विश्वविद्यालय जीवविज्ञान — वर्ष 2 · Bachelor Year 2

11अंगजनन: चतुष्पाद अंग का निर्माण

मुर्ग़ी का अंडा दिए जाने के तीन दिन बाद उस भ्रूण के हर पार्श्व पर आलपिन के सिरे जितना एक उभार दिखता है। चार दिन बाद वह एक पंख है, जिसमें एक प्रगंडिका, एक अरत्निका तथा अंतःप्रकोष्ठिका, एक कलाई और तीन अंगुलियाँ हैं, सही क्रम में, सही लंबाइयों की, और पेशियाँ सही अस्थियों से जुड़ी हुई। उस उभार के मोटी त्वचा वाले किनारे को काट दीजिए और वह पंख बढ़ना बंद कर देता है; उसके पिछले किनारे की एक फाँक उसके अगले किनारे पर ग्राफ़्ट कर दीजिए और वह दर्पण-प्रतिबिंब में छह अंगुलियाँ उगा लेता है। अंग-कलिका अंगजनन का उत्कृष्ट उदाहरण है — यानी कोशिकाओं के किसी क्षेत्र से ऐसे संकेतों द्वारा किसी अंग का निर्माण जो बताते हैं कि हर कोशिका कितनी बाहर, कितनी आगे और कितनी ऊपर है — और जिन प्रयोगों ने उसे खोला वे जीवविज्ञान के सबसे स्पष्ट प्रयोगों में हैं। यह अध्याय उस कलिका का उसके उभार से उसके कंकाल तक पीछा करता है।

11.1 कलिका और उसकी तीन अक्षें

परिभाषा 11.1 (अंग-कलिका)

अंग-कलिका बाह्यचर्म से ढके पार्श्व पट्ट मध्यचर्म की एक सूजन है, जो पार्श्व पर किसी नियत स्थिति पर उठती है (यानी अंग-क्षेत्र पर) जहाँ शरीर-अक्ष का Hox कूट उसकी अनुमति देता है; उसका मध्यचर्म अस्थि, उपास्थि, कंडरा और चर्म बनाएगा, और जो कोशिकाएँ कायखंडों से उसमें प्रवास करती हैं वे पेशियाँ बनाएँगी। उस कलिका की तीन अक्षें हैं, और हर एक को कोई संकेतन-केंद्र चलाता है। समीपस्थ-दूरस्थ (कंधे से अंगुली की नोक तक): शीर्षस्थ बाह्यचर्मी कटक (AER), यानी सिरे के साथ बाह्यचर्म की एक मोटी पट्टी, तंतुकोरक वृद्धि कारक (FGF) स्रावित करती है जो अपने नीचे के मध्यचर्म को विभाजित होता और अविभेदित बनाए रखते हैं। अग्र-पश्च (अँगूठे से कनिष्ठिका तक): ध्रुवणकारी सक्रियता क्षेत्र (ZPA), यानी पिछले किनारे पर मध्यचर्म का एक खंड, आकारजन Sonic hedgehog (Shh) स्रावित करता है। पृष्ठ-अधर (हथेली की पीठ से हथेली तक): पृष्ठीय बाह्यचर्म Wnt7a स्रावित करता है। अग्र-अंग और पश्च-अंग की कलिकाएँ एक जैसी दिखती हैं और वही संकेत काम में लेती हैं; वे उस अनुलेखन कारक में भिन्न हैं जो कलिका के प्रकट होने से पहले अभिव्यक्त होता है (अग्र-अंग में Tbx5, पश्च-अंग में Tbx4), और इसीलिए पंख पंख है।

ऊपर से चूज़े की अंग-कलिका, अपने तीनों संकेतन-केंद्रों सहित: सिरे के साथ का AER उभार चलाता है, पिछले किनारे का ZPA अंगुलियों को ढाँचा देता है, और पृष्ठीय बाह्यचर्म पीठ को हथेली से अलग करता है।

क्रमवीक्षी इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के नीचे कोई चूज़ा-भ्रूण: धड़ के साथ कायखंडों की पंक्ति और, पार्श्व पर, चप्पू के आकार की अंग-कलिका, जिसके किनारे के साथ मोटा कटक है।

11.2 उभार: समीपस्थ-दूरस्थ अक्ष

प्रतिज्ञप्ति 11.2 (शीर्षस्थ बाह्यचर्मी कटक)

