A sex-specific regulator expands the embryonic ocular field to generate a novel visual system

ब्लूप्रिंट और वास्तुकार

कल्पना कीजिए कि जीव जगत एक विशाल निर्माण स्थल है जहाँ प्रकृति मुख्य वास्तुकार है। करोड़ों वर्षों से, एक कीट के सिर का ब्लूप्रिंट उल्लेखनीय रूप से स्थिर रहा है। यह एक क्लासिक डिज़ाइन है: शरीर के निश्चित खंड, महसूस करने के लिए दो एंटीना, सोचने के लिए एक मस्तिष्क, और देखने के लिए आँखों का एक विशिष्ट सेट—आमतौर पर किनारों पर बड़ी संयुक्त आँखों की एक जोड़ी और ऊपर तीन छोटी सरल आँखें। यह "मानक संस्करण" वाला कीट सिर इतना सफल रहा है कि इसे 400 मिलियन वर्षों से किसी बड़े नवीनीकरण की आवश्यकता नहीं पड़ी है।

लेकिन कभी-कभी, प्रकृति घर में एक नया विंग (पंख) जोड़ने का निर्णय लेती है। विकासवादी जीव विज्ञान (evolutionary biology) में, इन नई संरचनाओं को "रूपात्मक नवीनता" (morphological novelties) कहा जाता है। आमतौर पर, वे बिना किसी बिल्कुल नए निर्देशों के सेट के अचानक प्रकट नहीं होते हैं। इसके बजाय, प्रकृति एक चतुर पुनर्चक्रणकर्ता (recycler) है। यह एक पुराने, भरोसेमंद निर्माण योजना (एक जेनेटिक प्रोग्राम) को लेता है जिसका उपयोग पहले से ही कुछ और बनाने के लिए किया जा रहा था, और उसी योजना को एक अलग स्थान पर कुछ नया बनाने के लिए फिर से तैनात करता है। इसे इस तरह सोचें जैसे चॉकलेट केक बनाने के लिए उसी रेसिपी का उपयोग अचानक चॉकलेट स्कल्चर बनाने के लिए करना। सामग्री (जीन्स) वही हैं, लेकिन संदर्भ (वे कहाँ और कब उपयोग किए जाते हैं) परिणाम बदल देता है।

बड़ा सवाल जो वैज्ञानिक पूछ रहे हैं, वह यह है: प्रकृति को कैसे पता चलता है कि इन पुरानी रेसिपीज़ को कहाँ चालू करना है? एक विशिष्ट निर्देश को एक नए स्थान पर कैसे चालू किया जाता है ताकि एक बिल्कुल नया अंग बनाया जा सके, विशेष रूप से एक ऐसा अंग जो केवल एक लिंग में दिखाई देता है? यह शोध पत्र उस रहस्य की गहराई में जाता है जिसे एक बहुत ही अजीब कीट की जांच करके सुलझाया गया है: मेफ्लाई (mayfly)।

मेफ्लाई का गुप्त तीसरा नेत्र

मेफ्लाई की दुनिया में, विशेष रूप से Cloeon dipterum नामक प्रजाति में, लड़कों और लड़कियों के बीच एक नाटकीय अंतर होता है। मादाएं विशिष्ट कीटों की तरह दिखती हैं: उनके पास मानक जोड़ी पार्श्व आँखें और ऊपर तीन छोटी आँखें होती हैं। लेकिन नर? वे कीट दृश्य जगत के वीआईपी (VIPs) हैं। मानक आँखों के अलावा, नर मेफ्लाई अपने सिर के बिल्कुल ऊपरी भाग पर आँखों की एक विशाल, अतिरिक्त जोड़ी उगाते हैं। इन्हें "टर्बआईज़" (TurbEyes - टर्बनेटेड आइज़ का संक्षिप्त रूप) कहा जाता है। ये विशाल, जटिल हैं, और इनके साथ मस्तिष्क में अपनी समर्पित वायरिंग भी आती है। वैज्ञानिकों का मानना है कि ये अतिरिक्त आँखें नर को प्रजनन के दौरान होने वाले अराजक, घूमते हुए झुंडों में मादाओं को पहचानने में मदद करती हैं।

रहस्य यह था: नर मेफ्लाई में यह अतिरिक्त आँखों का सेट कैसे विकसित होता है? क्या यह निर्देशों के एक पूरी तरह से नए सेट का उपयोग करता है जो मादाओं के पास नहीं हैं? या क्या यह पुराने निर्देशों का अपहरण करता है?

