विश्वविद्यालय जीवविज्ञान — वर्ष 1 · Bachelor Year 1

17कोशिकाओं और विषाणुओं के जीनोम

दो मीटर DNA छह माइक्रोमीटर आरपार के किसी केंद्रक में मुड़ा हुआ है, और इस तरह मुड़ा है कि बीस हज़ार जीनों में से कोई भी मिनटों में ढूँढ़ा और पढ़ा जा सके। कोई जीवाणु डेढ़ मिलीमीटर उस कोशिका में मोड़ लेता है जो एक हज़ार गुना छोटी है, और उसे हर बीस मिनट में नक़ल कर लेता है। कोई विषाणु किसी प्रोटीन खोल में कुछ हज़ार अक्षर ढोता है और उन्हें उस कोशिका से पढ़वाता है जो उसकी अपनी नहीं। यह अध्याय जीनोम का — यानी किसी जीव के पूरे DNA का — एक भौतिक वस्तु के रूप में वर्णन करता है: जीवाणुओं का, सुकेंद्रकी कोशिकाओं का, कोशिकांगों का और विषाणुओं का DNA कैसे संगठित है, उसमें जीनों के अलावा क्या है, और उसकी मात्रा उस जीव के बारे में इतना कम क्यों बताती है जो उसे ढोता है।

17.1 जीवाणु जीनोम

परिभाषा 17.1 (जीनोम, गुणसूत्र, केंद्रकाभ)

किसी कोशिका का जीनोम उसके सारे DNA का जोड़ है: यानी हर उस प्रोटीन तथा RNA की जानकारी जो वह बना सकती है, और वे अनुक्रम जो नियंत्रित करते हैं कि वे कब बनें। गुणसूत्र एक DNA अणु है, उन प्रोटीनों सहित जो उसे सजाते हैं। किसी जीवाणु में प्रायः एक होता है, वर्तुल, दस से चालीस लाख क्षारक युग्मों का (E. coli: $4.6 \times 10^{6}$ , $1.5\,\mathrm{mm}$ लंबा), जो कोशिकाद्रव्य के किसी क्षेत्र में मुड़ा रहता है, यानी केंद्रकाभ में, और जिसके चारों ओर कोई झिल्ली नहीं होती। गुणसूत्र के अलावा अनेक जीवाणु प्लास्मिड ढोते हैं: यानी कुछ हज़ार से कुछ लाख युग्मों के छोटे वृत्त, एक से लेकर सैकड़ों प्रतियों में, जो अपने आप प्रतिकृत होते हैं और वैकल्पिक जीन ढोते हैं — प्रतिजैविक प्रतिरोध, विषाक्त पदार्थ, और स्वयं को किसी दूसरी कोशिका में भेजने की मशीनरी।

प्रतिज्ञप्ति 17.2 (कोई जीवाणु अपना गुणसूत्र कैसे मोड़ता है)

जिस वर्तुल DNA के सिरे घूम न सकें उसे किसी रबड़ बैंड की तरह ऐंठा जा सकता है: अतिकुंडलन। टोपोआइसोमरेज़ कहलाते एंजाइम लड़ियों को काटते, पार कराते और फिर जोड़ देते हैं ताकि फेरे जुड़ें या हटें; और गाइरेज़ ATP से ऋणात्मक अतिकुंडलियाँ डालता है, जो कुंडली को कम कस देती हैं और उसे एक ही साथ अधिक संहत तथा खोलने में आसान बनाती हैं। E. coli का गुणसूत्र कोई पचास फंदों में सजा है, और हर फंदा स्वतंत्र रूप से अतिकुंडलित तथा किसी प्रोटीन अंतर्भाग से बँधा है, इसलिए वे $1.5\,\mathrm{mm}$ लगभग एक माइक्रोमीटर के केंद्रकाभ में समा जाते हैं — यानी एक हज़ार गुना संहतीकरण — और फिर भी बाक़ी को छेड़े बिना कोई भी फंदा पढ़ने या नक़ल करने के लिए खोला जा सकता है। छोटे क्षारीय प्रोटीन (हिस्टोन जैसे, यद्यपि हिस्टोनों से असंबंधित) पूरे DNA को जगह-जगह मोड़ते और जोड़ते हैं।

कोई वर्तुल गुणसूत्र शिथिल, अतिकुंडलित, और फंदों में सजा हुआ। अतिकुंडलन अणु को संहत करता है और वह ऊर्जा संचित करता है जो उसे खोलने में मदद देती है; और फंदे एक बार में एक ही क्षेत्र खुलने देते हैं।

उदाहरण 17.3 (एक सघन जीनोम)

E. coli के गुणसूत्र की $4.6\,\mathrm{Mb}$ में से $88\,\%$ प्रोटीन के लिए कूट है: यानी लगभग $1000$ युग्मों के कोई $4300$ जीन, जो सिर से पूँछ जमे हैं और जिनके बीच सौ युग्म हैं, और जिनमें से अनेक ऑपेरॉनों में समूहबद्ध होकर साथ अनुलेखित होते हैं (अध्याय 20)। $5\,\mathrm{kb}$ का कोई प्लास्मिड तीन जीन ढो सकता है और पचास प्रतियों में हो सकता है; और वह जो प्रतिरोध जीन ढोता है वह किसी अस्पताल के वार्ड के जीवाणुओं में हफ़्तों में संयुग्मन से फैल सकता है, यानी किसी भी उत्परिवर्तन के उठ सकने से तेज़।

