Genetic decoupling of NINJ1-mediated cell lysis from developmental hydrocephalus reveals the physiological role of the α1 domain

प्रत्येक जीवित कोशिका के भीतर, प्लाज्मा झिल्ली नामक एक सुरक्षात्मक त्वचा एक महत्वपूर्ण अवरोध के रूप में कार्य करती है, जो कोशिका की आंतरिक मशीनरी को सुरक्षित रखती है और उसे बाहरी दुनिया से अलग रखती है। जब कोई कोशिका एक विशिष्ट, हिंसक तरीके से मरती है जिसे पायरोप्टोसिस (pyroptosis) कहा जाता है, तो यह त्वचा न केवल क्षतिग्रस्त होती है, बल्कि बिखर जाती है। यह टूटना आंतरिक संकेतों की बाढ़ को मुक्त करता है जो प्रतिरक्षा प्रणाली को खतरे के प्रति सचेत करते हैं, लेकिन यह सूजन (inflammation) की एक श्रृंखला को भी सक्रिय करता है। NINJ1 नामक एक प्रोटीन इन कोशिकाओं की सतह पर स्थित होता है और इस बिखराव के लिए एक मास्टर स्विच के रूपas कार्य करता है। NINJ1 के बिना, कोशिका मरने के बाद भी झिल्ली बरकरार रहती है, जिससे उन सूजन संबंधी संकेतों का निकलना रुक जाता है। वैज्ञानिक लंबे समय से यह समझने के लिए चूहों में इस प्रक्रिया का अध्ययन करना चाहते थे कि कैसे सूजन बीमारी को बढ़ावा देती है, लेकिन एक बड़ी बाधा थी: वे चूहे जिनमें पूरी तरह से NINJ1 प्रोटीन की कमी होती है, अक्सर एक गंभीर मस्तिष्क स्थिति से पीड़ित होते हैं जिसे हाइड्रोसेफलस (hydrocephalus) कहा जाता है, जहाँ खोपड़ी में तरल पदार्थ जमा हो जाता है, जिससे उनमें से कई अनुसंधान के लिए उपयोग किए जाने से पहले ही मर जाते हैं। इसने इन चूहों के बड़े समूह को बड़े प्रयोगों के लिए पालना लगभग असंभव बना दिया था।

Genentech और ऑस्ट्रेलियन नेशनल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को एक नए प्रकार का चूहा बनाकर हल कर लिया है जो अपनी प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया में तो NINJ1-कमी वाले चूहे जैसा व्यवहार करता है, लेकिन पूरी तरह स्वस्थ रूप से विकसित होता है। उन्होंने NINJ1 प्रोटीन के एक विशिष्ट, छोटे खंड पर ध्यान केंद्रित किया, जो अणु के प्रारंभ के पास एक घुमावदार हिस्सा है जिसे अल्फा-1 डोमेन (alpha-1 domain) कहा जाता है। इस विशिष्ट खंड के आनुवंशिक कोड में एक सूक्ष्म, सटीक परिवर्तन करके, उन्होंने एक ऐसा चूहा बनाया जो कोशिका मरने पर अपनी कोशिका झिल्ली को तोड़ नहीं सकता, ठीक वैसे ही जैसे बिना NINJ1 वाला चूहा होता है। हालाँकि, बिना NINJ1 वाले चूहों के विपरीत, ये चूहे सामान्य रूप से विकसित होते हैं और हाइड्रोसेफलस से पीड़ित नहीं होते हैं। यह खोज सिद्ध करती है कि प्रोटीन का वह हिस्सा जो कोशिकाओं को तोड़ने के लिए जिम्मेदार है, स्वस्थ मस्तिष्क विकास के लिए आवश्यक हिस्से से भिन्न है।

यह समझने के लिए कि उन्होंने इसे कैसे प्राप्त किया, पहले यह देखना होगा कि NINJ1 प्रोटीन कैसे कार्य करता है। एक स्वस्थ, जीवित कोशिका में, NINJ1 सतह पर शांति से बैठा रहता है। जब कोशिका को मृत्यु का संकेत मिलता है, तो NINJ1 अपना आकार बदल लेता है और खुद को लंबी, कसी हुई जंजीरों या तंतुओं (filaments) में व्यवस्थित कर लेता है। ये तंतु एक ज़िप या एक वेज (wedge) की तरह कार्य करते हैं जो कोशिका झिल्ली को अलग कर देते हैं, जिससे वह फट जाती है। शोधकर्ताओं को पता चला कि प्रोटीन का एक विशिष्ट अमीनो एसिड, जो एक बिल्डिंग ब्लॉक है, जो अल्फा-1 डोमेन के भीतर स्थिति 45 पर स्थित है, इस असेंबली के लिए महत्वपूर्ण है। पिछले प्रयोगों में, जो एक डिश में उगाई गई कोशिकाओं का उपयोग करके किए गए थे, उस एकल बिल्डिंग ब्लॉक को लाइसिन (lysine) से बदलकर ग्लूटामाइन (glutamine) करने से प्रोटीन को झिल्ली को फाड़ने के लिए आवश्यक जंजीरें बनाने से रोक दिया गया था। टीम ने परीक्षण करने का निर्णय लिया कि क्या यही परिवर्तन एक जीवित जीव में काम करेगा।

