पिछले अध्याय में आपने वंशानुक्रम के प्रतिरूपों और ऐसे प्रतिरूपों के आनुवंशिक आधार को सीखा है। मेंडेल के समय उन ‘कारकों’ की प्रकृति स्पष्ट नहीं थी जो वंशानुक्रम के प्रतिरूप को नियंत्रित करते हैं। अगले सौ वर्षों तक कथित आनुवंशिक पदार्थ की प्रकृति की जाँच की गई, जिसका परिणाम यह हुआ कि DNA - डिऑक्सीराइबोन्यूक्लिक अम्ल - आनुवंशिक पदार्थ है, कम-से-कम अधिकांश जीवों के लिए। कक्षा XI में आपने सीखा है कि न्यूक्लिक अम्ल न्यूक्लियोटाइडों के बहुलक होते हैं।

डिऑक्सीराइबोन्यूक्लिक एसिड (DNA) और राइबोन्यूक्लिक एसिड (RNA) जीवित तंत्रों में पाए जाने वाले दो प्रकार के न्यूक्लिक एसिड 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 अधिकतर 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 ग्यारह में आपने पहले ही न्यूक्लियोटाइडों की संरचनाएँ और इन मोनोमर इकाइयों को न्यूक्लिक एसिड बहुलकों से जोड़ने के तरीके सीखे हैं। इस अध्याय में हम DNA की संरचना, उसकी प्रतिकृतिकरण, DNA से RNA बनाने की प्रक्रिया (ट्रांसक्रिप्शन), वह आनुवंशिक कोड जो प्रोटीनों में अमीनो अम्लों की अनुक्रमणा निर्धारित करता है, प्रोटीन संश्लेषण की प्रक्रिया (ट्रांसलेशन) और उनके नियंत्रण 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 उसके परिणामों पर भी चर्चा की जाएगी।

आइए हम अपनी चर्चा की शुरुआत सबसे पहले जीवित तंत्र 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

DNA डीऑक्सीराइबोन्यूक्लिओटाइडों का एक लंबा पॉलिमर है। DNA की लंबा आमतौर पर उसमें मौजूद न्यूक्लिओटाइडों की संख्या (या न्यूक्लिओटाइड युग्म जिसे बेस जोड़े कहा जाता है) से परिभाषित की जाती है। यह किसी जीव की विशेषता भी होती है। उदाहरण के लिए, φ ×174 नामक एक बैक्टीरियोफेज में 5386 न्यूक्लिओटाइड होते हैं, बैक्टीरियोफेज लैम्बडा में 48502 बेस जोड़े (bp) होते हैं, एस्चेरिचिया कोलाई में 4.6 × 106 bp होते हैं, और मानव DNA की एकल प्रति सामग्री में 3.3 × 109 bp होते हैं। 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 पेन्टोज शर्करा (RNA के लिए राइबोज और DNA के लिए डीऑक्सीराइबोज), और एक फॉस्फेट समूह। नाइट्रोजनीय क्षार दो प्रकार के होते हैं - प्यूरीन्स (एडेनिन और ग्वानिन), और पायरीमिडिन्स (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 पेन्टोज शर्करा के OH से N-ग्लाइकोसाइडिक 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 देखने पर 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 जुड़कर एक बहु-न्यूक्लियोटाइड श्रृंखला बना सकते हैं। 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 के पास 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 (चित्र 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 थाइमिन (5-मेथिल यूरासिल, थाइमिन का एक अन्य रासायनिक नाम) के स्थान पर यूरासिल पाया जाता है।

DNA को नाभिक में मौजूद एक अम्लीय पदार्थ के रूप में पहली बार फ्रेडरिक मीशर ने 1869 में पहचाना था। उसने इसे ‘न्यूक्लीइन’ नाम दिया। हालांकि, इतने लंबे बहुलक को अखंड रूप से पृथक 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 सरल लेकिन प्रसिद्ध डबल हेलिक्स मॉडल प्रस्तावित किया। उनके प्रस्ताव की एक विशेषता पॉलीन्यूक्लियोटाइड श्रृंखलाओं की दो स्ट्रैंडों के बीच बेस जोड़ी बनाना था। हालांकि, यह प्रस्ताव एरविन चारगाफ के प्रेक्षण पर भी आधारित था कि डबल स्ट्रैंडेड DNA के लिए, एडेनिन और थाइमिन तथा ग्वानिन और साइटोसिन के बीच अनुपात स्थिर होता है और एक के बराबर होता है।

आधार युग्मन पॉलिन्यूक्लियोटाइड श्रृंखलाओं को एक अत्यंत अनूठा गुण प्रदान करता है। इन्हें एक-दूसरे के पूरक कहा जाता है, और इसलिए यदि एक स्ट्रैंड में आधारों की क्रमिकता ज्ञात हो जाए तो दूसरे स्ट्रैंड की क्रमिकता का अनुमान लगाया जा सकता है। साथ ही, यदि किसी DNA की प्रत्येक स्ट्रैंड (इसे मातृ DNA कहते हैं) एक नई स्ट्रैंड के संश्लेषण के लिए टेम्पलेट के रूप में कार्य करे, तो इस प्रकार बने दो द्विसूत्री DNA (इन्हें पुत्री DNA कहते हैं) मातृ DNA अणु के समान होंगे। इस कारण, DNA की संरचना के आनुवंशिक निहितार्थ अत्यंत स्पष्ट हो गए।

DNA की द्विकुंडलित संरचना की प्रमुख विशेषताएँ इस प्रकार हैं:

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

(ii) दोनों श्रृंखलाएँ प्रतिसमानांतर ध्रुवता रखती हैं। इसका अर्थ है, यदि एक श्रृंखला की ध्रुवता 5’ à3’ है, तो दूसरे की 3’ à5’ है।

(iii) दोनों स्ट्रैंडों के आधार हाइड्रोजन बंधों (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 उल्टा भी सत्य है। इसी प्रकार, ग्वानिन साइटोसिन के साथ तीन H-bonds से बंधता है। परिणामस्वरूप, सदा एक प्यूरीन एक पिरिमिडिन के सामने आता है। इससे कुंडलित 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 वायरसों में सूचना का प्रवाह उलटी 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 की पैकेजिंग

यदि लगातार दो 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 लगातार 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 लंबाई जो कि एक विशिष्ट नाभिक के आयाम (लगभग 10–6 m) से कहीं अधिक है। इतनी लंबी पॉलिमर कोशिका में कैसे पैक की जाती 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 नहीं होता है। DNA (जो ऋणावेशित होता है) कुछ प्रोटीनों (जो धनावेशित होते हैं) के साथ एक क्षेत्र में पकड़ा जाता है जिसे ‘न्यूक्लियॉइड’ कहा जाता है। न्यूक्लियॉइड में DNA बड़े लूपों में व्यवस्थित होता है जो प्रोटीनों द्वारा पकड़े जाते हैं।

आकृति 6.4 a न्यूक्लियोसोम

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 तभी आवेश प्राप्त करता है जब उसमें आवेशित साइड चेन वाले अमीनो अम्ल अवशेष प्रचुर मात्रा में हों। हिस्टोन क्षारीय अमीनो अम्ल अवशेष लाइसिन और आर्जिनिन से भरपूर होते हैं। दोनों अमीनो अम्ल अवशेष अपनी साइड चेन में धनात्मक आवेश लेते 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 न्यूक्लियस में पाए जाने वाली एक संरचना की दोहराने वाली इकाई बनाते हैं जिसे क्रोमैटिन कहा जाता है, यह न्यूक्लियस में दिखाई देने वाली धागे जैसी रंगी हुई संरचनाएँ होती हैं। क्रोमैटिन में मौजूद न्यूक्लियोसोम जब इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (ई.एम.) के नीचे देखे जाते हैं तो ‘डोरी पर मनके’ जैसी संरचना प्रतीत होती हैं (चित्र 6.4 b)।

