DNA barcoding-based paired daughter cell analysis reveals division preferences of hematopoietic stem cells
यह अध्ययन यह प्रदर्शित करने के लिए एक डीएनए बारकोडिंग-आधारित युग्मित पुत्री कोशिका परख (paired daughter cell assay) प्रस्तुत करता है कि हेमेटोपोएटिक स्टेम सेल विभाजन सममित परिणामों (स्टेम-स्टेम या प्रोजेनिटर-प्रोजेनिटर) की ओर पक्षपाती होते हैं और इन विभाजन पैटर्न को विशिष्ट आणविक हस्ताक्षरों से जोड़ने वाले एचएससी (HSC) अवस्थाओं के एक सातत्य (continuum) को प्रकट करता है।
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द ग्रेट ब्लड फैक्ट्री (रक्त का महान कारखाना)
कल्पना कीजिए कि आपका शरीर एक हलचल भरा, हाई-टेक शहर है जो कभी सोता नहीं है। इस शहर को चलाने के लिए एक विशाल, स्वयं की मरम्मत करने वाला कारखाना है जिसे "ब्लड फैक्ट्री" (रक्त कारखाना) कहा जाता है। इस कारखाने के भीतर, बहुत कम संख्या में मास्टर वर्कर होते हैं जिन्हें हेमेटोपोएटिक स्टेम सेल्स (HSCs) के रूप में जाना जाता है। इन HSCs को इस शहर के परम "फोरमैन" (सुपरवाइजर) के रूप में सोचें। उनका काम दोतरफा है: उन्हें अधिक फोरमैन बनाकर (स्वयं के नवीनीकरण द्वारा) कारखाने को हमेशा चालू रखना है, और उन्हें जीवित रखने के लिए विशेष श्रमिकों (लाल रक्त कोशिकाओं, सफेद रक्त कोशिकाओं, प्लेटलेट्स) की टीमें भेजनी है।
द दशकों से, वैज्ञानिक उस गुप्त नियम पुस्तिका को समझने की कोशिश कर रहे हैं जो ये फोरमैन तब पालन करते हैं जब वे दो भागों में विभाजित होते हैं। क्या वे हमेशा समान रूप से विभाजित होते हैं, जिससे दो नए फोरमैन बनते हैं? क्या वे असमान रूप से विभाजित होते हैं, जिससे एक फोरमैन और एक वर्कर बनता है? या क्या वे कभी-कभी दो वर्कर्स बनाते हैं, जिससे कारखाने के भविष्य को जोखिम में डाल दिया जाता है? इस रहस्य को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं को आमतौर पर "स्प्लिट एंड ट्रांसप्लांट" (विभाजित और प्रत्यारोपित करें) का एक बहुत कठिन खेल खेलना पड़ता है। वे एक फोरमैन लेते हैं, उसे विभाजित होने देते हैं, और फिर उन दो नई कोशिकाओं में से प्रत्येक को एक अलग जानवर में लगाने की कोशिश करते हैं ताकि देखा जा सके कि क्या होता है। लेकिन यह एक सिक्के के उछाल के परिणामों को गिनने की कोशिश करने जैसा है, जहाँ आप केवल कुछ दर्जन बार सिक्का उछालते हैं; वास्तविक पैटर्न की स्पष्ट तस्वीर पाना कठिन है। यह नया अध्ययन एक चालाक नए तरीके का उपयोग करता है जिससे एक साथ हजारों विभाजनों को देखा जा सकता है, जो अंततः रक्त कारखाने की छिपी हुई लय को प्रकट करता है।
द डीएनए बारकोड ब्रेकथ्रू (डीएनए बारकोडिंग की सफलता)
इस अध्ययन में, वैज्ञानिकों की एक टीम ने डीएनए बारकोडिंग नामक चीज़ का उपयोग करके इन मास्टर फोरमैन, या HSCs, को ट्रैक करने का एक सुपर-स्मार्ट तरीका विकसित किया है। कल्पना कीजिए कि हर एक फोरमैन को कारखाने में एक अद्वितीय, अदृश्य टैटू दिया गया है जो अक्षरों की एक रैंडम स्ट्रिंग (एक बारकोड) से बना है। जब एक फोरमैन विभाजित होता है, तो उसके दोनों नए "डॉटर" (पुत्री) कोशिकाएं बिल्कुल उसी समान बारकोड को विरासत में प्राप्त करती हैं।
शोधकर्ताओं ने चूहे के बोन मैरो (अस्थि मज्जा) से इन बारकोडेड फोरमैनों को लिया और उन्हें एक विशेष डिश में रखा ताकि उन्हें केवल एक बार विभाजित होने दिया जा सके। 60 घंटों के बाद, उन्होंने डिश को आधा कर दिया और प्रत्येक आधे हिस्से को एक अलग चूहे में लगा दिया। सोलह सप्ताह बाद, उन्होंने इन चूहों के रक्त की जांच की। यदि उन्हें दोनों चूहों के रक्त में एक ही बारकोड मिला, तो वे निश्चित रूप से जानते थे कि वे दो कोशिकाएं एक ही मूल विभाजन से आई थीं। इसने उन्हें एक साथ 476 जोड़ों का विश्लेषण करने की अनुमति दी—जो पिछले अध्ययनों से एक बड़ी छलांग है जो केवल कुछ दर्जन कोशिकाओं को ही देख सकते थे।
द सरप्राइजिंग "सिमेट्री" रूल (आश्चर्यजनक "सममिति" नियम)
