Biology · AP Biology
जीन अभिव्यक्ति और विनियमन
DNA से प्रोटीन तक
जीन DNA का वह खंड है जिसके क्षारकों का क्रम एक RNA को, और प्रायः एक प्रोटीन को, लिखता है। इसे अभिव्यक्त करने में दो चरण हैं: अनुलेखन, DNA से RNA, और अनुवादन, RNA से प्रोटीन।
आकृति द्विकुंडलित संरचना का एक भाग है, जो घूम रहा है। इसकी दोनों शृंखलाएँ बीच के क्षारक युग्मों से जुड़ी हैं, और इन क्षारकों का क्रम ही सूचना है।
यह अध्याय इसी सूचना का अनुसरण करता है: DNA कैसे बना है (6.1) और कैसे प्रतिकृत होता है (6.2), जीन कैसे RNA (6.3) और प्रोटीन (6.4) में पढ़ा जाता है, कोशिकाएँ कैसे तय करती हैं कि कौन से जीन पढ़ने हैं (6.5, 6.6), क्रम बदलने पर क्या होता है (6.7), और प्रयोगशाला DNA को कैसे काटती, प्रतिकृत करती और छाँटती है (6.8)।
DNA और RNA की संरचना
DNA, और कुछ विषाणुओं में RNA, कोशिका की वंशागत सूचना है। दोनों न्यूक्लियोटाइड की शृंखलाएँ हैं: एक शर्करा, एक फॉस्फेट और एक नाइट्रोजनी क्षारक।
शर्करा और फॉस्फेट बारी-बारी से आधार-शृंखला बनाते हैं। प्रत्येक शृंखला की एक दिशा होती है: मुक्त फॉस्फेट वाला 5′ सिरा और शर्करा पर मुक्त –OH वाला 3′ सिरा। DNA की दोनों शृंखलाएँ विपरीत दिशाओं में चलती हैं, प्रतिसमांतर, और मुड़कर द्विकुंडलित संरचना बनाती हैं।
क्षारक बीच में हाइड्रोजन बंधों से युग्मित होते हैं: A के साथ T (दो बंध) और G के साथ C (तीन)। A और G प्यूरीन हैं, जिनमें दो वलय होते हैं; C, T और U पिरिमिडीन हैं, जिनमें एक होता है। हर युग्म में एक प्यूरीन और एक पिरिमिडीन होता है, इसलिए कुंडली की चौड़ाई समान रहती है (लगभग 2 nm), और वह हर 10.5 क्षारक युग्मों पर एक चक्कर लगाती है।
चारगाफ़ का नियम। युग्मन के कारण द्विसूत्री DNA में A = T और G = C होता है। यदि किसी नमूने में 30% A है, तो 30% T होगा, और शेष 40% बराबर बँटता है: 20% G और 20% C।
| DNA | RNA |
|---|
| शर्करा | डीऑक्सीराइबोस | राइबोस |
| क्षारक | A, T, G, C | A, U, G, C |
| शृंखलाएँ | दो, द्विकुंडलित | प्रायः एक |
प्रोकैरियोट अपना DNA एक वृत्ताकार गुणसूत्र में रखते हैं; यूकैरियोट कई रैखिक गुणसूत्रों में, जो केंद्रक में हिस्टोन प्रोटीनों पर लिपटे होते हैं। दोनों में प्लाज़्मिड हो सकते हैं: गुणसूत्र के बाहर छोटे, वृत्ताकार, द्विसूत्री DNA।
प्रतिकृतिकरण
प्रतिकृतिकरण अर्धसंरक्षी है: प्रत्येक नई द्विकुंडलित संरचना एक पुरानी शृंखला रखती है और एक नई पाती है, जो क्षारक युग्मन द्वारा उसी को टेम्पलेट बनाकर बनती है।
प्रतिकृतिकरण द्विशाख पर हेलिकेज़ जनक कुंडली को खोलता है और क्षारकों के बीच के हाइड्रोजन बंध तोड़ता है। द्विशाख के आगे टोपोआइसोमरेज़ खुलने से पैदा हुए ऐंठन को ढीला करता है।
DNA पॉलीमरेज़ न्यूक्लियोटाइड केवल शृंखला के 3′ सिरे पर जोड़ता है, इसलिए नई शृंखला केवल 5′→3′ बढ़ती है। और यह शृंखला को शून्य से शुरू नहीं कर सकता: इसे बनाने के लिए एक छोटा RNA प्राइमर (नीला) चाहिए।
दोनों टेम्पलेट विपरीत दिशाओं में चलते हैं, इसलिए दोनों नई शृंखलाएँ (लाल) अलग ढंग से बनती हैं:
| अग्रगामी शृंखला | पश्चगामी शृंखला |
|---|
| दिशा | द्विशाख की ओर | द्विशाख से दूर |
