कैसे एक कोशिका पूरे शरीर को जन्म देती है

कैसे एक कोशिका पूरे शरीर को जन्म देती है

एलिजाबेथ PennisiApr द्वारा। 26, 2018, 2:00 अपराह्न

जीव विज्ञान के महान रहस्यों में से एक यह है कि एक एकल निषेचित अंडा कोशिका प्रकार, ऊतकों और अंगों की भीड़ को जन्म देता है जो एक शरीर बनाने के लिए एक साथ फिट होते हैं। अब, एकल-कोशिका अनुक्रमण तकनीक और कम्प्यूटेशनल उपकरण का एक संयोजन इस प्रक्रिया के लिए सबसे विस्तृत चित्र प्रदान कर रहा है। इस सप्ताह साइंस में ऑनलाइन तीन पेपरों में, शोधकर्ताओं ने ज़ेब्राफिश या मेंढक भ्रूण विकसित करने में अधिकांश कोशिकाओं में जीन गतिविधि के कई स्नैपशॉट लेने की रिपोर्ट की। फिर उन्होंने उन आंकड़ों को इकट्ठा किया, जो कुछ ही मिनटों के अंतराल पर घंटों तक, सुसंगत, सेल-बाय-सेल इतिहासों में लिया जाता है कि उन भ्रूण कैसे आकार लेते हैं।

"मेरी पहली प्रतिक्रिया थी, owWow! Says" बर्लिन इंस्टीट्यूट फॉर मेडिकल सिस्टम बायोलॉजी के विकासात्मक जीवविज्ञानी रॉबर्ट ज़िनज़ेन कहते हैं। अभी पिछले हफ्ते, विज्ञान में दो अन्य कागजात ऑनलाइन सेल-बाय-सेल जीन गतिविधि का पता लगाते हैं, सरल फ्लैटवर्म में, क्योंकि वे टुकड़ों में काटे जाने के बाद पुनर्जीवित हो जाते हैं। कशेरुक में, "जटिलता बहुत अधिक है, " ज़िनज़ेन नोट।

फिर भी शोधकर्ताओं ने हजारों कोशिकाओं और उनकी संतान की उभरती हुई पहचान को ट्रैक करने में कामयाबी हासिल की। "मुझे लगता है कि विकास का भविष्य नियमित रूप से एकल-कोशिका अनुक्रम भ्रूण होगा, " जर्मनी के हीडलबर्ग में यूरोपीय आणविक जीवविज्ञान प्रयोगशाला में एक विकासवादी विकासविद् डिटेल अरेंड्ट कहते हैं।

इन सभी अध्ययनों ने विशेष समाधानों में विभिन्न चरणों के भ्रूण को धीरे-धीरे भंग करके शुरू किया, फिर उन्हें अलग-अलग कोशिकाओं को मुक्त करने के लिए हिलाया या हिलाया। प्रत्येक कोशिका के लिए, शोधकर्ताओं ने तब मैसेंजर आरएनए (mRNA) के सभी किस्में के अनुक्रमों को निर्धारित किया, जो जीन को स्थानांतरित किए जाने को दर्शाते हैं।

हार्वर्ड विश्वविद्यालय में, एलोन क्लेन, मार्क किर्स्चनर, और सीन मेगासन की अगुवाई वाली टीमों ने ज़ेब्राफिश और मेंढकों पर ध्यान केंद्रित किया, दो कशेरुक हैं जो विकास जीवविज्ञानियों ने दशकों से अध्ययन किया है। अपने मछली अध्ययन में, क्लेन और मेगासन ने कुछ 92, 000 ज़ेब्राफिश कोशिकाओं का विश्लेषण किया, जिसमें सात विभिन्न भ्रूण चरणों से mRNA डेटा का संकलन किया गया। उनका समूह 4-घंटे के भ्रूण के साथ शुरू हुआ और निषेचन के 24 घंटे बाद समाप्त हो गया, जिस बिंदु पर बुनियादी अंग दिखाई देने लगे हैं। जीन गतिविधि के प्रत्येक कोशिका के पैटर्न से पता चलता है कि यह किस विकासात्मक दिशा की ओर अग्रसर है, और अंततः, इसकी अंतिम पहचान है।

यह पता लगाने के लिए कि समय के साथ कोशिकाएं और उनके पूर्वज कैसे बदल गए, शोधकर्ताओं ने एकल-कोशिका वाले मछली भ्रूणों को आनुवांशिक लक्षणों से सुसज्जित किया: अद्वितीय डीएनए के कई छोटे टुकड़े, भ्रूण के साइटोप्लाज्म में इंजेक्ट किए गए। जैसे-जैसे कोशिकाएं बढ़ते हुए भ्रूण में बार-बार विभाजित होती हैं, इन बारकोड ने नाभिक में अपना रास्ता खोज लिया और गुणसूत्रों में शामिल हो गए। प्रयोग के अंत तक, कोशिकाओं के प्रत्येक वंश को बारकोड के एक विशिष्ट संयोजन के साथ समाप्त हो गया। जीन गतिविधि प्रोफाइल के साथ इस जानकारी को मर्ज करके, अनुसंधान टीम समय के माध्यम से सेल भाग्य का पता लगा सकती है कि कैसे एक निषेचित अंडे ने विभिन्न प्रकार की विशिष्ट कोशिकाओं, जैसे हृदय, तंत्रिका और त्वचा को जन्म दिया।

