PC1-guided transcriptomic stratification reveals hepatic transcriptional heterogeneity and defines a myeloid-associated 20-gene signature

यकृत (लीवर) एक अथक रासायनिक कारखाने की तरह है, जो लगातार हमारे द्वारा खाए गए पदार्थों को संसाधित करता है और हमारे द्वारा पिए गए तरल पदार्थों को फ़िल्टर करता है। जब यह अंग वसा (फैट) के कारण अत्यधिक बोझिल हो जाता है, तो यह एक कम-स्तर की सूजन (लो-ग्रेड इन्फ्लेमेशन) को जन्म दे सकता है जो इसकी अपनी कोशिकाओं को नुकसान पहुँचाती है और मधुमेह और हृदय रोग जैसी गंभीर स्थितियों की नींव रखती है। वैज्ञानिकों ने चूहों का अध्ययन करके, उन्हें उच्च-वसा वाला आहार खिलाकर, और फिर उनके यकृत कोशिकाओं के भीतर आणविक स्विचों (मॉलिक्यूलर स्विचेस) को देखकर यह समझने की लंबे समय से कोशिश की है कि यह वास्तव में कैसे होता है। हालाँकि, एक निरंतर समस्या ने इन अध्ययनों की व्याख्या करना कठिन बना दिया है: यहाँ तक कि जब एक समूह के प्रत्येक चूहे के साथ बिल्कुल एक जैसा व्यवहार किया जाता है, तब भी वे अलग-अलग प्रतिक्रिया देते हैं। कुछ चूहे गंभीर सूजन विकसित करते हैं, जबकि अन्य अपेक्षाकृत शांत रहते हैं, बावजूद इसके कि वे समान जीन और समान आहार साझा करते हैं। यह छिपा हुआ अंतर, या "शोर" (नॉइज़), अक्सर उन स्पष्ट संकेतों को दबा देता है जिन्हें शोधकर्ता खोजने की कोशिश कर रहे होते हैं, जिससे यह पहचानना कठिन हो जाता है कि कोई दवा काम कर रही है या वह कुछ भी नहीं कर रही है।

चीन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में एमलेक्सानॉक्स (Amlexanox) नामक दवा से उपचारित चूहों के यकृत डेटा के संग्रह का पुनर्मूल्यांकन करके इस समस्या का समाधान निकाला। मूल अध्ययन में, चूहों को केवल दो समूहों में विभाजित किया गया था: वे जिन्हें दवा दी गई थी और वे जिन्हें एक हानिरहित प्लेसबो (छद्म औषधि) दिया गया था। जब वैज्ञानिकों ने मानक विधियों का उपयोग करके इन दोनों समूहों की तुलना की, तो उन्होंने यकृत कोशिकाओं की आनुवंशिक गतिविधि में लगभग कोई अंतर नहीं पाया। विश्लेषण ने सुझाव दिया कि दवा ने बहुत कम काम किया, जो एक ऐसा परिणाम था जो दवा की क्षमता के बारे में ज्ञात जानकारी को देखते हुए अजीब लग रहा था। शोधकर्ताओं को एहसास हुआ कि वर्गीकरण का मानक तरीका ही संभवतः इसका कारण था। डेटा को एक सरल "उपचारित" बनाम "अनुपचारित" बॉक्स में जबरन फिट करके, वे व्यक्तिगत जानवरों के भीतर छिपी वास्तविक कहानी को खो रहे थे।

उस कहानी को खोजने के लिए, टीम ने मूल उपचार लेबल को त्याग दिया और चूहों के स्वाभाविक रूप से एक साथ आने (क्लस्टरिंग) के तरीके को देखने के लिए स्वयं आनुवंशिक डेटा का उपयोग किया। उन्होंने चूहों को इस आधार पर वर्गीकृत करने के लिए एक गणितीय दृष्टिकोण का उपयोग किया कि उनकी जीन गतिविधि का समग्र पैटर्न क्या था, न कि इस आधार पर कि उन्हें कौन सी दवा मिली थी। इस नई पद्धति ने खुलासा किया कि चूहे उनकी आंतरिक जीव विज्ञान के आधार पर वास्तव में तीन विशिष्ट समूहों में विभाजित थे। एक समूह में विशिष्ट सेट के सूजन संबंधी जीनों का बहुत निम्न स्तर था, दूसरे में बहुत उच्च स्तर था, और तीसरा कहीं बीच में था। महत्वपूर्ण रूप से, ये समूह इस बात से परिभाषित नहीं थे कि चूहों को दवा मिली या नहीं; बल्कि, उपचारित चूहे तीनों समूहों में बिखरे हुए थे, ठीक वैसे ही जैसे अनुपचारित चूहे थे। इसका अर्थ था कि व्यक्तिगत चूहों के बीच के जैविक अंतर उपचार के प्रभाव की तुलना में कहीं अधिक शक्तिशाली थे।