| निर्माण | सतत, एक प्राइमर | टुकड़ों में, हर एक का प्राइमर |
पश्चगामी शृंखला के टुकड़े ओकाज़ाकी खंड हैं। उनके RNA प्राइमर DNA से बदले जाते हैं, और DNA लाइगेज़ उनके बीच के अंतराल बंद करके एक सतत शृंखला बना देता है।
DNA पॉलीमरेज़ जाँच-सुधार भी करता है, इसलिए प्रतिकृतिकरण की त्रुटियाँ दुर्लभ हैं, पर कभी शून्य नहीं: जो बच जाती हैं वे उत्परिवर्तन हैं (6.7)।
अनुलेखन और RNA प्रसंस्करण
अनुलेखन में RNA पॉलीमरेज़ किसी जीन पर DNA को खोलता है और एक शृंखला की RNA प्रतिलिपि बनाता है।
यह प्रवर्तक पर जुड़ता है, टेम्पलेट शृंखला को 3′→5′ पढ़ता है, और RNA को 5′→3′ बनाता है, जिसमें A के साथ U, T के साथ A, G के साथ C और C के साथ G युग्मित होते हैं। यह समापक पर रुक जाता है। RNA का क्रम दूसरी, कूटलेखन शृंखला जैसा होता है, जिसमें T की जगह U होता है।
| कूटलेखन शृंखला 5′→3′ | ATG TTC GGA AAA TGG TAA |
|---|
| टेम्पलेट शृंखला 3′→5′ | TAC AAG CCT TTT ACC ATT |
|---|
| mRNA 5′→3′ | AUG UUC GGA AAA UGG UAA |
|---|
प्रोटीन बनाने में तीन प्रकार के RNA भाग लेते हैं: mRNA जीन का संदेश ले जाता है; tRNA अमीनो अम्ल लाता है; rRNA राइबोसोम का क्रोड बनाता है।
प्रसंस्करण। यूकैरियोट में पहला अनुलेख, पूर्व-mRNA, केंद्रक से निकलने से पहले संशोधित होता है: एक 5′ कैप (एक संशोधित ग्वानीन न्यूक्लियोटाइड) और एक पॉली-A पूँछ जोड़ी जाती है, जो इसकी रक्षा करती और अनुवादन में सहायता करती है, और इंट्रॉन काटकर निकाल दिए जाते हैं जबकि एक्सॉन जोड़ दिए जाते हैं। नीचे का पूर्व-mRNA 1530 न्यूक्लियोटाइड का है; इसके एक्सॉन कुल 480 के हैं।
वैकल्पिक स्प्लाइसिंग से एक जीन अलग-अलग mRNA, और इसलिए अलग प्रोटीन, दे सकता है, यह इस पर निर्भर करता है कि कौन से एक्सॉन रखे जाते हैं।
अनुवादन
अनुवादन (ट्रांसलेशन) में राइबोसोम mRNA को एक बार में तीन क्षारकों के समूह में पढ़ता है, प्रति अमीनो अम्ल एक कोडॉन।
आरंभन। छोटी उपइकाई mRNA से जुड़ती है और प्रारंभ कोडॉन AUG ढूँढती है; मेथियोनीन ले जाने वाला पहला tRNA उससे युग्मित होता है; फिर बड़ी उपइकाई जुड़ जाती है।
दीर्घीकरण। प्रत्येक tRNA में एक प्रतिकोडॉन होता है जो एक कोडॉन से युग्मित होता है, और वह उस कोडॉन का अमीनो अम्ल ले जाता है। एक नया tRNA A स्थल में आता है; राइबोसोम बढ़ती शृंखला को उसके अमीनो अम्ल से पेप्टाइड बंध द्वारा जोड़ता है; राइबोसोम 3′ सिरे की ओर एक कोडॉन खिसकता है, और खाली tRNA E स्थल से बाहर निकल जाता है।
समापन। विराम कोडॉन (UAA, UAG, UGA) पर कोई tRNA युग्मित नहीं होता; एक मोचन कारक पॉलीपेप्टाइड को मुक्त कर देता है।
| mRNA | AUG | UUC | GGA | AAA | UGG | UAA |
|---|
| अमीनो अम्ल | Met | Phe | Gly | Lys | Trp | Stop |
|---|
कोड आनुवंशिक कोड सारणी से पढ़ा जाता है, और यह लगभग सार्वत्रिक है: जीवाणुओं और मनुष्यों में वही कोडॉन वही अमीनो अम्ल दर्शाते हैं, इसीलिए मानव जीन जीवाणु में अभिव्यक्त हो सकता है। यह अतिरेकी भी है: 20 अमीनो अम्लों के लिए 61 कोडॉन।
