विश्वविद्यालय जीवविज्ञान — वर्ष 1 · Bachelor Year 1

20जीन अभिव्यक्ति का नियंत्रण

ग्लूकोज़ पर बढ़ता कोई जीवाणु उस एंजाइम के पाँच अणु ढोता है जो लैक्टोस पचाता है; उसे लैक्टोस दीजिए और मिनटों के भीतर वह पाँच हज़ार ढोने लगता है। किसी यकृत कोशिका और किसी न्यूरॉन के पास वही बीस हज़ार जीन हैं और वे लगभग पूरी तरह अलग-अलग प्रोटीन-समुच्चय बनाते हैं, और कोई भी दूसरे वाले कभी नहीं बनाएगा। अध्याय 19 में इसकी कोई व्याख्या नहीं: अभिव्यक्ति की मशीनरी हर जीन के लिए वही है। जो भिन्न है वह यह है कि कोई जीन पढ़ा जाता है या नहीं, कितनी बार, और कितनी देर तक — और ये निर्णय उन्नायक पर DNA बाँधते प्रोटीन लेते हैं, तथा उसके बाद संदेशवाहक और प्रोटीन की नियति। यह अध्याय बताता है कि जीवाणु अपने भोजन के अनुसार जीन कैसे चालू और बंद करते हैं, सुकेंद्रकी अपने जीन क्रोमैटिन, दूर के संवर्धकों और कारकों के संयोजनों से कैसे नियंत्रित करते हैं, और वही नियंत्रण, अलग-अलग कोशिकाओं में अलग-अलग जीनों पर लागू होकर, एक ही जीनोम से शरीर कैसे बना देता है।

20.1 जीन क्यों और कहाँ नियंत्रित होते हैं

प्रतिज्ञप्ति 20.1 (अभिव्यक्ति हर स्तर पर नियमित होती है)

कुछ जीन सतत हैं — यानी सदा, एक स्थिर स्तर पर अभिव्यक्त, क्योंकि उनके उत्पाद सदा चाहिए (राइबोसोम के प्रोटीन, ग्लाइकोलिसिस के एंजाइम)। अधिकांश नियमित हैं: यानी केवल कुछ परिस्थितियों में, कुछ कोशिकाओं में, कुछ क्षणों पर अभिव्यक्त। नियंत्रण इस प्रवाह के हर चरण पर काम करता है — मुख्यतः अनुलेखन के आरंभ पर, जो निर्णय लेने की सबसे सस्ती जगह है, पर संदेशवाहक के प्रसंस्करण, निर्यात, स्थायित्व तथा अनुवादन पर भी, और प्रोटीन के रूपांतरण तथा तोड़े जाने पर भी — और अनुक्रिया-काल सेकंडों (कोई प्रोटीन रूपांतरित) से लेकर मिनटों (कोई जीवाणु जीन चालू) से होते हुए दिनों (कोई क्रोमैटिन अवस्था बदली) तक फैले हैं।

उदाहरण 20.2 (एंजाइम केवल तभी बनाना जब चाहिए)

एंजाइम $\beta$ -गैलैक्टोसिडेज़, जो लैक्टोस तोड़ता है, $1024\,$ अवशेषों की चार शृंखलाओं का चतुष्क है: पाँच हज़ार प्रतियाँ कोशिका के प्रोटीन का $3\,\%$ हैं और प्रति पीढ़ी $8 \times 10^{7}\,$ ATP की क़ीमत की। जो जीवाणु उन्हें बिना किसी लैक्टोस के बनाए वह उस स्पर्धी से लगभग एक प्रतिशत धीमे बढ़ेगा जो नहीं बनाता, और कुछ सौ पीढ़ियों में संख्या में पिछड़ जाएगा। नियमन इसीलिए चुना गया है कि अभिव्यक्ति महँगी है।

20.2 lac ऑपेरॉन

परिभाषा 20.3 (ऑपेरॉन, दमनकारी, प्रचालक)

ऑपेरॉन जीवाणु जीनों का वह समूह है जो एक ही उन्नायक से एक ही संदेशवाहक में साथ अनुलेखित होता है, और इसलिए साथ ही नियंत्रित भी। E. coli का lac ऑपेरॉन लैक्टोस के उपयोग के तीन जीनों का है — lacZ ( $\beta$ -गैलैक्टोसिडेज़), lacY (वह लैक्टोस पारगमक जो उसे भीतर लाता है) और lacA — जो किसी उन्नायक और किसी प्रचालक के पीछे हैं, यानी उस छोटे अनुक्रम के जो उन्नायक से अतिव्यापी है। एक अलग जीन, lacI, lac दमनकारी बनाता है, यानी वह प्रोटीन जो प्रचालक से बँधकर पॉलिमरेज़ को रोक देता है। लैक्टोस, जो कोशिका में ऐलोलैक्टोस में बदल जाता है, प्रेरक है: वह दमनकारी से बँधता है, उसकी आकृति बदल देता है, और उससे प्रचालक छुड़वा देता है। इस तरह ऑपेरॉन तब तक बंद रहता है जब तक लैक्टोस न हो — यानी ऋणात्मक नियंत्रण जिसे प्रेरण हटाता है।

lac ऑपेरॉन। लैक्टोस के बिना दमनकारी प्रचालक पर बैठा रहता है और पॉलिमरेज़ शुरू नहीं हो पाता; और लैक्टोस के साथ प्रेरक दमनकारी को खींच लेता है तथा तीनों जीन एक ही संदेशवाहक में अनुलेखित हो जाते हैं।

प्रतिज्ञप्ति 20.4 (ऑपेरॉन मॉडल)

lac जीन किसी विसरणशील दमनकारी से नियंत्रित होते हैं जो जीनों से सटे किसी स्थल पर काम करता है: नियंत्रण ऋणात्मक है, दमनकारी ट्रांस में (कोशिका में कहीं से भी) काम करता है, और प्रचालक सिस में (केवल अपने बग़ल के जीनों पर)।