17.2 सुकेंद्रकी जीनोम: क्रोमैटिन

परिभाषा 17.4 (न्यूक्लियोसोम, क्रोमैटिन)

किसी सुकेंद्रकी केंद्रक में DNA प्रोटीनों पर लिपटा रहता है: $147\,$ क्षारक युग्म आठ हिस्टोनों के किसी अष्टक के चारों ओर 1.7 फेरे लेते हैं (H2A, H2B, H3, H4 में से हर एक के दो, जो लाइसीन तथा आर्जिनीन से समृद्ध छोटे प्रोटीन हैं और फ़ॉस्फ़ेटों को उदासीन करते हैं), और इस तरह $11\,\mathrm{nm}$ आरपार का एक न्यूक्लियोसोम बनता है; न्यूक्लियोसोम हर $200\,$ युग्मों के आसपास एक-दूसरे के पीछे आते हैं, किसी डोरी पर मनकों की तरह, और एक पाँचवाँ हिस्टोन, H1, हर मनके को सील कर देता है। यह क्रोमैटिन और आगे मुड़ता है: $30\,\mathrm{nm}$ के किसी तंतु में, दसियों हज़ार युग्मों के उन फंदों में जो किसी प्रोटीन ढाँचे पर बँधे हैं, और — विभाजन के समय — मध्यावस्था गुणसूत्र की संहत छड़ों में, जो नंगे DNA से दस हज़ार गुना छोटी हैं। सुक्रोमैटिन अंतरावस्था का वह ढीला, जीन-समृद्ध, अनुलेखित रूप है; और विषमक्रोमैटिन वह संघनित, जीन-दरिद्र रूप जो संहत ही रहता है (सेंट्रोमियरों के चारों ओर, सिरों पर, और किसी बंद कर दिए गए X गुणसूत्र पर)।

सुकेंद्रकी DNA के जमाव के स्तर, कुंडली से लेकर मध्यावस्था गुणसूत्र तक। हर स्तर संहतीकरण को गुणा करता है; और पूरा जोड़ दस हज़ार तक पहुँचता है।

बाएँ: एक मानव कोशिका के गुणसूत्र, जो मध्यावस्था पर रोकी गई किसी कोशिका से फैलाए गए हैं। दाएँ: वही गुणसूत्र आकार और पट्टियों के अनुसार किसी गुणसूत्र-चित्र में छाँटे हुए — बाईस जोड़े और XY, कुल छियालीस। गुणसूत्र-चित्र: राष्ट्रीय मानव जीनोम अनुसंधान संस्थान, सार्वजनिक अधिकार-मुक्त।

परिभाषा 17.5 (गुणसूत्र-चित्र, सेंट्रोमियर, टीलोमियर)

गुणसूत्र-चित्र किसी कोशिका के गुणसूत्रों का वह समुच्चय है जो आकार और पट्टी-प्रतिरूप से छाँटा गया हो: मनुष्यों में 23 जोड़े हैं (22 अलिंगसूत्र और XY या XX), कुल $6.4 \times 10^{9}$ क्षारक युग्म, यानी $2.2\,\mathrm{m}$ ; सबसे बड़ा गुणसूत्र $250\,\mathrm{Mb}$ रखता है, सबसे छोटा $50\,$ । हर रैखिक गुणसूत्र एक सेंट्रोमियर ढोता है, यानी वह सिकुड़ा हुआ क्षेत्र जहाँ प्रतिकृतिकरण के बाद दोनों प्रतियाँ जुड़ी रहती हैं और जहाँ तर्कु जुड़ता है (अध्याय 18), और दो टीलोमियर, यानी सिरों पर के वे दोहराए गए अनुक्रम जो उन्हें टूटा हुआ DNA समझे जाने से और हर प्रतिकृतिकरण पर छोटा होने से बचाते हैं।

प्रतिज्ञप्ति 17.6 (जीनोम का आकार जटिलता नहीं मापता)

जीव	जीनोम (Mb)	प्रोटीन-कूटलेखी जीन
E. coli	4.6	$4300$
खमीर	12	$6000$
फल-मक्खी	140	$14\,000$
मनुष्य	3200	$20\,000$
मक्का	2300	$40\,000$
फेफड़ा-मछली	$130\,000$	$\approx20\,000$
Paris japonica (एक कुमुदिनी)	$150\,000$	$\approx30\,000$

सुकेंद्रकियों में जीनोम का आकार एक हज़ार गुना तक बदलता है, और उसका जीनों की संख्या या जीव की जटिलता से कोई संबंध नहीं (यही C-मान विरोधाभास है): कोई फेफड़ा-मछली मनुष्य से चालीस गुना DNA ढोती है और जीन उससे अधिक नहीं। फ़र्क़ जीनों का नहीं, उनके बीच के DNA का है।

17.3 किसी जीनोम में क्या होता है

परिभाषा 17.7 (किसी जीन की शारीरिकी)