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

क्रोमेटिन में मोती-तार संरचना को पैक किया जाता है ताकि क्रोमेटिन फाइबर बन सकें, जो कोशिका विभाजन के मेटाफेज चरण में और भी अधिक लपेटे और संघनित होकर गुणसूत्र बनाते हैं। उच्च स्तर पर क्रोमेटिन 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, क्रोमेटिन के कुछ क्षेत्र ढीले ढाले पैक होते हैं (और हल्का रंग लेते हैं) और इन्हें यूक्रोमेटिन कहा जाता है। जो क्रोमेटिन अधिक घनिष्ठ रूप से पैक होता है और गहरा रंग लेता है, उसे हेट्रोक्रोमेटिन कहा जाता है। यूक्रोमेटिन को ट्रांसक्रिप्शनल रूप से सक्रिय क्रोमेटिन कहा जाता है, जबकि हेट्रोक्रोमेटिन निष्क्रिय होता है।

6.2 जेनेटिक सामग्री की खोज

यद्यपि मीशर द्वारा न्यूक्लिन की खोज और मेंडल द्वारा वंशानुगति के सिद्धांतों का प्रस्ताव लगभग एक ही समय पर हुआ था, लेकिन यह सिद्ध करना कि डीएनए जेनेटिक सामग्री के रूप में कार्य करता है, में काफी समय लग गया। 1926 तक, जेनेटिक वंशानुगति के तंत्र को निर्धारित करने की खोज आणविक स्तर तक पहुंच चुकी थी। ग्रेगर मेंडल, वॉल्टर सटन, थॉमस हंट मॉर्गन और अनगिनत अन्य 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 जेनेटिक सामग्री था।

रूपांतरण सिद्धांत - 1928 में, फ्रेडरिक ग्रिफिथ ने स्ट्रेप्टोकोकस न्यूमोनिया (निमोनिया के लिए उत्तरदायी जीवाणु) के साथ प्रयोगों की एक श्रृंखला में जीवाणुओं में एक चमत्कारी रूपांतरण देखा। अपने प्रयोग के दौरान, एक जीवित जीव (जीवाणु) ने अपने भौतिक रूप में परिवर्तन किया था।

जब स्ट्रेप्टोकोकस न्यूमोनिया (न्यूमोकोकस) जीवाणुओं को कल्चर प्लेट पर उगाया जाता है, तो कुछ चिकनी चमकदार कालोनियाँ (S) उत्पन्न करते हैं जबकि अन्य खुरदरी कालोनियाँ (R) उत्पन्न करते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि S प्रकार के जीवाणुओं पर एक श्लेष्मी (पॉलीसैकेराइड) आवरण होता है, जबकि R प्रकार के जीवाणुओं पर नहीं होता है। S प्रकार से संक्रमित चूहे निमोनिया संक्रमण से मर जाते हैं लेकिन R प्रकार से संक्रमित चूहों में निमोनिया विकसित नहीं होता है।

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

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

ग्रिफिथ बैक्टीरिया को गरमाकर उन्हें मारने में सफल रहा। उसने देखा कि गर्मी से मारे गए S स्ट्रेन के बैक्टीरिया को चूहों में इंजेक्ट करने से वे नहीं मरे। जब उसने गर्मी से 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 गर्मी से मारे गए S स्ट्रेन के बैक्टीरिया द्वारा रूपांतरित हो गए थे। कुछ ‘रूपांतरित करने वाला सिद्धांत’, गर्मी से मारे गए S स्ट्रेन से स्थानांतरित होकर, R स्ट्रेन को एक चिकनी पॉलीसैकेराइड कोट संश्लेषित करने और विषाक्त बनने में सक्षम बनाया। यह आनुवंशिक पदार्थ के स्थानांतरण के कारण होना चाहिए। हालांकि, उसके प्रयोगों से आनुवंशिक पदार्थ की जैवरासायनिक प्रकृति परिभाषित नहीं हुई।

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

उन्होंने गर्मी से मारे गए S कोशिकाओं से जैवरासायनिक पदार्थों (प्रोटीन, DNA, RNA आदि) को शुद्ध किया ताकि यह देखा जा सके कि कौन से पदार्थ जीवित R कोशिकाओं को S कोशिकाओं में रूपांतरित कर सकते हैं। उन्होंने पाया कि S बैक्टीरिया से अकेला DNA R बैक्टीरिया को रूपांतरित करने का कारण बना।

उन्होंने यह भी पाया कि प्रोटीन को पचाने वाले एंजाइम (प्रोटीज़) और RNA को पचाने वाले एंजाइम (RNases) रूपांतरण को प्रभावित नहीं करते, इसलिए रूपांतरण करने वाला पदार्थ प्रोटीन या RNA नहीं था। DNase के साथ पाचन से रूपांतरण अवरुद्ध हो गया, जिससे संकेत मिलता है कि DNA ने रूपांतरण का कारण बना। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि DNA वंशानुगत पदार्थ है, लेकिन सभी जीवविज्ञानी इससे सहमत नहीं थे।

क्या आप DNA और DNase के बीच कोई अंतर सोच सकते हैं?

6.2.1 आनुवंशिक पदार्थ DNA है

DNA ही आनुवंशिक पदार्थ है, इसका निर्विवाद प्रमाण अल्फ्रेड हर्शे और मार्था चेज़ (1952) के प्रयोगों से मिला। उन्होंने उन वायरसों के साथ काम किया जो बैक्टीरिया को संक्रमित करते हैं, जिन्हें बैक्टीरियोफेज कहा जाता है।

बैक्टीरियोफेज बैक्टीरिया से चिपक जाता 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 के लिए काम कर रहे थे कि वायरस से प्रोटीन या DNA में से कौन-सा बैक्टीरिया में प्रवेश करता है।

उन्होंने कुछ वायरसों को ऐसे माध्यम पर उगाया जिसमें रेडियोधर्मी फॉस्फोरस था और कुछ अन्य को ऐसे माध्यम पर जिसमें रेडियोधर्मी सल्फर था। रेडियोधर्मी फॉस्फोरस वाले माध्यम में उगे वायरसों में रेडियोधर्मी DNA था लेकिन रेडियोधर्मी प्रोटीन नहीं, क्योंकि DNA में फॉस्फोरस होता है लेकिन प्रोटीन में नहीं। इसी तरह, रेडियोधर्मी सल्फर वाले माध्यम पर उगे वायरसों में रेडियोधर्मी प्रोटीन था लेकिन रेडियोधर्मी DNA नहीं, क्योंकि DNA में सल्फर नहीं होता।

रेडियोधर्मी फेजों को ई. कोलाई बैक्टीरिया से चिपकने दिया गया। फिर, जैसे ही संक्रमण आगे बढ़ा, वायरल कोट को ब्लेंडर में हिलाकर बैक्टीरिया से अलग कर दिया गया। वायरस कणों को सेंट्रीफ्यूज में घुमाकर बैक्टीरिया से अलग किया गया।

बैक्टीरिया जिन्हें उन वायरसों से संक्रमित किया गया था जिनमें रेडियोधर्मी डीएनए था, वे रेडियोधर्मी पाए गए, जिससे संकेत मिला कि डीएनए वह पदार्थ है जो वायरस से बैक्टीरिया में गया। बैक्टीरिया जिन्हें उन वायरसों से संक्रमित किया गया था जिनमें रेडियोधर्मी प्रोटीन थी, वे रेडियोधर्मी नहीं पाए गए। इससे संकेत मिलता है कि प्रोटीन वायरस से बैक्टीरिया में नहीं गई। इसलिए डीएनए वह आनुवंशिक पदार्थ है जो वायरस से बैक्टीरिया में 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-चेस प्रयोग से हो गया। यह एक स्थापित तथ्य बन गया कि आनुवंशिक पदार्थ के रूप में कार्य करने वाला डीएनए ही 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 ही 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 अंतरों से मिलने हैं।

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

कोई अणु आनुवंशिक पदार्थ के रूप में कार्य कर सके, तो 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 के अन्य अणु, जैसे प्रोटीन, पहले मानदंड को ही पूरा करने में विफल रहते हैं।

