अध्याय 06 वंशागति का आणविक आधार

पिछले अध्याय में आपने वंशानुक्रम के प्रतिरूपों और ऐसे प्रतिरूपों के आनुवंशिक आधार को सीखा है। मेंडेल के समय उन ‘कारकों’ का स्वरूप स्पष्ट नहीं था जो वंशानुक्रम के प्रतिरूप को नियंत्रित करते हैं। अगले सौ वर्षों के दौरान काल्पनिक आनुवंशिक पदार्थ के स्वरूप की जाँच की गई, जिसका परिणाम यह हुआ कि DNA — डीऑक्सीराइबोन्यूक्लिक अम्ल — आनुवंशिक पदार्थ है, कम-से-कम अधिकांश जीवों के लिए। कक्षा ग्यारहवीं में आपने सीखा है कि न्यूक्लिक अम्ल न्यूक्लियोटाइडों के बहुलक होते हैं।

डिऑक्सीराइबोन्यूक्लिक अम्ल (DNA) और राइबोन्यूक्लिक अम्ल (RNA) जीवित प्रणालियों में पाए जाने वाले दो प्रकार के न्यूक्लिक अम्ल हैं। DNA अधिकांश जीवों में आनुवंशिक पदार्थ के रूप में कार्य करता है। RNA यद्यपि कुछ वायरस में आनुवंशिक पदार्थ के रूप में भी कार्य करता है, परंतु मुख्यतः संदेशवाहक के रूप में कार्य करता है। RNA के अतिरिक्त कार्य भी हैं। यह अनुकूलक, संरचनात्मक और कुछ मामलों में उत्प्रेरक अणु के रूप में कार्य करता है। कक्षा XI में आपने पहले ही न्यूक्लियोटाइडों की संरचनाएँ और इन मोनोमर इकाइयों को न्यूक्लिक अम्ल बहुलकों से जोड़ने के तरीके सीख चुके हैं। इस अध्याय में हम DNA की संरचना, इसकी प्रतिकृतिकरण, DNA से RNA बनाने की प्रक्रिया (ट्रांसक्रिप्शन), वह आनुवंशिक कोड जो प्रोटीनों में अमीनो अम्लों की अनुक्रमणिका निर्धारित करता है, प्रोटीन संश्लेषण की प्रक्रिया (ट्रांसलेशन) और उनके नियमन के प्रारंभिक आधार पर चर्चा करने जा रहे हैं। पिछले दशक के दौरान मानव जीनोम के संपूर्ण न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम का निर्धारण जीनोमिक्स के एक नए युग की शुरुआत कर चुका है। अंतिम खंड में, मानव जीनोम अनुक्रमण के आवश्यक तत्व और इसके परिणामों पर भी चर्चा की जाएगी।

आइए अपनी चर्चा की शुरुआत सबसे पहले जीवित प्रणाली में सबसे रोचक अणु, अर्थात् DNA की संरचना को समझने से करें। आगामी खंडों में, हम समझेंगे कि यह सबसे प्रचुर आनुवंशिक पदार्थ क्यों है, और इसका RNA से क्या संबंध है।

6.1 DNA#

डीएनए डीऑक्सीराइबोन्यूक्लिओटाइड्स का एक लंबा पॉलिमर होता है। डीएनए की लंबाई को आमतौर पर उसमें मौजूद न्यूक्लिओटाइड्स की संख्या (या न्यूक्लिओटाइड के एक जोड़े को बेस जोड़े कहा जाता है) के रूप में परिभाषित किया जाता है। यह एक जीव की विशेषता भी होती है। उदाहरण के लिए, φ ×174 नामक एक बैक्टीरियोफेज में 5386 न्यूक्लिओटाइड्स होते हैं, बैक्टीरियोफेज लैम्बडा में 48502 बेस जोड़े (bp) होते हैं, एस्चेरिचिया कोलाई में 4.6 × 10⁶ bp होते हैं, और मानव डीएनए की हेप्लॉइड सामग्री 3.3 × 10⁹ bp होती है। आइए ऐसे लंबे पॉलिमर की संरचना पर चर्चा करें।

6.1.1 पॉलिन्यूक्लिओटाइड श्रृंखला की संरचना#

आइए एक बहु-न्यूक्लियोटाइड श्रृंखला (DNA या RNA) की रासायनिक संरचना को संक्षेप में दोहराएं। एक न्यूक्लियोटाइड के तीन घटक होते हैं - एक नाइट्रोजनीय क्षार, एक पेन्टोस शर्करा (RNA के लिए राइबोज़ और DNA के लिए डीऑक्सीराइबोज़), और एक फॉस्फेट समूह। नाइट्रोजनीय क्षार के दो प्रकार होते हैं - प्यूरीन्स (एडेनिन और ग्वानिन), और पिरिमिडिन्स (साइटोसिन, यूरेसिल और थाइमिन)। साइटोसिन DNA और RNA दोनों में सामान्य होता है और थाइमिन DNA में उपस्थित होता है। यूरेसिल RNA में थाइमिन के स्थान पर उपस्थित होता है। एक नाइट्रोजनीय क्षार 1’ C पेन्टोस शर्करा के OH से N-ग्लाइकोसिडिक लिंकेज के माध्यम से जुड़कर एक न्यूक्लियोसाइड बनाता है, जैसे कि एडेनोसिन या डीऑक्सीएडेनोसिन, ग्वानोसिन या डीऑक्सीग्वानोसिन, साइटिडिन या डीऑक्सीसाइटिडिन और यूरिडिन या डीऑक्सीथाइमिडिन। जब एक फॉस्फेट समूह न्यूक्लियोसाइड के 5’ C के OH से फॉस्फोएस्टर लिंकेज के माध्यम से जुड़ता है, तो एक संगत न्यूक्लियोटाइड (या डीऑक्सीन्यूक्लियोटाइड यह इस बात पर निर्भर करता है कि किस प्रकार की शर्करा उपस्थित है) बनता है। दो न्यूक्लियोटाइड 3’-5’ फॉस्फोडाइएस्टर लिंकेज के माध्यम से जुड़कर एक डाइन्यूक्लियोटाइड बनाते हैं। अधिक न्यूक्लियोटाइड इस प्रकार जोड़े जा सकते हैं ताकि एक बहु-न्यूक्लियोटाइड श्रृंखला बन सके। इस प्रकार बना एक बहुलक एक सिरे पर शर्करा के 5’-end पर एक मुक्त फॉस्फेट समूह रखता है, जिसे बहु-न्यूक्लियोटाइड श्रृंखला का 5’-end कहा जाता है। इसी प्रकार, बहुलक के दूसरे सिरे पर शर्करा में 3’ C समूह का एक मुक्त OH होता है जिसे बहु-न्यूक्लियोटाइड श्रृंखला का 3’-end कहा जाता है। बहु-न्यूक्लियोटाइड श्रृंखला की रीढ़ शर्करा और फॉस्फेट के कारण बनती है। शर्करा समूह से जुड़े नाइट्रोजनीय क्षार रीढ़ से बाहर की ओर उभरे होते हैं (Figure 6.1)।

चित्र 6.1 एक पॉलीन्यूक्लियोटाइड श्रृंखला

RNA में, प्रत्येक न्यूक्लियोटाइड अवशेष में राइबोज़ के 2’ स्थान पर एक अतिरिक्त –OH समूह होता है। साथ ही, RNA में थाइमीन के स्थान पर यूरेसिल पाया जाता है (5-मेथिल यूरेसिल, थाइमीन का एक अन्य रासायनिक नाम)।

DNA को नाभिक में मौजूद एक अम्लीय पदार्थ के रूप में पहली बार फ्रेडरिक मीशर ने 1869 में पहचाना था। उसने इसे ‘न्यूक्लियिन’ नाम दिया। हालांकि, इस तरह के एक लंबे बहुलक को बिना टूटे अलग करने में तकनीकी सीमाओं के कारण, DNA की संरचना को समझना बहुत लंबे समय तक असंभव बना रहा। यह केवल 1953 में था जब जेम्स वॉटसन और फ्रांसिस क्रिक ने मॉरिस विल्किन्स और रोज़लिंड फ्रैंकलिन द्वारा उत्पन्न एक्स-रे विवर्तन आंकड़ों के आधार पर DNA की संरचना के लिए एक बहुत ही सरल लेकिन प्रसिद्ध डबल हेलिक्स मॉडल प्रस्तावित किया। उनके प्रस्ताव की एक प्रमुख विशेषता पॉलीन्यूक्लियोटाइड श्रृंखलाओं की दो स्ट्रैंड्स के बीच बेस जोड़ना था। हालांकि, यह प्रस्ताव एरविन चारगाफ़ के प्रेक्षण पर भी आधारित था कि एक द्वि-स्ट्रैंड DNA के लिए, एडेनिन और थाइमीन तथा ग्वानिन और साइटोसिन के बीच अनुपात स्थिर होता है और एक के बराबर होता है।

आधार युग्मन बहु-न्यूक्लिओटाइड श्रृंखलाओं को एक अनोखा गुण प्रदान करता है। इन्हें एक-दूसरे की पूरक कहा जाता है, इसलिए यदि एक स्ट्रैंड में आधारों की क्रम ज्ञात हो जाए तो दूसरे स्ट्रैंड की क्रम की भविष्यवाणी की जा सकती है। साथ ही, यदि किसी DNA की प्रत्येक स्ट्रैंड (इसे मातृ DNA कहते हैं) एक नई स्ट्रैंड के संश्लेषण के लिए टेम्पलेट का कार्य करती है, तो इस प्रकार बने दो द्वि-स्ट्रैंड DNA (इन्हें पुत्री DNA कहते हैं) मातृ DNA अणु के समान होंगे। इस कारण, DNA की संरचना के आनुवंशिक प्रभाव बहुत स्पष्ट हो गए।

DNA की द्वि-हेलिक्स संरचना की प्रमुख विशेषताएँ इस प्रकार हैं:

(i) यह दो बहु-न्यूक्लिओटाइड श्रृंखलाओं से बना होता है, जिनकी रीढ़ शर्करा-फॉस्फेट से बनी होती है और आधार भीतर की ओर उन्मुख होते हैं।

(ii) दोनों श्रृंखलाएँ विपरीत-समानांतर ध्रुवता रखती हैं। इसका अर्थ है, यदि एक श्रृंखला की ध्रुवता 5’→3’ है, तो दूसरे की 3’→5’ होती है।

(iii) दोनों स्ट्रैंडों के आधार हाइड्रोजन बंध (H-bonds) के माध्यम से युग्मित होकर आधार युग्म (bp) बनाते हैं। एडेनिन विपरीत स्ट्रैंड के थाइमिन के साथ दो हाइड्रोजन बंध बनाता है और इसका विपरीत भी सत्य है। इसी प्रकार, ग्वानिन साइटोसिन के साथ तीन H-bonds से बंधता है। परिणामस्वरूप, सदैव एक प्यूरीन एक पिरिमिडीन के सामने आता है। इससे हेलिक्स की दोनों स्ट्रैंडों के बीच लगभग समान दूरी बनती है (चित्र 6.2)।

चित्र 6.2 द्वि-सूत्रीय पॉलीन्यूक्लियोटाइड श्रृंखला

(iv) दोनों श्रृंखलाएँ दाहिनी ओर मुड़ी हुई हैं। हेलिक्स की पिच 3.4 नैनोमीटर है (एक नैनोमीटर मीटर का एक अरबवाँ भाग होता है, अर्थात् 10-9 m) और प्रत्येक चक्कर में लगभग 10 आधार युग्म होते हैं। परिणामस्वरूप, हेलिक्स में एक आधार युग्म के बीच की दूरी लगभग 0.34 नैनोमीटर होती है।

(v) डबल हेलिक्स में एक आधार युग्म का समतल दूसरे आधार युग्म के ऊपर रखा होता है। यह, H-बॉन्ड के अतिरिक्त, हेलिकल संरचना को स्थिरता प्रदान करता है (चित्र 6.3)।

चित्र 6.3 डीएनए डबल हेलिक्स

प्यूरीन और पिरिमिडीन की संरचना की तुलना करें। क्या आप बता सकते हैं कि डीएनए में दो पॉलीन्यूक्लियोटाइड श्रृंखलाओं के बीच की दूरी लगभग स्थिर क्यों रहती है?

डीएनए के लिए डबल हेलिक्स संरचना का प्रस्ताव और इसकी सरलता द्वारा आनुवंशिक प्रभावों की व्याख्या क्रांतिकारी सिद्ध हुई। बहुत जल्द ही, फ्रांसिस क्रिक ने अणु जीव विज्ञान में केंद्रीय सिद्धांत प्रस्तावित किया, जो कहता है कि आनुवंशिक सूचना डीएनए $\rightarrow$ आरएनए $\rightarrow$ प्रोटीन की ओर प्रवाहित होती है।

कुछ वायरस में सूचना का प्रवाह उलट दिशा में होता है, अर्थात् RNA से DNA की ओर। क्या आप इस प्रक्रिया के लिए कोई सरल नाम सुझा सकते हैं?

6.1.2 DNA हेलिक्स का पैकेजिंग#

यदि दो क्रमागत बेस जोड़ों के बीच की दूरी 0.34 nm (0.34×10–9 m) ली जाए, तो एक विशिष्ट स्तनधारी कोशिका में DNA डबल हेलिक्स की लंबाई की गणना की जाए (बस कुल bp की संख्या को दो क्रमागत bp के बीच की दूरी से गुणा करके, अर्थात् 6.6 × 109 bp × 0.34 × 10-9 m/bp), तो यह लगभग 2.2 मीटर निकलती है। एक ऐसी लंबाई जो एक विशिष्ट नाभिक के आयाम (लगभग 10–6 m) से कहीं अधिक है। इतना लंबा बहुलक कोशिका में कैसे पैक किया जाता है?

यदि E. coli DNA की लंबाई 1.36 mm है, तो क्या आप E.coli में बेस जोड़ों की संख्या की गणना कर सकते हैं?

प्रोकैरियोट्स में, जैसे कि E. coli, यद्यपि उनमें कोई परिभाषित नाभिक नहीं होता, DNA पूरे कोशिका में बिखरा हुआ नहीं होता है। DNA (जो ऋणावेशित होता है) कुछ प्रोटीनों (जो धनावेशित होते हैं) के साथ एक क्षेत्र में बंधा रहता है जिसे ‘न्यूक्लिओइड’ कहा जाता है। न्यूक्लिओइड में DNA बड़े लूपों में व्यवस्थित होता है जो प्रोटीनों द्वारा पकड़े जाते हैं।

आकृति 6.4 a न्यूक्लिओसोम

चित्र 6.4 b ई.एम. चित्र – ‘डोरी पर मनके’

यूकैरियोट्स में यह संगठन कहीं अधिक जटिल होता है। यहाँ धनात्मक आवेश वाले, क्षारीय प्रोटीनों का एक समूह होता है जिन्हें हिस्टोन कहा जाता है। कोई प्रोटीन आवेश प्राप्त करता है या नहीं, यह आवेशित पार्श्व श्रृंखलाओं वाले अमीनो अम्ल अवशेषों की बहुलता पर निर्भर करता है। हिस्टोन क्षारीय अमीनो अम्ल अवशेषों लाइसिन और आर्जिनिन से भरपूर होते हैं। दोनों अमीनो अम्ल अवशेष अपनी पार्श्व श्रृंखलाओं में धनात्मक आवेश ले जाते हैं। हिस्टोन आठ अणुओं की एक इकाई बनाने के लिए संगठित होते हैं जिसे हिस्टोन ऑक्टामर कहा जाता है।

ऋणात्मक आवेश वाली डीएनए धनात्मक आवेश वाले हिस्टोन ऑक्टामर के चारों ओर लिपटकर एक संरचना बनाती है जिसे न्यूक्लियोसोम कहा जाता है (चित्र 6.4 a)। एक विशिष्ट न्यूक्लियोसोम में 200 bp की डीएनए हेलिक्स होती है। न्यूक्लियोसोम नाभिक में पाए जाने वाली एक संरचना, जिसे क्रोमैटिन कहा जाता है, की दोहराने वाली इकाई बनाते हैं; क्रोमैटिन धागे जैसी रंगी (रंगीन) संरचनाएँ होती हैं जो नाभिक में दिखाई देती हैं। क्रोमैटिन में मौजूद न्यूक्लियोसोम, जब इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (ई.एम.) के अंतर्गत देखे जाते हैं, तो ‘डोरी पर मनके’ संरचना के रूप में प्रतीत होते हैं (चित्र 6.4 b)।

सैद्धांतिक रूप से आप कल्पना करते हैं कि एक स्तनधारी कोशिका में ऐसे कितने मनके (न्यूक्लियोसोम) मौजूद होंगे?

