Fucosyltransferase 4 as a candidate diagnostic biomarker and potential therapeutic target in osteosarcoma: a multi-dataset transcriptomic and structural bioinformatics analysis

बच्चों और युवाओं में होने वाला अस्थि कैंसर (बोन कैंसर) एक निर्मम बीमारी है। सबसे सामान्य रूप, ऑस्टियोसारकोमा (osteosarcoma), हाथ और पैरों की लंबी हड्डियों पर हमला करता है, और अक्सर बीमारी का पता चलने से पहले ही फेफड़ों में फैल जाता है। हालांकि सर्जरी और कीमोथेरेपी कई जीवन बचा सकती हैं जब कैंसर का जल्दी पता चल जाए, लेकिन उन लोगों के लिए स्थिति गंभीर बनी रहती है जिनका रोग वापस आ गया है या पहले ही फैल चुका है। चिकित्सा जगत लंबे समय से इस बीमारी को जल्दी पहचानने के बेहतर तरीकों और इसे रोकने के नए तरीकों की तलाश कर रहा है, लेकिन इन ट्यूमर को चलाने वाली आणविक मशीनरी (molecular machinery) को अभी भी पूरी तरह से समझा नहीं जा सका है। इस मशीनरी का एक हिस्सा यह है कि कोशिकाएं कैसे अपनी सतहों को शर्करा के अणुओं (sugar molecules) से सजाती हैं। ठीक वैसे ही जैसे पेंट की एक परत दीवार के रूप, रंग और अहसास को बदल सकती है, कोशिकाएं अपने प्रोटीन से शर्करा की श्रृंखलाओं (sugar chains) को जोड़ती हैं ताकि वे दुनिया के साथ अपनी अंतःक्रिया को बदल सकें। 'फ्यूकोसिलट्रांसफेरेज 4' (fucosyltransferase 4) नामक एक विशिष्ट एंजाइम, या FUT4, एक कार्यकर्ता है जो इन श्रृंखलाओं में फुकोज (fucose) नामक एक विशेष प्रकार की शर्करा जोड़ता है। अन्य कई प्रकार के कैंसर में, यह एंजाइम ट्यूमर को बढ़ने और फैलने में मदद करता है, जिससे वैज्ञानिकों के मन में यह सवाल उठा कि क्या यह अस्थि कैंसर में भी समान भूमिका निभाता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने प्रयोगशाला के काम के बजाय जेनेटिक डेटा के एक विशाल डिजिटल पुस्तकालय का उपयोग करके इस प्रश्न की जांच करने का निर्णय लिया। उन्होंने ऑस्टियोसारकोमा वाले रोगियों और स्वस्थ व्यक्तियों के जेनेटिक डेटा के दो बड़े संग्रहों की ओर रुख किया, जो एक सार्वजनिक डेटाबेस में संग्रहीत थे। उनका लक्ष्य यह देखना था कि सामान्य कोशिकाओं की तुलना में कैंसर कोशिकाओं में FUT4 जीन कितना सक्रिय था, और FUT4 के स्तर बदलने पर कोशिकाओं में और क्या हो रहा था। हजारों कंप्यूटर विश्लेषण चलाकर, उन्होंने इस एंजाइम से जुड़े जैविक मार्गों (biological pathways) का मानचित्र तैयार किया, यह देखा कि प्रतिरक्षा प्रणाली (immune system) इस पर कैसी प्रतिक्रिया दे सकती है, और एक रासायनिक यौगिक (chemical compound) खोजने के लिए वर्चुअल सिमुलेशन का भी उपयोग किया जो संभावित रूप से इसकी गतिविधि को रोक सके। इस दृष्टिकोण ने उन्हें अस्थि कैंसर में FUT4 की भूमिका के बारे में एक विस्तृत परिकल्पना (hypothesis) उत्पन्न करने की अनुमति दी, जिससे भविष्य के प्रयोगों के लिए एक मार्गदर्शक (roadmap) तैयार हुआ।