साक्ष्य. याकोब और मोनो (1959–1961) ने उत्परिवर्तियों से तर्क किया। lacI में उत्परिवर्ती नस्लें ( $I^-$ ) लैक्टोस के साथ भी और बिना भी एंजाइम बनाती थीं (सतत); और उस क्षेत्र की किसी दूसरी प्रति पर लाया गया सामान्य lacI जीन नियमन लौटा देता था, इसलिए उस जीन का उत्पाद कोई विसरणशील दमनकारी है जो उत्परिवर्ती में नहीं होता। प्रचालक में उत्परिवर्ती नस्लें ( $O^c$ ) भी सतत थीं, पर किसी दूसरी प्रति पर का कोई सामान्य प्रचालक नियमन नहीं लौटाता था — प्रचालक केवल उन्हीं जीनों को नियंत्रित करता है जो उससे भौतिक रूप से जुड़े हों, इसलिए वह कोई स्थल है, कोई उत्पाद नहीं। एक तीसरा वर्ग ( $I^s$ ) बिलकुल प्रेरित नहीं हो पाता था और प्रभावी था: यानी ऐसा दमनकारी जो अब प्रेरक को बाँधता नहीं। PaJaMo प्रयोग (1959) में संयुग्मन से किसी $I^-$ कोशिका में पहुँचाया गया कोई सामान्य lacI जीन मिनटों के भीतर एंजाइम-संश्लेषण बंद कर देता था: यानी दमनकारी तेज़ी से, और अनुलेखन पर काम करता है — और बाद में दिखाया गया कि संदेशवाहक का अर्ध-आयु कुछ ही मिनट है। ∎

परिभाषा 20.5 (धनात्मक नियंत्रण: CAP और चक्रीय AMP)

lac उन्नायक कमज़ोर है: दमनकारी के बिना भी पॉलिमरेज़ कम ही शुरू होता है, जब तक कोई दूसरा प्रोटीन, CAP (अपचयज सक्रियक प्रोटीन), उससे ठीक ऊपर-प्रवाह बँधकर DNA को मोड़ न दे और पॉलिमरेज़ को अपनी जगह थाम न ले। CAP DNA से केवल तभी बँधता है जब वह चक्रीय AMP ढो रहा हो, जिसका कोशिका में स्तर ग्लूकोज़ प्रचुर होने पर गिर जाता है। इसलिए ऑपेरॉन पूरी तरह तभी चालू होता है जब लैक्टोस मौजूद हो और ग्लूकोज़ अनुपस्थित: यानी दो संकेत, एक ऋणात्मक और एक धनात्मक, एक ही उन्नायक पर समाकलित होते हैं। दोनों शर्कराएँ मिलने पर E. coli पहले ग्लूकोज़ खाता है, फिर रुकता है जबकि चक्रीय AMP चढ़ता है और lac एंजाइम बनते हैं, और फिर लैक्टोस खाता है — यानी दो-चरणी वृद्धि वक्र, जिसे द्विवृद्धि कहते हैं, और जिसका वर्णन मोनो ने 1941 में किया तथा जिसने उन्हें ऑपेरॉन के रास्ते पर लगा दिया।

ग्लूकोज़ और लैक्टोस पर E. coli की द्विवृद्धि। संवर्धन अकेले ग्लूकोज़ पर बढ़ता है, उसके चुकते ही रुक जाता है, और lac ऑपेरॉन के प्रेरण में लगने वाले आधे घंटे बाद लैक्टोस पर फिर शुरू हो जाता है। — ग्लूकोज़ और लैक्टोस पर *E. coli* की द्विवृद्धि। संवर्धन अकेले ग्लूकोज़ पर बढ़ता है, उसके चुकते ही रुक जाता है, और lac ऑपेरॉन के प्रेरण में लगने वाले आधे घंटे बाद लैक्टोस पर फिर शुरू हो जाता है।

दिखाई देता lac ऑपेरॉन: X-gal वाली किसी प्लेट पर उपनिवेश, जो एक रंगहीन क्रियाधार है और जिसे -गैलैक्टोसिडेज़ नीला कर देता है। नीले उपनिवेश lacZ अभिव्यक्त करते हैं; और सफ़ेद वाले टूटा हुआ जीन ढोते हैं — यही वह संसूचक है जो हज़ार प्रयोगों में काम आया। — दिखाई देता lac ऑपेरॉन: X-gal वाली किसी प्लेट पर उपनिवेश, जो एक रंगहीन क्रियाधार है और जिसे $\beta$ -गैलैक्टोसिडेज़ नीला कर देता है। नीले उपनिवेश *lacZ* अभिव्यक्त करते हैं; और सफ़ेद वाले टूटा हुआ जीन ढोते हैं — यही वह संसूचक है जो हज़ार प्रयोगों में काम आया।

विधि 20.6 (किसी lac लक्षणप्ररूप की भविष्यवाणी)

उस क्षेत्र की हर प्रति का जीनप्ररूप लिखिए: $I$ , $P$ , $O$ , $Z$ ( $^+$ सामान्य, $^-$ निष्क्रिय, $O^c$ प्रचालक-सतत, $I^s$ अति-दमनकारी)।
दमनकारी ट्रांस में काम करता है: कहीं भी एक $I^+$ हर सामान्य प्रचालक का दमन करता है; और $I^s$ प्रेरक कुछ भी हो, दमन करता है।
प्रचालक और उन्नायक सिस में काम करते हैं: कोई $O^c$ केवल अपने ही DNA का $Z$ मुक्त करता है; और कोई $P^-$ केवल अपने ही जीन चुप करता है।
प्रेरक के साथ और उसके बिना पूछिए कि हर $Z^+$ जीन अनुलेखित होता है या नहीं; उसी के अनुसार लक्षणप्ररूप प्रेरणीय, सतत या अप्रेरणीय है। फिर ग्लूकोज़ जोड़िए: चक्रीय AMP और CAP के बिना दमनकारी चाहे कुछ भी करे, अनुलेखन कम ही रहता है।

उदाहरण 20.7 (दो आंशिक द्विगुणित)