क्रोमैटिन में मोती-तार संरचना को पैक किया जाता है ताकि क्रोमैटिन तंतु बनें, जिन्हें कोशिका विभाजन के मेटाफेज चरण में और भी अधिक लपेटकर संघनित किया जाता है ताकि गुणसूत्र बनें। उच्च स्तर पर क्रोमैटिन के पैकेजिंग के लिए प्रोटीनों के एक अतिरिक्त समूह की आवश्यकता होती है, जिन्हें सामूहिक रूप से नॉन-हिस्टोन क्रोमोसोमल (NHC) प्रोटीन कहा जाता है। एक विशिष्ट केंद्रक में, क्रोमैटिन के कुछ क्षेत्र ढीले ढाले होते हैं (और हल्का रंग लेते हैं) और इन्हें यूक्रोमैटिन कहा जाता है। जो क्रोमैटिन अधिक घनत्व से पैक होता है और गहरा रंग लेता है, उसे हेट्रोक्रोमैटिन कहा जाता है। यूक्रोमैटिन को ट्रांसक्रिप्शनल रूप से सक्रिय क्रोमैटिन कहा जाता है, जबकि हेट्रोक्रोमैटिन निष्क्रिय होता है।

6.2 आनुवंशिक पदार्थ की खोज#

यद्यपि मीशर द्वारा न्यूक्लिन की खोज और मेंडल द्वारा वंशानुक्रम के सिद्धांतों का प्रस्ताव लगभग एक ही समय पर हुआ था, लेकिन यह सिद्ध करना कि DNA आनुवंशिक पदार्थ के रूप में कार्य करता है, में काफी समय लग गया। 1926 तक, आनुवंशिक वंशानुक्रम के तंत्र को निर्धारित करने की खोज आणविक स्तर तक पहुँच चुकी थी। ग्रेगर मेंडल, वॉल्टर सटन, थॉमस हंट मॉर्गन और अन्य कई वैज्ञानिकों की पिछली खोजों ने इस खोज को अधिकांश कोशिकाओं के केंद्रक में स्थित गुणसूत्रों तक सीमित कर दिया था। लेकिन यह प्रश्न अनुत्तरित था कि वास्तव में कौन-सा अणु आनुवांशिक पदार्थ था।

रूपांतरण सिद्धांत – 1928 में फ्रेडरिक ग्रिफिथ ने न्यूमोनिया के लिए उत्तरदायी जीवाणु स्ट्रेप्टोकोकस न्यूमोनिया के साथ एक श्रृंखला प्रयोगों में जीवाणुओं में एक चमत्कारी रूपांतरण देखा। अपने प्रयोग के दौरान, एक जीवित जीव (जीवाणु) ने अपना भौतिक रूप बदल लिया था।

जब स्ट्रेप्टोकोकस न्यूमोनिया (न्यूमोकोकस) जीवाणुओं को कल्चर प्लेट पर उगाया जाता है, तो कुछ चिकनी चमकदार कॉलोनियाँ (S) बनाते हैं जबकि अन्य खुरदरी कॉलोनियाँ (R) बनाते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि S वंश के जीवाणुओं पर एक बलगम (पॉलीसैकेराइड) कोट होता है, जबकि R वंश के जीवाणुओं पर नहीं होता। S वंश (विषाणुकारी) से संक्रमित चूहे न्यूमोनिया संक्रमण से मर जाते हैं, लेकिन R वंश से संक्रमित चूहों में न्यूमोनिया नहीं होता।

S वंश $\rightarrow$ चूहों में इंजेक्ट करें $\rightarrow$ चूहे मर जाते हैं

R वंश $\rightarrow$ चूहों में इंजेक्ट करें $\rightarrow$ चूहे जीवित रहते हैं

ग्रिफिथ बैक्टीरिया को गरमाकर उन्हें मारने में सक्षम था। उसने देखा कि गर्म करके मारे गए S स्ट्रेन के बैक्टीरिया को चूहों में इंजेक्ट करने पर वे नहीं मरे। जब उसने गर्म करके मारे गए S और जीवित R बैक्टीरिया के मिश्रण को इंजेक्ट किया, तो चूहे मर गए। इसके अलावा, उसने मृत चूहों से जीवित S बैक्टीरिया पुनः प्राप्त किए। उसने निष्कर्ष निकाला कि R स्ट्रेन के बैक्टीरिया किसी प्रकार गर्म करके मारे गए S स्ट्रेन के बैक्टीरिया द्वारा रूपांतरित हो गए थे। किसी ‘रूपांतरकारी सिद्धांत’ का, गर्म करके मारे गए S स्ट्रेन से स्थानांतरण हुआ, जिसने R स्ट्रेन को एक चिकनी पॉलीसैकेराइड कोट संश्लेषित करने और विषाक्त बनने में सक्षम बनाया। यह आनुवंशिक सामग्री के स्थानांतरण के कारण होना चाहिए। हालांकि, आनुवंशिक सामग्री की जैव रासायनिक प्रकृति उसके प्रयोगों से परिभाषित नहीं की गई थी।

ट्रांसफॉर्मिंग प्रिंसिपल का जैव रासायनिक वर्णन - ओसवाल्ड एवरी, कॉलिन मैकलियोड और मैकलिन मैककार्टी (1933-44) के कार्य से पहले, आनुवंशिक सामग्री को एक प्रोटीन माना जाता था। उन्होंने ग्रिफिथ के प्रयोग में ‘रूपांतरकारी सिद्धांत’ की जैव रासायनिक प्रकृति निर्धारित करने के लिए कार्य किया।

उन्होंने गर्म करके मारे गए S कोशिकाओं से जैव रसायनों (प्रोटीन, DNA, RNA आदि) को शुद्ध किया ताकि यह देखा जा सके कि कौन से उनमें से जीवित R कोशिकाओं को S कोशिकाओं में रूपांतरित कर सकते हैं। उन्होंने पाया कि S बैक्टीरिया से केवल DNA ने R बैक्टीरिया को रूपांतरित होने का कारण बना।

उन्होंने यह भी पाया कि प्रोटीन-पचाने वाले एंजाइम (प्रोटीज़) और आरएनए-पचाने वाले एंजाइम (आरएनेज़) रूपांतरण को प्रभावित नहीं करते, इसलिए रूपांतरणकारी पदार्थ प्रोटीन या आरएनए नहीं था। डीएनए-एज़ के साथ पाचन ने रूपांतरण को रोका, जिससे सुझाव मिला कि डीएनए ने रूपांतरण का कारण बना। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि डीएनए वंशानुगत पदार्थ है, लेकिन सभी जीवविज्ञानी आश्वस्त नहीं हुए।

क्या आप डीएनए और डीएनए-एज़ के बीच कोई अंतर सोच सकते हैं?

6.2.1 आनुवंशिक पदार्थ डीएनए है#

डीएनए के आनुवंशिक पदार्थ होने का निर्विवाद प्रमाण अल्फ्रेड हर्शे और मार्था चेज़ (1952) के प्रयोगों से आया। उन्होंने बैक्टीरियाफेज़ कहलाने वाले उन वायरसों के साथ काम किया जो बैक्टीरिया को संक्रमित करते हैं।

बैक्टीरियाफेज़ बैक्टीरिया से चिपकता है और फिर इसका आनुवंशिक पदार्थ बैक्टीरियल कोशिका में प्रवेश करता है। बैक्टीरियल कोशिका वायरल आनुवंशिक पदार्थ को अपना ही मानकर अधिक वायरस कण बनाती है। हर्शे और चेज़ यह पता लगाने का प्रयास कर रहे थे कि वायरस से प्रोटीन या डीएनए में से कौन-सा बैक्टीरिया में प्रवेश करता है।

उन्होंने कुछ वायरसों को रेडियोधर्मी फॉस्फोरस युक्त माध्यम पर और कुछ अन्य को रेडियोधर्मी सल्फर युक्त माध्यम पर उगाया। रेडियोधर्मी फॉस्फोरस की उपस्थिति में उगे वायरसों में रेडियोधर्मी डीएनए था लेकिन रेडियोधर्मी प्रोटीन नहीं, क्योंकि डीएनए में फॉस्फोरस होता है लेकिन प्रोटीन में नहीं। इसी तरह, रेडियोधर्मी सल्फर पर उगे वायरसों में रेडियोधर्मी प्रोटीन था लेकिन रेडियोधर्मी डीएनए नहीं, क्योंकि डीएनए में सल्फर नहीं होता।

रेडियोधर्मी फेजों को ई. कोलाई बैक्टीरिया से चिपकने दिया गया। फिर, जैसे ही संक्रमण आगे बढ़ा, वायरस के बाहरी आवरणों को ब्लेंडर में हिलाकर बैक्टीरिया से अलग कर दिया गया। वायरस कणों को सेंट्रीफ्यूज में घुमा कर बैक्टीरिया से अलग कर दिया गया।

वे बैक्टीरिया जो रेडियोधर्मी डीएनए वाले वायरस से संक्रमित हुए थे, स्वयं भी रेडियोधर्मी हो गए, जिससे संकेत मिला कि वायरस से बैक्टीरिया तक पहुँचने वाला पदार्थ डीएनए था। वे बैक्टीरिया जो रेडियोधर्मी प्रोटीन वाले वायरस से संक्रमित हुए थे, रेडियोधर्मी नहीं हुए। इससे संकेत मिलता है कि प्रोटीन वायरस से बैक्टीरिया के अंदर नहीं गए। इस प्रकार डीएनए ही वह आनुवंशिक पदार्थ है जो वायरस से बैक्टीरिया तक जाता है (चित्र 6.5)।

चित्र 6.5 हर्शे-चेस प्रयोग

6.2.2 आनुवंशिक पदार्थ के गुण (डीएनए बनाम आरएनए)#

उपरोक्त चर्चा से यह स्पष्ट है कि प्रोटीन बनाम डीएनए में से कौन आनुवंशिक पदार्थ है, इस बहस का निर्णायक समाधान हर्शे-चेज़ प्रयोग से हो गया। यह स्थापित तथ्य बन गया कि आनुवंशिक पदार्थ के रूप में कार्य करने वाला डीएनए है। हालांकि, बाद में यह भी स्पष्ट हुआ कि कुछ वायरसों में आरएनए आनुवंशिक पदार्थ होता है (उदाहरण के लिए, टोबैको मोज़ेक वायरस, क्यूबी बैक्टीरियोफ़ेज आदि)। कुछ प्रश्नों—जैसे कि डीएनए प्रमुख आनुवंशिक पदार्थ क्यों है, जबकि आरएनए संदेशवाहक और अनुकूलक के गतिशील कार्य करता है—के उत्तर इन दोनों न्यूक्लिक अम्ल अणुओं की रासायनिक संरचनाओं के अंतर से मिलने हैं।

क्या आप डीएनए और आरएनए के बीच के दो रासायनिक अंतर याद कर सकते हैं?

कोई भी अणु जो आनुवंशिक पदार्थ के रूप में कार्य करे, उसे निम्नलिखित मानदंड पूरे करने चाहिए:

(i) उसे अपनी प्रतिकृति उत्पन्न करने में सक्षम होना चाहिए (प्रतिकृतिकरण)।

(ii) उसे रासायनिक और संरचनात्मक रूप से स्थिर होना चाहिए।

(iii) उसमें धीमे परिवर्तनों (उत्परिवर्तन) की गुंजाइश होनी चाहिए, जो विकास के लिए आवश्यक हैं।

(iv) उसे ‘मेंडेलियन लक्षणों’ के रूप में अपने को व्यक्त करने में सक्षम होना चाहिए।

यदि प्रत्येक आवश्यकता को एक-एक करके परखा जाए, तो आधार युग्मन और पूरकता के नियम के कारण, दोनों न्यूक्लिक अम्ल (डीएनए और आरएनए) अपने द्विगुणन को निर्देशित करने की क्षमता रखते हैं। जीवित तंत्र में उपस्थित अन्य अणु, जैसे प्रोटीन, पहले मानदंड को ही पूरा नहीं कर पाते।

आनुवंशिक पदार्थ इतना स्थिर होना चाहिए कि जीवन चक्र के विभिन्न चरणों, उम्र या जीव की शारीरिक क्रियाओं में बदलाव के साथ भी वह परिवर्तित न हो। आनुवंशिक पदार्थ के गुणों में से एक स्थिरता ग्रिफिथ के ‘ट्रांसफॉर्मिंग प्रिन्सिपल’ में स्पष्ट रूप से दिखाई दी थी कि गर्मी, जो बैक्टीरिया को मारती है, कम से कम आनुवंशिक पदार्थ के कुछ गुणों को नष्ट नहीं करती। इसे अब आसानी से DNA की रोशनी में समझाया जा सकता है कि दोनों स्ट्रैंड्स पूरक होने के कारण यदि गर्मी से अलग हो जाते हैं तो उपयुक्त परिस्थितियाँ देने पर वे फिर से एक साथ आ जाते हैं। इसके अतिरिक्त, RNA में प्रत्येक न्यूक्लियोटाइड पर मौजूद 2’-OH समूह एक क्रियाशील समूह है जो RNA को अस्थिर और आसानी से नष्ट होने वाला बनाता है। RNA अब यह भी जाना जाता है कि यह उत्प्रेरक है, इसलिए क्रियाशील है। इसलिए, रासायनिक रूप से DNA की तुलना में कम क्रियाशील और संरचनात्मक रूप से अधिक स्थिर है। इसलिए, दोनों न्यूक्लिक अम्लों में से DNA एक बेहतर आनुवंशिक पदार्थ है।

वास्तव में, यूरेसिल के स्थान पर थाइमीन की उपस्थिति DNA को अतिरिक्त स्थिरता प्रदान करती है। (इसके बारे में विस्तृत चर्चा के लिए DNA में मरम्मत की प्रक्रिया की समझ आवश्यक है, और आप इन प्रक्रियाओं को उच्च कक्षाओं में पढ़ेंगे।)

DNA और RNA दोनों में उत्परिवर्तन होने की क्षमता होती है। वास्तव में, RNA अस्थिर होने के कारण तेजी से उत्परिवर्तित होता है। परिणामस्वरूप, RNA जीनोम वाले वायरस जिनकी जीवन अवधि कम होती है, वे तेजी से उत्परिवर्तित होते हैं और विकसित होते हैं।

RNA प्रोटीनों के संश्लेषण के लिए सीधे कोड कर सकता है, इसलिए यह आसानी से लक्षणों को व्यक्त कर सकता है। DNA, हालांकि, प्रोटीनों के संश्लेषण के लिए RNA पर निर्भर करता है। प्रोटीन संश्लेषण की यंत्रणा RNA के चारों ओर विकसित हुई है। उपरोक्त चर्चा इंगित करती है कि RNA और DNA दोनों आनुवंशिक पदार्थ के रूप में कार्य कर सकते हैं, लेकिन DNA अधिक स्थिर होने के कारण आनुवंशिक सूचना के भंडारण के लिए प्राथमिकता दी जाती है। आनुवंशिक सूचना के संचरण के लिए RNA बेहतर है।

6.3 RNA WORLD#

उपर्युक्त चर्चा से एक तत्काल प्रश्न स्पष्ट होता है - पहला आनुवंशिक पदार्थ कौन-सा है? इसकी विस्तृत चर्चा रासायनिक विकास के अध्याय में की जाएगी, लेकिन संक्षेप में हम कुछ तथ्यों और बिंदुओं को उजागर करेंगे।

RNA ही पहला आनुवंशिक पदार्थ था। अब पर्याप्त प्रमाण हैं जो सुझाते हैं कि आवश्यक जीवन प्रक्रियाएँ (जैसे चयापचय, अनुवाद, स्प्लिसिंग आदि) RNA के चारों ओर विकसित हुईं। RNA आनुवंशिक पदार्थ के रूप में भी कार्य करता था और एक उत्प्रेरक के रूप में भी (जीवित प्रणालियों में कुछ महत्वपूर्ण जैव-रासायनिक प्रतिक्रियाएँ ऐसी हैं जो RNA उत्प्रेरकों द्वारा उत्प्रेरित होती हैं, प्रोटीन एंजाइमों द्वारा नहीं)। लेकिन, RNA उत्प्रेरक होने के कारण सक्रिय था और इसलिए अस्थिर था। इसलिए, DNA RNA से रासायनिक संशोधनों के साथ विकसित हुआ जो इसे अधिक स्थिर बनाते हैं। DNA द्वहरीय होने और पूरक स्ट्रैंड होने के कारण मरम्मत की प्रक्रिया विकसित कर परिवर्तनों का और भी विरोध करता है।

