Coordinated adaptive changes in insulin, insulin receptor, and inceptor genes in hystricognath rodents

मानव शरीर में, इंसुलिन नामक एक हार्मोन एक मास्टर कुंजी की तरह कार्य करता है, जो कोशिकाओं को खोलता है ताकि रक्त से चीनी कोशिकाओं के भीतर प्रवेश कर सके और ऊर्जा के रूप में उपयोग की जा सके। यह प्रणाली इतनी महत्वपूर्ण है कि यह चूहों से लेकर व्हेल तक, लगभग सभी स्तनधारियों में लगभग एक समान रखी जाती है। स्वयं हार्मोन, वह ताला जिसमें यह फिट होता है, और उस कुंजी को प्रबंधित करने वाली आंतरिक मशीनरी, सभी कड़ाई से संरक्षित (conserved) हैं, जिसका अर्थ है कि वे लाखों वर्षों में शायद ही कभी बदलते हैं। जब यह प्रणाली सही ढंग से कार्य करती है, तो रक्त शर्करा स्थिर रहती है। जब यह विफल होती है, तो परिणाम मधुमेह होता है, एक ऐसी स्थिति जहाँ चीनी खतरनाक स्तर तक जमा हो जाती है। क्योंकि यह जैविक मशीनरी इतनी मौलिक है, वैज्ञानिक आम तौर पर उम्मीद करते हैं कि यह अपरिवर्तित रहेगी। हालाँकि, प्रकृति कभी-कभी एक अलग मार्ग लेती है, और रोडेंट्स (कृंतकों) के एक समूह ने इस प्रणाली का एक ऐसा संस्करण विकसित किया है जो अन्य स्तनधारियों में देखी गई किसी भी चीज़ से मौलिक रूप से भिन्न है।

ये रोडेंट्स, जिन्हें हिस्ट्रिकोग्नाथ (hystricognaths) के रूप में जाना जाता है, में गिनी पिग, कैपिबारा और डेगु जैसे परिचित जानवर और नग्न मोल-रैट (naked mole-rat) जैसे कम सामान्य संबंधी शामिल हैं। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि ये जानवर इंसुलिन का एक अजीब संस्करण बनाते हैं। मनुष्यों या चूहों में पाए जाने वाले इंसुलिन के विपरीत, जो भंडारण के लिए व्यवस्थित समूहों में बनता है, इन रोडेंट्स में इंसुलिन संरचनात्मक रूप से अद्वितीय और काफी कमजोर होता है। यह इतना कमजोर है कि मानक स्तनधारी इंसुलिन की तुलना में रक्त शर्करा को कम करने की इसकी शक्ति केवल एक बहुत छोटे अंश के बराबर है। फिर भी, ये जानवर मधुमेह से पीड़ित नहीं होते हैं; वे स्वस्थ रक्त शर्करा स्तर बनाए रखते हैं। यह उत्तरजीविता यह संकेत देती है कि उनकी शेष प्रणाली को इस कमजोर हार्मोन की भरपाई करने के लिए बदलना पड़ा होगा। उरुग्वे और चिली के शोधकर्ताओं द्वारा एक नए अध्ययन ने अब ठीक से मानचित्रित किया है कि कैसे यह पूरी प्रणाली पुनर्गठित (rewired) की गई, जिससे एक चरण-दर-चरण विकासवादी कहानी का पता चला जहाँ हार्मोन, उसका रिसेप्टर और उसके नियामक सभी जीवित रहने के लिए एक साथ बदले।

शोधकर्ताओं ने इन रोडेंट्स के इंसुलिन जीन में परिवर्तन देखने के लिए उनके आनुवंशिक कोड का अध्ययन करना शुरू किया। उन्होंने पाया कि इंसुलिन जीन तीव्र विकासवादी दबाव के अधीन रहा है, जिसमें विशिष्ट परिवर्तन उन हिस्सों में संचित हुए हैं जो अणु को कोशिका रिसेप्टर से जुड़ने चाहिए। ये परिवर्तन बताते हैं कि हार्मोन कमजोर क्यों है और यह अन्य जानवरों में देखे जाने वाले भंडारण समूहों को क्यों नहीं बना सकता है। लेकिन टीम ने महसूस किया कि केवल एक कमजोर हार्मोन रक्त शर्करा को स्थिर रखने के लिए पर्याप्त नहीं होगा। उन्हें यह पता लगाने की आवश्यकता थी कि क्या कोशिकाओं पर मौजूद "ताले" और प्रणाली को नियंत्रित करने वाले "प्रबंधक" भी बदले हैं।

