Single-cell transcriptomics reveals life cycle and cell cycle gene expression dynamics during in vitro growth of two Leishmania species

परजीवी छद्मवेश और रूपांतरण के उस्ताद होते हैं, जो अपने मेजबानों के प्रतिकूल वातावरण में जीवित रहने के लिए लगातार अपना आकार और व्यवहार बदलते रहते हैं। इनमें सबसे कुख्यात लीशमैनिया (Leishmania) परजीवी हैं, जो सूक्ष्म एककोशिकीय जीव हैं और लीशमैनियासिस नामक रोगों की एक श्रृंखला का कारण बनते हैं। ये रोग सैंड फ्लाई (रेत की मक्खी) द्वारा फैलाए जाते हैं, जो बहुत छोटे कीट होते हैं जो रक्त पीने के लिए स्तनधारियों को काटते हैं। जब एक सैंड फ्लाई संक्रमित जीव को काटती है, तो वह परजीवी को एक रूप में निगल लेती है; जब वह एक नए मेजबान को काटती है, तो वह एक अलग रूप को इंजेक्ट करती है। मक्खी के भीतर, परजीवी को एक जटिल परिवर्तनों की श्रृंखला से गुजरना पड़ता है, जिसमें बढ़ने, विभाजित होने और संचरण के लिए तैयार होने हेतु विशिष्ट चरणों में बदलने की प्रक्रिया शामिल है। वैज्ञानिक लंबे समय से प्रयोगशाला के डिशों में इन परजीवियों को उगाकर इन परिवर्तनों का अध्ययन करते रहे हैं, यह मानते हुए कि कांच के कंटेनर में जो होता है, वह कीट के भीतर होने वाली घटनाओं का प्रतिबिंब है। हालांकि, एक महत्वपूर्ण प्रश्न अनसुलझा रह गया है: क्या ये प्रयोगशाला कल्चर वास्तव में प्रकृति में देखे जाने वाले जटिल जीवन चक्र की नकल करते हैं, और परजीवी ठीक कैसे प्रबंधित करते हैं कि वे बढ़ने और आराम करने के बीच स्विच करें?

इन प्रश्नों का उत्तर देने के लिए, शोधकर्ताओं ने कोशिकाओं को देखने के एक शक्तिशाली नए तरीके की ओर रुख किया जिसे सिंगल-सेल ट्रांसक्रिप्टोमिक्स (single-cell transcriptomics) कहा जाता है। लाखों परजीवियों के मिश्रण रूपी सूप का अध्ययन करने के बजाय, यह तकनीक वैज्ञानिकों को एक साथ हजारों व्यक्तिगत कोशिकाओं की आनुवंशिक गतिविधि को सुनने की अनुमति देती है। प्रत्येक कोशिका में सक्रिय या निष्क्रिय होने वाले विशिष्ट जीन को पढ़कर, वे यह निर्धारित कर सकते हैं कि कोशिका जीवन के किस चरण में है, ठीक वैसे ही जैसे किसी व्यक्ति की डायरी प्रविष्टि को पढ़कर यह जानना कि वह व्यक्ति काम कर रहा है, सो रहा है या यात्रा कर रहा है। हाल ही में एक अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने लीशमैनिया की दो सामान्य प्रजातियों, L. major और L. mexicana पर इस पद्धति को लागू किया, जिनका उपयोग प्रयोगशालाओं में अक्सर किया जाता है क्योंकि उन्हें उगाना आसान है। वे यह देखना चाहते थे कि क्या डिश में मौजूद परजीवी उसी विकासात्मक पटकथा का पालन कर रहे हैं जो सैंड फ्लाई के भीतर होती है, और वे यह भी जानना चाहते थे कि परजीवी अपनी कोशिकाओं को विभाजित करते समय आनुवंशिक परिवर्तनों को कैसे मैप करते हैं।

शोधकर्ताओं ने दोनों परजीवी प्रजातियों के कल्चर उगाए, जिनमें से कुछ को तेजी से गुणा करने दिया जबकि अन्य को धीमी, स्थिर अवस्था में स्थिर होने दिया। फिर उन्होंने इन आबादी से व्यक्तिगत कोशिकाओं के आनुवंशिक प्रोफाइल को कैप्चर किया। परिणामों ने दोनों प्रजातियों के बीच एक चौंकाने वाला अंतर प्रकट किया। लैब में उगाए गए L. mexicana के परजीवी अपने जंगली समकक्षों की तरह लगभग बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करते थे जैसा कि वे सैंड फ्लाई के भीतर करते हैं। उन्होंने एक शाखित विकासात्मक पथ का पालन किया, जो दो विशिष्ट अंतिम रूपों में विभाजित हुआ: एक प्रकार जो स्तनधारियों के लिए संक्रामक है और दूसरा प्रकार जो मक्खी के पेट से चिपकता है। इसने पुष्टि की कि L. mexicana इन परजीवियों के विकास और संचरण के लिए तैयारी करने के तरीके का अध्ययन करने के लिए एक विश्वसनीय मॉडल है।