6.4 REPLICATION#

डीएनए के लिए द्विकुंडलित संरचना प्रस्तावित करते समय वॉटसन और क्रिक ने तुरंत डीएनए की प्रतिकृति के लिए एक योजना प्रस्तावित की थी। उनके मूल कथन को उद्धृत करने के लिए जो इस प्रकार है:

आकृति 6.6 डीएनए की अर्धसंरक्षी प्रतिकृति के लिए वॉटसन-क्रिक मॉडल

‘‘यह हमारे ध्यान से नहीं छूटा है कि हमने जो विशिष्ट युग्मन प्रस्तावित किया है, वह आनुवंशिक पदार्थ की एक संभावित प्रतिलिपि तंत्र की ओर तुरंत संकेत करता है’’ (वॉटसन और क्रिक, 1953)।

इस योजना ने सुझाव दिया कि दोनों स्ट्रैंड अलग हो जाएंगे और नए पूरक स्ट्रैंड्स के संश्लेषण के लिए एक टेम्पलेट के रूप में कार्य करेंगे। प्रतिकृति की समाप्ति के बाद, प्रत्येक डीएनए अणु में एक मातृ और एक नवसंश्लेषित स्ट्रैंड होगा। इस योजना को अर्धसंरक्षी डीएनए प्रतिकृति कहा गया (आकृति 6.6)।

6.4.1 प्रायोगिक प्रमाण#

अब यह सिद्ध हो चुका है कि डीएनए अर्धसंरक्षी रूप से प्रतिकृति करता है। यह पहले एस्चेरिचिया कोलाई में दिखाया गया और बाद में उच्च सजीवों में, जैसे कि पौधों और मानव कोशिकाओं में। मैथ्यू मेसेलसन और फ्रैंकलिन स्टाहल ने 1958 में निम्नलिखित प्रयोग किया:

(i) उन्होंने E. coli को 15NH4Cl (15N नाइट्रोजन का भारी समस्थानिक है) युक्त माध्यम में कई पीढ़ियों तक उगाया, जिसमें यही एकमात्र नाइट्रोजन स्रोत था। परिणामस्वरूप 15N नवसंश्लेषित DNA में (साथ ही अन्य नाइट्रोजनयुक्त यौगिकों में) समाविष्ट हो गया। इस भारी DNA अणु को सामान्य DNA से सीज़ियम क्लोराइड (CsCl) घनत्व प्रवणता में अपकेंद्रण द्वारा पृथक् किया जा सका (कृपया ध्यान दें कि 15N एक रेडियोधर्मी समस्थानिक नहीं है, और इसे 14N से केवल घनत्व के आधार पर ही पृथक् किया जा सकता है)।

(ii) फिर उन्होंने कोशिकाओं को सामान्य NH4Cl युक्त माध्यम में स्थानांतरित किया और कोशिकाओं के गुणन के दौरान विभिन्न निश्चित समय अंतरालों पर नमूने लिए, और DNA निकाला जो द्वि-श्रृंखली हेलिक्स के रूप में बना रहा। विभिन्न नमूनों को स्वतंत्र रूप से CsCl प्रवणताओं पर पृथक् किया गया ताकि DNA के घनत्व मापे जा सकें (चित्र 6.7)।

चित्र 6.7 मेसेल्सन और स्टाहल का प्रयोग

क्या आप याद कर सकते हैं कि अपकेंद्री बल क्या है, और सोच सकते हैं कि उच्च द्रव्यमान/घनत्व वाला अणु तेज़ी से अवसादित क्यों होता है?

(iii) इस प्रकार, जब 15N माध्यम से 14N माध्यम में स्थानांतरण के एक पीढ़ी बाद [अर्थात् 20 मिनट बाद; E. coli 20 मिनट में विभाजित होता है] संस्कृति से निकाला गया DNA एक संकर या मध्यवर्ती घनत्व का था। संस्कृति से एक और पीढ़ी बाद [अर्थात् 40 मिनट बाद, द्वितीय पीढ़ी] निकाला गया DNA इस संकर DNA और ‘हल्के’ DNA के समान मात्रा में बना था।

यदि E. coli को 80 मिनट तक बढ़ने दिया जाता तो हल्के और संकर घनत्व वाले DNA अणुओं की क्या अनुपात होते?

विकिया फाबा (फाबा बीन्स) पर टेलर और सहयोगियों ने 1958 में रेडियोधर्मी थाइमिडिन का उपयोग करके गुणसूत्रों में नवसंश्लेषित DNA के वितरण का पता लगाने वाले बहुत समान प्रयोग किए। इन प्रयोगों ने सिद्ध किया कि गुणसूत्रों में DNA भी अर्धसंरक्षित रूप से प्रतिकृत होता है।

6.4.2 यंत्र और एंजाइम#

जीवित कोशिकाओं में, जैसे कि ई. कोलाई, प्रतिकृतिकरण की प्रक्रिया के लिए उत्प्रेरकों (एंजाइमों) का एक समूह आवश्यक होता है। मुख्य एंजाइम को DNA-आश्रित DNA पॉलिमरेज़ कहा जाता है, क्योंकि यह DNA टेम्पलेट का उपयोग करके डिऑक्सीन्यूक्लिओटाइड्स के पॉलिमराइजेशन की क्रिया को उत्प्रेरित करता है। ये एंजाइम अत्यधिक कुशल होते हैं क्योंकि उन्हें बहुत कम समय में बड़ी संख्या में न्यूक्लिओटाइड्स के पॉलिमराइजेशन को उत्प्रेरित करना होता है। ई. कोलाई, जिसमें केवल 4.6 × 10^6 आधार युग्म (bp) होते हैं (इसकी तुलना मनुष्य से करें जिसके द्विगुणित DNA में 6.6 × 10^9 bp होते हैं), प्रतिकृतिकरण की प्रक्रिया को 18 मिनट में पूरा कर लेता है; इसका अर्थ है कि पॉलिमराइजेशन की औसत दर लगभग 2000 bp प्रति सेकंड होनी चाहिए। ये पॉलिमरेज़ केवल तेज़ ही नहीं होने चाहिए, बल्कि उन्हें अत्यधिक सटीकता के साथ क्रिया को उत्प्रेरित भी करना होता है। प्रतिकृतिकरण के दौरान कोई भी गलती उत्परिवर्तन का कारण बन सकती है। इसके अतिरिक्त, ऊर्जा की दृष्टि से प्रतिकृतिकरण एक अत्यधिक महंगी प्रक्रिया है। डिऑक्सीराइबोन्यूक्लिओसाइड ट्राइफॉस्फेट दोहरे उद्देश्यों की पूर्ति करते हैं। सब्सट्रेट के रूप में कार्य करने के अतिरिक्त, ये पॉलिमराइजेशन अभिक्रिया के लिए ऊर्जा भी प्रदान करते हैं (डिऑक्सीन्यूक्लिओसाइड ट्राइफॉस्फेट में दो अंतिम फॉस्फेट उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट होते हैं, जैसे कि ATP में होते हैं)।

DNA-निर्भर DNA पॉलिमरेज़ों के अतिरिक्त, उच्च सटीकता के साथ प्रतिकृतिकरण प्रक्रिया को पूरा करने के लिए कई अतिरिक्त एंजाइमों की आवश्यकता होती है। लंबी DNA अणुओं के लिए, चूँकि DNA की दोनों स्ट्रैंड्स पूरी लंबाई में अलग नहीं की जा सकतीं (अत्यधिक ऊर्जा की आवश्यकता के कारण), प्रतिकृतिकरण DNA हेलिक्स के एक छोटे से उद्घाटन के भीतर होता है, जिसे प्रतिकृतिकरण फोर्क कहा जाता है। DNA-निर्भर DNA पॉलिमरेज़ केवल एक दिशा में, अर्थात् 5’ से 3’ पॉलिमराइजेशन को उत्प्रेरित करते हैं। यह प्रतिकृतिकरण फोर्क पर कुछ अतिरिक्त जटिलताएँ उत्पन्न करता है। परिणामस्वरूप, एक स्ट्रैंड पर (3’ से 5’ ध्रुवता वाला टेम्पलेट), प्रतिकृतिकरण निरंतर होता है, जबकि दूसरे पर (5’ से 3’ ध्रुवता वाला टेम्पलेट), यह असतत होता है। असतत रूप से संश्लेषित खंडों को बाद में DNA लाइगेज नामक एंजाइम द्वारा जोड़ा जाता है (चित्र 6.8)।

चित्र 6.8 प्रतिकृतिकरण फोर्क

डीएनए पॉलिमरेज स्वयं प्रतिकृतिकरण की प्रक्रिया प्रारंभ नहीं कर सकते। साथ ही, प्रतिकृतिकरण डीएनए में कहीं भी यादृच्छिक रूप से प्रारंभ नहीं होता। ई. कोलाई के डीएनए में प्रतिकृतिकरण जहाँ उत्पन्न होता है, वह एक निश्चित क्षेत्र होता है। ऐसे क्षेत्रों को प्रतिकृतिकरण का उद्गम (origin of replication) कहा जाता है। प्रतिकृतिकरण के उद्गम की आवश्यकता के कारण ही, जब किसी डीएनए खंड को पुनः संयोजी डीएनए प्रक्रियाओं के दौरान प्रसारित करना होता है, तो उसे एक वेक्टर की आवश्यकता होती है। वेक्टर प्रतिकृतिकरण का उद्गम प्रदान करते हैं।

इसके अतिरिक्त, प्रतिकृतिकरण के प्रत्येक विवरण को अच्छी तरह समझा नहीं गया है। यूकैरियोट्स में डीएनए की प्रतिकृतिकरण कोशिका चक्र के एस-प्रावस्था में होती है। डीएनए की प्रतिकृतिकरण और कोशिका विभाजन चक्र को अत्यधिक समन्वित होना चाहिए। डीएनए प्रतिकृतिकरण के बाद कोशिका विभाजन में विफलता बहुगुणिता (polyploidy) — एक गुणसूत्रीय विसंगति — उत्पन्न कर देती है। उद्गम की विस्तृत प्रकृति और इस स्थल पर घटित होने वाली प्रक्रियाओं को आप उच्च कक्षाओं में सीखेंगे।

6.5 ट्रांसक्रिप्शन#

DNA के एक स्ट्रैंड से जेनेटिक सूचना को RNA में कॉपी करने की प्रक्रिया को ट्रांसक्रिप्शन कहा जाता है। यहाँ भी पूरकता का सिद्धांट ट्रांसक्रिप्शन प्रक्रिया को नियंत्रित करता है, सिवाय इसके कि अब एडेनोसीन थाइमीन के बजाय यूरासिल के साथ बेस जोड़ी बनाता है। हालाँकि, प्रतिकृतिकरण की प्रक्रिया के विपरीत—जिसमें एक बार शुरू होने पर जीव के सम्पूर्ण DNA की प्रतिलिपि बनती है—ट्रांसक्रिप्शन में केवल DNA के एक खंड और केवल एक स्ट्रैंड की ही RNA में प्रतिलिपि बनती है। इसके लिए यह आवश्यक हो जाता है कि वे सीमाएँ निर्धारित की जाएँ जो DNA के उस क्षेत्र और उस स्ट्रैंड को चिन्हित करें जिसका ट्रांसक्रिप्शन होगा।

दोनों स्ट्रैंड्स की ट्रांसक्रिप्शन के दौरान प्रतिलिपि क्यों नहीं बनती, इसका सरल उत्तर है। पहला, यदि दोनों स्ट्रैंड्स टेम्पलेट के रूप में कार्य करें तो वे भिन्न अनुक्रमों वाली RNA अणुओं की कोडिंग करेंगे (याद रखें पूरकता का अर्थ समान नहीं होता), और यदि वे प्रोटीन के लिए कोड करें तो प्रोटीनों में अमीनो अम्लों का क्रम भिन्न होगा। इस प्रकार DNA का एक ही खंड दो भिन्न प्रोटीनों की कोडिंग करेगा, जो जेनेटिक सूचना स्थानांतरण तंत्र को जटिल बना देगा। दूसरा, यदि दो RNA अणु एक साथ बनें तो वे एक-दूसरे के पूरक होंगे, अतः द्विसूत्री RNA बना लेंगे। यह RNA के प्रोटीन में अनुवादित होने से रोक देगा और ट्रांसक्रिप्शन का प्रयास निष्फल हो जाएगा।

6.5.1 ट्रांसक्रिप्शन इकाई#

DNA में एक ट्रांसक्रिप्शन इकाई मुख्यतः DNA के तीन क्षेत्रों द्वारा परिभाषित होती है:

(i) एक प्रोमोटर

(ii) संरचनात्मक जीन

(iii) एक टर्मिनेटर

ट्रांसक्रिप्शन यूनिट की संरचनात्मक जीन में डीएनए की दो स्ट्रैंड्स को परिभाषित करने के लिए एक परंपरा है। चूँकि दोनों स्ट्रैंड्स की ध्रुवता विपरीत होती है और डीएनए-निर्भर आरएनए पॉलिमरेज भी केवल एक दिशा में, अर्थात् 5’ →3’ , पॉलिमराइजेशन को उत्प्रेरित करता है, वह स्ट्रैंड जिसकी ध्रुवता 3’ →5’ है, टेम्पलेट के रूप में कार्य करता है और इसे टेम्पलेट स्ट्रैंड भी कहा जाता है। दूसरा स्ट्रैंड जिसकी ध्रुवता (5’ →3’ ) है और जिसकी अनुक्रमणिका आरएनए के समान है (यूरासिल के स्थान पर थाइमिन को छोड़कर), ट्रांसक्रिप्शन के दौरान विस्थापित हो जाता है। विचित्र रूप से, इस स्ट्रैंड (जो किसी भी कोड के लिए नहीं होता) को कोडिंग स्ट्रैंड कहा जाता है। ट्रांसक्रिप्शन यूनिट को परिभाषित करते समय सभी संदर्भ बिंदु कोडिंग स्ट्रैंड के साथ बनाए जाते हैं। इस बिंदु को समझाने के लिए, नीचे एक ट्रांसक्रिप्शन यूनिट से एक काल्पनिक अनुक्रमणिका दी गई है:

3’ -ATGCATGCATGCATGCATGCATGC-5’ टेम्पलेट स्ट्रैंड

5’ -TACGTACGTACGTACGTACGTACG-3’ कोडिंग स्ट्रैंड

क्या आप अब ऊपर दिए गए डीएनए से ट्रांसक्राइब किए गए आरएनए की अनुक्रमणिका लिख सकते हैं?

