A Severe COVID-19-associated hNTPDase2 Variant is Enzymatically Inactive

हमारे शरीर की सूक्ष्म दुनिया में, कोशिकाएं लगातार रासायनिक संकेतों के माध्यम से संवाद करती हैं, जिनमें से कुछ न्यूक्लियोटाइड्स नामक अणुओं से बनी होती हैं। इनमें से, एक अणु जिसे ATP कहा जाता है, एक शक्तिशाली संकेत के रूप में कार्य करता है जो सूजन (inflammation) को ट्रिगर कर सकता है, जो मूल रूप से चोट या संक्रमण के स्थान पर प्रतिरक्षा प्रणाली (immune system) को बुलाने के लिए अलार्म बजाने जैसा है। सामान्य परिस्थितियों में, शरीर के पास इन संकेतों को तोड़ने वाले एंजाइमों की एक परिष्कृत सफाई टीम होती है जो अपना काम पूरा करने के बाद इन संकेतों को नष्ट कर देती है, जिससे अलार्म बहुत ज़ोर से या बहुत लंबे समय तक बजने से रोका जा सके। ऐसा ही एक एंजाइम, जिसे hNTPDase2 कहा जाता है, कुछ कोशिकाओं की सतह पर स्थित होता है और विशेष कैंची की तरह कार्य करता है, जो ATP और समान अणुओं को काटकर उनके स्तर को नियंत्रण में रखता है। जब यह प्रणाली सही ढंग से काम करती है, तो सूजन नियंत्रित और सीमित रहती है। हालाँकि, जब इन संकेतक अणुओं का स्तर बहुत अधिक हो जाता है, जैसा कि श्वसन संबंधी गंभीर बीमारियों के मामलों में देखा जाता है, तो परिणामी अति सक्रिय प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया उसी ऊतकों को नुकसान पहुँचा सकती है जिसकी वह रक्षा करने की कोशिश कर रही है।

शोधकर्ता लंबे समय से जानते हैं कि गंभीर रूप से COVID-19 से पीड़ित रोगी अक्सर इन बाह्यकोशिकीय (extracellular) संकेतक अणुओं के खतरनाक रूप से उच्च स्तर को प्रदर्शित करते हैं। कनाडा के यूनिवर्सिटे लावल (Université Laval) की एक टीम द्वारा प्रकाशित एक हालिया अध्ययन इन रोगियों में पाए जाने वाले एक विशिष्ट आनुवंशिक भिन्नता की जांच करता है, जो यह समझा सकता है कि क्यों उनके शरीर इस प्रक्रिया को नियंत्रित करने में विफल रहे। वैज्ञानिकों ने hNTPDase2 एंजाइम के लिए आनुवंशिक कोड में एक सूक्ष्म त्रुटि पर ध्यान केंद्रित किया, एक ऐसा उत्परिवर्तन (mutation) जिसे चिकित्सा डेटाबेस में संभावित रूप से हानिकारक के रूप में चिह्नित किया गया था। इस विशिष्ट आनुवंशिक संस्करण को प्रयोगशाला में पुन: निर्मित करके, टीम ने पाया कि यह उत्परिवर्तन एंजाइम की कार्य करने की क्षमता को पूरी तरह से नष्ट कर देता है। उनके निष्कर्ष बताते हैं कि इस आनुवंशिक दोष को धारण करने वाले व्यक्तियों में अतिरिक्त ATP को साफ करने के लिए आवश्यक आणविक कैंची का अभाव होता है, जिससे उनके श्वसन मार्ग अनियंत्रित सूजन की स्थिति में रह सकते हैं जो रोग की गंभीरता को और बढ़ा देती है।