जीन DNA का वह खंड है जो किसी क्रियाशील RNA में अनुलेखित होता है — प्रायः किसी एक प्रोटीन के संदेशवाहक में। किसी सुकेंद्रकी प्रोटीन-कूटलेखी जीन में होते हैं: एक उन्नायक, यानी ऊपर-प्रवाह का वह अनुक्रम जहाँ अनुलेखन शुरू होता है और नियंत्रित होता है; एक्सॉन, यानी वे भाग जो परिपक्व संदेश में रखे जाते हैं; इंट्रॉन, यानी वे भाग जो अनुलेखित होकर काट दिए जाते हैं (अध्याय 19); संदेश के दोनों सिरों पर के अनूदित न होने वाले क्षेत्र; और एक समापक। किसी मानव जीन का औसत $27\,\mathrm{kb}$ है जिसमें आठ एक्सॉन मिलकर $1.5\,\mathrm{kb}$ बनाते हैं: यानी किसी प्रारूपिक जीन का उन्नीस-बीसवाँ भाग इंट्रॉन है। जीवाणु जीनों में इंट्रॉन नहीं होते।

एक सुकेंद्रकी जीन: एक उन्नायक, और एक्सॉन (रखे गए) जो इंट्रॉनों (अनुलेखन के बाद हटाए गए) से एकांतर में हैं। दबे हुए पैमाने पर बनाया गया — असली जीन में इंट्रॉन एक्सॉनों से बीस गुना लंबे होते।

प्रतिज्ञप्ति 17.8 (मानव जीनोम की जनगणना)

$3.2\,\mathrm{Gb}$ में से: लगभग $1.5\,\%$ प्रोटीन के लिए कूट है; $25\,\%$ इंट्रॉन है; $45\,\%$ स्थानांतरणीय तत्वों के अवशेष हैं — यानी उन अनुक्रमों के जो स्वयं को नई जगहों पर नक़ल कर लेते हैं और अधिकतर कब के मर चुके हैं (अकेला Alu तत्व, $300\,\mathrm{bp}$ का, दस लाख प्रतियों में मौजूद है, यानी जीनोम का दसवाँ भाग); $8\,\%$ क्रम में लगी छोटी पुनरावृत्तियाँ हैं (उपग्रह DNA, सेंट्रोमियरों तथा टीलोमियरों पर); और बाक़ी वह अद्वितीय अकूटलेखी अनुक्रम है जिसमें वे उन्नायक, संवर्धक और RNA जीन आते हैं जो अभिव्यक्ति नियंत्रित करते हैं। अनेक जीन उन कुलों के हैं जो द्विगुणन से उठे (ग्लोबिन, घ्राण ग्राही — जिनमें से एक हज़ार हैं), और जीनोम हज़ारों छद्मजीन रखता है, यानी मरी हुई प्रतियाँ जो अब काम नहीं करतीं। जीनोम कोई अभिकल्पना नहीं, एक अभिलेख है।

मानव जीनोम किससे बना है। प्रोटीन के लिए कूट करते एक्सॉन एक फाँक भर हैं; और आधा जीनोम उन तत्वों का मलबा है जो कभी स्वयं को नक़ल करते थे।

उदाहरण 17.9 (किसी जीनोम का आकार पढ़ना)

बिना इंट्रॉन और थोड़ी पुनरावृत्तियों वाला $4.6\,\mathrm{Mb}$ का कोई जीनोम $4300$ जीन रखता है; लंबे इंट्रॉनों और आधी लंबाई पुनरावृत्तियों वाला $3200\,\mathrm{Mb}$ का कोई जीनोम $20\,000$ रखता है; और $130\,000\,\mathrm{Mb}$ का कोई जीनोम वही बीस हज़ार। आकार यह मापता है कि किसी वंशरेखा के अकूटलेखी DNA में कितना जमा हो गया है, और उसे कितनी दक्षता से हटाया गया है, न कि यह कि जीव कितना करता है।

17.4 कोशिकांगों के जीनोम और विषाणु

परिभाषा 17.10 (कोशिकांगों के जीनोम)

सूत्रकणिकाएँ और हरितलवक अपने जीवाणु पूर्वजों के गुणसूत्र का एक अवशेष रखते हैं (अध्याय 6): यानी एक छोटा वृत्त — मानव सूत्रकणिकाओं में $16.6\,\mathrm{kb}$ और 37 जीन, हरितलवकों में $120\text{ to }160\,\mathrm{kb}$ और लगभग 100 जीन — जो प्रति कोशिकांग अनेक प्रतियों में रहता है और उनके अपने कुछ प्रोटीनों तथा उनके राइबोसोमों के RNA के लिए कूट करता है। उनके बाक़ी प्रोटीन केंद्रकी जीनों से आते हैं। अधिकांश जंतुओं में सूत्रकणिका जीनोम केवल माता से, अंडे के कोशिकाद्रव्य के साथ वंशागत होता है।

परिभाषा 17.11 (विषाणु)

विषाणु किसी प्रोटीन खोल, यानी कैप्सिड, में बंद एक जीनोम है — जो कभी-कभी किसी झिल्ली में लिपटा होता है, यानी आवरण में, जो किसी पोषी कोशिका से लिया जाता है — और जो केवल किसी कोशिका के भीतर, उसी कोशिका के राइबोसोम, ऊर्जा तथा पूर्ववर्ती काम में लेकर जनन करता है। उसका जीनोम DNA या RNA हो सकता है, द्विलड़ी या एकलड़ी, रैखिक या वर्तुल, एक अणु या कई: $5\,\mathrm{kb}$ (कुछ जीन) से लेकर $1.2\,\mathrm{Mb}$ (एक हज़ार जीन, विशाल विषाणुओं में) तक। किसी कोशिका के बाहर विषाणु कुछ नहीं करता: वह कोशिका नहीं है, उपापचय नहीं करता, और केवल इस अर्थ में जीवित है कि वह जानकारी ढोता है और विकसित होता है। जीवाणुभोजी जीवाणुओं के विषाणु हैं।

