How opsins diversified after the teleost whole-genome duplication: Insights from two parietopsins of the red piranha, Pygocentrus nattereri

प्रकाश केवल देखने के संकेत से कहीं अधिक है; कई जानवरों के लिए, यह एक घड़ी, एक दिशा-सूचक यंत्र (कम्पास) और तत्काल दृष्टि से परे दुनिया को महसूस करने का एक तरीका है। प्रकाश को समझने के लिए, जानवर 'ऑप्सिन्स' (opsins) नामक प्रकाश-संवेदनशील प्रोटीन के एक परिवार पर भरोसा करते हैं। ये प्रोटीन कोशिकाओं के भीतर छोटे स्विच की तरह कार्य करते हैं, जो एक फोटॉन को पकड़ने पर चालू हो जाते हैं और घटनाओं की एक श्रृंखला को सक्रिय करते हैं जो मस्तिष्क को बताती है कि बाहर क्या हो रहा है। जबकि मनुष्यों और कई अन्य जानवरों के पास दृष्टि के लिए इन स्विचों का एक मानक सेट होता है, टेलीोस्ट्स (teleosts) नामक मछलियों के एक समूह ने लाखों साल पहले 'होल-जीनोम डुप्लिकेशन' (whole-genome duplication) नामक एक विशाल आनुवंशिक घटना का अनुभव किया। कल्पना कीजिए कि एक पुस्तकालय में जहाँ हर एक किताब की अचानक फोटोकॉपी की गई और उसे वापस अलमारियों में जोड़ दिया गया। इस दोहराव ने इन मछलियों को उनके आनुवंशिक निर्देशों की अतिरिक्त प्रतियां दीं, जिनमें ऑप्सिन्स के निर्देश भी शामिल थे। समय के साथ, ये अतिरिक्त प्रतियां बदल सकती थीं, जिससे मछलियों को प्रकाश को महसूस करने के नए तरीके विकसित करने में मदद मिली, शायद अलग-अलग गहराइयों या दिन के विभिन्न समयों में नेविगेट करने के लिए। वैज्ञानिक लंबे समय से यह जानना चाहते थे कि ये अतिरिक्त प्रतियां वास्तव में मछली की दुनिया को महसूस करने की क्षमता को कैसे बदलती हैं, लेकिन उत्तर मिलना कठिन रहा क्योंकि इनमें से कई परिवर्तन सूक्ष्म हैं और मस्तिष्क के उन हिस्सों में होते हैं जिन्हें हम आसानी से नहीं देख सकते।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने 'पैरिटोप्सिन' (parietopsin) नामक एक विशिष्ट प्रकार के प्रकाश सेंसर को करीब से देखने का निर्णय लिया, जो पीनियल ग्रंथि (pineal gland) में पाया जाता है, जिसे अक्सर "तीसरी आँख" कहा जाता है। अधिकांश मछलियों में, इन सेंसरों का केवल एक ही संस्करण होता है। हालांकि, रेड पिराना, जो दक्षिण अमेरिका की एक मछली है, ने दो अलग-अलग संस्करण रखे हैं, जिन्हें PT1 और PT2 के रूप में जाना जाता है, जो संभवतः उसी प्राचीन आनुवंशिक दोहराव के कारण है। वैज्ञानिक यह जानना चाहते थे कि क्या ये दो संस्करण केवल समान काम करने वाली डुप्लिकेट प्रतियां हैं, या क्या वे कुछ अलग करने के लिए विकसित हुए हैं। उन्होंने तीन प्रमुख प्रश्नों पर ध्यान केंद्रित किया: प्रत्येक संस्करण किस रंग के प्रकाश का पता लगाता है, वे कोशिका के भीतर कौन से रासायनिक संकेत भेजते हैं, और मस्तिष्क में वे वास्तव में कहाँ स्थित हैं।

उत्तर खोजने के लिए, शोधकर्ताओं ने सबसे पहले पिराना के दो सेंसरों के प्रकाश-अवशोषक गुणों की जांच की। उन्होंने प्रयोगशाला में इन प्रोटीनों को बनाया और उस विशिष्ट रंग के प्रकाश को मापा जिस पर वे सबसे अधिक सक्रिय थे। उन्होंने पाया कि दोनों संस्करण बहुत समान थे, जिनमें से एक 517 नैनोमीटर और दूसरा 528 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर चरम (peak) पर था। ये संख्याएं हरे रंग की रोशनी के शेड्स को दर्शाती हैं, और उनके बीच का अंतर बहुत कम है, जो यह सुझाव देता है कि दोनों सेंसर लगभग स्पेक्ट्रम के एक ही हिस्से को देखते हैं। टीम ने मैक्सिकन टेट्रा और जापानी कैटफ़िश जैसी अन्य मछलियों की भी जांच की, जिन्होंने समय के साथ दो में से एक संस्करण खो दिया था। उनके सेंसरों ने भी हरे रंग का अवशोषण किया, हालांकि उनमें मामूली भिन्नताएं थीं, जिससे पुष्टि हुई कि इन प्रजातियों में हरे रंग को देखने की बुनियादी क्षमता संरक्षित रही है।

