In vivo gene disruption and homology-directed repair in muscles and muscle stem cells using CRISPR/Cas9

प्रत्येक जीवित कोशिका के भीतर, डीएनए एक मास्टर ब्लूप्रिंट के रूप में कार्य करता है, जो एक जीव के निर्माण और रखरखाव के निर्देशों को धारण करता है। कभी-कभी, इन निर्देशों में त्रुटियां आ जाती हैं, जिससे ऐसी बीमारियां होती हैं जो मांसपेशियों के काम करने के तरीके या हृदय की धड़कन को प्रभावित करती हैं। वैज्ञानिकों ने CRISPR/Cas9 नामक एक शक्तिशाली उपकरण विकसित किया है, जो आणविक कैंची (molecular scissors) की एक जोड़ी की तरह कार्य करता है। यह उपकरण डीएनए के एक विशिष्ट स्थान को खोज सकता है और वहां एक साफ कट लगा सकता है। एक बार कट लगने के बाद, कोशिका की प्राकृतिक मरम्मत प्रणाली उस टूट-फूट को ठीक करने के लिए सक्रिय हो जाती है। कोशिका इस मरम्मत को दो मुख्य तरीकों से संभालती है। एक विधि त्वरित और अव्यवस्थित है, जो अक्सर डीएनए को थोड़ा क्षतिग्रस्त या परिवर्तित छोड़ देती है, जिससे एक दोषपूर्ण जीन को निष्क्रिय किया जा सकता है। दूसरी विधि सटीक और सावधानीपूर्ण है; यह एक प्रदान किए गए टेम्पलेट का उपयोग करके टूटे हुए स्थान पर सही अनुक्रम (sequence) की नकल करती है, जिससे प्रभावी रूप से त्रुटि को सही निर्देश में बदल दिया जाता है। यह दूसरी विधि, जिसे होमोलॉजी-डायरेक्टेड रिपेयर (homology-directed repair) कहा जाता है, आनुवंशिक रोगों को ठीक करने के लिए 'होली ग्रेल' (अत्यधिक वांछित लक्ष्य) है क्योंकि यह मूल, स्वस्थ कोड को बहाल कर सकती है। हालांकि, लंबे समय तक वैज्ञानिकों का मानना था कि जबकि यह सटीक मरम्मत कुछ ऊतकों (tissues) में अच्छी तरह से काम करती थी, यह कंकाल की मांसपेशियों (skeletal muscle) में बिल्कुल नहीं होती थी, जो हमारे अंगों को चलाने वाले ऊतक हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम यह परीक्षण करने के लिए निकली कि क्या यह विश्वास सच था और यह समझने के लिए कि एक चूहे के जीवन का समयकरण (timing) उसके शरीर की मांसपेशियों की इस सटीक मरम्मत को करने की क्षमता को कैसे प्रभावित करता है। उन्होंने एक विशेष वायरस का उपयोग किया, जो एक वितरण वाहन (delivery vehicle) के रूप में कार्य करता है, ताकि जीवित चूहों के शरीर में जीन-संपादन उपकरणों को ले जाया जा सके। यह देखने के लिए कि कोशिकाओं के भीतर वास्तव में क्या हुआ, उन्होंने एक ऐसी प्रणाली विकसित की जहाँ एक जीन जो सामान्य रूप से हरा चमकता है, उसे काटा जाएगा और केवल तभी एक ऐसे जीन से बदल दिया जाएगा जो नीला चमकता है, यदि सटीक मरम्मत विधि सफल होती है। इसने उन्हें वास्तविक समय में संपादन की सफलता को ट्रैक करने, उन कोशिकाओं के बीच अंतर करने में सक्षम बनाया जिनके जीन केवल टूट गए थे और वे कोशिकाएं जिन्हें पूरी तरह से ठीक किया गया था। उन्होंने चूहों के जन्म से लेकर किशोर अवस्था तक, विभिन्न आयु के हृदय और कंकाल की मांसपेशियों का परीक्षण किया, ताकि यह देखा जा सके कि जानवर की आयु ने परिणाम को बदला या नहीं।

परिणामों ने दिखाया कि सटीक मरम्मत करने की क्षमता एक स्थिर गुण नहीं है बल्कि यह काफी हद तक ऊतक के प्रकार और जानवर के विकासात्मक चरण पर निर्भर करती है। नवजात चूहों के हृदय में, सटीक मरम्मत उच्च दक्षता के साथ हुई। इसके विपरीत, इन्हीं नवजात शिशुओं की कंकाल की मांसपेशियां इस कार्य में बहुत कम सफल रहीं। हालांकि, जैसे-जैसे चूहे बड़े हुए, स्थिति उलट गई। किशोर चूहों में, कंकाल की मांसपेशी स्टेम कोशिकाएं—जो मांसपेशियों के ऊतकों की मरम्मत और विकास में मदद करने वाले छोटे भंडार हैं—सहजता से सटीक मरम्मत की प्रक्रिया से गुजरीं, और परिपक्व मांसपेशी फाइबर भी ऐसा ही करते थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन पुराने चूहों में हृदय का ऊतक नवजात शिशुओं की तुलना में सटीक मरम्मत करने में कम कुशल हो गया। इसने यह प्रकट किया कि सफल जीन सुधार का अवसर (window) जानवर के विकसित होने के साथ बदल जाता है, जिसमें अलग-अलग ऊतक अलग-अलग समय पर अधिक या कम ग्रहणशील (receptive) होते हैं।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह दृष्टिकोण एक वास्तविक बीमारी को ठीक कर सकता है, टीम ने इस पद्धति को उन चूहों पर लागू किया जिनमें एक विशिष्ट आनुवंशिक दोष था जो मस्कुलर डिस्ट्रोफी के एक रूप का कारण बनता है। यह स्थिति एक उत्परिवर्तन (mutation) के कारण होती है जो एक महत्वपूर्ण मांसपेशी प्रोटीन के उत्पादन को रोकता है। इन चूहों को संपादन उपकरण और एक सही टेम्पलेट प्रदान करके, शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक मांसपेशी कोशिकाओं को सटीक मरम्मत विधि का उपयोग करने के लिए निर्देशित किया। उन्होंने देखा कि कंकाल की मांसपेशियों और हृदय दोनों की कोशिकाएं टूटे हुए प्रोटीन के उत्पादन से बदलकर स्वस्थ, वाइल्ड-टाइप (wild-type) संस्करण का उत्पादन करने लगीं। इसने प्रदर्शित किया कि आनुवंशिक कोड का सटीक पुनर्लेखन केवल एक सैद्धांतिक संभावना नहीं थी, बल्कि जीवित जीवों में एक कार्यात्मक वास्तविकता थी। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि हालांकि जीन मरम्मत के नियम विभिन्न ऊतकों और आयु के अनुसार भिन्न होते हैं, लेकिन मांसपेशियों और हृदय के ऊतकों में आनुवंशिक त्रुटियों को ठीक करने की क्षमता वास्तविक है, बशर्ते सही समय और स्थितियां मौजूद हों। ये निष्कर्ष सटीक जीन सुधार पर निर्भर उपचारों को विकसित करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं, जो दिखाते हैं कि शरीर की अपनी मरम्मत तंत्र को मांसपेशियों के रोग के मूल कारणों को ठीक करने के लिए निर्देशित किया जा सकता है।