उन्होंने भ्रूण के डीएनए में इसी सटीक परिवर्तन को पेश करने के लिए एक आधुनिक जीन-एडिटिंग टूल का उपयोग किया। इसका परिणाम एक चूहे की नस्ल थी, जिसे उन्होंने Ninj1K45Q नाम दिया, जिसमें उनके जीन की दोनों प्रतियों पर यह विशिष्ट उत्परिवर्तन (mutation) मौजूद था। जब शोधकर्ताओं ने इन चूहों की प्रतिरक्षा कोशिकाओं की जांच की, तो उन्होंने पाया कि कोशिकाएं सामान्य दिखती थीं और व्यवहार करती थीं। NINJ1 प्रोटीन सही मात्रा में सतह पर मौजूद था। हालाँकि, जब उन्होंने विभिन्न तरीकों से, जैसे कि बैक्टीरिया के विषाक्त पदार्थों या कोशिका मृत्यु को प्रेरित करने वाले रसायनों के संपर्क में लाकर, कोशिकाओं को मरने के लिए प्रेरित किया, तो कोशिकाएं फटने से इनकार कर गईं। फटने और अपनी सामग्री को छोड़ने के बजाय, कोशिकाएं केवल सिकुड़ गईं और पूरी बनी रहीं। इसने पुष्टि की कि उत्परिवर्तन ने झिल्ली को तोड़ने की प्रोटीन की क्षमता को सफलतापूर्वक अक्षम कर दिया, जो प्रभावी रूप से बिना NINJ1 वाले चूहे के प्रभाव की नकल करता है।

शोधकर्ताओं ने फिर यह परीक्षण किया कि क्या यह उत्परिवर्तन अन्य संबंधित प्रोटीनों को प्रभावित करता है। उन्होंने NINJ2 को देखा, जो एक 'कजिन' प्रोटीन है जो समान संरचना और अनुक्रम साझा करता है। कुछ पिछले अध्ययनों ने सुझाव दिया था कि NINJ2 भी कोशिका फटने में भूमिका निभा सकता है, शायद एक बैकअप या नियामक के रूप में। टीम ने ऐसे चूहे बनाए जिनमें NINJ2 पूरी तरह से अनुपस्थित था और पाया कि इन चूहों में कोशिका फटने के मामले में सामान्य चूहों की तुलना में कोई अंतर नहीं था। यहाँ तक कि जब उन्होंने NIN1 और NINJ2 दोनों को हटा दिया, तब भी कोशिकाएं बिल्कुल वैसी ही व्यवहार करती थीं जैसे केवल NIN1 की कमी होने पर करती हैं। इसने इस विचार को खारिज कर दिया कि NINJ2 इन विशिष्ट प्रतिरक्षा कोशिकाओं में कोशिकाओं को तोड़ने में मदद कर रहा था, और पुष्टि की कि इस संदर्भ में NIN1 ही इस प्रक्रिया का एकमात्र चालक है।

असली सफलता तब आई जब शोधकर्ताओं ने चूहों के समग्र स्वास्थ्य को देखा। जो चूहे पूरी तरह से NINJ1 प्रोटीन की कमी वाले होते हैं, उनमें एक अच्छी तरह से प्रलेखित समस्या होती है: लगभग आधे चूहे जन्म के तुरंत बाद मर जाते हैं, और जीवित बचे लोगों में से कई के सिर बड़े हो जाते हैं क्योंकि मस्तिष्क में तरल पदार्थ जमा हो जाता है। यह हाइड्रोसेफलस एक बड़ी बाधा रही है, जिसने वैज्ञानिकों को जटिल रोग अध्ययन के लिए आवश्यक चूहों की बड़ी संख्या को पालने से रोका है। जब टीम ने अपने नए Ninj1K45Q चूहों की जांच की, तो परिणाम आश्चर्यजनक थे। ये चूहे अपेक्षित संख्या में पैदा हुए, वयस्कता तक जीवित रहे, और उन्हें हाइड्रोसेफलस या किसी अन्य विकासात्मक असामान्यता के कोई लक्षण नहीं दिखे। उनके सिर का आकार और आकृति सामान्य थी।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह केवल एक इत्तेफाक नहीं है, शोधकर्ताओं ने लीवर की चोट के एक मॉडल में चूहों का परीक्षण भी किया। उन्होंने चूहों को एक ऐसे पदार्थ के साथ इंजेक्ट किया जो लीवर कोशिकाओं को मार देता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो सामान्य चूहों में आमतौर पर सूजन संबंधी संकेतों और लीवर क्षति के भारी रिलीज की ओर ले जाती है। नए उत्परिवर्ती चूहों में, लीवर कोशिकाएं मर गईं, लेकिन क्योंकि NINJ1 प्रोटीन झिल्ली को नहीं तोड़ सका, इसलिए सूजन संबंधी संकेत जारी नहीं हुए। नतीजतन, लीवर की क्षति काफी कम हो गई। इसने सिद्ध किया कि उत्परिवर्तन ने जीवित जीव में सूजन की प्रक्रिया को सफलतापूर्वक रोक दिया, जैसा कि उन्होंने डिश में कोशिकाओं के साथ किया था।

