Comparative single-cell transcriptomics links gene expression divergence to Drosophila genital morphogenesis

विकास को अक्सर लाखों वर्षों में जीवन के एक धीमी, भव्य पुनर्गठन के रूप में कल्पित किया जाता है, लेकिन सबसे नाटकीय परिवर्तन विकास की घड़ी के एक पल झपकने के समान समय में भी हो सकते हैं। एक जानवर के शरीर का सबसे तेजी से चलने वाला हिस्सा उसका प्रजनन अंग होता है। फल मक्खियों (फ्रूट फ्लाइज) की दुनिया में, नर जननांगों का आकार इतनी तेजी से बदलता है कि निकट संबंधी प्रजातियां अक्सर एक-दूसरे से बिल्कुल अलग दिखती हैं, भले ही वे अन्य सभी मामलों में लगभग एक जैसी हों। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि ये अंतर इस बात के कारण होते हैं कि विकास के दौरान जीन कैसे चालू या बंद होते हैं, लेकिन विशिष्ट निर्देश जो कोशिकाओं के एक समूह को हुक, शेल (खोल) या स्पाइक (नुकीली संरचना) में विकसित होने के लिए कहते हैं, वे एक रहस्य बने हुए थे। चुनौती यह थी कि ये संरचनाएं बहुत सूक्ष्म होती हैं और कई अलग-अलग प्रकार की कोशिकाओं के मिलकर काम करने से बनी होती हैं, जिससे यह देखना कठिन हो जाता था कि कौन से जीन किस विशिष्ट कोशिका में क्या कर रहे हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन अंगों के विकास को विवरण के एक नए स्तर के साथ देखकर इस पहेली को सुलझा लिया है। उन्होंने फल मक्खियों की दो बहुत समान प्रजातियों का अध्ययन किया, जिनमें से एक में छोटा, हुक जैसा जननांग संरचना है और दूसरी में एक बड़ा, विस्तृत, क्लैमशेल (सीपी के खोल) के आकार वाला संस्करण है। पूरे अंग का एक साथ अध्ययन करने के बजाय, उन्होंने इसे कोशिका दर कोशिका विभाजित किया। हजारों व्यक्तिगत कोशिकाओं की आनुवंशिक गतिविधि को पढ़ने वाली एक तकनीक का उपयोग करते हुए, उन्होंने एक विस्तृत मानचित्र तैयार किया कि अंग समय के साथ कैसे बनता है। इस मानचित्र ने खुलासा किया कि हालांकि दोनों प्रजातियां एक ही बुनियादी ब्लूप्रिंट से शुरू होती हैं, लेकिन वे इसलिए अलग हो जाती हैं क्योंकि अलग-अलग सेट के जीन अलग-अलग मात्रा में और अलग-अलग समय पर सक्रिय होते हैं। इन आनुवंशिक अंतरों का परीक्षण करके, शोधकर्ताओं ने खोजा कि दो प्रमुख तंत्र इन अंगों के आकार को संचालित करते हैं: एक संकेतन प्रणाली (सिग्नलिंग सिस्टम) जो यह तय करती है कि कितनी कोशिकाएं संरचना का हिस्सा बनेंगी, और एक प्रोटीन समूह जो उन कोशिकाओं को उनके अंतिम, लंबे रूप में खींचने के लिए एक मचान (स्कैफोल्ड) की तरह कार्य करता है।

कहानी की शुरुआत ड्रोसोफिला मेलानोगैस्टा (Drosophila melanogaster) और उसके करीबी रिश्तेदार ड्रोसोफिला सिमुलन्स (Drosophila simulans) से होती है। नग्न आंखों से देखने पर, ये मक्खियां लगभग एक जैसी दिखती हैं, लेकिन इनके नर जननांग एक अलग कहानी बताते हैं। डी. मेलानोगैस्टा के जननांगों में एक छोटा, हुक जैसा उभार होता है, जबकि डी. सिमुलन्स में एक बहुत बड़ा, चौड़ा ढांचा होता है जो क्लैमशेल जैसा दिखता है। ये अंतर केवल दिखावटी नहीं हैं; ये प्रजनन के लिए महत्वपूर्ण हैं। शोधकर्ता यह समझना चाहते थे कि लगभग समान आनुवंशिक कोड से इतने विशिष्ट आकार कैसे उत्पन्न होते हैं। उन्होंने विकास के प्यूपा (pupa) चरण पर ध्यान केंद्रित किया, जो वह समय है जब वयस्क अंग प्यूपा के भीतर शून्य से बनाए जा रहे होते हैं। उन्होंने प्यूपा बनने के 28, 36 और 48 घंटे बाद, तीन विशिष्ट समय बिंदुओं पर इन विकसित होते अंगों को एकत्र किया।