किसी जीवाणु से चिपके जीवाणुभोजी: बहुफलकी सिर, जिनमें DNA है, और पूँछें, जिनसे उसे भीतर डाला जाएगा। एक ही कोशिका आधे घंटे के भीतर सौ नए भोजी छोड़ देगी।

प्रतिज्ञप्ति 17.12 (फ़ेज $\lambda$ के दो चक्र)

फ़ेज $\lambda$ अपने $48.5\,\mathrm{kb}$ DNA (अध्याय 11) को E. coli में डाल देता है, जहाँ वह वृत्ताकार हो जाता है। उसके बाद दो नियतियाँ हैं। लयन चक्र में फ़ेज के जीन पोषी के पॉलिमरेज़ से अनुलेखित होते हैं, उसका DNA सौ गुना प्रतिकृत होता है, कैप्सिड प्रोटीन बनते और जुड़ते हैं, DNA उनमें भर दिया जाता है, और कोई एंजाइम भित्ति गला देता है: संक्रमण के चालीस मिनट बाद कोशिका फट जाती है और सौ फ़ेज छोड़ देती है। लयजनी चक्र में फ़ेज का DNA पोषी गुणसूत्र में डाल दिया जाता है और उसके अपने बनाए किसी दमनकारी से चुप करा दिया जाता है: पूर्वफ़ेज पीढ़ियों तक गुणसूत्र के साथ नक़ल होता रहता है, अदृश्य, जब तक पोषी के DNA को हुई कोई क्षति उस दमन को हटा न दे और लयन चक्र फिर शुरू न हो जाए। यह चुनाव एक आणविक स्विच है, और सबसे पहले समझे गए स्विचों में से एक (अध्याय 20)।

फ़ेज : लयन चक्र (लाल) या लयजनी (हरा), और वह प्रेरण जो दूसरे को पहला बना देता है। — फ़ेज $\lambda$ : लयन चक्र (लाल) या लयजनी (हरा), और वह प्रेरण जो दूसरे को पहला बना देता है।

उदाहरण 17.13 (RNA जीनोम वाले विषाणु)

इन्फ़्लुएंज़ा एकलड़ी RNA के आठ खंड ढोता है और उन्हें नक़ल करने के लिए अपना ही पॉलिमरेज़, क्योंकि कोशिकाओं में RNA की नक़ल करने वाला कोई एंजाइम नहीं होता; उसका पॉलिमरेज़ प्रति $10\,000$ क्षारक एक भूल करता है और विषाणु हर ऋतु में बदल जाता है। कोई प्रतिवर्ती विषाणु (HIV) RNA और एक प्रतीप अनुलेखेज़ ढोता है जो उसे DNA में नक़ल कर देता है, और वह पोषी गुणसूत्र में किसी पूर्वफ़ेज की तरह डाल दिया जाता है — यानी एक स्थायी संक्रमण। क्रियाविधियाँ, और उनके प्रति प्रतिरक्षा अनुक्रिया, वर्ष 3 के खंड की हैं; यहाँ वे बस यह दिखाते हैं कि जीनोम कितनी तरह का हो सकता है।

17.5 अभ्यास

अभ्यास 17.1 ★

जीवाणु और सुकेंद्रकी जीनोम की तुलना कीजिए: गुणसूत्रों की संख्या तथा आकृति, स्थान, उन्हें सजाने वाले प्रोटीन, और जीन-घनत्व।

हल

हल — अभ्यास 17.1.

बैक्टीरियम: बिना झिल्ली के किसी केंद्रकाभ में एक वर्तुल गुणसूत्र (जोड़ प्लास्मिड), जो अधिकुंडलन और छोटे क्षारीय प्रोटीनों से सघन किया जाता है, और लगभग $90\,\%$ कूटलेखी। सुकेंद्रकी: किसी केंद्रक में कई रैखिक गुणसूत्र, जो हिस्टोनों पर लिपटकर क्रोमैटिन बनते हैं, और कुछ ही प्रतिशत कूटलेखी।

अभ्यास 17.2 ★

किसी न्यूक्लियोसोम का वर्णन कीजिए और क्रोमैटिन के मुड़ाव के हर स्तर का संहतीकरण गुणक दीजिए।

हल

हल — अभ्यास 17.2.

हिस्टोनों के किसी अष्टक (H2A, H2B, H3, H4 में से हर एक के दो) के चारों ओर 1.7 बार लिपटे 147 क्षारक युग्म, जिन्हें H1 सील करता है, हर 200 युग्म पर एक। डोरी पर मनके $\times 6$ ; $30\,\mathrm{nm}$ तंतु $\times 40$ ; फंदे $\times 1000$ ; मध्यावस्था गुणसूत्र $\times 10\,000$ ।

अभ्यास 17.3 ★

जनगणना वाले आलेख से बताइए कि मानव जीनोम का कितना भिन्न प्रोटीन के लिए कूट करता है, और सबसे बड़ी श्रेणी कौन-सी है।

हल

हल — अभ्यास 17.3.

$1.5\,\%$ ; स्थानांतरणीय तत्व और उनके अवशेष, $45\,\%$ ।

अभ्यास 17.4 ★

विषाणु क्या है, और किस अर्थ में वह जीवित नहीं है?

