16S राइबोसोमल आरएनए

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थर्मस थर्मोफिलस से 30S सबयूनिट की आणविक संरचना। प्रोटीन को नीले रंग में और एकल आरएनए स्ट्रैंड को नारंगी रंग में दिखाया गया है।[1]

16S राइबोसोमल आरएनए (या 16 S आरआरएनए) एक प्रोकार्योटिक राइबोसोम (एसएसयू आरआरएनए) के 30 एस सबयूनिट का आरएनए घटक है। यह शाइन-डेलगार्नो अनुक्रम से जुड़ता है और अधिकांश एसएसयू संरचना प्रदान करता है।

इसके लिए कोडिंग करने वाले जीन को 16S आरआरएनए जीन के रूप में संदर्भित किया जाता है और जीन के इस क्षेत्र के विकास की धीमी दर के कारण, फाइलोजेनेटिक्स के पुनर्निर्माण में उपयोग किया जाता है।[2] कार्ल वोइस और जॉर्ज ई. फॉक्स उन दो लोगों में से थे, जिन्होंने 1977 में फाइलोजेनेटिक्स में 16S आरआरएनए के उपयोग का बीड़ा उठाया था।[3] 16S आरआरएनए जीन के एकाधिक क्रम एक ही जीवाणु के अन्दर उपस्थित हो सकते हैं। रेफरी नाम= pmid17071787 >Case RJ, Boucher Y, Dahllöf I, Holmström C, Doolittle WF, Kjelleberg S (January 2007). "माइक्रोबियल इकोलॉजी अध्ययन के लिए आणविक मार्कर के रूप में 16S rRNA और rpoB जीन का उपयोग". Applied and Environmental Microbiology. 73 (1): 278–288. Bibcode:2007ApEnM..73..278C. doi:10.1128/AEM.01177-06. PMC 1797146. PMID 17071787.</ref>

कार्य

  • 23S राइबोसोमल आरएनए बड़े (23S) राइबोसोमल आरएनए की तरह, इसकी संरचनात्मक भूमिका होती है, जो राइबोसोमल प्रोटीन की स्थिति को परिभाषित करने वाले मचान के रूप में कार्य करता है।
  • दिशात्मकता (आण्विक जीव विज्ञान) |3′-एंड में एंटी-शाइन-डेलगार्नो सीक्वेंस होता है, जो एमआरएनए पर एयूजी कोडन प्रारंभ करें के अपस्ट्रीम को बांधता है। 16S आरएनए का 3′-अंत प्रोटीन S1 और S21 को बांधता है जो प्रोटीन संश्लेषण की प्रारंभ में सम्मिलित होने के लिए जाने जाते है।[4]
  • 23S के साथ इंटरैक्ट करता है, दो राइबोसोमल सबयूनिट्स (50S और 30S) के बंधन में सहायता करता है |
  • एडीनाइन अवशेषों 1492 और 1493 के एन 1 परमाणु और एमआरएनए बैकबोन का 2 ओएच समूह है।

संरचना

एसएसयू राइबोसोमल आरएनए, बैक्टीरिया और आर्किया। वोइस 1987 से।[5]

यूनिवर्सल प्राइमर्स

16S आरआरएनए जीन का उपयोग फाइलोजेनेटिक्स अध्ययन के लिए किया जाता है |[6] क्योंकि यह बैक्टीरिया और आर्किया की विभिन्न प्रजातियों के बीच अत्यधिक संरक्षित है।[7] कार्ल वोइस ने 1977 में 16S आरआरएनए के इस प्रयोग का किया था।[2] यह सुझाव दिया गया है कि 16S आरआरएनए जीन को विश्वसनीय आणविक घड़ी के रूप में उपयोग किया जा सकता है क्योंकि 16S आरआरएनए अनुक्रमों को दूर से संबंधित जीवाणु वंशावली से समान कार्यात्मकता दिखाई जाती है।[8] कुछ थर्मोफिल आर्किया (जैसे ऑर्डर थर्मोप्रोटील्स) में 16S आरआरएनए जीन इंट्रॉन होते है। जो अत्यधिक संरक्षित क्षेत्रों में स्थित होते हैं और सार्वभौमिक प्राइमर (आणविक जीव विज्ञान) के एनीलिंग (जीव विज्ञान) को प्रभावित कर सकते हैं।[9] माइटोकॉन्ड्रियल और क्लोरोप्लास्टिक आरआरएनए भी प्रवर्धित हैं।

