मानव मस्तिष्क में जीन अभिव्यक्ति: कोशिका प्रकार अधिक संख्या में ही नहीं, बल्कि अधिक विशिष्ट हो जाते हैं

यूसी सांता बारबरा के पारिस्थितिकी, विकास और समुद्री जीव विज्ञान विभाग में प्रोफेसर सूजिन यी, उनके डॉक्टरेट छात्र डेनिस जोशी और बार्सिलोना के हॉस्पिटल डेल मार मेडिकल रिसर्च इंस्टीट्यूट में सहयोगी गेब्रियल सैंटेपेरे का उद्देश्य यह निर्धारित करना था कि विभिन्न प्रकार की मस्तिष्क कोशिकाओं में जीन कैसे होते हैं। चिंपैंजी की तुलना में विकसित हुए हैं। उन्होंने पाया कि, जबकि हमारे जीन अन्य वानरों के समान लगभग सभी प्रोटीनों के लिए कोड करते हैं, हमारे कई जीन अन्य प्राइमेट्स की तुलना में बहुत अधिक उत्पादक हैं। उनके परिणाम, में प्रकाशित राष्ट्रीय विज्ञान अकादमी की कार्यवाहीमानव मस्तिष्क के विकास और कार्य में जीन अभिव्यक्ति की भूमिका पर प्रकाश डालें।

प्रकृति के ब्लूप्रिंट की व्याख्या करना

प्रत्येक जीन एक कोशिका को एक विशिष्ट अणु बनाने के लिए कहता है, लेकिन यह कार्य स्वयं डीएनए द्वारा नहीं किया जाता है। इसके बजाय, सूचना मैसेंजर आरएनए नामक एक अणु द्वारा सेलुलर मशीनरी को रिले की जाती है। शोधकर्ता एक विशिष्ट जीन द्वारा उत्पादित एमआरएनए की मात्रा को देखकर जीन अभिव्यक्ति को मापते हैं।

जैसे-जैसे वैज्ञानिकों ने जीवन के खाके के रूप में जीनोम की भूमिका को समझना शुरू किया, उन्होंने सोचा कि शायद मानव जीनोम हमारे अद्वितीय लक्षणों की व्याख्या कर सकता है। लेकिन 2005 में चिंपैंजी के साथ गहन तुलना से पता चला कि हम अपने जीन का 99% प्रतिशत साझा करते हैं (हालांकि वैज्ञानिकों ने इस संख्या को संशोधित किया है)। इसने जीन की छोटी संख्या पर आधारित पहले के अध्ययनों की पुष्टि की है जिसमें सुझाव दिया गया था कि मानव और चिंपैंजी जीनोम के बीच केवल एक छोटा सा अंतर था।

अब जीवविज्ञानियों को संदेह है कि जीन अभिव्यक्ति इन अंतरों का कारण हो सकती है। एक मोनार्क तितली पर विचार करें। वयस्क का जीनोम वही होता है जो कैटरपिलर के समय होता था। दो जीवन चरणों के बीच अविश्वसनीय अंतर जीन अभिव्यक्ति के कारण आते हैं। विभिन्न जीनों को चालू और बंद करना, या उन्हें कम या ज्यादा एमआरएनए के लिए कोड रखना, किसी जीव के लक्षणों में भारी बदलाव ला सकता है।

एक साफ़ तस्वीर मिल रही है

पिछले शोध में मनुष्यों और चिंपैंजी के बीच जीन अभिव्यक्ति में अंतर पाया गया है, और मानव कोशिकाओं में जीन अभिव्यक्ति अधिक होती है, लेकिन तस्वीर धुंधली थी। मस्तिष्क कई प्रकार की कोशिकाओं से बना होता है। परंपरागत रूप से, वैज्ञानिकों ने मस्तिष्क कोशिकाओं को दो प्रमुख प्रकारों में व्यवस्थित किया: न्यूरॉन्स और ग्लियाल कोशिकाएं। न्यूरॉन्स इलेक्ट्रोकेमिकल सिग्नल ले जाते हैं, किसी इमारत में तांबे के तारों की तरह। ग्लियाल कोशिकाएं अधिकांश अन्य कार्य करती हैं, जैसे तारों को इन्सुलेट करना, संरचना का समर्थन करना और मलबे को साफ करना।

हाल तक, वैज्ञानिक केवल कई अलग-अलग प्रकार की कोशिकाओं से बने थोक ऊतक नमूनों का अध्ययन कर सकते थे। लेकिन पिछले दशक के भीतर, एक समय में एक कोशिका नाभिक की जांच करना संभव हो गया है। यह शोधकर्ताओं को कोशिका प्रकारों और अक्सर उपप्रकारों के बीच अंतर करने की अनुमति देता है।

यी, जोशी और सैंटेपेरे ने प्रत्येक नाभिक को एक सरणी में अपने स्वयं के कक्ष में अलग करने के लिए एक बहुत ही संकीर्ण चैनल वाले उपकरण से उत्पन्न डेटासेट का उपयोग किया। फिर उन्होंने सांख्यिकीय विश्लेषण करने से पहले कोशिकाओं को प्रकार के आधार पर समूहीकृत किया

