विकासात्मक आनुवंशिकी

कोशिका को कैसे पता चलता है कि वह कहाँ है?

भ्रूण की सभी कोशिकाओं में एक ही DNA होती है। फिर भी उनसे अलग-अलग संरचनाएँ बननी चाहिए — सिर आगे, पूँछ पीछे, बायाँ हिस्सा बाईं ओर। कोशिकाओं को एक निर्देशांक तंत्र चाहिए। और यह तंत्र रासायनिक है: मॉर्फोजन संकेत-अणु होते हैं, जो किसी स्रोत से ऊतक-समूह में विसरित (डिफ्यूज़) होते हैं और इस दौरान एक सांद्रता प्रवणता (कॉन्सन्ट्रेशन ग्रेडिएंट) बनाते हैं। हर कोशिका अपनी स्थानीय सांद्रता मापती है और सीमा-मान (थ्रेशोल्ड) के अनुसार अलग-अलग जीन सक्रिय करती है।

एक क्लासिक उदाहरण फल-मक्खी में प्रोटीन Bicoid है। यह अंडे के अगले सिरे पर उत्पन्न होता है और पीछे की ओर विसरित होता है। आगे उच्च सांद्रता — सिर की संरचनाएँ। मध्यम सांद्रता — वक्ष खंड। पीछे कोई Bicoid सांद्रता नहीं — उदर। संपूर्ण एंटीरियर-पोस्टीरियर शरीर-अक्ष को परिभाषित करने के लिए एक ही आणविक अक्ष काफी है। मानव भ्रूण में ऐसे दर्जनों मॉर्फोजन — Sonic Hedgehog (SHH), Wnt, BMP, FGF — विभिन्न स्तरों पर मिलकर काम करते हैं और हर एक कोशिका का भाग्य तय करते हैं।

Hox-जीन — 600 मिलियन वर्षों से अपरिवर्तित

Hox-जीन शरीर के खाके के मास्टर रेगुलेटर हैं। ये ट्रांसक्रिप्शन फैक्टरों को कोड करते हैं — यानी ऐसे प्रोटीन जो DNA से जुड़कर अन्य जीन को चालू या बंद करते हैं — जिनमें एक अत्यधिक संरक्षित DNA-बंधन डोमेन होता है, होमियोबॉक्स। भ्रूण में Hox-जीन शरीर-अक्ष के साथ एक स्थानिक क्रम में अभिव्यक्त होते हैं, जो क्रोमोसोम पर उनकी व्यवस्था से बिल्कुल मेल खाता है: क्लस्टर के आरंभ के जीन शरीर के अगले हिस्सों को नियंत्रित करते हैं, अंत के जीन पिछले हिस्सों को। यह कोलिनियरिटी — क्रोमोसोम स्थिति का शरीर स्थिति के अनुरूप होना — पशु जगत में लगभग सार्वभौमिक रूप से लागू होती है।

चौंकाने वाली बात यह है: Hox-जीन 600 मिलियन वर्षों से अधिक समय से द्विपार्श्विक (बाइलेटरल) शारीरिक समरूपता वाले लगभग सभी जीवों में लगभग अपरिवर्तित रूप में मौजूद हैं। फल-मक्खी और मनुष्य के Hox-जीन समजात (होमोलॉगस) हैं — उनका मूल विकासवादी उद्गम एक ही है। यदि चूहे के जीन Pax6 (जिसे Small eye भी कहा जाता है) को कृत्रिम रूप से फल-मक्खी में अभिव्यक्त कराया जाए — जैसे टाँग या पंख की कोशिका-परत (डिस्क) पर — तो वहाँ एक अतिरिक्त आँख बन जाती है। पर कोई चूहे की आँख नहीं: मक्खी की एक असली संयुक्त (फैसेट) आँख, क्योंकि डाउनस्ट्रीम जीन मक्खी के ही होते हैं। शुरुआत का संकेत चूहे के जीन ने दिया, पर निर्माण मक्खी के खाके के अनुसार हुआ। एक ही प्रोग्राम, अलग-अलग क्रियान्वयन: साझा वंशावली का सबसे गहरा आणविक प्रमाण।

वापसी से परे बिंदु — या फिर नहीं?