आकृति 6.9 एक ट्रांसक्रिप्शन यूनिट की आरेखीय संरचना

प्रमोटर और टर्मिनेटर एक ट्रांसक्रिप्शन यूनिट में संरचनात्मक जीन के दोनों ओर होते हैं। प्रमोटर को संरचनात्मक जीन के 5’ सिरे (अपस्ट्रीम) की ओर स्थित माना जाता है (संदर्भ कोडिंग स्ट्रैंड की ध्रुवता के सापेक्ष दिया गया है)। यह एक DNA अनुक्रम है जो RNA पॉलिमरेज़ के लिए बंधन स्थल प्रदान करता है, और ट्रांसक्रिप्शन यूनिट में प्रमोटर की उपस्थिति ही टेम्पलेट और कोडिंग स्ट्रैंड्स की परिभाषा भी निर्धारित करती है। इसे टर्मिनेटर के साथ स्थान बदलने पर कोडिंग और टेम्पलेट स्ट्रैंड्स की परिभाषा उलट सकती है। टर्मिनेटर कोडिंग स्ट्रैंड के 3’ सिरे (डाउनस्ट्रीम) की ओर स्थित होता है और यह आमतौर पर ट्रांसक्रिप्शन प्रक्रिया के अंत को परिभाषित करता है (चित्र 6.9)। कुछ अतिरिक्त नियामक अनुक्रम भी हो सकते हैं जो प्रमोटर से और भी आगे अपस्ट्रीम या डाउनस्ट्रीम स्थित होते हैं। इन अनुक्रमों के कुछ गुण जीन अभिव्यक्ति के नियमन पर चर्चा करते समय उल्लेख किए जाएंगे।

6.5.2 ट्रांसक्रिप्शन यूनिट और जीन#

एक जीन को वंशानुगत इकाई की कार्यात्मक इकाई के रूप में परिभाषित किया गया है। यद्यपि इसमें कोई अस्पष्टता नहीं है कि जीन DNA पर स्थित होते हैं, DNA अनुक्रम के संदर्भ में जीन को शाब्दिक रूप से परिभाषित करना कठिन है। tRNA या rRNA अणु के लिए कोडिंग करने वाला DNA अनुक्रम भी एक जीन को परिभाषित करता है। हालांकि, सिस्ट्रन को एक पॉलीपेप्टाइड के लिए कोडिंग करने वाले DNA के एक खंड के रूप में परिभाषित करके, ट्रांसक्रिप्शन इकाई में संरचनात्मक जीन को मोनोसिस्ट्रोनिक (अधिकांशतः यूकैरियोट्स में) या पॉलीसिस्ट्रोनिक (अधिकांशतः जीवाणुओं या प्रोकैरियोट्स में) कहा जा सकता है। यूकैरियोट्स में, मोनोसिस्ट्रोनिक संरचनात्मक जीनों में बाधित कोडिंग अनुक्रम होते हैं - यूकैरियोट्स में जीन विभाजित होते हैं। कोडिंग अनुक्रम या व्यक्त अनुक्रम एक्सोन के रूप में परिभाषित किए जाते हैं। एक्सोन वे अनुक्रम होते हैं जो परिपक्व या संसाधित RNA में दिखाई देते हैं। एक्सोन इंट्रॉन द्वारा बाधित होते हैं। इंट्रॉन या हस्तक्षेपकारी अनुक्रम परिपक्व या संसाधित RNA में दिखाई नहीं देते हैं। विभाजित-जीन की व्यवस्था DNA खंड के संदर्भ में जीन की परिभाषा को और अधिक जटिल बना देती है।

एक लक्षण की वंशानुगति संरचनात्मक जीन के प्रमोटर और नियामक अनुक्रमों से भी प्रभावित होती है। इसलिए, कभी-कभी नियामक अनुक्रमों को नियामक जीन के रूप में अस्पष्ट रूप से परिभाषित किया जाता है, यद्यपि ये अनुक्रम किसी RNA या प्रोटीन के लिए कोडिंग नहीं करते हैं।

6.5.3 RNA के प्रकार और ट्रांसक्रिप्शन की प्रक्रिया#

बैक्टीरिया में तीन प्रमुख प्रकार की RNAs होती हैं: mRNA (मैसेंजर RNA), tRNA (ट्रांसफर RNA), और rRNA (राइबोसोमल RNA)। इन तीनों RNAs की आवश्यकता कोशिका में प्रोटीन संश्लेषण के लिए होती है। mRNA टेम्पलेट प्रदान करती है, tRNA अमीनो अम्ल लाती है और जेनेटिक कोड को पढ़ती है, और rRNAs अनुवाद के दौरान संरचनात्मक और उत्प्रेरक भूमिका निभाती हैं। बैक्टीरिया में एकल DNA-निर्भर RNA पॉलिमरेज़ होता है जो सभी प्रकार की RNA के ट्रांसक्रिप्शन को उत्प्रेरित करता है। RNA पॉलिमरेज़ प्रमोटर से बाइंड होता है और ट्रांसक्रिप्शन प्रारंभ करता है (प्रारंभ)। यह न्यूक्लियोसाइड ट्राइफॉस्फेट्स को सब्सट्रेट के रूप में उपयोग करता है और टेम्पलेट निर्भर तरीके से पॉलिमराइज़ करता है, पूरकता के नियम का पालन करते हुए। यह किसी प्रकार हेलिक्स को खोलने में भी सहायता करता है और दीर्घीकरण जारी रखता है। केवल एक छोटा सा RNA खंड एंजाइम से बाइंड रहता है। एक बार जब पॉलिमरेज़ टर्मिनेटर क्षेत्र तक पहुंचता है, नवजात RNA अलग हो जाता है, साथ ही RNA पॉलिमरेज़ भी। इससे ट्रांसक्रिप्शन का समापन होता है।

एक रोचक प्रश्न यह है कि RNA पॉलिमरेज़ तीनों चरणों—प्रारंभ, दीर्घीकरण और समापन—को कैसे उत्प्रेरित कर पाता है। RNA पॉलिमरेज़ केवल दीर्घीकरण की प्रक्रिया को उत्प्रेरित करने में सक्षम है। यह प्रारंभ-कारक (σ) और समापन-कारक (ρ) के साथ क्षणिक रूप से संबद्ध होता है ताकि क्रमशः ट्रांसक्रिप्शन प्रारंभ और समाप्त कर सके। इन कारकों के साथ संबद्ध होने से RNA पॉलिमरेज़ की विशिष्टता बदल जाती है ताकि वह या तो प्रारंभ कर सके या समाप्त कर सके (चित्र 6.10)।

चित्र 6.10 जीवाणुओं में ट्रांसक्रिप्शन की प्रक्रिया

जीवाणुओं में, चूँकि mRNA को सक्रिय होने के लिए किसी प्रसंस्करण की आवश्यकता नहीं होती है, और यह भी कि ट्रांसक्रिप्शन और अनुवाद एक ही कोष्ठक में होते हैं (जीवाणुओं में कोशिकाद्रव्य और केंद्रक का कोई पृथक्करण नहीं होता है), कई बार अनुवाद mRNA के पूरी तरह से ट्रांसक्राइब होने से बहुत पहले ही प्रारंभ हो सकता है। परिणामस्वरूप, जीवाणुओं में ट्रांसक्रिप्शन और अनुवाद युग्मित हो सकते हैं।

यूकैरियोट्स में, दो अतिरिक्त जटिलताएँ होती हैं –

(i) केंद्रक में कम से कम तीन RNA पॉलिमरेज होते हैं (अंगकोशिका�ओं में पाए जाने वाले RNA पॉलिमरेज के अतिरिक्त)। यहाँ कार्य का स्पष्ट विभाजन होता है। RNA पॉलिमरेज I rRNA (28S, 18S और 5.8S) का ट्रांसक्रिप्शन करता है, जबकि RNA पॉलिमरेज III tRNA, 5srRNA और snRNA (लघु केंद्रक RNA) के ट्रांसक्रिप्शन के लिए उत्तरदायी होता है। RNA पॉलिमरेज II mRNA के अग्रद्रव्य, विषम केंद्रक RNA (hnRNA) का ट्रांसक्रिप्शन करता है।

चित्र 6.11 यूकैरियोट्स में ट्रांसक्रिप्शन की प्रक्रिया

(ii) दूसरी जटिलता यह है कि प्राथमिक ट्रांसक्रिप्ट्स में एक्सॉन और इंट्रॉन दोनों होते हैं और वे कार्यात्मक नहीं होते। इसलिए, इसे स्प्लिसिंग नामक प्रक्रिया के अधीन किया जाता है जहाँ इंट्रॉन को हटाया जाता है और एक्सॉन को एक निश्चित क्रम में जोड़ा जाता है। hnRNA अतिरिक्त प्रोसेसिंग से गुजरता है जिसे कैपिंग और टेलिंग कहा जाता है। कैपिंग में एक असामान्य न्यूक्लियोटाइड (मेथिल ग्वानोसिन ट्राइफॉस्फेट) hnRNA के 5’ सिरे पर जोड़ा जाता है। टेलिंग में, 3’ सिरे पर 200-300 एडेनिलेट अवशेष टेम्प्लेट-स्वतंत्र तरीके से जोड़े जाते हैं। यह पूरी तरह से प्रोसेस्ड hnRNA, जिसे अब mRNA कहा जाता है, अनुवाद के लिए नाभिक से बाहर ले जाया जाता है (चित्र 6.11)।

इस तरह की जटिलताओं का महत्व अब समझा जाने लगा है। स्प्लिट-जीन व्यवस्थाएँ संभवतः जीनोम की एक प्राचीन विशेषता हैं। इंट्रॉन की उपस्थिति प्राचीनता की याद दिलाती है, और स्प्लिसिंग की प्रक्रिया RNA-वर्ल्ड के प्रभुत्व को दर्शाती है। हाल के समय में, जीवित प्रणाली में RNA और RNA-आधारित प्रक्रियाओं की समझ अधिक महत्वपूर्ण हो गई है।

6.6 जेनेटिक कोड#

प्रतिकृतिकरण और प्रतिलेखन के दौरान एक न्यूक्लिक अम्ल की प्रतिलिपि बनाकर दूसरा न्यूक्लिक अम्ल बनाया जाता था। इसलिए, इन प्रक्रियाओं को पूरकता के आधार पर समझना आसान है। अनुवाद की प्रक्रिया में न्यूक्लियोटाइड्स के बहुलक से आनुवंशिक सूचना का स्थानांतरण आवश्यक होता है ताकि अमीनो अम्लों का एक बहुलक संश्लेषित किया जा सके। न तो न्यूक्लियोटाइड्स और अमीनो अम्लों के बीच कोई पूरकता होती है, न ही इसे सैद्धांतिक रूप से बनाया जा सकता है। फिर भी, पर्याप्त साक्ष्य मौजूद थे जो इस धारणा का समर्थन करते थे कि न्यूक्लिक अम्लों (आनुवंशिक पदार्थ) में परिवर्तन प्रोटीनों में अमीनो अम्लों के परिवर्तन के लिए उत्तरदायी होते हैं। इसने एक आनुवंशिक कोड की कल्पना को जन्म दिया जो प्रोटीनों के संश्लेषण के दौरान अमीनो अम्लों की अनुक्रम को निर्देशित कर सकता है।

यदि जनन सामग्री की जैव रासायनिक प्रकृति और डीएनए की संरचना का निर्धारण अत्यंत रोमांचक था, तो जनन संकेत के प्रस्ताव और विवेचन सबसे अधिक चुनौतीपूर्ण थे। पूर्णतः सत्य रूप में इसमें भौतिकविदों, कार्बनिक रसायनज्ञों, जैव रसायनज्ञों और जननशास्त्रियों सहित कई विषयों के वैज्ञानिकों की भागीदारी आवश्यक थी। यह भौतिकविद् जॉर्ज गैमो थे, जिन्होंने तर्क दिया कि चूँकि केवल 4 नाइट्रोजनस क्षार हैं और यदि उन्हें 20 अमीनो अम्लों के लिए संकेत करना है, तो संकेत आधारों के संयोजन से बना होना चाहिए। उन्होंने सुझाव दिया कि सभी 20 अमीनो अम्लों को संकेतित करने के लिए संकेत तीन न्यूक्लियोटाइडों से बना होना चाहिए। यह एक अत्यंत साहसिक प्रस्ताव था, क्योंकि 43 (4 × 4 × 4) के क्रमचय-संचय से 64 कोडोन उत्पन्न होते हैं; जो आवश्यकता से कहीं अधिक हैं। निश्चित आधार संयोजनों (समबहुलक और सहबहुलक) वाली आरएनए अणुओं के संश्लेषण में सहायक रहे। मार्शल निरेनबर्ग की प्रोटीन संश्लेषण के लिए सेल-मुक्त प्रणाली ने अंततः संकेत को विवेचित करने में मदद की। सेवेरो ओचोआ का एंजाइम (पॉलिन्यूक्लियोटाइड फॉस्फोरिलेज) भी टेम्पलेट-रहित तरीके से निश्चित अनुक्रमों वाली आरएनए को बहुलक बनाने में सहायक रहा (आरएनए का एंजाइमेटिक संश्लेषण)। अंततः जनन संकेत के लिए एक चेकर-बोर्ड तैयार किया गया, जो तालिका 6.1 में दिया गया है।

तालिका 5.1: विभिन्न अमीनो अम्लों के लिए कोडोन

जीनेटिक कोड की प्रमुख विशेषताएँ इस प्रकार हैं:

(i) कोडॉन त्रिक होता है। 61 कोडॉन अमीनो अम्लों के लिए कोड करते हैं और 3 कोडॉन किसी भी अमीनो अम्ल के लिए कोड नहीं करते, इसलिए वे स्टॉप कोडॉन के रूप में कार्य करते हैं।

(ii) कुछ अमीनो अम्ल एक से अधिक कोडॉन द्वारा कोड किए जाते हैं, इसलिए कोड अपभ्रष्ट है।

(iii) कोडॉन mRNA में लगातार फैशन में पढ़ा जाता है। कोई विराम चिह्न नहीं होते।

(iv) कोड लगभग सार्वभौमिक है: उदाहरण के लिए, बैक्टीरिया से मानव तक UUU फेनिलएलानिन (phe) के लिए कोड करेगा। इस नियम के कुछ अपवाद माइटोकॉन्ड्रियल कोडॉन में और कुछ प्रोटोजोआ में पाए गए हैं।

(v) AUG की द्वैध कार्य होते हैं। यह मेथिओनिन (met) के लिए कोड करता है, और यह प्रारंभिक कोडॉन के रूप में भी कार्य करता है।

(vi) UAA, UAG, UGA स्टॉप टर्मिनेटर कोडॉन हैं।

यदि mRNA में न्यूक्लियोटाइड्स की निम्नलिखित अनुक्रम है, तो इसके द्वारा कोड किए गए अमीनो अम्ल की अनुक्रम की भविष्यवाणी करें (चेकरबोर्ड की सहायता लें): -AUG UUU UUC UUC UUU UUU UUC-

अब इसके विपरीत प्रयास करें। निम्नलिखित अमीनो अम्लों की अनुक्रम है जो एक mRNA द्वारा कोड किया गया है। RNA में न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम की भविष्यवाणी करें:

Met-Phe-Phe-Phe-Phe-Phe-Phe

क्या आपको विपरीत की भविष्यवाणी करने में कोई कठिनाई होती है?

क्या आप अब यह सहसंबंधित कर सकते हैं कि आपने जीनेटिक कोड की कौन-सी दो विशेषताएँ सीखी हैं?

6.6.1 उत्परिवर्तन और जीनेटिक कोड#

जीन और डीएनए के बीच के संबंधों को उत्परिवर्तन अध्ययनों द्वारा सबसे अच्छी तरह समझा जा सकता है। आपने अध्याय 5 में उत्परिवर्तन और इसके प्रभाव के बारे में पढ़ा है। डीएनए के एक खंड में बड़े विलोपन और पुनर्व्यवस्थाओं के प्रभावों को समझना आसान होता है। इससे एक जीन और इसलिए एक कार्य की हानि या प्राप्ति हो सकती है। बिंदु उत्परिवर्तनों के प्रभाव को यहाँ समझाया जाएगा। बिंदु उत्परिवर्तन का एक शास्त्रीय उदाहरण बीटा ग्लोबिन श्रृंखला के जीन में एकल बेस जोड़ी का परिवर्तन है जिससे अमीनो अम्ल अवशेष ग्लूटामेट से वैलीन में परिवर्तन हो जाता है। इससे एक रोग स्थिति होती है जिसे सिकल सेल एनीमिया कहा जाता है। बिंदु उत्परिवर्तनों के प्रभाव जो संरचनात्मक जीन में एक बेस सम्मिलित करते हैं या हटाते हैं, को निम्नलिखित सरल उदाहरण द्वारा बेहतर समझा जा सकता है।

एक कथन पर विचार करें जो निम्नलिखित शब्दों से बना है जिनमें से प्रत्येक में तीन अक्षर हैं जैसे जेनेटिक कोड।

राम के पास लाल टोपी है

यदि हम HAS और RED के बीच एक अक्षर $\mathrm{B}$ सम्मिलित करें और कथन को पुनर्व्यवस्थित करें, तो यह इस प्रकार पढ़ा जाएगा:

राम के पास BRE DCA P

इसी प्रकार, यदि हम अब उसी स्थान पर दो अक्षर सम्मिलित करें, मान लें $\mathrm{BI}$। अब यह इस प्रकार पढ़ा जाएगा,

राम के पास BIR EDC AP

अब हम तीन अक्षर एक साथ सम्मिलित करते हैं, मान लें $\mathrm{BIG}$, कथन इस प्रकार पढ़ा जाएगा

राम के पास BIG लाल टोपी है

इसी अभ्यास को अक्षरों R, E और D को एक-एक करके हटाकर दोहराया जा सकता है और त्रिपद शब्द बनाने के लिए कथन को पुनर्व्यवस्थित किया जा सकता है।

राम के पास EDC AP

राम के पास DCA P

राम के पास CAP

उपरोक्त अभ्यास से निष्कर्ष बहुत स्पष्ट है। एक या दो बेसों के समावेश या विलोपन से समावेश या विलोपन के बिंदु से रीडिंग फ्रेम बदल जाता है। हालांकि, ऐसे उत्परिवर्तनों को फ्रेमशिफ्ट समावेश या विलोपन उत्परिवर्तन कहा जाता है। तीन या उसके गुणज बेसों के समावेश या विलोपन से एक या अनेक कोडन समाविष्ट या विलोपित होते हैं, अतः एक या अनेक अमीनो अम्ल, और उस बिंदु से आगे रीडिंग फ्रेम अपरिवर्तित रहता है।