उभार के लिए AER आवश्यक है और उसके FGF पर्याप्त: उसके नीचे का मध्यचर्म, यानी प्रगति क्षेत्र, कोई बारह घंटे पर विभाजित होता है, और जो कोशिकाएँ सिरे के आगे बढ़ने पर उस क्षेत्र से निकल जाती हैं वे विभाजित होना बंद कर देती हैं, संघनित होती हैं और विभेदित हो जाती हैं। कंकाल समीपस्थ-दूरस्थ क्रम में बनता है — स्टाइलोपोड (प्रगंडिका या ऊर्विका), ज़्यूगोपोड (अरत्निका और अंतःप्रकोष्ठिका, अंतर्जंघिका और बहिर्जंघिका), ऑटोपोड (कलाई और अंगुलियाँ) — और हर खंड कलिका के बढ़ने के साथ बारी-बारी निर्दिष्ट होता है, तथा वे खंड Hox जीन-अभिव्यक्ति के नेस्टेड प्रांतों के संगत हैं (स्टाइलोपोड में Hoxa/d 9–10, ज़्यूगोपोड में 11, ऑटोपोड में 13)। कोई अंग-कलिका चार दिनों में लंबाई में कोई दस गुना बढ़ती है जबकि उस कटक के संकेत की पहुँच वही कुछ सौ माइक्रोमीटर बनी रहती है, इसलिए वह कटक उस अंग को एक साथ नहीं बल्कि किसी चलते मोर्चे की तरह ढाँचा देता है, जैसे कोई मुद्रक किसी पृष्ठ को पंक्ति-दर-पंक्ति उतारता है।

प्रमाण-सामग्री. सॉन्डर्स (1948) ने चूज़े की पंख-कलिकाओं से क्रमिक अवस्थाओं पर AER हटाया: जल्दी हटाने पर उस कलिका ने केवल प्रगंडिका का ठूँठ दिया; एक दिन बाद हटाने पर प्रगंडिका और प्रकोष्ठ, पर कोई हाथ नहीं; और उससे भी बाद हटाने पर लगभग पूरा पंख — यानी संक्रिया जितनी देर से, विच्छेद का स्तर उतना ही दूरस्थ, इसलिए हर खंड के लिए बारी-बारी वह कटक चाहिए। दूसरा कटक ग्राफ़्ट करने पर दूसरा उभार बना; और जिस कलिका का कटक हटाया गया था उस पर FGF में भिगोया एक मनका रखने पर पूरा अंग बहाल हो गया (निसवैंडर, 1993), तथा अंग-क्षेत्रों के बीच पार्श्व पर रखे मनके ने एक अतिरिक्त अंग प्रेरित कर दिया। जिन चूहों में कटक के FGF नहीं होते उनके अंग ही नहीं होते। ∎

सॉन्डर्स का प्रयोग। वह कटक जितनी जल्दी हटाया जाए, उस अंग का उतना ही अधिक भाग नदारद रहता है, और वह भी सदा सिरे से: यानी हर खंड के बिछते समय उसके लिए वह कटक चाहिए।

प्रमेय 11.3 (विभाजन से वृद्धि)

जिस कलिका की कोशिकाएँ हर $T$ घंटे पर विभाजित हों वह अपनी कोशिका-संख्या $2^{t/T}$ गुना कर लेती है, किसी काल $t$ में; और बारह-घंटे चक्रों के चार दिन $2^{8} = 256$ देते हैं। यदि उन चार दिनों में उस कलिका का आयतन हज़ार गुना बढ़े, तो विभाजन 256 का गुणक जुटाता है और बाक़ी चार का गुणक कोशिकाओं के बड़े होने से और उस आधात्री से आना चाहिए जो उपास्थि कोशिकाएँ अपने चारों ओर स्रावित करती हैं। इसके विपरीत, जिस खंड को निर्दिष्ट होने में एक कोशिका-चक्र लगे — यानी वही मोटे तौर पर बारह घंटे जिनसे सॉन्डर्स के प्रयोग के क्रमिक विच्छेद-स्तर अलग हैं — वह प्रगति क्षेत्र के एक दुगुनेपन के संगत है।

