HSP70 activates selective autophagy via UBQLN2 to alleviate hSOD1G93A-mediated neurotoxicity in NSC-34 cellular model of ALS

मानव शरीर पुनर्चक्रण (recycling) का एक उस्ताद है। हमारे कोशिकाओं के भीतर, काम का एक निरंतर प्रवाह पुराने या क्षतिग्रस्त प्रोटीनों को तोड़ देता है और उन्हें हटा देता है, जिससे नए, स्वस्थ प्रोटीनों के लिए जगह बन जाती है। यह सफाई दल दो मुख्य उपकरणों पर निर्भर करता है: एक प्रणाली जो व्यक्तिगत प्रोटीनों के लिए एक श्रेडर (shredder) की तरह काम करती है, और एक बड़ी प्रणाली जिसे ऑटोफैगी (autophagy) कहा जाता है, जो एक बड़े कचरा संग्रह ट्रक की तरह कार्य करती है, जो मलबे के ढेरों को पकड़ती है और उन्हें निपटान स्थल तक ले जाती है। जब यह प्रणाली काम करती है, तो कोशिकाएं स्वस्थ रहती हैं। जब यह विफल होती है, तो जहरीला कचरा जमा हो जाता है, जिससे कोशिका मृत्यु हो जाती है। यह गिरावट एमियोट्रोफिक लेटरल स्क्लेरोसिस (ALS) की एक केंद्रीय विशेषता है, जो एक विनाशकारी बीमारी है जो हमारी मांसपेशियों को नियंत्रित करने वाली तंत्रिका कोशिकाओं को नष्ट कर देती है। इस बीमारी के कई मामलों में, SOD1 नामक एक विशिष्ट प्रोटीन उत्परिवर्तित (mutate) हो जाता है, गलत आकार में मुड़ जाता है और जहरीले गुच्छों में चिपक जाता है जिन्हें कोशिका तोड़ नहीं पाती है।

वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि कोशिकाएं इस जहरीले संचय के खिलाफ लड़ने के लिए HSP70 नामक एक सहायक प्रोटीन का अधिक उत्पादन करके मुकाबला करने की कोशिश करती हैं। HSP70 को एक आणविक चैपरोन (molecular chaperone) के रूप में सोचें, एक कार्यकर्ता जो गलत तरीके से मुड़े हुए प्रोटीनों को सुलझाने या उन्हें हटाने के लिए चिह्नित करने की कोशिश करता है। हालांकि, बीमारी की स्थिति में, यह प्रयास अक्सर विफल रहता है। ऐसा लगता है कि कोशिका के पास कार्यकर्ता तो है, लेकिन उसके पास कचरे को वास्तव में निपटान स्थल तक पहुँचाने के लिए आवश्यक उपकरण नहीं है। इस लापता उपकरण का एक प्रमुख हिस्सा UBQLN2 नामक प्रोटीन है, जो एक पुल (bridge) के रूप में कार्य करता है, जो चिह्नित कचरे को ऑटोफैगी संग्रह ट्रकों से जोड़ता है। शोधकर्ता जिस प्रश्न का सामना कर रहे थे वह यह था कि क्या चैपरोन कार्यकर्ताओं की संख्या बढ़ाकर समस्या को ठीक किया जा सकता है यदि स्वयं पुल टूटा हुआ या गायब हो।

बीजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ चाइनीज मेडिसिन के शोधकर्ताओं के एक दल ने एक डिश में बीमारी का मॉडल बनाकर इसका उत्तर देने का प्रयास किया। उन्होंने कोशिकाओं की एक ऐसी रेखा ली जो मोटर न्यूरॉन्स की तरह व्यवहार करती है और उसमें SOD1 प्रोटीन का एक उत्परिवर्तित संस्करण पेश किया, जैसा कि मनुष्यों में बीमारी का कारण बनता है। जैसा कि अपेक्षित था, ये कोशिकाएं संघर्ष करने लगीं। उत्परिवर्तित SOD1 ने जहरीले गुच्छे बनाए, और उन्हें साफ करने की कोशिकाओं की क्षमता रुक गई। शोधकर्ताओं ने अवरुद्ध अपशिष्ट लाइन का एक क्लासिक संकेत देखा: कोशिकाएं उन संग्रह ट्रकों से भरी थीं जो निकलने के लिए प्रतीक्षा कर रहे थे और उस कचरे से भी जो लोड होने की प्रतीक्षा कर रहा था, जिसका अर्थ था कि ट्रक तो बन रहे थे लेकिन कभी निपटान स्थल तक नहीं पहुँच रहे थे। इस संकट के जवाब में, कोशिकाओं ने स्वाभाविक रूप से अधिक HSP70 चैपरोन का उत्पादन करके मदद करने की कोशिश की। फिर भी, इस वृद्धि के बावजूद, जहरीला कचरा बना रहा। साथ ही, शोधकर्ताओं ने देखा कि UBQLN2, जो महत्वपूर्ण पुल प्रोटीन है, के स्तर में काफी गिरावट आई थी। कोशिकाओं के पास कार्यकर्ता तो थे, लेकिन पुल गायब था।