$I^-\,O^+\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^-$ : $I^+$ प्रति वह दमनकारी बनाती है जो $O^+$ से बँधता है, यानी $Z^+$ के बग़ल वाले से; इसलिए प्रेरणीय — उत्परिवर्तन की पूर्ति हो गई। $I^+\,O^c\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^-$ : इकलौता काम करता $Z$ ऐसे प्रचालक के पीछे बैठा है जिसे दमनकारी बाँध नहीं सकता; इसलिए सतत — और दूसरी प्रति का सामान्य प्रचालक कुछ नहीं कर सकता, क्योंकि वह केवल टूटे हुए $Z$ को नियंत्रित करता है।

20.3 जीवाणुओं की दूसरी नीतियाँ

प्रतिज्ञप्ति 20.8 (दमन, अनुक्षीणन और सिग्मा कारक)

जैवसंश्लेषण के ऑपेरॉन उल्टे अर्थ में नियंत्रित होते हैं: trp ऑपेरॉन, यानी ट्रिप्टोफ़ैन बनाने के पाँच जीन, तब तक अनुलेखित होता है जब तक ट्रिप्टोफ़ैन मौजूद न हो — वह ऐमीनो अम्ल trp दमनकारी से बँधकर उसे प्रचालक बाँधने योग्य बना देता है (सह-दमनकारी)। एक दूसरा, महीन नियंत्रण, अनुक्षीणन, जीवाणुओं में अनुलेखन तथा अनुवादन के युग्मन का उपयोग करता है: संदेशवाहक का आरंभ एक छोटे पेप्टाइड के लिए कूट करता है जिसमें लगातार दो ट्रिप्टोफ़ैन हैं; यदि ट्रिप्टोफ़ैन से लदा tRNA प्रचुर हो तो कोई राइबोसोम उसे जल्दी अनूदित कर देता है और पीछे का RNA किसी समापक हेयरपिन में मुड़ जाता है जो पॉलिमरेज़ को जीनों से पहले ही रोक देता है; और यदि ट्रिप्टोफ़ैन कम हो तो राइबोसोम ट्रिप्टोफ़ैन कोडॉनों पर अटक जाता है और RNA अलग तरह से मुड़ जाता है, जिससे अनुलेखन चलता रहता है। जीवाणु अपने पॉलिमरेज़ की $\sigma$ उपइकाई बदलकर पूरे जीन-समुच्चय भी बदल देते हैं: कोई ऊष्मा-आघात $\sigma$ उसे परिचारक जीनों के उन्नायकों पर भेजता है; और कोई बीजाणुजनन $\sigma$ बीजाणु बनने के जीनों के उन्नायकों पर।

20.4 सुकेंद्रकियों में नियंत्रण

परिभाषा 20.9 (अनुलेखन कारक, संवर्धक)

सुकेंद्रकियों में पॉलिमरेज़ कभी अपने आप शुरू नहीं होता: उन्नायक पर के सामान्य कारक (अध्याय 19) उसे बुला लाते हैं, और दर नियामक अनुक्रमों से बँधे अनुलेखन कारक तय करते हैं — कुछ उन्नायक के पास, और अनेक ऐसे संवर्धकों में जो हज़ारों क्षारक युग्म दूर, ऊपर-प्रवाह, नीचे-प्रवाह या किसी इंट्रॉन में, किसी भी अभिविन्यास में पड़े हो सकते हैं, और जो DNA को फंदा बनाकर काम करते हैं ताकि उन पर बँधे कारक उन्नायक के संकुल को माध्यस्थ प्रोटीनों के ज़रिए छू सकें। कोई अनुलेखन कारक खंडीय होता है: एक DNA-बंधनकारी प्रांत जो किसी छोटे अनुक्रम को पहचानता है (कुंडली-मोड़-कुंडली, ज़िंक अंगुली, ल्यूसीन ज़िप कुल) और एक सक्रियण या दमन प्रांत जो मशीनरी बुलाता या रोकता है। कोई जीन तब पढ़ा जाता है जब कारकों का सही संयोजन मौजूद हो: कुछ सौ कारक, संयोजनों में, बीस हज़ार जीन नियंत्रित करते हैं।

संवर्धक की क्रिया। किसी दूर के संवर्धक से बँधे सक्रियक DNA के फंदा बनने से उन्नायक तक आ जाते हैं, और कोई माध्यस्थ संकुल उनका संकेत पॉलिमरेज़ तक पहुँचा देता है।

प्रतिज्ञप्ति 20.10 (क्रोमैटिन भी नियंत्रण का भाग है)

विषमक्रोमैटिन में जमे न्यूक्लियोसोमों में लिपटा कोई जीन पढ़ा नहीं जा सकता: कारक उस तक पहुँच ही नहीं पाते। सक्रियक ऐसे एंजाइम बुलाते हैं जो हिस्टोनों का ऐसीटिलीकरण करते हैं, जिससे DNA पर उनकी पकड़ ढीली पड़ जाती है और वह क्षेत्र खुला चिह्नित हो जाता है; और दमनकारी ऐसे एंजाइम बुलाते हैं जो ऐसीटिल समूह हटाते हैं और ऐसे चिह्न लगाते हैं जो क्रोमैटिन संहत कर देते हैं। किसी उन्नायक के साइटोसीनों पर जोड़े गए मेथिल समूह उसे टिकाऊ रूप से चुप कर देते हैं, और वे चिह्न प्रतिकृतिकरण पर नक़ल हो जाते हैं, इसलिए किसी कोशिका का खुले और बंद जीनों का प्रतिरूप उसकी संततियों को वंशागत होता है — यही वह स्मृति है जिससे किसी यकृत कोशिका की संततियाँ यकृत कोशिकाएँ ही रहती हैं (वर्ष 3 का खंड इन अधिजननिक क्रियाविधियों को विस्तार से लेता है)।

साक्ष्य. मक्खी के डिंभकों के विशाल बहुसूत्री गुणसूत्रों में (हर गुणसूत्र की एक हज़ार प्रतियाँ अगल-बगल, पट्टियों सहित) अनुलेखित हो रहे जीन ऐसे गुब्बारों के रूप में दिखते हैं जहाँ क्रोमैटिन खुल गई है; और हॉर्मोन इक्डाइसोन, जो निर्मोचन शुरू कराता है, मिनटों के भीतर गुब्बारों का एक विशेष समुच्चय उभार देता है और कुछ और घंटों बाद, एक नियत क्रम में — यानी अनुलेखन सीधे देखा गया, और किसी संकेत से चालू हुआ। जो जीन गुणसूत्र-पुनर्व्यवस्था से विषमक्रोमैटिन के बग़ल में चले जाते हैं वे कुछ कोशिकाओं में चुप हो जाते हैं और कुछ में नहीं, और वह अवस्था उनकी संततियों को वंशागत होती है। ∎