इसका उत्तर देने के लिए, वैज्ञानिकों ने इंसुलिन रिसेप्टर के जीन (कोशिका की सतह पर मौजूद प्रोटीन जो हार्मोन को पकड़ता है) और 'इनसेप्टर' (Inceptor) नामक एक नव खोजे गए प्रोटीन का परीक्षण किया, जो यह नियंत्रित करने में मदद करता है कि शरीर कितना इंसुलिन देखता है। उन्होंने पाया कि इनसेप्टर का जीन भी तेजी से विकसित हुआ था, जिससे पता चलता है कि यह इस नई प्रणाली में प्रमुख भूमिका निभाता है। हालाँकि, इंसुलिन रिसेप्टर की कहानी अधिक जटिल थी। जबकि जीन स्वयं परिवर्तन के कुछ संकेत दिखाता था, सबसे नाटकीय बदलाव प्रोटीन के आनुवंशिक कोड में नहीं, बल्कि इस बात में था कि जीन को कैसे पढ़ा जाता है। अधिकांश स्तनधारियों में, इंसुलिन रिसेप्टर जीन को दो तरह से पढ़ा जा सकता है: एक संस्करण का उपयोग भ्रूण के विकास के दौरान किया जाता है, और एक अलग संस्करण, जिसमें कोड का एक विशिष्ट अतिरिक्त भाग शामिल होता है, रक्त शर्करा को प्रबंधित करने के लिए वयस्कों में उपयोग किया जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि हिस्ट्रिकोग्नाथ वंश में, वयस्क संस्करण की ओर स्विच टूट गया था।

अध्ययन ने इस विफलता का पता कैविडे (Caviidae) नामक रोडेंट्स के एक विशिष्ट परिवार से लगाया, जिसमें गिनी पिग और कैपिबारा शामिल हैं। इन जानवरों में, रिसेप्टर के वयस्क संस्करण के लिए आनुवंशिक निर्देश मौन (silenced) कर दिए गए थे। कैपिबारा में, जीन अभी भी मौजूद था लेकिन इसे इस तरह से पढ़ा जा रहा था कि यह वयस्क अनुभाग को पूरी तरह से छोड़ देता था, जिससे जीव के यकृत (liver) में केवल भ्रूण वाला रिसेप्टर ही रह जाता था। गिनी पिग में, स्थिति और भी चरम थी। उस विशिष्ट अनुभाग के लिए आनुवंशिक कोड इतना क्षतिग्रस्त हो गया था कि वह प्रभावी रूप से मृत था, एक ऐसी प्रक्रिया जिसे वैज्ञानिक 'स्यूडोजीनाइजेशन' (pseudogenization) कहते हैं। डीएनए कोड में एक एकल अक्षर की कमी का मतलब था कि कोशिकीय मशीनरी वयस्क रिसेप्टर बनाने के निर्देशों को देख भी नहीं सकती थी। परिणामस्वरूप, गिनी पिग रक्त शर्करा को प्रबंधित करने के लिए पूरी तरह से भ्रूण संस्करण वाले रिसेप्टर पर निर्भर करते हैं, जो अन्य स्तनधारियों में आमतौर पर एक अस्थायी अवस्था होती है।

वयस्क रिसेप्टर के इस नुकसान ने एक नई समस्या पैदा कर दी: भ्रूण रिसेप्टर रक्त शर्करा को संभालने में उतना अच्छा नहीं है, और कमजोर इंसुलिन हार्मोन अभी भी संचारित हो रहा था। इसे हल करने के लिए, जानवरों ने मुआवजे का दूसरा स्तर विकसित किया। शोधकर्ताओं ने पाया कि गिनी पिगों ने सीधे अपने यकृत में इंसुलिन बनाना शुरू कर दिया था, जो एक ऐसा अंग है जो सामान्यतः अग्न्याशय (pancreas) से केवल इंसुलिन प्राप्त करता है। यह स्थानीय उत्पादन संभवतः यकृत को पर्याप्त हार्मोन से भरने में मदद करता है ताकि कमजोर संकेत को पार किया जा सके। लेकिन यकृत को इंसुलिन से भरने से विषाक्तता हो सकती है, इसलिए जानवरों ने इनसेप्टर प्रोटीन के उत्पादन को भी भारी रूप से बढ़ा दिया। यह प्रोटीन एक ब्रेक के रूप में कार्य करता है, जो अतिरिक्त इंसुलिन को हटाने और कोशिकाओं को अभिभूत होने से बचाने में मदद करता है। कैपिबारा ने थोड़ा अलग मार्ग अपनाया; उसने यकृत में इंसुलिन का उत्पादन नहीं किया, लेकिन उसने वयस्क रिसेप्टर को खो दिया, जिससे वह अपने इंसुलिन उत्पादन को सख्ती से अग्न्याशय में रखते हुए भ्रूण संस्करण पर निर्भर रहा।

