Embryonic origins of epigenetic mosaicism in the human colorectal epithelium
मानव कोलोरेक्टल उपकला (colorectal epithelium) से एकल-कोशिका क्लोन (single-cell clones) का विश्लेषण करके, यह अध्ययन प्रकट करता है कि जीवनपर्यंत रहने वाले दैहिक एपिजेनेटिक मोज़ेकिज़्म (somatic epigenetic mosaicism) का बहुमत (~60%) आयु-संबंधित यादृच्छिक उत्परिवर्तनों (stochastic mutations) के बजाय प्रारंभिक भ्रूणजनन (early embryogenesis) के दौरान स्थापित स्थिर, वंश-विशिष्ट एपिअलिलिक प्रतिबद्धताओं (lineage-specific epiallelic commitments) से उत्पन्न होता है, जिसके जीन अभिव्यक्ति और विकासात्मक फाइलोजेनी पुनर्निर्माण (developmental phylogeny reconstruction) के लिए महत्वपूर्ण कार्यात्मक परिणाम होते हैं।
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मानव शरीर की प्रत्येक कोशिका में निर्देशों का एक ही सेट होता है, जो एक एकल निषेचित अंडे से विरासत में मिले आनुवंशिक ब्लूप्रिंट की एक पूर्ण प्रति है। फिर भी, त्वचा की एक कोशिका लीवर की कोशिका की तरह बिल्कुल नहीं दिखती और न ही वैसे ही कार्य करती है। यह अंतर डीएनए कोड में बदलाव के कारण नहीं, बल्कि इस बात से उत्पन्न होता है कि उस कोड को कैसे चिह्नित और प्रबंधित किया जाता है। ये रासायनिक निशान, जो जीन को चालू या बंद करने वाले स्विच की तरह कार्य करते हैं, एक एपिजेनेटिक परिदृश्य (landscape) बनाते हैं जो एक कोशिका की पहचान को परिभाषित करता है। जबकि वैज्ञानिक लंबे समय से यह समझते आए हैं कि ये निशान एक कोशिका प्रकार को दूसरे से कैसे अलग करते हैं, एक गहरा रहस्य बना हुआ था: क्या एक ही प्रकार की सटीक कोशिकाएं, जो एक ही अंग में अगल-बगल रहती हैं, समान निशान रखती हैं? दशकों तक, यह धारणा थी कि वे ऐसा ही करते हैं, या कोई भी अंतर जीवन भर धीरे-धीरे जमा होने वाला यादृच्छिक शोर (random noise) था।
एक नया अध्ययन इस दृष्टिकोण को चुनौती देता है जो मानव कोलन (बड़ी आंत) के अस्तर को देखता है, जो एक ऐसा ऊतक है जो जीवन भर निरंतर खुद को नवीनीकृत करता रहता है। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि क्या डीएनए पर रासायनिक निशान मुख्य रूप से उम्र बढ़ने की प्रक्रिया से आकार लेते हैं या उन घटनाओं से जो जीवन के बहुत पहले हुई थीं। यह जानने के लिए, उन्हें एक ऐसी तकनीक की आवश्यकता थी जो उन्हें रासायनिक विवरणों को खोए बिना व्यक्तिगत कोशिकाओं के पारिवारिक इतिहास का पता लगाने की अनुमति दे सके। वे एक ऐसी तकनीक की ओर मुड़े जो एक प्रयोगशाला डिश में एक एकल कोशिका को एक बड़े, समान परिवार, या क्लोन में विकसित होने देती है। इन क्लोनों का विस्तार करके, वैज्ञानिक पर्याप्त सामग्री एकत्र कर सके जो प्रत्येक वंशावली के लिए संपूर्ण आनुवंशिक कोड और रासायनिक निशानों के पूर्ण सेट को पढ़ सके, जो सीधे एकल कोशिकाओं को देखकर प्राप्त करना असंभव है।
टीम ने चालीस से अस्सी वर्ष की आयु के सोलह अलग-अलग लोगों के नमूने एकत्र किए। प्रत्येक व्यक्ति से, उन्होंने कोलन से स्वस्थ कोशिकाएं अलग कीं, जो ट्यूमर से दूर थीं, और उन्हें सैकड़ों अलग-अलग क्लोनों में विकसित किया। कुल मिलाकर, उन्होंने इन 406 क्लोनों का विश्लेषण किया। प्रत्येक के लिए, उन्होंने डीएनए के लाखों विशिष्ट स्थानों पर रासायनिक निशानों का मानचित्रण किया और साथ ही स्वयं के डीएनए अनुक्रम में प्राकृतिक, सूक्ष्म परिवर्तनों को भी ट्रैक किया। ये प्राकृतिक परिवर्तन एक आणविक घड़ी की तरह कार्य करते हैं, जिससे शोधकर्ता कोशिकाओं के पारिवारिक वृक्ष का पुनर्निर्माण कर सकते हैं और यह निर्धारित कर सकते हैं कि व्यक्ति के विकास के दौरान विशिष्ट घटनाएं कब हुईं।
परिणामों ने हमारे कोशिकाओं के इतिहास के बारे में एक आश्चर्यजनक सत्य का खुलासा किया। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब तक कोई व्यक्ति साठ वर्ष की आयु तक पहुँच जाता है, उसके कोलन की कोशिकाओं में एक मानक आधार रेखा की तुलना में लगभग 1.2 मिलियन रासायनिक निशानों के अंतर जमा हो जाते हैं। लंबे समय तक, यह माना जाता था कि इनमें से अधिकांश अंतर उम्र बढ़ने के साथ धीरे-धीरे प्राप्त किए गए थे, जैसे किसी मशीन पर टूट-फूट। हालांकि, डेटा ने एक अलग कहानी बताई। अध्ययन ने दिखाया कि इन अंतरों में से लगभग 60 प्रतिशत उम्र बढ़ने का परिणाम नहीं थे। इसके बजाय, वे जीवन के बहुत शुरुआती चरण में, भ्रूण के विकास के पहले कुछ हफ्तों के दौरान स्थापित किए गए थे, और दशकों तक स्थिर रहे।