इसके विपरीत, समान परिस्थितियों में उगाए गए L. major के परजीवियों ने पूरी पटकथा का पालन नहीं किया। जबकि उन्होंने संक्रामक चरण को सफलतापूर्वक बनाया, वे उस दूसरे विशिष्ट रूप को बनाने में विफल रहे जो मक्खी से चिपकता है, और न ही उन्होंने एक मध्यवर्ती चरण के स्पष्ट संकेत दिखाए जो बढ़ने और आराम करने के बीच एक सेतु का कार्य करता है। यह सुझाव देता है कि L. major के लिए प्रयोगशाला वातावरण में एक विशिष्ट संकेत या स्थिति की कमी है जो सैंड फ्लाई में मौजूद होती है, जिसके कारण परजीवी उनके विकास में शॉर्टकट ले लेते हैं। यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को चेतावनी देती है कि एक प्रजाति के परिणामों को हमेशा दूसरी प्रजाति पर लागू नहीं माना जा सकता है, भले ही वे निकट से संबंधित हों और एक ही तरह से उगाई गई हों।

केवल जीवन चक्र को मैप करने के अलावा, अध्ययन ने कोशिका विभाजन की प्रक्रिया की परतों को भी खोला। विभाजित होने वाले परजीवियों में सक्रिय जीन का विश्लेषण करके, शोधकर्ताओं ने सैकड़ों ऐसे जीन की पहचान की जो कोशिका चक्र के विभिन्न चरणों के लिए मार्कर के रूप में कार्य करते हैं। उन्होंने पाया कि जबकि विभाजन के लिए मुख्य मशीनरी दोनों परजीवी प्रजातियों के बीच बहुत समान है और यहाँ तक कि एक अन्य संबंधित परजीवी ट्रिपैनोसोमा ब्रूसी (Trypanosoma brucei) के बहुत करीब है, फिर भी विभाजन के अंतिम चरणों के नियमन में महत्वपूर्ण अंतर हैं। यह बताता है कि जबकि कोशिका विभाजन का बुनियादी इंजन संरक्षित है, वे नियंत्रण जो इंजन को चालू और बंद करते हैं, प्रजातियों के बीच काफी भिन्न हो सकते हैं।

शायद सबसे दिलचस्प खोज यह थी कि जीवन चक्र और कोशिका चक्र आपस में कैसे जुड़े हुए हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि विभाजित होना बंद करने और एक विशिष्ट, गैर-बढ़ने वाले रूप में बदलने का निर्णय कोई सरल स्विच नहीं है जो सभी के लिए एक ही समय में होता है। कुछ विकासात्मक चरणों के लिए, परजीवी अपने कोशिका चक्र के एक विशिष्ट बिंदु पर विभाजन बंद कर देते हैं, प्रभावी रूप से संक्रामक बनने के लिए अपनी वृद्धि को रोक देते हैं। अन्य चरणों के लिए, विश्राम अवस्था में संक्रमण यादृच्छिक रूप से होता है, जहाँ कुछ कोशिकाएं रुक जाती हैं जबकि अन्य विभाजित होना जारी रखती हैं। यह जटिलता प्रकट करती है कि बढ़ते हुए सेल से संचरण-तैयार रूप तक की परजीवी की यात्रा एक अत्यधिक समन्वित लेकिन लचीली प्रक्रिया है, जहाँ विभाजन का समय और विकास का समय कुछ मामलों में मजबूती से जुड़े होते हैं तो कुछ में स्वतंत्र होते हैं।

यह अध्ययन इन परजीवियों के लिए आनुवंशिक गतिविधि का एक विस्तृत मानचित्र प्रदान करता है, जो वैज्ञानिकों को केवल उनके जीन को देखकर यह पहचानने के लिए उपकरणों का एक नया सेट देता है कि परजीवी किस चरण में है। यह संसाधन शोधकर्ताओं को यह समझने में मदद करेगा कि ये जीव कैसे जीवित रहते हैं, वे नए मेजबानों को संक्रमित करने के लिए कैसे तैयार होते हैं, और क्यों कुछ प्रयोगशाला मॉडल दूसरों की तुलना में बेहतर काम करते हैं। यह दिखाते हुए कि L. mexicana स्वाभाविक जीवन चक्र को निष्ठापूर्वक दोहराता है जबकि L. major नहीं, यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि इन बीमारियों के अध्ययन के लिए सही मॉडल चुनना कितना महत्वपूर्ण है। अंततः, वे सटीक आनुवंशिक स्विचों को समझना जो यह नियंत्रित करते हैं कि परजीवी कब बढ़ता है और कब आराम करता है, जीवन चक्र को बाधित करने और लीशमैनियासिस के प्रसार को रोकने के लिए नए द्वार खोल सकता है।