शोधकर्ताओं ने ट्यूमर के नमूनों के विरुद्ध FUT4 की जेनेटिक गतिविधि की तुलना नियंत्रण नमूनों (control samples) से करके शुरुआत की। उन्हें एक सुसंगत पैटर्न मिला: स्वस्थ नियंत्रणों की तुलना में ऑस्टियोसारकोमा के नमूनों में FUT4 जीन काफी कम सक्रिय था। यह एक आश्चर्यजनक खोज थी क्योंकि अन्य कैंसर, जैसे पेट या मस्तिष्क के ट्यूमर में, यह एंजाइम आमतौर पर अधिक सक्रिय होता है, जो कैंसर कोशिकाओं को आक्रमण करने और फैलने में मदद करता है। हालांकि, अस्थि कैंसर में, डेटा ने गतिविधि में स्पष्ट गिरावट दिखाई। यह परीक्षण करने के लिए कि क्या इस गिरावट का उपयोग कैंसर और स्वस्थ ऊतक (tissue) के बीच अंतर करने के लिए किया जा सकता है, टीम ने एक सांख्यिक적인 परीक्षण चलाया जो यह मापता है कि एक मार्कर दो समूहों के बीच कितनी अच्छी तरह अंतर कर सकता है। परिणामों ने दिखाया कि FUT4 का स्तर वास्तव में उच्च सटीकता के साथ कैंसर के नमूनों को स्वस्थ नमूनों से अलग कर सकता है, जिससे पता चलता है कि यह एक उपयोगी नैदानिक संकेत (diagnostic clue) के रूप में काम कर सकता है। हालांकि, शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि एक डेटासेट में उच्च सटीकता का कारण आंशिक रूप से यह हो सकता है कि स्वस्थ नमूने अलग प्रकार के ऊतकों, जैसे कि लीवर या किडनी से आए थे, जिनके जेनेटिक प्रोफाइल स्वाभाविक रूप से भिन्न होते हैं।

एक बार जब उन्होंने यह स्थापित कर लिया कि ट्यूमर में FUT4 का स्तर कम था, तो टीम ने पूछा कि कम FUT4 वाली कोशिकाओं में उच्च FUT4 वाली कोशिकाओं की तुलना में और क्या अलग था। उन्होंने उन जीन्स की जांच की जो FUT4 के साथ चालू या बंद होते हैं और पाया कि वे हड्डी बनाने, कोशिकाओं के संरचनात्मक ढांचे के निर्माण और एक्स्ट्रासेलुलर मैट्रिक्स (extracellular matrix) को व्यवस्थित करने में गहराई से शामिल थे, जो कोशिकाओं को एक साथ रखने वाले मचान (scaffold) की तरह होता है। विश्लेषण ने 'एपिथेलियल-मेसेनकाइमल ट्रांजिशन' (epithelial-mesenchymal transition) नामक प्रक्रियाओं, जो कोशिकाओं को आकार बदलने और हिलने-डुलने में मदद करती हैं, और सूजन संबंधी प्रतिक्रियाओं (inflammatory responses) के साथ भी संबंध की ओर इशारा किया। इससे पता चलता है कि भले ही कुल मिलाकर FUT4 कम है, लेकिन विशिष्ट कोशिकाएं जिनमें इसका उच्च स्तर है, वे कैंसर को अधिक आक्रामक बनने और फैलने के लिए प्रेरित कर सकती हैं। शोधकर्ताओं ने अन्य अणुओं के नेटवर्क का भी मानचित्र बनाया जो FUT4 को नियंत्रित कर सकते हैं, जिसमें छोटे आरएनए (RNA) अणु और प्रोटीन शामिल हैं जो जीन गतिविधि के लिए स्विच के रूप में कार्य करते हैं, जिससे भविष्य के वैज्ञानिकों के लिए अन्वेषण हेतु एक जटिल जाल बन जाता है।