इस अध्ययन के शोधकर्ताओं ने मेफ्लाई के बढ़ते समय जेनेटिक "निर्माण स्थल" को देखकर इसका पता लगाने का निर्णय लिया। उन्होंने मेफ्ली निम्फ (शिशु अवस्था) के सिर के व्यक्तिगत कोशिकाओं की जेनेटिक गतिविधि को पढ़ने के लिए उच्च तकनीक वाले उपकरणों का उपयोग किया। उन्होंने विभिन्न चरणों में नर और मादा कोशिकाओं की तुलना की ताकि देखा जा सके कि पर्दे के पीछे क्या हो रहा है।

खोज: पुराने ब्लूप्रिंट का पुन: उपयोग
टीम ने पाया कि टर्बआईज़ (TurbEyes) नए निर्देशों के सेट के साथ नहीं बने हैं। इसके बजाय, नर मेफ्लाई ठीक उसी प्राचीन "रेटिनल डिटरमिनेशन जीन नेटवर्क" (RDGN) का उपयोग कर रहा है जो सामान्य आँखों का निर्माण करता है। यह वही जेनेटिक टूलकिट है जो फल मक्खियों से लेकर मनुष्यों तक लगभग सभी जानवरों में आँखें बनाता है। नर मेफ्लाई एक नई आँख का आविष्कार नहीं कर रहा है; वह बस निर्माण क्षेत्र का विस्तार कर रहा है। वह जेनेटिक प्रोग्राम जो आमतौर पर पार्श्व आँखों का निर्माण करता है, उसे सिर के शीर्ष पर एक नए, बड़े क्षेत्र में चालू किया जा रहा है।

स्विच: "DsxM" मास्टर कुंजी
लेकिन यदि ब्लूप्रिंट वही है, तो इस नए स्थान पर इसे चालू करने के लिए स्विच कौन घुमाता है? शोधकर्ताओं ने एक विशेष जेनेटिक "मास्टर की" (master key) की खोज की जो केवल नरों में मौजूद होती है। उन्हें doublesex नामक जीन का एक नया संस्करण मिला (जो यह नियंत्रित करने के लिए प्रसिद्ध है कि एक कीट नर बनेगा या मादा)। इस नए संस्करण को, जिसे उन्होंने dsxM नाम दिया, एक नया 'पैरलॉग' (एक जेनेटिक कजिन) पाया गया।

dsxM को एक विशेष फोरमैन (सुपरवाइजर) के रूप में समझें जो केवल नर निर्माण स्थल पर आता है। यह फोरमैन स्वयं आँख नहीं बनाता; इसके बजाय, वह उस स्थान पर जाता है जहाँ आँख बनाने के निर्देश (eyeless/Pax6) संग्रहीत होते हैं और उन्हें बताता है, "ठीक है, कार्य क्षेत्र का विस्तार करो! आँख को बड़ा बनाओ और इस नए स्थान पर बनाओ!"

प्रमाण
टीम ने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने इसका परीक्षण किया।

1. उन्होंने समय की निगरानी की: उन्होंने देखा कि dsxM भ्रूण के बहुत शुरुआती चरण में सक्रिय होता है, ठीक उसी समय जब सिर का मानचित्र तैयार किया जा रहा होता है, इससे पहले कि अतिरिक्त आँखें शारीरिक रूप से विकसित होना शुरू हों।
2. उन्होंने इसे बंद कर दिया: आरएनए इंटरफेरेंस (RNA interference - जो एक जीन को अस्थायी रूप से शांत करने जैसा है) तकनीक का उपयोग करके, उन्होंने dsxM फोरमैन को काम करने से रोक दिया। जब उन्होंने ऐसा किया, तो नर भ्रूणों में उस क्षेत्र का विस्तार करने में विफल रहे जहाँ आँखें विकसित होनी चाहिए थीं। परिणाम क्या हुआ? नर साधारण मादा की मानक आँखों की तरह छोटी, अपूर्ण आँखों के साथ विकसित हुए।
3. उन्होंने कैंची से इसे तोड़ दिया: उन्होंने कुछ नरों में dsxM जीन को भौतिक रूप से काटने के लिए जीन-एडिटिंग टूल (CRISPR) का भी उपयोग किया। ये "मोज़ेक" नर (जहाँ कुछ कोशिकाओं में टूटा हुआ जीन था और अन्य में नहीं) विकृत, पैची टर्बआईज़ के साथ विकसित हुए, जिससे सिद्ध हुआ कि टर्बआईज़ के सही गठन के लिए dsxM आवश्यक है।

इसका क्या अर्थ है
यह शोध पत्र एक स्पष्ट तंत्र का सुझाव देता है कि कैसे एक पूरी तरह से नए जेनेटिक कोड की आवश्यकता के बिना एक नया, जटिल अंग विकसित हो सकता है। प्रकृति ने नर मेफ्लाई के लिए एक नई आँख का आविष्कार नहीं किया; उसने केवल एक नए स्थान पर पुराने आँख-निर्माण कार्यक्रम को चालू करने का तरीका खोजा, और एक नए स्थान पर निर्माण स्थल का विस्तार करने के लिए एक लिंग-विशिष्ट स्विच (dsxM) का उपयोग किया।

यह अध्ययन इस विचार को खारिज करता है कि टर्बआईज़ एक अद्वितीय, पहले कभी न देखे गए जेनेटिक नेटवर्क द्वारा बनाए गए हैं। इसके बजाय, यह पुष्टि करता है कि नर मेफ्लाई "को-ऑप्शन" (co-option) का उस्ताद है—एक संरक्षित, प्राचीन कार्यक्रम को लेना और एक नई, लिंग-विशिष्ट विशेषता बनाने के लिए उसे फिर से तैनात करना। यह इस बात का सटीक उदाहरण है कि विकास अक्सर नए उपकरण बनाने के बजाय, पुराने उपकरणों का नए तरीकों से, नई समस्याओं को हल करने के लिए उपयोग करके कैसे काम करता है।