किसी मक्खी की लार-ग्रंथि का एक बहुसूत्री गुणसूत्र: पट्टीदार, और दो गुब्बारों के साथ जहाँ क्रोमैटिन अनुलेखन के लिए खुल गई है। गुब्बारे जीनों के चालू-बंद होने के साथ उभरते और मिटते रहते हैं।

उदाहरण 20.11 (कोई संकेत अभिव्यक्ति का प्रतिरूप बन जाता है)

कोर्टिसोल किसी यकृत कोशिका में घुसता है और अपने ग्राही से बँधता है, यानी उस अनुलेखन कारक से जो कोशिकाद्रव में निष्क्रिय रखा जाता है; वह संकुल केंद्रक में घुसता है, सौ जीनों के पास मौजूद पंद्रह-क्षारक के किसी अनुक्रम से बँधता है — जिनमें ग्लूकोजनन के जीन भी हैं (अध्याय 16) — और ऐसीटिलेज़ तथा माध्यस्थ बुला लेता है: घंटे भर के भीतर ग्लूकोज़-संश्लेषण के एंजाइम बनने लगते हैं। वही हॉर्मोन किसी लसीकाणु में, जिसकी खुली क्रोमैटिन उन्हीं अनुक्रमों का कोई अलग समुच्चय उघाड़ती है, ऐसे जीन चालू कर देता है जो उस कोशिका को मार डालते हैं। एक संकेत, एक ग्राही, दो अनुक्रियाएँ: फ़र्क़ इसका है कि कौन-से जीन पहुँच में थे।

20.5 अनुलेखन के बाद, और शरीर का बनना

प्रतिज्ञप्ति 20.12 (उन्नायक से परे नियंत्रण)

कोई सुकेंद्रकी कोशिका यह भी तय करती है कि कोई अनुलेख कैसे संबंधित हो (वैकल्पिक संबंधन एक ही जीन से किसी पेशी और किसी मस्तिष्क को अलग प्रोटीन देता है), वह निर्यात हो या नहीं, कितनी देर चले (अर्ध-आयु नियामक प्रोटीनों के संदेशों के लिए मिनटों से लेकर हीमोग्लोबिन के संदेश के लिए दिनों तक, जिन्हें अनूदित न होने वाले क्षेत्रों के वे अनुक्रम तय करते हैं जो प्रोटीनों तथा छोटे नियामक RNA को बाँधते हैं), और वह अनूदित हो या नहीं (लोहे से भूखी कोशिकाएँ फ़ेरिटिन संदेश का अनुवादन उसके $5'$ सिरे से बँधे किसी प्रोटीन से रोक देती हैं, और लोहा मौजूद होने पर उसे छोड़ देती हैं)। प्रोटीन, एक बार बन जाने पर, रूपांतरण तथा तोड़े जाने से नियंत्रित होता है (अध्याय 13)। हर बाद का स्तर पहले वाले से तेज़ और अधिक स्थानीय है, और अधिक महँगा भी: अनुलेखन तय करता है कि कोशिका क्या कर सकती है, और बाद के स्तर यह कि वह अभी क्या करती है।

प्रतिज्ञप्ति 20.13 (विभेदी अभिव्यक्ति शरीर बना देती है)

किसी बहुकोशिकीय जीव की हर कोशिका वही जीनोम ढोती है; और कोशिकाएँ इसलिए भिन्न हैं कि वे उसके अलग-अलग उपसमुच्चय अभिव्यक्त करती हैं। गृहव्यवस्था जीन — उपापचय, राइबोसोम तथा कोशिका-कंकाल के कुछ हज़ार — हर कोशिका में चालू हैं; और बाक़ी कुछ कोशिकाओं में चालू तथा कुछ में बंद रहते हैं, यह उन अनुलेखन कारकों के संयोजनों और उन क्रोमैटिन अवस्थाओं से तय होता है जो हर कोशिका ढोती और विरासत में पाती है। किसी लाल कोशिका का पूर्ववर्ती ग्लोबिन चालू कर देता है और लगभग बाक़ी सब बंद; और कोई न्यूरॉन अपने चैनल चालू कर देता है और फिर कभी विभाजित नहीं होता। विभेदन अभिव्यक्ति के किसी स्थायी प्रतिरूप का पा लेना है, और परिवर्धन (वर्ष 2 का खंड) वह प्रक्रिया है जिससे कोशिकाओं के बीच के संकेत वे प्रतिरूप सही जगहों पर बिठा देते हैं।

साक्ष्य. किसी विभेदित मेंढक कोशिका से लिया गया केंद्रक, जब ऐसे अंडे में डाला जाए जिसका अपना केंद्रक हटा दिया गया हो, पूरे टैडपोल का परिवर्धन चला सकता है (गर्डन, 1962; जो लाइसेयी खंड से याद है): यानी उस विभेदित कोशिका ने कोई जीन खोया नहीं था, केवल उन्हें बंद किया था, और अंडे के कोशिकाद्रव्य ने वे स्विच फिर बिठा दिए। किसी कोशिका-प्रकार के प्रोटीन, जेल पर अलग किए जाने पर, किसी दूसरे प्रकार के प्रोटीनों से भिन्न होते हैं; उसके संदेशवाहक, अनुक्रमित किए जाने पर, जीनोम का उसी के लिए विशिष्ट उपसमुच्चय हैं; और किसी त्वचा कोशिका में डाले गए मुट्ठी भर अनुलेखन कारक उसे किसी मूल कोशिका या किसी न्यूरॉन में फिर से ढाल सकते हैं। ∎

उदाहरण 20.14 (दो अंगों में पढ़ा गया एक जीन)