अंदर क्या हो रहा है, यह देखने के लिए वैज्ञानिकों ने सिंगल-सेल आरएनए सीक्वेंसिंग नामक एक शक्तिशाली विधि का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि आप एक जटिल मशीन ले रहे हैं, उसे एक-एक करके टुकड़ों में अलग कर रहे हैं, और हर एक गियर और स्प्रिंग के लिए निर्देश पुस्तिका पढ़ रहे हैं कि उसे क्या करना चाहिए। इस मामले में, "मशीन" विकसित होता जननांग था, और "निर्देश पुस्तिकाएं" प्रत्येक कोशिका के भीतर सक्रिय जीन थे। उन्होंने दोनों मक्खी प्रजातियों के हजारों कोशिकाओं को संसाधित किया, शोर को हटाकर केवल उन कोशिकाओं पर ध्यान केंद्रित किया जो अंग की सतह की परतों का निर्माण कर रही थीं। इसने उन्हें कोशिकाओं को इस आधार पर समूहित करने की अनुमति दी कि वे अंग का कौन सा हिस्सा बना रही हैं, जैसे कि क्लैस्पर्स (claspers), लेटरल प्लेट्स (lateral plates), या पोस्टीरियर लोब (posterior lobe)—वह विशिष्ट संरचना जो दोनों प्रजातियों के बीच नाटकीय रूप से भिन्न होती है।

परिणामी मानचित्रों ने दिखाया कि दोनों प्रजातियों की कोशिकाएं अपनी समग्र पहचान में आश्चर्यजनक रूप से समान थीं। एक प्रजाति में क्लैस्पर बनाने वाली कोशिका दूसरी प्रजाति में क्लैस्पर बनाने वाली कोशिका के समान ही दिखती थी। हालांकि, जब शोधकर्ताओं ने पोस्टीरियर लोब में सक्रिय विशिष्ट जीनों की तुलना की, तो उन्हें सैकड़ों अंतर मिले। कुछ जीन एक प्रजाति में बहुत अधिक मजबूती से सक्रिय थे, जबकि अन्य अलग-अलग पैटर्न में सक्रिय थे। इससे पता चला कि आकार का अंतर किसी एक "मास्टर स्विच" जीन के कारण नहीं था, बल्कि कई जीनों की गतिविधि के एक जटिल बदलाव के कारण था जो मिलकर काम करते हैं। यह पता लगाने के लिए कि वास्तव में कौन से जीन महत्वपूर्ण थे, शोधकर्ताओं ने एक व्यवस्थित परीक्षण किया। उन्होंने विकसित होती मक्खियों में 54 अलग-अलग संभावित जीनों को एक-एक करके बंद किया या शांत किया और देखा कि अंग के अंतिम आकार के साथ क्या हुआ।