अध्ययन की शुरुआत गंभीर COVID-19 वाले रोगियों में पाए जाने वाले एक विशिष्ट आनुवंशिक अनुक्रम के सूक्ष्म परीक्षण के साथ हुई। शोधकर्ताओं ने hNTPDase2 एंजाइम के लिए DNA निर्देशों में एक एकल गायब अक्षर की पहचान की। आनुवंशिकी की भाषा में, यह छोटा सा विलोपन (deletion) इस तरह से पूरे शेष अनुक्रम के पढ़ने के तरीके को बदल देता है, जैसे किसी वाक्य से एक अक्षर हटा देने और उसके बाद के हर शब्द का अर्थ बदल देने जैसा। यह बदलाव एक समयपूर्व 'स्टॉप सिग्नल' (premature stop signal) के निर्माण की ओर ले जाता है, जिससे शरीर एक ऐसा प्रोटीन बनाता है जो पूर्ण-लंबाई वाले संस्करण की तुलना में काफी छोटा होता है। सामान्य 495 बिल्डिंग ब्लॉक्स, या अमीनो एसिड के बजाय, उत्परिवर्तित प्रोटीन 408 पर रुक जाता है। यह विखंडन (truncation) महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रोटीन के बिल्कुल अंत को काट देता है, जिससे C-टर्मिनल ट्रांसमेम्ब्रेन डोमेन और कई अन्य भाग हट जाते हैं जो एंजाइम के काम के लिए आवश्यक हैं।

यह समझने के लिए कि इस आनुवंशिक त्रुटि का एंजाइम के कार्य पर क्या प्रभाव पड़ा, वैज्ञानिकों ने प्रयोगशाला सेटिंग में इस उत्परिवर्तन को पुन: निर्मित किया। उन्होंने एक क्लोन किए गए DNA अनुक्रम में ठीक उसी एकल-अक्षर विलोपन को पेश करने के लिए 'साइट-डायरेक्टेड म्यूटाजेनेसिस' (site-directed mutagenesis) नामक तकनीक का उपयोग किया, जिससे उन्होंने एक ऐसा संस्करण बनाया जिसे उन्होंने hN2COV नाम दिया। फिर उन्होंने इस आनुवंशिक कोड को जीवित कोशिकाओं में डाला, विशेष रूप से हैम्स्टर सेल लाइन के एक प्रकार में जिसका उपयोग अक्सर प्रोटीन उत्पादन के लिए किया जाता है, ताकि वे देख सकें कि क्या कोशिकाएं दोषपूर्ण एंजाइम का निर्माण करती हैं। प्रोटीन को ट्रैक करने के लिए, उन्होंने इसके अंत में एक छोटा आणविक टैग जोड़ा। टीम ने पुष्टि की कि कोशिकाएं वास्तव में उत्परिवर्तित प्रोटीन के लिए mRNA निर्देश बना रही थीं, जिससे यह सिद्ध हुआ कि आनुवंशिक कोड को पढ़ा जा रहा था। हालाँकि, जब उन्होंने सामान्य एंजाइम को पहचानने के लिए डिज़ाइन किए गए एंटीबॉडी का उपयोग करके वास्तविक प्रोटीन की तलाश की, तो उन्हें वह नहीं मिला। इससे यह संकेत मिला कि उत्परिवर्तित प्रोटीन या तो अस्थिर था या संरचनात्मक रूप से इतना अलग था कि मानक पहचान उपकरण उसे पहचान नहीं सके।

शोधकर्ताओं ने फिर यह देखने के लिए कि क्या उत्परिवर्तित एंजाइम अपना काम कर सकता है, अधिक प्रत्यक्ष विधि का उपयोग किया। उन्होंने ATP, ADP, UTP और UDP को तोड़ने की एंजाइम की क्षमता को मापा, जो चार मुख्य अणु हैं जिन्हें इसे संसाधित करना चाहिए। फॉस्फेट के निकलने का पता लगाने वाले एक मानक रासायनिक परीक्षण का उपयोग करके, उन्होंने सामान्य एंजाइम के प्रदर्शन की तुलना उत्परिवर्तित संस्करण से की। परिणाम स्पष्ट और निर्णायक थे। सामान्य एंजाइम ने कुशलतापूर्वक ATP और UTP को तोड़ा, जैसा कि अपेक्षित था। इसके विपरीत, उत्परिवर्तित hN2COV ने किसी भी प्रकार की पता लगाने योग्य गतिविधि नहीं दिखाई। यह चारों में से किसी भी सबस्ट्रेट (substrate) को तोड़ने में पूरी तरह असमर्थ था। इसने पुष्टि की कि यह उत्परिवर्तन केवल एक मामूली गड़बड़ी नहीं थी बल्कि कार्यक्षमता का पूर्ण नुकसान था, जिसने एंजाइम को बेकार कर दिया।