हल

हल — अभ्यास 17.4.

किसी प्रोटीन-कवच में कोई जीनोम (DNA या RNA), कभी-कभी आवरण के साथ, जो कोशिका के तंत्र से केवल किसी कोशिका के भीतर ही जनन करता है। किसी कोशिका के बाहर उसका कोई उपापचय, कोई वृद्धि, कोई अनुक्रिया नहीं — वह एक निष्क्रिय कण है; वह केवल इस अर्थ में “जीवित” है कि वह ऐसी वंशागत सूचना ढोता है जो विकसित होती है।

अभ्यास 17.5 ★★

E. coli गुणसूत्र की लंबाई निकालिए और वे न्यूक्लियोसोम-आकार के फेरे भी जो उसे चाहिए होते यदि वह सुकेंद्रकी होता; और समझाइए कि जीवाणु उसे इसकी जगह कैसे संहत करता है।

हल

हल — अभ्यास 17.5.

$4.6 \times 10^{6}\times 0.34 = 1.56\,\mathrm{mm}$ ; $4.6 \times 10^{6}/200 = 23\,000$ न्यूक्लियोसोम। उसके बजाय: जायरेज़ द्वारा ऋणात्मक अधिकुंडलन और किसी प्रोटीन-गूदे पर लगभग पचास फंदों में मुड़ना, साथ में DNA को मोड़ते छोटे क्षारीय प्रोटीन — यानी हज़ार गुना, एक माइक्रोमीटर के केंद्रकाभ में।

अभ्यास 17.6 ★★

$27\,\mathrm{kb}$ के किसी मानव जीन में आठ टुकड़ों में $1.5\,\mathrm{kb}$ एक्सॉन हैं। माध्य एक्सॉन तथा इंट्रॉन लंबाइयाँ और प्राथमिक अनुलेख का वह भिन्न निकालिए जो फेंक दिया जाता है।

हल

हल — अभ्यास 17.6.

एक्सॉन $1500/8 = 190\,\mathrm{bp}$ ; इंट्रॉन $25\,500/7 = 3640\,\mathrm{bp}$ ; अनुलेख का $25.5/27 = 94\,\%$ फेंक दिया जाता है।

अभ्यास 17.7 ★★

सारणी से E. coli, खमीर, फल-मक्खी, मनुष्य और फेफड़ा-मछली के लिए प्रति मेगाक्षारक जीन निकालिए। प्रवृत्ति पर टिप्पणी कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 17.7.

E. coli प्रति Mb 930 जीन; यीस्ट 500; मक्खी 100; मनुष्य 6; फुफ्फुसमीन 0.15. जीन-घनत्व परिमाण की चार कोटियों से गिरता है जबकि जीनों की संख्या पाँच गुना चढ़ती है: अतिरिक्त DNA अजीनी है।

अभ्यास 17.8 ★★

Alu तत्व $300\,\mathrm{bp}$ का है और दस लाख प्रतियों में मौजूद। जीनोम का कितना भिन्न Alu है? यदि हर प्रति प्रतीप-स्थानांतरण से उठी हो (यानी किसी RNA की वापस DNA में नक़ल और उसका प्रवेश), तो $20$ वर्ष प्रति पीढ़ी की दर से $60$ लाख वर्षों में दस लाख प्रतियाँ बनाने के लिए प्रति पीढ़ी कितने प्रवेश चाहिए होंगे?

हल

हल — अभ्यास 17.8.

$10^6\times 300 = 3 \times 10^{8}\,\mathrm{bp}$ : यानी जीनोम का $9\,\%$ । $60\times 10^6/20 = 3 \times 10^{6}$ पीढ़ियाँ: औसतन हर तीन पीढ़ियों में एक नया प्रवेशन, वंशक्रम में कहीं न कहीं।

अभ्यास 17.9 ★★

समझाइए कि सूत्रकणिका जीनोम मातृ-वंशागत क्यों होता है, और वंशावली खोजने के लिए इससे क्या निकलता है।

हल

हल — अभ्यास 17.9.

अंडाणु कोशिकाद्रव्य और उसकी सूत्रकणिकाएँ देता है; शुक्राणु की थोड़ी सूत्रकणिकाएँ निषेचन के बाद बाहर कर दी जाती हैं या नष्ट कर दी जाती हैं। इसलिए सूत्रकणिकीय DNA माँ से बच्चे तक बिना मिले जाता है, और उसके जमे उत्परिवर्तन मातृ वंशक्रमों का पीछा समय में पीछे तक करते हैं।

अभ्यास 17.10 ★★★

लयजनी अवस्था में फ़ेज $\lambda$ प्रति पोषी पीढ़ी एक बार नक़ल होता है; लयन अवस्था में वह $40\,\mathrm{min}$ में सौ प्रतियाँ बना लेता है। हर $20\,\mathrm{min}$ में दुगुने होते किसी भरपेट संवर्धन में दो घंटे तक दोनों नीतियों की तुलना कीजिए; और ऐसे किसी भूखे संवर्धन में जो विभाजित नहीं होता, फिर से तुलना कीजिए। यह स्विच पोषी की दशा के प्रति अनुक्रिया क्यों करता है?

हल

हल — अभ्यास 17.10.