वह जीन जो ग्लूकोज़-6-फ़ॉस्फ़ेट से ग्लूकोज़ बनाने वाला एंजाइम देता है केवल यकृत और गुर्दे में अभिव्यक्त होता है, और किसी दूसरे ऊतक में नहीं: उसका उन्नायक उन कारकों के स्थल ढोता है जो केवल वहीं मौजूद हैं, और दूसरी कोशिकाओं में उसका उन्नायक मेथिलित तथा उसकी क्रोमैटिन बंद रहती है। कोई पेशी, जो उस जीन को साबुत ढोती है, रक्त में ग्लूकोज़ नहीं छोड़ सकती (अध्याय 16) — जीन के अभाव में नहीं, बल्कि इसलिए कि वह जीन पढ़ा नहीं जाता। जीनोम वही है; अभिव्यक्ति ही अंग है।

20.6 अभ्यास

अभ्यास 20.1 ★

lac ऑपेरॉन के अंग बताइए और लैक्टोस के साथ तथा बिना, और ग्लूकोज़ के साथ तथा बिना, ऑपेरॉन की अवस्था दीजिए।

हल

हल — अभ्यास 20.1.

lacI (दमनकारी जीन), प्रवर्तक, संचालक, lacZ, lacY, lacA, और CAP स्थल। लैक्टोस नहीं: बंद (दमनकारी बँधा हुआ)। लैक्टोस, ग्लूकोज उपस्थित: बस किसी तरह चालू (दमनकारी हटा, पर कोई चक्रीय AMP और CAP नहीं)। लैक्टोस, ग्लूकोज नहीं: पूरी तरह चालू। कोई भी शर्करा नहीं: बंद।

अभ्यास 20.2 ★

ट्रांस में काम करते किसी जीन-उत्पाद और सिस में काम करते किसी स्थल का भेद समझाइए, और ऑपेरॉन से हर एक का एक उदाहरण दीजिए।

हल

हल — अभ्यास 20.2.

ट्रांस में काम करता कोई उत्पाद ऐसा विसरणशील अणु है जो कोशिका में अपने लक्ष्य की किसी भी प्रति पर काम कर सकता है: दमनकारी। सिस में काम करता कोई स्थल ऐसा DNA अनुक्रम है जो केवल उन्हीं जीनों पर असर डालता है जो भौतिक रूप से उससे जुड़े हैं: संचालक।

अभ्यास 20.3 ★

द्विवृद्धि वाले आलेख से ठहराव की अवधि और हर शर्करा पर के दुगुनन-काल पढ़िए।

हल

हल — अभ्यास 20.3.

पिछड़ाव लगभग $36\,\mathrm{min}$ ( $2\,\mathrm{h}$ से $2.6\,\mathrm{h}$ तक); द्विगुणन ग्लूकोज पर $20\,\mathrm{min}$ , लैक्टोस पर $30\,\mathrm{min}$ ।

अभ्यास 20.4 ★

संवर्धक, अनुलेखन कारक और गृहव्यवस्था जीन की परिभाषा दीजिए।

हल

हल — अभ्यास 20.4.

प्रबलक: कोई नियामक अनुक्रम, अक्सर दूर का, जो कारकों के बँधने पर किसी जीन का अनुलेखन चढ़ा देता है। अनुलेखन कारक: कोई ऐसा प्रोटीन जिसमें एक DNA-बंधनकारी प्रांत और एक सक्रियण या दमन प्रांत हो और जो अनुलेखन का नियमन करे। गृहस्थी जीन: वह जो हर कोशिका में एक ठहरे स्तर पर अभिव्यक्त हो।

अभ्यास 20.5 ★★

इनका लक्षणप्ररूप (प्रेरणीय, सतत, अप्रेरणीय) बताइए: $I^-$ ; $O^c$ ; $I^s$ ; $I^-\,O^+\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^+$ ; $I^s\,O^+\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^+$ ; $I^+\,O^c\,Z^- / I^+\,O^+\,Z^+$ ।

हल

हल — अभ्यास 20.5.

$I^-$ : संघटक। $O^c$ : संघटक। $I^s$ : अप्रेरणीय। $I^-/I^+$ : प्रेरणीय ( $I^+$ दमनकारी ट्रांस में काम करता है)। $I^s/I^+$ : अप्रेरणीय ( $I^s$ प्रभावी)। $I^+\,O^c\,Z^- / I^+\,O^+\,Z^+$ : प्रेरणीय — एकमात्र काम करता $Z$ किसी सामान्य संचालक के पीछे है।

अभ्यास 20.6 ★★

lac और trp ऑपेरॉनों की तुलना कीजिए: हर एक में छोटा अणु दमनकारी का क्या करता है, और तर्क उल्टा क्यों है।

हल

हल — अभ्यास 20.6.

लैक: शर्करा (प्रेरक) दमनकारी से बँधती है और उसे संचालक से छुड़ा देती है — यानी एंजाइम तब बनते हैं जब उनका क्रियाधार मौजूद हो। ट्रिप: ऐमीनो अम्ल (सहदमनकारी) दमनकारी से बँधता है और उसे बँधने में समर्थ करता है — यानी एंजाइम तब बनते हैं जब उनका उत्पाद न हो। अपचयी पथ अपने निवेश से चालू होते हैं, और उपचयी अपने निर्गम से बंद।

अभ्यास 20.7 ★★

कोई उत्परिवर्ती चक्रीय AMP नहीं बना सकता। ग्लूकोज़ पर, अकेले लैक्टोस पर, और दोनों पर उसकी वृद्धि की, तथा हर स्थिति में $\beta$ -गैलैक्टोसिडेज़ के स्तर की भविष्यवाणी कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 20.7.

ग्लूकोज पर: सामान्य वृद्धि (ग्लूकोज को कोई CAP नहीं चाहिए)। अकेले लैक्टोस पर: लगभग कोई वृद्धि नहीं — चक्रीय AMP के बिना CAP लैक प्रवर्तक को सक्रिय नहीं कर सकता, इसलिए दमनकारी के हट जाने पर भी एंजाइम प्रेरित स्तरों के कुछ ही प्रतिशत पर रह जाता है। दोनों पर: ग्लूकोज पर वृद्धि, फिर ठहराव; कोई दूसरा चरण नहीं। हर प्रसंग में एंजाइम नीचा।

अभ्यास 20.8 ★★

सुकेंद्रकी कोशिका की संरचना से समझाइए कि सुकेंद्रकियों में अनुक्षीणन असंभव क्यों है।

हल

हल — अभ्यास 20.8.