असली आश्चर्य तब आया जब शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि इन सेंसरों के प्रकाश के संपर्क में आने पर कोशिकाओं के भीतर क्या होता है। उन्होंने 'cAMP' नामक एक रासायनिक संदेशवाहक के स्तर को मापने के लिए एक विशेष परीक्षण (assay) का उपयोग किया, जो एक संकेत के रूप में कार्य करता है जो कोशिका को प्रतिक्रिया देने के लिए कहता है। जब उन्होंने PT1 सेंसर वाले कोशिकाओं पर रोशनी डाली, तो इस रासायनिक संदेशवाहक का स्तर बढ़ गया। हालांकि, जब उन्होंने PT2 सेंसर वाली कोशिकाओं पर रोशनी डाली, तो स्तर कम हो गया। यह एक महत्वपूर्ण अंतर है: दोनों सेंसर, जो लगभग एक जैसे दिखते हैं और एक ही रंग देखते हैं, वास्तव में कोशिका को विपरीत आदेश भेजते हैं। एक कोशिका को एक प्रक्रिया शुरू करने के लिए कहता है, जबकि दूसरा उसे बंद करने के लिए कहता है। शोधकर्ताओं ने कैल्शियम से जुड़े एक अन्य प्रकार के संकेत की भी जांच की, जो शरीर में एक सामान्य रासायनिक संदेशवाहक है, लेकिन पाया कि दोनों में से किसी भी सेंसर ने उनकी परीक्षण स्थितियों के तहत उस मार्ग में कोई स्पष्ट प्रतिक्रिया उत्पन्न नहीं की।

अंत में, टीम ने पिराना के मस्तिष्क के भीतर इन सेंसरों के स्थान का मानचित्र तैयार किया। एक ऐसी तकनीक का उपयोग करते हुए जो सूक्ष्मदर्शी के नीचे इन प्रोटीनों के आनुवंशिक निर्देशों को चमकते हुए देखने की अनुमति देती है, उन्होंने पाया कि PT1 और PT2 अक्सर एक ही कोशिकाओं में पाए जाते हैं। वास्तव में, वे 'पैरापिनोप्सिन' (parapinopsin) नामक एक तीसरे सेंसर के साथ सह-अभिव्यक्त (co-expressed) होते हैं, जो पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश के प्रति संवेदनशील है। शोधकर्ताओं ने कोशिकाओं की गणना की और पाया कि पराबैंगनी सेंसर वाली लगभग आधी कोशिकाओं में दोनों हरे-प्रकाश वाले सेंसर भी मौजूद थे। इसका अर्थ है कि पिराना के मस्तिष्क में एक एकल कोशिका एक जटिल टूलकिट से लैस है: यह पराबैंगनी प्रकाश का पता लगा सकती है, और यह दो अलग-अलग स्विचों का उपयोग करके हरे रंग के प्रकाश का पता लगा सकती है जो विपरीत संकेत भेजते हैं।

अध्ययन से पता चलता है कि जीनोम के दोहराव ने केवल पिराना को उसी चीज़ की अधिक प्रतियां नहीं दीं। इसके बजाय, इसने मस्तिष्क द्वारा प्रकाश को संसाधित करने के तरीके को सूक्ष्म रूप से ट्यून करने की अनुमति दी। दो ऐसे सेंसरों को रखने से जो एक ही रंग का पता लगाते हैं लेकिन विपरीत संकेत भेजते हैं, पिराना शायद प्रकाश के प्रति अपनी संवेदनशीलता को बहुत सटीकता से समायोजित कर सकता है, शायद अपने वातावरण की बदलती प्रकाश स्थितियों को उस मछली की तुलना में अधिक प्रभावी ढंग से संभालने के लिए जिसके पास केवल एक सेंसर है। शोधकर्ता नोट करते हैं कि इस प्रकार का विपरीत संकेत अन्य जानवरों में इस विशिष्ट परिवार के प्रकाश सेंसरों में पहले कभी नहीं देखा गया है। हालांकि जंगल में इस सेटअप का सटीक उद्देश्य एक रहस्य बना हुआ है, यह खोज इस बात पर प्रकाश डालती है कि दृष्टि का विकास केवल अधिक रंगों को देखने के बारे में नहीं है, बल्कि इस बारे में है कि मस्तिष्क उन रंगों की व्याख्या जटिल, कभी-कभी विपरीत रासायनिक संदेशों के माध्यम से कैसे करता है। रेड पिराना, अपने अद्वितीय आनुवंशिक इतिहास के साथ, इस बात की एक स्पष्ट खिड़की प्रदान करता है कि कैसे प्रकृति दुनिया को महसूस करने के परिष्कृत तरीके बनाने के लिए इन आणविक स्विचों के साथ प्रयोग करती है।