Genome-wide chromatin reset at the onset of leg regeneration in pancrustaceans

जीवन में एक उल्लेखनीय, अक्सर छिपी हुई क्षमता होती है कि वह फिर से शुरुआत कर सकता है। जब एक छिपकली अपनी पूंछ खो देती है या एक स्टारफिश अपना एक हाथ त्याग देती है, तो घायल ऊतक केवल एक निशान के रूप में नहीं भरता; बल्कि वह एक जटिल संरचना को शून्य से फिर से बनाता है। पुनरुद्धार (रिजनरेशन) की यह प्रक्रिया, जिसे 'रीजनरेशन' कहा जाता है, के लिए कोशिकाओं को अपने वर्तमान कार्य—जैसे कि पैर या पूंछ का हिस्सा होना—को भूलकर, फिर से एक लचीले, बढ़ते हुए भ्रूण की तरह कार्य करने के तरीके को याद करने की आवश्यकता होती है। वैज्ञानिक लंबे समय से यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि कोशिकाएं पहचान में ऐसा नाटकीय बदलाव कैसे कर पाती हैं। इसका उत्तर संभवतः इस बात में निहित है कि कोशिका के भीतर डीएनए (DNA) कैसे पैक किया गया है। कल्पना कीजिए कि जीनोम निर्देशों वाली किताबों का एक विशाल पुस्तकालय है। एक परिपक्व, विशिष्ट कोशिका में, इनमें से अधिकांश किताबें एक तंग, दुर्गम ढेर में बंद रहती हैं, जिससे कोशिका केवल अपने विशिष्ट कार्यों पर ध्यान केंद्रित कर पाती है। पुनरुद्धार के लिए, एक कोशिका को इन किताबों को खोलना होगा, अंगों के निर्माण के पुराने ब्लूप्रिंट को पढ़ना होगा, और फिर नए विकास का समर्थन करने के लिए पुस्तकालय को पुनर्गठित करना होगा। प्रश्न यह है कि क्या यह अनलॉकिंग (खोलना) केवल कुछ विशिष्ट स्विचों को चालू करने से होती है, या क्या पूरी लाइब्रेरी को पहले खाली और रीसेट करना आवश्यक है।

शोधकर्ताओं ने अब एक आश्चर्यजनक घटनाओं के क्रम का पता लगाया है जो कुछ कीटों और क्रस्टेशियंस (कवचधारी जीवों) में पैर कट जाने पर घटित होता है। दो-चित्ती वाले झींगुर (two-spotted cricket) का अध्ययन करके—जो एक युवा निम्फ (nymph) के रूप में पैर फिर से उगा सकता है लेकिन वयस्क होने पर यह क्षमता खो देता है—और हवाई क्रस्टेशियन Parhyale के साथ तुलना करके, जो अपने पूरे जीवन में पैर पुनर्जीवित कर सकता है, टीम ने पाया कि पुनरुद्धार एक वैश्विक शटडाउन (global shutdown) के साथ शुरू होता है। नया पैर बनाने के लिए आवश्यक जीन को तुरंत चालू करने के बजाय, चोट एक जीनोम-व्यापी सन्नाटा पैदा करती है। डीएनए के सक्रिय क्षेत्र जो आमतौर पर जीन अभिव्यक्ति को नियंत्रित करते हैं, अस्थायी रूप से बंद हो जाते हैं, जिससे ऊतक अपनी वर्तमान नियामक पहचान को खो देता है। इस व्यापक रीसेट के बाद ही ऊतक विशिष्ट आनुवंशिक स्विचों को चुनिंदा रूप से फिर से खोलना शुरू करता है, जिसका मार्गदर्शन 'ज़ेल्डा' (Zelda) नामक एक मास्टर रेगुलेटर प्रोटीन द्वारा किया जाता है, ताकि पुनर्निर्माण की प्रक्रिया शुरू की जा सके। यह पैटर्न विभिन्न प्रजातियों में एक संरक्षित रणनीति प्रतीत होता है, जो यह सुझाव देता है कि कुछ नया बनाने के लिए, कोशिका को पहले पुराने निर्देशों को मिटाना होगा।

