Pka1 contributes to the canavanine response and controls E3 ubiquitin ligase Pub1 localization

प्रत्येक जीवित कोशिका के भीतर, आंतरिक भाग और बाहरी दुनिया को अलग करने वाली सीमा के पार यातायात का एक निरंतर प्रवाह होता है। विशेष प्रोटीन द्वार के रूप में कार्य करते हैं, जो अमीनो एसिड जैसे आवश्यक पोषक तत्वों को अंदर आने देते हैं और हानिकारक पदार्थों को बाहर रखते हैं। एकल-कोशिका वाले कवक Schizosaccharomyces pombe में, शोधकर्ताओं को लंबे समय से पता है कि एक विशिष्ट प्रकार का द्वार, जिसे आर्जिनिन (arginine) को अंदर लाने के लिए बनाया गया है, अनजाने में कैनवानाइन (canavanine) नामक एक खतरनाक रासायनिक नकल को भी प्रवेश दे देता है। क्योंकि कैनवानाइन आर्जिनिन की तरह ही दिखता है, कोशिका की मशीनरी इसे असली समझकर गलती कर देती है और इसे प्रोटीनों में शामिल कर लेती है, जिससे वे प्रोटीन खराब हो जाते हैं और कोशिका मर जाती है। जीवित रहने के लिए, कोशिकाओं को इस घुसपैठिए को जल्दी पहचानना होगा और उन द्वारों को बंद करना होगा जो इसे अंदर आने देते हैं। यह प्रक्रिया एक परिष्कृत आंतरिक संकेतन प्रणाली (signaling system) पर निर्भर करती है जो कोशिका को बताती है कि इन द्वारों को सतह से कैसे हटाया जाए और उन्हें अंदर छिपा दिया जाए।

वैज्ञानिक काफी समय से जानते हैं कि Pka1 नामक एक मास्टर रेगुलेटर, जो शर्करा की उपस्थिति के प्रति कोशिका की प्रतिक्रिया में मदद करता है, इन कई कोशिकीय निर्णयों में भूमिका निभाता है। हालांकि, Pka1 कैनवानाइन के खतरे से निपटने में कोशिका की मदद किस तरह से करता है, यह एक रहस्य बना हुआ था। जापान के शिमाने विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली को सुलझाने का लक्ष्य रखा। वे यह समझना चाहते थे कि Pka1 की कमी कैनवानाइन के संपर्क में आने पर कोशिका की जीवित रहने की क्षमता को कैसे प्रभावित करती है, और क्या यह उत्तरजीविता उसी आंतरिक मशीनरी पर निर्भर करती है जो आर्जिनिन द्वारों को नियंत्रित करती है। इन सूक्ष्म जीवों के व्यवहार को सूक्ष्मदर्शी (microscope) के नीचे देखने और उनकी रासायनिक सामग्री को मापने के माध्यम से, उन्होंने नियंत्रण की एक आश्चर्यजनक नई परत का खुलासा किया जो इस बात से स्वतंत्र रूप से कार्य करती है कि कोशिका वास्तव में कितना जहर लेती है।

शोधकर्ताओं ने सबसे पहले यह परीक्षण करके शुरुआत की कि Pka1 जीन को हटाने पर क्या होता है। उन्हें उम्मीद थी कि इस नियामक के बिना, कोशिकाएं केवल अधिक जहर लेंगी और तेजी से मर जाएंगी। इसके बजाय, उन्हें कुछ विपरीत परिणाम मिले। जब उन्होंने कोशिकाओं के भीतर कैनवानाइन की मात्रा को मापा, तो उन्होंने पाया कि उत्परिवर्तित (mutant) कोशिकाओं में सामान्य कोशिकाओं की तुलना में वास्तव में कम विष था। कम जहर होने के बावजूद, ये कोशिकाएं इसके प्रति बहुत अधिक संवेदनशील थीं और बहुत तेजी से मर गईं। इस परिणाम ने इस सरल विचार को खारिज कर दिया कि कोशिकाएं इसलिए मर रही थीं क्योंकि उन्होंने बहुत अधिक कैनवानाइन ले लिया था। इससे यह संकेत मिला कि समस्या कहीं और थी, शायद इस बात में कि कोशिका उस विष को कैसे संसाधित (process) कर रही है या वह अपनी आंतरिक सुरक्षा को कैसे व्यवस्थित कर रही है।

आगे की जांच के लिए, टीम ने अमीनो एसिड को परिवहन करने वाले विशिष्ट द्वारों को देखा। उन्होंने दो प्रोटीनों, Cat1 और Aat1 पर ध्यान केंद्रित किया, जो कोशिका की सतह पर स्थित होते हैं और सामान्य रूप से आर्जिनिन और अन्य अमीनो एसिड को अंदर आने देते हैं। स्वस्थ कोशिकाओं में, ये द्वार सतह पर मजबूती से टिके रहते हैं, लेकिन जब कोशिका कैनवानाइन का पता लगाती है, तो वह उन्हें सतह से हटा देती है और जहर को अंदर आने से रोकने के लिए उन्हें अंदर संग्रहीत कर लेती है। Pka1 की कमी वाली कोशिकाओं में, शोधकर्ताओं ने देखा कि ये द्वार जहर के आने से पहले ही कोशिका के अंदर फंस गए थे। इस गलत स्थान पर होने के कारण कोशिका अपना पोषक तत्व सेवन प्रबंधित करने में संघर्ष कर रही थी। हालांकि, Cat1 द्वार को पूरी तरह से हटाने से भी समस्या हल नहीं हुई; कोशिकाएं फिर भी मर गईं। इससे संकेत मिला कि कैनवानाइन के प्रति संवेदनशीलता केवल misplaced द्वारों के कारण नहीं थी, बल्कि कोशिका के भीतर एक गहरे मुद्दे के कारण थी।