सबसे सामान्य प्राइमर जोड़ी वीसबर्ग एट अल द्वारा तैयार की गई थी। (1991)[6] और वर्तमान में इसे 27F और 1492R कहा जाता है | चूँकि, कुछ अनुप्रयोगों के लिए छोटे एम्पलीकॉन आवश्यक हो सकते हैं, उदाहरण के लिए टाइटेनियम रसायन के साथ 454 अनुक्रमण के लिए प्राइमर जोड़ी 27F-534R V1 से V3 को कवर करती है।[10]

अधिकांशतः 27F के अतिरिक्त 8F का उपयोग किया जाता है। दो प्राइमर लगभग समान है। किन्तु 27F में 8F की तुलना में सी. एजीएजीटीटीटीजीएटीसीएमटीजीसीटीसीएजी के अतिरिक्त M है।[11]

प्राथमिक नाम अनुक्रम (5′–3′) संदर्भ
8F AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG [12][13]
27F AGA GTT TGA TCM TGG CTC AG [11]
336R ACT GCT GCS YCC CGT AGG AGT CT [14]
337F GAC TCC TAC GGG AGG CWG CAG
518R GTA TTA CCG CGG CTG CTG G
533F GTG CCA GCM GCC GCG GTA A
785F GGA TTA GAT ACC CTG GTA
806R GGA CTA CVS GGG TAT CTA AT [15][16]
907R CCG TCA ATT CCT TTR AGT TT
928F TAA AAC TYA AAK GAA TTG ACG GG [14]
1100F YAA CGA GCG CAA CCC
1100R GGG TTG CGC TCG TTG
U1492R GGT TAC CTT GTT ACG ACT T [12][13]
1492R CGG TTA CCT TGT TAC GAC TT [17]

पीसीआर और एनजीएस अनुप्रयोग

अत्यधिक संरक्षित प्राइमर बाइंडिंग साइटों के अतिरिक्त, 16S आरआरएनए जीन अनुक्रमों में हाइपरवार्जेबल क्षेत्र होते हैं जो बैक्टीरिया की पहचान के लिए उपयोगी प्रजाति-विशिष्ट हस्ताक्षर अनुक्रम प्रदान कर सकते हैं।[18][19]

परिणाम स्वरुप, 16S आरआरएनए जीन अनुक्रमण चिकित्सा सूक्ष्म जीव विज्ञान में जीवाणु पहचान के फेनोटाइप विधियों के तीव्र और सस्ते विकल्प के रूप में प्रचलित हो गया है।[20] चूँकि मूल रूप से इसका उपयोग बैक्टीरिया की पहचान करने के लिए किया गया था, किन्तु बाद में 16S अनुक्रमण बैक्टीरिया को पूरी तरह से नई प्रजातियों में पुनर्वर्गीकृत करने में सक्षम पाया गया था।[21] या यहां तक ​​कि प्रजाति है।[6][22]

इसका उपयोग उन नई प्रजातियों का वर्णन करने के लिए भी किया गया है | जिन्हें कभी भी सफलतापूर्वक संवर्धित नहीं किया गया है।[23][24]

तीसरी पीढ़ी के अनुक्रमण कई प्रयोगशालाओं में आने के साथ, हजारों 16S आरआरएनए अनुक्रमों की एक साथ पहचान घंटों के अन्दर संभव है, जिससे तीसरी पीढ़ी के अनुक्रमण मेटागेनोमिक्स अध्ययनों की अनुमति मिलती है | उदाहरण के लिए आंतों का वनस्पति है |[25]

