Fluorescent protein identity influences GESENI susceptibility and reveals ectopic expression from a sperm cell-specific promoter in Arabidopsis pollen

एक पौधे की सूक्ष्म, जीवित दुनिया के भीतर, अगली पीढ़ी बनाने के लिए समर्पित एक विशेष कारखाना है। एराबिडोप्सिस थेलियाना (Arabidopsis thaliana) नामक पुष्पीय पौधे में, यह कारखाना पराग कण (पॉलेन ग्रेन) है, जिसमें दो अलग-अलग प्रकार की कोशिकाएं मिलकर काम करती हैं। एक शाकाहारी कोशिका (वेजिटेटिव सेल) है, जो एक बड़ी सहायक संरचना है जो पराग नलिका का मार्गदर्शन करती है, और दूसरी शुक्राणु कोशिका (स्पर्म सेल) है, जो निषेचन के लिए जिम्मेदार एक छोटी, गतिशील इकाई है। वैज्ञानिक लंबे समय से इन कोशिकाओं को क्रिया में देखना चाहते थे, इसके लिए उन्होंने चमकते प्रोटीनों को छोटे टॉर्च की तरह इस्तेमाल किया ताकि उनकी आंतरिक मशीनरी को रोशन किया जा सके। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने इन चमकते संकेतों को विशेष रूप से शुक्राणु कोशिकाओं के भीतर चमकाने की कोशिश की, तो रोशनी जलने से ही इनकार कर गई। ऐसा लगा जैसे पौधे के पास एक गुप्त सुरक्षा प्रणाली थी जिसने इन चमकते टैगों को पहचाना और उन्हें दिखने से पहले ही बंद कर दिया। यह रहस्यमय शटडाउन, जिसे GESENI कहा जाता है, एक बड़ी बाधा थी, जिसने वैज्ञानिकों को यह समझने से रोका कि शुक्राणु कोशिकाएं आणविक स्तर पर कैसे कार्य करती हैं।

इस रहस्य का मुख्य केंद्र यह था कि यह सुरक्षा प्रणाली इस बात की परवाह नहीं करती थी कि प्रकाश का जेनेटिक कोड क्या है, बल्कि इस बात की करती थी कि वह प्रकाश कहाँ जाना चाहिए। यदि चमकता हुआ प्रोटीन कोशिका के मुख्य शरीर में रहने के लिए डिज़ाइन किया गया था, तो पौधे ने उसे शांत कर दिया। यदि प्रोटीन को केंद्रक (न्यूक्लियस), जो कोशिका का केंद्र है, में भेजा गया, तो रोशनी चालू रही। इससे पता चलता है कि पौधा प्रोटीन के स्थान के निर्देशों को पढ़ रहा था और उन पर प्रतिक्रिया दे रहा था, लेकिन यह स्पष्ट नहीं था कि यह प्रतिक्रिया सभी चमकते प्रोटीनों के लिए एक सार्वभौमिक नियम थी या यह उपयोग किए गए प्रकाश के विशिष्ट प्रकार पर निर्भर थी। इसे हल करने के लिए, केंटकी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने विभिन्न प्रकार के चमकते प्रोटीनों का परीक्षण करने का निर्णय लिया, जिनमें से प्रत्येक की अपनी अनूठी रासायनिक संरचना और रंग था, ताकि यह देखा जा सके कि क्या वे पौधे की रक्षा प्रणाली को दरकिनार कर सकते हैं।

टीम ने पांच अलग-अलग प्रकार के फ्लोरोसेंट प्रोटीन विकसित किए, जो रंगीन लाइटों के जैविक समकक्ष हैं, और इन सभी को उसी निर्देश पुस्तिका द्वारा संचालित किया गया जो पौधे को उन्हें केवल शुक्राणु कोशिकाओं में बनाने के लिए कहती है। उन्होंने एक पीले प्रोटीन 'वीनस' (Venus) और एक हरे 'क्लोवर' (Clover) से शुरुआत की, जो पहले के प्रयोगों में विफल रहे थे। जैसा कि अपेक्षित था, जब इन पौधों का परीक्षण किया गया, तो शुक्राणु कोशिकाएं अंधेरी रहीं; पौधे ने सफलतापूर्वक जीन को शांत कर दिया था, और कोई रोशनी दिखाई नहीं दी। हालाँकि, कहानी तब नाटकीय रूप से बदल गई जब शोधकर्ताओं ने तीन अन्य प्रोटीनों का प्रयास किया: एक लाल 'mRuby3', एक चमकीला लाल-नारंगी 'tdTomato', और एक नीला-हरा 'mTFP1'। इन मामलों में, रोशनी जल उठी। शुक्राणु कोशिकाएं चमक उठीं, जिससे यह सिद्ध हुआ कि पौधे की सुरक्षा प्रणाली सभी चमकते प्रोटीनों पर एक व्यापक प्रतिबंध नहीं थी, बल्कि एक चयनात्मक फिल्टर थी जो पूरी तरह से प्रोटीन की पहचान पर निर्भर थी।