टीम ने मनुष्यों, चिंपांज़ी और मकाक में उत्पादित एक विशिष्ट जीन एमआरएनए की मात्रा को देखकर जीन अभिव्यक्ति को मापा। एक अपग्रेडेड जीन अन्य प्रजातियों की तुलना में किसी प्रजाति में अधिक एमआरएनए पैदा करता है, जबकि एक डाउनरेगुलेटेड जीन कम उत्पादन करता है। चिंपैंजी और इंसानों की मकाक से तुलना करने से शोधकर्ताओं को यह बताने में मदद मिली कि दोनों वानरों के बीच मतभेद कब चिंपैंजी में बदलाव, इंसानों में बदलाव या दोनों के कारण थे।

लेखकों ने अध्ययन में 25,000 जीनों में से लगभग 5-10% की अभिव्यक्ति में अंतर दर्ज किया। सामान्य तौर पर, मानव कोशिकाओं में चिंपैंजी की तुलना में अधिक विनियमित जीन होते हैं। यह शोधकर्ताओं द्वारा तब पाया गया प्रतिशत से कहीं अधिक बड़ा है जब वे कोशिका प्रकार के आधार पर विश्लेषण को विभाजित नहीं कर सके। और जब लेखकों ने कोशिका उपप्रकारों पर विचार करना शुरू किया तो प्रतिशत बढ़कर 12-15% हो गया।

यी ने कहा, “अब हम देख सकते हैं कि अलग-अलग प्रकार की कोशिकाओं का अपना विकासवादी मार्ग होता है, जो वास्तव में विशिष्ट हो जाता है।”

सिर्फ न्यूरॉन्स नहीं

हमारे तंत्रिका मार्गों की जटिलता पशु साम्राज्य में बेजोड़ है, हालांकि यी को संदेह है कि हमारी अद्वितीय बुद्धि अपने आप में इसका परिणाम नहीं है। मानव ग्लियाल कोशिकाएं हमारे मस्तिष्क की आधे से अधिक कोशिकाओं का निर्माण करती हैं, जो कि चिंपैंजी की तुलना में कहीं अधिक बड़ा प्रतिशत है।

ग्लियाल कोशिकाओं में, ऑलिगोडेंड्रोसाइट्स ने जीन अभिव्यक्ति में सबसे बड़ा अंतर दिखाया। ये कोशिकाएं इन्सुलेशन बनाती हैं जो न्यूरॉन्स को कवर करती हैं, जिससे उनके विद्युत सिग्नल अधिक तेज़ी से और कुशलता से यात्रा करने में सक्षम होते हैं। पिछले वर्ष प्रकाशित एक सहयोगात्मक अध्ययन में, टीम ने देखा कि मनुष्यों में चिंपैंजी की तुलना में पूर्वगामी बनाम परिपक्व ऑलिगोडेंड्रोसाइट्स का अनुपात अधिक है। यी को संदेह है कि यह अद्भुत तंत्रिका प्लास्टिसिटी और मानव मस्तिष्क के धीमे विकास से संबंधित हो सकता है।

यी ने कहा, “हमारे तंत्रिका नेटवर्क की बढ़ी हुई जटिलता संभवतः अकेले विकसित नहीं हुई है।” “यह तब तक अस्तित्व में नहीं आ सकता जब तक कि ये सभी अन्य कोशिका प्रकार भी विकसित न हो जाएं और न्यूरॉन विविधता, न्यूरॉन्स की संख्या और नेटवर्क की जटिलता के विस्तार को सक्षम न कर दें।”

इस अध्ययन में केवल मस्तिष्क के कुछ क्षेत्रों की कोशिकाओं पर विचार किया गया; हालाँकि, मस्तिष्क के एक क्षेत्र की कोशिकाएँ अन्य क्षेत्रों में अपने समकक्षों से भिन्न हो सकती हैं। यी ने जीन अभिव्यक्ति में अंतर के पीछे के तंत्र का अध्ययन करने और जीन विभिन्न लक्षणों को कैसे मैप करते हैं, इसका अध्ययन करने की योजना बनाई है।

वह और भी अधिक दूर से संबंधित जानवरों की आधार रेखाओं को शामिल करके हमारे विकासवादी इतिहास में पहले से ही विभेदक जीन अभिव्यक्ति का पता लगाने की योजना बना रही है। और वह हमारे और निएंडरथल और डेनिसोवन्स जैसे अन्य पुरातन मनुष्यों के बीच जीनोमिक अंतर का अध्ययन करने में रुचि रखती है।

विकास का संबंध केवल जीन बदलने से कहीं अधिक है। यी ने कहा, “विभेदक जीन अभिव्यक्ति वास्तव में मानव मस्तिष्क का विकास कैसे हुआ है।”