Deep axonal proteomics of human iPSC-derived neurons by microfluidic separation and DIA-MS
यह अध्ययन माइक्रोफ्लुइडिक पृथक्करण को ऑर्बिट्रैप एस्ट्रल मास स्पेक्ट्रोमीटर पर DIA-MS के साथ जोड़कर, iPSC-व्युत्पन्न न्यूरॉन्स में कम्पार्टमेंट-विशिष्ट प्रोटिओम को प्रोफाइल करने हेतु अब तक का सबसे गहरा मानव एक्सोनल प्रोटिओम स्थापित करता है, जो विशिष्ट एक्सोनल हस्ताक्षरों को प्रकट करता है और न्यूरोडीजेनेरेटिव रोग तंत्रों को समझने के लिए एक मात्रात्मक संदर्भ प्रदान करता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। यह एक ऐसे प्रीप्रिंट की AI से तैयार की गई व्याख्या है जिसकी अभी सहकर्मी समीक्षा नहीं हुई है। यह चिकित्सकीय सलाह नहीं है। इस सामग्री के आधार पर स्वास्थ्य संबंधी फैसले न लें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
कोशिका का शहर: एक लंबी, अकेली सड़क का दौरा
एक ऐसे शहर की कल्पना करें जहाँ मेयर और शहर के योजनाकार "सोमा" नामक एक हलचल भरे डाउनटाउन जिले में रहते हैं, लेकिन शहर के सबसे महत्वपूर्ण संदेशवाहकों को पैकेज पहुँचाने के लिए एक ही, संकीले राजमार्ग पर सैकड़ों मील नीचे यात्रा करनी पड़ती है। जीव विज्ञान की दुनिया में, यह शहर एक न्यूरॉन (neuron), यानी तंत्रिका कोशिका है। डाउनटाउन कोशिका का शरीर (cell body) है, जहाँ डीएनए (DNA) की लाइब्रेरी और नए प्रोटीन बनाने वाली फैक्ट्री स्थित है। राजमार्ग एक्सॉन (axon) है, जो एक लंबा, पतला तार है जो मनुष्यों में एक मीटर से अधिक तक खिंच सकता है, जो मस्तिष्क को आपके पैरों के पंजों से जोड़ता है।
लंबे समय तक, वैज्ञानिक केवल डाउनटाउन क्षेत्र का ही अध्ययन कर सकते थे। वे आसानी से कोशिका शरीर को इकट्ठा कर सकते थे और देख सकते थे कि वहाँ कौन से प्रोटीन बनाए जा रहे हैं। लेकिन एक्सॉन? यह पूरे शहर को उपग्रह (satellite) से देखने जैसा था, जैसे किसी राजमार्ग के एक विशिष्ट मील का अध्ययन करने की कोशिश करना। एक्सॉन इतना पतला और इतना दूर है कि "डाउनटाउन" को गलती से पकड़े बिना केवल "सड़क" को अलग करना अविश्वसनीय रूप से कठिन था। यह एक बड़ी समस्या थी क्योंकि हम जानते हैं कि ALS और हेरेडिटरी स्पैस्टिक पैराप्लेजिया (hereditary spastic paraplegia) जैसी बीमारियों में, परेशानी अक्सर उस लंबी, अकेली सड़क पर शुरू होती है, न कि शहर के केंद्र में। सड़क क्यों टूटती है, इसे समझने के लिए हमें यह देखना होगा कि उस पर वास्तव में क्या है, लेकिन अब तक, केवल राजमार्ग की क्लोज-अप तस्वीर लेने के उपकरण गायब थे।
माइक्रो-टनल डकैती और सुपर-स्निफर
यह शोध पत्र एक ऐसी टीम के बारे में है जिसने अंततः "डाउनटाउन" (कोशिका शरीर) को छुए बिना "राजमार्ग" (एक्सॉन) का शुद्ध नमूना चुराने के लिए एक डकैती सफलतापूर्वक अंजाम दी। उन्होंने सूक्ष्म सुरंगों वाले छोटे, कस्टम-मेड प्लास्टिक चिप्स के उपयोग से यह किया। उन्होंने इन चिप्स पर मानव तंत्रिका कोशिकाएं (स्टेम कोशिकाओं से निर्मित) विकसित कीं। कोशिका शरीर इन छोटी सुरंगों में फिट होने के लिए बहुत मोटे थे, लेकिन एक्सॉन, जो लंबे और पतले होते हैं, अपना रास्ता बनाते हुए दूसरी ओर के एक अलग कक्ष में पहुँच गए। यह एक ऐसा शहर बनाने जैसा था जहाँ उपनगरों को डाउनटाउन से एक ऐसी सुरंग द्वारा जोड़ा गया है जो इतनी संकीर्ण है कि केवल डिलीवरी ट्रक ही गुजर सकते हैं, जिससे शहर के योजनाकार केंद्र में ही फंसे रह जाते हैं।
एक बार जब उन्होंने इन अलग किए गए एक्सॉन प्राप्त कर लिए, तो उनके सामने दूसरी समस्या आई: अध्ययन करने के लिए लगभग कोई सामग्री ही नहीं बची थी। उनके द्वारा एकत्र किए गए एक्सॉन इतने छोटे थे कि उनमें केवल लगभग 50 नैनोग्राम प्रोटीन था—जो रेत के एक अकेले कण के वजन के बराबर है। पारंपरिक सूक्ष्मदर्शी और रासायनिक स्कैनर को आमतौर पर काम करने के लिए सामग्री का एक पूरा पहाड़ चाहिए होता है। इस समस्या को हल करने के लिए, टीम ने ऑर्बिट्रैप एस्ट्रल (Orbitrap Astral) नामक एक सुपर-सेंसिटिव मशीन का उपयोग किया, जो एक "सुपर-स्निफर" की तरह कार्य करती है और सूक्ष्म आणविक सुगंधों का पता लगाने में सक्षम है। उन्होंने इसे DIA-MS नामक तकनीक के साथ जोड़ा, जो नमूने के प्रत्येक प्रोटीन की एक साथ हाई-स्पीड फोटो लेने जैसा है, बजाय इसके कि किन प्रोटीनों को देखना है इसका अनुमान लगाया जाए।