शोधकर्ताओं ने प्रोटीन के एक अलग हिस्से का परीक्षण करने के लिए एक दूसरा प्रकार का उत्परिवर्ती चूहा भी बनाया। उन्होंने एक अलग बिल्डिंग ब्लॉक, ट्रिप्टोफैन (tryptophan) को बदला, जो स्थिति 29 पर है, जिसे पहले कोशिकाओं के एक-दूसरे से चिपकने के तरीके में शामिल माना जाता था। ये चूहे, जिन्हें Ninj1W29A नाम दिया गया, स्वस्थ रूप से विकसित हुए और उनमें हाइड्रोसेफलस भी नहीं हुआ। हालाँकि, पहले समूह के विपरीत, उनकी कोशिकाएं मरने पर सामान्य रूप से फट गईं। इससे वैज्ञानिकों को पता चला कि ट्रिप्टोफैन 29 स्थिति पर कोशिका फटने के कार्य के लिए आवश्यक नहीं है, लेकिन लाइसिन 45 स्थिति पर है।

ये निष्कर्ष वैज्ञानिकों को अंततः NIN1 द्वारा किए जाने वाले दो अलग-अलग कार्यों को अलग करने की अनुमति देते हैं। एक काम कोशिका झिल्ली को तोड़कर सूजन संबंधी संकेतों को छोड़ना है, जिसके लिए अल्फा-1 डोमाइन और विशिष्ट लाइसिन 45 की आवश्यकता होती है। दूसरा काम यह सुनिश्चित करना है कि सामान्य मस्तिष्क विकास हो, जिसके लिए झिल्ली तोड़ने की क्षमता की आवश्यकता नहीं होती है, लेकिन पूरे प्रोटीन के गायब होने पर यह खो जाता है। नए Ninj1K45Q चूहों में झिल्ली तोड़ने का कार्य टूटा हुआ है लेकिन स्वस्थ विकास का कार्य बरकरार है। इसका अर्थ है कि शोधकर्ता अब इन चूहों की बड़ी कॉलोनियां पाल सकते हैं ताकि यह अध्ययन किया जा सके कि कोशिका फटना सेप्सिस, ऑटोइम्यून विकारों या संक्रमण जैसी बीमारियों को कैसे संचालित करता है, बिना इस चिंता के कि जानवर हाइड्रोसेफलस से मर जाएंगे या परिणाम विकासात्मक दोषों के कारण गलत होंगे।

अध्ययन ने NINJ2 प्रोटीन की भूमिका को भी स्पष्ट किया। यह दिखाते हुए कि NINJ2 की कमी वाले चूहे कोशिका फटने में कोई समस्या नहीं झेलते, शोधकर्ताओं ने पुख्ता सबूत दिए कि NINJ2 प्रतिरक्षा कोशिकाओं में इस प्रक्रिया में महत्वपूर्ण भूमिका नहीं निभाता है, कम से कम उन स्थितियों में जिनका उन्होंने परीक्षण किया। यह भविष्य के शोध के लिए ध्यान केंद्रित करने में मदद करता है, यह सुझाव देते हुए कि कोशिका फटने को समझने के प्रयास NINJ1 पर केंद्रित होने चाहिए।

व्यापक परिप्रेक्ष्य में, यह कार्य वैज्ञानिक समुदाय को एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान करता है। वर्षों से, स्वस्थ NINJ1-कमी वाले चूहों की बड़ी संख्या में उत्पादन करने में असमर्थता ने सूजन संबंधी रोगों के अनुसंधान के दायरे को सीमित कर दिया था। नया चूहा मॉडल इस बाधा को दूर करता है। यह वैज्ञानिकों को एक जीवित जीव में कोशिका फटने को रोकने के विशिष्ट परिणामों का अध्ययन करने की अनुमति देता है, बिना विकासात्मक मस्तिष्क दोषों के भ्रमित करने वाले कारक के। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया है कि कोशिका फटने की विनाशकारी शक्ति को विकास की आवश्यक प्रक्रियाओं से आनुवंशिक रूप से अलग करना संभव है। यह सूजन कैसे काम करती है और इसे कैसे नियंत्रित किया जा सकता है, इसके बारे में अधिक सटीक जांच के द्वार खोलता है, जिससे उन बीमारियों को समझने और उनके उपचार की दिशा में एक स्पष्ट मार्ग मिलता है जहाँ अनियंत्रित सूजन नुकसान पहुँचाती है। यह कार्य इस बात का स्पष्ट उदाहरण है कि कैसे सटीक जेनेटिक इंजीनियरिंग अनुसंधान में एक व्यावहारिक समस्या को हल कर सकती है, जिससे एक कठिन अध्ययन योग्य जैविक घटना को एक प्रबंधनीय और मजबूत प्रयोगात्मक प्रणाली में बदला जा सकता है।