आनुवंशिक पदार्थ इतना स्थिर होना चाहिए कि जीवन चक्र के विभिन्न चरणों, आयु या जीव की शारीरिक क्रियाओं के परिवर्तन के साथ भी वह परिवर्तित न हो। आनुवंशिक पदार्थ के गुणों में से एक के रूप में स्थिरता ग्रिफ़िथ के ‘ट्रांसफ़ॉर्मिंग प्रिन्सिपल’ में स्पष्ट रूप से दिखाई देती थी कि ऐसा ताप जो जीवाणुओं को मार देता है, वह आनुवंशिक पदार्थ के कुछ गुणों को नष्ट नहीं करता। यह अब डीएनए के संदर्भ में आसानी से समझाया जा सकता है कि दोनों स्ट्रैंड एक-दूसरे के पूरक हैं और यदि ताप द्वारा अलग कर दिए जाएँ तो उपयुक्त परिस्थितियाँ देने पर वे फिर से एक साथ आ जाते हैं। इसके अतिरिक्त, आरएनए में प्रत्येक न्यूक्लिओटाइड पर मौजूद 2’-ओएच समूह एक क्रियाशील समूह है जो आरएनए को अस्थिर और आसानी से विघटित योग्य बनाता है। आरएनए अब यह भी जाना जाता है कि उत्प्रेरकीय है, इसलिए क्रियाशील है। इसलिए, रासायनिक रूप से डीएनए आरएनए की तुलना में कम क्रियाशील और संरचनात्मक रूप से अधिक स्थिर है। इसलिए, दोनों न्यूक्लिक अम्लों में से डीएनए एक बेहतर आनुवंशिक पदार्थ है।

वास्तव में, यूरासिल के स्थान पर थाइमीन की उपस्थिति डीएनए को अतिरिक्त स्थिरता भी प्रदान करती है। (इस बारे में विस्तृत चर्चा के लिए डीएनए की मरम्मत की प्रक्रिया को समझना आवश्यक है, और आप इन प्रक्रियाओं को उच्च कक्षाओं में पढ़ेंगे।)

डीएनए और आरएनए दोनों में उत्परिवर्तन हो सकते हैं। वास्तव में, आरएनए अस्थिर होने के कारण तेजी से उत्परिवर्तित होता है। परिणामस्वरूप, आरएनए जीनोम वाले वायरस जिनका जीवनकाल छोटा होता है, 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 है। प्रोटीन संश्लेषण करने वाली यंत्रणा RNA के चारों ओर विकसित हुई है। उपरोक्त चर्चा इंगित करती है कि RNA और DNA दोनों ही आनुवंशिक पदार्थ के रूप में कार्य कर सकते हैं, लेकिन अधिक स्थिर होने के कारण आनुवंशिक सूचना के भंडारण के लिए DNA को प्राथमिकता दी जाती है। आनुवंशिक सूचना के संचरण के लिए RNA बेहतर है।

6.3 RNA WORLD

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

RNA ही पहला आनुवंशिक पदार्थ था। अब पर्याप्त साक्ष्य 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 तंत्रों में कुछ महत्वपूर्ण जैव-रासायनिक प्रतिक्रियाएँ ऐसी हैं जो RNA उत्प्रेरकों द्वारा उत्प्रेरित होती हैं, प्रोटीन एंजाइमों द्वारा नहीं)। लेकिन, RNA एक 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 द्वहिली होने और पूरक हिली होने के कारण मरम्मत की प्रक्रिया विकसित कर परिवर्तनों का और भी विरोध करता है।

6.4 REPLICATION

डीएनए के लिए द्विकुंडलीय संरचना प्रस्तावित करते समय वाटसन और क्रिक ने तुरंत डीएनए की प्रतिकृति के लिए एक योजना प्रस्तावित की थी। उनके मूल कथन को उद्धृत करना, जो इस प्रकार है:

आकृति 6.6 अर्धसंरक्षित डीएनए प्रतिकृति के लिए वाटसन-क्रिक मॉडल

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

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

6.4.1 प्रायोगिक प्रमाण

यह अब सिद्ध हो चुका है कि डीएनए अर्धसंरक्षित रूप से प्रतिकृति करता है। यह पहले एस्करिचिया कोलाई में दिखाया गया और बाद में उच्च जीवों, जैसे 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) को एकमात्र नाइट्रोजन स्रोत के रूप में कई पीढ़ियों तक एक माध्यम में उगाया। परिणाम यह था कि 15N नवसंश्लेषित DNA में (साथ ही अन्य नाइट्रोजन युक्त यौगिकों में) समाविष्ट हो गया। इस भारी DNA अणु को सामान्य DNA से सीज़ियम क्लोराइड (CsCl) घनत्व ग्रेडिएंट में अपकेंद्रण द्वारा अलग किया जा सका (कृपया ध्यान दें कि 15N एक रेडियोधर्मी समस्थानिक नहीं है, और इसे 14N से केवल घनत्वों के आधार पर अलग किया जा सकता है)।

(ii) फिर उन्होंने कोशिकाओं को सामान्य NH4Cl वाले माध्यम में स्थानांतरित किया और कोशिकाओं के गुणन के दौरान विभिन्न निश्चित समय अंतरालों पर नमूने लिए, और DNA निकाला जो दोहरी स्ट्रैंड हेलिक्स के रूप में बना रहा। विभिन्न नमूनों को स्वतंत्र रूप से CsCl ग्रेडिएंट्स पर अलग किया गया ताकि DNA के घनत्वों को मापा जा सके (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 तेजी से अवसादित क्यों होगा?

(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] संस्करण से DNA निष्कर्षित किया गया, तो उसकी घनत्व संकर या मध्यवर्ती थी। संस्करण से एक और पीढ़ी बाद [अर्थात् 40 मिनट बाद, द्वितीय पीढ़ी] निष्कर्षित DNA इस संकर DNA और ‘हल्के’ DNA की समान मात्राओं से 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 करते हुए गुणसूत्रों में नवसंश्लेषित DNA के वितरण का पता लगाने वाले बहुत समान प्रयोग किए। इन प्रयोगों ने सिद्ध किया कि गुणसूत्रों में मौजूद DNA भी अर्धसंरक्षित रूप से प्रतिकृत होता है।

6.4.2 यंत्र और एंजाइम

जीवित कोशिकाओं में, जैसे कि E. coli, प्रतिकृतिकरण की प्रक्रिया के लिए एक समूह उत्प्रेरक (एंजाइमों) की आवश्यकता होती है। मुख्य एंजाइम को DNA-आश्रित DNA पॉलिमरेज़ कहा जाता है, क्योंकि यह DNA टेम्प्लेट का उपयोग करके डिऑक्सीन्यूक्लियोटाइड्स के पॉलिमराइज़ेशन को उत्प्रेरित करता है। ये एंजाइम अत्यधिक कुशल होते हैं क्योंकि उन्हें बहुत कम समय में बड़ी संख्या में न्यूक्लियोटाइड्स के पॉलिमराइज़ेशन को उत्प्रेरित करना होता है। E. coli जिसमें केवल 4.6 × 10^6 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 पॉलिमराइज़ेशन की औसत दर लगभग 2000 bp प्रति सेकंड होनी चाहिए। ये पॉलिमरेज़ केवल तेज़ ही नहीं होने चाहिए, बल्कि उन्हें उच्च स्तर की शुद्धता के साथ अभिक्रिया 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 बहुत महंगी प्रक्रिया है। डिऑक्सीराइबोन्यूक्लियोसाइड ट्राइफॉस्फेट दोहरे उद्देश्यों की पूर्ति करते हैं। सब्सट्रेट के रूप में कार्य करने के अतिरिक्त, ये पॉलिमराइज़ेशन अभिक्रिया के लिए ऊर्जा भी प्रदान करते हैं (डिऑक्सीराइबोन्यूक्लियोसाइड ट्राइफॉस्फेट में दो अंतिम फॉस्फेट उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट होते हैं, जैसे कि ATP के मामले में)।

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 (बहुत अधिक 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’ पॉलिमराइज़ेशन को उत्प्रेरित करते हैं। यह प्रतिकृतिकरण फोर्क पर कुछ अतिरिक्त जटिलताएँ उत्पन्न करता है। परिणामस्वरूप, एक स्ट्रैंड पर (3’ से 5’ ध्रुवता वाले टेम्पलेट), प्रतिकृतिकरण निरंतर होता है, जबकि दूसरे पर (5’ से 3’ ध्रुवता वाले टेम्पलेट), यह असंतत होता है। असंतत रूप से संश्लेषित खंडों को बाद में DNA लाइगेज नामक एंजाइम द्वारा जोड़ा जाता है (चित्र 6.8)।