पली-पुसी संवर्धि, दो घंटे: लयजीविता $2^6 = 64$ प्रतियाँ देती है (प्रति पोषी-विभाजन एक); लयन $40\,\mathrm{min}$ में 100 फ़ेज देता है, और यदि पोषी बहुत हों तो दो घंटों में उनकी संतति $100^3 = 10^6$ — लयन कहीं आगे जीतता है। भूखी संवर्धि: लयजीविता किसी जीवित कोशिका के भीतर सुरक्षित एक प्रति देती है; लयन 100 फ़ेज देता है, जिन्हें संक्रमित करने को कोई कोशिका नहीं और जो क्षय हो जाते हैं। यह स्विच पोषी की अवस्था पढ़ता है क्योंकि सबसे अच्छी रणनीति इस पर निर्भर करती है कि नए पोषी मिलेंगे या नहीं।

अभ्यास 17.11 ★★★

किसी फेफड़ा-मछली की कोशिका $130\,\mathrm{Gb}$ ढोती है: DNA की लंबाई, न्यूक्लियोसोमों की संख्या, प्रति कोशिका हिस्टोनों का द्रव्यमान, और प्रति $100\,\mathrm{kb}$ एक उद्गम के साथ मानव द्विशाख-चाल ( $50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ प्रति द्विशाख) पर उसे प्रतिकृत करने का समय निकालिए। किसी बड़े जीनोम की कोशिका को क्या क़ीमत चुकानी पड़ती है?

हल

हल — अभ्यास 17.11.

$1.3 \times 10^{11}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 44\,\mathrm{m}$ (अगुणित); $6.5 \times 10^{8}$ न्यूक्लियोसोम; हिस्टोन $6.5 \times 10^{8}\times 108\,000\times 1.66\times 10^{-24} = 117\,\mathrm{pg}$ । उद्गम: $1.3 \times 10^{6}$ , हर एक $50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ पर दोनों ओर $50\,\mathrm{kb}$ की नकल करता: $1000\,\mathrm{s}$ — यानी पर्याप्त उद्गम हों तो समय समस्या नहीं है; लागत न्यूक्लियोटाइड हैं (प्रति विभाजन $130\,\mathrm{pg}$ DNA), हिस्टोन, उन्हें बनाने का समय, और कई गुना बड़ा केंद्रक तथा कोशिका, और इसीलिए ऐसी कोशिकाएँ धीरे विभाजित होती हैं।

अभ्यास 17.12 ★★★

“जीनोम एक अभिलेख है, कोई अभिकल्पना नहीं।” छद्मजीनों, स्थानांतरणीय तत्वों, जीन कुलों और C-मान विरोधाभास की सहायता से एक अनुच्छेद में चर्चा कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 17.12.

कोई रचना वही रखती जो चाहिए और उससे अधिक नहीं; कोई अभिलेख वह रखता है जो हुआ। छद्मजीन उन द्विगुणित जीनों की लाशें हैं जो उत्परिवर्तन से मर गए; स्थानांतरणीय तत्व ऐसे परजीवी हैं जो करोड़ों वर्ष तक अपनी नकलें बनाते रहे और कभी हटाए नहीं गए; जीन-कुल द्विगुणन और उसके बाद के विचलन को दिखाते हैं; और C-मान विरोधाभास दिखाता है कि DNA की मात्रा किसी वंशक्रम की ज़रूरतों के बजाय उसके जमाव तथा हानि के इतिहास को झलकाती है। वरण जीनों को चलता रखता है और बाकी को बहने देता है: किसी जीनोम में हम जो पढ़ते हैं वह अधिकतर इतिहास है।

17.6 समस्या: छह माइक्रोमीटर में दो मीटर

समस्या 17.1

सप्ताहांत समस्या — कुंडली से गुणसूत्र तक मापा गया एक मानव केंद्रक: हर स्तर पर लंबाइयाँ, आयतन, न्यूक्लियोसोम, हिस्टोन और जमाव-अनुपात, और अंत में मध्यावस्था का कुल संहतीकरण

कोई मानव द्विगुणित केंद्रक $6\,\text{µ}\mathrm{m}$ व्यास का एक गोला है जो 46 गुणसूत्रों पर $6.4 \times 10^{9}$ क्षारक युग्म रखता है; सबसे बड़ा गुणसूत्र $250\,\mathrm{Mb}$ ढोता है, सबसे छोटा $50\,$ । प्रति युग्म $0.34\,\mathrm{nm}$ , कुंडली का व्यास $2\,\mathrm{nm}$ , प्रति युग्म $650\,\mathrm{Da}$ , प्रति न्यूक्लियोसोम $200$ युग्म, हिस्टोन अष्टक $108\,\mathrm{kDa}$ , और प्रति डाल्टन $1.66 \times 10^{-24}\,\mathrm{g}$ लीजिए।

भाग I — लंबाइयाँ और आयतन।

केंद्रक में DNA की कुल लंबाई निकालिए।
उसमें द्विकुंडली के फेरों की संख्या निकालिए।
सबसे बड़े और सबसे छोटे गुणसूत्र के DNA की लंबाई निकालिए।
केंद्रक का आयतन निकालिए।
DNA का आयतन किसी बेलन के रूप में निकालिए, और केंद्रक का वह भिन्न भी जो वह घेरता है।
केंद्रक में DNA का द्रव्यमान पिकोग्राम में निकालिए।
केंद्रक में लगभग $25\,\mathrm{pg}$ प्रोटीन है। यदि केंद्रक का $80\,\%$ जल हो (घनत्व $1.1\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ ), तो केंद्रकी द्रव्यमान का कितना भिन्न DNA है?