अवमंदन को यह चाहिए कि राइबोसोम संदेशवाहक का अनुवादन तब कर रहा हो जब पॉलिमरेज़ अभी उसका अनुलेखन कर ही रही हो, ताकि राइबोसोम की स्थिति पॉलिमरेज़ के पीछे के RNA को आकार दे। सुकेंद्रकियों में अनुलेखन केंद्रक में होता है और अनुवादन कोशिकाद्रव्य में, और संदेश का अनुवादन तब तक नहीं होता जब तक उसका प्रसंस्करण तथा निर्यात न हो जाए।

अभ्यास 20.9 ★★

कोई संवर्धक अपने जीन से $5\,\mathrm{kb}$ ऊपर-प्रवाह से हटाकर $5\,\mathrm{kb}$ नीचे-प्रवाह रखा और उलट दिया जाता है; फिर भी जीन अभिव्यक्त होता है। समझाइए कि इससे संवर्धकों के काम करने के ढंग के बारे में क्या पता चलता है।

हल

हल — अभ्यास 20.9.

प्रबलक दूर से, किसी भी दिशा में और किसी भी ओर काम करते हैं, इसलिए वे पढ़े जाकर या पॉलिमरेज़ को सीधे बिठाकर काम नहीं कर सकते; वे ऐसे कारक बाँधकर काम करते हैं जो DNA के किसी फंदे से होकर प्रवर्तक को छूते हैं, और उसके लिए दूरी तथा दिशा कम ही मायने रखती हैं।

अभ्यास 20.10 ★★★

$4096\,$ अवशेषों के पाँच हज़ार $\beta$ -गैलैक्टोसिडेज़ चतुष्क कितने ATP की क़ीमत के हैं (प्रति अवशेष चार)? किसी कोशिका का प्रति पीढ़ी बजट लगभग $1 \times 10^{10}\,$ ATP है। किसी सतत उत्परिवर्ती की वृद्धि-हानि निकालिए, और वे पीढ़ियाँ भी जितनी में किसी मिश्रित आबादी में उसका हिस्सा आधे से सौवें भाग तक गिर जाए।

हल

हल — अभ्यास 20.10.

$5000\times 4096\times 4 = 8.2 \times 10^{7}$ ATP: यानी बजट का $0.8\,\%$ । वृद्धि दर $0.8\,\%$ नीची: प्रति पीढ़ी उत्परिवर्ती का हिस्सा गुणक $2^{-0.008} = 0.9945$ से गिरता है। $1:1$ से $1:99$ तक: $0.9945^n = 1/99$ , $n = \ln 99/0.00555 = 830$ पीढ़ियाँ — यानी सतत संवर्धन के कुछ हफ़्ते।

अभ्यास 20.11 ★★★

एक ही व्यक्ति की किसी यकृत कोशिका और किसी न्यूरॉन की तुलना की जाती है: वही जीनोम, अलग प्रोटीन, और यकृत कोशिका का हर विभाजन यकृत कोशिकाएँ ही देता है। क्रोमैटिन, कारकों और चिह्नों की वंशागति से समझाइए कि यह भेद कैसे बनता है और कैसे बना रहता है।

हल

हल — अभ्यास 20.11.

हर कोशिका-प्ररूप अनुलेखन कारकों का एक विशिष्ट समुच्चय ढोता है, जो अपने जीनों के प्रबलक बाँधते हैं और ऐसी ऐसिटिलेज़ बुलाते हैं जो उनका क्रोमैटिन खोल देती हैं, जबकि दूसरे प्ररूपों के जीन मेथिलित होकर ऐसे विषमक्रोमैटिन में बँध जाते हैं जहाँ कोई कारक पहुँच नहीं सकता। कारक एक-दूसरे की अभिव्यक्ति बनाए रखते हैं (स्थायी अवस्थाओं वाला एक जाल), और क्रोमैटिन के चिह्न प्रतिकृतिकरण पर नकल हो जाते हैं, इसलिए संतति दोनों कारक और खुले तथा बंद क्षेत्र दोनों वंशागत पाती है। जीनोम वही है; पहुँच में आने वाला जीनोम नहीं, और वह अपहुँच वंशागत होती है।

अभ्यास 20.12 ★★★

“कोई जीवाणु अपना पर्यावरण पढ़ता है; और किसी शरीर की कोशिका अपना इतिहास।” एक अनुच्छेद में दोनों प्रकार के नियंत्रण, उनके संकेतों, उनके कालमानों और उनकी उत्क्रमणीयता पर चर्चा कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 20.12.

किसी बैक्टीरियम के नियंत्रण माध्यम के हिसाब से बैठाए गए हैं: कोई शर्करा, कोई ऐमीनो अम्ल, कोई तापमान किसी दमनकारी या किसी सिग्मा कारक से बँधता है और अनुक्रिया मिनटों में पूरी हो जाती है तथा संकेत के हटते ही उलट जाती है — अभिव्यक्ति पर्यावरण का पीछा करती है। किसी शरीर की कोशिका भी संकेतों का जवाब देती है, पर उसके मुख्य निर्णय परिवर्धन के दौरान लिए गए और क्रोमैटिन में जकड़ दिए गए: वह क्या अभिव्यक्त कर सकती है यह उन कारकों ने तय किया जो उसे वंशागत मिले और उसके DNA पर पड़े चिह्नों ने, और वह केवल विभाजन से बदलता है तथा अधिकतर अनुत्क्रमणीय है। बैक्टीरियम वर्तमान का पाठक है; और विभेदित कोशिका की एक स्मृति है जो उसकी पहचान है।