इस पूर्ण विफलता का कारण प्रोटीन के वे विशिष्ट भाग हैं जो खो गए थे। एंजाइम की लुप्त पूंछ में एक महत्वपूर्ण अमीनो एसिड 'सिस्टीन 399' (Cysteine 399) शामिल था, जो प्रोटीन के आकार को बनाए रखने के लिए दूसरे हिस्से के साथ एक रासायनिक पुल बनाने के लिए जाना जाता है। इस पुल के बिना, एंजाइम सही ढंग से फोल्ड नहीं हो पाता है। गायब अनुभाग में वह स्थान भी शामिल था जहाँ शर्करा के अणु सामान्यतः जुड़े होते हैं, जो एंजाइम की पूर्ण गतिविधि के लिए आवश्यक प्रक्रिया है, और अन्य अवशेष (residues) भी जो एंजाइम को अपने लक्ष्य अणुओं को पकड़ने में मदद करते हैं। टीम ने नोट किया कि उत्परिवर्तन ने गायब प्राकृतिक पूंछ को 18 नए अमीनो एसिड की एक छोटी, यादृच्छिक स्ट्रिंग से बदल दिया जो किसी ज्ञात प्रोटीन परिवार से संबंधित नहीं हैं, जिससे इस बात की कोई संभावना नहीं बची कि एंजाइम नुकसान की भरपाई के लिए कोई नया कार्य प्राप्त कर सके।

इस निष्कर्ष के निहितार्थ प्रयोगशाला की मेज से परे हैं। हालांकि यह एंजाइम उन रक्त कोशिकाओं में नहीं पाया जाता है जो पूरे शरीर में संचार करती हैं, लेकिन यह नाक और ब्रोंकाई सहित श्वसन मार्ग की अस्तर (lining) में मौजूद है। यह वही सटीक स्थान है जहाँ वायरस, जो COVID-19 का कारण बनता है, शरीर में प्रवेश करता है और हमला करता है। अन्य श्वसन संक्रमणों, जैसे कि फ्लू में, वायुमार्ग में ATP के उच्च स्तर को गंभीर सूजन और तरल पदार्थ के जमाव से जोड़ा गया है। शोधकर्ता प्रस्ताव देते हैं कि इस विशिष्ट आनुवंशिक उत्परिवर्तन वाले रोगियों में, वायुमार्ग में कार्यात्मक hNTPDase2 की कमी का अर्थ है कि वायरल संक्रमण के दौरान उत्पन्न अतिरिक्त ATP को हटाया नहीं जा सकता है। यह संचय संभवतः प्रतिरक्षा अलार्म को बहुत ज़ोर से बजने देता है, जिससे एक अधिक आक्रामक और हानिकारक सूजन संबंधी प्रतिक्रिया होती है जो बीमारी की गंभीरता में योगदान देती है।

यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि यह उत्परिवर्तन गंभीर COVID-19 का एकमात्र कारण है, न ही यह सुझाव देता है कि प्रत्येक गंभीर लक्षणों वाले रोगी में यह विशिष्ट आनुवंशिक दोष होता है। इसके बजाय, यह कार्य एक स्पष्ट यांत्रिक स्पष्टीकरण प्रदान करता है कि क्यों बीमारी कुछ व्यक्तियों में अधिक गंभीर हो सकती है। यह प्रदर्शित करके कि यह विशिष्ट संस्करण एंजाइमेटिक रूप से निष्क्रिय है, शोधकर्ताओं ने एक संभावित जैविक भेद्यता (vulnerability) की पहचान की है। निष्कर्ष बताते हैं कि श्वसन मार्ग में न्यूक्लियोटाइड सिग्नलिंग का व्यवधान एक स्थानीय कारक हो सकता है जो बीमारी को बदतर बनाता है, जो उस विशिष्ट क्षेत्र की ओर इशारा करता है जहाँ शरीर की प्राकृतिक रक्षा प्रणाली विफल हो गई है। यह अंतर्दृष्टि गंभीर मामलों में जैविक परिदृश्य की एक स्पष्ट तस्वीर पेश करती है और श्वसन संक्रमणों के प्रति व्यक्तियों की प्रतिक्रिया में आनुवंशिक विविधताओं के महत्व को रेखांकित करती है।