उपपत्ति. $N(t) = N_0 2^{t/T}$ ; और $t = 96\,\mathrm{h}$ तथा $T = 12\,\mathrm{h}$ के साथ $t/T = 8$ । आवश्यक गुणक का विभाजन-गुणक से अनुपात, $1000/256 \approx 4$ , वही है जो विभाजन से भिन्न वृद्धि को जुटाना पड़ता है। ∎

11.3 अंगुलियाँ: अग्र-पश्च अक्ष

प्रतिज्ञप्ति 11.4 (ध्रुवणकारी सक्रियता क्षेत्र)

ZPA निर्दिष्ट करता है कि कौन-सी अंगुली कहाँ बनेगी। उसकी कोशिकाएँ Sonic hedgehog स्रावित करती हैं, जो पिछले किनारे से उस कलिका के आरपार फैलता है, और मध्यचर्म की कोशिकाएँ उसकी सांद्रता को — और जितनी देर वे उसके सामने रही हैं उसे भी — किसी स्थिति के रूप में पढ़ती हैं: सबसे ऊँची मात्रा सबसे पश्च अंगुली देती है, नीची मात्राएँ अधिक अग्र, और किसी देहली से नीचे कोई अंगुली नहीं। उस प्रवणता का रूप अध्याय 10 वाला चरघातांकी है, जिसकी क्षय-लंबाई कुछ दहाई माइक्रोमीटर है, और उसकी देहलियाँ उस कलिका को अंगुलियों के प्राथमिकांगों में काट देती हैं: चूज़े के पंख में, पश्च से अग्र तक, अंगुलियाँ 4, 3 और 2। अगले किनारे पर उसी संकेत का दूसरा स्रोत एक दूसरा, दर्पण-प्रतिबिंबी समुच्चय बना देता है; और कोई कमज़ोर स्रोत, या कोई छोटा अनावरण, उस अतिरिक्त समुच्चय की केवल अग्र अंगुलियाँ बनाता है। वही जीन, वही भूमिका निभाते हुए, हर चतुष्पाद की अंगुलियों को ढाँचा देता है, और जो उत्परिवर्तन Shh का कोई अग्र स्रोत जोड़ देता है वह बिल्लियों, मुर्ग़ियों, चूहों और मनुष्यों में बहुअंगुलिता देता है।

प्रमाण-सामग्री. सॉन्डर्स और गैसलिंग (1968) ने चूज़े की एक पंख-कलिका के पिछले किनारे का मध्यचर्म-खंड काटकर दूसरी कलिका के अगले किनारे पर ग्राफ़्ट किया: उस पोषी ने 4-3-2-2-3-4 क्रम में छह अंगुलियों वाला पंख उगाया, यानी बीच के इर्द-गिर्द दर्पण-प्रतिबिंब। टिकल (1975) ने दिखाया कि अतिरिक्त अंगुलियों की संख्या ग्राफ़्ट की गई कोशिकाओं की संख्या पर निर्भर थी — यानी एक मात्रा। रिड्ल और टैबिन (1993) ने पाया कि वह ग्राफ़्ट किया ऊतक जीन Sonic hedgehog अभिव्यक्त करता था, कि वह जीन उस कलिका में और कहीं अभिव्यक्त नहीं होता था, और कि उसे अभिव्यक्त करने को बनाई गई कोशिकाएँ अग्र भाग पर ग्राफ़्ट किए जाने पर वही दर्पण-द्विगुणन फिर से बना देती थीं; और उस प्रोटीन के मनके ने भी वही किया। जिन चूज़ा-उत्परिवर्तियों में Shh का कोई अग्र अस्थानिक धब्बा होता है उनमें अतिरिक्त अग्र अंगुलियाँ होती हैं। ∎

ध्रुवणकारी क्षेत्र। बाएँ: Shh पिछले किनारे से फैलता है और उसकी गिरती सांद्रता अंगुलियाँ 4, 3 और 2 निर्दिष्ट करती है। दाएँ: अगले किनारे पर ग्राफ़्ट किया दूसरा ZPA एक दूसरी प्रवणता और अंगुलियों का दर्पण-प्रतिबिंबी समुच्चय बना देता है।

प्रमेय 11.5 (प्रवणता से अंगुली-सीमाएँ)