एक बार जब चूहों को इन तीन प्राकृतिक समूहों में वर्गीकृत कर दिया गया, तो एक स्पष्ट पैटर्न उभर कर आया। शोधकर्ताओं ने बीस जीनों के एक विशिष्ट सेट की पहचान की जो एक जैविक स्विच की तरह कार्य करते हैं, जो इस पर निर्भर करता है कि चूहा किस समूह से संबंधित है कि वे सक्रिय या निष्क्रिय होते हैं। ये जीन माइलॉयड कोशिकाओं (myeloid cells) के रूप में ज्ञात प्रतिरक्षा कोशिकाओं की गतिविधि से मजबूती से जुड़े थे, जो चोट या सूजन के प्रति यकृत के प्रथम उत्तरदाता (फर्स्ट रिस्पॉन्डर) होते हैं। जब शोधकर्ताओं ने इन बीस जीनों की उच्च गतिविधि वाले चूहों को करीब से देखा, तो पाया कि उनका यकृत वातावरण सूजन के लिए तैयार (प्राइम्ड) था, जबकि सबसे कम गतिविधि वाले चूहे बहुत शांत अवस्था में थे। यह बीस-जीन सिग्नेचर यकृत की वास्तविक स्थिति को समझने के लिए एक विश्वसनीय मानचित्र बन गया, जिसने उस भ्रम को दूर कर दिया जो मूल विश्लेषण में बाधा डाल रहा था।

टीम ने फिर परीक्षण किया कि क्या यह नया मानचित्र अन्य स्थितियों में भी काम करता है। उन्होंने चूहों के विभिन्न समूहों के डेटा को देखा जिन्हें दवा के बजाय उच्च-वसा और उच्च-चीनी वाले आहार से खिलाया गया था। इन चूहों में, जब जानवरों को खराब आहार से तनाव दिया गया, तो ये बीस जीन उसी तरह से सक्रिय हुए, जिससे पुष्टि हुई कि यह सिग्नेचर एक सामान्य प्रतिक्रिया है जो यकृत की वसा और सूजन से जुड़ी है, न कि केवल एक विशिष्ट दवा के प्रति प्रतिक्रिया है। उन्होंने गिन्गेटिन (Ginkgetin) नामक एक अन्य पदार्थ से उपचारित चूहों के डेटा की भी जाँच की, जो यकृत की सूजन को कम करने के लिए जाना जाता है। इन चूहों में, बीस जीन शांत हो गए, जिससे पता चला कि यह सिग्नेचर सूजन को सफलतापूर्वक दबाने का पता लगा सकता है। यह समझने के लिए कि ये जीन वास्तव में कहाँ से आ रहे हैं, शोधकर्ताओं ने सिंगल-सेल डेटा का परीक्षण किया, जो वैज्ञानिकों को पूरे अंग के बजाय व्यक्तिगत कोशिकाओं की गतिविधि देखने की अनुमति देता है। उन्होंने पाया कि ये बीस जीन लगभग विशेष रूप से यकृत की प्रतिरक्षा कोशिकाओं, विशेष रूप से माइलॉयड कोशिकाओं में सक्रिय थे, जिससे पुष्टि हुई कि सूजन का संकेत यकृत कोशिकाओं के बजाय शरीर की रक्षा प्रणाली से आ रहा था।

अंत में, शोधकर्ताओं ने पूछा कि क्या मनुष्यों के स्वास्थ्य के लिए इस खोज की कोई प्रासंगिकता है। उन्होंने अपने बीस-जीन सूची में से एक जीन TAGLN2 पर ध्यान केंद्रित किया, जो इसलिए विशिष्ट था क्योंकि इसका मनुष्यों में हृदय रोग के साथ एक मजबूत आनुवंशिक संबंध था। मानव आनुवंशिक जानकारी के बड़े डेटाबेस का उपयोग करते हुए, उन्होंने पाया कि TAGLN2 जीन के विविध रूप कोरोनरी हृदय रोग के उच्च जोखिम से जुड़े थे। यह सुझाव देता है कि वही प्रकार की प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया जो चूहे के यकृत में सूजन पैदा करती है, मनुष्यों में हृदय रोग में भी भूमिका निभा सकती है। हालांकि इस अध्ययन ने यह साबित नहीं किया कि इस जीन को बदलना हृदय रोग को ठीक कर सकता है, लेकिन इसने एक मजबूत आनुवंशिक सुराग प्रदान किया कि यह विशिष्ट प्रतिरक्षा मार्ग वसायुक्त यकृत और हृदय समस्याओं के बीच के संबंध में एक प्रमुख खिलाड़ी है।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि जटिल रोगों के अध्ययन में, विषयों को वर्गीकृत करने का तरीका उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि एकत्र किया गया डेटा। जीवों की जीव विज्ञान को समूह बनाने के लिए मार्गदर्शन देने के बजाय (प्रयोग के लेबल के बजाय), शोधकर्ताओं ने एक छिपे हुए सत्य की परत को उजागर किया जो पहले अदृश्य थी। उन्होंने दिखाया कि यकृत की तनाव के प्रति प्रतिक्रिया एक एकल, एकसमान घटना नहीं है, बल्कि विभिन्न अवस्थाओं का एक स्पेक्ट्रम है, और जीनों का एक छोटा समूह इन अवस्थाओं को सटीकता के साथ ट्रैक कर सकता है। यह दृष्टिकोण व्यक्तिगत भिन्नता के शोर के पार देखने का एक नया तरीका प्रदान करता है, जो यकृत की सूजन कैसे विकसित होती है और भविष्य में इसका उपचार कैसे किया जा सकता है, इसे समझने के लिए एक स्पष्ट मार्ग दिखाता है।