चित्र 6.8 प्रतिकृतिकरण फोर्क

डीएनए पॉलिमरेज़ स्वयं ही प्रतिकृतिकरण की प्रक्रिया प्रारंभ नहीं कर सकते। साथ ही, प्रतिकृतिकरण डीएनए में कहीं भी यादृच्छिक रूप से प्रारंभ नहीं होता। ई. कोलाई डीएनए में एक निश्चित क्षेत्र होता है जहाँ प्रतिकृतिकरण उत्पन्न होता है। ऐसे क्षेत्रों को प्रतिकृतिकरण-उद्गम कहा जाता है। यह प्रतिकृतिकरण-उद्गम की आवश्यकता ही है कि यदि पुनःसंयोजक डीएनए प्रक्रियाओं के दौरान किसी डीएनए खंड को प्रसारित करना हो तो उसे एक वेक्टर की आवश्यकता होती है। वेक्टर प्रतिकृतिकरण-उद्गम प्रदान करते हैं।

इसके अतिरिक्त, प्रतिकृतिकरण का प्रत्येक विवरण 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 (एक गुणसूत्र असामान्यता) उत्पन्न कर देती है। उद्गम की विस्तृत प्रकृति और इस स्थल पर होने वाली प्रक्रियाओं को आप उच्च कक्षाओं में सीखेंगे।

6.5 ट्रांसक्रिप्शन

डीएनए की एक स्ट्रैंड से जेनेटिक जानकारी को आरएनए 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 थायमीन की जगह यूरासिल के साथ बेस जोड़ी बनाता है। हालाँकि, प्रतिकृतिकरण प्रक्रिया के विपरीत—जिसमें एक बार शुरू होने पर संपूर्ण डीएनए की प्रतिलिपि बनती है—ट्रांसक्रिप्शन में केवल डीएनए का एक हिस्सा और केवल एक स्ट्रैंड ही आरएनए में कॉपी होता है। इसके लिए यह आवश्यक हो जाता है कि वे सीमाएँ निर्धारित की जाएँ जो उस क्षेत्र और उस स्ट्रैंड को चिह्नित करें जिसे ट्रांसक्राइब किया जाएगा।

ट्रांसक्रिप्शन के दौरान दोनों स्ट्रैंड्स कॉपी क्यों नहीं होते, इसका सरल उत्तर है। पहला, यदि दोनों स्ट्रैंड्स टेम्पलेट के रूप में कार्य करें तो वे भिन्न अनुक्रमों वाली आरएनए अणु बनाएँगे (याद रखें पूरकता का अर्थ समान नहीं होता), और यदि वे प्रोटीन के लिए कोड करें तो प्रोटीनों में अमीनो अम्लों का क्रम भी भिन्न होगा। इस प्रकार डीएनए का एक ही हिस्सा दो भिन्न प्रोटीनों के लिए कोड करेगा, जो जेनेटिक सूचना स्थानांतरण तंत्र को जटिल बना देगा। दूसरा, यदि दो आरएनए अणु एक साथ बनें तो वे एक-दूसरे के पूरक होंगे और द्विसूत्री आरएनए बना लेंगे। यह आरएनए को प्रोटीन में अनुवादित होने से रोकेगा और ट्रांसक्रिप्शन का प्रयास व्यर्थ हो जाएगा।

6.5.1 ट्रांसक्रिप्शन इकाई

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

(i) एक प्रोमोटर

(ii) संरचनात्मक जीन

(iii) एक टर्मिनेटर

एक ट्रांसक्रिप्शन यूनिट की संरचनात्मक जीन में डीएनए की दो स्ट्रैंड्स को परिभाषित करने के लिए एक परंपरा है। चूंकि दोनों स्ट्रैंड्स की विपरीत ध्रुवता 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, टेम्प्लेट के रूप में कार्य करता है और इसे टेम्प्लेट स्ट्रैंड भी कहा जाता है। दूसरा स्ट्रैंड जिसकी ध्रुवता (5’ →3’ ) है और जिसकी अनुक्रमणिका आरएनए के समान है (यूरेसिल के स्थान पर थाइमिन को छोड़कर), ट्रांसक्रिप्शन के दौरान विस्थापित हो जाता है। विचित्र रूप से, इस स्ट्रैंड (जो किसी भी चीज़ को कोड नहीं करता) को कोडिंग स्ट्रैंड कहा जाता है। एक ट्रांसक्रिप्शन यूनिट को परिभाषित करते समय सभी संदर्भ बिंदु कोडिंग स्ट्रैंड के साथ बनाए जाते हैं। इस बिंदु को समझाने के लिए, एक ट्रांसक्रिप्शन यूनिट से एक काल्पनिक अनुक्रम नीचे दर्शाया गया है:

3’ -ATGCATGCATGCATGCATGCATGC-5’ टेम्प्लेट 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 स्थित 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 पॉलिमरेज के लिए बंधन स्थल प्रदान करता है, और ट्रांसक्रिप्शन यूनिट में प्रमोटर की उपस्थिति ही टेम्पलेट और कोडिंग स्ट्रैंड को परिभाषित करती है। प्रमोटर को टर्मिनेटर के साथ स्थान बदलने पर कोडिंग और टेम्पलेट स्ट्रैंड 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 के और भी आगे अपस्ट्रीम या डाउनस्ट्रीम स्थित होते हैं। इन अनुक्रमों के कुछ गुण जीन अभिव्यक्ति के नियमन पर चर्चा करते समय बताए जाएंगे।

6.5.2 ट्रांसक्रिप्शन यूनिट और जीन

एक जीन को वंशानुगतता की कार्यात्मक इकाई के रूप में परिभाषित किया जाता 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 अनुक्रमों या अभिव्यक्त अनुक्रमों को एक्सॉन के रूप में परिभाषित किया जाता है। एक्सॉन उन अनुक्रमों को कहा जाता है जो परिपक्व या प्रोसेस्ड RNA में प्रकट होते हैं। एक्सॉन इंट्रॉन द्वारा बाधित होते हैं। इंट्रॉन या हस्तक्षेपी अनुक्रम परिपक्व या प्रोसेस्ड RNA में प्रकट नहीं होते हैं। विभाजित-जीन की व्यवस्था DNA खंड के संदर्भ में जीन की परिभाषा को और अधिक जटिल बना देती है।

एक लक्षण की वंशानुगतता 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 कोड नहीं करते।

6.5.3 RNA के प्रकार और ट्रांसक्रिप्शन की प्रक्रिया

बैक्टीरिया में तीन प्रमुख प्रकार की आरएनए होती हैं: mRNA (मैसेंजर आरएनए), tRNA (ट्रांसफर आरएनए) और rRNA (राइबोसोमल आरएनए)। कोशिका में प्रोटीन संश्लेषण के लिए ये तीनों आरएनए आवश्यक होती हैं। mRNA टेम्पलेट प्रदान करता है, tRNA अमीनो अम्ल लाता है और जेनेटिक कोड पढ़ता है, और rRNA अनुवाद के दौरान संरचनात्मक और उत्प्रेरक भूमिका निभाते हैं। बैक्टीरिया में एकल डीएनए-निर्भर आरएनए पॉलिमरेज होता है जो सभी प्रकार की आरएनए की ट्रांसक्रिप्शन को उत्प्रेरित करता है। आरएनए पॉलिमरेज प्रमोटर से बाइंड होता है और ट्रांसक्रिप्शन प्रारंभ करता है (प्रारंभ)। यह न्यूक्लियोसाइड ट्राइफॉस्फेट्स को सब्सट्रेट के रूप में उपयोग करता है और पूरकता के नियम का पालन करते हुए टेम्पलेट-निर्भर तरीके से पॉलिमराइज़ करता है। यह किसी प्रकार हेलिक्स को खोलने में सहायता करता है और विस्तार जारी रखता है। केवल एक छोटा हिस्सा आरएनए एंजाइम से बाइंड रहता है। जैसे ही पॉलिमरेज टर्मिनेटर क्षेत्र तक पहुंचता है, नवजात आरएनए अलग हो जाता है, साथ ही आरएनए पॉलिमरेज भी। इससे ट्रांसक्रिप्शन समाप्त होता है।

