Embryonic EMT programs establish proteoglycan expression patterns that persist in adult human tissues

प्रत्येक जीवित शरीर एक एकल कोशिका के रूप में शुरू होता है जो विभाजित होती है और स्वयं को तीन अलग-अलग परतों में व्यवस्थित करती है, ठीक वैसे ही जैसे किसी भूगर्भीय संरचना की परतें होती हैं। ये परतें, जिन्हें जर्म लेयर्स (germ layers) कहा जाता है, मानव शरीर के प्रत्येक अंग और ऊतक की नींव हैं। एक परत त्वचा और तंत्रिका तंत्र बनती है, दूसरी आंत और फेफड़ों का निर्माण करती है, और तीसरी मांसपेशियों, हड्डियों और रक्त का निर्माण करती है। इस प्रारंभिक निर्माण चरण के दौरान, कोशिकाएं एक नाटकीय परिवर्तन से गुजरती हैं जिसे एपिथेलियल-मेसेनकाइमल ट्रांजिशन (epithelial-mesenchymal transition) कहा जाता है। इस प्रक्रिया में, कोशिकाएं जो कभी एक घनी शीट में आपस में जुड़ी हुई थीं, वे अपने बंधनों को ढीला कर देती हैं, अपना आकार बदल लेती हैं और नई जगहों पर जाने की क्षमता प्राप्त कर लेती हैं। यह गतिशीलता एक जटिल शरीर के निर्माण के लिए आवश्यक है, लेकिन यह एक ऐसी प्रक्रिया भी है जो जीवन में बाद में कैंसर या फाइब्रोसिस जैसी बीमारियों में गलत हो सकती है।

इन कोशिकाओं के चारों ओर प्रोटीन और शर्करा श्रृंखलाओं से बना एक जटिल ढांचा है, जिसे वैज्ञानिक 'एक्स्ट्रासेलुलर मैट्रिक्स' (extracellular matrix) कहते हैं। इस ढांचे के भीतर प्रोटीोग्लाइकेन्स (proteoglycans) नामक विशेष अणु होते हैं। एक प्रोटीोग्लाइकेन को एक प्रोटीन कोर के रूप में सोचें जिससे लंबी, रोएँदार शर्करा श्रृंखलाएं जुड़ी हुई हैं, जो एक बोतल ब्रश (bottle brush) की तरह दिखती हैं। ये अणु एक संचार नेटवर्क के रूप में कार्य करते हैं, जिससे कोशिकाएं एक-दूसरे से बात करने में मदद मिलती है और अपने आस-पास के स्थान को व्यवस्थित करती हैं। लंबे समय तक, वैज्ञानिक समझते थे कि ये अणु जीवन के शुरुआती दिनों में महत्वपूर्ण होते हैं, लेकिन यह एक रहस्य बना रहा कि भ्रूण के विकास के दौरान इन अणुओं के विशिष्ट पैटर्न क्या वयस्क होने के बाद भुला दिए जाते हैं, या क्या वे वयस्क ऊतकों पर एक स्थायी छाप छोड़ते हैं।

नार्वे और यूनाइटेड किंगडम के शोधकर्ताओं की एक टीम ने मानव कोशिकाओं के भीतर मौजूद आनुवंशिक निर्देशों को देखकर इस रहस्य को सुलझाने का प्रयास किया। उन्होंने अस्सी-एक विभिन्न प्रकार की वयस्क मानव कोशिकाओं के डेटा का परीक्षण किया, जिसमें प्रतिरक्षा कोशिकाओं से लेकर तंत्रिका कोशिकाओं तक शामिल थे, और उनकी तुलना कुछ सप्ताह पुराने मानव भ्रूण के डेटा से की। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या वयस्कों में इन प्रोटीोग्लाइकेन्स के लिए आनुवंशिक "ब्लूप्रिंट" अभी भी उन भ्रूण परतों के हस्ताक्षर को वहन करता है जिनसे वे मूल रूप से उत्पन्न हुए थे। वे यह भी जानना चाहते थे कि क्या वे एंजाइम जो इन अणुओं की शर्करा श्रृंखलाओं का निर्माण करते हैं, उन्हीं नियमों का पालन करते हैं जो प्रोटीन कोर के लिए हैं।

