Unfolding of the disease-linked bank vole prion protein E200K in the context of PrPSc propagation

प्रियन रोग चिकित्सा जगत की सबसे पहेलीनुमा और घातक स्थितियों में से एक हैं। ये मस्तिष्क पर प्रहार करते हैं, जिससे तीव्र गिरावट और मृत्यु होती है, फिर भी ये किसी वायरस या बैक्टीरिया के कारण नहीं होते हैं। इसके बजाय, अपराधी एक गलत तरीके से मुड़ा हुआ (misfolded) प्रोटीन है। एक स्वस्थ शरीर में, PrP नामक प्रोटीन एक सामान्य, मुड़े हुए आकार में मौजूद होता है। बीमारी में, यही प्रोटीन एक कठोर, असामान्य आकार में मुड़ जाता है जिसे PrPSc कहा जाता है। यह असामान्य संस्करण एक टेम्पलेट की तरह कार्य करता है, जो अन्य सामान्य प्रोटीनों को उसी हानिकारक आकार में मुड़ने के लिए मजबूर करता है, जिससे एक ऐसी श्रृंखला अभिक्रिया (chain reaction) उत्पन्न होती है जो मस्तिष्क के ऊतकों को नष्ट कर देती है। दशकों से, वैज्ञानिक इस बात को समझने के लिए संघर्ष कर रहे हैं कि वास्तव में यह परिवर्तन कैसे होता है। वे रोग पैदा करने वाले प्रोटीन के अंतिम, कठोर आकार को जानते हैं, लेकिन वे उस क्षण को नहीं देख सकते जब स्वस्थ प्रोटीन बदलने का निर्णय लेता है। केंद्रीय रहस्य यह है कि कैसे एक स्थिर, मुड़ा हुआ प्रोटीन रोग के टेम्पलेट द्वारा नया आकार देने के लिए पर्याप्त रूप से खुलने (unfold होने) के लिए उकसाया जा सकता है।

स्पेन और फ्रांस की शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस प्रक्रिया पर करीब से नज़र डालते हुए, E200K नामक एक विशिष्ट आनुवंशिक उत्परिवर्तन (mutation) पर ध्यान केंद्रित किया है। यह उत्परिवर्तन मनुषनों में वंशानुगत प्रियन रोग का सबसे आम कारण है, फिर भी यह एक विरोधाभास प्रस्तुत करता है। इस उत्परिवर्तन को ले जाने वाला प्रोटीन सामान्य संस्करण की तुलना में केवल थोड़ा कम स्थिर है, और इसका समग्र आकार लगभग समान दिखता है। इस छोटी सी भिन्नता के बावजूद, इस उत्परिवर्तन वाले लोग भयानक गति और निश्चितता के साथ रोग विकसित करते हैं। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि क्या प्रोटीन की इस सूक्ष्म संरचनात्मक परिवर्तन ने इसे खुलने (unfold होने) में आसान बना दिया है, जो यह समझा सके कि रोग इतनी आक्रामक तरीके से क्यों फैलता है। उन्होंने सामान्य प्रोटीन और E200K उत्परिवर्ती (mutant) दोनों के व्यवहार का नियंत्रित परिस्थितियों में अध्ययन करने के लिए बैंक वोल (bank vole) के एक मॉडल प्रोटीन का उपयोग किया, जो प्रियन रोगों के प्रति असाधारण रूप से संवेदनशील जानवर के रूप में जाना जाता है।

वैज्ञानिकों ने दोनों संस्करणों के प्रोटीन को बढ़ते तापमान के अधीन किया, और बारीकी से देखा कि अणु के कौन से हिस्से पहले ढीले होंगे। वे जानते थे कि रोग के प्रसार के लिए, स्वस्थ प्रोटीन के कठोर, मुड़े हुए हिस्से को रोग के टेम्पलेट पर फिट होने के लिए अस्थायी रूप से खुलना (unfold होना) आवश्यक है। व्यक्तिगत परमाणुओं की गति को ट्रैक करने वाली उन्नत इमेजिंग तकनीकों का उपयोग करके, उन्होंने मानचित्रित किया कि गर्म होने पर प्रोटीन ने वास्तव में कैसा व्यवहार किया। उन्होंने पाया कि अनफोल्डिंग (unfolding) की प्रक्रिया का पहला चरण दोनों सामान्य प्रोटीन और उत्परिवर्ती प्रोटीन के लिए अनिवार्य रूप रूप से एक ही था। दोनों मामलों में, मुड़े हुए क्षेत्र के पास का एक विशिष्ट खंड, जो लगभग स्थिति 121 और 140 के बीच है, सबसे अधिक ढीला और लचीला होने की संभावना वाला था। इसने पुष्टि की कि उत्परिवर्तन उस मौलिक पथ को नहीं बदलता है जिससे प्रोटीन गुजरता है जब वह टूटना शुरू करता है।

