Evolutionary Analysis of PD-L1 as a Small-Molecule Drug Target

प्रतिरक्षा प्रणाली शरीर की आंतरिक सुरक्षा बल है, जो खतरनाक बनने से पहले असामान्य कोशिकाओं को खोजने और नष्ट करने के लिए निरंतर गश्त करती रहती है। इसके सबसे प्रभावी एजेंटों में टी-कोशिकाएं (T cells) शामिल हैं, जो खतरों को पहचानने और उन्हें खत्म करने के लिए प्रशिक्षित विशेष सैनिक हैं। हालाँकि, कई कैंसरों ने इस प्रणाली में निर्मित एक सुरक्षा तंत्र का लाभ उठाना सीख लिया है। ट्यूमर अक्सर अपनी सतह पर PD-L1 नामक प्रोटीन प्रदर्शित करते हैं। जब यह प्रोटीन टी-सेल पर मौजूद एक मिलान वाले रिसेप्टर, PD-1 से मिलता है, तो यह एक संकेत भेजता है जो प्रभावी रूप से इम्यून सैनिक को रुकने और हमला न करने का निर्देश देता है। इस स्विच को चालू करके, एक ट्यूमर सामने होते हुए भी छिप सकता है, जिससे शरीर की रक्षा प्रणाली को विश्वास दिलाना आसान हो जाता है कि वह हानिरहित है।

इसका मुकाबला करने के लिए, डॉक्टरों ने बड़े प्रोटीन अणुओं, जिन्हें एंटीबॉडी कहा जाता है, का उपयोग करके उपचार विकसित किया है, जो PD-L1 और PD-1 के बीच के संबंध को रोकते हैं, जिससे टी-कोशिकाएं फिर से जागकर कैंसर से लड़ने के लिए मजबूर हो जाती हैं। ये उपचार कई रोगियों के लिए मानक देखभाल बन गए हैं, लेकिन क्योंकि एंटीबॉडी बड़े होते हैं और उन्हें इंट्रावेनस ड्रिप के माध्यम से दिया जाना चाहिए, वे हमेशा एक ट्यूमर के हर छिपे हुए कोने तक नहीं पहुँच पाते। इस सीमा ने वैज्ञानिकों को छोटे रासायनिक यौगिकों की खोज करने के लिए प्रेरित किया है जो यही काम कर सकें लेकिन जिन्हें गोली (pill) के रूप में लिया जा सके। ये छोटे अणु PD-L1 प्रोटीन के एक विशिष्ट पॉकेट (pocket) से जुड़कर काम करते हैं, जो प्रोटीन की दो प्रतियों को एक साथ लॉक कर देते हैं और उस सतह को ढक देते हैं जिसे प्रतिरक्षा प्रणाली देखने की आवश्यकता होती है। हालांकि यह आशाजनक है, लेकिन एक महत्वपूर्ण प्रश्न बना हुआ है: यदि कोई ट्यूमर इस नए प्रकार की दवा के संपर्क में आता है, तो क्या वह केवल उस पॉकेट का आकार बदलकर दवा को काम करने से रोकने के लिए खुद को बदल सकता है?

क्लार्कसन यूनिवर्सिटी के एक शोधकर्ता ने इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए स्वयं के जीवन के इतिहास को देखने का निर्णय लिया। केवल मानव ट्यूमर का अध्ययन करने के बजाय, वैज्ञानिक ने मछली और कछुओं से लेकर पक्षियों और प्राइमेट्स तक, चालीस-चार अलग-अलग कशेरुकी प्रजातियों (vertebrate species) में PD-L1 प्रोटीन का परीक्षण किया। ये प्रजातियां लगभग 429 मिलियन वर्षों के विकास की समयरेखा का प्रतिनिधित्व करती हैं। तर्क सीधा था: यदि प्रोटीन का कोई हिस्सा जीव के अस्तित्व के लिए आवश्यक है, तो प्रकृति उसे लाखों वर्षों तक अपरिवर्तित रखेगी। यदि कोई हिस्सा महत्वहीन है, तो वह स्वतंत्र रूप से बदलेगा। विभिन्न जानवरों के डीएनए अनुक्रमों की तुलना करके, शोधकर्ता यह देख सकते थे कि PD-L1 प्रोटीन के कौन से हिस्से इतने महत्वपूर्ण थे कि उन्हें युगों तक स्थिर रखा गया था, और कौन से हिस्से बदलने के लिए स्वतंत्र थे।