शोधकर्ताओं ने अणु के दो भागों के बीच एक चौंकाने वाला अंतर पाया। वयस्क ऊतकों में प्रोटीोग्लाइकेन्स के प्रोटीन कोर अभी भी अपने भ्रूण संबंधी मूल को स्पष्ट रूप से याद रखते थे। वे कोशिकाएं जो मध्य भ्रूण परत से आती हैं, जो मांसपेशियों और संयोजी ऊतकों को जन्म देती हैं, एक विशिष्ट प्रोटीन कोर व्यक्त करती थीं। बाहरी परत से आने वाली कोशिकाएं, जो त्वचा और तंत्रिकाएं बनती हैं, एक अलग सेट व्यक्त करती थीं। यह पैटर्न इतना सुसंगत था कि शोधकर्ता वयस्क कोशिकाओं को केवल इस आधार पर वर्गीकृत कर सकते थे कि वे किस प्रोटीन कोर का उत्पादन करती हैं, और ये समूह मूल तीन भ्रूण परतों से पूरी तरह मेल खाते थे। इसके अलावा, विशिष्ट आनुवंशिक स्विच, जिन्हें ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर्स (transcription factors) कहा जाता है, जो प्रारंभिक विकास के दौरान कोशिका गति को संचालित करते हैं, अभी भी वयस्कों में इन प्रोटीन पैटर्न से जुड़े हुए थे। यह सुझाव देता है कि जीवन के पहले कुछ हफ्तों के दौरान लिखे गए निर्देश मिटाए नहीं जाते हैं, बल्कि उन्हें संरक्षित किया जाता है, जो इस बात के लिए एक दीर्घकालिक स्मृति (long-term memory) के रूप में कार्य करते हैं कि कोशिकाओं को अपने परिवेश को कैसे व्यवस्थित करना चाहिए।

इसके विपरीत, शर्करा श्रृंखलाओं के निर्माण के लिए जिम्मेदार एंजाइम इस प्राचीन मानचित्र का पालन नहीं करते थे। भ्रूण की परतों से चिपके रहने के बजाय, इन एंजाइमों ने ऐसे पैटर्न दिखाए जो वयस्क शरीर में कोशिका द्वारा किए जा रहे विशिष्ट कार्य के प्रति विशिष्ट थे। उदाहरण के लिए, प्रतिरक्षा कोशिकाएं, जो सभी एक ही भ्रूण परत से आती हैं, ने एंजाइमों के एक अद्वितीय सेट को साझा किया जो उन्हें संक्रमण से लड़ने में मदद करता था। इसी तरह, केंद्रीय तंत्रिका तंत्र की कोशिकाओं ने इन एंजाइमों की एक विस्तृत श्रृंखला का उपयोग किया, जो संभवतः मस्तिष्क की जटिल सिग्नलिंग आवश्यकताओं को सहारा देने के लिए था। यह इंगित करता है कि जबकि प्रोटीोग्लाइकेन का प्रोटीन कोर एक गहरा विकासात्मक इतिहास बनाए रखता है, उससे जुड़ी शर्करा श्रृंखलाएं वयस्कता में विशिष्ट ऊतक की तात्कालिक जरूरतों को पूरा करने के लिए अनुकूलित (customized) की जाती हैं।