एक अलग अध्ययन में, हार्वर्ड विकासात्मक जीवविज्ञानी अलेक्जेंडर शियर के नेतृत्व में एक टीम ने zebrafish को परिपक्व करने में कोशिकाओं का पता लगाने के लिए अपना कम्प्यूटेशनल तरीका बनाया। समूह ने प्रत्येक भ्रूण के विकास के 9 घंटे से अधिक हर 45 मिनट में कोशिकाओं का नमूना लिया और कोशिकाओं के mRNA का अनुक्रम किया, सॉफ्टवेयर ने पूरी तरह से विभेदित कोशिकाओं की जीन गतिविधि और अगले-पुराने भ्रूण में कौन से कोशिकाओं का विश्लेषण करके प्रत्येक कोशिका की जीवनी को फिर से संगठित किया। सबसे समान जीन गतिविधि प्रोफ़ाइल। सिस्टम प्रत्येक भ्रूण चरण के माध्यम से पीछे की ओर काम करता है, पेड़ के आधार के लिए सभी तरह से - प्रारंभिक, उदासीन सेल।

"वह कम्प्यूटेशनल रूप से बहुत तीव्र था, " शियर कहते हैं, यह देखते हुए कि पुनर्निर्माण ने दिखाया कि प्रारंभिक एक-कोशिका वाले भ्रूण ने 25 मुख्य कोशिका प्रकारों को जन्म दिया।

विश्लेषणों से कुछ आश्चर्य हुआ। विकासात्मक जीवविज्ञानियों ने सोचा था कि एक बार एक सेल एक मांसपेशी सेल बनने के लिए एक रास्ता शुरू कर देता है, तो यह भटका नहीं होगा। लेकिन कुछ जेब्राफिश कोशिकाओं ने मिडस्टस्ट को एक अलग प्रकार में बदल दिया, जैसा कि उनके जीन गतिविधि, शियर और उनके सहयोगियों की रिपोर्ट में बदलाव से संकेत मिलता है। "चित्र बहुत अधिक जटिल है" जितना हमने सोचा था, मेगासन कहते हैं।

मेंढक Xenopus उष्णकटिबंधीय में, Kirschner और क्लेन निषेचन के बाद 5 और 22 घंटे के बीच 10 भ्रूण चरणों में एकल कोशिका RNA अनुक्रमण किया। उनकी टीम ने अंततः 137, 000 कोशिकाओं के mRNA को पढ़ा। जीन गतिविधि के आंकड़ों से पता चला है कि जब मेंढक भ्रूण एक अनिर्दिष्ट बूँद प्रतीत होता है, तब भी इसकी कोशिकाओं ने अपनी अंतिम पहचान के लिए पूंछ कली के रूप में कहना शुरू कर दिया है।

जब क्लेन, किर्श्नर, और मेगासन ने मेंढक और ज़ेब्राफिश के परिणामों की तुलना की, तो उन्हें आश्चर्यजनक अंतर मिला। उदाहरण के लिए, प्रजातियों द्वारा विभिन्न प्रकार के कुछ प्रकार के विकासात्मक मार्ग। और यद्यपि प्रमुख प्रतिलेखन कारक जीन की गतिविधि सामान्य सेल प्रकारों में समान थी, कुछ सेल प्रकारों में अन्य जीनों की गतिविधि दो प्रजातियों के बीच शोधकर्ताओं की अपेक्षा अधिक भिन्न थी।

दोनों zebrafish टीमों ने भी मछली में जीन गतिविधि पर नज़र रखी, जो कि उत्परिवर्तन को गंभीरता से परेशान करने की उम्मीद थी। दो समूहों के अलग-अलग उत्परिवर्तन ने विशिष्ट सेल प्रकारों को पूरी तरह से समाप्त कर दिया है- संभवतः वे बाधित जीन से सीधे प्रभावित होते हैं - लेकिन अधिकांश अन्य कोशिकाएं लगभग सामान्य रूप से भिन्न होती हैं। म्यूटेशन के विकासात्मक प्रभावों का विश्लेषण करने के मामले में, यह "हिमशैल का सिरा है, " अर्नेंड कहते हैं।

इस तरह के अध्ययन स्टेम सेल वैज्ञानिकों और ऊतक इंजीनियरों के लिए एक नुस्खा पुस्तक भी प्रदान कर सकते हैं जो भ्रूण के रूप में नए सेल प्रकार बनाना चाहते हैं। सिएटल में वाशिंगटन विश्वविद्यालय के विकासात्मक जीवविज्ञानी डेविड किमेलमैन कहते हैं, "नए परिणाम, एक वास्तविक दौरे-डी-बल प्रयास हैं और विकासात्मक जीव विज्ञान में मूलभूत प्रश्नों में से एक को समझने में सक्षम होने में एक प्रमुख उपलब्धि है।"