पिछले किनारे पर $c_0$ सांद्रता की Shh और $\lambda$ क्षय-लंबाई के साथ, जिस अंगुली की देहली $T_i$ हो उसके क्षेत्र की सीमा उस किनारे से $x_i = \lambda\ln(c_0/T_i)$ पर पड़ती है। $\lambda = 50\,\text{µ}\mathrm{m}$ और अंगुलियों 4, 3 तथा 2 के लिए $0.6$ , $0.25$ तथा $0.08$ गुना $c_0$ की देहलियों के साथ, वे क्षेत्र $0$ – $26$ , $26$ – $69$ और $69$ – $126$ माइक्रोमीटर हैं, और $126\,\text{µ}\mathrm{m}$ से आगे का ऊतक कोई अंगुली नहीं बनाता। स्रोत दुगुना करने पर हर सीमा $\lambda\ln 2 = 35\,\text{µ}\mathrm{m}$ बाहर खिसक जाती है — और कुछ सौ माइक्रोमीटर की कलिका में यह अगले किनारे पर एक अंगुली जोड़ने को पर्याप्त है; और अगले किनारे पर कोई दूसरा स्रोत वही क्षेत्र उलटे क्रम में बिछा देता है।

उपपत्ति. $c(x) = c_0 e^{-x/\lambda}$ से, $c = T_i$ तब जब $x_i = \lambda \ln(c_0/T_i)$ : $50\ln(1/0.6) = 25.5$ , $50\ln 4 = 69$ , $50\ln 12.5 = 126$ । $c_0$ की जगह $2c_0$ रखने पर $\lambda\ln 2$ हर $x_i$ में जुड़ जाता है। ∎

एक ही योजना, चार अंग: मनुष्य, बिल्ली, ह्वेल और चमगादड़ के अग्र-अंगों में वही अस्थियाँ उसी क्रम में हैं — एक स्टाइलोपोड, दो ज़्यूगोपोड अस्थियाँ, कलाई, अंगुलियाँ — जो उन्हीं संकेतन-केंद्रों से गढ़ी गई हैं और केवल वृद्धि में भिन्न हैं।

11.4 समन्वय और तराश

प्रतिज्ञप्ति 11.6 (अक्षें आपस में बात करती हैं)

वे केंद्र एक-दूसरे को बनाए रखते हैं: कटक की FGF ZPA को Shh अभिव्यक्त करते रखती है, और Shh, मध्यचर्म के किसी रिले के रास्ते, कटक को FGF अभिव्यक्त करते रखता है; किसी एक को हटा दीजिए और दूसरा दिन भर में मिट जाता है। पृष्ठीय बाह्यचर्म की Wnt7a भी पूरी Shh अभिव्यक्ति के लिए चाहिए, और वही मध्यचर्म की पृष्ठीय नियति चलाती है (जिस चूहे में वह न हो उसकी दो हथेलियाँ होती हैं)। यह पारस्परिक निर्भरता एक धन प्रतिपुष्टि चक्र है जो तीनों अक्षों को आपस में बाँध देता है: वह अंग वहीं बढ़ता है जहाँ उसे ढाँचा दिया जा रहा है, और उसे ढाँचा वहीं दिया जाता है जहाँ वह बढ़ रहा है, इसलिए कोई कलिका कभी बिना बाँह के हाथ या ग़लत क़िस्म की अंगुलियाँ नहीं बनाती। उभार पूरा हो जाने पर वह चक्र टूट जाता है — मध्यचर्म रिले करना बंद कर देता है, Shh रुक जाती है, कटक क्षीण हो जाता है — और वह अंग अपने उचित आकार पर बढ़ना बंद कर देता है।

प्रतिज्ञप्ति 11.7 (ढाँचे से अस्थि तक)

