Genome-engineered C. elegans strains with sex-transformed neurons and gut

पशु जगत में, नर और मादा के बीच का अंतर अक्सर शरीर को बनाने वाली कोशिकाओं में ही लिखा होता है। कई जटिल जानवरों में, यह अंतर प्रजनन अंगों से निकलने वाले हार्मोन द्वारा प्रबंधित किया जाता है, जो रक्तप्रवाह के माध्यम से यात्रा करते हैं और दूर स्थित ऊतकों को यह निर्देश देते हैं कि उन्हें कैसे व्यवहार करना है। हालाँकि, केनोरैबिडाइटिस एलिगेंस (Caenorhabditis elegans) नामक एक नन्हा गोल कृमि एक अलग दृष्टिकोण अपनाता है। इस जीव में, प्रत्येक कोशिका अपने द्वारा ले जाए जाने वाले गुणसूत्रों (chromosomes) के आधार पर अपनी यौन पहचान स्वयं तय करती है, और अपने पड़ोसियों से स्वतंत्र रूप से कार्य करती है। निर्णय लेने की यह कोशिका-दर-कोशिका प्रक्रिया वैज्ञानिकों को एक दिलचस्प सवाल पूछने की अनुमति देती है: यदि आप केवल कोशिकाओं के एक विशिष्ट समूह, जैसे कि तंत्रिका तंत्र या आंत, की यौन पहचान बदल सकें, तो क्या बाकी जीव भी उसके अनुरूप बदल जाएगा, या वह ऊतक विपरीत लिंग के शरीर के भीतर एक नर या मादा द्वीप बनकर रह जाएगा?

द दशकों से, शोधकर्ताओं ने जेनेटिक टूल्स का उपयोग करके विशिष्ट कोशिकाओं को विपरीत लिंग की तरह कार्य करने के लिए मजबूर करके इसका उत्तर देने का प्रयास किया है। उन्होंने ऐसा करने के लिए वर्म के डीएनए में यौन विकास को नियंत्रित करने वाले जीन की अतिरिक्त कॉपियाँ डालीं। हालाँकि यह तरीका काम तो करता था, लेकिन यह अव्यवस्थित था। अतिरिक्त जेनेटिक सामग्री अक्सर अस्थिर स्थानों पर रहती थी, कोशिका द्वारा शांत (silenced) की जा सकती थी, या गलती से गलत जगहों पर सक्रिय हो जाती थी, जिससे यह जानना कठिन हो जाता था कि वास्तव में क्या हो रहा है। इसे हल करने के लिए, कोलंबिया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने वर्म के जेनेटिक कोड को फिर से लिखने का एक बहुत ही स्वच्छ तरीका विकसित किया है। अस्थिर अतिरिक्त कॉपियाँ जोड़ने के बजाय, उन्होंने वर्म के अपने प्राकृतिक जीन में लिंग बदलने के निर्देशों को डालने के लिए एक सटीक आणविक संपादन उपकरण (molecular editing tool) का उपयोग किया। उन्होंने दो विशिष्ट स्थानों को लक्षित किया: एक जो केवल तंत्रिका तंत्र में सक्रिय है और दूसरा जो केवल आंत में सक्रिय है। ऐसा करके, उन्होंने ऐसे वर्म बनाए जहाँ शरीर को बाधित किए बिना मस्तिष्क या आंत को नर या मादा पहचान में बदला जा सकता था।

शोधकर्ताओं ने वर्म में यौन विकास को नियंत्रित करने वाले दो मास्टर स्विचों पर ध्यान केंद्रित किया। एक स्विच, जिसे TRA-1 कहा जाता है, मादा लक्षणों को बढ़ावा देता है, जबकि दूसरा, FEM-3, नर लक्षणों को बढ़ावा देता है। एक सामान्य मादा वर्म में, TRA-1 स्विच चालू रहता है, जो शरीर को मादा बनाए रखता है। एक नर में, यह बंद रहता है। टीम ने वर्म के चार नए स्ट्रेन (strains) तैयार किए। दो स्ट्रेन में, उन्होंने मादा वर्म के गट (आंत) और तंत्रिका तंत्र में नर-बढ़ाने वाला जीन डाला, जिससे प्रभावी रूप से वे विशिष्ट ऊतक नर बन गए। अन्य दो स्ट्रेन में, उन्होंने नर वर्म के गट और तंत्रिका तंत्र में मादा-बढ़ाने वाला जीन डाला, जिससे वे ऊतक मादा बन गए। क्योंकि ये परिवर्तन सीधे वर्म के अपने ब्लूप्रिंट में किए गए थे, इसलिए नए लक्षण स्थिर थे और ठीक वहीं दिखाई दिए जहाँ शोधकर्ताओं ने उन्हें लक्षित किया था, बिना किसी शोर या त्रुटि के।