6.6.2 tRNA– एडाप्टर अणु#

कोड के प्रस्ताव के आरंभ से ही फ्रांसिस क्रिक को यह स्पष्ट था कि कोड को पढ़ने और उसे अमीनो अम्लों से जोड़ने के लिए कोई तंत्र होना चाहिए, क्योंकि अमीनो अम्लों में कोड को विशिष्ट रूप से पढ़ने की कोई संरचनात्मक विशेषता नहीं होती। उन्होंने एक एडाप्टर अणु की उपस्थिति की कल्पना की जो एक ओर कोड को पढ़ेगा और दूसरी ओर विशिष्ट अमीनो अम्लों से बंधेगा। tRNA, जिसे तब sRNA (घुलनशील RNA) कहा जाता था, आनुवंशिक कोड के प्रस्ताव से पहले ज्ञात था। हालांकि, इसकी भूमिका एक एडाप्टर अणु के रूप में बहुत बाद में निर्धारित की गई।

चित्र 6.12 tRNA - एडाप्टर अणु

tRNA में एक anticodon लूप होता है जिसमें कोड के पूरक आधार होते हैं, और इसमें एक अमीनो एसिड स्वीकारक सिरा भी होता है जिससे यह अमीनो एसिड से बंधता है। प्रत्येक अमीनो एसिड के लिए tRNA विशिष्ट होते हैं (चित्र 6.12)। प्रारंभ के लिए, एक अन्य विशिष्ट tRNA होता है जिसे प्रारंभक tRNA कहा जाता है। स्टॉप कोडोन के लिए कोई tRNA नहीं होते हैं। चित्र 6.12 में, tRNA की द्वितीयक संरचना दिखाई गई है जो तिपतिया पत्ती जैसी दिखती है। वास्तविक संरचना में, tRNA एक संक्षिप्त अणु होता है जो उल्टे L जैसा दिखता है।

6.7 अनुवाद#

अनुवाद अमीनो एसिड के बहुलकीकरण की प्रक्रिया को संदर्भित करता है जिससे एक पॉलीपेप्टाइड बनता है (चित्र 6.13)। अमीनो एसिड की क्रम और अनुक्रम mRNA में आधारों के अनुक्रम द्वारा परिभाषित किए जाते हैं। अमीनो एसिड एक ऐसे बंध द्वारा जुड़े होते हैं जिसे पेप्टाइड बंध कहा जाता है। एक पेप्टाइड बंध का निर्माण ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इसलिए, पहले चरण में ही अमीनो एसिड ATP की उपस्थिति में सक्रिय होते हैं और अपने संगत tRNA से जुड़ते हैं — इस प्रक्रिया को सामान्यतः tRNA का चार्जिंग या अधिक विशिष्ट रूप से tRNA का अमीनोएसिलेशन कहा जाता है। यदि दो ऐसे चार्ज किए गए tRNA पर्याप्त निकट लाए जाते हैं, तो उनके बीच पेप्टाइड बंध का निर्माण ऊर्जा की दृष्टि से अनुकूल होगा। एक उत्प्रेरक की उपस्थिति पेप्टाइड बंध निर्माण की दर को बढ़ाएगी।

चित्र 6.13 अनुवाद

प्रोटीन संश्लेषित करने के लिए उत्तरदायी कोशिकीय कारखाना राइबोसोम है। राइबोसोम संरचनात्मक आरएनए और लगभग 80 विभिन्न प्रोटीनों से बना होता है। इसकी निष्क्रिय अवस्था में, यह दो उपइकाइयों के रूप में मौजूद होता है; एक बड़ी उपइकाई और एक छोटी उपइकाई। जब छोटी उपइकाई एक mRNA से मिलती है, तो mRNA से प्रोटीन के अनुवाद की प्रक्रिया शुरू होती है। बड़ी उपइकाई में दो स्थल होते हैं, अगले अमीनो अम्लों के लिए चित्र 6.13 अनुवाद बंधन के लिए और इस प्रकार, एक पेप्टाइड बंध बनाने के लिए पर्याप्त निकट होते हैं। राइबोसोम एक उत्प्रेरक के रूप में भी कार्य करता है (बैक्टीरिया में 23S rRNA एंजाइम- राइबोजाइम है) पेप्टाइड बंध के निर्माण के लिए।

mRNA में एक अनुवादन इकाई आरएनए का वह क्रम है जो प्रारंभ कॉडन (AUG) और स्टॉप कॉडन से घिरा होता है और एक पॉलीपेप्टाइड के लिए कोड करता है। एक mRNA में कुछ अतिरिक्त क्रम भी होते हैं जो अनुवादित नहीं होते और इन्हें अनअनुवादित क्षेत्र (UTR) कहा जाता है। UTR दोनों 5’ -सिरे पर (प्रारंभ कॉडन से पहले) और 3’ -सिरे पर (स्टॉप कॉडन के बाद) मौजूद होते हैं। वे कुशल अनुवाद प्रक्रिया के लिए आवश्यक होते हैं।

प्रारंभ के लिए, राइबोसोम mRNA से स्टार्ट कोडन (AUG) पर बंधता है जिसे केवल प्रारंभिक tRNA पहचानती है। राइबोसोम प्रोटीन संश्लेषण के विस्तार चरण में आगे बढ़ता है। इस चरण के दौरान, tRNA से जुड़े अमीनो अम्ल से बने सम्मिश्र, mRNA में उपयुक्त कोडन से क्रमिक रूप से बंधते हैं जिसमें tRNA के एंटीकोडन के साथ पूरक बेस जोड़ बनते हैं। राइबोसोम mRNA के साथ कोडन से कोडन तक चलता है। अमीनो अम्ल एक-एक करके जुड़ते हैं, DNA द्वारा निर्धारित और mRNA द्वारा प्रस्तुत पॉलीपेप्टाइड अनुक्रमों में अनुवादित होते हैं। अंत में, एक रिलीज़ कारक स्टॉप कोडन से बंधता है, अनुवाद को समाप्त करता है और पूर्ण पॉलीपेप्टाइड को राइबोसोम से मुक्त करता है।

6.8 जीन अभिव्यक्ति का नियमन#

जीन अभिव्यक्ति का नियमन एक बहुत व्यापक शब्द है जो विभिन्न स्तरों पर हो सकता है। यह मानते हुए कि जीन अभिव्यक्ति एक पॉलीपेप्टाइड के निर्माण का परिणाम है, इसे कई स्तरों पर नियंत्रित किया जा सकता है। यूकैरियोट्स में, नियमन निम्नलिखित स्तरों पर लगाया जा सकता है:

(i) ट्रांसक्रिप्शनल स्तर (प्राथमिक ट्रांसक्रिप्ट का निर्माण),

(ii) प्रोसेसिंग स्तर (स्प्लाइसिंग का नियमन),

(iii) mRNA का नाभिक से कोशिका द्रव्य तक परिवहन,

(iv) ट्रांसलेशनल स्तर।

कोशिका में जीनों को विशिष्ट कार्य या कार्यों के समूह को करने के लिए व्यक्त किया जाता है। उदाहरण के लिए, यदि E. coli द्वारा बीटा-गैलेक्टोसिडेज़ नामक एक एंजाइम संश्लेषित किया जाता है, तो यह डाइसैकेराइड लैक्टोज़ के जलअपघटन को गैलेक्टोज़ और ग्लूकोज़ में उत्प्रेरित करने के लिए प्रयुक्त होता है; बैक्टीरिया इन्हें ऊर्जा के स्रोत के रूप में उपयोग करते हैं। इसलिए, यदि बैक्टीरिया के आसपास ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग के लिए लैक्टोज़ नहीं है, तो उन्हें बीटा-गैलेक्टोसिडेज़ एंजाइम के संश्लेषन की आवश्यकता नहीं रहती। इसलिए, सरल शब्दों में, यह चयापचयी, शारीरिक या पर्यावरणीय परिस्थितियाँ हैं जो जीनों की अभिव्यक्ति को नियंत्रित करती हैं। भ्रूण के विकास और विभेदन से वयस्क जीव में परिवर्तन भी जीनों के कई समूहों की समन्वित अभिव्यक्ति के नियंत्रण का परिणाम है।

प्रोकैरियोट्स में, ट्रांसक्रिप्शनल प्रारंभन की दर का नियंत्रण जीन अभिव्यक्ति के नियंत्रण का प्रमुख स्थल है। एक ट्रांसक्रिप्शन इकाई में, किसी दिए गए प्रोमोटर पर RNA पॉलिमरेज़ की गतिविधि बदले में सहायक प्रोटीनों के साथ अन्योन्यक्रिया द्वारा नियंत्रित होती है, जो इसकी प्रारंभिक स्थलों को पहचानने की क्षमता को प्रभावित करते हैं। ये नियामक प्रोटीन सकारात्मक (ऐक्टिवेटर) और नकारात्मक (रिप्रेसर) दोनों तरह से कार्य कर सकते हैं। प्रोकैरियोटिक DNA के प्रोमोटर क्षेत्रों की पहुंच अनेक मामलों में ऑपरेटर कहे जाने वाले अनुक्रमों के साथ प्रोटीनों की अन्योन्यक्रिया द्वारा नियंत्रित होती है। ऑपरेटर क्षेत्र अधिकांश ऑपरॉनों में प्रोमोटर तत्वों के निकट होता है और अधिकांश मामलों में ऑपरेटर के अनुक्रम एक रिप्रेसर प्रोटीन को बांधते हैं। प्रत्येक ऑपरॉन का अपना विशिष्ट ऑपरेटर और विशिष्ट रिप्रेसर होता है। उदाहरण के लिए, lac ऑपरेटर केवल lac ऑपरॉन में उपस्थित होता है और यह केवल lac रिप्रेसर के साथ विशिष्ट रूप से अन्योन्यक्रिया करता है।

6.8.1 The Lac Operon#

lac ऑपरॉन का स्पष्टीकरण भी एक जीनेटिसिस्ट, फ्रांस्वा जैकब और एक बायोकेमिस्ट, जैक मोनोड के बीच घनिष्ठ संबंध का परिणाम था। वे पहले व्यक्ति थे जिन्होंने एक ट्रांसक्रिप्शनल रूप से नियंत्रित प्रणाली को स्पष्ट किया। lac ऑपरॉन में (यहाँ lac लैक्टोज को संदर्भित करता है), एक बहुसिस्ट्रॉनिक संरचनात्मक जीन एक सामान्य प्रोमोटर और नियामक जीनों द्वारा नियंत्रित होता है। ऐसी व्यवस्था बैक्टीरिया में बहुत सामान्य है और इसे ऑपरॉन कहा जाता है। कुछ ऐसे उदाहरणों के नाम लेने के लिए, lac ऑपरॉन, trp ऑपरॉन, ara ऑपरॉन, his ऑपरॉन, val ऑपरॉन, आदि।

लैक ऑपरॉन में एक नियामक जीन (i जीन - यहाँ पद i इंड्यूसर को नहीं, बल्कि इनहिबिटर शब्द से लिया गया है) और तीन संरचनात्मक जीनें (z, y और a) होती हैं। i जीन लैक ऑपरॉन के रिप्रेसर के लिए कोड करती है। z जीन बीटा-गैलेक्टोसिडेस (β-gal) के लिए कोड करती है, जो मुख्यतः डाइसैकेराइड लैक्टोस को उसके मोनोमेरिक इकाइयों गैलेक्टोज और ग्लूकोज में हाइड्रोलाइस करने के लिए उत्तरदायी है। y जीन परमीएस के लिए कोड करती है, जो कोशिका की β-galactosides के प्रति पारगम्यता बढ़ाती है। a जीन एक ट्रांसएसिटिलेज़ को एन्कोड करती है। इस प्रकार, लैक ऑपरॉन के सभी तीन जीन उत्पाद लैक्टोस के चयापचय के लिए आवश्यक होते हैं। अधिकांश अन्य ऑपरॉनों में भी, ऑपरॉन में मौजूद जीनें एक साथ समान या संबंधित चयापचयी पथ में कार्य करने के लिए आवश्यक होती हैं (चित्र 6.14)।

चित्र 6.14 लैक ऑपरॉन

लैक्टोस एंजाइम बीटा-गैलेक्टोसिडेस का सब्सट्रेट है और यह ऑपरॉन के चालू और बंद होने को नियंत्रित करता है। इसलिए इसे इंड्यूसर कहा जाता है। जब ग्लूकोज जैसा पसंदीदा कार्बन स्रोत अनुपस्थित हो, और यदि बैक्टीरिया के वृद्धि माध्यम में लैक्टोस दिया जाए, तो लैक्टोस परमीएज़ की क्रिया के माध्यम से कोशिकाओं में परिवहित होता है (याद रखें, कोशिका में लैक ऑपरॉन की बहुत कम मात्रा में अभिव्यक्ति हमेशा मौजूद रहनी चाहिए, नहीं तो लैक्टोस कोशिका में प्रवेश नहीं कर सकता)। फिर लैक्टोस निम्नलिखित तरीके से ऑपरॉन को इंड्यूस करता है।

ऑपरॉन का रिप्रेसर i जीन से (हर समय—स्थायी रूप से) संश्लेषित होता है। रिप्रेसर प्रोटीन ऑपरॉन के ऑपरेटर क्षेत्र से बंधकर RNA पॉलीमरेज़ को ऑपरॉन का ट्रांसक्रिप्शन करने से रोकता है। इंड्यूसर—जैसे लैक्टोस या एलोलैक्टोस—की उपस्थिति में, रिप्रेसर इंड्यूसर से अन्योन्यक्रिया द्वारा निष्क्रिय हो जाता है। इससे RNA पॉलीमरेज़ को प्रमोटर तक पहुँच मिलती है और ट्रांसक्रिप्शन आगे बढ़ता है (चित्र 6.14)। मूलतः, लैक ऑपरॉन के नियमन को इसके सब्सट्रेट द्वारा एंजाइम संश्लेषण के नियमन के रूप में भी देखा जा सकता है।

याद रखें, ग्लूकोज या गैलेक्टोज लैक ऑपरॉन के लिए इंड्यूसर का कार्य नहीं कर सकते। क्या आप सोच सकते हैं कि लैक्टोस की उपस्थिति में लैक ऑपरॉन कितने समय तक अभिव्यक्त होता रहेगा?

रिप्रेसर द्वारा लैक ऑपरॉन के नियमन को ऋणात्मक नियमन कहा जाता है। लैक ऑपरॉन धनात्मक नियमन के नियंत्रण में भी होता है, परंतु यह इस स्तर पर चर्चा की सीमा से बाहर है।

6.9 मानव जीनोम परियोजना#

पिछले खंडों में आपने सीखा है कि डीएनए में आधारों का क्रम किसी दिए गए जीव की आनुवांशिक सूचना निर्धारित करता है। दूसरे शब्दों में, किसी जीव या व्यक्ति की आनुवांशिक बनावट डीएनए अनुक्रमों में निहित होती है। यदि दो व्यक्ति भिन्न हैं, तो उनके डीएनए अनुक्रम भी कम-से-कम कुछ स्थानों पर भिन्न होने चाहिए। इन मान्यताओं ने मानव जीनोम के संपूर्ण डीएनए अनुक्रम को ज्ञात करने की खोज को जन्म दिया। आनुवांशिक अभियांत्रिकी तकनीकों की स्थापना के साथ, जहाँ किसी भी डीएनए खंड को पृथक कर उसका क्लोन बनाना संभव था और डीएनए अनुक्रम निर्धारित करने के लिए सरल और तेज़ तकनीकें उपलब्ध थीं, मानव जीनोम के अनुक्रमण का एक अत्यंत महत्वाकांक्षी प्रकल्प वर्ष 1990 में प्रारंभ किया गया।

मानव जीनोम प्रकल्प (एचजीपी) को एक महाप्रकल्प कहा गया। आप इस प्रकल्प की विशालता और आवश्यकताओं की कल्पना कर सकते हैं यदि हम इसके उद्देश्यों को इस प्रकार परिभाषित करें:

मानव जीनोम में लगभग 3 x 10⁹ आधार युग्म (bp) होने का अनुमान है, और यदि अनुक्रमण की लागत प्रति आधार युग्म 3 अमेरिकी डॉलर हो (प्रारंभिक अनुमानित लागत), तो परियोजना की कुल अनुमानित लागत लगभग 9 अरब अमेरिकी डॉलर होगी। इसके अतिरिक्त, यदि प्राप्त अनुक्रमों को टाइप किए गए रूप में पुस्तकों में संग्रहीत किया जाता, और यदि पुस्तक के प्रत्येक पृष्ठ में 1000 अक्षर हों और प्रत्येक पुस्तक में 1000 पृष्ठ हों, तो एक मानव कोशिका से प्राप्त डीएनए अनुक्रम की जानकारी संग्रहीत करने के लिए ऐसी 3300 पुस्तकों की आवश्यकता होगी। उत्पन्न होने वाले विशाल मात्रा में आंकड़ों ने डेटा संग्रहण, पुनर्प्राप्ति और विश्लेषण के लिए उच्च गति के संगणनात्मक उपकरणों के उपयोग को भी आवश्यक बना दिया। एचजीपी जीव विज्ञान के एक नए क्षेत्र, जैवसूचना विज्ञान (Bioinformatics) के तीव्र विकास से निकटता से जुड़ा हुआ था।