एक बार निर्दिष्ट हो जाने पर प्रगति क्षेत्र से निकलती मध्यचर्म कोशिकाएँ भावी अस्थियों के आकार की छड़ों और पट्टिकाओं में संघनित होती हैं, उपास्थि कोशिकाओं में विभेदित होती हैं जो कोलैजन तथा प्रोटिओग्लाइकैन से समृद्ध आधात्री स्रावित करती हैं, और हर कंकालीय अंश का उपास्थि-प्रतिरूप बिछा देती हैं; संधियाँ वहाँ बनती हैं जहाँ कोशिकाओं की किसी पट्टी को उपास्थि न बनने को कहा जाता है; रक्त वाहिकाएँ उन प्रतिरूपों पर आक्रमण करती हैं और केंद्र से बाहर की ओर उपास्थि का स्थान अस्थि ले लेती है, और सिरों पर वृद्धि-पट्टिकाएँ छूट जाती हैं जो उस अस्थि को वयस्कता तक लंबा करती रहती हैं (उपास्थ्यंतर अस्थिभवन)। कायखंडों से पेशी-पूर्वज भीतर प्रवास करते हैं, विभाजित होते हैं, तंतुओं में संलयित होते हैं (अध्याय 12) और उस अंग के अपने मध्यचर्म की बनाई कंडराओं से जुड़ जाते हैं। अंगुली-किरणों के बीच का ऊतक क्रमबद्ध कोशिका-मृत्यु से हटा दिया जाता है: अंतरअंगुलीय जालियों की कोशिकाएँ, किसी अस्थि-आकारजनी प्रोटीन (BMP) के संकेत पर, अपना ही विनाश चालू कर देती हैं और दिन भर में हटा दी जाती हैं, जिससे अंगुलियाँ अलग हो जाती हैं। बत्तख़ अपनी जालियाँ इसलिए रखती है कि उसके अंतरअंगुलीय ऊतक में कोई BMP संदमक अभिव्यक्त होता है; और किसी चूज़े को मनके पर वही संदमक दिया जाए तो उसके जालीदार पैर उग आते हैं।

प्रमाण-सामग्री. चूज़े की टाँग-कलिका से काटकर कहीं और ग्राफ़्ट किया गया अंतरअंगुलीय मध्यचर्म समय पर ही मरता है — यानी वह मृत्यु आंतरिक है, और ऊतक हटाए जाने से पहले ही तय हो चुकी है; जबकि किसी बत्तख़ का वही ऊतक बचा रहता है। बत्तख़ की अंगुलियों के बीच रखे BMP के मनके उस जाली को मार देते हैं; और चूज़े की अंगुलियों के बीच रखे संदमक ग्रेम्लिन के मनके उसे बचा लेते हैं। जिस चूहे में अंग का कोई BMP ग्राही न हो वह अपनी जालियाँ रखता है। ∎

हाथ की तराश: चप्पू में उपास्थि-किरणें संघनित होती हैं, उनके बीच की कोशिकाएँ मरती हैं (लाल), और मुक्त हुई अंगुलियाँ अस्थिभूत होती हैं।

उदाहरण 11.8 (वही अंग, भिन्न ढंग से उगाया हुआ)

चमगादड़ का पंख ऐसा हाथ है जिसकी अंगुलियाँ 2 से 5 किसी चूहे की अपेक्षा कई गुना लंबी उगीं — किसी अंग-जीन का एक संवर्धक, चमगादड़ से चूहे में प्रत्यारोपित, चूहे की अग्र-अंग अस्थियाँ लंबी कर देता है — और जिसका अंतरअंगुलीय ऊतक बचा रहा, क्योंकि उस जाली में वही BMP संदमक अभिव्यक्त होता है जो बत्तख़ काम में लेती है। ह्वेल का फ़्लिपर अतिरिक्त अंगुलास्थियों वाला और बिना किसी अंतरअंगुलीय मृत्यु का हाथ है। घोड़े की टाँग एक ही अंगुली है और बाक़ी घटकर खपच्चियाँ रह गई हैं। साँप के अंग इसलिए नहीं हैं कि उसका पार्श्व वे संकेत कभी अभिव्यक्त ही नहीं करता जो कोई कलिका आरंभ करते हैं। और मछलियों के पख, जिनमें ऑटोपोड नहीं होता, उसी AER तथा ZPA से गढ़े जाते हैं पर अपना Hox कार्यक्रम उस पश्च प्रावस्था से पहले रोक देते हैं जो अंगुलियाँ बनाती है; और जीवाश्म Tiktaalik (37.5 करोड़ वर्ष पुराना) किसी पख में कलाई को उभरते दिखाता है। अंग-विकास अधिकतर किसी संरक्षित कार्यक्रम का परिवर्तन भर है — कि हर प्रावस्था कितनी देर चले, हर संकेत कितनी दूर पहुँचे, कौन-सी कोशिकाएँ मरें।

11.5 अभ्यास

अभ्यास 11.1 ★

अंग-कलिका की तीनों अक्षें बताइए और हर एक के लिए संकेतन-केंद्र, उसकी स्थिति और उसका संकेत।

हल

हल — अभ्यास 11.1.

