Interaction of light-dark and dietary cues prime Drosophila ovarian stem cell properties by precisely tuning Drp1 recruitment and organization on mitochondria

जानवरों के शरीर के भीतर, फल मक्खियों से लेकर मनुष्यों तक, कोशिकाओं के छोटे भंडार होते हैं जिन्हें स्टेम कोशिकाएं (stem cells) कहा जाता है। ये शरीर की मरम्मत करने वाली टीम हैं, जो 'निच' (niches) नामक विशिष्ट मोहल्लों में शांति से बैठी रहती हैं और जागने के लिए किसी संकेत का इंतजार करती हैं। जब वे जागती हैं, तो वे घिसे-पिटे ऊतकों को बदलने या घाव भरने के लिए विभाजित होती हैं। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि इन कोशिकाओं को काम करने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है, और यह ऊर्जा कोशिका के भीतर सूक्ष्म बिजली घरों से आती है जिन्हें माइटोकॉन्ड्रिया (mitochondria) कहा जाता है। लेकिन ये बिजली घर किस तरह के आकार और संगठन में होते हैं ताकि वे एक स्टेम कोशिका को यह तय करने में मदद कर सकें कि सोए रहना है या काम शुरू करना है, यह एक रहस्य बना हुआ था। शोधकर्ताओं को लंबे समय से संदेह था कि माइटोकॉन्ड्रिया का आकार महत्वपूर्ण है, लेकिन उनके पास इस बात की स्पष्ट तस्वीर नहीं थी कि शरीर की आंतरिक घड़ी और जीव द्वारा खाया जाने वाला भोजन मिलकर इस आकार को कैसे नियंत्रित करते हैं।

भारत में अशोक विश्वविद्यालय और अलाबामा विश्वविद्यालय एट बर्मिंघम के वैज्ञानिकों की एक टीम ने अब एक सटीक तंत्र का पता लगाया है जो प्रकाश और अंधेरे के दैनिक चक्र, फल मक्खी द्वारा खाए जाने वाले भोजन और उसके माइटोकॉन्ड्रिया के आकार को जोड़ता है। उन्होंने फल मक्खी, ड्रोसोफिला (Drosophila) के अंडाशय पर ध्यान केंद्रित किया, जिसमें अंडे बनाने वाली स्टेम कोशिकाएं होती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन स्टेम कोशिकाओं के लिए प्रोटीन युक्त भोजन के प्रति प्रतिक्रिया करने और अंडे बनाने के लिए शुरू करने के लिए, उन्हें पहले प्रकाश और अंधेरे के एक विशिष्ट लय द्वारा "प्राइम" (तैयार) किया जाना चाहिए। इस प्राइमिंग में डॉपी1 (Drp1) नामक एक प्रोटीन शामिल है, जो कैंची की एक जोड़ी की तरह कार्य करता है जो माइटोकॉन्ड्रिया को छोटे टुकड़ों में काट देता है। अध्ययन से पता चलता है कि प्रकाश और अंधेरे का समय, जिसे क्रिप्टोक्रोम (Cryptochrome) नामक प्रोटीन द्वारा महसूस किया जाता है, स्टेम कोशिकाओं को यह बताता है कि उन्हें इन कैंचियों का उपयोग कैसे करना है और उन्हें माइटोकॉन्ड्रिया पर कहाँ रखना है। यदि यह समय गलत हो, या यदि आहार में एक विशिष्ट पोषक तत्व की कमी हो, तो स्टेम कोशिकाएं ठीक से सक्रिय नहीं हो पाती हैं, भले ही पर्याप्त भोजन उपलब्ध हो।

