Plakoglobin supports length-dependent force generation and cardiac resistance to fasting

मांसपेशियां केवल हमारे अंगों को चलाने वाले रेशों के निष्क्रिय समूह नहीं हैं; वे गतिशील ऊतक हैं जो लगातार अपने वातावरण को महसूस करती हैं और इस आधार पर अपने आकार को समायोजित करती हैं कि वे कितना कठिन कार्य करती हैं। जब हम व्यायाम करते हैं, तो मांसपेशियां मजबूत और बड़ी होती हैं, लेकिन जब हम हिलना-डुलना बंद कर देते हैं या भुखमताल जैसे गंभीर तनाव का सामना करते हैं, तो वे सिकुड़ जाती हैं। सिकुड़ने की यह प्रक्रिया, जिसे एट्रोफी (atrophy) कहा जाता है, एक प्रमुख स्वास्थ्य संबंधी चिंता है क्योंकि मांसपेशियों के द्रव्यमान में कमी आने से हमारी हिलने-डुलने की क्षमता कम हो जाती है, बीमारी से उबरने की शक्ति घट जाती है और समग्र स्वास्थ्य बनाए रखने की क्षमता प्रभावित होती है। दशकों से, वैज्ञानिक समझते आए हैं कि शारीरिक गतिविधि मांसपेशियों को क्षय होने से बचाती है, लेकिन वह सटीक तंत्र जिसके द्वारा एक मांसपेशी कोशिका संकुचन के भौतिक बल को स्वस्थ रहने के लिए एक रासायनिक संकेत में बदल देती है, एक रहस्य बना हुआ था। प्रश्न सरल लेकिन गहरा है: एक मांसपेशी कोशिका को कैसे पता चलता है कि उसे खींचा या फैलाया जा रहा है, और वह भौतिक संवेदना कोशिका को अधिक प्रोटीन बनाने के बजाय उसे तोड़ने के लिए कैसे बताती है?

इजराइल के टेक्निओन इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी और शिकागो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली के एक महत्वपूर्ण हिस्से को सुलझा लिया है, जिसका केंद्र 'प्लाकोग्लोबिन' (plakoglobin) नामक एक विशिष्ट प्रोटीन है। यह प्रोटीन एक संरचनात्मक लंगर (anchor) की तरह कार्य करता है, जो उस सीमा पर स्थित होता है जहाँ मांसपेशी कोशिका की बाहरी झिल्ली उसके आंतरिक कंकाल से मिलती है। स्वस्थ, सक्रिय मांसपेशियों में, प्लाकोग्लोबिन प्रोटीन के एक जटिल नेटवर्क को व्यवस्थित करने में मदद करता है जो कोशिका को बढ़ने का संकेत देने वाले संकेतों को प्रसारित करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब कंकालीय मांसपेशियां भोजन से वंचित होती हैं, तो यह लंगर प्रोटीन कोशिका की सतह से गायब हो जाता है, संकेतीकरण नेटवर्क ढह जाता है, और मांसपेशी क्षय होने लगती है। हालांकि, हृदय, जो कभी धड़कना बंद नहीं करता, बहुत अलग व्यवहार करता है। भुखमताल के दौरान भी, हृदय अपने प्लाकोग्लोबिन लंगरों को मजबूती से बनाए रखता है, अपने संकेतीकरण नेटवर्क को बरकरार रखता है, और सिकुड़ने से इनकार कर देता है। इन दोनों प्रकार की मांसपेशियों के तनाव के प्रति प्रतिक्रिया का अध्ययन करते हुए, टीम ने पाया कि मांसपेशियों को खिंचाव के दौरान अधिकतम बल उत्पन्न करने के लिए प्लाकोग्लोबिन आवश्यक है, और हृदय की इस प्रोटीन को थामे रखने की क्षमता ही मुख्य कारण है जिससे वह अन्य मांसपेशियों की तुलना में भुखमताल के दौरान जीवित रहता है।