अतिपरिवर्तनीय क्षेत्र

बैक्टीरियल 16S जीन में नौ अतिपरिवर्तनीय क्षेत्र (V1-V9) होते है। जो लगभग 30 से 100 बेस जोड़े लंबे होते है। जो 30S की द्वितीयक संरचना में सम्मिलित होते हैं।[26] संरक्षण की डिग्री अतिपरिवर्तनीय क्षेत्रों के बीच व्यापक रूप से भिन्न होती है, अधिक संरक्षित क्षेत्रों के साथ उच्च-स्तरीय वर्गीकरण और कम संरक्षित क्षेत्रों से निम्न स्तर, जैसे कि जीनस और प्रजातियां है।[27] जबकि संपूर्ण 16S अनुक्रम सभी अतिपरिवर्तनीय क्षेत्रों की तुलना करने की अनुमति देता है | लगभग 1,500 आधार जोड़े लंबे समय तक यह विविध जीवाणु समुदायों की पहचान करने या उनकी पहचान करने वाले अध्ययनों के लिए निषेधात्मक रूप से महंगा हो सकता है।[27] ये अध्ययन सामान्यतः इल्लुमिना डाई सीक्वेंसिंग का उपयोग करते है। जो क्रमशः 50 गुना और 12,000 गुना कम खर्चीला 454 पायरोइडेंसिंग और अनुक्रमण की तुलना में पढ़ता है।[28] जबकि सस्ता और गहन सामुदायिक कवरेज के लिए अनुमति देता है | इलुमिना सीक्वेंसिंग केवल 75-250 बेस जोड़े लंबे (इलुमिना मिसेक के साथ 300 बेस जोड़े तक) पढ़ता है, और सामुदायिक नमूनों में पूर्ण जीन को बल से जोड़ने के लिए कोई स्थापित प्रोटोकॉल नहीं है।[29] चूँकि, पूर्ण अतिपरिवर्तनीय क्षेत्रों को इल्लुमिना रन से एकत्र किया जा सकता है | जिससे वे प्लेटफॉर्म के लिए आदर्श लक्ष्य बन जाते हैं।[29]

जबकि 16S अतिपरिवर्तनीय क्षेत्र बैक्टीरिया के बीच नाटकीय रूप से भिन्न हो सकते है। 16S जीन पूरी तरह से अपने यूकेरियोटिक समकक्ष (18S राइबोसोमल आरएनए) की तुलना में अधिक लंबाई की एकरूपता बनाए रखता है | जो अनुक्रम संरेखण को आसान बना सकता है।[30] इसके अतिरिक्त, 16S जीन में हाइपरवार्जेबल क्षेत्रों के बीच अत्यधिक संरक्षित अनुक्रम होते है। जो सार्वभौमिक प्राइमरों के रचना को सक्षम करते हैं जो अलग-अलग टैक्सोन में 16S अनुक्रम के समान वर्गों का विश्वसनीय रूप से उत्पादन कर सकते हैं।[31] चूँकि कोई भी अतिपरिवर्तनीय क्षेत्र डोमेन (जीव विज्ञान) से लेकर प्रजातियों तक के सभी बैक्टीरिया को स्पष्ट रूप से वर्गीकृत नहीं कर सकता है, कुछ विशिष्ट टैक्सोनोमिक स्तरों का विश्वसनीय रूप से अनुमान लगा सकते हैं।[27] कई सामुदायिक अध्ययन इस कारण से V4 जैसे अर्ध-संरक्षित अतिपरिवर्तनीय क्षेत्रों का चयन करते है। क्योंकि यह फ़ाइलम स्तर पर पूर्ण 16S जीन के रूप में स्पष्ट रूप से रिज़ॉल्यूशन प्रदान कर सकता है।[27] जबकि कम-संरक्षित क्षेत्र नई प्रजातियों को वर्गीकृत करने के लिए संघर्ष करते हैं जब उच्च क्रम वर्गीकरण अज्ञात होता है | उनका उपयोग अधिकांशतः विशिष्ट रोगजनकों की उपस्थिति का पता लगाने के लिए किया जाता है। चक्रवर्ती एट अल द्वारा अध्ययन में 2007 में, लेखकों ने विभिन्न प्रकार के रोगजनकों के V1-V8 क्षेत्रों की विशेषता निर्धारित की थी, जिससे यह निर्धारित किया जा सके कि रोग-विशिष्ट और व्यापक जांच के लिए कौन परख अतिपरिवर्तनीय क्षेत्र सबसे उपयोगी होंगे।[32] अन्य निष्कर्षों में, उन्होंने नोट किया कि V3 क्षेत्र परीक्षण किए गए सभी रोगजनकों के लिए जीनस की पहचान करने में सबसे अच्छा था, और यह कि V6 संयुक्त राज्य अमेरिका में सभी उल्लेखनीय बीमारियों के बीच अंतर करने वाली प्रजातियों में सबसे स्पष्ट था। बिसहरिया सहित सीडीसी-देखे गए रोगजनकों का परीक्षण किया गया था।[32]