शोधकर्ताओं ने पहले यह देखना शुरू किया कि फल मक्खियां विभिन्न आहारों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती हैं। वे जानते थे कि प्रोटीन से भरपूर आहार आमतौर पर अंडों का उत्पादन बढ़ाने के लिए अंडाशय को सक्रिय करता है, जबकि चीनी से भरपूर आहार अंडे के उत्पादन को रोक सकता है, जो मनुष्यों में मधुमेह जैसी स्थिति की नकल करता है। वे यह देखना चाहते थे कि क्या वे स्टेम कोशिकाओं में बदलाव करके उच्च-चीनी वाले आहार की समस्या को ठीक कर सकते हैं। उन्होंने डॉपी1 प्रोटीन के थोड़े अलग स्तर वाली मक्खियों को बनाने के लिए आनुवंशिक उपकरणों का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि जब डॉपी1 प्रोटीन को थोड़ा कम किया गया था—इतना कि वह ध्यान देने योग्य हो लेकिन कोशिका को तोड़ने के लिए पर्याप्त न हो—तो स्टेम कोशिकाएं अत्यधिक संवेदनशील हो गईं। ये "प्राइम" की गई स्टेम कोशिकाएं उच्च-चीनी वाले आहार के नकारात्मक प्रभावों को अनदेखा कर सकती थीं और उतनी ही अच्छी तरह से अंडे बना सकती थीं जितना कि वे स्वस्थ आहार पर बनाती हैं। हालांकि, यदि डॉपी1 प्रोटीन को पूरी तरह से हटा दिया जाता या बहुत अधिक कम कर दिया जाता, तो स्टेम कोशिकाएं काम करने में विफल रहतीं। इससे पता चला कि इस प्रोटीन के लिए एक "गोल्डिलॉक्स" (Goldilocks) ज़ोन है: इसे स्टेम कोशिकाओं को कार्रवाई के लिए तैयार रखने के लिए एक बहुत ही विशिष्ट स्तर पर ट्यून करने की आवश्यकता है।

यह समझने के लिए कि कोशिकाओं के भीतर क्या हो रहा था, वैज्ञानिकों ने अत्यंत शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी से माइटोकॉन्ड्रिया का अवलोकन किया। उन्होंने देखा कि प्राइम की गई स्टेम कोशिकाओं में, माइटोकॉन्ड्रिया केवल आकारों का एक यादृच्छिक समूह नहीं थे। इसके बजाय, डॉपी1 प्रोटीन माइटोकॉन्ड्रिया पर एक बहुत ही विशिष्ट पैटर्न में एकत्र होता था। उन कोशिकाओं में जो काम करने के लिए तैयार थीं, डॉपी1 प्रोटीन माइटोकॉन्ड्रिया की सतह पर एक निश्चित आकार और संख्या के समूहों में बनता था। जब शोधकर्ताओं ने गैर-प्राइम की गई कोशिकाओं को देखा, तो यह पैटर्न गायब था। डॉपी1 प्रोटीन या तो हर जगह बिखरा हुआ था या सही मात्रा में मौजूद नहीं था। यह सटीक व्यवस्था ही कुंजी थी जिसने स्टेम कोशिकाओं को प्रोटीन युक्त भोजन का संकेत प्राप्त करने पर विभाजित होने और अंडे बनाने की अनुमति दी।