एचजीपी के लक्ष्य
एचजीपी के कुछ महत्वपूर्ण लक्ष्य निम्नलिखित थे:

(i) मानव डीएनए में लगभग 20,000-25,000 जीनों की पहचान करना;

(ii) मानव डीएनए बनाने वाले 3 अरब रासायनिक आधार युग्मों के अनुक्रम निर्धारित करना;

(iii) इस जानकारी को डेटाबेसों में संग्रहीत करना;

(iv) डेटा विश्लेषण के लिए उपकरणों में सुधार करना;

(v) संबंधित प्रौद्योगिकियों को अन्य क्षेत्रों, जैसे उद्योगों में स्थानांतरित करना;

(vi) परियोजना से उत्पन्न होने वाले नैतिक, कानूनी और सामाजिक मुद्दों (ELSI) का समाधान करना।

मानव जीनोम परियोजना एक 13-वर्षीय परियोजना थी जिसे अमेरिकी ऊर्जा विभाग और नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ हेल्थ द्वारा समन्वित किया गया था। HGP के प्रारंभिक वर्षों के दौरान, वेलकम ट्रस्ट (यू.के.) एक प्रमुख भागीदार बन गया; जापान, फ्रांस, जर्मनी, चीन और अन्य से अतिरिक्त योगदान आया। परियोजना 2003 में पूरी हुई। व्यक्तियों के बीच डीएनए विचित्रताओं के प्रभावों के बारे में ज्ञान क्रांतिकारी नए तरीकों की ओर ले जा सकता है जिससे हजारों विकारों का निदान, उपचार और किसी दिन रोकथाम की जा सके जो मानवों को प्रभावित करते हैं। मानव जीव विज्ञान को समझने के संकेत प्रदान करने के अलावा, गैर-मानव जीवों की डीएनए अनुक्रमों के बारे में सीखना उनकी प्राकृतिक क्षमताओं की समझ की ओर ले जा सकता है जिसे स्वास्थ्य देखभाल, कृषि, ऊर्जा उत्पादन, पर्यावरण पुनर्स्थापन में चुनौतियों को हल करने की दिशा में लगाया जा सकता है। कई गैर-मानव मॉडल जीव, जैसे बैक्टीरिया, यीस्ट, कैनोरैब्डाइटिस एलिगेंस (एक मुक्त जीवित गैर-रोगजनक नेमाटोड), ड्रोसोफिला (फल मक्खी), पौधे (चावल और अरबिडोप्सिस), आदि, का भी अनुक्रमण किया गया है।

विधियाँ : विधियों में दो प्रमुख दृष्टिकोण शामिल थे। एक दृष्टिकोन उन सभी जीनों की पहचान करने पर केंद्रित था जो RNA के रूप में अभिव्यक्त होते हैं, जिन्हें एक्सप्रेस्ड सीक्वेंस टैग्स (ESTs) कहा जाता है। दूसरे ने बस पूरे जीनोम के समुच्चय का अंकन करने का अंधा दृष्टिकोण अपनाया, जिसमें सभी कोडिंग और गैर-कोडिंग अनुक्रम शामिल थे, और बाद में अनुक्रम में विभिन्न क्षेत्रों को कार्यों के साथ निर्धारित किया गया (इस प्रक्रिया को अनुक्रम एनोटेशन कहा जाता है)। अंकन के लिए, एक कोशिका से कुल DNA को अलग किया जाता है और अपेक्षाकृत छोटे आकार के यादृच्छिक टुकड़ों में परिवर्तित किया जाता है (याद रखें DNA एक बहुत लंबा बहुलक है, और बहुत लंबे DNA टुकड़ों का अंकन करने में तकनीकी सीमाएँ हैं) और विशेष वेक्टरों का उपयोग करके उपयुक्त मेज़बान में क्लोन किया जाता है। क्लोनिंग के परिणामस्वरूप प्रत्येक DNA टुकड़े का प्रवर्धन हुआ ताकि बाद में इसे आसानी से अंकित किया जा सके। सामान्यतः प्रयुक्त मेज़बान जीवाणु और यीस्ट थे, और वेक्टरों को BAC (जीवाणु कृत्रिम गुणसूत्र) और YAC (यीस्ट कृत्रिम गुणसूत्र) कहा जाता था।

आकृति 6.15 मानव जीनोम परियोजना का एक प्रतिनिधि चित्र

फ्रैग्मेंट्स को स्वचालित डीएनए सीक्वेंसरों द्वारा सीक्वेंस किया गया, जो फ्रेडरिक सेंगर द्वारा विकसित एक विधि के सिद्धांत पर काम करते थे। (याद रखें, सेंगर को प्रोटीनों में अमीनो अम्ल अनुक्रमों के निर्धारण की विधि विकसित करने का भी श्रेय दिया जाता है)। इन अनुक्रमों को फिर उनमें मौजूद कुछ ओवरलैपिंग क्षेत्रों के आधार पर व्यवस्थित किया गया। इसके लिए सीक्वेंसिंग के लिए ओवरलैपिंग फ्रैग्मेंट्स तैयार करना आवश्यक था। इन अनुक्रमों का संरेखण मानवीय रूप से संभव नहीं था। इसलिए, विशेष कंप्यूटर आधारित प्रोग्राम विकसित किए गए (चित्र 6.15)। इन अनुक्रमों को बाद में एनोटेट किया गया और प्रत्येक गुणसूत्र को सौंपा गया। गुणसूत्र 1 का अनुक्रम केवल मई 2006 में पूरा हुआ (यह 24 मानव गुणसूत्रों में से आखिरी था - 22 ऑटोसोम और X और Y - जिनका अनुक्रमण किया गया था)। एक अन्य चुनौतीपूर्ण कार्य जीनोम पर जेनेटिक और भौतिक मानचित्रों को सौंपना था। यह प्रतिबंधन एंडोन्यूक्लिएस मान्यता स्थलों के बहुरूपता और कुछ पुनरावृत्त डीएनए अनुक्रमों जिन्हें माइक्रोसैटेलाइट्स कहा जाता है, की जानकारी का उपयोग करके उत्पन्न किया गया (पुनरावृत्त डीएनए अनुक्रमों में बहुरूपता के एक अनुप्रयोग को अगले खंड डीएनए फिंगरप्रिंटिंग में समझाया जाएगा)।

6.9.1 मानव जीनोम की प्रमुख विशेषताएँ#

मानव जीनोम परियोजना से प्राप्त कुछ प्रमुख प्रेक्षण इस प्रकार हैं:

(i) मानव जीनोम में 3164.7 मिलियन bp होते हैं।

(ii) औसत जीन 3000 आधारों का होता है, लेकिन आकार बहुत भिन्न होते हैं, सबसे बड़ा ज्ञात मानव जीन डिस्ट्रोफिन है जो 2.4 मिलियन आधारों का है।

(iii) जीनों की कुल संख्या का अनुमान 30,000 लगाया गया है—यह पिछले अनुमानों 80,000 से 1,40,000 जीनों से कहीं कम है। लगभग सभी (99.9 प्रतिशत) न्यूक्लियोटाइड बेस सभी लोगों में एकदम समान होते हैं।

(iv) खोजे गए जीनों में से 50 प्रतिशत से अधिक के कार्य अज्ञात हैं।

(v) जीनोम का 2 प्रतिशत से कम हिस्सा प्रोटीनों के लिए कोड करता है।

(vi) दोहराव वाले अनुक्रम मानव जीनोम का बहुत बड़ा हिस्सा बनाते हैं।

(vii) दोहराव वाले अनुक्रम डीएनए अनुक्रम के वे हिस्से होते हैं जो कई बार दोहराए जाते हैं, कभी-कभी सौ से हजार बार। ऐसा माना जाता है कि इनका कोई प्रत्यक्ष कोडिंग कार्य नहीं होता, लेकिन ये गुणसूत्र संरचना, गतिशीलता और विकास को समझने में सहायक होते हैं।

(viii) गुणसूत्र 1 में सबसे अधिक जीन (2968) होते हैं, और Y में सबसे कम (231)।

(ix) वैज्ञानिकों ने लगभग 1.4 मिलियन स्थानों की पहचान की है जहाँ मनुष्यों में एकल-बेस डीएनए अंतर (SNPs - सिंगल न्यूक्लियोटाइड पॉलिमॉर्फिज़्म, जिसे ‘snips’ के रूप में उच्चारित किया जाता है) होते हैं। यह जानकारी रोग-संबंधी अनुक्रमों के लिए गुणसूत्रीय स्थान खोजने और मानव इतिहास का पता लगाने की प्रक्रियाओं में क्रांति लाने का वादा करती है।

6.9.2 अनुप्रयोग और भविष्य की चुनौतियाँ#

डीएनए अनुक्रमों से सार्थक ज्ञान निकालना आने वाले दशकों में शोध को परिभाषित करेगा और जैविक प्रणालियों की हमारी समझ को आगे बढ़ाएगा। इस विशाल कार्य के लिए दुनिया भर के सार्वजनिक और निजी क्षेत्रों के विविध विषयों के दसियों हज़ार वैज्ञानिकों की विशेषज्ञता और रचनात्मकता की आवश्यकता होगी। एचजी अनुक्रम होने का सबसे बड़ा प्रभावों में से एक जैविक शोध के प्रति एक क्रांतिकारी नए दृष्टिकोण को सक्षम करना हो सकता है। अतीत में, शोधकर्ता एक समय में एक या कुछ जीनों का अध्ययन करते थे। संपूर्ण-जीनोम अनुक्रमों और नई उच्च-थ्रूपुट तकनीकों के साथ, हम प्रश्नों को व्यवस्थित रूप से और बहुत व्यापक स्तर पर संभाल सकते हैं। वे जीनोम में सभी जीनों का अध्ययन कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, किसी विशेष ऊतक या अंग या ट्यूमर में सभी ट्रांसक्रिप्ट, या यह कि कैसे दसियों हज़ार जीन और प्रोटीन परस्पर जुड़े नेटवर्कों में साथ मिलकर जीवन की रसायनिकी का संचालन करते हैं।

6.10 डीएनए फिंगरप्रिंटिंग#

जैसा कि पिछले खंड में कहा गया है, मनुष्यों में आधार अनुक्रम का 99.9 प्रतिशत समान है। यदि मानव जीनोम को 3 × 10⁹ bp माना जाए, तो कितने आधार अनुक्रमों में अंतर होंगे? ये डीएनए अनुक्रम में अंतर ही हैं जो हर व्यक्ति को उनकी लक्षणीय उपस्थिति में अद्वितीय बनाते हैं। यदि किसी का लक्ष्य दो व्यक्तियों या किसी जनसंख्या के व्यक्तियों के बीच आनुवंशिक अंतर ज्ञात करना है, तो हर बार डीएनए का अनुक्रमण एक कठिन और महंगा कार्य होगा। कल्पना कीजिए कि 3 × 10⁹ आधार युग्मों के दो समूहों की तुलना करने का प्रयास किया जा रहा है। डीएनए फिंगरप्रिंटिंग किसी भी दो व्यक्तियों के डीएनए अनुक्रमों की तुलना करने का एक बहुत तेज़ तरीका है।

DNA फिंगरप्रिंटिंग में DNA अनुक्रम के कुछ विशिष्ट क्षेत्रों में अंतरों की पहचान शामिल होती है जिन्हें पुनरावृत्त DNA कहा जाता है, क्योंकि इन अनुक्रमों में DNA का एक छोटा खंड कई बार दोहराया जाता है। ये पुनरावृत्त DNA घनत्व ग्रेडिएन्ट सेंट्रीफ्यूगेशन के दौरान विभिन्न शिखरों के रूप में थोक जीनोमिक DNA से अलग हो जाते हैं। थोक DNA एक प्रमुख शिखर बनाता है और अन्य छोटे शिखरों को उपग्रह DNA कहा जाता है। आधार संरचना (A:T समृद्ध या G:C समृद्ध), खंड की लंबाई, और पुनरावृत्त इकाइयों की संख्या के आधार पर, उपग्रह DNA को कई श्रेणियों में वर्गीकृत किया जाता है, जैसे सूक्ष्म-उपग्रह, लघु-उपग्रह आदि। ये अनुक्रम सामान्यतः किसी प्रोटीन के लिए कोड नहीं करते हैं, लेकिन ये मानव जीनोम का एक बड़ा भाग बनाते हैं। ये अनुक्रम बहुपरूपता की उच्च डिग्री दिखाते हैं और DNA फिंगरप्रिंटिंग का आधार बनते हैं। चूंकि किसी व्यक्ति के प्रत्येक ऊतक (जैसे रक्त, बाल कूप, त्वचा, हड्डी, लार, शुक्राणु आदि) से प्राप्त DNA समान डिग्री की बहुपरूपता दिखाता है, वे फॉरेंसिक अनुप्रयोगों में बहुत उपयोगी पहचान उपकरण बन जाते हैं। इसके अतिरिक्त, चूंकि बहुपरूपता माता-पिता से बच्चों में वंशानुगत होती है, DNA फिंगरप्रिंटिंग विवादों की स्थिति में पितृत्व परीक्षण का आधार है।

जैसा कि डीएनए अनुक्रम में बहुरूपता (polymorphism) मानव जीनोम के आनुवंशिक मानचित्रण और डीएनए अंगुलियों के निशान (DNA fingerprinting) का आधार है, यह आवश्यक है कि हम सरल शब्दों में समझें कि डीएनए बहुरूपता का क्या अर्थ है। बहुरूपता (आनुवंशिक स्तर पर विचरण) उत्परिवर्तनों (mutations) के कारण उत्पन्न होती है। (विभिन्न प्रकार के उत्परिवर्तनों और उनके प्रभावों को याद कीजिए जिन्हें आपने अध्याय 5 और इस अध्याय के पूर्ववर्ती खंडों में पढ़ा है।) नए उत्परिवर्तन किसी व्यक्ति में या तो सोमैटिक कोशिकाओं में या जर्म कोशिकाओं में (ऐसी कोशिकाएँ जो यौन प्रजनन करने वाले जीवों में गैमेट बनाती हैं) उत्पन्न हो सकते हैं। यदि कोई जर्म कोशिका उत्परिवर्तन व्यक्ति की संतान उत्पन्न करने की क्षमता को गंभीर रूप से प्रभावित नहीं करता, तो वह उत्परिवर्तन यौन प्रजनन के माध्यम से जनसंख्या के अन्य सदस्यों में फैल सकता है। एलीलिक (अध्याय 5 से एलील्स की परिभाषा फिर से याद कीजिए) अनुक्रम विचरण को परंपरागत रूप से डीएनए बहुरूपता कहा जाता है यदि किसी लोकस पर एक से अधिक वेरिएंट (एलील) मानव जनसंख्या में 0.01 से अधिक आवृत्ति के साथ पाए जाते हैं। सरल शब्दों में, यदि किसी जनसंख्या में किसी वंशानुगत उत्परिवर्तन को उच्च आवृत्ति पर देखा जाता है, तो उसे डीएनए बहुरूपता कहा जाता है। गैर-कोडिंग डीएनए अनुक्रम में इस प्रकार के विचरण को देखे जाने की संभावना अधिक होती है क्योंकि इन अनुक्रमों में उत्परिवर्तनों का किसी व्यक्ति की प्रजनन क्षमता पर कोई तत्काल प्रभाव नहीं पड़ता। ये उत्परिवर्तन पीढ़ी दर पीढ़ी जमा होते रहते हैं और विचरण/बहुरूपता के आधारों में से एक बनते हैं। बहुरूपणों के कई प्रकार होते हैं, जो एकल न्यूक्लियोटाइड परिवर्तन से लेकर बहुत बड़े पैमाने के परिवर्तनों तक हो सकते हैं। विकास और प्रजाति-निर्माण के लिए ऐसे बहुरूपण अत्यंत महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, और आप इन्हें उच्च कक्षाओं में विस्तार से पढ़ेंगे।

