A comprehensive study of the role of phosphorylation in the coordination and hydrolytic behaviour of the human tau(28-34) protein fragment

मानव मस्तिष्क में, माइक्रोट्यूब्यूल्स नामक सूक्ष्म प्रोटीन संरचनाएं न्यूरॉन्स के आंतरिक मचान (scaffolding) और रेलवे ट्रैक के रूप में कार्य करती हैं, जिससे उन्हें अपना आकार बनाए रखने और आवश्यक सामग्रियों के परिवहन में मदद मिलती है। ताऊ (tau) नामक एक प्रोटीन वह गोंद है जो इन माइक्रोट्यूब्यूल्स को एक साथ थामे रखता है, जिससे वे स्थिर और कार्यात्मक बने रहते हैं। सामान्य परिस्थितियों में, ताऊ यह कार्य कुशलता से करता है, लेकिन अल्जाइमर जैसी कुछ न्यूरोडीजेनेरेटिव बीमारियों में, यह प्रोटीन खराब व्यवहार करने लगता है। होने वाले प्रमुख परिवर्तनों में से एक फॉस्फोरिलीकरण (phosphorylation) नामक रासायनिक संशोधन है, जहाँ छोटे फॉस्फेट समूह प्रोटीन से जुड़ जाते हैं। यह जुड़ाव प्रोटीन के विद्युत आवेश और आकार को बदल देता है, जिससे अक्सर यह माइक्रोट्यूब्यूल्स को छोड़ देता है और जहरीले गुच्छों (tangles) में सिमट जाता है। इसी समय, मस्तिष्क एक जटिल वातावरण है जहाँ कॉपर (तांबा) और जिंक (जस्ता) जैसे धातु आयन स्वाभाविक रूप से प्रोटीनों के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। हालाँकि ये धातुएँ जीवन के लिए आवश्यक हैं, लेकिन खराब व्यवहार करने वाले ताऊ प्रोटीनों के साथ उनकी परस्पर क्रिया को इन हानिकारक गुच्छों के निर्माण को तेज करने वाला माना जाता है। यह समझना कि फॉस्फोरिलीकरण ठीक कैसे बदलता है कि ताऊ धातुओं के साथ कैसे बंधता है, और क्या यह प्रोटीन को टूटने की अधिक संभावना बनाता है या कम, इस पहेली को सुलझाने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है कि ये बीमारियाँ कैसे विकसित होती हैं।

डेब्रेसेन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने मानव ताऊ प्रोटीन के एक छोटे, प्रबंधनीय हिस्से का अध्ययन करके इस विशिष्ट अंतःक्रिया की जांच करने का लक्ष्य रखा, जो केवल सात अमीनो एसिड का एक खंड (fragment) है। उन्होंने इस खंड के एक विशेष स्थान पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ एक थ्रोनिन (threonine) अमीनो एसिड को फॉस्फोरिलेट किया जा सकता है। यह देखने के लिए कि यह रासायनिक परिवर्तन प्रोटीन के व्यवहार को कैसे बदलता है, टीम ने इस खंड के दो संस्करण बनाए: एक अपनी प्राकृतिक अवस्था में और दूसरा थ्रोनिन के फॉस्फोरिलेटेड रूप में। इसके बाद उन्होंने दोनों संस्करणों को तीन अलग-अलग धातु आयनों—कॉपर, जिंक और निकल—के साथ नियंत्रित प्रयोगशाला स्थितियों में मिलाया। कॉपर और जिंक शरीर में पाए जाने वाले आवश्यक धातु हैं, जबकि निकल एक जहरीली धातु है जो प्राकृतिक रूप से मनुष्यों के लिए आवश्यक नहीं है लेकिन जैविक नमूनों में मौजूद हो सकती है। इन प्रोटीन खंडों से धातुओं के जुड़ने के तरीके का अवलोकन करके, वैज्ञानिक बंधन की मजबूती को माप सके और प्रोटीन संरचना में समय के साथ होने वाले परिवर्तनों को देख सके।

अध्ययन से पता चला कि फॉस्फेट समूह जोड़ने से प्रोटीन की तीनों धातु आयनों पर पकड़ काफी मजबूत हो गई। जब थ्रोनिन को फॉस्फोरिलेट किया गया, तो धातु आयन प्राकृतिक संस्करण की तुलना में प्रोटीन से बहुत अधिक मजबूती से बंध गए। यह विशेष रूप से कॉपर और निकल के मामले में देखा गया, जहाँ फॉस्फेट समूह की उपस्थिति ने जटिल संरचना (complex) को अधिक स्थिर बना दिया। शोधकर्ताओं ने इन अंतःक्रियाओं को देखने के लिए विभिन्न उपकरणों का उपयोग किया, जिसमें घोल में होने वाले विद्युत परिवर्तनों को मापना और यह विश्लेषण करना शामिल था कि धातु-प्रोटीन मिश्रण प्रकाश को कैसे अवशोषित करते हैं। उन्होंने पाया कि फॉस्फेट समूह केवल निष्क्रिय रूप से वहां नहीं बैठा था; इसने सक्रिय रूप से धातु आयन को अपनी जगह पर बनाए रखने में भाग लिया, प्रभावी रूप से एक अतिरिक्त लंगर (anchor) के रूप में कार्य किया। इस मजबूत बंधन ने धातु आयनों के प्रोटीन संरचना के भीतर बैठने के तरीके को बदल दिया, जिससे जटिल संरचना का आकार बदल गया, जो स्पेक्ट्रोस्कोपिक विश्लेषण के माध्यम से स्पष्ट रूप से दिखाई दे रहा था।