यह समझने के लिए कि यह कैसे काम करता है, शोधकर्ताओं ने पहले यह देखा कि जब किसी जानवर को उपवास कराया जाता है, तो मांसपेशी कोशिका के भीतर क्या होता है। उन्होंने उन्नत माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके चूहों की टांग की मांसपेशियों की अत्यंत स्पष्ट, उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली छवियां लीं। अच्छी तरह से खाए गए चूहों में, उन्होंने प्लाकोग्लोबिन को मांसपेशी फाइबर के किनारे पर बिखरे हुए स्पष्ट, चमकीले बिंदुओं के रूप में देखा, जो आंतरिक मचान प्रोटीन 'डेस्मीन' (desmin) से मजबूती से जुड़े थे। लेकिन केवल दो दिन बिना भोजन के रहने के बाद, टांग की मांसपेशियों की कोशिकाओं के किनारे से ये बिंदु गायब हो गए। प्रोटीन कोशिका की सतह से पीछे हट गया, और अपने साथ महत्वपूर्ण संकेतीकरण मशीनरी को भी ले गया। इस नुकसान के साथ ही उन जीनों की सक्रियता हुई जो मांसपेशी को खुद को तोड़ने का निर्देश देते हैं। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि सतह पर प्लाकोग्लोबिन के बिना, मांसपेशी इंसुलिन से विकास के संकेत प्राप्त करने की अपनी क्षमता खो देती है, जो एक ऐसा हार्मोन है जो सामान्यतः कोशिकाओं को द्रव्यमान बनाने का निर्देश देता है।

जब हृदय को देखा गया, तो कहानी पूरी तरह बदल गई। शोधकर्ताओं ने उपवास किए गए चूहों की टांग की मांसपेशियों की तुलना उनके हृदय की मांसपेशियों से की। जबकि टांग की मांसपेशियां काफी सिकुड़ गईं और अपने प्लाकोग्लोबिन लंगरों को खो दिया, हृदय की मांसपेशियों ने अपना द्रव्यमान बनाए रखा और अपने प्लाकोग्लोबिन परिसरों को सुरक्षित रखा। भले ही हृदय उसी भूखे जानवर के शरीर में था जिसमें रक्त में इंसुलिन का स्तर कम था, इसका आंतरिक संकेतीकरण सक्रिय रहा। हृदय ने टूटने को रोकने के लिए आवश्यक प्रोटीन का उत्पादन जारी रखा। इससे यह संकेत मिला कि हृदय के पास एक विशेष रक्षा तंत्र है जो कंकालीय मांसपेशियों के पास नहीं है, जो इसे अपने संरचनात्मक लंगरों को थामे रखने और मजबूत रहने की अनुमति देता है, भले ही शरीर अत्यधिक तनाव में हो।

यह सिद्ध करने के लिए कि प्लाकोग्लोबिन ही इस अंतर की कुंजी थी, वैज्ञानिकों ने एक सीधा परीक्षण किया। उन्होंने चूहों में प्लाकोग्लोबिन के उत्पादन को विशेष रूप से कम करने के निर्देश देने के लिए एक हानिरहित वायरस का उपयोग किया। टांग की मांसपेशियों में, इसने बिल्कुल वैसा ही काम किया जैसा अपेक्षित था: प्लाकोग्लोबिन का स्तर गिर गया, मांसपेशी फाइबर अपनी संरचनात्मक अखंडता खो बैठे, और मांसपेशियां क्षय होने लगीं। हालांकि, जब उन्होंने उन्हीं चूहों के हृदय की जांच की, तो एक उल्लेखनीय घटना घटी। भले ही वायरस सफलतापूर्वक हृदय कोशिकाओं में प्रवेश कर गया और निर्देश पहुंचा दिया गया था, फिर भी हृदय ने अपने प्लाकोग्लोबिन स्तर को उच्च बनाए रखा। ऐसा लगा जैसे हृदय के पास इस प्रोटीन को खोने के विरुद्ध एक अंतर्निहित प्रतिरोध है, जो इसे उस आनुवंशिक हमले से बचाता है जिसने कंकालीय मांसपेशियों को पंगु बना दिया था। इस निष्कर्ष ने पुष्टि की कि हृदय के पास इन महत्वपूर्ण लंगरों को संरक्षित करने की एक अनूठी क्षमता है, जो संभवतः कारण है कि वह भुखमताल के दौरान क्षय नहीं होता है।