डीएनए फिंगरप्रिंटिंग की तकनीक शुरू में एलेक जेफ्रीज़ द्वारा विकसित की गई थी। उन्होंने एक सैटेलाइट डीएनए को प्रोब के रूप में इस्तेमाल किया जो बहुत उच्च स्तर का बहुरूपता दिखाता है। इसे वेरिएबल नंबर ऑफ टैंडेम रिपीट्स (VNTR) कहा गया। तकनीक, जैसा कि पहले इस्तेमाल होती थी, में दक्षिणी ब्लॉट हाइब्रिडाइज़ेशन शामिल था जिसमें रेडियोलेबल किया गया VNTR प्रोब के रूप में प्रयोग किया जाता था। इसमें शामिल थे

(i) डीएनए का पृथक्करण,

(ii) प्रतिबंधक एंडोन्यूक्लिएसेज़ द्वारा डीएनए का पाचन,

(iii) विद्युत्फोरेसिस द्वारा डीएनए खंडों का पृथक्करण,

(iv) पृथक किए गए डीएनए खंडों को सिंथेटिक झिल्लियों, जैसे नाइट्रोसेल्यूलोज़ या नायलॉन, पर स्थानांतरित करना (ब्लॉटिंग),

(v) लेबल किए गए VNTR प्रोब का उपयोग करके हाइब्रिडाइज़ेशन, और

(vi) ऑटोरेडियोग्राफी द्वारा हाइब्रिडाइज़ किए गए डीएनए खंडों का पता लगाना। डीएनए फिंगरप्रिंटिंग की एक आरेखीय प्रस्तुति चित्र 6.16 में दिखाई गई है।

VNTR सैटेलाइट DNA की एक श्रेणी जिसे मिनी-सैटेलाइट कहा जाता है, से संबंधित है। एक छोटा DNA अनुक्रम बहुत सी प्रतियों में टैंडेम रूप से व्यवस्थित होता है। प्रति व्यक्ति में गुणसूत्र से गुणसूत्र तक प्रति संख्या भिन्न होती है। पुनरावृत्तियों की संख्या बहुत उच्च स्तर का बहुरूपता दिखाती है। परिणामस्वरूप VNTR का आकार 0.1 से 20 kb तक भिन्न होता है। परिणामतः, VNTR प्रोब के साथ संकरण के बाद ऑटोरेडियोग्राम भिन्न-भिन्न आकारों की कई पट्टियाँ देता है। ये पट्टियाँ किसी एक व्यक्ति के DNA के लिए एक विशिष्ट प्रतिरूप देती हैं (चित्र 6.16)। यह प्रतिरूप जनसंख्या में व्यक्ति से व्यक्ति में भिन्न होता है, सिवाय एकल-युग्मज (समान) जुड़वों के। इस तकनीक की संवेदनशीलता बढ़ाई गई है पॉलिमरेज़ चेन रिएक्शन (PCR—आप इसे अध्याय 11 में पढ़ेंगे) के प्रयोग से। परिणामस्वरूप, एकल कोशिका से प्राप्त DNA भी DNA फिंगरप्रिंटिंग विश्लेषण के लिए पर्याप्त है। फॉरेंसिक विज्ञान में अनुप्रयोग के अतिरिक्त इसका उपयोग जनसंख्या और आनुवंशिक विविधता निर्धारित करने जैसे व्यापक क्षेत्रों में होता है। वर्तमान में DNA फिंगरप्रिंट उत्पन्न करने के लिए कई भिन्न प्रोब प्रयुक्त होते हैं।

आकृति 6.16 डीएनए फिंगरप्रिंटिंग की आरेखीय प्रस्तुति : कुछ प्रतिनिधि गुणसूत्रों को दिखाया गया है जिनमें VNTR की भिन्न प्रतिलिपि संख्या है। समझने के लिए विभिन्न रंग योजनाओं का उपयोग किया गया है ताकि जेल में प्रत्येक बैंड की उत्पत्ति को ट्रेस किया जा सके। एक गुणसूत्र के दो एलील (पैतृक और मातृक) में भी VNTR की भिन्न प्रतिलिपि संख्या होती है। यह स्पष्ट है कि अपराध स्थल से प्राप्त डीएनए की बैंडिंग पैटर्न व्यक्ति B से मेल खाती है, व्यक्ति A से नहीं।

सारांश#

न्यूक्लिक अम्ल न्यूक्लियोटाइड्स के लंबे पॉलिमर होते हैं। जबकि डीएनए जेनेटिक सूचना संग्रहीत करता है, आरएनए मुख्यतः सूचना के स्थानांतरण और अभिव्यक्ति में सहायता करता है। यद्यपि डीएनए और आरएनए दोनों जेनेटिक पदार्थ के रूप में कार्य करते हैं, पर डीएनए रासायनिक और संरचनात्मक रूप से अधिक स्थिर होने के कारण बेहतर जेनेटिक पदार्थ है। तथापि, आरएनए पहले विकसित हुआ और डीएनए आरएनए से व्युत्पन्न हुआ। डबल स्ट्रैंड हेलिकल संरचना वाले डीएनए की पहचान विपरीत स्ट्रैंडों के बीसों के आधारों के मध्य हाइड्रोजन बंधन है। नियम यह है कि एडेनिन थाइमिन के साथ दो एच-बंधों द्वारा युग्मित होता है, और ग्वानिन साइटोसिन के साथ तीन एच-बंधों द्वारा। इससे एक स्ट्रैंड दूसरे की पूरक बन जाती है। डीएनए अर्ध-संरक्षित रूप से प्रतिकृत होता है, यह प्रक्रिया पूरक एच-बंधन द्वारा निर्देशित होती है। डीएनए का एक खंड जो आरएनए के लिए कोड करता है, सरल शब्दों में जीन कहलाता है। ट्रांसक्रिप्शन के दौरान भी, डीएनए का एक स्ट्रैंड टेम्पलेट के रूप में कार्य करता है ताकि पूरक आरएनए के संश्लेषण को निर्देशित कर सके। जीवाणुओं में, ट्रांस्क्राइब्ड mRNA कार्यात्मक होता है, इसलिए इसे सीधे अनुवादित किया जा सकता है। यूकैरियोट्स में, जीन विभाजित होता है। कोडिंग अनुक्रम, एक्सॉन, गैर-कोडिंग अनुक्रम, इंट्रॉन द्वारा बाधित होते हैं। इंट्रॉन हटा दिए जाते हैं और एक्सॉन जोड़े जाते हैं ताकि स्प्लिसिंग द्वारा कार्यात्मक आरएनए उत्पन्न हो सके। मैसेंजर आरएनए में आधार अनुक्रम होते हैं जिन्हें तीन-तीन के संयोजन में (ट्रिपलेट जेनेटिक कोड बनाने के लिए) पढ़ा जाता है ताकि एक अमीनो अम्ल के लिए कोड किया जा सके। जेनेटिक कोड पुनः पूरकता के सिद्धांत पर tRNA द्वारा पढ़ा जाता है जो एडाप्टर अणु के रूप में कार्य करता है। प्रत्येक अमीनो अम्ल के लिए विशिष्ट tRNA होते हैं। tRNA एक सिरे पर विशिष्ट अमीनो अम्ल से बंधता है और अपने एंटीकोडॉन के माध्यम से mRNA पर कोडों के साथ एच-बंधन द्वारा युग्मित होता है। अनुवाद (प्रोटीन संश्लेषण) का स्थल राइबोसोम होते हैं, जो mRNA से बंधते हैं और अमीनो अम्लों के जुड़ने के लिए मंच प्रदान करते हैं। एक rRNA पेप्टाइड बंधन निर्माण के लिए उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है, जो आरएनए एंजाइम (राइबोजाइम) का एक उदाहरण है। अनुवाद एक ऐसी प्रक्रिया है जो आरएनए के चारों ओर विकसित हुई है, यह दर्शाता है कि जीवन आरएनए के चारों ओर प्रारंभ हुआ। चूँकि ट्रांसक्रिप्शन और अनुवाद ऊर्जा की दृष्टि से बहुत महँगी प्रक्रियाएँ हैं, इन्हें कड़ाई से नियंत्रित करना पड़ता है। जीन अभिव्यक्ति के नियंत्रण के लिए ट्रांसक्रिप्शन का नियंत्रण प्राथमिक चरण है। जीवाणुओं में, एक से अधिक जीन एक साथ व्यवस्थित होते हैं और ऑपरॉन नामक इकाइयों में नियंत्रित होते हैं। लैक ऑपरॉन जीवाणुओं में प्रोटोटाइप ऑपरॉन है, जो लैक्टोस के चयापचय के लिए उत्तरदायी जीनों के लिए कोड करता है। ऑपरॉन उस माध्यम में लैक्टोस की मात्रा द्वारा नियंत्रित होता है जहाँ जीवाणु पनपते हैं। इसलिए, यह नियंत्रण एंजाइम संश्लेषण को इसके सब्सट्रेट द्वारा नियंत्रित करने के रूप में भी देखा जा सकता है।

मानव जीनोम प्रोजेक्ट एक विशाल परियोजना थी जिसका उद्देश्य मानव जीनोम के प्रत्येक आधार को अनुक्रमित करना था। इस परियोजना ने बहुत सी नई जानकारी दी है। इस परियोजना के परिणामस्वरूप कई नए क्षेत्र और मार्ग खुल गए हैं। डीएनए फिंगरप्रिंटिंग एक ऐसी तकनीक है जो किसी जनसंख्या के व्यक्तियों में डीएनए स्तर पर विविधताएँ ज्ञात करने के लिए होती है। यह डीएनए अनुक्रमों में बहुरूपता के सिद्धांत पर काम करती है। इसके फॉरेंसिक विज्ञान, आनुवंशिक जैव विविधता और विकासवादी जीव विज्ञान के क्षेत्र में अत्यंत उपयोग हैं।

अभ्यास#

1. निम्नलिखित को नाइट्रोजनीय क्षारों और न्यूक्लियोसाइड्स के रूप में वर्गीकृत करें: एडेनिन, साइटिडिन, थाइमिन, ग्वानोसिन, यूरेसिल और साइटोसिन।

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उत्तर

सूची में मौजूद नाइट्रोजनीय क्षार हैं: एडेनिन, थाइमिन, यूरेसिल और साइटोसिन।

सूची में मौजूद न्यूक्लियोसाइड्स हैं: साइटिडिन और ग्वानोसिन।

2. यदि एक द्वि-श्रृंखला DNA में 20 प्रतिशत साइटोसिन है, तो DNA में एडेनिन का प्रतिशत गणना करें।

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उत्तर

चारगाफ़ के नियम के अनुसार, DNA अणु में पिरिमिडिन (साइटोसिन और थाइमिन) और प्यूरिन (एडेनिन और ग्वानिन) का समान अनुपात होना चाहिए। इसका अर्थ है कि एडेनिन अणुओं की संख्या थाइमिन अणुओं के बराबर होती है और ग्वानिन अणुओं की संख्या साइटोसिन अणुओं के बराबर होती है।

$% \mathrm{~A}=% \mathrm{~T}$ और $% \mathrm{G}=% \mathrm{C}$

यदि dsDNA में 20 % साइटोसिन है, तो नियम के अनुसार इसमें 20 % ग्वानिन होगा।

इस प्रकार, $\mathrm{G}+\mathrm{C}$ सामग्री का प्रतिशत = 40 %

शेष 60 % दोनों $\mathrm{A}+\mathrm{T}$ अणुओं को दर्शाता है। चूँकि एडेनिन और ग्वानिन हमेशा समान संख्या में उपस्थित होते हैं, एडेनिन अणु का प्रतिशत 30 % है।

3. यदि DNA की एक श्रृंखला का क्रम इस प्रकार लिखा गया है:

5’ -ATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGC-3'

5’ →3’ दिशा में पूरक श्रृंखला का क्रम लिखें।

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उत्तर

DNA के दोनों स्ट्रैंड्स क्रम के संदर्भ में एक-दूसरे के पूरक होते हैं। इसलिए, यदि DNA के एक स्ट्रैंड का क्रम है

तब, पूरक स्ट्रैंड का क्रम $5^{\prime}$ से $3^{\prime}$ दिशा में होगा

3’- TACGTACGTACGTACGTACGTACGTACG - 5'

इसलिए, DNA पॉलीपेप्टाइड पर न्यूक्लियोटाइड्स का क्रम $5^{\prime}$ से $3^{\prime}$ दिशा में है

5’- GCATGCATGCATGCATGCATGCATGCAT - 3'

5’- ATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGC - 3'

4. यदि ट्रांसक्रिप्शन यूनिट में कोडिंग स्ट्रैंड का क्रम इस प्रकार लिखा गया है:

5’ -ATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGC-3'

mRNA का क्रम लिखिए।

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उत्तर

यदि ट्रांसक्रिप्शन यूनिट में कोडिंग स्ट्रैंड है

5’- ATGCATGCATGCATGCATGCATGCATGC-3'

तब, टेम्प्लेट स्ट्रैंड $3^{\prime}$ से $5^{\prime}$ दिशा में होगा

3’ - TACGtACGTACGTACGTACGTACGTACG-5'

यह ज्ञात है कि mRNA का क्रम DNA के कोडिंग स्ट्रैंड के समान होता है।

हालांकि, RNA में थाइमिन की जगह यूरासिल होता है।

इसलिए, mRNA का क्रम होगा

5’ - AUGCAUGCAUGCAUGCAUGCAUGCAUGC-3'

5. DNA डबल हेलिक्स का कौन-सा गुण वॉटसन और क्रिक ने अर्ध-संरक्षित DNA प्रतिकृतिकरण के पूर्वानुमान के लिए उत्तरदायी माना? समझाइए।

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उत्तर

वॉटसन और क्रिक ने देखा कि डीएनए की दोनों स्ट्रैंड्स एक-दूसरे के प्रति एंटी-पैरेलल और पूरक होती हैं अपने बेस अनुक्रमों के संदर्भ में। डीएनए अणु में इस प्रकार की व्यवस्था ने इस परिकल्पना को जन्म दिया कि डीएनए प्रतिकृतिकरण अर्ध-संरक्षी होता है। इसका अर्थ है कि द्विस्ट्रैंड वाला डीएनए अणु पृथक होता है और फिर, प्रत्येक पृथक स्ट्रैंड एक नई पूरक स्ट्रैंड के संश्लेषण के लिए एक टेम्पलेट के रूप में कार्य करती है। परिणामस्वरूप, प्रत्येक डीएनए अणु में एक मातृ स्ट्रैंड और एक नवसंश्लेषित पुत्री स्ट्रैंड होगी।

चूँकि प्रत्येक पुत्री अणु में केवल एक मातृ स्ट्रैंड संरक्षित रहती है, इसे प्रतिकृतिकरण का अर्ध-संरक्षी प्रकार कहा जाता है।

novar $\rightarrow$ Novar

मातृ स्ट्रैंड

पुत्री स्ट्रैंड

6. टेम्पलेट (डीएनए या आरएनए) की रासायनिक प्रकृति और उससे संश्लेषित न्यूक्लिक अम्ल (डीएनए या आरएनए) की प्रकृति के आधार पर, न्यूक्लिक अम्ल पॉलिमरेज़ों के प्रकारों की सूची बनाइए।

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उत्तर

न्यूक्लिक अम्ल पॉलिमरेज़ों के दो भिन्न प्रकार होते हैं।

(1) डीएनए-निर्भर डीएनए पॉलिमरेज़

(2) डीएनए-निर्भर आरएनए पॉलिमरेज़

डीएनए-निर्भर डीएनए पॉलिमरेज़ डीएनए के एक नए स्ट्रैंड के संश्लेषण के लिए डीएनए टेम्पलेट का उपयोग करते हैं, जबकि डीएनए-निर्भर आरएनए पॉलिमरेज़ आरएनए के संश्लेषण के लिए डीएनए टेम्पलेट स्ट्रैंड का उपयोग करते हैं।

7. हर्शे और चेस ने डीएनए और प्रोटीन के बीच अंतर कैसे किया अपने प्रयोग में जब वे यह सिद्ध कर रहे थे कि डीएनए आनुवंशिक पदार्थ है?