एक रोचक प्रश्न यह है कि आरएनए पॉलिमरेज तीनों चरणों—प्रारंभ, विस्तार और समाप्ति—को कैसे उत्प्रेरित कर पाता है। आरएनए पॉलिमरेज केवल विस्तार की प्रक्रिया को उत्प्रेरित करने में सक्षम होता है। यह प्रारंभ-कारक (σ) और समाप्ति-कारक (ρ) के साथ क्षणिक रूप से संबद्ध होकर क्रमशः ट्रांसक्रिप्शन प्रारंभ करता है और समाप्त करता है। इन कारकों के साथ संबद्धता आरएनए पॉलिमरेज की विशिष्टता को बदल देती 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 चूँकि ट्रांसक्रिप्शन और अनुवाद एक ही डिब्बे में होते हैं (जीवाणुओं में कोशिकाद्रव्य और केंद्रक का कोई पृथक्करण नहीं होता है), कई बार अनुवाद mRNA के पूरी तरह ट्रांसक्राइब होने से बहुत पहले शुरू 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 पॉलिमरेज़ होते हैं (अंगकोशिकाओं में पाए जाने वाले RNA पॉलिमरेज़ के अतिरिक्त)। श्रम का स्पष्ट विभाजन होता है। RNA पॉलिमरेज़ I rRNA (28S, 18S और 5.8S) का ट्रांसक्रिप्शन करता है, जबकि RNA पॉलिमरेज़ III tRNA, 5srRNA और snRNA (छोटे केंद्रक RNA) के ट्रांसक्रिप्शन के लिए उत्तरदायी होता है। RNA पॉलिमरेज़ 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 ये कार्यात्मक नहीं होते। इसलिए, इसे स्प्लिसिंग नामक प्रक्रिया के अधीन किया जाता है जहाँ इंट्रॉन हटा दिए जाते हैं 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, hnRNA के 5’-अंत में एक असामान्य न्यूक्लियोटाइड (मेथिल ग्वानोसिन ट्राइफॉस्फेट) जोड़ा जाता है। टेलिंग में, 3’-अंत 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 न्यूक्लियस 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 की प्रभुता को दर्शाती है। हाल के समय में, जीवित प्रणाली में RNA और RNA-निर्भर 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 न्यूक्लियोटाइड के बहुलक से आनुवंशिक सूचना को स्थानांतरित करके अमीनो अम्ल के बहुलक का संश्लेषण करना होता है। न तो न्यूक्लियोटाइड और अमीनो अम्ल के बीच कोई पूरकता होती है, न ही इसे सैद्धांतिक रूप से खींचा जा सकता है। फिर भी ऐसे पर्याप्त प्रमाण 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 सके।

यदि जनन सामग्री की जैव-रासायनिक प्रकृति और डीएनए की संरचना का निर्धारण अत्यंत रोमांचक था, तो जेनेटिक कोड की कल्पना और उसकी व्याख्या सबसे अधिक चुनौतीपूर्ण थी। एक सच्चे अर्थ में, इसके लिए कई विषयों के वैज्ञानिकों—भौतिकविदों, कार्बनिक रसायनज्ञों, जैवरसायनज्ञों और आनुवंशिकीविदों—की भागीदारी आवश्यक थी। यह जॉर्ज गैमो, एक भौतिकविद् थे, जिन्होंने तर्क दिया कि चूँकि केवल 4 नाइट्रोजनीय क्षार हैं और यदि उन्हें 20 अमीनो अम्लों के लिए कोड करना है, तो कोड क्षारों के संयोजन से बना होना चाहिए। उन्होंने सुझाव दिया कि सभी 20 अमीनो अम्लों को कोडित करने के लिए कोड तीन न्यूक्लियोटाइडों से बना होना चाहिए। यह एक बहुत ही साहसिक प्रस्ताव था, क्योंकि 4³ (4 × 4 × 4) के क्रम-संयोजन से 64 कोडॉन उत्पन्न होते हैं; जो आवश्यकता से कहीं अधिक कोडॉन उत्पन्न करते हैं। निश्चित क्षार संयोजनों वाले आरएनए अणुओं (समबहुलक और सहबहुलक) के संश्लेषण में सहायक सिद्ध हुए। मार्शल निरेनबर्ग की प्रोटीन संश्लेषण के लिए सेल-मुक्त प्रणाली ने अंततः कोड को व्याख्या करने में मदद की। सेवेरो ओचोआ का एंजाइम (पॉलीन्यूक्लियोटाइड फॉस्फोरिलेज) भी टेम्पलेट-रहित तरीके से निश्चित अनुक्रमों वाले आरएनए को बहुलकीकरण में सहायक रहा (आरएनए का एंजाइमेटिक संश्लेषण)। अंततः जेनेटिक कोड के लिए एक चेकर-बोर्ड तैयार किया गया जो सारणी 6.1 में दिया गया है।

सारणी 5.1: विभिन्न अमीनो अम्लों के लिए कोडॉन

जेनेटिक 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 प्रोटोजोआं में पाए गए हैं।

(v) AUG की द्वैध कार्य होता है। 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 विपरीत का प्रयास करें। निम्नलिखित एक mRNA द्वारा कोड किए गए अमीनो अम्लों की अनुक्रम है। RNA में न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम की भविष्यवाणी करें:

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

क्या आप विपरीत की भविष्यवाणी करने में कोई कठिनाई का सामना करते हैं?

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

6.6.1 उत्परिवर्तन और जेनेटिक कोड

जीन और डीएनए के बीच के संबंधों को उत्परिवर्तन अध्ययनों के द्वारा सबसे अच्छी तरह समझा जा सकता है। आपने उत्परिवर्तन और इसके प्रभावों के बारे में अध्याय 5 में पढ़ा है। डीएनए के एक खंड में बड़े विलोपन और पुनर्विन्यास के प्रभावों को समझना आसान होता है। इससे किसी जीन और इसलिए किसी कार्य के हानि या लाभ हो सकता है। बिंदु उत्परिवर्तन के प्रभाव को यहाँ समझाया जाएगा। बिंदु उत्परिवर्तन का एक क्लासिकल 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 रोगग्रस्त स्थिति होती है जिसे सिकल सेल ऐनीमिया कहा जाता है। संरचनात्मक जीन में एक बेस के समावेश या विलोपन वाले बिंदु उत्परिवर्तन के प्रभाव को निम्नलिखित सरल उदाहरण से 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।

RAM HAS RED CAP

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

RAM HAS BRE DCA P

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

RAM HAS BIR EDC AP

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

RAM HAS BIG RED CAP

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

RAM HAS EDC AP

RAM HAS DCA P

RAM HAS 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 तथा इसलिए एक या अनेक अमीनो अम्ल समाविष्ट या विलोपित होते हैं, 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 का प्रस्ताव रखा जो एक ओर कोड को पढ़ेगा और दूसरी ओर विशिष्ट अमीनो अम्लों से बंधेगा। tRNA, जिसे तब sRNA (soluble RNA) कहा जाता था, आनुवंशिक कोड के प्रस्ताव से पहले ज्ञात था। हालांकि, इसे एडाप्टर अणु की भूमिका काफी बाद में सौंपी गई।

आकृति 6.12 tRNA - एडाप्टर अणु

tRNA में एक anticodon लूप होता है जिसमें कोड के पूरक आधार होते हैं, और इसमें एक अमीनो एसिड एक्सेप्टर छोर 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 कोडनों के लिए कोई tRNA नहीं होते हैं। चित्र 6.12 में, tRNA की द्वितीयक संरचना दिखाई गई है जो तिपतिया पत्ते जैसी दिखती है। वास्तविक संरचना में, tRNA एक संक्षिप्त अणु होता है जो उल्टे L जैसा दिखता है।

