Cell cycle exit is required for differentiation and cell fate diversification but not neoblast specialisation in planarians
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि प्लेनेरियन (planarians) में, वंश प्रतिबद्धता (lineage commitment) सक्रिय रूप से चक्रण करने वाले नियोब्लास्ट्स (neoblasts) में शुरू होती है जबकि टर्मिनल विभेदन (terminal differentiation) और कोशिका भाग्य विविधीकरण (cell fate diversification) के लिए सख्ती से CDH1-मध्यस्थता वाले कोशिका चक्र निकास (cell cycle exit) की आवश्यकता होती है।
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प्लानेरियन नामक फ्लैटवॉर्म (चपटे कृमि) के शरीर के भीतर, पुनरुद्धार (रिजनरेशन) का एक अद्भुत रूप निरंतर कार्य करता रहता है। इन जीवों के पास वयस्क स्टेम कोशिकाओं की एक आबादी होती है, जिन्हें नियोब्लास्ट (neoblasts) कहा जाता है, जो उनके शरीर में विभाजित होने में सक्षम एकमात्र कोशिकाएं हैं। ये स्टेम कोशिकाएं एक निरंतर मरम्मत दल की तरह कार्य करती हैं, जो पुरानी ऊतकों को बदलने और खोए हुए शरीर के अंगों को फिर से बनाने के लिए कई अलग-अलग प्रकार की कोशिकाओं में विभाजित और परिवर्तित होती रहती हैं। दशकों से, वैज्ञानिक यह समझते आए हैं कि इन स्टेम कोशिकाओं को अंततः विभाजित होना बंद करना होगा ताकि वे मांसपेशी या तंत्रिका कोशिकाओं जैसी विशिष्ट कोशिकाएं बन सकें। केंद्रीय प्रश्न यह रहा है कि क्या एक कोशिका को अपनी नियति चुनने के लिए पहले विभाजन को रोकना आवश्यक है, या क्या वह अपनी नियति चुन सकती है जबकि वह अभी भी सक्रिय रूप से विभाजित हो रही है।
शोधकर्ताओं ने चोट के तनाव के दौरान के बजाय, सामान्य और स्वस्थ स्थितियों में प्लानेरियन *स्किमिडिए मेडिटेरिया (Schmidtea mediterranea) का अध्ययन करके इस प्रश्न का उत्तर देने का प्रयास किया। उन्होंने व्यक्तिगत कोशिकाओं को पकड़ने और उनके आनुवंशिक निर्देशों को पढ़ने का एक तरीका विकसित किया, जिसमें उन्हें उनके डीएनए (DNA) सामग्री के आधार पर वर्गीकृत किया गया ताकि विभाजित होने की तैयारी कर रही कोशिकाओं और विश्राम कर रही कोशिकाओं के बीच अंतर किया जा सके। इन समूहों की तुलना करके, उन्होंने खोजा कि एक विशिष्ट कोशिका प्रकार बनने की प्रक्रिया दो अलग-अलग चरणों में होती है। पहला चरण, जहाँ एक स्टेम कोशिका विशिष्ट होने लगती है और भविष्य की मांसपेशी या तंत्रिका कोशिका की पहचान अपनाती है, कोशिका के विभाजन चक्र के बीच में होने के दौरान भी हो सकता है। दूसरा चरण, जहाँ कोशिका पूरी तरह से परिपक्व होती है और अपने अंतिम रूप में विविध होती है, सख्ती से यह आवश्यक करती है कि कोशिका विभाजन बंद कर दे।
इसकी जांच करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक विशिष्ट जीन जिसे cdh1 कहा जाता है, उसे शांत (silence) करने की तकनीक का उपयोग किया, जो कोशिका चक्र को रोकने के लिए एक स्विच के रूप में कार्य करता है। जब इस जीन को बंद कर दिया गया, तो स्टेम कोशिकाएं अनियंत्रित रूप से विभाजित होने लगीं। इसके बावजूद, कोशिकाएं विशिष्टता की प्रक्रिया शुरू करने में सक्षम थीं; वे विभाजित होते समय विशिष्ट कोशिका प्रकारों के आनुवंशिक मार्करों को व्यक्त करने लगीं। हालांकि, क्योंकि वे विभाजन रोकना नहीं जानती थीं, वे अपने रूपांतरण को पूरा करने में विफल रहीं। वे कोशिकाओं के एक बड़े समूह के रूप में जमा हो गईं जिन्होंने एक नियति तो चुनी थी लेकिन काम पूरा नहीं कर सकीं, जिससे शरीर कार्यात्मक ऊतकों के निर्माण के लिए अल्प रह गया। इससे पता चला कि हालांकि एक स्टेम कोशिका यह निर्णय ले सकती है कि वह क्या बनेगी जबकि वह अभी भी विभाजित होने में व्यस्त है, लेकिन उसे पूर्ण रूप से उस कोशिका के रूप में बनने के लिए विभाजन चक्र से बाहर निकलना ही होगा।