भाग II — न्यूक्लियोसोम।

केंद्रक में न्यूक्लियोसोमों की संख्या निकालिए।
हिस्टोनों का द्रव्यमान निकालिए और DNA के द्रव्यमान से तुलना कीजिए।
एक न्यूक्लियोसोम के $200\,$ युग्म कुंडली के $68\,\mathrm{nm}$ घेरते हैं पर $11\,\mathrm{nm}$ लंबे किसी मनके में समा जाते हैं। “डोरी पर मनकों” का संहतीकरण गुणक निकालिए।
$30\,\mathrm{nm}$ तंतु अपनी लंबाई के प्रति $11\,\mathrm{nm}$ छह न्यूक्लियोसोम रखता है। नंगे DNA के सापेक्ष उसका संहतीकरण गुणक निकालिए।
पूरे जीनोम के लिए $30\,\mathrm{nm}$ तंतु की लंबाई निकालिए, और उसकी तुलना केंद्रक के व्यास से कीजिए।
DNA के प्रतिकृत या अनुलेखित होने पर हर न्यूक्लियोसोम को खोलकर फिर जोड़ना पड़ता है। S प्रावस्था ( $8\,\mathrm{h}$ ) में कितने न्यूक्लियोसोम फिर जोड़े जाते हैं? प्रति सेकंड कितने?

भाग III — फंदे और गुणसूत्र।

$30\,\mathrm{nm}$ तंतु के $75\,\mathrm{kb}$ के फंदे किसी ढाँचे से लटकते हैं। एक फंदे में तंतु की लंबाई और जीनोम में फंदों की संख्या निकालिए।
सबसे बड़े गुणसूत्र की कोई मध्यावस्था क्रोमैटिड $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ लंबी है। नंगे DNA से मध्यावस्था गुणसूत्र तक संहतीकरण गुणक निकालिए।
उस क्रोमैटिड का आयतन $0.7\,\text{µ}\mathrm{m}$ व्यास के किसी बेलन के रूप में निकालिए, और उसका वह भिन्न भी जो DNA है।
मध्यावस्था के 46 गुणसूत्र, जिनमें से हर एक उसी घनत्व की छड़ है: उनका कुल आयतन निकालिए और अंतरावस्था के केंद्रक से तुलना कीजिए।
समझाइए कि अंतरावस्था की क्रोमैटिन मध्यावस्था की क्रोमैटिन जितनी कसकर क्यों नहीं जमाई जा सकती।

भाग IV — कोई जीन ढूँढ़ना।

किसी प्रोटीन को जीनोम में $20\,\mathrm{bp}$ का एक स्थल ढूँढ़ना है। यदि वह प्रति मिलीसेकंड एक यादृच्छिक स्थल जाँचे तो खोज में कितना समय लगता? इससे इस बारे में क्या पता चलता है कि स्थल कैसे ढूँढ़े जाते हैं?
जीनोम के $20\,000\,$ जीनों का औसत $27\,\mathrm{kb}$ है। जीनोम का कितना भिन्न जीनों के भीतर है? और प्रति जीन $1.5\,\mathrm{kb}$ एक्सॉन पर कितना भिन्न कूटलेखी है?
हर गुणसूत्र केंद्रक में अपना ही क्षेत्र घेरता है। यदि क्षेत्र DNA की मात्रा के समानुपाती हों, तो सबसे बड़े गुणसूत्र के क्षेत्र का आयतन निकालिए, और उसके भीतर DNA की सांद्रता क्षारक युग्म प्रति घन माइक्रोमीटर में भी।
उसी DNA घनत्व वाले किसी फेफड़ा-मछली के केंद्रक का $260\,\mathrm{Gb}$ (द्विगुणित) के लिए आयतन क्या होगा? व्यास क्या?
S प्रावस्था में कोशिका को कितने हिस्टोन अष्टक बनाने पड़ते हैं और उनमें कितने ऐमीनो अम्ल हैं (प्रति अष्टक $1000\,$ अवशेष), यह निकालिए। कोशिका एक दिन में जो $3 \times 10^{9}\,$ प्रोटीन अवशेष बनाती है उनसे तुलना कीजिए।
दो वाक्यों में समझाइए कि जीवाणु न्यूक्लियोसोमों के बिना काम क्यों चला लेते हैं और सुकेंद्रकी क्यों नहीं।
परिणाम बताइए: कुंडली से मध्यावस्था गुणसूत्र तक कुल संहतीकरण गुणक, और हर स्तर के गुणक।

हल

हल — समस्या 17.1.