जब स्टेम कोशिकाएँ विशिष्ट होती हैं, तो वे एक पहचान अपनाती हैं: तंत्रिका कोशिका, मांसपेशी कोशिका, यकृत कोशिका। इस विभेदन (डिफरेंशिएशन) की प्रक्रिया को लंबे समय तक अपरिवर्तनीय माना जाता रहा। एक बार तंत्रिका कोशिका, हमेशा तंत्रिका कोशिका — ट्रांसक्रिप्शन फैक्टरों का एक स्व-सुदृढ़ीकरण नेटवर्क अन्य कोशिका-प्रकारों के विकास-प्रोग्राम को स्थायी रूप से बंद कर देता है और अपने प्रोग्राम को बनाए रखता है। कोशिका को याद रहता है कि वह क्या है। हज़ारों विभाजनों के बाद भी पहचान स्थिर बनी रहती है।

लेकिन 2006 में शिन्या यामानाका (Shinya Yamanaka) ने दिखाया कि यह स्थिरता कोई अटल नियति नहीं है। केवल चार ट्रांसक्रिप्शन फैक्टरों — Oct4, Sox2, Klf4 और c-Myc — से एक विभेदित चूहे की त्वचा-कोशिका को वापस एक प्रेरित बहुशक्त स्टेम कोशिका (iPS कोशिका) में बदला जा सका: एक ऐसी कोशिका जिसमें फिर से हर कोशिका-प्रकार बनाने की क्षमता होती है। न कोई क्लोनिंग, न कोई अंडकोशिका, न कोई भ्रूणीय ऊतक — केवल चार स्विच, जो क्रोमैटिन को व्यवस्थित करते हैं और मूल प्रोग्राम को फिर से सक्रिय करते हैं। इसके लिए यामानाका को 2012 में चिकित्सा का नोबेल पुरस्कार मिला।

इसका अर्थ यह है: कोशिका पहचान कोई अपरिवर्तनीय अवस्था नहीं, बल्कि एक एपिजेनेटिक रूप से नियंत्रित प्रोग्राम है। सही परिस्थितियों में इसे फिर से लिखा जा सकता है। यह पार्किंसन, हृदय-अपर्याप्तता (हार्ट फेल्योर) और मधुमेह जैसी बीमारियों में कोशिका चिकित्सा के लिए नई संभावनाएँ खोलता है, जहाँ खोए हुए कोशिका-प्रकारों को रोगी की अपनी iPS कोशिकाओं से बदला जा सकता है, बिना अस्वीकृति प्रतिक्रिया के जोखिम के।

गलत विकास सिस्टम के बारे में क्या बताता है

फल-मक्खी में Antennapedia नाम का एक म्यूटेंट होता है: एक ही गलत तरीके से अभिव्यक्त Hox-जीन के कारण सिर पर एंटीना की जगह पूर्ण रूप से विकसित टाँगें उग आती हैं। टाँग सही ढंग से बनी होती है — लेकिन गलत जगह पर। यह उत्परिवर्तन टाँगों के खाके को नहीं बदलता, बल्कि पता (एड्रेस) को बदल देता है: गलत प्रोग्राम गलत जगह पर शुरू हो जाता है। ऐसे होमियोटिक उत्परिवर्तन दिखाते हैं कि शरीर के खंड की पहचान कोई निरंतर प्रक्रिया नहीं, बल्कि असतत (डिस्क्रीट) स्विचों से तय होती है।

मनुष्यों में विकास-प्रोग्राम में गड़बड़ियाँ पॉलीडैक्टिली (सोनिक हेजहॉग सिग्नलिंग में गड़बड़ी से अतिरिक्त उंगलियाँ), होंठ-तालु विदर (क्लेफ्ट लिप/पैलेट) या न्यूरल ट्यूब दोष जैसी विकृतियों का कारण बनती हैं। ये गड़बड़ियाँ दिखाती हैं कि भ्रूण में जीन अभिव्यक्ति का समय और स्थान कितना सटीक होना चाहिए — और विकास के पहले ही दिनों में आकार व कार्य के बारे में कितनी जानकारी तय हो जाती है।

आज ऑर्गेनॉइड — स्टेम कोशिकाओं से प्रयोगशाला में उगाए गए लघु-अंग — विकास के तर्क पर सीधी नज़र डालने का मौका देते हैं। कुछ ही स्टेम कोशिकाओं से कल्चर-डिश में ऐसी संरचनाएँ बनती हैं जो आंत की विली (झालरें), मस्तिष्क की तहों या रेटिना की परतों की नकल करती हैं। ये शरीर में मौजूद उसी आनुवंशिक प्रोग्राम का पालन करती हैं — और दिखाती हैं कि पूरा खाका DNA में ही मौजूद है।