बड़ी खोज क्या थी? फोरमैन आश्चर्यजनक रूप से अनुमानित हैं, लेकिन उस तरह से नहीं जैसा कई वैज्ञानिकों ने उम्मीद की थी।
लंबे समय से, लोगों को लगा था कि HSCs अक्सर "एसिमेट्रिकल" (असमान) रूप से विभाजित हो सकते हैं—एक फोरमैन (पूल को स्थिर रखने के लिए) और एक वर्कर (रक्त बनाने के लिए) बनाकर। हालांकि, इस अध्ययन में पाया गया कि यह "मिश्रित" विभाजन वास्तव में काफी दुर्लभ है। इसके बजाय, HSCs सिमेट्रिकल (सममित) परिणामों को पसंद करते हैं। वे या तो:
- दो फोरमैन में विभाजित होते हैं (स्टेम-स्टेम डिवीजन), जिससे विशेषज्ञों का पूल बढ़ता है।
- दो वर्कर्स में विभाजित होते हैं (प्रोजेनिटर-प्रोजेनिटर डिवीजन), जिससे रक्त की एक लहर पैदा करने के लिए मास्टर स्टेटस का त्याग किया जाता है।
डेटा ने दिखाया कि "मिश्रित" विभाजन (स्टेम-प्रोजेनिटर) रैंडम संभावना के अनुसार होने वाले विभाजन से काफी कम बार हुआ। यह ऐसा है जैसे फोरमैनों के पास एक सख्त नियम है: "या तो हम दोनों बॉस बने रहेंगे, या हम दोनों वर्कर बन जाएंगे; हम अपनी भूमिकाओं को मिलाएंगे नहीं।" यह सुझाव देता है कि इन कोशिकाओं का भाग्य समन्वित है, जैसे कि एक सिंक्रोनाइज्ड डांस, न कि पासे के रैंडम रोल की तरह।
द "लो-आउटपुट" फोरमेन (कम उत्पादन वाले फोरमैन)
शोधकर्ताओं ने इन कोशिकाओं के अंदर "निर्देश नियमावली" (जीन्स) को पढ़ने के लिए सिंगल-सेल आरएनए सीक्वेंसिंग नामक एक हाई-टेक माइक्रोस्कोप का भी उपयोग किया। उन्होंने इन फोरमैनों का एक विशेष समूह खोजा जिसे उन्होंने "लो-आउटपुट HSCs" कहा।
ये लो-आउटपुट फोरमैन कारखाने के "सोते हुए दिग्गजों" की तरह हैं। वे अपने "फोरमैन" अवस्था में बने रहने और अधिक फोरमैन बनाने में अविश्वसनीय रूप से अच्छे हैं, लेकिन वे वास्तविक रक्त कोशिकाएं बनाने में बहुत खराब हैं। वास्तव में, वे अपने स्वयं के विस्तार की तुलना में बहुत कम परिपक्व रक्त कोशिकाएं पैदा करते हैं। अध्ययन बताता है कि ये कोशिकाएं "स्टेम-स्टेम" विभाजन की ओर भारी रूप से झुकी हुई हैं।
उनके जेनेटिक मैनुअल को पढ़कर, वैज्ञानिकों ने पाया कि ये लो-आउटपुट फोरमैन विशिष्ट स्विचों (ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर्स जैसे Pparg और Mef2c) और सिग्नलिंग पाथवे (जैसे WNT और Hypoxia) द्वारा संचालित होते हैं जो उन्हें शांत रहने और स्वयं के नवीनीकरण के लिए निर्देश देते हैं। उन्होंने यह भी पाया कि इन कोशिकाओं में "इंफ्लेमेशन" (सूजन) पाथवे में कम गतिविधि है, जो यह सुझाव देता है कि शांत रहना और तनाव से बचना उन्हें उनकी शुद्ध स्टेम-सेल स्थिति बनाए रखने में मदद करता है।
इसका क्या अर्थ है
यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने किसी बीमारी को ठीक कर दिया है, लेकिन इसने इस नियम को फिर से लिख दिया है कि स्टैम सेल कैसे विभाजित होते हैं। यह सुझाव देता है कि शरीर रक्त के स्तर को बनाए रखने के लिए निरंतर, अस्त-व्यस्त मिश्रण पर निर्भर नहीं करता है। इसके बजाय, यह एक समन्वित प्रणाली का उपयोग करता है जहाँ कोशिकाएं या तो स्टेम सेल बनने पर दोगुना जोर देती हैं या पूरी तरह से रक्त कोशिका बनने के लिए प्रतिबद्ध हो जाती हैं।
शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि जबकि ये "लो-आउटपुट" कोशिकाएं स्वयं के नवीनीकरण के लिए बहुत अच्छी हैं, वे तनाव के समय रक्त उत्पादन के लिए सबसे अच्छी नहीं हो सकती हैं। यह दिलचस्प सवाल उठाता है कि क्या ये कोशिकाएं एक विशिष्ट संकेत की प्रतीक्षा करने वाली एक रिजर्व फोर्स हैं या क्या उनका अत्यधिक आत्म-नवीनीकरण पर ध्यान कभी-कभी समस्याएं भी पैदा कर सकता है।
अंततः, एक साथ सैकड़ों विभाजनों को देखने के लिए डीएनए बारकोड का उपयोग करके, टीम ने हमें दिखाया है कि स्टेम सेल का जीवन हमारी पिछली कल्पना की तुलना में बहुत अधिक व्यवस्थित और "सिमेट्रिकल" है। वे केवल रैंडमली सिक्के नहीं उछाल रहे हैं; वे हमारे रक्त के प्रवाह को बनाए रखने के लिए एक सटीक, समन्वित कोरियोग्राफी का पालन कर रहे हैं।
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