सबसे आश्चर्यजनक खोज निकल के संपर्क में आने पर प्रोटीन की स्थिरता से संबंधित थी। प्राकृतिक, अन-फॉस्फोरिलेटेड पेप्टाइड में, निकल आयन एक उत्प्रेरक (catalyst) के रूप में कार्य करता था जिसने प्रोटीन को तोड़ दिया। क्षारीय स्थितियों के तहत, निकल आयन ने प्रोटीन को इस तरह से मोड़ने (fold) में मदद की जिससे एक विशिष्ट रासायनिक बंधन टूट गया, जिसके कारण पेप्टाइड दो छोटे टुकड़ों में विभाजित हो गया। हाइड्रोलिसिस (hydrolysis) के रूप में जानी जाने वाली यह प्रक्रिया अपेक्षाकृत तेजी से हुई, जिसमें प्रोटीन खंड कुछ ही घंटों के भीतर टूट गया। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने फॉस्फोरिलेटेड संस्करण का परीक्षण किया, तो यह विनाशकारी प्रक्रिया पूरी तरह से रुक गई। एक सप्ताह के अवलोकन के बाद भी, फॉस्फोरिलेटेड पेप्टाइड बरकरार रहा, जिसमें टूटने के कोई संकेत नहीं मिले। फॉस्फेट समूह ने प्रोटीन को निकल आयन के विनाशकारी प्रभाव से प्रभावी ढंग से सुरक्षित रखा, जिससे बंधन टूटने से बच गया।

शोधकर्ताओं ने हाई-परफॉर्मेंस लिक्विड क्रोमैटोग्राफी का उपयोग करके समय के साथ इस प्रतिक्रिया को ट्रैक करके इन निष्कर्षों की पुष्टि की, जो अणुओं को एक कॉलम के माध्यम से उनके यात्रा करने के समय के आधार पर अलग करती है। प्राकृतिक पेप्टाइड के लिए, उन्होंने मूल अणु को गायब होते देखा और नए शिखर (peaks) उभरते देखे, जो टूटे हुए खंडों और एक मध्यवर्ती अवस्था का प्रतिनिधित्व करते थे जहाँ प्रोटीन एक अस्थायी एस्टर आकार में मुड़ा था, इससे पहले कि वह टूट जाए। इसके विपरीत, फॉस्फोरिलेटेड पेप्टाइड ने पूरे सप्ताह में एक एकल, अपरिवर्तित शिखर दिखाया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि रासायनिक संशोधन ने गिरावट को पूरी तरह से रोक दिया था। यह सुझाव देता है कि जबकि फॉस्फोरिलीकरण प्रोटीन को धातु आयनों के साथ अधिक मजबूती से चिपका देता है, यह उन्हीं आयनों द्वारा प्रोटीन को काटने से भी बचाता है।

ये परिणाम न्यूरोडीजेनेरेटिव रोगों के दौरान मस्तिष्क में होने वाले जटिल रासायनिक नृत्य की एक स्पष्ट तस्वीर पेश करते हैं। अध्ययन दर्शाता है कि एक एकल रासायनिक परिवर्तन, यानी एक फॉस्फेट समूह का जुड़ना, मौलिक रूप से यह बदल सकता है कि एक प्रोटीन धातुओं के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है। यह धातु के साथ बंधन को मजबूत करता है और साथ ही प्रोटीन को नष्ट होने से भी बचाता है। यह दोहरा प्रभाव बताता है कि फॉस्फोरिलीकरण का विशिष्ट स्थान और प्रकृति इस बात के महत्वपूर्ण कारक हैं कि प्रोटीन खंड स्थिर रहेगा या विघटित होगा। इन सटीक रासायनिक व्यवहारों को समझकर, वैज्ञानिक बेहतर ढंग से समझ सकते हैं कि कैसे धातु आयन और प्रोटीन संशोधन मिलकर अल्जाइमर जैसी बीमारियों की प्रगति को गति दे सकते हैं, जिससे न्यूरोनल क्षति की ओर ले जाने वाली आणविक घटनाओं का अधिक विस्तृत दृश्य प्राप्त होता है।