‘फ़्रेज़ल्ड’ फल मक्खियाँ यह जानने में मदद करती हैं कि तंत्रिका सर्किट कैसे तार-तार रहते हैं

फ्लोरिडा अटलांटिक यूनिवर्सिटी के न्यूरो वैज्ञानिकों ने फल मक्खियों के तंत्रिका तंत्र में “फ्रैज़ल्ड” (स्तनधारियों में डीसीसी के रूप में जाना जाता है) नामक प्रोटीन की एक आश्चर्यजनक भूमिका का पता लगाया है, जिससे पता चलता है कि यह कैसे न्यूरॉन्स को बिजली की गति से जुड़ने और संचार करने में मदद करता है। यह खोज उन मूलभूत तंत्रों पर प्रकाश डालती है जो यह सुनिश्चित करते हैं कि न्यूरॉन्स विश्वसनीय कनेक्शन या सिनैप्स बनाते हैं, जो कि कीड़ों से लेकर मनुष्यों तक सभी तंत्रिका तंत्रों के लिए आवश्यक प्रक्रिया है।

अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने ड्रोसोफिला के विशाल फाइबर (जीएफ) सिस्टम पर ध्यान केंद्रित किया, एक तंत्रिका सर्किट जो इस फल मक्खी के तेजी से भागने की प्रतिक्रिया को नियंत्रित करता है। इस काम के साथ, टीम ने न केवल फ्रूट फ्लाई न्यूरल सर्किट में एक प्रमुख आणविक खिलाड़ी का खुलासा किया है, बल्कि आनुवांशिकी, इमेजिंग, फिजियोलॉजी और कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग के संयोजन की शक्ति का भी प्रदर्शन किया है ताकि यह पता लगाया जा सके कि मस्तिष्क कैसे जुड़े रहते हैं – और जब वे नहीं होते हैं तो क्या होता है।

परिणाम, पत्रिका में प्रकाशित ईन्यूरोपता चलता है कि जब फ्रैज़ल्ड गायब या उत्परिवर्तित होता है, तो सिस्टम लड़खड़ा जाता है: न्यूरॉन्स उचित विद्युत कनेक्शन बनाने में विफल हो जाते हैं, मक्खी की तंत्रिका प्रतिक्रियाएं धीमी हो जाती हैं, और जीएफ न्यूरॉन्स और उनके द्वारा नियंत्रित मांसपेशियों के बीच संचार कमजोर हो जाता है।

ये दोष गैप जंक्शनों, छोटे चैनलों के नुकसान से जुड़े हैं जो न्यूरॉन्स को सीधे और तेजी से सिग्नल प्रसारित करने की अनुमति देते हैं। विशेष रूप से, टीम ने पाया कि शेकिंग-बी (न्यूरल+16) नामक प्रोटीन की हानि, जो प्रीसिनेप्टिक टर्मिनलों में इन जंक्शनों का निर्माण करती है, अधिकांश मिसफायरिंग का कारण बनती है।

फ्रैज़ल्ड की सटीक भूमिका को समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने फ्रैज़ल्ड प्रोटीन के विभिन्न टुकड़ों को उत्परिवर्ती मक्खियों में पुन: पेश करने के लिए यूएएस-जीएएल4 प्रणाली नामक एक आनुवंशिक उपकरण का उपयोग किया। आश्चर्यजनक रूप से, फ्रैज़ल्ड का केवल इंट्रासेल्युलर भाग – न्यूरॉन के अंदर का हिस्सा जो जीन अभिव्यक्ति को प्रभावित कर सकता है – सिनेप्स की संरचना और न्यूरोनल संचार की गति दोनों को बहाल करने के लिए पर्याप्त था। जब यह भाग बाधित हो गया, जैसे कि पी3 नामक एक प्रमुख डोमेन को हटाना या उसके भीतर एक महत्वपूर्ण साइट को बदलना, तो बचाव विफल हो गया, यह दर्शाता है कि गैप जंक्शनों के निर्माण के लिए फ्रैज़ल्ड का जीन गतिविधि पर नियंत्रण आवश्यक है।

प्रयोगशाला प्रयोगों से परे, टीम ने जीएफ सिस्टम का एक कम्प्यूटेशनल मॉडल भी बनाया, जो अनुकरण करता है कि गैप जंक्शनों की संख्या न्यूरॉन्स की विश्वसनीय रूप से फायर करने की क्षमता को कैसे प्रभावित करती है। मॉडल ने पुष्टि की कि गैप जंक्शन घनत्व में छोटे बदलाव भी तंत्रिका संकेतों की गति और सटीकता में भारी बदलाव ला सकते हैं।