हालाँकि, कहानी यहीं समाप्त नहीं हुई। हालाँकि शुरुआती बिंदु समान था, लेकिन गर्मी बढ़ने के साथ दोनों प्रोटीनों ने अलग-अलग व्यवहार किया। सामान्य प्रोटीन, लगभग 50 डिग्री सेल्सियस तक गर्म होने पर, बड़े, चिपचिपे समूहों में गुच्छे बनाने लगा जो अपने मूल आकार में आसानी से वापस नहीं लौट पाते थे। आश्चर्यजनक रूप से, उत्परिवर्ती प्रोटीन इस स्थायी गुच्छे बनने के प्रति अधिक प्रतिरोधी था। जब शोधकर्ताओं ने उत्परिवर्ती प्रोटीन को 75 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया और फिर उसे ठंडा किया, तो सामान्य संस्करण की तुलना में इसका एक बहुत बड़ा हिस्सा अपने मूल, स्वस्थ अवस्था में वापस आ गया। वास्तव में, समान परिस्थितियों में सामान्य प्रोटीन की तुलना में उत्परिवर्ती प्रोटीन ने बहुत कम बड़े, चिपचिपे समूह बनाए। यह सुझाव देता है कि E200K उत्परिवर्तन प्रोटीन को इस तरह से खोलने (unfold करने) में आसान नहीं बनाता है जिससे एक बार रोग का टेम्पलेट मौजूद होने पर यह फैल सके।

शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि क्या उत्परिवर्ती प्रोटीन बिना किसी बाहरी मदद के स्वतः ही रोग के रूप में बदल जाने की अधिक संभावना रखता है। उन्होंने प्रोटीन को एक ऐसे घोल में रखा जो स्वतः परिवर्तन को प्रोत्साहित करता है और देखा कि क्या यह अपने आप रूपांतरित होगा। परिणाम स्पष्ट थे: उत्परिवर्ती प्रोटीन सामान्य प्रोटीन की तुलना में अधिक बार रोग के रूप में परिवर्तित नहीं हुआ। दोनों संस्करणों ने इस परीक्षण में लगभग समान व्यवहार किया, जिसमें प्रत्येक का केवल एक छोटा सा अंश ही हानिकारक आकार में बदला। यह खोज इस विचार को खारिज करती है कि E200K उत्परिवर्तन स्वाभाविक रूप से प्रोटीन को अस्थिर या स्वतः त्रुटियों के प्रति प्रवृत्त बनाता है।

तो, यदि उत्परिवर्तन प्रोटीन को खुलने (unfold होने) में आसान नहीं बनाता है या स्वतः गलत तरीके से मुड़ने (misfold होने) के प्रति अधिक प्रवृत्त नहीं करता है, तो यह इतने विनाशकारी रोग का कारण क्यों बनता है? लेखक सुझाव देते हैं कि उत्तर प्रोटीन की सतह को बदलने के विशिष्ट तरीके में निहित है। एक ऋणात्मक आवेशित अमीनो एसिड से धनात्मक आवेशित अमीनो एसिड में परिवर्तन प्रोटीन की सतह पर विद्युत आवेश के पैच (patches) बनाता है जो सामान्य संस्करण में मौजूद नहीं होते हैं। जबकि समग्र आकार स्थिर रहता है, ये विद्युत पैच प्रोटीन को शरीर के अन्य अणुओं या सह-कारकों (cofactors) के साथ अलग तरह से परस्पर क्रिया करने की अनुमति दे सकते हैं जो रूपांतरण प्रक्रिया शुरू करने के लिए आवश्यक हैं। उत्परिवर्तन प्रोटीन को आसानी से टूटने के योग्य नहीं बनाता होगा, लेकिन यह उस विशिष्ट सहायता को पकड़ने के लिए बहुत अधिक सक्षम हो सकता है जो प्रारंभिक परिवर्तन शुरू करने के लिए आवश्यक है।

यह अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि प्रियन रोग कैसे काम करते हैं। एक प्रारंभिक, स्वतःस्फूर्त घटना होती है जहाँ स्वस्थ प्रोटीन पहली बार रोग के रूप में बदल जाता है, और उसके बाद प्रसार (propagation) होता है जहाँ वह रोग का रूप अन्य स्वस्थ प्रोटीनों को बदलने के लिए मजबूर करता है। E200K उत्परिवर्तन का दूसरे चरण, यानी रोग शुरू होने के बाद उसके प्रसार पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है। इसके बजाय, इसकी शक्ति संभवतः पहले चरण में निहित है, शायद प्रोटीन को उन कोशिकीय कारकों के प्रति अधिक आकर्षक बनाकर जो प्रारंभिक परिवर्तन को ट्रिगर करते हैं। यह दिखाकर कि सामान्य और उत्परिवर्ती प्रोटीनों के बीच शुरुआती अनफोल्डिंग (unfolding) चरण लगभग समान हैं, शोधकर्ताओं ने इस आक्रामक रोग के कारण की खोज को सीमित कर दिया है। उन्होंने दिखाया है कि उत्परिवर्तन की खतरनाकता की कुंजी प्रोटीन की संरचना में सामान्य कमजोरी नहीं है, बल्कि यह एक सूक्ष्म, विशिष्ट परिवर्तन है कि वह विनाश की प्रक्रिया शुरू करने के लिए अपने परिवेश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है।