EphA3 couples attractive guidance to persistent retinal axon growth through modulation of EphA4 forward signaling in a plasma membrane cholesterol-dependent manner

मस्तिष्क तारों का एक विशाल नेटवर्क है, लेकिन दीवार में लगे तांबे के केबलों के विपरीत, इन जैविक संपर्कों को विकास के दौरान शरीर के आर-पार अत्यंत सटीकता के साथ अपना रास्ता खोजना होता है। दृश्य प्रणाली (विजुअल सिस्टम) में, आँख की तंत्रिका कोशिकाएं, जिन्हें रेटिनल गैंग्लियन कोशिकाएं कहा जाता है, मस्तिष्क के एक विशिष्ट लक्ष्य तक लंबी तंतु भेजती हैं जिन्हें एक्सोन (axons) कहते हैं। दृष्टि के कार्य करने के लिए, इन तंतुओं को दुनिया को ठीक वैसा ही मैप करना चाहिए जैसा वह वास्तव में है: आँख के बाईं ओर का हिस्सा मस्तिष्क के दाईं ओर से जुड़ना चाहिए, और ऊपरी हिस्सा निचले हिस्से से जुड़ना चाहिए। यदि ये तार आपस में मिल जाएं या गलत जगह पर रुक जाएं, तो इसका परिणाम अंधापन या विकृत दृष्टि होता है। इसे प्राप्त करने के लिए, बढ़ते हुए एक्सोन अपने वातावरण में रासायनिक संकेतकों (chemical signposts) पर निर्भर करते हैं। इनमें से कुछ संकेत एक्सोन को रुकने के लिए कहते हैं, जबकि अन्य उसे मुड़ने या आगे बढ़ते रहने के लिए कहते हैं। दशकों तक, वैज्ञानिक समझते थे कि प्रोटीन का एक विशिष्ट परिवार, जिसे EphA रिसेप्टर्स और उनके साथी, एफ्रिन्स (ephrins) कहा जाता है, इन संकेतकों के एक प्रमुख सेट के रूप में कार्य करता है, जो अक्सर एक प्रतिकर्षक बल (repulsive force) के रूप में कार्य करता है जो एक्सोन को उन क्षेत्रों से दूर धकेलता है जहाँ वे नहीं होने चाहिए। हालाँकि, इस बात की पूरी कहानी कि ये संकेत कैसे एक एक्सोन को केवल खतरे से दूर ही नहीं ले जाते, बल्कि उसे उसके गंतव्य की ओर सक्रिय रूप से ले जाते हुए गतिमान रखते हैं, अधूरी रही है।

ब्यूनस आयर्स विश्वविद्यालय और मियामी यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन प्रोटीनों की एक अधिक सूक्ष्म भूमिका का खुलासा किया है, यह बताते हुए कि कैसे वे एक तंत्रिका तंतु को पीछे धकेलने वाली दीवार के बजाय, उसे आगे बढ़ने के लिए मार्गदर्शन करने वाले एक कोमल हाथ के रूप में कार्य कर सकते हैं। चिकन की आँख के नासिका भाग (nasal part) पर ध्यान केंद्रित करते हुए, जो मस्तिष्क के पिछले लक्ष्य तक एक्सोन भेजता है, वैज्ञानिकों ने जांच की कि एक विशिष्ट प्रोटीन, EphA3, इन बढ़ते हुए तंत्रिकाओं के व्यवहार को कैसे प्रभावित करता है। उन्होंने पाया कि जब सतह पर, जिस पर एक्सोन चल रहा है, EphA3 मौजूद होता है, तो यह तंत्रिका को प्रतिकर्षित नहीं करता है। इसके बजाय, यह उसे आकर्षित करता है, जिससे एक्सोन प्रोटीन की उच्च सांद्रता की ओर खिंचा चला जाता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह आकर्षण केवल दिशा बदलने में ही मदद नहीं करता है; यह एक्सोन को बिना रुके या पीछे हटे निरंतर आगे बढ़ने में भी मदद करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह प्रक्रिया दो महत्वपूर्ण कारकों पर निर्भर करती है: एक्सोन के पास EphA4 नामक एक संबंधित प्रोटीन से गतिविधि का एक आधारभूत स्तर होना चाहिए, और तंत्रिका कोशिका की बाहरी झिल्ली कोलेस्ट्रॉल (एक वसायुक्त पदार्थ जो कोशिका की सतह को व्यवस्थित करने में मदद करता है) से समृद्ध होनी चाहिए।