20.7 समस्या: द्विवृद्धि

समस्या 20.1

सप्ताहांत समस्या — मोनो का दो-चरणी वृद्धि वक्र कोशिका-दर-कोशिका फिर से बनाया गया: ग्लूकोज़ चुका, लैक्टोस प्रेरित हुआ, एंजाइम गिने गए, उत्परिवर्तियों की भविष्यवाणी हुई और नियमन की क़ीमत आँकी गई, और अंत में $\beta$ -गैलैक्टोसिडेज़ का प्रेरण गुणक

E. coli का कोई संवर्धन प्रति मिलीलीटर $10^7$ कोशिकाओं से शुरू होता है, ऐसे माध्यम में जिसमें $0.5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ ग्लूकोज़ और $1.0\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ लैक्टोस है। ग्लूकोज़ पर कोशिकाएँ हर $20\,\mathrm{min}$ में दुगुनी होती हैं, लैक्टोस पर हर $30\,\mathrm{min}$ ; और किसी कोशिका को प्रति विभाजन $1.5 \times 10^{-12}\,\mathrm{g}$ शर्करा चाहिए (ग्लूकोज़ $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; लैक्टोस, $342\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , दो ग्लूकोज़ के बराबर गिना जाता है)। अप्रेरित कोशिकाएँ $\beta$ -गैलैक्टोसिडेज़ के 5 अणु रखती हैं; और पूरी प्रेरित, $5000$ । प्रेरण में $30\,\mathrm{min}$ लगते हैं। यह एंजाइम $4\times 1024$ अवशेषों का चतुष्क है; हर अवशेष की क़ीमत 4 ATP है; किसी कोशिका का ATP बजट प्रति विभाजन $10^{10}$ है और उसका प्रोटीन $1.5 \times 10^{-13}\,\mathrm{g}$ (प्रति अवशेष $110\,\mathrm{Da}$ )।

भाग I — ग्लूकोज़ चरण।

प्रति मिलीलीटर उपलब्ध ग्लूकोज़ ग्राम में निकालिए।
वह प्रति मिलीलीटर कितने विभाजन चला सकता है?
$10^7$ कोशिकाओं से शुरू करके, ग्लूकोज़ चुकने पर कितनी कोशिकाएँ होती हैं? (हर विभाजन एक नई कोशिका बनाता है।)
वह कितने दुगुनन हैं, और ग्लूकोज़ चरण कितनी देर चलता है?
इस चरण के दौरान lac ऑपेरॉन की अवस्था क्या है, और आणविक शब्दों में क्यों (दमनकारी और CAP)?

भाग II — स्विच।

ग्लूकोज़ चुक जाने पर कोशिकाओं के भीतर क्या चढ़ता है और वह किससे बँधता है?
लैक्टोस तो शुरू से मौजूद था। फिर भी ग्लूकोज़ चरण में ऑपेरॉन लगभग बंद क्यों था?
$30\,\mathrm{min}$ के ठहराव में हर कोशिका अपने $5000$ एंजाइम बनाती है। प्रति सेकंड प्रति कोशिका बने एंजाइम अणु और प्रति सेकंड अवशेष निकालिए।
कोई कोशिका $20\,000$ राइबोसोम प्रति सेकंड $20\,$ अवशेष की दर पर रखती है। ठहराव के दौरान उसका कितना भिन्न अनुवादन $\beta$ -गैलैक्टोसिडेज़ को समर्पित है?
$5000$ चतुष्कों का द्रव्यमान और कोशिका के प्रोटीन का वह भिन्न निकालिए जो वे हैं।
प्रेरण गुणक निकालिए।
लैक्टोस पर वृद्धि के लिए पारगमक (lacY) एंजाइम जितना ही क्यों ज़रूरी है, और लैक्टोस दिए जाने पर किसी lacY $^-$ उत्परिवर्ती का क्या होता है?

भाग III — लैक्टोस चरण।

प्रति मिलीलीटर उपलब्ध लैक्टोस ग्लूकोज़-तुल्यांक में, ग्राम में निकालिए।
वह और कितने विभाजन चला सकता है, और अंतिम कोशिका-संख्या क्या है?
लैक्टोस चरण कितनी देर चलता है?
समय-रेखा बनाइए: ग्लूकोज़ चरण, ठहराव, लैक्टोस चरण, कुल।
समझाइए कि लैक्टोस पर दुगुनन-काल लंबा क्यों है (दो कारण: एक एंजाइम वाले चरण का, एक पारगमक का)।

भाग IV — उत्परिवर्ती और लागतें।

कोई $I^-$ उत्परिवर्ती: उसी माध्यम पर उसके वृद्धि वक्र का और पूरे समय उसके एंजाइम स्तर का वर्णन कीजिए।
कोई CAP $^-$ उत्परिवर्ती: उसके वक्र और एंजाइम स्तर का वर्णन कीजिए।
केवल लैक्टोस वाले माध्यम में कोई $O^c$ उत्परिवर्ती: जंगली प्ररूप से कोई अंतर? और केवल ग्लूकोज़ के साथ?
$5000$ चतुष्क बनाने की प्रति पीढ़ी ATP लागत और कोशिका के बजट का वह भिन्न निकालिए।
यदि वह भिन्न पीढ़ी-काल को उतने ही भिन्न से लंबा करता हो, तो ग्लूकोज़ पर $I^-$ उत्परिवर्ती की वृद्धि-दर जंगली प्ररूप से कितनी पिछड़ती है?
बराबर संख्याओं से शुरू करके, ग्लूकोज़ पर कितनी पीढ़ियों के बाद वह उत्परिवर्ती आबादी का दसवाँ भाग रह जाता है? ( $r^n = 0.1/0.9$ , जिसमें $r$ प्रति पीढ़ी वृद्धि-दरों का अनुपात है, यानी $2^{-\delta}$ , जहाँ पिछड़न $\delta$ दुगुनन है।)
समझाइए कि फिर भी लैक्टोस पर उगाई गई प्रयोगशाला नस्लों में $I^-$ उत्परिवर्ती आम क्यों हैं।
परिणाम बताइए: $\beta$ -गैलैक्टोसिडेज़ का प्रेरण गुणक, उसे अनावश्यक रूप से बनाने की क़ीमत ATP बजट के भिन्न के रूप में, और द्विवृद्धि प्रयोग का कुल समय।

हल

हल — समस्या 20.1.