6.7 अनुवाद

अनुवाद उस प्रक्रिया को संदर्भित करता है जिसमें अमीनो एसिड का बहुलकीकरण होकर एक पॉलीपेप्टाइड बनता है (चित्र 6.13)। अमीनो एसिडों की क्रम और अनुक्रम mRNA में आधारों के अनुक्रम द्वारा परिभाषित किए जाते हैं। अमीनो एसिड एक ऐसे बंध से जुड़ते हैं जिसे पेप्टाइड बंध कहा जाता है। 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 जाएं, 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 संश्लेषण 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 में अनुवाद की प्रक्रिया शुरू होती है। बड़ी उपइकाई में दो स्थल होते हैं, आगामी अमीनो अम्लों के लिए चित्र 6.13 अनुवाद इतने निकट होने के लिए कि वे एक दूसरे से बंध सकें और पेप्टाइड बंध बन सके। राइबोसोम पेप्टाइड बंध बनाने के लिए उत्प्रेरक (बैक्टीरिया में 23S rRNA एंजाइम-राइबोजाइम) के रूप में भी कार्य करता है।

mRNA में एक अनुवादन इकाई आरएनए का वह क्रम है जो प्रारंभ कोडन (AUG) और स्टॉप कोडन से घिरा होता है और एक पॉलिपेप्टाइड के लिए कोड करता है। एक mRNA में कुछ अतिरिक्त अनुक्रम भी होते हैं जिनका अनुवाद नहीं होता और इन्हें अनअनुवादित क्षेत्र (UTR) कहा जाता है। UTR 5’ -छोर पर (प्रारंभ कोडन से पहले) और 3’ -छोर पर (स्टॉप कोडन के बाद) दोनों पर 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 ही पहचानती है। राइबोसोम प्रोटीन संश्लेषण के विस्तार चरण में आगे बढ़ता है। इस चरण के दौरान, एक अमीनो अम्ल से जुड़ी hुई tRNA वाले समुच्चय क्रमशः mRNA के उपयुक्त कोडन से tRNA के एंटीकोडन के साथ पूरक बेस युग्म बनाकर बंधते हैं। राइबोसोम mRNA पर 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 न्यूक्लियस से साइटोप्लाज्म तक परिवहन,

(iv) ट्रांसलेशनल स्तर।

कोशिका में जीनों को किसी 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 इसका उपयोग डाइसैकेराइड लैक्टोज़ को गैलेक्टोज़ और ग्लूकोज़ में हाइड्रोलिसिस करने के लिए उत्प्रेरक के रूप में किया जाता है; बैक्टीरिया इन्हें ऊर्जा के स्रोत के रूप में उपयोग करते हैं। इसलिए, यदि बैक्टीरिया के आसपास ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग करने के लिए लैक्टोज़ नहीं है, तो उन्हें बीटा-गैलेक्टोसिडेज़ एंजाइम के संश्लेषण 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 प्रारंभ की दर का नियंत्रण जीन अभिव्यक्ति के नियंत्रण का प्रमुख स्थल है। एक ट्रांसक्रिप्शन इकाई में, किसी दिए गए प्रमोटर पर RNA पॉलिमरेज की गतिविधि सहायक प्रोटीनों के साथ अन्योन्यक्रिया द्वारा नियंत्रित होती है, जो इसकी प्रारंभ स्थलों को पहचानने की क्षमता को प्रभावित करते हैं। ये नियामक प्रोटीन सकारात्मक (ऐक्टिवेटर्स) और नकारात्मक (रिप्रेसर्स) दोनों प्रकार से कार्य कर सकते हैं। प्रोकैरियोटिक DNA के प्रमोटर 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 प्रमोटर तत्वों के समीप 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 की व्याख्या भी एक जीनेटिसिस्ट, फ्रांस्वा जैकब और एक जैवरसायनशास्त्री, जैक मोनोड के बीच घनिष्ठ संबंध के परिणामस्वरूप हुई। वे पहले व्यक्ति थे जिन्होंने एक ट्रांसक्रिप्शनल रूप से नियंत्रित तंत्र की व्याख्या की। lac ऑपरॉन में (यहाँ lac लैक्टोज को संदर्भित करता है), एक बहुसिस्ट्रॉनिक संरचनात्मक जीन एक सामान्य प्रमोटर और नियामक जीनों द्वारा नियंत्रित होता है। ऐसी व्यवस्था जीवाणुओं 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 i शब्द इंड्यूसर के लिए 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 इसके मोनोमेरिक इकाइयों गैलेक्टोज और ग्लूकोज में हाइड्रोलाइज करने के लिए उत्तरदायी है। y जीन पर्मिएस के लिए कोड करती है, जो कोशिका की β-galactosides के प्रति पारगम्यता बढ़ाता है। a जीन एक ट्रांसएसिटिलेज को एन्कोड करती है। इस प्रकार, लैक ऑपरॉन के तीनों जीन उत्पाद लैक्टोस के चयापचय के लिए आवश्यक होते हैं। अधिकांश अन्य ऑपरॉनों में भी, ऑपरॉन में मौजूद जीनें एक साथ समान या संबंधित चयापचय पथ में कार्य करने के लिए आवश्यक होती हैं (चित्र 6.14)।

चित्र 6.14 लैक ऑपरॉन

लैक्टोज एंजाइम बीटा-गैलेक्टोसिडेस का सब्सट्रेट है और यह ऑपरॉन के चालू-बंद स्विच को नियंत्रित करता है। इसलिए इसे इंड्यूसर कहा जाता है। जब कोई प्राथमिक कार्बन स्रोत (जैसे ग्लूकोज) अनुपस्थित हो, यदि बैक्टीरिया के वृद्धि माध्यम में लैक्टोज दिया जाता है, तो लैक्टोज पर्मिएस की क्रिया से कोशिकाओं में परिवहित होता है (याद रखें, कोशिका में lac ऑपरॉन की बहुत कम स्तर की अभिव्यक्ति हमेशा मौजूद रहनी चाहिए, अन्यथा लैक्टोज कोशिका में प्रवेश नहीं कर सकता)। फिर लैक्टो兹 निम्नलिखित तरीके से ऑपरॉन को इंड्यूस करता है।

ऑपरॉन का रिप्रेसर i जीन से (हर समय- निरंतर) संश्लेषित होता है। रिप्रेसर प्रोटीन ऑपरॉन के ऑपरेटर क्षेत्र से बंधकर RNA पॉलिमरेज को ऑपरॉन के ट्रांसक्रिप्शन से रोकता है। इंड्यूसर (जैसे लैक्टोज या एलोलैक्टोज) की उपस्थिति में, इंड्यूसर के साथ अंतःक्रिया द्वारा रिप्रेसर निष्क्रिय हो जाता है। इससे RNA पॉलिमरेज को प्रमोटर तक पहुंच मिलती है और ट्रांसक्रिप्शन आगे बढ़ता है (चित्र 6.14)। मूलतः, lac ऑपरॉन का नियंत्रण इसके सब्सट्रेट द्वारा एंजाइम संश्लेषण के नियंत्रण के रूप में भी देखा जा सकता है।

याद रखें, ग्लूकोज या गैलेक्टोज lac ऑपरॉन के लिए इंड्यूसर नहीं बन सकते। क्या आप सोच सकते हैं कि लैक्टोज की उपस्थिति में lac ऑपरॉन कितनी देर तक अभिव्यक्त होगा?

रिप्रेसर द्वारा lac ऑपरॉन का नियंत्रण नकारात्मक नियंकरण कहलाता है। Lac ऑपरॉन सकारात्मक नियंकरण के भी नियंत्रण में 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 (बेसेस) का क्रम किसी जीव का आनुवंशिक निर्धारित करता है। दूसरे शब्दों में, किसी जीव या व्यक्ति की आनुवंशिक 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। इन्हीं अनुमानों ने मानव जीनोम का सम्पूर्ण डीएनए अनुक्रम ज्ञात करने की खोज को जन्म दिया। जेनेटिक इंजीनियरिंग तकनीकों की स्थापना के साथ—जिनसे डीएनए के किसी भी टुकड़े को पृथक् कर क्लोन करना सम्भव हुआ—और डीएनए अनुक्रम निर्धारित करने की सरल व तीव्र विधियों की उपलब्धता के चलते 1990 में मानव जीनोम अनुक्रमित करने का एक अत्यंत महत्त्वाकांक्षी प्रकल्प प्रारम्भ किया गया।

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

मानव जीनोम में लगभग 3 x 10⁹ आधार युग्म (bp) होने का अनुमान है, और यदि प्रत्येक bp का अनुक्रमण करने की लागत आरंभ में अनुमानित 3 अमेरिकी डॉलर है, तो पूरे प्रोजेक्ट 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 प्रत्येक पृष्ठ पर 1000 अक्षर तथा प्रत्येक पुस्तक में 1000 पृष्ठ हों, तो एक मानव कोशिका की डीएनए अनुक्रम सूचना को संग्रहीत करने के लिए 3300 ऐसी पुस्तकों की आवश्यकता होगी। उत्पन्न होने वाली विशाल मात्रा में डेटा ने डेटा संग्रह, पुनर्प्राप्ति और विश्लेषण के लिए उच्च गति के संगणन उपकरणों के उपयोग को भी अनिवार्य बना दिया। एचजीपी जीव विज्ञान के एक नए क्षेत्र, जिसे जैवसूचना विज्ञान (Bioinformatics) कहा जाता है, के तीव्र विकास से घनिष्ठ रूप से जुड़ा रहा।