1. $6.4 \times 10^{9}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 2.18\,\mathrm{m}$ । 2. $6.4 \times 10^{9}/10 = 6.4 \times 10^{8}$ घुमाव। 3. $2.5 \times 10^{8}\times 0.34 = 8.5\,\mathrm{cm}$ ; $1.7\,\mathrm{cm}$ । 4. $\frac{4}{3}\pi\times 3^3 = 113\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ । 5. $\pi\times(1\,\mathrm{nm})^2\times 2.18\,\mathrm{m} = 6.8 \times 10^{-18}\,\mathrm{m}^{3} = 6.8\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ : यानी केंद्रक का $6\,\%$ । 6. $6.4 \times 10^{9}\times 650\times 1.66\times 10^{-24} = 6.9 \times 10^{-12}\,\mathrm{g} = 6.9\,\mathrm{pg}$ । 7. केंद्रक का द्रव्यमान $113\times 10^{-12}\,\mathrm{mL}\times 1.1 = 124\,\mathrm{pg}$ ; DNA उसका $5.6\,\%$ , प्रोटीन $20\,\%$ । 8. $6.4 \times 10^{9}/200 = 3.2 \times 10^{7}$ । 9. $3.2 \times 10^{7}\times 108\,000\times 1.66\times 10^{-24} = 5.7\,\mathrm{pg}$ : यानी DNA के लगभग बराबर। 10. $68/11 = 6.2$ । 11. छह न्यूक्लियोसोम, कुंडली की $1200\,\mathrm{bp}$ $= 408\,\mathrm{nm}$ , $11\,\mathrm{nm}$ में: गुणक $37$ । 12. $2.18/37 = 5.9\,\mathrm{cm}$ तंतु — यानी केंद्रक के व्यास का दस हज़ार गुना, और उसी के भीतर मुड़ा हुआ। 13. सारे $3.2 \times 10^{7}$ , जोड़ दूसरी प्रति पर उतने ही नए: $28\,800\,\mathrm{s}$ में $6.4 \times 10^{7}$ , यानी प्रति सेकंड लगभग $2200$ । 14. प्रति फंदा $75\,000\times 0.34/37 = 690\,\mathrm{nm}$ तंतु; $6.4 \times 10^{9}/75\,000 = 85\,000$ फंदे। 15. $8.5\,\mathrm{cm}/10\,\text{µ}\mathrm{m} = 8500$ । 16. $\pi\times 0.35^2\times 10 = 3.85\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ ; DNA $\pi\times 10^{-6}\times 0.085\,\mathrm{m} = 0.27\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ : यानी $7\,\%$ — बाकी हिस्टोन तथा मचान-प्रोटीन और जल है। 17. कुल DNA उसी घनत्व पर $6.4 \times 10^{9}$ युग्म (प्रति क्रोमैटिड $3.85\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ में $2.5 \times 10^{8}$ युग्म; प्रति गुणसूत्र दो क्रोमैटिड): $2\times 6.4\times 10^9/2.5\times 10^8\times 3.85 = 197\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ , जो अंतरावस्था के केंद्रक से बड़ा है क्योंकि गुणसूत्र अब ऐसी छड़ें हैं जिनके बीच जगह है। 18. अंतरावस्था के क्रोमैटिन को पढ़ा और नकल किया जाना है: पॉलिमरेज़ों और उनके कारकों को DNA तक पहुँच चाहिए, इसलिए उसका अधिकांश खुले $30\,\mathrm{nm}$ तंतु और फंदों के रूप में रहता है; मध्यावस्था का क्रोमैटिन निष्क्रिय है और परिवहन के लिए बाँधा जा सकता है। 19. $6.4 \times 10^{9}$ स्थल, प्रति सेकंड $10^3$ की दर से: $6.4 \times 10^{6}$ सेकंड, यानी 74 दिन। प्रोटीन यादृच्छ ढंग से नहीं खोजते: वे DNA से अविशिष्ट ढंग से बँधते हैं और उस पर सरकते हैं, और कई प्रतियाँ समांतर में खोजती हैं, इसलिए कोई स्थल सेकंडों में मिल जाता है। 20. $20\,000\times 27\,\mathrm{kb} = 540\,\mathrm{Mb}$ , यानी $3.2\,\mathrm{Gb}$ का $17\,\%$ ; कूटलेखी $20\,000\times 1.5 = 30\,\mathrm{Mb}$ , यानी $0.9\,\%$ (छोटे जीनों को अधिक ध्यान से गिनने पर लगभग 1.5%)। 21. $113\times 2\times 250/6400 = 8.8\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ (दो प्रतियाँ); $5 \times 10^{8}/8.8 = 5.7 \times 10^{7}\,\mathrm{bp}/\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ , यानी समूचे केंद्रक जितना ही। 22. $2.6 \times 10^{11}/5.7 \times 10^{7} = 4600\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ : व्यास $21\,\text{µ}\mathrm{m}$ , यानी आयतन में मानव केंद्रक का चालीस गुना। 23. $3.2 \times 10^{7}$ अष्टक, $3.2 \times 10^{10}$ अवशेष — यानी कोशिका के दैनिक प्रोटीन-संश्लेषण का दसवाँ भाग, बाँधने पर खर्च। 24. किसी बैक्टीरियम का गुणसूत्र हज़ार गुना छोटा है और उसे किसी माइक्रोमीटर में बिठाने के लिए फंदों में अधिकुंडलन बहुत है; किसी सुकेंद्रकी को अपने केंद्रक से दस हज़ार गुनी लंबाई मोड़नी पड़ती है और उसे बाँधने का एक अनुक्रम चाहिए, जिसका पहला स्तर न्यूक्लियोसोम है। 25. लगभग $8500$ ( $8.5\,\mathrm{cm}$ को $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ में), जो $\times 6$ (न्यूक्लियोसोम), फिर $\times 6$ और ( $30\,\mathrm{nm}$ तंतु, कुल मिलाकर $\times 37$ ), फिर $\times 27$ और (फंदे, कुल मिलाकर $\times 1000$ ), और $\times 8$ और (मध्यावस्था का संघनन) के रूप में गढ़ा जाता है।

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