Hierarchical cysteine oxidation controls reversible amyloid formation in an ankyrin repeat protein

प्रोटीन जीवन के कार्यवाहक हैं, सूक्ष्म मशीनें जो विशिष्ट कार्यों को करने के लिए सटीक त्रि-आयामी आकारों में मुड़ती हैं। आमतौर पर, एक प्रोटीन का आकार ही उसकी पहचान होता है; यदि वह अपना आकार खो देता है, तो वह काम करना बंद कर देता है। दशकों तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि जब प्रोटीन अपना आकार खो देते हैं और एमिलॉयड (amyloids) नामक कठोर, रस्सी जैसे रेशों में गुच्छे बना लेते हैं, तो यह बीमारी या मृत्यु का संकेत था। ये एमिलॉयड गुच्छे अल्जाइमर और पार्किंसंस जैसी स्थितियों की पहचान हैं, जहाँ वे मस्तिष्क को अवरुद्ध करते हैं और कोशिकाओं को नष्ट कर देते हैं। हालाँकि, शोध के एक बढ़ते समूह ने खुलासा किया है कि कुछ प्रोटीन उपयोगी काम करने के लिए, जैसे हार्मोन को संग्रहीत करने या सुरक्षात्मक बाधाओं के निर्माण के लिए, जानबूझकर इन एमिलॉयड आकारों में बदल सकते हैं। सबसे बड़ा रहस्य यह रहा है कि कोशिका इस स्विच को कैसे नियंत्रित करती है। एक प्रोटीन को यह कैसे पता चलता है कि उसे एक लचीले, कामकाजी उपकरण के रूप में बने रहना है और कब खुद को एक कठोर, रेशेदार संरचना में लॉक कर लेना है बिना किसी नुकसान के?

न्यूजीलैंड की शोधकर्ताओं की एक टीम ने जेब्राफिश के एक प्रोटीन से जुड़े एक परिष्कृत रासायनिक स्विच की खोज की है जो इस प्रश्न का उत्तर देता है। उन्होंने drP18 नामक एक प्रोटीन का अध्ययन किया, जो कोशिका विभाजन पर एक ब्रेक के रूप में कार्य करता है, जिससे ट्यूमर को रोकने में मदद मिलती है। इस प्रोटीन में दो विशेष स्थान होते हैं, जिन्हें सिस्टीन अवशेष (cysteine residues) कहा जाता है, जो रासायनिक हैंडल की तरह कार्य करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये दो हैंडल स्वतंत्र रूप से काम नहीं करते हैं। इसके बजाय, वे एक सख्त पदानुक्रम (hierarchy) में संचालित होते हैं, जहाँ एक हैंडल दूसरे को नियंत्रित करता है। जब प्रोटीन को शरीर में पाए जाने वाले विशिष्ट रासायनिक संकेतों के संपर्क में लाया जाता है, तो पहला हैंडल दूसरे को दूर लॉक कर देता है, जिससे प्रोटीन सुरक्षित और कार्यात्मक रहता है। लेकिन यदि रासायनिक स्थितियाँ बदल जाती हैं, तो पहले हैंडल को एक अलग अणु द्वारा ब्लॉक कर दिया जाता है, जिससे दूसरा हैंडल अन्य प्रोटीनों को पकड़ने के लिए मुक्त हो जाता है। यह एक तीव्र परिवर्तन को ट्रिगर करता है जहाँ प्रोटीन आपस में जुड़कर लंबे, प्रतिवर्ती (reversible) एमिलॉयड रेशे बनाते हैं। उल्लेखनीय रूप से, शोधकर्ताओं ने पाया कि यह पूरी प्रक्रिया मौजूद रासायनिक ऑक्सीडेंट के प्रकार द्वारा नियंत्रित होती है, और बनने वाले रेशों को उतनी ही आसानी से अलग किया जा सकता है जितना उन्हें बनाया गया था, जिससे प्रोटीन अपनी मूल, कामकाजी अवस्था में वापस आ जाता है।

कहानी इस खोज के साथ शुरू होती है कि यह जेब्राफिश प्रोटीन, drP18, अपने मानव संबंधी की तुलना में अलग व्यवहार करता है। जबकि मानव संस्करण में इन रासायनिक हैंडलों में से केवल एक होता है, जेब्राफिश संस्करण में दो होते हैं, जो प्रोटीन की सतह पर दूर-दूर स्थित होते हैं। शोधकर्ता देखना चाहते थे कि क्या ये दो हैंडल एक अधिक जटिल नियंत्रण प्रणाली बनाते हैं। उन्होंने प्रोटीन को विभिन्न सामान्य ऑक्सीकरण एजेंटों (oxidizing agents) के संपर्क में रखकर शुरुआत की, जो ऐसे रसायन हैं जो इलेक्ट्रॉन को हटा देते हैं और प्रोटीन के व्यवहार को बदल सकते हैं। जब उन्होंने डायमाइड (diamide) नामक रसायन का उपयोग किया, तो एक एकल प्रोटीन अणु के दोनों हैंडलों ने एक-दूसरे को पकड़ा, जिससे प्रोटीन के भीतर एक लूप बन गया। इस आंतरिक लूप ने एक सुरक्षा लॉक के रूप में कार्य किया, जिससे प्रोटीन का गुच्छा बनना रुक गया। प्रोटीन लचीला और एकल बना रहा, जो एमिलॉयड से जुड़े कठोर रेशे बनाने में असमर्थ था।