शोधकर्ताओं ने फिर यह जांचा कि यह मांसपेशियों के कार्य करने के तरीके के लिए क्यों मायने रखता है। उन्होंने चूहों से एकल मांसपेशी फाइबर को अलग किया और उन्हें अलग-अलग लंबाई तक खींचा ताकि वे कितना बल उत्पन्न कर सकते हैं, इसका मापन किया जा सके। उन्होंने पाया कि जब एक मांसपेशी फाइबर अपनी सामान्य, विश्राम लंबाई पर होता है, तो प्लाकोग्लोबिन को हटाने से उसके द्वारा उत्पन्न बल में कोई बदलाव नहीं आता है। हालांकि, जब उन्होंने फाइबर को लंबी लंबाई तक खींचा, जो गति के दौरान मांसपेशी के खिंचाव की स्थिति की नकल करता है, तो बिना प्लाकोग्लोबिन वाले फाइबर स्वस्थ फाइबर द्वारा उत्पन्न अतिरिक्त बल उत्पन्न करने में विफल रहे। दूसरे शब्दों में, प्लाकोग्लोबिन बुनियादी मांसपेशी संकुचन के लिए आवश्यक नहीं है, लेकिन यह खिंचाव के प्रति प्रतिक्रिया देने के लिए अनिवार्य है। बिना इसके, मांसपेशी भार को संभालने के लिए आवश्यक बढ़ी हुई शक्ति में भौतिक खिंचाव को बदलने में असमर्थ होती है।

अंत में, टीम ने यह समझने की कोशिश की कि हृदय भुखमताल के दौरान अपना संकेतीकरण सक्रिय कैसे रखता है। उन्होंने हृदय में इंसुलिन रिसेप्टर के साथ यात्रा करने वाले प्रोटीनों का विश्लेषण किया और पाया कि वहां अणुओं का एक समूह था जो एक विशिष्ट रासायनिक मार्ग, जिसे MEK-ERK मार्ग कहा जाता है, से जुड़ा है। यह मार्ग ज्ञात है कि यांत्रिक बलों (mechanical forces) के प्रति प्रतिक्रिया करता है। जब शोधकर्ताओं ने भुखमताल किए गए चूहों में एक दवा का उपयोग करके इस मार्ग को अवरुद्ध किया, तो हृदय ने अपनी सुरक्षा खो दी। हृदय की मांसपेशी सिकुड़ने लगी, विकास के लिए संकेतीकरण रुक गया, और मांसपेशी के टूटने के लिए जीन सक्रिय हो गए। इससे सिद्ध हुआ कि हृदय अपने द्रव्यमान को बनाए रखने के लिए इस यांत्रिक संकेतीकरण मार्ग पर निर्भर करता है। हृदय की निरंतर धड़कन संभवतः वह निरंतर यांत्रिक उत्तेजना प्रदान करती है जिसकी आवश्यकता इस मार्ग को सक्रिय रखने के लिए होती है, जो बदले में प्लाकोग्लोबिन लंगरों को यथास्थान रखती है और मांसपेशी को स्वस्थ बनाए रखती है।

यह अध्ययन हमारे कंकालीय मांसपेशियों और हृदय के बीच तनाव को संभालने के तरीके के बीच एक स्पष्ट और सुंदर अंतर को प्रकट करता है। कंकालीय मांसपेशियां लचीली होने के लिए डिज़ाइन की गई हैं; जब संसाधन कम होते हैं, तो वे ऊर्जा बचाने के लिए अपने संरचनात्मक लंगरों को छोड़ देती हैं और सिकुड़ जाती हैं। हालांकि, हृदय सहन करने के लिए बना है। यह अपने प्लाकोग्लोबिन लंगरों और अपने यांत्रिक संकेतीकरण मार्गों को थामे रखता है, यह सुनिश्चित करता है कि वह पंप करने के लिए आवश्यक ताकत कभी न खोए। यह शोध इस बात पर प्रकाश डालता है कि मांसपेशी के संकुचन का भौतिक बल केवल उसके संकुचन का परिणाम नहीं है, बल्कि एक महत्वपूर्ण संकेत है जो कोशिका को बताता है कि उसे कैसे जीवित रहना है। यह समझकर कि प्लाकोग्लובिन मांसपेशी के भौतिक खिंचाव को उसके रासायनिक अस्तित्व संकेतों से कैसे जोड़ता है, वैज्ञानिकों ने बीमारी और बुढ़ापे में मांसपेशियों को क्षय से बचाने के तरीके को समझने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है।