जबकि 16S अतिपरिवर्तनीय रीजन एनालिसिस बैक्टीरियल टैक्सोनॉमिक स्टडीज के लिए शक्तिशाली उपकरण है | यह निकट संबंधी प्रजातियों के बीच अंतर करने के लिए संघर्ष करता है।[31] एंटरोबैक्टीरिया, क्लोस्ट्रीडियासी, और पेप्टोस्ट्रेप्टोकोकासी परिवारों में, प्रजातियां पूर्ण 16 एस जीन में 99% अनुक्रम समानता साझा कर सकती हैं।[33] परिणाम स्वरुप, V4 अनुक्रम केवल कुछ न्यूक्लियोटाइड से भिन्न हो सकते हैं, जिससे संदर्भ डेटाबेस इन जीवाणुओं को निम्न टैक्सोनोमिक स्तरों पर बल से वर्गीकृत करने में असमर्थ हो जाते हैं।[33]अतिपरिवर्तनीय क्षेत्रों का चयन करने के लिए 16S विश्लेषण को सीमित करके, ये अध्ययन बारीकी से संबंधित टैक्सा में अंतरों का निरीक्षण करने और उन्हें एकल टैक्सोनोमिक इकाइयों में समूहित करने में विफल हो सकते है। इसलिए प्रतिरूप की कुल विविधता को कम करके आंका जा सकता है।[31] इसके अतिरिक्त, बैक्टीरियल जीनोम में कई 16S जीन हो सकते हैं, जिनमें V1, V2, और V6 क्षेत्र सबसे बड़ी इंट्रासेप्सी विविधता वाले होते हैं।[7] जबकि बैक्टीरिया प्रजातियों को वर्गीकृत करने का सबसे स्पष्ट विधि नहीं है, अतिपरिवर्तनीय क्षेत्रों का विश्लेषण जीवाणु समुदाय अध्ययन के लिए उपलब्ध सबसे उपयोगी उपकरणों में से एक है।[33]

16S आरआरएनए जीन का संकीर्णता

इस धारणा के अनुसार कि विकास लंबवत संचरण द्वारा संचालित होता है | 16S आरआरएनए जीन को लंबे समय से प्रजाति-विशिष्ट माना जाता है, और आनुवंशिक मार्करों के रूप में अचूक माना जाता है | जो प्रोकैर्योसाइटों के बीच फ़िलेजेनेटिक संबंधों का उल्लेख करते हैं। चूँकि, टिप्पणियों की बढ़ती संख्या इन जीनों के क्षैतिज स्थानांतरण की घटना का सुझाव देती है। प्राकृतिक घटना की टिप्पणियों के अतिरिक्त, इन जीनों की हस्तांतरणीयता को विशेष एस्चेरिचिया कोली आनुवंशिक प्रणाली का उपयोग करके प्रयोगात्मक रूप से समर्थित किया जाता है। होस्ट के रूप में ई. कोलाई के अशक्त उत्परिवर्ती का उपयोग करते हुए, उत्परिवर्ती तनाव के विकास को विदेशी 16S आरआरएनए जीन द्वारा पूरक दिखाया गया था जो कि फ़ाइलम स्तर पर ई. कोलाई से वंशावली के अनुसार अलग थे।[34][35] ऐसी कार्यात्मक संगतता थर्मस थर्मोफिलस में भी देखी गई थी।[36] इसके अतिरिक्त, टी थर्मोफिलस में, पूर्ण और आंशिक जीन स्थानांतरण दोनों देखे गए थे। आंशिक स्थानांतरण के परिणामस्वरूप होस्ट और विदेशी जीवाणु जीन के बीच स्पष्ट रूप से यादृच्छिक चिमेरा (आनुवांशिकी) का स्वतःस्फूर्त उत्पादन हुआ था। इस प्रकार, 16S आरआरएनए जीन कई तंत्रों के माध्यम से विकसित हो सकते है। जिनमें ऊर्ध्वाधर वंशानुक्रम और क्षैतिज जीन स्थानांतरण सम्मिलित है। बाद की आवृत्ति पहले की तुलना में बहुत अधिक हो सकती है।

16S राइबोसोमल डेटाबेस

16S आरआरएनए जीन का उपयोग रोगाणुओं के वर्गीकरण और पहचान के लिए मानक के रूप में किया जाता है | क्योंकि यह अधिकांश रोगाणुओं में उपस्थित होता है और उचित परिवर्तन दिखाता है।[37] अधिकांश बैक्टीरिया और आर्किया के लिए 16S आरआरएनए जीन अनुक्रम के टाइप स्ट्रेन सार्वजनिक डेटाबेस पर उपलब्ध हैं, जैसे बायोटेक्नोलॉजी सूचना के लिए राष्ट्रीय केंद्र चूँकि, इन डेटाबेसों पर पाए जाने वाले अनुक्रमों की गुणवत्ता अधिकांशतः मान्य नहीं होती है। इसलिए, द्वितीयक डेटाबेस जो केवल 16S आरआरएनए अनुक्रम एकत्र करते हैं, जिसका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले डेटाबेस नीचे सूचीबद्ध है।