सड़क पर उन्हें क्या मिला
परिणाम एक बड़ी सफलता थे। माइक्रो-टनल्स और सुपर-स्निफर के इस नए संयोजन का उपयोग करके, टीम ने एक्सोनल कंपार्टमेंट में लगभग 6,000 विभिन्न प्रोटीनों की पहचान और गणना करने में सफलता प्राप्त की। यह मानव एक्सॉन का अब तक का सबसे गहरा, सबसे विस्तृत मानचित्र है, जो वैज्ञानिकों द्वारा पहले देखे गए हिस्से से दोगुने से भी अधिक है। कोशिका शरीर में, उन्होंने लगभग 9,000 प्रोटीन पाए।
जब उन्होंने दोनों सूचियों की तुलना की, तो उन्होंने पाया कि एक्सॉन केवल एक निष्क्रिय तार नहीं है; यह एक व्यस्त, विशेषीकृत फैक्ट्री है। उन्होंने खोजा कि 1,250 प्रोटीन विशेष रूप से एक्सॉन में समृद्ध (enriched) थे। ये प्रोटीन मुख्य रूप से वेसिकल्स (छोटे डिलीवरी ट्रक) को चलाने, साइटोस्केलेटन (सड़क के संरचनात्मक बीम) को प्रबंधित करने और सिनैप्टिक संकेतों (लाइन के अंत में ट्रैफिक लाइट) को संभालने में शामिल थे। इसके विपरीत, कोशिका शरीर उन प्रोटीनों से भरा था जो डीएनए को पढ़ने और नया आरएनए (RNA) बनाने में शामिल थे, जो तर्कसंगत है क्योंकि ब्लूप्रिंट वहीं रखे जाते हैं।
टीम ने दो अलग-अलग प्रकार के न्यूरॉन्स को भी देखा: कॉर्टिकल न्यूरॉन्स (मस्तिष्क के सोचने वाले केंद्र से) और लोअर मोटर न्यूरॉन्स (जो मांसपेशियों से जुड़ते हैं)। उन्होंने एक "कोर सेट" पाया जिसमें 417 प्रोटीन दोनों प्रकार के न्यूरॉन्स के एक्सॉन्स में समृद्ध थे। यह सुझाव देता है कि आप चाहे किसी भी प्रकार के न्यूरॉन हों, आपके एक्सॉन के पास जीवित रहने और अपना काम करने के लिए एक मानक टूलकिट होती है। हालाँकि, उन्होंने सूक्ष्म अंतर भी पाए। लोअर मोटर न्यूरॉन्स के एक्सॉन्स में माइटोकॉन्ड्रिया (कोशिका के पावर प्लांट) से संबंधित अधिक प्रोटीन थे, जबकि कॉर्टिकल न्यूरॉन एक्सॉन्स में लाइसोसोम (कोशिका के रीसाइक्लिंग सेंटर) से संबंधित अधिक प्रोटीन थे। यह सुझाव देता है कि विभिन्न प्रकार के न्यूरॉन्स अपनी लंबी सड़कों के लिए अलग-अलग रखरखाव रणनीतियों पर निर्भर हो सकते हैं।
यह बीमारी के लिए क्यों महत्वपूर्ण है
वैज्ञानिकों ने फिर अपने नए मानचित्र को उन जीनों की सूची के साथ ओवरले किया जो ALS और हेरेडिटरी स्पैस्टिक पैराप्लेजिया जैसी न्यूरोडीजेनेरेटिव बीमारियों का कारण बनते हैं। उन्होंने पाया कि अधिकांश बीमारी पैदा करने वाले प्रोटीन स्वाभाविक रूप से एक्सॉन में केंद्रित नहीं थे; वे हर जगह पाए गए। यह एक महत्वपूर्ण खोज है। यह सुझाव देता है कि ये बीमारियाँ इसलिए नहीं होती हैं क्योंकि खराब प्रोटीन एक्सॉन में छिपे होते हैं; बल्कि, बीमारी इसलिए होती है क्योंकि एक्सॉन इतना संवेदनशील होता है कि जब ये प्रोटीन खराब होते हैं, तो एक्सॉन ही सबसे पहले टूट जाता है।
शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि यह नया वर्कफ़्लो एक शक्तिशाली उपकरण है। यह वैज्ञानिकों को पहली बार स्पष्ट रूप से एक्सॉन को देखने की अनुमति देता है, जिससे पता चलता है कि हालांकि एक्सॉन विभिन्न न्यूरॉन प्रकारों में एक सामान्य "कोर" टूलकिट साझा करता है, लेकिन इसकी अपनी अनूठी, विशिष्ट आवश्यकताएं भी हैं। इस विस्तृत मानचित्र के साथ, शोधकर्ता अब यह समझने की दिशा में बढ़ सकते हैं कि बीमारियाँ एक्सॉन के नाजुक संतुलन को ठीक कैसे बाधित करती हैं, जिससे संभावित रूप से शहर के ढहने से पहले सड़क की रक्षा करके इन स्थितियों के उपचार के बेहतर तरीके विकसित किए जा सकते हैं।
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