एचजीपी के लक्ष्य
एचजीपी के कुछ महत्वपूर्ण लक्ष्य इस प्रकार 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 सूचना 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) प्रोजेक्ट 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। एचजीपी के प्रारंभिक वर्षों के दौरान, वेलकम ट्रस्ट (यू.के.) एक प्रमुख भागीदार बन गया; जापान, फ्रांस, जर्मनी, चीन और अन्य से अतिरिक्त योगदान आए। परियोजना 2003 में पूरी हुई। व्यक्तियों के बीच डीएनए विचरणों के प्रभावों के बारे में ज्ञान क्रांतिकारी नए तरीकों को जन्म दे सकता है जो हजारों विकारों का निदान, उपचार और किसी दिन रोकथाम कर सकते हैं जो मानवों को प्रभावित करते हैं। मानव जीव विज्ञान को समझने के संकेत देने 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 पुनर्मूल्यांकन में चुनौतियों को हल करने की दिशा में लागू किया 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 दृष्टिकोण उन सभी जीनों की पहचान पर केंद्रित था जो RNA के रूप में व्यक्त होते हैं, जिन्हें एक्सप्रेस्ड सीक्वेंस टैग्स (ESTs) कहा जाता है। दूसरे ने बिना किसी पूर्वानुमान के पूरे जीनोम सेट को सीक्वेंस करने का दृष्टिकोण अपनाया, जिसमें सभी कोडिंग और नॉन-कोडिंग अनुक्रम शामिल थे, और बाद में अनुक्रम के विभिन्न क्षेत्रों को कार्यों के साथ आबंटित किया गया (इस प्रक्रिया को सीक्वेंस एनोटेशन कहा जाता है)। सीक्वेंसिंग के लिए, कोशिका से कुल DNA को अलग किया जाता है और इसे अपेक्षाकृत छोटे आकार के यादृच्छिक खंडों में परिवर्तित किया जाता है (याद रखें DNA एक बहुत लंबा पॉलिमर होता है, और बहुत लंबे DNA टुकड़ों को सीक्वेंस करने में तकनीकी सीमाएँ होती हैं) और विशेष वेक्टरों का उपयोग करके उपयुक्त होस्ट में क्लोन किया जाता है। क्लोनिंग के परिणामस्वरूप प्रत्येक DNA खंड का प्रवर्धन हुआ ताकि इसे आसानी से सीक्वेंस किया जा सके। सामान्यतः प्रयुक्त होस्ट बैक्टीरिया और यीस्ट थे, और वेक्टरों को BAC (बैक्टीरियल आर्टिफिशियल क्रोमोसोम्स) और YAC (यीस्ट आर्टिफिशियल क्रोमोसोम्स) 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 की तुलना में कहीं कम है। लगभग सभी (99.9 प्रतिशत) न्यूक्लिओटाइड बेस सभी लोगों में बिल्कुल समान होते हैं।

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

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

(vi) दोहराई गई अनुक्रम मानव जीनोम का बहुत बड़ा भाग बनाते हैं।

(vii) दोहराव वाले अनुक्रम डीएनए अनुक्रम के ऐसे 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 पर प्रकाश डालते 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-आधार डीएनए भिन्नताएँ (SNPs - सिंगल न्यूक्लिओटाइड पॉलिमॉर्फिज़्म, जिसे ‘snips’ के रूप में उच्चारित किया जाता है) होती हैं। यह जानकारी रोग-संबद्ध 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 अनुसंधान को परिभाषित करेगा और जैविक प्रणालियों की हमारी समझ का मार्ग प्रशस्त करेगा। इस विशाल कार्य के लिए विश्वभर के सार्वजनिक और निजी क्षेत्रों की विविध विषयों की दसियों हज़ार वैज्ञानिकों की विशेषज्ञता और रचनात्मकता आवश्यक होगी। एचजी अनुक्रम की उपलब्धता का सबसे बड़ा प्रभाव जैविक अनुसंधान के लिए एक क्रांतिकारी नए दृष्टिकोण को सक्षम बनाना 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 और कहीं अध� व्यापक पैमाने पर संबोधित कर सकते हैं। वे उदाहरण के लिए जीनोम में मौजूद सभी जीनों, किसी विशेष ऊतक या अंग या ट्यूमर में मौजूद सभी ट्रांसक्रिप्टों, या जीवन की रसायनिक प्रक्रियाओं को संचालित करने के लिए दसियों हज़ार जीनों और प्रोटीनों के परस्पर जुड़े नेटवर्कों में एक साथ किस प्रकार कार्य करते हैं, का अध्ययन कर सकते हैं।

6.10 डीएनए फिंगरप्रिंटिंग

जैसा कि पिछले खंड में कहा गया है, मनुष्यों में आधार अनुक्रम का 99.9 प्रतिशत समान होता है। यदि मानव जीनोम को 3 × 10⁹ bp मान लिया जाए, तो कितने आधार अनुक्रमों में अंतर होंगे? ये डीएनए के अनुक्रम में अंतर ही हैं जो हर व्यक्ति को उसकी लक्षणीय उपस्थिति में अद्वितीय बनाते हैं। यदि कोई दो व्यक्तियों या किसी जनसंख्या के व्यक्तियों के बीच आनुवंशिक अंतर जानना चाहता है, तो हर बार डीएनए का अनुक्रमण करना एक कठिन और महंगा कार्य होगा। कल्पना कीजिए कि 3 × 10⁹ आधार युग्मों के दो समूहों की तुलना करने की कोशिश कर रहे हैं। 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 की जाती है जिन्हें पुनरावर्ती DNA कहा जाता है, क्योंकि इन अनुक्रमों में DNA का एक छोटा सा हिस्सा कई बार दोहराया जाता है। ये पुनरावर्ती DNA घनत्व ग्रेडिएंट 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 पुनरावर्ती इकाइयों की संख्या के आधार पर, उपग्रह DNA को कई श्रेणियों में वर्गीकृत किया जाता है, जैसे माइक्रो-सैटेलाइट्स, मिनी-सैटेलाइट्स आदि। ये अनुक्रम सामान्यतः किसी प्रोटीन के लिए कोड नहीं करते हैं, लेकिन ये मानव जीनोम का एक बड़ा हिस्सा बनाते हैं। ये अनुक्रम उच्च स्तर के बहुरूपता दिखाते हैं और DNA फिंगरप्रिंटिंग का आधार बनते हैं। चूंकि एक व्यक्ति के हर ऊतक (जैसे रक्त, बाल कूप, त्वचा, हड्डी, लार, शुक्राणु आदि) से प्राप्त DNA समान स्तर की बहुरूपता दिखाता है, ये फॉरेंसिक अनुप्रयोगों में बहुत उपयोगी पहचान उपकरण बन जाते हैं। इसके अतिरिक्त, चूंकि ये बहुरूपता माता-पिता से संतानों में वंशानुगत होते हैं, DNA फिंगरप्रिंटिंग विवादों की स्थिति में पितृत्व परीक्षण का आधार बनता है।