अध्ययन की शुरुआत झींगुर के आनुवंशिक परिदृश्य का एक विस्तृत मानचित्र स्थापित करके हुई। शोधकर्ताओं ने झींगुर के जीनोम का एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन, गुणसूत्र-स्तर का संयोजन बनाया, जिसमें डीएनए को उसके 15 विशिष्ट गुणसूत्रों में व्यवस्थित किया गया। इसके बाद उन्होंने यह समझने के लिए कि जीनोम की आधारभूत स्थिति क्या है, अंडाशय (ovaries) में डीएनए के पैकेजिंग का परीक्षण किया, जो कोशिकाओं से समृद्ध ऊतक है। उन्होंने डीएनए पैकेजिंग प्रोटीनों पर विशिष्ट रासायनिक टैग की तलाश की जो बुकमार्क की तरह कार्य करते हैं, जो यह संकेत देते हैं कि जीनोम के कौन से हिस्से खुले और सक्रिय हैं। उन्होंने पाया कि सक्रिय जीन सुलभ डीएनए और विशिष्ट रासायनिक संकेतों द्वारा चिह्नित थे, जबकि शांत क्षेत्र कसकर पैक किए गए थे और दमनकारी संकेतों द्वारा चिह्नित थे। इसने यह देखने के लिए आवश्यक ढांचा प्रदान किया कि पैर कटने पर जीनोम कैसे बदलता है।

यह परीक्षण करने के लिए कि चोट के प्रति जीनोम कैसे प्रतिक्रिया देता है, टीम ने विकास के विभिन्न चरणों में झींगरों के पैरों को काट दिया। युवा झींगुर, या निम्फ, अपने पैर फिर से उगा सकते हैं, जबकि वयस्क नहीं कर सकते। उन्होंने कटने के तीन दिन बाद बचे हुए पैर के ठूंठ (stump) के नमूने लिए और उनकी तुलना बिना कटे हुए पैरों से की। परिणाम चौंकाने वाले थे। पुनर्जीवित होने वाले निम्फ और गैर-पुनर्जीवित वयस्कों, दोनों में, चोट ने सक्रिय आनुवंशिक परिदृश्य के एक बड़े, तत्काल पतन का कारण बनी। डीएनए के विशिष्ट, खुले क्षेत्र जो आमतौर पर जीन गतिविधि को संचालित करते हैं, गायब हो गए, और उनकी जगह एक सपाट, एकसमान अवस्था ने ले ली जहाँ जीनोम शांत होता प्रतीत हुआ। रासायनिक निशान जो आमतौर पर सक्रिय एन्हांसर (enhancers)—वे क्षेत्र जो जीन गतिविधि को बढ़ाते हैं—को सिग्नल देते हैं, लुप्त हो गए। यह शटडाउन इस बात की परवाह किए बिना हुआ कि ऊतक अंततः पुनर्जीवित होगा या नहीं, जो यह सुझाव देता है कि चोट के प्रति प्रारंभिक प्रतिक्रिया वर्तमान स्थिति का एक व्यापक विलोपन है, जो किसी भी नए कार्यक्रम को शुरू करने के लिए एक आवश्यक कदम है।

एक पुनर्जीवित होने वाले पैर और एक गैर-पुनर्जीवित होने वाले पैर के बीच का अंतर इस प्रारंभिक शांति के बाद ही सामने आया। निम्फ में, जिनमें फिर से निर्माण करने की क्षमता बरकरार थी, जीनोम ने चुनिatively (चुनिंदा रूप से) फिर से खुलना शुरू किया। जेनेटिक स्विचों का एक विशिष्ट सेट, जो ज़ेल्डा नामक प्रोटीन के बाइंडिंग साइट्स से समृद्ध था, फिर से सुलभ हो गया। ज़ेल्डा को एक 'पायनियर फैक्टर' (pioneer factor) के रूप में जाना जाता है, जो एक प्रकार का प्रोटीन है जो अन्य जीन को पढ़े जाने की अनुमति देने के लिए कसकर पैक किए गए डीएनए को खोल सकता है। झींगरों में, ज़ेल्डा जीन स्वयं अक्षत पैरों में दो अलग-अलग प्रकार के दमनकारी रासायनिक निशानों द्वारा कसकर लॉक किया गया था। विच्छेदन के बाद, ये लॉक हटा दिए गए, लेकिन केवल पुनर्जीवित होने वाले निम्फ में। वयस्कों में, एक लॉक बना रहा, जिससे ज़ेल्डा जीन शांत रहा और पुनरुद्धार कार्यक्रम शुरू होने से रुक गया। यह बताता है कि पुनरुद्धार करने की क्षमता इस विशिष्ट मास्टर रेगुलेटर को प्रारंभिक जीनोम-व्यापी रीसेट के बाद अनलॉक करने की कोशिका की क्षमता पर निर्भर करती है।