यह परीक्षण करने के लिए कि क्या पुल ही गायब कड़ी थी, वैज्ञानिकों ने इन बीमार कोशिकाओं में HSP70 के स्तर में हेरफेर किया। जब उन्होंने कोशिकाओं को और अधिक HSP70 का उत्पादन करने के लिए मजबूर किया, तो स्थिति में नाटकीय सुधार हुआ। जहरीले SOD1 के गुच्छे गायब होने लगे और कचरा संग्रह प्रणाली फिर से चलने लगी। जो ट्रक ट्रैफिक में फंसे हुए थे, वे अंततः निकल गए, और जहरीले कचरे का क्षरण (degrade) हो गया। इससे पता चला कि पर्याप्त चैपरोन कार्यकर्ता होने से वास्तव में सफाई प्रक्रिया को फिर से शुरू किया जा सकता है। हालांकि, शोधकर्ताओं को संदेह था कि यह सफलता पूरी तरह से पुल की उपस्थिति पर निर्भर करती है। इसे साबित करने के लिए, उन्होंने प्रयोग को दोहराया लेकिन इस बार उन्होंने HSP70 कार्यकर्ताओं को बढ़ाने के साथ-साथ UBQLN2 पुल को हटा दिया। परिणाम तत्काल और स्पष्ट था: सफाई रुक गई। प्रचुर मात्रा में चैपरोन कार्यकर्ताओं के होने के बावजूद, जहरीला कचरा फिर से जमा हो गया, और संग्रह ट्रक फंसे रह गए। पुल के बिना सिस्टम पूरी तरह विफल हो गया।

दल ने यह देखने के लिए करीब से अध्ययन किया कि ये दो प्रोटीन कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। मिश्रण से प्रोटीनों को खींचकर यह देखने की विधि का उपयोग करते हुए कि वे किसे पकड़े हुए हैं, उन्होंने पाया कि HSP7�ពី HSP70 और UBQLN2 भौतिक रूप से एक-दूसरे से बंधते हैं। जब शोधकर्ताओं ने HSP70 की मात्रा बढ़ाई, तो दोनों प्रोटीन एक-दूसरे को और मजबूती से पकड़ने लगे, जिससे उनका जुड़ाव लगभग आधा बढ़ गया। यह भौतिक लिंक ही वह तंत्र प्रतीत होता है जो चैपरोन को जहरीले कचरे को पुल को सौंपने की अनुमति देता है, जो फिर उसे निपटान प्रणाली तक निर्देशित करता है। अध्ययन ने इस विचार को भी खारिज कर दिया कि केवल अधिक कचरा संग्रह ट्रकों को बनाने से समस्या हल हो जाएगी। जब उन्होंने अधिक ट्रकों के निर्माण को ट्रिगर करने के लिए जाने जाने वाले एक ड्रग का उपयोग किया, तो जहरीला कचरा प्रभावी ढंग से साफ नहीं हुआ। इसने पुष्टि की कि समस्या ट्रकों की कमी नहीं थी, बल्कि जहरीले SOD1 कचरे को लोड करने और वितरित करने की विशिष्ट प्रक्रिया में विफलता थी।

निष्कर्ष बताते हैं कि बीमारी एक विशिष्ट बाधा (bottleneck) पैदा करती है जहाँ चैपरोन का अधिक उत्पादन करने का कोशिका का प्राकृतिक प्रयास इसलिए विफल हो जाता है क्योंकि पुल प्रोटीन कम हो जाता है। शोधकर्ता प्रस्ताव देते हैं कि इसे ठीक करने की कुंजी एक समन्वित दृष्टिकोण में निहित है। केवल अधिक चैपरोन जोड़ने से मदद मिल सकती है, लेकिन केवल तभी जब ब्रिज प्रोटीन भी मौजूद और कार्यात्मक हो। अध्ययन इंगित करता है कि चैपरोन और ब्रिज के बीच का संबंध कोशिका की व्यवस्था बनाए रखने की क्षमता में एक महत्वपूर्ण केंद्र (hub) है। यदि यह संबंध टूट जाता है, तो कोशिका उस जहरीले कचरे को साफ नहीं कर सकती है जो तंत्रिका मृत्यु का कारण बनता है। हालांकि यह कार्य प्रयोगशाला मॉडल में किया गया था न कि जीवित रोगियों में, यह शामिल मशीनरी का एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान करता है। यह एक ऐसी संभावित रणनीति की ओर इशारा करता है जहाँ उपचारों को सहायक प्रोटीनों को बढ़ाने और ब्रिज प्रोटीनों को स्थिर रखने, दोनों पर ध्यान केंद्रित करने की आवश्यकता हो सकती है, जो कोशिका की स्वयं को साफ करने की क्षमता को बहाल करने के बारे में सोचने का एक नया तरीका प्रदान करता है।