प्रोकैरियोट में राइबोसोम mRNA का अनुवादन तब ही शुरू कर देते हैं जब उसका अनुलेखन चल ही रहा होता है। HIV जैसे रेट्रोवायरस पहले प्रवाह को उलट देते हैं: उनका रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेज़ वायरल RNA को DNA में प्रतिलिपित करता है, जो परपोषी के जीनोम में जुड़ जाता है।
जीन अभिव्यक्ति का नियमन
कोशिका अपने सभी जीन हर समय अभिव्यक्त नहीं करती। DNA में नियामक अनुक्रम नियामक प्रोटीनों से जुड़ते हैं, जो अनुलेखन को बढ़ाते या घटाते हैं।
E. coli का lac ऑपेरॉन एक ऑपेरॉन है: एक ही काम (लैक्टोज़ का उपयोग) के जीन, एक प्रमोटर और एक संचालक (ऑपरेटर) के अधीन, एक ही mRNA में अनुलेखित होते हैं। यह प्रेरणीय है, सामान्यतः बंद रहता है:
| स्थिति | दमनकारी | lacZYA |
|---|
| लैक्टोस अनुपस्थित | प्रचालक पर दमनकारी | off |
| लैक्टोज़ उपस्थित | एलोलैक्टोज़ दमनकारी को रोके रखता है | on |
दमनकारी (रिप्रेसर), जो अलग जीन lacI से बनता है, संचालक पर बैठकर RNA पॉलीमरेज़ को रोक देता है। जब लैक्टोज़ मौजूद होता है, तो उससे बना ऐलोलैक्टोज़ दमनकारी से जुड़कर उसका आकार बदल देता है; वह संचालक से हट जाता है, और जीन अनुलेखित होते हैं। (ग्लूकोज़ भी कम होने पर अनुलेखन सबसे अधिक होता है।)
trp ऑपेरॉन दमनीय है, सामान्यतः चालू रहता है। इसका दमनकारी निष्क्रिय बनता है; जब ट्रिप्टोफैन प्रचुर होता है, तो ट्रिप्टोफैन उससे जुड़ता है, दमनकारी संचालक से जुड़ता है, और ट्रिप्टोफैन बनाने वाले जीन बंद हो जाते हैं।
एपिजेनेटिक परिवर्तन अनुक्रम बदले बिना जीनों को नियंत्रित करते हैं। हिस्टोनों का ऐसीटिलन उन पर लिपटे DNA को ढीला करता है और अनुलेखन की अनुमति देता है; DNA का मेथिलन प्रायः उसे शांत कर देता है। ये चिह्न उत्क्रमणीय हैं, और कोशिका विभाजन के समय आगे पहुँचाए जा सकते हैं।
जीन अभिव्यक्ति और कोशिका विशेषज्ञता
आपके शरीर की लगभग हर कोशिका में एक जैसे जीन होते हैं। कोशिकाएँ इसलिए भिन्न होती हैं क्योंकि वे अलग-अलग जीन अभिव्यक्त करती हैं।
यूकैरियोटी जीन अनुलेखन कारकों द्वारा चालू किया जाता है। सामान्य कारक RNA पॉलीमरेज़ को प्रमोटर से जुड़ने में मदद करते हैं। विशिष्ट सक्रियक एनहांसरों से जुड़ते हैं, जो हज़ारों क्षारकों की दूरी पर हो सकते हैं; DNA मुड़ता है ताकि सक्रियक प्रमोटर पर मौजूद तंत्र को छू सके, और अनुलेखन बढ़ जाता है। दमनकारी जुड़कर उसे रोकते हैं।
आकृति में: क्रोमैटिन संघनित और शांत है; ऐसीटिल समूह (लाल) हिस्टोनों को ढीला करते हैं; एक सक्रियक (नीला) एनहांसर से जुड़ता है, DNA लूप बनाता है, और mRNA बनते हैं।
| कोशिका | actin | albumin | insulin | crystallin |
|---|
| liver | on | on | — | — |
| pancreas | on | — | on | — |
| lens | on | — | — | on |
प्रत्येक कोशिका प्रकार के अपने अनुलेखन कारक होते हैं, और इसलिए सक्रिय जीनों और प्रोटीनों का अपना समूह। जो जीन एक नियामक अनुक्रम साझा करते हैं वे एक ही कारक पर प्रतिक्रिया देते हैं, इसलिए एक संकेत पूरे कार्यक्रम को एक साथ चालू कर सकता है।
अभिव्यक्ति को अनुलेखन के बाद भी समायोजित किया जाता है: छोटे RNA (जैसे माइक्रोRNA) विशिष्ट mRNA से युग्मित होकर उनके अनुवादन को रोकते हैं या उन्हें नष्ट करवा देते हैं।
उत्परिवर्तन