एज़बायोक्लाउड

एज़बायोक्लाउड डेटाबेस, जिसे पहले एज़टैक्सन डेटाबेस के रूप में जाना जाता था, जिसमें 62,988 बैक्टीरिया और आर्किया प्रजाति/फ़ाइलोटाइप युक्त पूर्ण श्रेणीबद्ध वर्गीकरण प्रणाली सम्मिलित है, जिसमें सितंबर 2018 तक 15,290 वैध प्रकाशित नाम सम्मिलित हैं। अधिकतम-संभावना और ऑर्थोएएनआई जैसे फ़ाइलोजेनेटिक संबंध के आधार पर, सभी प्रजातियाँ / उप-प्रजातियों को कम से कम एक 16S आरआरएनए जीन अनुक्रम द्वारा दर्शाया जाता है। एज़बायोक्लाउड डेटाबेस व्यवस्थित रूप से क्यूरेट और नियमित रूप से अपडेट किया जाता है | जिसमें उपन्यास उम्मीदवार प्रजातियां भी सम्मिलित हैं। इसके अतिरिक्त, वेबसाइट क्यूआईआईएमई और मोथुर पाइपलाइन के लिए एएनआई कैलकुलेटर, प्रतियोगिता 16S और 16S आरआरएनए DB जैसे जैव सूचना विज्ञान उपकरण प्रदान करती है।[38]

राइबोसोमल डेटाबेस प्रोजेक्ट

राइबोसोमल डेटाबेस प्रोजेक्ट (आरडीपी) क्यूरेटेड डेटाबेस है जो संबंधित कार्यक्रमों और सेवाओं के साथ राइबोसोम डेटा प्रदान करता है। प्रस्तुति में राइबोसोमल आरएनए (आरआरएनए) अनुक्रमों के फाइलोजेनेटिक रूप से आदेशित संरेखण, व्युत्पन्न फाइलोजेनेटिक पेड़, आरआरएनए माध्यमिक संरचना आरेख और संरेखण और पेड़ों को संभालने, विश्लेषण करने और प्रदर्शित करने के लिए विभिन्न सॉफ्टवेयर पैकेज सम्मिलित हैं। डेटा एफ़टीपी और इलेक्ट्रॉनिक मेल के माध्यम से उपलब्ध हैं। इलेक्ट्रॉनिक मेल सर्वर द्वारा कुछ विश्लेषणात्मक सेवाएं भी प्रदान की जाती हैं।[39] इसके बड़े आकार के कारण आरडीपी डेटाबेस का उपयोग अधिकांशतः जैव सूचनात्मक उपकरण विकास और मैन्युअल रूप से क्यूरेटेड डेटाबेस बनाने के लिए आधार के रूप में किया जाता है।[40]

सिल्वा

सिल्वा राइबोसोमल आरएनए डेटाबेस सभी तीनों के लिए संरेखित छोटे (16S / 18S राइबोसोमल आरएनए, छोटी सबयूनिट ) और बड़े सबयूनिट (23S राइबोसोमल आरएनए / 28S राइबोसोमल आरएनए, बड़ी सबयूनिट ) राइबोसोमल आरएनए (आरआरएनए) अनुक्रमों के व्यापक, गुणवत्ता की जाँच और नियमित रूप से अपडेट किए गए डेटासेट प्रदान करता है। जीवन के डोमेन के साथ-साथ खोज, प्राइमर-डिज़ाइन और संरेखण उपकरण (बैक्टीरिया, आर्किया और यूकेरिया) का एक समूह है।[41]

ग्रीनजीन

ग्रीनजीन गुणवत्ता नियंत्रित, व्यापक 16S आरआरएनए जीन संदर्भ डेटाबेस और डे नोवो फाइलोजेनी पर आधारित टैक्सोनॉमी है | जो मानक परिचालन टैक्सोनोमिक इकाई समूह प्रदान करता है। यह 2012 और 2013 के बीच वर्षों पहले प्रयुक्त किए गए फ़ाइलोजेनेटिक विधियों से प्रस्तावित टैक्सोनॉमिक शब्दों का उपयोग करता है। तब से, आर्किया और बैक्टीरिया के लिए कई तरह के उपन्यास फ़िलेजेनेटिक विधि प्रस्तावित किए गए हैं।[42][43]

संदर्भ

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बाहरी संबंध

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