ये शुरुआती अंतर यादृच्छिक त्रुटियां नहीं हैं। वे विशिष्ट समूहों में दिखाई देते हैं और कोशिकाओं के पारिवारिक वृक्ष का अनुसरण करते हैं, जो यह सुझाव देते हैं कि जैसे-जैसे भ्रूण का निर्माण हो रहा था, शरीर के विभिन्न शाखाओं ने अपने डीएनए को चिह्नित करने के बारे में विशिष्ट, स्थिर विकल्प चुने थे। एक बार जब ये विकल्प बना लिए गए, तो उन्हें हर वंशज कोशिका को निष्ठापूर्वक सौंपा गया, जो वयस्क कोलन बनाने वाली दशकों की कोशिका विभाजन प्रक्रिया के माध्यम से बना रहा। शोधकर्ताओं ने 14,000 से अधिक विशिष्ट क्षेत्रों की पहचान की जहाँ यह "भ्रूण प्रतिबद्धता" (embryonic commitment) हुई थी। ये क्षेत्र अक्सर उन जीन के पास स्थित होते हैं जो शरीर के निर्माण और संगठन को नियंत्रित करते हैं, जैसे कि वे जो शरीर की योजना (body plan) के लेआउट को निर्धारित करते हैं।
अध्ययन ने यह भी दिखाया कि इन शुरुआती विकल्पों के वयस्कता में शरीर के कार्यों के लिए वास्तविक परिणाम होते हैं। कई मामलों में, भ्रूण में स्थापित रासायनिक निशान इस बात को प्रभावित करते रहे कि वयस्क कोलन में कुछ जीन कितनी मजबूती से चालू या बंद होते हैं। उदाहरण के लिए, कुछ कोशिकाओं में ऐसे निशान थे जिन्होंने डीएनए क्षति की मरम्मत करने वाले जीन को शांत (silence) कर दिया, जबकि उनके पड़ोसियों में नहीं थे। इसका मतलब है कि एक स्वस्थ वयस्क में भी, ऊतकों के अलग-अलग पैच जन्म से पहले लिए गए निर्णयों के आधार पर थोड़े अलग जैविक क्षमताओं वाले हो सकते हैं।
शोधकर्ताओं ने महिलाओं में एक्स (X) गुणसूत्र के प्रभाव को भी देखा, जिनमें एक्स के दो संस्करण होते हैं। उन्होंने पाया कि किस एक्स गुणसूत्र को शांत किया जाना है, यह निर्णय अक्सर विकास के बहुत शुरुआती चरण में तय हो जाता है, और यह निर्णय कोशिकाओं के पारिवारिक वृक्ष के माध्यम से आगे बढ़ाया जाता है। इसके अलावा, उन्होंने पाया कि कुछ मोबाइल जेनेटिक तत्वों की गतिविधि, जो जीनोम में इधर-उधर कूद सकते हैं, काफी हद तक इस बात से निर्धारित होती है कि उनका "ऑफ" स्विच भ्रूण के विकास के दौरान दबाया गया था या नहीं। यदि स्विच को जल्दी दबा दिया गया था, तो वह जीवन भर दबा रहता है, जिससे तत्व बाद में सक्रिय होने से बच जाता है।
इन शुरुआती रासायनिक निशानों को एक मार्गदर्शक के रूप में उपयोग करके, वैज्ञानिक कोशिकाओं के बीच पारिवारिक संबंधों की बहुत स्पष्ट तस्वीर खींचने में सक्षम हुए, जो केवल डीएनए उत्परिवर्तन (mutations) का उपयोग करके संभव नहीं था। रासायनिक निशानों ने विकासात्मक इतिहास का उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाला मानचित्र प्रदान किया, जिससे पारिवारिक वृक्ष की उन शाखाओं को सुलझाने में मदद मिली जो पहले अस्पष्ट थीं। यह दृष्टिकोण बताता है कि किसी व्यक्ति के विकास का इतिहास न केवल उनके डीएनए अनुक्रम में, बल्कि गर्भ में स्थापित स्थिर रासायनिक पैटर्न में भी लिखा गया है।
यह अध्ययन इस विचार को खारिज करता है कि वयस्क ऊतकों में देखी जाने वाली रासायनिक विविधता केवल समय के साथ जमा होने वाली यादृच्छिक गलतियों का परिणाम है। इसके बजाय, यह दिखाता है कि इस विविधता का एक महत्वपूर्ण हिस्सा मानव विकास की एक जानबूझकर की गई, संरचित विशेषता है। निष्कर्ष बताते हैं कि शरीर सेल वंशों (cell lineages) का एक मोज़ेक है, जिनमें से प्रत्येक में जीवन के शुरुआती दिनों में स्थापित निर्देशों का एक अनूठा सेट होता है। यह मोज़ेक क्षय या रोग का संकेत नहीं है, बल्कि यह एक मौलिक हिस्सा है कि कैसे एक एकल निषेचित अंडा एक मनुष्य के जटिल, विविध ऊतकों को जन्म देता है। यह शोध इस बात को समझने के लिए एक नया ढांचा प्रदान करता है कि हमारी कोशिकाएं अपनी उत्पत्ति को कैसे याद रखती हैं और वे यादें वयस्क शरीर की जीव विज्ञान को कैसे आकार देती हैं।
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