1. $0.5\times 10^{-3}\times 180 = 0.09\,\mathrm{g}/\mathrm{L} = 9 \times 10^{-5}\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ । 2. $9\times 10^{-5}/1.5\times 10^{-12} = 6 \times 10^{7}$ विभाजन। 3. प्रति mL $10^7 + 6 \times 10^{7} = 7 \times 10^{7}$ कोशिकाएँ। 4. $7 = 2^n$ : $n = 2.8$ द्विगुणन, यानी $56\,\mathrm{min}$ । 5. बंद: लैक्टोस (ऐलोलैक्टोस) ने दमनकारी छुड़ा दिया है, पर ग्लूकोज चक्रीय AMP नीचा रखता है, इसलिए CAP बँधा नहीं है और प्रवर्तक लगभग मौन है; और पारगमेज़ भी कम है, इसलिए लैक्टोस कम ही भीतर घुसता है। 6. चक्रीय AMP चढ़ता है और CAP से बँधता है, जो प्रवर्तक से बँध जाता है। 7. ऋणात्मक नियंत्रण हट गया था पर धनात्मक नियंत्रण अनुपस्थित था: CAP के बिना कोई कमज़ोर प्रवर्तक कम ही शुरू करता है (अपचयज दमन)। 8. प्रति सेकंड $5000/1800 = 2.8$ चतुष्क; $2.8\times 4096 = 11\,400$ अवशेष प्रति सेकंड। 9. क्षमता प्रति सेकंड $20\,000\times 20 = 4 \times 10^{5}$ अवशेष: यानी राइबोसोमों का $3\,\%$ । 10. $5000\times 4096\times 110\times 1.66\times 10^{-24} = 3.7 \times 10^{-15}\,\mathrm{g}$ : यानी कोशिका के प्रोटीन का $2.5\,\%$ । 11. $5000/5 = 1000$ । 12. पारगमेज़ के बिना लैक्टोस झिल्ली पार नहीं कर सकता; किसी lacY $^-$ उत्परिवर्ती के पास एंजाइम तो है पर भीतर कोई क्रियाधार नहीं और वह लैक्टोस पर नहीं बढ़ता (न ठीक से प्रेरित होता है, क्योंकि प्रेरक कोशिका के भीतर लैक्टोस से बनता है)। 13. $1.0\times 10^{-3}\times 342 = 0.342\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ , जो प्रति मोल $2\times 180 = 360\,\mathrm{g}$ ग्लूकोज के बराबर है, यानी $0.36\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ $= 3.6 \times 10^{-4}\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ । 14. $3.6\times 10^{-4}/1.5\times 10^{-12} = 2.4 \times 10^{8}$ विभाजन; अंतिम प्रति mL $7 \times 10^{7} + 2.4 \times 10^{8} = 3.1 \times 10^{8}$ । 15. $3.1/0.7 = 4.4 = 2^n$ : $n = 2.1$ द्विगुणन, यानी $64\,\mathrm{min}$ । 16. ग्लूकोज $56\,\mathrm{min}$ , पिछड़ाव $30\,\mathrm{min}$ , लैक्टोस $64\,\mathrm{min}$ : कुल मिलाकर $150\,\mathrm{min}$ । 17. लैक्टोस को पहले जल-अपघटित होना पड़ता है, जो एक अतिरिक्त एंजाइमी चरण है और जिसकी दर ग्लूकोज की आपूर्ति सीमित करती है; और पारगमेज़ उसे भीतर लाने के लिए प्रोटॉन-प्रवणता बरतती है, जो कीमत ग्लूकोज का परिवहन नहीं चुकाता। 18. $I^-$ : एंजाइम भर $5000$ पर (संघटक, एक बार ग्लूकोज चुक जाने पर; ग्लूकोज पर CAP उसे तब भी सीमित करता है, इसलिए स्तर मध्यवर्ती रहता है); उसका पिछड़ाव छोटा या अनुपस्थित रहता है, इसलिए वक्र छोटा ठहराव दिखाता है; और लागत उसे ग्लूकोज पर ज़रा धीमा कर देती है। 19. CAP $^-$ : ग्लूकोज पर $7 \times 10^{7}$ तक बढ़ता है, फिर रुक जाता है: लैक ऑपेरॉन सक्रिय ही नहीं हो सकता, एंजाइम 5 अणुओं के पास रह जाता है, और लैक्टोस कभी बरता नहीं जाता। 20. केवल लैक्टोस पर: एक बार प्रेरित हो जाने पर एंजाइम-स्तर में कोई अंतर नहीं (दोनों पूरी तरह चालू) और वृद्धि में भी लगभग कोई नहीं; $O^c$ में बस प्रेरण का विलंब नहीं होता। केवल ग्लूकोज पर: $O^c$ एंजाइम बेकार बनाता है (जितना CAP होने दे), वन्य प्ररूप नहीं बनाता। 21. $5000\times 4096\times 4 = 8.2 \times 10^{7}$ ATP: यानी $10^{10}$ का $0.8\,\%$ । 22. पीढ़ी-काल $0.8\,\%$ लंबा: यानी वृद्धि दर $0.8\,\%$ नीची, प्रति पीढ़ी $\delta = 0.008$ द्विगुणन। 23. $r = 2^{-0.008} = 0.99447$ ; $r^n = 0.111$ : $n = \ln 0.111/\ln 0.99447 = 2.20/0.00555 = 400$ पीढ़ियाँ। 24. लैक्टोस पर एंजाइम वैसे भी चाहिए, इसलिए उत्परिवर्ती कुछ नहीं चुकाता और पिछड़ाव की बचत कमा लेता है: उसके विरुद्ध वरण नहीं होता और कभी-कभी उसके पक्ष में होता है; और प्रयोगशाला के प्रभेद सुविधा के लिए उगाए जाते हैं, होड़ के लिए नहीं। 25. प्रेरण गुणक 1000 (5 से $5000$ अणु); अनावश्यक संश्लेषण ATP-बजट का $0.8\,\%$ लेता है; और यह प्रयोग लगभग ढाई घंटे चलता है।

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