खाके को फिर से लिखना — और पुराने को वापस लाना

अगर कोशिका पहचान एक एपिजेनेटिक रूप से नियंत्रित प्रोग्राम है और Hox-जीन 600 मिलियन वर्षों से लगभग अपरिवर्तित काम करते आए हैं — तो क्या होगा अगर इन प्रोग्रामों में लक्षित हस्तक्षेप किया जाए? इसके लिए उपकरण 2012 से मौजूद है: CRISPR-Cas9, एक आणविक कैंची, जो DNA को एक सटीक चुनी गई जगह पर काटती और बदलती है। जो पहले वर्षों में होता था, वह आज हफ्तों में हो जाता है — और ऐसे हस्तक्षेप संभव बनाता है जो कुछ समय पहले तक शुद्ध कल्पना थे।

सबसे प्रसिद्ध परियोजना ऊनी मैमथ (वूली मैमथ) की वापसी है। कंपनी Colossal Biosciences एशियाई हाथी के जीनोम में मूल रूप से लगभग 60 (अब बढ़कर लगभग 150) प्रमुख जीन लिखने पर काम कर रही है — घने फर, मोटी वसा परत और ठंड-सहिष्णु हीमोग्लोबिन के जीन। हाथी को इससे कोई क्लोन नहीं बनाया जाना है, बल्कि मैमथ जैसे गुणों वाला एक आनुवंशिक रूप से परिवर्तित जीव बनाया जाना है: साइबेरियाई टुंड्रा के लिए इतना मज़बूत कि जहाँ लगभग 4,000 वर्ष पहले इनका विलुप्त होना शुरू हुआ था। लक्ष्य नॉस्टैल्जिया नहीं, बल्कि पारिस्थितिकी (इकोलॉजी) है — ऐसी मेगाफौना जो जमी हुई मिट्टी को फिर से सघन बना सके और इस तरह पर्माफ्रॉस्ट के पिघलने को धीमा कर सके।

और भी सीधे तौर पर Chickenosaurus शोध विकासात्मक आनुवंशिकी में हस्तक्षेप करता है। पक्षी डायनासोर के वंशज नहीं हैं — वे डायनासोर हैं, थेरोपोड की अंतिम जीवित रेखा। दाँत, पूँछ और तीन-उंगली वाले पंजों के जीन आज भी मुर्गी के भ्रूणों में मौजूद हैं; इन्हें केवल विकास के शुरुआती चरण में दबा दिया जाता है। दो स्वतंत्र शोध-दलों ने यह दिखाया है: भरत-अंजन भुल्लर (Bhart-Anjan Bhullar) और सहयोगियों ने सिग्नलिंग मार्गों FGF और Wnt को लक्षित रूप से अवरुद्ध कर मुर्गी भ्रूणों में चोंच की जगह थोड़ी देर के लिए डायनासोर जैसी थूथन (स्नाउट) विकसित करवाई; वहीं जोआओ बोतेल्यो (João Botelho) और अलेक्सांद्र वार्गास (Alexander Vargas) के नेतृत्व वाले एक दल ने सिग्नलिंग मार्ग Indian Hedgehog — जो Sonic Hedgehog का ही एक संबंधी है — के ज़रिए मुर्गी के सामान्य पैर की बजाय डायनासोर जैसी टाँग/पंजे की हड्डी-संरचनाएँ विकसित करवाईं। इस प्रक्रिया में कोई भी जीव जन्म नहीं ले पाया — लेकिन प्रमाण मिल गया: डायनासोर विशेषता का खाका पक्षी के जीनोम में सुप्त पड़ा है, फिर से पढ़े जाने की प्रतीक्षा में।

इन परियोजनाओं को जो चीज़ जोड़ती है, वह विकासात्मक आनुवंशिकी का मूल सिद्धांत है: फीनोटाइप — दिखाई देने वाला रूप — DNA की सीधी छवि नहीं है, बल्कि एक ऐसे क्रम-प्रोग्राम का परिणाम है जिसे स्विचों से नियंत्रित किया जाता है। जो स्विचों को जानता है, वह परिणाम बदल सकता है। सवाल अब यह नहीं रहा कि यह संभव है या नहीं, बल्कि यह है कि कितनी सटीकता से, कितनी ज़िम्मेदारी से — और भविष्य में — कितनी दूर तक।