यह देखने के लिए कि यह कैसे काम करता है, वैज्ञानिकों ने एक डिश में रेटिनल तंत्रिका कोशिकाओं को उगाया और उन्हें EphA3 प्रोटीन और एक नियंत्रण पदार्थ (control substance) की वैकल्पिक पट्टियों (stripes) वाली सतह पर रखा। उन्होंने देखा कि नासिका एक्सोन लगातार उन पट्टियों पर बढ़े जिन्होंने EphA3 को धारण किया था, और नियंत्रण क्षेत्रों को अनदेखा कर दिया। इसने पुष्टि की कि प्रोटीन इन विशिष्ट तंत्रिका तंतुओं के लिए एक चुंबक की तरह कार्य करता है। इस आकर्षण के तंत्र को समझने के लिए, टीम ने कोशिकाओं को एक चैंबर में रखा जहाँ EphA3 प्रोटीन एक चिकनी प्रवणता (gradient) बनाता था, जो एक तरफ से दूसरी तरफ सांद्रता में बढ़ता था। दो घंटे तक एक्सोन के बढ़ने को देखने के लिए टाइम-लैप्स कैमरों का उपयोग करते हुए, उन्होंने देखा कि तंत्रिका के सिर (tips) प्रोटीन के स्रोत की ओर मुड़ रहे थे। यह मोड़ यादृच्छिक (random) नहीं था; एक्सोन ने सक्रिय रूप से रासायनिक ढलान की ओर खुद को निर्देशित किया।

अध्ययन ने यह समझने के लिए गहराई से काम किया कि इस यात्रा के दौरान एक्सोन कैसे चलते हैं। शोधकर्ताओं ने 'ग्रोथ कोन्स' (growth cones)—जो एक्सोन के सिरे होते हैं और वातावरण का पता लगाते हैं—की गति और व्यवहार को ट्रैक किया। उन्होंने पाया कि EphA3 की उपस्थिति ने एक्सोन को उनकी परमतम संभव गति से तेज़ नहीं बनाया। इसके बजाय, इसने उनकी गति के लय (rhythm) को बदल दिया। सामान्य परिस्थितियों में, बढ़ते हुए एक्सोन अक्सर आगे बढ़ने से पहले रुकते हैं, थम जाते हैं, या थोड़ा पीछे हट जाते हैं। EphA3 के संपर्क में आने पर, एक्सोन निरंतर आगे की गति में काफी अधिक समय बिताते थे और रुकने या पीछे हटने में बहुत कम समय बिताते थे। प्रोटीन ने अनिवार्य रूप रूप से यात्रा को सुगम बना दिया, जिससे एक्सोन लंबे समय तक एक स्थिर गति बनाए रखने में सक्षम हुआ। यह सुझाव देता है कि EphA3 तंत्रिका तंतु को उसके पथ के प्रति प्रतिबद्ध होने में मदद करता है, उस हिचकिचाहट को कम करता है जो अक्सर विकास को धीमा कर देती है।

हालाँकि, यह आकर्षक मार्गदर्शन एक साधारण ऑन-ऑफ स्विच नहीं है। शोधकर्ताओं ने पाया कि EphA3 के प्रति एक्सोन की प्रतिक्रिया करने की क्षमता, तंत्रिका कोशिका में स्वाभाविक रूप से मौजूद दूसरे प्रोटीन, EphA4 की गतिविधि पर निर्भर करती है। जब वैज्ञानिकों ने EphA4 को पूरी तरह से रोकने के लिए एक दवा का उपयोग किया, तो एक्स axons ने EphA3 संकेत की ओर मुड़ने की अपनी क्षमता खो दी। वे उतनी ही तेज़ी से, या उससे भी तेज़ी से बढ़े, लेकिन वे बिना किसी दिशा के भटकते रहे, अब वे रासायनिक मानचित्र का पालन नहीं कर पा रहे थे। यह निष्कर्ष इस विचार को खारिज करता है कि EphA3 अकेले कार्य करता है; इसके बजाय, इसे सही ढंग से मार्गदर्शक के रूप में कार्य करने के लिए EphA4 की एक विशिष्ट, मध्यम स्तर की गतिविधि की आवश्यकता होती है। ऐसा प्रतीत होता है कि EphA4 एक आवश्यक साथी के रूप में कार्य करता है जो एक्सोन को EphA3 संकेत को समझने और उसे दिशात्मक मोड़ में अनुवादित करने की अनुमति देता है।