यह समझने के लिए कि इन पैटर्न को कैसे नियंत्रित किया जाता है, टीम ने उन आनुवंशिक स्विचों की जांच की जो इन अणुओं को चालू और बंद करते हैं। उन्होंने ZEB परिवार के ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर्स पर ध्यान केंद्रित किया, जो भ्रूण के विकास के दौरान कोशिका की गति को संचालित करने के लिए जाने जाते हैं। उन प्रयोगों के डेटा का विश्लेषण करके जहाँ इन कारकों को बंद या चालू किया गया था, और यह देखकर कि ये कारक डीएनए से भौतिक रूप से कहाँ जुड़ते हैं, शोधकर्ताओं ने पाया कि ZEB परिवार कई प्रोटीोग्लाइकेन प्रोटीन कोर के लिए एक प्राथमिक नियामक के रूप में कार्य करता है। ये कारक डीएनए के विशिष्ट नियामक क्षेत्रों से जुड़ते हैं, जो अक्सर स्वयं जीनों से दूर होते हैं, ताकि भ्रूण के निर्माण के दौरान स्थापित अभिव्यक्ति पैटर्न को बनाए रखा जा सके। यह बंधन प्रोटीन कोर के लिए विशेष रूप से मजबूत था, लेकिन शर्करा बनाने वाले एंजाइमों के लिए बहुत कमजोर था, जो इस विचार को पुष्ट करता है कि अणु के दो भाग वयस्कता में अलग-अलग नियमों द्वारा शासित होते हैं।

अध्ययन में यह भी जांचा गया कि वास्तव में भ्रूण की परतों के निर्माण के दौरान क्या होता है। एक मानव भ्रूण के डेटा का उपयोग करते हुए, जो उस चरण में है जहाँ परतें अभी अलग होना शुरू ही हुई हैं, शोधकर्ताओं ने देखा कि कोशिकाएं एक अवस्था से दूसरी अवस्था में जाते समय जीन अभिव्यक्ति में कैसे बदलती हैं। उन्होंने देखा कि प्रोटीोग्लाइकेन कोर और शर्करा बनाने वाले एंजाइमों का उत्पादन गतिशील रूप से बदलता है, जो कोशिका गति को संचालित करने वाले आनुवंशिक स्विचों की गतिविधि के साथ तालमेल बिठाकर ऊपर-नीचे होता है। उस परत में जो आंत का निर्माण करती है, पैटर्न उस परत से भिन्न था जो मांसपेशियों का निर्माण करती है। इसने पुष्टि की कि वयस्कों में देखे गए विशिष्ट हस्ताक्षर यादृच्छिक (random) नहीं हैं, बल्कि वे एक सावधानीपूर्वक नियोजित प्रक्रिया का परिणाम हैं जो जीवन के शुरुआती दिनों में शुरू होती है।

ये निष्कर्ष बताते हैं कि वयस्क शरीर एक खाली स्लेट नहीं है बल्कि अपने विकासात्मक अतीत की एक गहरी छाप रखता है। वे प्रोटीन जो हमारे ऊतकों के संरचनात्मक ढांचे का निर्माण करते हैं, वे अपने मूल को याद रखते हैं, जो भ्रूण के निर्माण द्वारा निर्देशित प्रोग्राम द्वारा निर्देशित होते हैं। हालांकि, जो शर्करा श्रृंखलाएं इन प्रोटीटीनों को सजाती हैं, वे अधिक लचीली हैं, जो वयस्क वातावरण की विशिष्ट मांगों के अनुकूल होती हैं। यह अंतर यह समझाने में मदद करता है कि कुछ ऊतक एक निश्चित तरीके से व्यवहार क्यों करते हैं और यह उन बीमारियों को देखने का एक नया तरीका प्रदान करता है जहाँ इन विकासात्मक कार्यक्रमों को पुन: सक्रिय किया जाता है, जैसे कि कैंसर या निशान (scarring) बनना। यह समझकर कि कोशिकीय परिवेश के कौन से हिस्से इतिहास द्वारा निर्धारित हैं और कौन से वर्तमान आवश्यकताओं द्वारा आकार लेते हैं, वैज्ञानिक उन तंत्रों को बेहतर ढंग से लक्षित कर सकते हैं जो बीमारी में गलत हो जाते हैं, जिससे यह समझने का एक स्पष्ट मार्ग मिलता है कि हमारा शरीर कैसे बनता है और इसे कैसे ठीक किया जा सकता है।