست ہوتے ہیں، لیکن کم ترتیب کی مماثلت کے ساتھ دور سے متعلق پروٹین کے درمیان سرکلر تغیرات کا پتہ لگانے کے قابل ہوتے ہیں۔ کچھ ساختی طریقے ٹوپولوجی سے آزاد ہوتے ہیں، مطلب یہ ہے کہ وہ سرکلر ترتیب سے زیادہ پیچیدہ ترتیبات کا پتہ لگانے کے قابل بھی ہوتے ہیں۔ مزید پڑھنے کے لیے حوالہ جات ڈیوڈ گڈسیل (اپریل 2010) کونکاناولین اے اور سرکلر پرموٹیشن پروٹین ڈیٹا بینک (پی ڈی بی) ماہ کا مالیکیول بیرونی لنکس پروٹین پرموٹیشنز