अध्ययन ने तंत्रिका कोशिका की बाहरी झिल्ली की भौतिक संरचना के महत्व पर भी प्रकाश डाला। शोधकर्ताओं ने कोशिकाओं को एक ऐसे पदार्थ से उपचारित किया जो झिल्ली से कोलेस्ट्रॉल को हटा देता है, जिससे प्रभावी रूप से 'लिपिड राफ्ट्स' (lipid rafts)—कोशिका की सतह पर विशेष पैच जहाँ सिग्नलिंग प्रोटीन एकत्र होते हैं—का व्यवधान उत्पन्न होता है। जब कोलेस्ट्रॉल को कम किया गया, तो एक्सोन धीरे बढ़े और वे अधिक बार रुके। महत्वपूर्ण रूप से, EphA3 का आकर्षक खिंचाव गायब हो गया। एक्सोन अब प्रोटीन की ओर नहीं मुड़े, और वह निरंतर, दृढ़ विकास जो यह आमतौर पर प्रोत्साहित करता था, लुप्त हो गया। यह इंगित करता है कि कोलेस्ट्रॉल-समृद्ध वातावरण यह सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है कि EphA3 और EphA4 प्रोटीन ठीक से परस्पर क्रिया करें और कोशिका की आंतरिक मशीनरी को सही संकेत भेजें।

इन अवलोकनों को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक मॉडल प्रस्तावित किया कि मस्तिष्क अपना दृश्य मानचित्र (visual map) कैसे बनाता है। विकसित होते मस्तिष्क में, लक्ष्य क्षेत्र में EphA3 की एक प्रवणता होती है, जिसमें उच्च स्तर वहां होता है जहाँ नासिका एक्सोन रोस्ट्रल टेक्टम (rostral tectum) में प्रवेश करते हैं। नासिका एक्सोन, जिन्हें पीछे तक पहुँचने की आवश्यकता होती है, इस उच्च सांद्रता की ओर आकर्षित होते हैं। EphA3 की उपस्थिति एक्सोन को आकर्षित करती है और उसे निरंतर आगे बढ़ने में मदद करती है, जिससे उसे बहुत जल्दी रुकने या गलत दिशा में शाखा बनाने से रोका जा सके। जैसे ही एक्सोन लक्ष्य क्षेत्र में आगे बढ़ता है, EphA3 का स्तर गिर जाता है, और अन्य संकेत विकास को धीमा करने और एक्सोन को रुकने तथा संबंध बनाने के लिए प्रोत्साहित करने का कार्य संभाल लेते हैं। अध्ययन बताता है कि यदि EphA4 को पूरी तरह से ब्लॉक कर दिया जाए, तो एक्सोन बहुत तेज़ी से बढ़ सकता है और अपने लक्ष्य से आगे निकल सकता है, जिससे मानचित्र खराब होने की संभावना है। इसके विपरीत, यदि झिल्ली के कोलेस्ट्रॉल को बाधित किया जाता है, तो एक्सोन मानचित्र को पढ़ ही नहीं पाएगा।

यह कार्य स्पष्ट करता है कि मार्गदर्शन केवल गलत जगहों से बचने के बारे में नहीं है; यह स्टीयरिंग और विकास को बनाए रखने की एक सक्रिय प्रक्रिया है। निष्कर्ष बताते हैं कि एक ही प्रोटीन परिवार, संदर्भ और उनके विशिष्ट साथियों के आधार पर, एक प्रतिकर्षक बाधा और एक आकर्षक मार्गदर्शक दोनों के रूप में कार्य कर सकता है। अनुसंधान इस बात पर जोर देता है कि कोशिका झिल्ली की भौतिक स्थिति, विशेष रूप से इसकी कोलेस्ट्रॉल सामग्री, इन जटिल नेविगेशनल कार्यों के लिए एक मौलिक आवश्यकता है। यह दिखाते हुए कि कैसे EphA3 दिशात्मक मोड़ को निरंतर अग्रिम विकास के साथ जोड़ता है, यह अध्ययन मस्तिष्क के सही ढंग से वायर (तारों से जुड़ने) होने के लिए आवश्यक नाजुक संतुलन की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि भविष्य में तंत्रिका तंतुओं के सफल पुनर्जनन (regeneration) के लिए न केवल विकास को उत्तेजित करने की आवश्यकता होगी, बल्कि यह सुनिश्चित करने की भी आवश्यकता होगी कि मार्गदर्शन संकेत और झिल्ली का वातावरण सही पथ पर बने रहने के लिए सुरक्षित है।