जब उन्होंने परिणामों को देखा, तो परिवर्तन आश्चर्यजनक और सटीक थे। जिन मादा वर्मों में तंत्रिका तंत्र को नर में बदल दिया गया था, उनके मस्तिष्क की कोशिकाओं ने मादा मार्करों को खो दिया और नर विशेषताओं को अपना लिया, जबकि आंत पूरी तरह से मादा बनी रही। इसी तरह, जब एक मादा वर्म की आंत को नर में बदल दिया गया, तो केवल आंतों की कोशिकाएं बदलीं, जिससे तंत्रिका तंत्र अप्रभावित रहा। नर वर्म के मामले में भी यही बात लागू हुई। जब उनके तंत्रिका तंत्र को जबरन मादा बनाया गया, तो मस्तिष्क की कोशिकाओं ने मादा लक्षण अपना लिए, और जब उनकी आंत को बदला गया, तो आंत मादा हो गई। शोधकर्ताओं ने विशिष्ट जीनों के चालू और बंद होने को देखकर इन परिवर्तनों की पुष्टि की। उन्होंने देखा कि मास्टर मादा स्विच, TRA-1, उन ऊतकों से गायब हो गया जिन्हें नर में बदल दिया गया था और उन ऊतकों में प्रकट हुआ जिन्हें मादा में बदल दिया गया था, ठीक वैसे ही जैसे जेनेटिक निर्देश बताते थे।

केवल जीन देखने के अलावा, टीम ने यह भी जांचा कि इन आंतरिक परिवर्तनों ने उनके व्यवहार को कैसे प्रभावित किया। वे जानते थे कि नर वर्म आमतौर पर मादाओं की तुलना में तेजी से चलते हैं और अपने वातावरण को अधिक आक्रामकता से खोजते हैं। जब उन्होंने मादा शरीर वाले 'नर मस्तिष्क' के वर्म का परीक्षण किया, तो ये जीव पुरुषों की गति और साहस के साथ चले। इसके विपरीत, जब उन्होंने मादा मस्तिष्क वाले 'नर शरीर' के वर्म का परीक्षण किया, तो वे धीमे हो गए और अधिक सतर्क हो गए, और विशिष्ट मादाओं की तरह व्यवहार करने लगे। इससे यह सिद्ध हुआ कि तंत्रिका तंत्र की यौन पहचान ही गति संबंधी अंतरों का प्राथमिक चालक है। आंत के परिवर्तनों का भी स्पष्ट प्रभाव पड़ा। मादा वर्म में, आंत अंडे बनाने के लिए आवश्यक पोषक तत्वों से भरपूर प्रोटीन का उत्पादन करती है। जब आंत को नर में बदल दिया गया, तो यह उत्पादन रुक गया। जब एक नर वर्म की आंत को मादा में बदला गया, तो इसने इस प्रोटीन का बड़े पैमाने पर उत्पादन शुरू कर दिया, इतना अधिक कि यह शरीर के अन्य हिस्सों में लीक होने लगा।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि इन ऊतकों के बीच संवाद करने के तरीके में एक सूक्ष्म जटिलता है। मादा मस्तिष्क वाले नर वर्मों में, शोधकर्ताओं ने देखा कि मादा स्विच उम्मीद के मुताबिक मस्तिष्क में तो दिखाई दिया, लेकिन यह आंत के अगले हिस्से में भी दिखाई दिया, भले ही आंत को जेनेटिक रूप से परिवर्तित नहीं किया गया था। यह सुझाव देता है कि एक मादा मस्तिष्क एक संकेत भेज सकता है जो आंत को अपने मादा स्विच चालू करने के लिए प्रेरित करता है, जो एक गैर-कोशिका-स्वायत्त (non-cell-autonomous) प्रभाव की ओर इशारा करता है जहाँ तंत्रिका तंत्र अन्य ऊतकों की पहचान को निर्देशित कर सकता है। हालाँकि, यह संकेत पूरी आंत को प्रभावित नहीं करता था, जिससे पता चलता है कि यह प्रभाव सीमित और विशिष्ट है।

ये नए वर्म स्ट्रेन वैज्ञानिक समुदाय के लिए एक शक्तिशाली और विश्वसनीय उपकरण प्रदान करते हैं। पुराने तरीकों के दुष्प्रभावों के बिना विशिष्ट ऊतकों के लिंग को बदलने का तरीका प्रदान करके, वे शोधकर्ताओं को यह अध्ययन करने की अनुमति देते हैं कि यौन पहचान वास्तव में मस्तिष्क और आंत के कार्य को कैसे आकार देती है। यह कार्य इस बात की पुष्टि करता है कि यौन पहचान केवल पूरे जीव का गुण नहीं है, बल्कि एक ऐसी विशेषता है जिसे व्यक्तिगत अंगों में ट्यून किया जा सकता है, और इन स्थानीय परिवर्तनों के शरीर की गति और कार्य करने के तरीके पर वास्तविक, मापने योग्य परिणाम होते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि तंत्रिका तंत्र की यौन पहचान व्यवहार का एक प्रमुख नियंत्रक है, जबकि आंत की पहचान प्रजनन शरीर विज्ञान (reproductive physiology) को नियंत्रित करती है, और ये प्रणालियाँ स्वतंत्र रूप से कार्य कर सकती हैं, फिर भी विशिष्ट तरीकों से एक-दूसरे को प्रभावित कर सकती हैं।