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उत्तर

हर्शे और चेस ने बैक्टीरियोफेज और ई.कोलाई के साथ काम करके यह सिद्ध किया कि DNA आनुवंशिक पदार्थ है। उन्होंने बैक्टीरियोफेज के DNA और प्रोटीन कोट को चिह्नित करने के लिए विभिन्न रेडियोधर्मी समस्थानिकों का उपयोग किया।

उन्होंने कुछ बैक्टीरियोफेजों को रेडियोधर्मी फॉस्फोरस $\left({ }^{32} \mathrm{P}\right)$ युक्त माध्यम पर DNA की पहचान के लिए और कुछ को रेडियोधर्मी सल्फर $\left({ }^{35} \mathrm{~S}\right)$ युक्त माध्यम पर प्रोटीन की पहचान के लिए उगाया। फिर इन रेडियोधर्मी चिह्नित फेजों को ई.कोलाई बैक्टीरिया को संक्रमित करने की अनुमति दी गई। संक्रमण के बाद, बैक्टीरियोफेज के प्रोटीन कोट को बैक्टीरियल कोशिका से ब्लेंडिंग द्वारा अलग किया गया और फिर सेंट्रिफ्यूगेशन की प्रक्रिया के अधीन किया गया।

चूंकि प्रोटीन कोट हल्का था, यह सुपरनेटेंट में पाया गया जबकि संक्रमित बैक्टीरिया सेंट्रिफ्यूज ट्यूब के तले में बैठ गए। इस प्रकार, यह सिद्ध हुआ कि DNA आनुवंशिक पदार्थ है क्योंकि यह वायरस से बैक्टीरिया में स्थानांतरित हुआ था।

हर्शे और चेस प्रयोग

8. निम्नलिखित के बीच अंतर बताइए:

(a) पुनरावृत्त DNA और उपग्रह DNA

(b) mRNA और tRNA

(c) टेम्पलेट स्ट्रैंड और कोडिंग स्ट्रैंड

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उत्तर

(a) पुनरावृत्त DNA और उपग्रह DNA

	पुनरावृत्त डीएनए	सैटेलाइट डीएनए
1.	पुनरावृत्त डीएनए वे डीएनए अनुक्रम होते हैं जिनमें छोटे खंड होते हैं, जो कई बार दोहराए जाते हैं।	सैटेलाइट डीएनए वे डीएनए अनुक्रम होते हैं जिनमें अत्यधिक पुनरावृत्त डीएनए होता है।

(b) mRNA और tRNA

	mRNA	tRNA
1.	mRNA या मैसेंजर RNA ट्रांसक्रिप्शन की प्रक्रिया के लिए एक टेम्पलेट के रूप में कार्य करता है।	tRNA या ट्रांसफर RNA एक अनुकूलक अणु के रूप में कार्य करता है जो एक विशिष्ट अमीनो अम्ल को mRNA तक पॉलिपेप्टाइड के संश्लेषण के लिए ले जाता है।
2.	यह एक रेखीय अणु होता है।	इसकी आकृति तिपतिया पत्ती जैसी होती है।

(c) टेम्पलेट स्ट्रैंड और कोडिंग स्ट्रैंड

	टेम्पलेट स्ट्रैंड	कोडिंग स्ट्रैंड
1.	डीएनए का टेम्पलेट स्ट्रैंड ट्रांसक्रिप्शन के दौरान mRNA के संश्लेषण के लिए एक टेम्पलेट के रूप में कार्य करता है।	कोडिंग स्ट्रैंड डीएनए का एक अनुक्रम है जिसमें वही आधार अनुक्रम होता है जो mRNA में होता है (सिवाय थाइमिन के जो डीएनए में यूरेसिल से प्रतिस्थापित हो जाता है)।
2.	यह 3’ से 5’ दिशा में चलता है।	यह 5’ से 3’ दिशा में चलता है।

9. अनुवाद के दौरान राइबोसोम की दो आवश्यक भूमिकाएँ लिखिए।

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उत्तर

अनुवाद के दौरान राइबोसोम की महत्वपूर्ण कार्य इस प्रकार हैं।

(a) राइबोसोम वह स्थल है जहाँ व्यक्तिगत अमीनो अम्लों से प्रोटीन संश्लेषण होता है। यह दो उपइकाइयों से बना होता है।

छोटी उपइकाई mRNA से संपर्क करती है और प्रोटीन संश्लेषण करने वाला संकुल बनाती है जबकि बड़ी उपइकाई अमीनो अम्ल बाइंडिंग स्थल के रूप में कार्य करती है।

(b) राइबोसोम पेप्टाइड बॉन्ड बनाने के लिए उत्प्रेरक का कार्य करता है। उदाहरण के लिए, जीवाणुओं में 23s r-RNA राइबोज़ाइम के रूप में कार्य करता है।

10. जिस माध्यम में E. coli बढ़ रही थी, उसमें लैक्टोज मिलाया गया, जिससे lac ऑपरॉन प्रेरित हुआ। फिर लैक्टोज मिलाने के कुछ समय बाद lac ऑपरॉन बंद क्यों हो जाता है?

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उत्तर

Lac ऑपरॉन DNA का एक खंड है जो तीन संलग्न संरचनात्मक जीनों—ऑपरेटर जीन, प्रमोटर जीन और नियामक जीन—से बना होता है। यह लैक्टोज को ग्लूकोज और गैलेक्टोज में चयापचय करने के लिए समन्वित तरीके से कार्य करता है।

Lac ऑपरॉन में लैक्टोज एक प्रेरक के रूप में कार्य करता है। यह रिप्रेसर से बांधकर उसे निष्क्रिय कर देता है। एक बार लैक्टोज रिप्रेसर से बांध लेता है, तो RNA पॉलिमरेज प्रमोटर क्षेत्र से बांधता है। इससे तीनों संरचनात्मक जीन अपने उत्पाद व्यक्त करती हैं और संबंधित एंजाइम बनते हैं। ये एंजाइम लैक्टोज पर कार्य करते हैं ताकि लैक्टोज ग्लूकोज और गैलेक्टोज में चयापचयित हो जाए।

कुछ समय बाद, जब प्रेरक का स्तर घट जाता है क्योंकि वह एंजाइमों द्वारा पूरी तरह चयापचयित हो चुका होता है, तो यह नियामक जीन से रिप्रेसर के संश्लेषण का कारण बनता है। रिप्रेसर ऑपरेटर जीन से बांधकर RNA पॉलिमरेज को ऑपरॉन का ट्रांसक्रिप्शन करने से रोकता है। इस प्रकार ट्रांसक्रिप्शन बंद हो जाता है। इस प्रकार के नियमन को ऋणात्मक नियमन कहा जाता है।

रिप्रेसर

11. निम्नलिखित के कार्य को (एक या दो पंक्तियों में) समझाइए:

(a) प्रोमोटर

(b) tRNA

(c) एक्सॉन

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उत्तर

(a) प्रोमोटर

प्रोमोटर डीएनए का एक क्षेत्र है जो ट्रांसक्रिप्शन की प्रक्रिया प्रारंभ करने में सहायता करता है। यह आरएनए पॉलिमरेज़ के लिए बाइंडिंग साइट के रूप में कार्य करता है।

(b) tRNA

tRNA या ट्रांसफर आरएनए एक छोटा आरएनए है जो mRNA पर मौजूद जेनेटिक कोड को पढ़ता है। यह प्रोटीन के अनुवाद के दौरान राइबोसोम पर mRNA के पास विशिष्ट अमीनो एसिड ले जाता है।

(c) एक्सॉन

एक्सॉन यूकैरियोट्स में डीएनए की कोडिंग सीक्वेंस होती हैं जो प्रोटीन के लिए ट्रांसक्राइब होती हैं।

12. मानव जीनोम परियोजना को मेगा प्रोजेक्ट क्यों कहा जाता है?

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उत्तर

मानव जीनोम परियोजना को एक विशाल परियोजना माना गया क्योंकि इसका एक विशिष्ट लक्ष्य था—मानव जीनोम में मौजूद प्रत्येक बेस जोड़ी का अनुक्रमण करना। इसके पूरा होने में लगभग 13 वर्ष लगे और यह वर्ष 2006 में पूरी हुई। यह एक बड़े पैमाने की परियोजना थी, जिसका उद्देश्य जीनोमिक अध्ययन के क्षेत्र में नई तकनीक विकसित करना और नई जानकारी उत्पन्न करना था। इसके परिणामस्वरूप जेनेटिक्स, बायोटेक्नोलॉजी और मेडिकल साइंसेज़ के क्षेत्र में कई नए क्षेत्र और अवसर खुले हैं। इसने मानव जीव विज्ञान को समझने के संबंध में संकेत प्रदान किए।

13. डीएनए फिंगरप्रिंटिंग क्या है? इसके अनुप्रयोगों का उल्लेख कीजिए।

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उत्तर

डीएनए फिंगरप्रिंटिंग एक तकनीक है जिसका उपयोग विभिन्न व्यक्तियों में डीएनए स्तर पर विभिन्नताओं की पहचान और विश्लेषण करने के लिए किया जाता है। यह डीएनए अनुक्रमों में विभिन्नता और बहुरूपता पर आधारित है।

अनुप्रयोग

(1) इसका उपयोग फॉरेंसिक विज्ञान में संभावित अपराधियों की पहचान करने के लिए किया जाता है।

(2) इसका उपयोग पैतृत्व और पारिवारिक संबंधों को स्थापित करने के लिए किया जाता है।

(3) इसका उपयोग फसलों और पशुधन की वाणिज्यिक किस्मों की पहचान और सुरक्षा के लिए किया जाता है।

(4) इसका उपयोग किसी जीव की विकासवादी इतिहास जानने और विभिन्न जीव समूहों के बीच संबंधों का पता लगाने के लिए किया जाता है।

14. निम्नलिखित का संक्षेप में वर्णन कीजिए:

(a) ट्रांसक्रिप्शन

(b) बहुरूपता

(c) ट्रांसलेशन

(d) बायोइनफॉर्मेटिक्स

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उत्तर

(a) ट्रांसक्रिप्शन

प्रतिलेखन DNA टेम्पलेट से RNA के संश्लेषण की प्रक्रिया है। प्रक्रिया के दौरान DNA के एक खंड की प्रतिलिपि mRNA में बनती है। प्रतिलेखन की प्रक्रिया टेम्पलेट DNA के प्रमोटर क्षेत्र से प्रारंभ होती है और टर्मिनेटर क्षेत्र पर समाप्त होती है। इन दोनों क्षेत्रों के बीच का DNA खंड प्रतिलेखन इकाई कहलाता है। प्रतिलेखन के लिए RNA पॉलिमरेज़ एंजाइम, एक DNA टेम्पलेट, चार प्रकार की राइबोन्यूक्लियोटाइड्स और $\mathrm{Mg}^{2+}$ जैसे कुछ सहकारक आवश्यक होते हैं।

प्रतिलेखन की प्रक्रिया के दौरान होने वाली तीन महत्वपूर्ण घटनाएं इस प्रकार हैं।

(i) प्रारंभ

(ii) विस्तार

(iii) समापन

DNA-निर्भर RNA पॉलिमरेज़ और कुछ प्रारंभ कारक ($\tilde{A} E^{\prime}$) टेम्पलेट स्ट्रैंड के प्रमोटर क्षेत्र में द्वि-स्त्रांड DNA से बंधते हैं और प्रतिलेखन की प्रक्रिया प्रारंभ करते हैं। RNA पॉलिमरेज़

डीएनए और यह डीएनए डुप्लेक्स को दो अलग-अलग स्ट्रैंड में अनवाइंड करता है। फिर, स्ट्रैंड में से एक, जिसे सेंस स्ट्रैंड कहा जाता है, mRNA संश्लेषण के लिए टेम्पलेट के रूप में कार्य करता है। एंजाइम, RNA पॉलिमरेज, न्यूक्लियोसाइड ट्राइफॉस्फेट्स (dNTPs) को कच्चे माल के रूप में उपयोग करता है और टेम्पलेट डीएनए पर मौजूद पूरक आधारों के अनुसार उन्हें mRNA बनाने के लिए पॉलिमराइज़ करता है। हेलिक्स के खुलने और पॉलिन्यूक्लियोटाइड श्रृंखला के विस्तार की यह प्रक्रिया तब तक जारी रहती है जब तक एंजाइम टर्मिनेटर क्षेत्र तक नहीं पहुंच जाता। जैसे ही RNA पॉलिमरेज टर्मिनेटर क्षेत्र तक पहुंचता है, नव-संश्लेषित mRNA ट्रांसक्रिप्ट एंजाइम के साथ रिलीज़ हो जाता है। ट्रांसक्रिप्शन के समापन के लिए एक अन्य कारक जिसे टर्मिनेटर कारक ( $\tilde{A} \hat{A})$ कहा जाता है, की आवश्यकता होती है।

(b) बहुरूपता

बहुरूपता (Polymorphism) जीनेटिक विभिन्नता का एक रूप है जिसमें DNA अणु के किसी विशेष स्थान पर भिन्न न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम मौजूद हो सकते हैं। यह वंशानुगत उत्परिवर्तन किसी जनसंख्या में उच्च आवृत्ति पर देखा जाता है। यह शरीर कोशिका या जनन कोशिका में उत्परिवर्तन के कारण उत्पन्न होता है। जनन कोशिका उत्परिवर्तन माता-पिता से उनकी संतानों तक स्थानांतरित हो सकता है। इससे जनसंख्या में विभिन्न उत्परिवर्तन संचित होते हैं, जिससे जनसंख्या में विभिन्नता और बहुरूपता उत्पन्न होती है। यह विकास और प्रजाति-निर्माण की प्रक्रिया में बहुत महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

(c) अनुवाद (Translation)

अनुवाद ऐमीनो अम्लों को बहुलकित करके पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला बनाने की प्रक्रिया है। mRNA में आधार युग्मों की त्रिक अनुक्रम पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला में ऐमीनो अम्लों के क्रम और अनुक्रम को निर्धारित करती है।

अनुवाद की प्रक्रिया में तीन चरण शामिल होते हैं।

(i) प्रारंभ (Initiation)

(ii) विस्तार (Elongation)

(iii) समापन (Termination)

अनुवाद प्रारंभ होने के दौरान, tRNA चार्ज हो जाती है जब अमीनो अम्ल ATP का उपयोग करके उससे जुड़ता है। mRNA पर मौजूद प्रारंभ (आरंभ) कोडन (AUG) केवल चार्ज की गई tRNA द्वारा ही पहचाना जाता है। राइबोसोम अनुवाद की प्रक्रिया का वास्तविक स्थल होता है और इसमें बड़े सबयूनिट में दो अलग-अलग स्थल होते हैं जहाँ बाद के अमीनो अम्ल जुड़ते हैं। राइबोसोम का छोटा सबयूनिट mRNA से प्रारंभ कोडन (AUG) पर जुड़ता है, जिसके बाद बड़ा सबयूनिट जुड़ता है। फिर यह अनुवाद की प्रक्रिया प्रारंभ करता है। दीर्घीकरण प्रक्रिया के दौरान, राइबोसोम mRNA के साथ एक कोडन नीचे की ओर बढ़ता है ताकि दूसरी चार्ज की गई tRNA के जुड़ने के लिए स्थान बन सके। tRNA द्वारा लाया गया अमीनो अम्ल पिछले अमीनो अम्ल से पेप्टाइड बंध के माध्यम से जुड़ जाता है और यह प्रक्रिया जारी रहती है जिससे एक पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला का निर्माण होता है। जब राइबोसोम एक या अधिक स्टॉप कोडन (UAA, UAG, और UGA) तक पहुंचता है, तो अनुवाद की प्रक्रिया समाप्त हो जाती है। पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला को छोड़ दिया जाता है और राइबोसोम mRNA से अलग हो जाते हैं।

प्रोटीनों का अनुवाद

(d) जैव सूचना विज्ञान

बायोइनफॉर्मेटिक्स जैविक डेटा के प्रबंधन और विश्लेषण से उत्पन्न व्यावहारिक समस्याओं को हल करने के लिए कम्प्यूटेशनल और सांख्यिकीय तकनीकों का अनुप्रयोग है। यह जैविक डेटा के प्रबंधन और विश्लेषण से उत्पन्न व्यावहारिक समस्याओं को हल करता है। बायोइनफॉर्मेटिक्स का क्षेत्र मानव जीनोम प्रोजेक्ट (HGP) के पूरा होने के बाद विकसित हुआ। ऐसा इसलिए है क्योंकि HGP की प्रक्रिया के दौरान भारी मात्रा में डेटा उत्पन्न हुआ है जिसे विभिन्न वैज्ञानिकों द्वारा भविष्य में उपयोग के लिए आसान पहुंच और व्याख्या के लिए प्रबंधित और संग्रहीत करना है। इसलिए, बायोइनफॉर्मेटिक्स जैविक डेटाबेस के निर्माण को शामिल करता है जो जीव विज्ञान की विशाल जानकारी को संग्रहीत करते हैं।

यह जानकारी की आसान और कुशल पहुंच और इसके उपयोग के लिए कुछ उपकरण विकसित करता है। बायोइनफॉर्मेटिक्स ने डेटा के बीच संबंध खोजने, प्रोटीन संरचना और उनके कार्यों की भविष्यवाणी करने और प्रोटीन अनुक्रमों को उनके संबंधित परिवारों में समूहित करने के लिए नए एल्गोरिदम और सांख्यिकीय विधियां विकसित की हैं।