शोधकर्ताओं ने कई विभिन्न प्रजातियों के डीएनए को देखकर इन परिवर्तनों के इतिहास को जोड़ा। उन्होंने पाया कि वयस्क रिसेप्टर का नुकसान एक प्राचीन घटना थी जो गिनी पिग और कैपिबारा के अलग होने से पहले हुई थी। समय के साथ, रिसेप्टर जीन को होने वाला आनुवंशिक नुकसान और खराब होता गया। कैपिबारा में, जीन अभी भी मौजूद था लेकिन जटिल रासायनिक संकेतों द्वारा मौन कर दिया गया था जो कोशिका को इसे छोड़ने के लिए कहते थे। गिनी पिग और उसके जंगली रिश्तेदारों में, जीन में एक भौतिक टूट (break) आया था जिसने इसे पढ़ना असंभव बना दिया था। यह चरण-दर-चरण क्षरण दर्शाता है कि जानवरों ने केवल यादृच्छिक उत्परिवर्तन (random mutation) नहीं किया; उन्होंने एक स्पष्ट विकासवादी पथ का पालन किया जहाँ प्रणाली को टुकड़ों में खोला गया और फिर से बनाया गया।

अध्ययन में शामिल प्रोटीनों के भौतिक आकार को भी देखा गया। उन जानवरों में भी जिन्होंने अभी भी वयस्क रिसेप्टर रखा हुआ है, कमजोर कुंजी से मेल खाने के लिए ताले का आकार बदल गया था। शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके दिखाया कि रिसेप्टर की सतह को विद्युत आवेशों (electrical charges) को बेअसर करने के लिए परिवर्तित किया गया था, जिससे यह इन रोडेंट्स के अजीब, कमजोर इंसुलिन से जुड़ सके। यह संरचनात्मक पुनर्निर्माण (structural remodeling) आनुवंशिक परिवर्तनों के साथ हुआ, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि पूरी प्रणाली एक इकाई के रूप में कार्य करे।

यह शोध रक्त शर्करा नियंत्रण के विकास के बारे में हमारी समझ को पुनर्परिभाषित करता है। यह दिखाता है कि जब एक महत्वपूर्ण हार्मोन बदलता है, तो पूरी प्रणाली आश्चर्यजनक तरीकों से पुनर्गठित हो सकती है। उदाहरण के लिए, गिनी पिग ने एक ऐसी प्रणाली विकसित की है जहाँ यकृत अपना स्वयं का इंसुलिन बनाता है और एक अलग प्रकार के रिसेप्टर का उपयोग करता है, एक ऐसा संयोजन जो अधिकांश अन्य स्तनधारियों में घातक होगा। कैपिबारा और डेगु इस प्रक्रिया में मध्यवर्ती चरणों को दर्शाते हैं, जो यह सिद्ध करते हैं कि विकास अलग-अलग मार्गों से एक ही लक्ष्य तक पहुँच सकता है। निष्कर्ष बताते हैं कि एक टूटी हुई या परिवर्तित प्रणाली के साथ जीवित रहने की क्षमता केवल भाग्य का मामला नहीं है, बल्कि कई जीनों में समन्वित परिवर्तनों का परिणाम है। इन रोडेंट्स का अध्ययन करके, वैज्ञानिकों को मानव शरीर की चयापचय प्रणालियों (metabolic systems) की लचीलापन और यह समझने में मदद मिलती है कि कैसे आनुवंशिक परिवर्तनों के विभिन्न संयोजन एक ही शारीरिक परिणाम की ओर ले जा सकते हैं। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि विकास केवल चीजों को मजबूत या तेज बनाने के बारे में नहीं है, बल्कि एक टूटी हुई प्रणाली को फिर से काम करने के नए तरीके खोजने के बारे में है।