चूँकि DNA अनुक्रम में बहुरूपता (polymorphism) मानव जीनोम के आनुवंशिक मानचित्रण और DNA फिंगरप्रिंटिंग दोनों का आधार है, यह आवश्यक है कि हम सरल शब्दों में समझें कि DNA 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 करें जिन्हें आपने अध्याय 5 और इस अध्याय की पिछली कड़ियों में पढ़ा है।) नए उत्परिवर्तन किसी व्यक्ति में या तो सोमेटिक कोशिकाओं में या जर्म कोशिकाओं में (ऐसी कोशिकाएँ जो लैंगिक प्रजनन करने वाले जीवों में युग्मकों का निर्माण करती हैं) उत्पन्न हो सकते हैं। यदि कोई जर्म कोशिका उत्परिवर्तन व्यक्ति की सन्तान उत्पन्न करने की क्षमता को गम्भीर रूप से प्रभावित नहीं करता और वह उत्परिवर्तन आगे बढ़ सकता है, तो वह जनसंख्या के अन्य सदस्यों तक (लैंगिक प्रजनन के माध्यम से) फैल सकता है। एलीलिक (एलील्स की परिभाषा को अध्याय 5 से फिर से याद करें) अनुक्रम विचरण को परम्परागत रूप से DNA बहुरूपता कहा जाता है यदि किसी लोकस पर मानव जनसंख्या में एक से अधिक प्रकार (एलील) 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 DNA बहुरूपता कहा जाता है। ऐसे विचरण को गैर-कोडिंग DNA अनुक्रम में देखे जाने की सम्भावना अधिक होती है क्योंकि इन अनुक्रमों में उत्परिवर्तनों का किसी व्यक्ति की प्रजनन क्षमता पर तत्काल कोई प्रभाव नहीं पड़ता। ये उत्परिवर्तन पीढ़ी दर पीढ़ी जमा होते रहते हैं और विचरण/बहुरूपता के एक आधार का निर्माण करते हैं। बहुरूपता के विभिन्न 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 बहुरूपता अत्यन्त महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं और आप इन्हें उच्च कक्षाओं में विस्तार से पढ़ेंगे।

डीएनए फिंगरप्रिंटिंग की तकनीक को प्रारंभ में एलेक जेफ्रीज़ ने विकसित किया था। उन्होंने एक उपग्रह डीएनए को प्रोब के रूप में प्रयोग किया जो बहुत उच्च स्तर का बहुरूपता दिखाता है। इसे वेरिएबल नंबर ऑफ टैंडेम रिपीट्स (VNTR) कहा गया। प्रारंभ में प्रयोग की जाने वाली इस तकनीक में विकिरण-चिह्नित VNTR को प्रोब के रूप में उपयोग करते हुए सदर्न ब्लॉट हाइब्रिडाइज़ेशन शामिल था। इसमें

(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 नाइट्रोसेल्यूलोज़ या नायलॉन जैसी संश्लेषित झिल्ली पर स्थानांतरित करना (ब्लॉटिंग),

(v) चिह्नित VNTR प्रोब का उपयोग करते हुए हाइब्रिडाइज़ेशन, और

(vi) ऑटोरेडियोग्राफी द्वारा हाइब्रिडाइज़ किए गए डीएनए खंडों का पता लगाना शामिल था। डीएनए फिंगरप्रिंटिंग का एक आरेखीय चित्रण चित्र 6.16 में दिखाया गया है।

VNTR एक प्रकार के सैटेलाइट डीएनए से संबंधित है जिसे मिनी-सैटेलाइट कहा जाता है। एक छोटा डीएनए अनुक्रम कई प्रतियों में टैंडेम रूप से व्यवस्थित होता है। प्रति प्रतिलिपि संख्या व्यक्ति में गुणसूत्र से गुणसूत्र 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 विभिन्न आकारों की कई पट्टियाँ देता है। ये पट्टियाँ किसी व्यक्ति के डीएनए के लिए एक विशिष्ट प्रतिरूप देती हैं (चित्र 6.16)। यह जनसंख्या में व्यक्ति से व्यक्ति में भिन्न होता है, एकसुत्री (एकरूप) जुड़वों के मामले को छोड़कर। इस तकनीक की संवेदनशीलता को पॉलिमरेज़ चेन रिएक्शन (पीसीआर—आप इसे अध्याय 11 में पढ़ेंगे) के उपयोग से बढ़ाया गया है। परिणामस्वरूप, एक कोशिका से प्राप्त डीएनए डीएनए 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 डीएनए फिंगरप्रिंट उत्पन्न करने के लिए कई भिन्न प्रोब प्रयुक्त होते हैं।

आकृति 6.16 डीएनए फिंगरप्रिंटिंग का आरेखीय प्रतिनिधित्व: कुछ प्रतिनिधि गुणसूत्रों को दिखाया गया है जिनमें वीएनटीआर की भिन्न प्रतिलिपि संख्याएँ होती हैं। समझने की सुविधा 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 मातृ) भी वीएनटीआर की भिन्न प्रतिलिपि संख्याएँ रखते हैं। यह स्पष्ट है कि अपराध स्थल से प्राप्त डीएनए की बैंडिंग पैटर्न व्यक्ति बी से मेल खाती है, व्यक्ति ए से नहीं।

सारांश

न्यूक्लिक अम्ल न्यूक्लियोटाइडों के लंबे बहुलक होते हैं। जबकि डीएनए आनुवंशिक सूचना को संग्रहित करता है, आरएनए ज्यादातर सूचना के स्थानांतरण और अभिव्यक्ति में सहायता करता है। यद्यपि डीएनए और आरएनए दोनों आनुवंशिक पदार्थ के रूप में कार्य करते हैं, पर डीएनए रासायनिक और संरचनात्मक रूप से अधिक स्थिर होने के कारण बेहतर आनुवंशिक पदार्थ है। फिर भी, आरएनए पहले उत्पन्न हुआ और डीएनए आरएनए से व्युत्पन्न हुआ। डीएनए की द्वि-सूत्रीय हेलिकल संरचना की पहचान विपरीत सूत्रों से आने वाले क्षारों के बीच 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 सूत्र दूसरे के पूरक बन जाता 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 सूत्र टेम्पलेट की तरह कार्य करता है और पूरक आरएनए के संश्लेषण को निर्देशित करता है। जीवाणुओं में, ट्रांसक्राइब किया गया मैसेंजर आरएनए 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 जोड़कर स्प्लाइसिंग द्वारा कार्यात्मक आरएनए बनाया जाता है। मैसेंजर आरएनए में क्षार अनुक्रम होते हैं जिन्हें तीन-तीन के संयोजन में (ट्रिपलेट जेनेटिक कोड बनाने के लिए) पढ़ा जाता है ताकि एक अमीनो अम्ल को कोड किया जा सके। जेनेटिक कोड पुनः पूरकता के सिद्धांत पर ट्रांसफर आरएनए द्वारा पढ़ा जाता है जो एडाप्टर अणु की तरह कार्य करता है। प्रत्येक अमीनो अम्ल के लिए विशिष्ट ट्रांसफर आरएनए होते हैं। ट्रांसफर आरएनए एक सिरे पर विशिष्ट अमीनो अम्ल से बंधता है और अपने एंटीकोडॉन के माध्यम से मैसेंजर आरएनए पर कोडों के साथ एच-बंधन द्वारा युग्मित होता है। अनुवाद (प्रोटीन संश्लेषण) का स्थान राइबोसोम होते हैं, जो मैसेंजर आरएनए से बंधते हैं और अमीनो अम्लों के जुड़ने के लिए मंच प्रदान करते हैं। एक राइबोसोमल आरएनए पेप्टाइड बंधन निर्माण के लिए उत्प्रेरक की तरह कार्य करता है, जो आरएनए एंजाइम (राइबोजाइम) का उदाहरण है। अनुवाद एक ऐसी प्रक्रिया है जो आरएनए के चारों ओर विकसित हुई है, यह दर्शाता है कि जीवन आरएनए के चारों ओर शुरू हुआ था। चूंकि ट्रांसक्रिप्शन और अनुवाद ऊर्जा की दृष्टि से बहुत महंगी प्रक्रियाएं 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 को कोड करता है। ऑपरॉन उस माध्यम में लैक्टोस की मात्रा द्वारा नियंत्रित होता है जहां जीवाणु उगाए जाते हैं। इसलिए, इस नियंत्रण को एंजाइम संश्लेषण का इसके सब्सट्रेट द्वारा नियंत्रण के रूप में भी देखा जा सकता है।

मानव जीनोम प्रोजेक्ट एक विशाल परियोजना थी जिसका उद्देश्य मानव जीनोम के प्रत्येक आधार का अनुक्रमण 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 जिससे किसी जनसंख्या के व्यक्तियों में डीएनए स्तर पर विभिन्नताएँ पता लगाई जाती हैं। यह डीएनए अनुक्रमों में बहुरूपता के सिद्धांत पर काम करती है। इसका फॉरेंसिक विज्ञान, आनुवंशिक जैव विविधता और विकासवादी जीव विज्ञान के क्षेत्र में व्यापक अनुप्रयोग है।