उत्परिवर्तन DNA अनुक्रम में परिवर्तन है। यह जीन द्वारा बनाए गए प्रोटीन को, और इसलिए लक्षणप्ररूप को, बदल सकता है।
आकृति mRNA AUG GAG UUC AAA UGG GCU UAA को उत्परिवर्तित करती है, जो Met-Glu-Phe-Lys-Trp-Ala को कोड करता है:
| उत्परिवर्तन | कोडॉन | प्रोटीन |
|---|
| silent | GAG → GAA | Met-Glu-Phe-Lys-Trp-Ala |
| missense | GAG → GUG | Met-Val-Phe-Lys-Trp-Ala |
| nonsense | AAA → UAA | Met-Glu-Phe (stop) |
| frameshift | UUC → CUU | Met-Glu-Leu-Gln-Met-Gly-Leu |
मौन प्रतिस्थापन एक कोडॉन को उसी अमीनो अम्ल के दूसरे कोडॉन में बदल देता है। मिसेंस प्रतिस्थापन एक अमीनो अम्ल बदलता है: GAG → GUG, ग्लूटामेट से वैलीन, हीमोग्लोबिन में सिकल-सेल उत्परिवर्तन है। नॉनसेंस प्रतिस्थापन विराम कोडॉन बना देता है और प्रोटीन को छोटा काट देता है। एक क्षारक का निवेशन या विलोपन फ्रेमशिफ्ट है: उसके बाद का हर कोडॉन गलत फ्रेम में पढ़ा जाता है।
उत्परिवर्तन प्रतिaccount अथवा मरम्मत की त्रुटियों से, और विकिरण तथा रसायनों से उत्पन्न होते हैं। वे जीव की आवश्यकता के संदर्भ में यादृच्छिक होते हैं; उनका प्रभाव पर्यावरण के अनुसार हानिकारक, तटस्थ या लाभकारी हो सकता है। वे आनुवंशिक विविधता का मूल स्रोत हैं।
पूरे गुणसूत्र भी बदलते हैं: अर्धसूत्रण में अवियोजन किसी युग्मक को एक अतिरिक्त या कम गुणसूत्र दे देता है, जैसे ट्राइसोमी 21 (डाउन सिंड्रोम) में। जीवाणु जीन पार्श्व रूप से भी पाते हैं: रूपांतरण (DNA ग्रहण करना), पारगमन (वायरस द्वारा ले जाया जाना), संयुग्मन (कोशिका से कोशिका) और ट्रांसपोज़ीशन (जीनोम के भीतर जीनों का खिसकना)।
जैव प्रौद्योगिकी
DNA क्या है, इससे चार प्रयोगशाला विधियाँ निकलती हैं।
जेल वैद्युतकण-संचलन DNA को आकार के अनुसार छाँटता है। DNA ऋणात्मक है (इसके फॉस्फेट के कारण), इसलिए विद्युत क्षेत्र में यह + सिरे की ओर चलता है; जेल लंबे टुकड़ों को छोटे टुकड़ों से अधिक रोकता है, इसलिए सबसे छोटे सबसे दूर जाते हैं। ज्ञात आकारों की एक सीढ़ी (लैडर) नमूनों के बगल में चलाई जाती है। दूरी आकार के लघुगणक के साथ एकसमान रूप से घटती है:
| आकार (bp) | 1500 | 1000 | 700 | 500 | 300 | 200 | 100 |
|---|
| दूरी (mm) | 10.7 | 16.0 | 20.6 | 25.0 | 31.7 | 37.0 | 46.0 |
|---|
कूप से 27.9 mm पर स्थित बैंड 500 और 300 bp बैंडों के बीच आता है; उसे रेखा पर पढ़ने से लगभग 400 bp मिलता है। आकृति में, अपराध-स्थल के नमूने के बैंड संदिग्ध 2 के बैंडों से मेल खाते हैं।
PCR (पॉलीमरेज़ शृंखला अभिक्रिया) DNA के चुने हुए खंड की प्रतिलिपि बनाती है: शृंखलाओं को अलग करने के लिए 95 °C तक गर्म करें, लगभग 55 °C तक ठंडा करें ताकि प्राइमर लक्ष्य के दोनों ओर जुड़ें, फिर 72 °C पर ऊष्मा-स्थायी DNA पॉलीमरेज़ उन्हें बढ़ाता है। प्रत्येक चक्र लक्ष्य को दोगुना करता है: 5 चक्र एक प्रति को 32 में बदलते हैं, और 30 चक्र लगभग 1.07 अरब में।
जीवाणु रूपांतरण एक जीन को प्लाज़्मिड पर जीवाणुओं में डालता है, प्रायः प्रतिजैविक प्रतिरोध के जीन के साथ, ताकि प्रतिजैविक वाली प्लेट पर केवल रूपांतरित कोशिकाएँ ही बढ़ें।
DNA अनुक्रमण क्षारकों का क्रम पढ़ता है।
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