इस अध्ययन ने यह भी रेखांकित किया कि प्लानेरियन अपने जैविक टूलकिट में कितने अद्वितीय हैं। मनुष्यों और अन्य जटिल जानवरों के विपरीत, प्लानेरियन में कई मानक जीन लुप्त हो गए हैं जो आमतौर पर कोशिका चक्र को नियंत्रित करते हैं। इसके बजाय, वे cdh1 जीन पर केंद्रित एक एकल, सरलीकृत नियामक प्रणाली पर बहुत अधिक निर्भर करते हैं। यह सुव्यवस्थित दृष्टिकोण शोधकर्ताओं को कोशिका नियति के मौलिक नियमों को असामान्य स्पष्टता के साथ देखने की अनुमति देता है। इस एकल जीन को अवरुद्ध करके, वे देख सके कि विशिष्ट होने का निर्णय लेना और विभाजन को रोकने का निर्णय लेना अलग-अलग घटनाएं हैं। एक स्टेम कोशिका चक्र के दौरान अपनी वंशावली (lineage) के प्रति प्रतिबद्ध हो सकती है, लेकिन कोशिका चक्र से निकास ही पूर्ण विभेदन (differentiation) के लिए अनिवार्य द्वार है।
शोधकर्ताओं ने इन निष्कर्षों की पुष्टि कृमियों पर भौतिक प्रभावों का अवलोकन करके की। जब cdh1 जीन को शांत किया गया, तो जीवों में काले घाव विकसित हुए और वे अपने सिर या पूंछ जैसे खोए हुए शरीर के अंगों को पुनर्जीवित करने में संघर्ष करने लगे। इसके विपरीत, जब एक अलग जीन को शांत किया गया जिसके कारण स्टेम कोशिकाएं पूरी तरह से गायब हो गईं, तो कृमियों के पुनरुद्धार में विफलता भी देखी गई, लेकिन एक अलग कारण से: वहां काम करने के लिए कोई कोशिका शेष नहीं बची थी। cdh1 वाले कृमियों में बहुत अधिक कोशिकाएं थीं जो आंशिक विकास की स्थिति में फंसी हुई थीं, जो परिपक्व होने में असमर्थ थीं। इस अंतर ने सिद्ध किया कि पुनरुद्धार की विफलता इसलिए नहीं थी क्योंकि कोशिकाओं ने अपनी पहचान खो दी थी, बल्कि इसलिए थी क्योंकि वे निरंतर विभाजन की अवस्था में फंसी हुई थीं, जो शरीर के पुनर्निर्माण के लिए आवश्यक विशिष्ट कोशिकाओं में परिवर्तित होने में असमर्थ थीं।
ये परिणाम इन लचीले जीवों में स्टेम सेल कैसे कार्य करते हैं, इसकी समझ को नया रूप देते हैं। अब यह स्पष्ट है कि किसी विशिष्ट कोशिका प्रकार बनने का मार्ग एक एकल घटना नहीं है जहाँ एक कोशिका रुकती है और फिर बदलती है। इसके बजाय, यह एक क्रमिक प्रक्रिया है। एक स्टेम कोशिका विशिष्ट पहचान प्राप्त करना शुरू कर सकती है जबकि वह अभी भी विभाजित हो रही होती है, लेकिन उसे अपने रूपांतरण को पूरा करने के लिए अंततः कोशिका चक्र से बाहर निकलना ही होगा। यह अंतर समझाता है कि प्लानेरियन मरम्मत के लिए तैयार सक्रिय स्टेम कोशिकाओं का एक बड़ा पूल बनाए रखने और उन कोशिकाओं को विविध ऊतकों में सफलतापूर्वक परिपक्व करने के बीच संतुलन कैसे बनाए रखते हैं जो जीव को जीवित रखते हैं। यह अध्ययन इस प्रक्रिया का एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान करता है, जो दिखाता है कि विशिष्ट होने की क्षमता और विभाजित होने की क्षमता समन्वित लेकिन अलग-अलग चरण हैं, जिसमें कोशिका चक्र से अंतिम निकास वास्तविक विभेदन के लिए एक आवश्यक द्वारपाल के रूप में कार्य करता है।
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