शोधकर्ताओं ने फिर पुनरुद्धार की समयरेखा की गहराई से जांच की। विच्छेदन के आठ दिन बाद, जब निम्फ का पैर सक्रिय रूप से बढ़ रहा था, उन्होंने पाया कि जीनोम आंशिक रूप से पुनर्गठित हो गया था। सपाट, शांत परिदृश्य में फिर से गतिविधि के शिखर दिखने लगे, लेकिन ये नए सक्रिय क्षेत्र यादृच्छिक (random) नहीं थे। वे विशेष रूप से ज़ेल्डा के बाइंडिंग साइट्स से समृद्ध थे, जो यह दर्शाता है कि यह प्रोटीन आनुवंशिक परिदृश्य के पुनर्निर्माण का मार्गदर्शन कर रहा था। जीनोम केवल अपनी पूर्व-चोट स्थिति में वापस नहीं लौट रहा था; इसे पुनर्विकास के लिए आवश्यक जीन पर एक नए फोकस के साथ फिर से बनाया जा रहा था।

यह देखने के लिए कि क्या यह झींगरों का एक अनूठा गुण था या एक व्यापक जैविक नियम, टीम ने हवाई क्रस्टेशियन Parhyale की ओर रुख किया। झींगरों के विपरीत, ये जीव किसी भी उम्र में पैर पुनर्जीवित कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने समान प्रयोग किए, पैर काटे और केवल एक दिन बाद आनुवंशिक स्थिति की जांच की। उन्होंने बिल्कुल वही पैटर्न देखा: सक्रिय डीएनए परिदृश्य का एक तीव्र, जीनोम-व्यापी सपाट होना, जिसके बाद क्रस्टेशियन संस्करण के ज़ेल्डा प्रोटीन का अपरेगुलेशन (upregulation) हुआ। यहाँ तक कि इस दूर के रिश्तेदार में भी, जो करोड़ों वर्षों के विकास के बाद अलग हुआ है, घटनाओं का क्रम समान था। चोट ने पहले जीनोम को शांत किया, और फिर कोशिका ने ज़ेल्डा के मार्गदर्शन में निर्देशों के एक विशिष्ट सेट को चुनिंदा रूप से पुनर्र्व्यवस्थित किया।

ये निष्कर्ष इस विचार को चुनौती देते हैं कि पुनरुद्धार केवल कुछ विशिष्ट "मरम्मत" जीन को चालू करने का मामला है। इसके बजाय, यह दो चरणों वाली प्रक्रिया प्रतीत होती है जिसमें कोशिकीय पहचान की अस्थायी हानि और उसके बाद एक नियंत्रित पुनर्निर्माण शामिल है। प्रारंभिक शटडाउन इस एपिजेनेटिक स्मृति (epigenetic memory) को मिटाने का काम कर सकता है जो कोशिकाओं को उनके वयस्क, विशिष्ट भूमिकाओं में लॉक रखता है, जिससे एक खाली स्लेट (blank slate) तैयार होती है। एक बार जब यह स्लेट साफ हो जाती है, तो पायनियर फैक्टर ज़ेल्डा एक कुंजी की तरह कार्य करता है, जो एक नया अंग बनाने के लिए आवश्यक पथों को खोल देता है। विभिन्न प्रकार के आर्थ्रोपोड्स में संरक्षित यह तंत्र बताता है कि पुनरुद्धार की क्षमता गहराई से इस बात में निहित है कि ये जीव अपनी आनुवंशिक जानकारी को कैसे प्रबंधित करते हैं। यह एक नाजुक संतुलन को उजागर करता है जहाँ कोशिका को कुछ नया बनाने के लिए आवश्यक प्लास्टिसिटी प्राप्त करने हेतु पहले अपनी वर्तमान स्थिति को छोड़ना पड़ता है।