एफएयू चार्ल्स ई. श्मिट कॉलेज ऑफ साइंस में जैविक विज्ञान के प्रोफेसर और वरिष्ठ लेखक पीएचडी रोडनी मर्फी ने कहा, “प्रायोगिक और कम्प्यूटेशनल कार्यों के संयोजन ने हमें न केवल यह देखने की अनुमति दी कि फ्रेज़ल्ड मायने रखता है, बल्कि वास्तव में यह उन कनेक्शनों को कैसे आकार देता है जो न्यूरॉन्स को एक-दूसरे से बात करने देते हैं।” “हमारा अगला कदम यह पता लगाना है कि क्या समान तंत्र स्तनधारियों सहित अन्य प्रजातियों में तंत्रिका सर्किट को नियंत्रित करते हैं, और यह देखना कि यह सीखने, स्मृति या चोट के बाद मरम्मत को कैसे प्रभावित कर सकता है।”

दिलचस्प बात यह है कि फ्रैज़ल्ड का लंबे समय से एक मार्गदर्शन अणु के रूप में अध्ययन किया गया है – जो न्यूरॉन्स को सही पथ पर बढ़ने में मदद करता है – अध्ययन से पता चला है कि इसका इंट्रासेल्युलर डोमेन सीधे सिनैप्स गठन को भी नियंत्रित करता है। फ्रैज़ल्ड की कमी वाली मक्खियाँ अक्सर ऐसे न्यूरॉन्स दिखाती हैं जो यादृच्छिक दिशाओं में बढ़ते हैं, अपने लक्ष्य तक पहुंचने में विफल रहते हैं। इंट्रासेल्युलर डोमेन को पुनर्स्थापित करने से इनमें से कई मार्गदर्शन त्रुटियों को ठीक किया गया, जिससे वायरिंग न्यूरॉन्स और उनके संचार को ठीक करने में फ्रैज़ल्ड की दोहरी भूमिका प्रदर्शित हुई।

यह कार्य अन्य जीवों के साथ समानताएं भी खींचता है। कृमियों और कशेरुकियों में समान प्रोटीन को रासायनिक सिनैप्स को प्रभावित करते हुए दिखाया गया है, जिससे पता चलता है कि फ्रैज़ल्ड और उसके रिश्तेदार तंत्रिका नेटवर्क को आकार देने में व्यापक रूप से संरक्षित भूमिका निभा सकते हैं। यह दिखाकर कि कैसे एक एकल प्रोटीन विद्युत सिनैप्स के भौतिक और कार्यात्मक दोनों पहलुओं को नियंत्रित करता है, यह अध्ययन तंत्रिका तंत्र असेंबली को नियंत्रित करने वाले मौलिक नियमों में एक खिड़की खोलता है।

मर्फ़ी ने कहा, “यह समझना कि न्यूरॉन्स कैसे विश्वसनीय कनेक्शन बनाते हैं, तंत्रिका विज्ञान में एक केंद्रीय प्रश्न है।” “फ़्रेज़ल्ड हमें उस पहेली के एक टुकड़े पर एक स्पष्ट पकड़ प्रदान करता है। हमारे निष्कर्ष तंत्रिका विकास, न्यूरोडीजेनेरेटिव रोगों और क्षतिग्रस्त सर्किट की मरम्मत के लिए रणनीतियों के भविष्य के अध्ययन को सूचित कर सकते हैं।”

अध्ययन के सह-लेखक पहले लेखक जुआन लोपेज़, पीएच.डी. हैं, जो चार्ल्स ई. श्मिट कॉलेज ऑफ साइंस में पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता हैं; जाना बोर्नर, पीएच.डी., एफएयू स्टाइल्स-निकोलसन ब्रेन इंस्टीट्यूट के भीतर एडवांस्ड सेल इमेजिंग कोर के प्रबंध निदेशक; केली रॉबिंस, एफएयू के जैविक विज्ञान विभाग में अनुसंधान कर्मचारी; और रोड्रिगो पेना, पीएच.डी., चार्ल्स ई. श्मिट कॉलेज ऑफ साइंस में जैविक विज्ञान के सहायक प्रोफेसर।