हालाँकि, परिणाम पूरी तरह से बदल गया जब शोधकर्ताओं ने हाइपोथियोसाइनस एसिड (hypothiocyanous acid) नामक एक अलग रसायन पेश किया, जो प्रतिरक्षा प्रणाली द्वारा उत्पादित होता है। इन स्थितियों के तहत, स्थिति 50 पर स्थित पहला हैंडल दूसरे हैंडल को नहीं पकड़ता है। इसके बजाय, यह ग्लूटाथियोन (glutathione) नामक एक छोटे अणु से ढंक जाता है, जो कोशिकाओं में प्रचुर मात्रा में होता है। यह कोटिंग एक ढाल के रूप में कार्य करती है, जो पहले हैंडल को दूसरे को लॉक करने से रोकती है। पहले हैंडल के व्यस्त होने के साथ, स्थिति 128 पर स्थित दूसरा हैंडल मुक्त रह जाता है। जब ऑक्सीकरण करने वाला रसायन आता है, तो यह मुक्त हैंडल पड़ोसी प्रोटीन के उसी हैंडल को पकड़ लेता है। इसने एक श्रृंखला अभिक्रिया (chain reaction) पैदा की, जिससे कई प्रोटीन आपस में जुड़कर डाइमर (dimers) और फिर लंबे, रस्सी जैसे रेशों में बदल गए। शोधकर्ताओं ने प्रकाश के प्रकीर्णन (scattering light) का अवलोकन करके और शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे देखकर पुष्टि की कि ये रेशे एमिलॉयड थे, जहाँ वे स्पष्ट, धागे जैसी संरचनाओं के रूप में दिखाई दिए।

जो इस खोज को वास्तव में अद्वितीय बनाता था, वह यह अहसास था कि प्रोटीन आगे और पीछे की ओर स्विच कर सकता है। शोधकर्ताओं ने एक रिड्यूसिंग एजेंट (reducing agent) जोड़ा, जो प्रोटीनों को जोड़ने वाले बंधों को तोड़ने वाला रसायन है, और देखा कि लंबे रेशे वापस व्यक्तिगत, कामकाजी प्रोटीनों में घुल गए। इस प्रतिवर्तीता (reversibility) ने सिद्ध किया कि एमिलॉयड निर्माण क्षति या बीमारी का संकेत नहीं था, बल्कि एक नियंत्रित, कार्यात्मक प्रक्रिया थी। टीम ने फिर परीक्षण किया कि क्या ऑक्सीकरण करने वाले रसायन का प्रकार मायने रखता है। उन्होंने पाया कि विभिन्न रसायनों ने अलग-अलग आकार और निर्माण की गति वाले एमिलॉयड रेशे बनाए। कुछ रसायनों ने लंबे, बंधे हुए रस्सियों जैसे रेशे बनाए, जबकि अन्य ने छोटे, अधिक खंडित धागे बनाए। इससे यह सुझाव मिला कि कोशिका केवल रासायनिक वातावरण को बदलकर एमिलॉयड रेशों की संरचना को ट्यून कर सकती है, जिससे विभिन्न कार्यात्मक परिणाम प्राप्त होते हैं।

यह समझने के लिए कि आणविक स्तर पर यह तंत्र कैसे काम करता है, शोधकर्ताओं ने हैंडलों के बहुत करीब से अध्ययन किया। उन्होंने प्रत्येक हैंडल की रासायनिक क्षमता को मापने के लिए उसका परीक्षण किया कि कौन सा पहले प्रतिक्रिया करता है। उन्होंने पाया कि स्थिति 50 वाला हैंडल अधिक प्रतिक्रियाशील था और स्थिति 128 वाले से पहले ऑक्सीकृत होगा। इसने स्विच की पदानुक्रमित प्रकृति की पुष्टि की: पहला हैंडल एक नियामक के रूप में कार्य करता है, यह तय करता है कि क्या दूसरा हैंडल अपना काम करने के लिए उपलब्ध है। जब पहला हैंडल खाली होता है, तो यह दूसरे को लॉक कर देता है, जिससे प्रोटीन अपने सुरक्षित, एकल रूप में रहता है। जब पहले हैंडल को ग्लूटाथियोन द्वारा ब्लॉक कर दिया जाता है, तो दूसरा हैंडल एमिलॉयड संरचना बनाने के लिए मुक्त हो जाता है। यह दो-चरणीय प्रक्रिया सुनिश्चित करती है कि प्रोटीन केवल तभी एमिलॉयड बनाता है जब विशिष्ट रासायनिक स्थितियाँ सही हों।

शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि इस परिवर्तन के दौरान प्रोटीन के कार्य पर क्या प्रभाव पड़ता है। अपने सामान्य, एकल रूप में, प्रोटीन CDK4 नामक एक प्रमुख एंजाइम पर ब्रेक के रूप में कार्य करता है, जो कोशिका विभाजन को संचालित करता है। उन्होंने पाया कि जब प्रोटीन ने एमिलॉयड रेशे बनाए, तो इसने एंजाइम को रोकने की अपनी क्षमता खो दी। कोशिका विभाजन का ब्रेक प्रभावी रूप से बंद हो गया। हालाँकि, जब उन्होंने रेशों को तोड़कर प्रोटीन को उसके एकल रूप में वापस लाया, तो इसने एंजाइम को रोकने की अपनी क्षमता फिर से प्राप्त कर ली। इससे पता चला कि एकल रूप और एमिलॉयड रूप के बीच का स्विच प्रोटीन के कार्य को चालू और बंद करने का एक सीधा तरीका था। एमिलॉयड अवस्था कोई अंत नहीं थी; यह एक अस्थायी, प्रतिवर्ती भंडारण या निष्क्रियता अवस्था थी।

यह देखने के लिए कि क्या यह एक जीवित जीव में भी होता है, शोधकर्ताओं ने जेब्राफिश भ्रूणों में प्रोटीन के लिए आनुवंशिक निर्देशों को इंजेक्ट किया। जैसे-जैसे भ्रूण विकसित हुए, प्रोटीन ने गुच्छे बनाए जो एमिलॉयड संरचनाओं से बंधने वाले डाई (dye) से रंग गए। ये गुच्छे कोशिकाओं के भीतर दिखाई दे रहे थे और गायब हो गए जब शोधकर्ताओं ने ऊतकों का उपचार एक रिड्यूसिंग एजेंट के साथ किया। इसने पुष्टि की कि प्रोटीन जीवित जानवर के भीतर भी इस ऑक्सीकरण-संचालित परिवर्तन से गुजर सकता है, जो संभवतः विकास के दौरान मौजूद प्राकृतिक ऑक्सीकरण रसायनों द्वारा प्रेरित होता है। निष्कर्ष बताते हैं कि प्रकृति ने एक तरीका विकसित किया है जिससे वह उन्हीं रासायनिक सिद्धांतों का उपयोग कर सकती है जो मनुष्यों में बीमारी का कारण बनते हैं, ताकि अन्य जीवों में एक कार्यात्मक, प्रतिवर्ती स्विच बनाया जा सके।

यह कार्य इस पुराने दृष्टिकोण को चुनौती देता है कि एमिलॉयड निर्माण हमेशा कोशिकीय विफलता का संकेत है। इसके बजाय, यह दिखाता है कि प्रोटीन स्वयं के संयोजन को नियंत्रित करने के लिए जटिल, बहु-चरणीय निर्देश एनकोड कर सकते हैं। जेब्राफिश प्रोटीन एक नियामक हैंडल का उपयोग करके एक निष्पादक (executioner) हैंडल की रक्षा करता है, जिससे एक परिष्कृत रासायनिक स्विच बनता है जो पर्यावरण के प्रति संवेदनशील होता है। आवश्यकतानुसार इन संरचनाओं को बनाने और नष्ट करने की क्षमता यह सुझाव देती है कि कोशिकाएं अन्य प्रोटीनों को प्रबंधित करने के लिए समान तंत्रों का उपयोग कर सकती हैं, उन्हें आवश्यकतानुसार अस्थायी भंडारण इकाइयों या संरचनात्मक मचानों (scaffolds) में बदल सकती हैं। यह शोध इस बात पर प्रकाश डालता है कि एक कार्यात्मक प्रोटीन और एक रोगजनक गुच्छे के बीच की सीमा निश्चित नहीं है, बल्कि सटीक रासायनिक नियंत्रण के माध्यम से इसे पार किया जा सकता है और फिर से स्थापित किया जा सकता है। इन स्विचों के काम करने के तरीके को समझकर, वैज्ञानिक यह समझने के नए तरीके प्राप्त कर सकते हैं कि कोशिकाएं अपनी सबसे महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं को कैसे नियंत्रित करती हैं और भविष्य में इन मार्गों को कैसे संभावित रूप से नियंत्रित किया जा सकता है।