जांच की शुरुआत PD-L1 प्रोटीन में उस सटीक स्थान को मैप करने से हुई जहाँ नई स्मॉल-मॉलिक्यूल दवाएं जुड़ती हैं। प्रोटीन के विस्तृत 3D मॉडल का उपयोग करते हुए, शोधकर्ता ने दस विशिष्ट बिल्डिंग ब्लॉक्स की पहचान की, जिन्हें अमीनो एसिड कहा जाता है, जिन्हें दवा छूती है। अगला कदम यह देखना था कि क्या ये दस बिल्डिंग ब्लॉक्स वही हैं जिनका उपयोग प्रतिरक्षा प्रणाली का PD-1 रिसेप्टर जुड़ने के लिए करता है। विश्लेषण ने एक आश्चर्यजनक ओवरलैप प्रकट किया: प्रत्येक दस अमीनो एसिड जिसे दवा छूती है, वह उसी सतह का हिस्सा है जहाँ PD-1 जुड़ता है। वास्तव में, दवा-संपर्क क्षेत्र केवल इम्यून इंटरफेस के पास ही नहीं है; बल्कि यह स्वयं इम्यून इंटरफेस है। सांख्यिकीय परीक्षण ने दिखाया कि इस ओवरलैप के संयोग से होने की संभावना एक अरब में एक से भी कम थी। दवा और प्रतिरक्षा प्रणाली ठीक उसी भौतिक सतह के लिए संघर्ष कर रहे हैं।

विकासवादी डेटा ने पुष्टि की कि यह सतह समान रहने के लिए अत्यधिक दबाव में है। शोधकर्ता ने गणना की कि इन दस विशिष्ट अमीनो एसिड के लिए डीएनए कोड 429 मिलियन वर्षों में कितनी बार बदला है। परिणाम यह था कि ये स्थान लगभग नहीं बदले थे। वे प्रोटीन के अन्य हिस्सों की तुलना में बहुत धीमी गति से विकसित हुए थे, जो पर्यावरण के संपर्क में तो थे लेकिन दवा या इम्यून बाइंडिंग में शामिल नहीं थे। सांख्यिकीय शब्दों में, इन महत्वपूर्ण स्थानों के परिवर्तन की दर प्रोटीन के बाकी हिस्सों की तुलना में लगभग चार गुना धीमी थी। यह अत्यधिक संरक्षण (conservation) बताता है कि यदि कोई ट्यूमर दवा से बचने के लिए इन विशिष्ट अमीनो एसिड को उत्परिवर्तित (mutate) करता है, तो यह संभवतः प्रतिरक्षा प्रणाली के साथ प्रोटीन की परस्पर क्रिया करने की क्षमता को ही तोड़ देगा। ट्यूमर अपनी प्राथमिक रक्षा प्रणाली को खोकर ही इस गोली से बच पाएगा।

यह जांचने के लिए कि क्या यह सैद्धांतिक बाधा वास्तविक दुनिया में भी लागू होती है, अध्ययन ने वास्तविक मानव ट्यूमर को देखा। शोधकर्ताओं ने आठ अलग-अलग प्रकार के कैंसर में 14,000 से अधिक कैंसर नमूनों के जेनेटिक डेटा का परीक्षण किया। उन्होंने उन उत्परिवर्तनों (mutations) की तलाश की जो विशेष रूप से दवा द्वारा लक्षित दस अमीनो एसिड में हुए थे। निष्कर्षв विकासवादी भविष्यवाणी के अनुरूप थे: इन महत्वपूर्ण स्थानों में उत्परिवर्तन अविश्वसनीय रूप से दुर्लभ थे। जबकि ट्यूमर में कई जेनेटिक बदलाव जमा होते हैं, वे लगभग कभी भी उस विशिष्ट सतह को नहीं बदलते जिसे दवा लक्षित करती है। जब बदलाव हुए भी, तो वे प्रोटीन के अन्य हिस्सों में बिखरे हुए थे, जिससे ड्रग-बाइंडिंग पॉकेट बरकरार रहा। एक विशिष्ट स्थान, एक अमीनो एसिड जिसे Q66 कहा जाता है, ने अन्य स्थानों की तुलना में थोड़ा अधिक बदलाव दिखाया, जिससे पता चलता है कि यह ट्यूमर के बचने का सबसे संभावित स्थान हो सकता है, लेकिन वहां भी, बदलाव आम नहीं थे।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि एक ट्यूमर को दवाओं के इस नए वर्ग से बचने के लिए जिस मार्ग की आवश्यकता होगी, वह प्रभावी रूप से उसकी अपनी जीव विज्ञान द्वारा अवरुद्ध है। चूंकि दवा ठीक उसी सतह से जुड़ती है जिसका उपयोग प्रतिरक्षा प्रणाली करती है, इसलिए कोई भी उत्परिवर्तन जो दवा को काम करने से रोकता है, वह ट्यूमर को प्रतिरक्षा प्रणाली को बंद करने से भी रोक देगा। ट्यूमर उस ताले को आसानी से नहीं बदल सकता जिसके बिना वह छिपा हुआ रहने के लिए उपयोग किए जाने वाले चाबी को भी तोड़ देगा। हालांकि अध्ययन में अभी तक उन रोगियों का डेटा नहीं है जो इन विशिष्ट दवाओं पर प्रगति कर रहे हैं, लेकिन प्रोटीन का गहरा विकासवादी इतिहास एक मजबूत तर्क प्रदान करता है कि ट्यूमर के बचने के विकल्प गंभीर रूप से सीमित हैं। वह विशेषता जो ट्यूमर को खतरनाक बनाती है—उसकी प्रतिरक्षा प्रणाली से छिपने की क्षमता—वही विशेषता है जो उसे उस दवा के प्रति संवेदनशील बनाती है जो ठीक उसी छिपाने वाली जगह को लक्षित करती है।