परिणाम बहुत स्पष्ट थे। कुछ जीनों को शांत करने से पोस्टीरियर लोब सिकुड़ गया, जबकि अन्य ने इसे बहुत बड़ा बना दिया या इसका आकार पूरी तरह से बदल दिया। दो विशिष्ट मार्ग विशेष रूप से महत्वपूर्ण पाए गए। पहला एक संकेतन प्रणाली से संबंधित था जिसे बीएमपी (BMP) के रूप में जाना जाता है, जो एक संचार नेटवर्क की तरह कार्य करता है और कोशिकाओं को बताता है कि उन्हें क्या बनना है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जिस प्रजाति में बड़ा अंग है, उसमें यह संकेत एक बड़े क्षेत्र में और उच्च स्तर पर सक्रिय था। जब उन्होंने इस संकेत को कम किया, तो अंग ठीक से नहीं बन पाया, जिससे पता चलता है कि इस संकेत की शक्ति और पहुंच यह निर्धारित करने में मदद करती है कि संरचना बनाने के लिए कितनी कोशिकाओं को जोड़ा जाएगा। दूसरा प्रमुख निष्कर्ष जेडपी-डोमेन (ZP-domain) प्रोटीन नामक एक समूह से संबंधित था। ये प्रोटीन एक्स्ट्रासेलुलर मैट्रिक्स (extracellular matrix) में पाए जाते हैं, जो एक जाल जैसी सामग्री है जो कोशिकाओं को घेरती है और उनके आकार को देती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस समूह के दो विशिष्ट प्रोटीन, जिन्हें 'मे' (Mey) और 'न्यो' (Nyo) नाम दिया गया है, कोशिकाओं के खिंचने और लंबा होने के लिए आवश्यक थे। जब इन प्रोटीनों को हटा दिया गया, तो कोशिकाएं अपने आसपास के जाल के साथ अपना संबंध बनाए रखने में असमर्थ रहीं, और अंग लंबा और सुंदर होने के बजाय छोटा और मोटा रह गया।

अध्ययन यह सुझाव देता है कि इन जटिल आकारों का विकास दो सरल परिवर्तनों के संयोजन के माध्यम से होता है। पहला, बड़े अंग वाली प्रजाति एक व्यापक क्षेत्र में विकास संकेत (growth signal) को सक्रिय करती है, जिससे अधिक कोशिकाएं इस परियोजना में शामिल होती हैं। दूसरा, यह उन संरचनात्मक प्रोटीनों का उत्पादन करती है जो उन कोशिकाओं को खींचने और लंबा करने की अनुमति देते हैं। यह पुनरुद्धार (reinvention) के बजाय सूक्ष्म ट्यूनिंग (fine-tuning) की एक प्रक्रिया है। शोधकर्ताओं को कोई एक जीन नहीं मिला जो पूरी भिन्नता के लिए जिम्मेदार था; इसके बजाय, उन्होंने पाया कि आकार कई छोटे समायोजनों का परिणाम है कि कोशिकाएं कैसे संवाद करती हैं और वे अपने वातावरण से कैसे जुड़ती हैं। व्यक्तिगत कोशिकाओं को देखने के दृष्टिकोण ने, जो पूरे ऊतक को देखने से भिन्न था, एक ऐसी स्पष्टता प्रदान की जो पहले असंभव थी, जिससे यह पता चला कि दोनों प्रजातियों के विकासात्मक पथ वास्तव में कहाँ और कब अलग होते हैं।

इन आनुवंशिक अंतरों को कोशिकाओं के भौतिक व्यवहार से जोड़कर, शोधकर्ताओं ने इस बात का एक स्पष्ट उदाहरण प्रदान किया है कि कैसे विकास शरीर के एक हिस्से को नया आकार दे सकता है। उन्होंने दिखाया कि एक छोटे हुक और एक बड़े क्लैमशेल के बीच का नाटकीय अंतर संरक्षित विकासात्मक कार्यक्रमों पर आधारित है जिन्हें विशिष्ट तरीकों से सुधारा गया है। यह कार्य जटिल आकारों के विकास को समझने के लिए एक नया ढांचा स्थापित करता है, जो केवल जीनों की सरल सूचियों से आगे बढ़कर कोशिकीय व्यवहार के एक गतिशील चित्र की ओर ले जाता है। यह प्रदर्शित करता है कि उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले आनुवंशिक मानचित्रों को जीन कार्य के प्रत्यक्ष परीक्षणों के साथ जोड़कर, वैज्ञानिक अब यह पता लगा सकते हैं कि एक जीन में परिवर्तन से जीव के आकार में परिवर्तन कैसे होता है। यह दृष्टिकोण जीवन की अद्भुत विविधता को बनाने वाले आनुवंशिक निर्देशों को डिकोड करने का एक शक्तिशाली तरीका है, जो एक समय में एक कोशिका के माध्यम से काम करता है।