अध्ययन फिर प्रकाश और अंधेरे की भूमिका की ओर मुड़ा। फल मक्खियाँ, मनुष्यों की तरह, एक आंतरिक घड़ी रखती हैं जो दिन और रात के चक्र को ट्रैक करती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि स्टेम कोशिकाओं में डॉपी1 प्रोटीन का स्तर स्वाभाविक रूप से एक दिन के दौरान ऊपर-नीचे होता रहता है। यह अंधेरे चरण के दौरान कम होता है और प्रकाश चरण के दौरान अधिक होता है। यह लय क्रिप्टोक्रोम द्वारा नियंत्रित होती है, जो मक्खी का प्रकाश सेंसर है। जब वैज्ञानिकों ने कार्यात्मक क्रिप्टोक्रोम की कमी वाली मक्खियों का उपयोग किया, तो दैनिक लय गायब हो गई। डॉपी1 का स्तर हर समय ऊंचा बना रहा, और स्टेम कोशिकाएं भोजन के प्रति प्रतिक्रिया करने की अपनी क्षमता खो बैठीं। भले ही मक्खियों को प्रोटीन युक्त आहार दिया गया, उनके अंडाशय ने अधिक अंडे नहीं बनाए। इससे सिद्ध हुआ कि प्रकाश और अंधेरे का दैनिक चक्र केवल एक पृष्ठभूमि सेटिंग नहीं है; यह एक सक्रिय स्विच है जो स्टेम कोशिकाओं को आहार संकेतों को प्राप्त करने के लिए तैयार करता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि प्रोटीन युक्त आहार का कौन सा हिस्सा वास्तव में काम कर रहा था। उन्होंने व्यक्तिगत अमीनो एसिड का परीक्षण किया, जो प्रोटीन के निर्माण खंड हैं, यह देखने के लिए कि कौन सा उन्हें ट्रिगर कर सकता है। उन्होंने पाया कि एक विशिष्ट अमीनो एसिड, थ्रोनिन (threonine), सबसे महत्वपूर्ण था। जब उन्होंने मक्खियों के आहार में केवल थ्रोनिन मिलाया, तो इसका प्रभाव एक पूर्ण प्रोटीन युक्त भोजन जोड़ने के समान था। इसने स्टेम कोशिकाओं की गतिविधि को बढ़ाया और उन्हें उच्च-चीनी वाले आहार के नकारात्मक प्रभावों से निपटने में मदद की। हालांकि, यह तभी काम कर सका जब मक्खियों के पास एक कामकाजी आंतरिक घड़ी और डॉपी1 का सही स्तर था। यदि मक्खियों में क्रिप्टोक्रोम की कमी थी, या यदि डॉपी1 प्रोटीन सही ढंग से ट्यून नहीं था, तो थ्रोनिन मदद नहीं कर सका। इसने घटनाओं की एक जटिल श्रृंखला को प्रकट किया: प्रकाश-अंधेरे का चक्र मंच तैयार करता है, विशिष्ट अमीनो एसिड ईंधन प्रदान करता है, और ट्यून किया गया डॉपी1 प्रोटीन माइटोकॉन्ड्रिया को व्यवस्थित करता है ताकि स्टेम कोशिकाएं अपना काम कर सकें।

निष्कर्ष बताते हैं कि प्रजनन और स्वयं की मरम्मत करने की शरीर की क्षमता हमारे वातावरण, हमारे आहार और हमारी कोशिकाओं के भीतर सूक्ष्म मशीनरी के बीच एक नाजुक संतुलन पर निर्भर करती है। अध्ययन दर्शाता है कि स्टेम कोशिकाएं केवल संकेतों की निष्क्रिय प्राप्तकर्ता नहीं हैं; वे सक्रिय भागीदार हैं जिन्हें प्रतिक्रिया करने के लिए सही स्थितियों द्वारा "प्राइम" किया जाना आवश्यक है। यदि प्रकाश-अंधेरे का चक्र बाधित होता है, या यदि आहार असंतुलित होता है, तो यह प्राइमिंग विफल हो जाती है, और स्टेम कोशिकाएं ठीक से कार्य नहीं कर पाती हैं। यह समझने में महत्वपूर्ण हो सकता है कि मधुमेह या बुढ़ापा जैसी स्थितियां प्रजनन क्षमता और ऊतक मरम्मत को कैसे प्रभावित करती हैं। यह शोध इस बात पर प्रकाश डालता है कि हमारे स्टेम कोशिकाओं का स्वास्थ्य हमारे दिनों की लय और हमारे द्वारा उपभोग किए जाने वाले विशिष्ट पोषक तत्वों से गहराई से जुड़ा हुआ है, जिसे उनके भीतर के गतिशील माइटोकॉन्ड्रिया द्वारा समन्वित किया जाता है।