इसके बाद जो हुआ वह और भी आश्चर्यजनक था और इसने कोशिकाओं के संवाद करने के तरीके के बारे में वैज्ञानिकों की समझ को चुनौती दी। लाल और लाल-नारंगी रोशनी बनाने के निर्देश केवल शुक्राणु कोशिकाओं में पढ़े जाने के लिए लिखे गए थे। फिर भी, जब शोधकर्ताओं ने पराग कणों को देखा, तो उन्होंने चमक न केवल शुक्राणु कोशिकाओं में, बल्कि उनके चारों ओर की बड़ी शाकाहारी (वेजिटेटिव) सहायक कोशिकाओं में भी देखी। यह एक पहेली थी क्योंकि शाकाहारी कोशिकाओं को उन विशिष्ट निर्देशों को नहीं पढ़ना चाहिए था। शोधकर्ताओं ने विचार किया कि क्या पौधा शुक्राणु कोशिकाओं से शाकाहारी कोशिकाओं में अपने जेनेटिक संदेशों को स्थानांतरित कर रहा है, एक ऐसी प्रक्रिया जो पहले विपरीत दिशा में देखी गई थी, लेकिन वे इसकी पुष्टि नहीं कर सके। यह भी संभव है कि निर्देशों को पूरी तरह से गलत जगह पर पढ़ा जा रहा था, या लाल और नारंगी प्रोटीनों की विशिष्ट रासायनिक प्रकृति ने उन्हें पौधे की सामान्य जांच से इस तरह से फिसलने की अनुमति दी जैसा कि पीले और हरे प्रोटीनों ने नहीं किया था।

अध्ययन से पता चला कि पौधे की जीन को शांत करने की क्षमता केवल जीन के अनुक्रम (सीक्वेंस) के बारे में नहीं है, बल्कि उस प्रोटीन के भौतिक गुणों के बारे में है जिसे वह बनाती है। लाल और नारंगी प्रोटीन साइलेंसिंग तंत्र से बचने में सफल रहे, जबकि पीले और हरे प्रोटीन नहीं। इससे पता चलता है कि पौधा प्रोटीन के आकार, उसके मुड़ने (फोल्डिंग) के तरीके, या कोशिका के भीतर उसके व्यवहार के बारे में कुछ महसूस कर रहा है, और ये भौतिक गुण निर्धारित करते हैं कि जीन को कार्य करने की अनुमति दी जाएगी या नहीं। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि कुछ मामलों में, लाल चमक पहली पीढ़ी के पौधों में दिखाई दी लेकिन तीसरी पीढ़ी में फीकी पड़ गई, जो संकेत देता है कि हालांकि प्रोटीन की पहचान प्रारंभिक अवरोध को पार कर सकती है, अन्य दीर्घकालिक जेनेटिक तंत्र अंततः जीन को शांत करने के लिए पकड़ बना सकते हैं।

ये निष्कर्ष वैज्ञानिकों को शुक्राणु कोशिकाओं के छिपे हुए जीवन का अध्ययन करने का एक नया तरीका प्रदान करते हैं। सही प्रकार के चमकते प्रोटीन चुनकर, शोधकर्ता अब पौधे की रक्षा प्रणाली को सक्रिय किए बिना इन छोटी कोशिकाओं को रोशन कर सकते हैं। यह वास्तविक समय में यह देखने का द्वार खोलता है कि शुक्राणु कोशिकाएं कैसे चलती हैं, वे कैसे संवाद करती हैं, और वे निषेचन के लिए कैसे तैयार होती हैं। यह खोज पौधों में विनियमन (रेगुलेशन) के एक जटिल स्तर को भी उजागर करती है, जहाँ एक प्रोटीन की पहचान यह तय करती है कि उसके जेनेटिक निर्देशों को सुना जाएगा या अनदेखा किया जाएगा, जो कि कोशिकाओं द्वारा अपने आंतरिक वातावरण को नियंत्रित करने के तरीके के बारे में हमारी समझ में एक नया आयाम जोड़ता है।