शोधकर्ताओं ने फिर Any1 और Pub1 नामक प्रोटीन के जोड़े की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया। Any1 एक सहायक या अडैप्टर (adaptor) के रूप में कार्य करता है, जो Pub1 का मार्गदर्शन करता है, जो एक एंजाइम है और अन्य प्रोटीनों को निपटान या पुनर्रचना के लिए टैग करने के लिए जिम्मेदार है। पिछले अध्ययनों ने दिखाया था कि यह जोड़ी अमीनो एसिड द्वारों को कोशिका की सतह से हटाने के लिए महत्वपूर्ण है। टीम ने पाया कि जब उन्होंने कोशिकाओं को अतिरिक्त मात्रा में Any1 सहायक बनाने के लिए मजबूर किया, तो Pka1 की कमी वाली कोशिकाएं अचानक फिर से कैनवानाइन के प्रति प्रतिरोधी हो गईं। यह बचाव विशिष्ट था; Any2 नामक एक समान प्रोटीन की अतिरिक्त मात्रा बनाने से कोई मदद नहीं मिली। इसके अलावा, यह बचाव तभी काम कर सका जब Pub1 एंजाइम मौजूद और कार्यात्मक था। यदि शोधकर्ता Pub1 को हटा देते, तो अतिरिक्त Any1 कोशिकाओं को नहीं बचा पाता। इसने सिद्ध किया कि Pka1 नियामक और Any1-Pub1 टीम मिलकर काम करते हैं, लेकिन अलग-अलग मार्गों के माध्यम से, कोशिका की रक्षा करते हैं।

सबसे महत्वपूर्ण खोज तब हुई जब टीम ने कोशिका के भीतर Pub1 एंजाइम के स्थान को देखा। सामान्य कोशिकाओं में, Pub1 गोल्जी अपरेटस (Golgi apparatus) नामक एक संरचना पर छोटे समूहों में एकत्र होता है, जो प्रोटीनों के लिए एक छंटनी केंद्र (sorting center) के रूप में कार्य करता है। Pka1 की कमी वाली कोशिकाओं में, ये समूह गायब हो गए, और Pub1 कोशिका के तरल आंतरिक भाग में बिखरा हुआ था। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब उन्होंने अतिरिक्त Any1 जोड़ा, तो इसने बिखरे हुए Pub1 को वापस गोल्जी पर अपने उचित समूहों में जाने के लिए मजबूर कर दिया। महत्वपूर्ण रूप से, Pub1 के स्थान की यह बहाली तब भी हुई जब अतिरिक्त Any1 ने न तो misplaced अमीनो एसिड द्वारों को ठीक किया और न ही कोशिका के भीतर कैनवानाइन की मात्रा को बदला। इसका अर्थ यह है कि कोशिका का जीवित रहना Pub1 को उसके सही स्थान पर वापस लाने पर निर्भर था, एक ऐसा कार्य जिसे Pka1 सामान्य रूप से समन्वित करने में मदद करता है।

यह अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि Pka1 नियामक Pub1 एंजाइम को सही स्थान पर रहने में मदद करके कैनवानाइन सहनशीलता में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। जब Pka1 गायब होता है, तो Pub1 अपना रास्ता भटक जाता है, और कोशिका विष के प्रति असुरक्षित हो जाती है, भले ही वह जहर के स्तर को कम रखने में सफल रही हो। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह भेद्यता (vulnerability) केवल इस बारे में नहीं है कि कितनी मात्रा में विष प्रवेश करता है, बल्कि कोशिका के रक्षा तंत्र के आंतरिक संगठन के बारे में है। यह प्रदर्शित करके कि Any1-Pub1 प्रणाली Pka1 की अनुपस्थिति में कोशिका को बचा सकती है, यह अध्ययन कोशिकीय अनुकूलन (cellular adaptation) के एक नए तंत्र को प्रकट करता है। यह सुझाव देता है कि कोशिका तनाव से बचने के लिए कई, ओवरलैपिंग रणनीतियों का उपयोग करती है, और Pub1 जैसे प्रमुख एंजाइमों का सटीक स्थान उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि कोशिका द्वारा सामना किए जाने वाले जहर की मात्रा। यह कार्य एक स्पष्ट चित्र प्रदान करता है कि एकल-कोशिकीय जीव रासायनिक खतरों से भरी दुनिया में व्यवस्था बनाए रखने और जीवित रहने के लिए कैसे काम करते हैं।