अध्ययन ने यह भी देखा कि प्रतिरक्षा प्रणाली, जो शरीर की रक्षा बल है, FUT4 के इन विभिन्न स्तरों पर कैसी प्रतिक्रिया दे रही है। ट्यूमर के नमूनों के भीतर प्रतिरक्षा कोशिकाओं के जेनेटिक हस्ताक्षरों (genetic signatures) का विश्लेषण करके, टीम ने पाया कि कम FUTF वाले नमूनों में, कुछ प्रतिरक्षा कोशिकाएं जैसे कि नेचुरल किलर टी सेल्स (natural killer T cells), अन्य प्रतिरक्षा रक्षकों के साथ अधिक निकटता से जुड़ी हुई थीं। उच्च FUT4 वाले नमជូនों में, पैटर्न बदल गया, जिसमें अपरिपक्व डेंड्रिटिक कोशिकाओं (immature dendritic cells) और एक विशिष्ट प्रकार की नेचुरल किलर कोशिका के बीच मजबूत संबंध दिखाई दिया। ये निष्कर्ष यह सिद्ध नहीं करते कि FUT4 इन प्रतिरक्षा परिवर्तनों का कारण बनता है, लेकिन वे एक ऐसे संबंध का सुझाव देते हैं जो यह समझने के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है कि ट्यूमर प्रतिरक्षा प्रणाली से कैसे छिपता है या यह नई इम्यूनोथेरेपी के प्रति कैसे प्रतिक्रिया दे सकता है।

अंत में, शोधकर्ताओं ने इस एंजाइम के खिलाफ एक संभावित हथियार खोजने का प्रयास किया। चूंकि FUT4 प्रोटीन का कोई भौतिक मॉडल मौजूद नहीं था, इसलिए उन्होंने इसके जेनेटिक कोड के आधार पर इसके 3D आकार की भविष्यवाणी करने के लिए एक कंप्यूटर प्रोग्राम का उपयोग किया। फिर उन्होंने इस डिजिटल मॉडल का उपयोग करके रासायनिक यौगिकों के एक विशाल पुस्तकालय की स्क्रीनिंग की, यह देखने के लिए कि क्या कोई ऐसा यौगिक है जो ताले में चाबी की तरह एंजाइम के सक्रिय स्थल (active site) में फिट बैठ सके। एक यौगिक, जिसे कोड ST50926609 द्वारा पहचाना गया, उनके वर्चुअल सिमुलेशन में सबसे उपयुक्त पाया गया। कंप्यूटर ने भविष्यवाणी की कि यह अणु FUT4 प्रोटीन से मजबूती से बंधेगा, जिससे विशिष्ट रासायनिक बंधन बनेंगे जो संभावित रूप से एंजाइम के कार्य को रोक सकते हैं। शोधकर्ताओं ने इस बात पर जोर दिया कि यह पूरी तरह से एक कंप्यूटर भविष्यवाणी है; इस अणु का अभी तक लैब या किसी जीवित जीव में परीक्षण नहीं किया गया है।

लेखकों ने निष्कर्ष निकाला कि उनका कार्य आगे के अध्ययन के लिए एक मजबूत आधार प्रदान करता है। उन्होंने FUT4 को एक आशाजनक नैदानिक मार्कर और नई दवाओं के लिए एक संभावित लक्ष्य के रूप में पहचाना है, लेकिन वे सावधानी बरतते हुए कहते हैं कि ये केवल शुरुआती कदम हैं। निष्कर्ष पूरी तरह से मौजूदा डेटा के कंप्यूटर विश्लेषण पर आधारित हैं, और उनके द्वारा खोजे गए जैविक तंत्र केवल परिकल्पनाएं हैं। डिजिटल खोज से वास्तविक दुनिया के उपचार तक पहुँचने के लिए, वैज्ञानिकों को इन विचारों को सेल कल्चर और पशु मॉडलों में परीक्षण करना होगा, और अंततः रोगियों के साथ क्लिनिकल ट्रायल में भी। यह अध्ययन शोध के अगले चरण के लिए एक स्पष्ट दिशा प्रदान करता है, जो एक जटिल जेनेटिक सिग्नल को चिकित्सा नवाचार के एक मूर्त लक्ष्य में बदल देता है।