समीपस्थ-दूरस्थ: सिरे के साथ शीर्षस्थ बाह्यचर्मी कटक, FGF। अग्र-पश्च: पिछले किनारे पर ध्रुवणकारी सक्रियता क्षेत्र, Sonic hedgehog। पृष्ठ-अधर: पृष्ठीय बाह्यचर्म, Wnt7a।

अभ्यास 11.2 ★

अंग-कंकाल के तीनों खंड और किसी मानव बाँह तथा टाँग में हर एक की अस्थियाँ बताइए। उन्हें कौन-से Hox जीन चिह्नित करते हैं?

हल

हल — अभ्यास 11.2.

स्टाइलोपोड: प्रगंडिका, ऊर्विका (Hoxa/d 9–10)। ज़्यूगोपोड: अरत्निका और अंतःप्रकोष्ठिका, अंतर्जंघिका और बहिर्जंघिका (Hox 11)। ऑटोपोड: कलाई और हाथ, टख़ना और पैर (Hox 13)।

अभ्यास 11.3 ★

पार्श्व पट्ट मध्यचर्म के किसी टुकड़े से लेकर अस्थि, संधि तथा पेशी सहित किसी अंगुली तक के पग क्रम से बताइए।

हल

हल — अभ्यास 11.3.

अंग-क्षेत्र निर्दिष्ट (Tbx5); कटक की FGF के नीचे कलिका उभरती है; ZPA और पृष्ठीय बाह्यचर्म उसे ढाँचा देते हैं; प्रगति क्षेत्र छोड़ती कोशिकाएँ किरणों में संघनित होती हैं; उपास्थि विभेदित होती है; संधियाँ वहाँ बनती हैं जहाँ उपास्थि दबाई जाती है; रक्त वाहिकाएँ भीतर आती हैं और उपास्थि की जगह अस्थि ले लेती है; अंतरअंगुलीय कोशिकाएँ मरती हैं; और कायखंडों से पेशी-पूर्वज भीतर प्रवास करते, संलयित होते और कंडराओं से जुड़ जाते हैं।

अभ्यास 11.4 ★

यदि AER हटाया जाए तो वह अंग कैसा दिखता है: (क) कलिका के प्रकट होते ही, (ख) प्रकोष्ठ निर्दिष्ट हो जाने के बाद, (ग) बिलकुल नहीं हटाया जाए पर FGF के किसी मनके से बदल दिया जाए?

हल

हल — अभ्यास 11.4.

(क) थोड़ी या बिना प्रगंडिका का ठूँठ; (ख) प्रगंडिका, अरत्निका और अंतःप्रकोष्ठिका, पर कोई हाथ नहीं; (ग) पूरा अंग — FGF कटक की जगह ले लेती है।

अभ्यास 11.5 ★★

$\lambda = 40\,\text{µ}\mathrm{m}$ और अंगुलियों 4, 3 तथा 2 के लिए स्रोत-सांद्रता की $0.5$ , $0.2$ और $0.05$ देहलियों के साथ, तीनों सीमाएँ और हर अंगुली-क्षेत्र की चौड़ाई निकालिए।

हल

हल — अभ्यास 11.5.

$x = 40\ln 2 = 28\,\text{µ}\mathrm{m}$ , $40\ln 5 = 64\,\text{µ}\mathrm{m}$ , $40\ln 20 = 120\,\text{µ}\mathrm{m}$ : यानी 28, 36 और $56\,\text{µ}\mathrm{m}$ के क्षेत्र।

अभ्यास 11.6 ★★

चूज़े के पंख के अंगुली-प्रतिरूप की भविष्यवाणी कीजिए जब (क) पूरा ZPA अगले किनारे पर ग्राफ़्ट किया जाए, (ख) उतनी ही कोशिकाओं के चौथाई का ग्राफ़्ट, (ग) अगले किनारे पर Shh का कोई मनका छोटे अनावरण के बाद हटा दिया जाए। हर एक को मात्रा और काल से समझाइए।

हल

हल — अभ्यास 11.6.

(क) 4-3-2-2-3-4, यानी पूरा दर्पण-समुच्चय। (ख) कमज़ोर स्रोत नीचा शिखर देता है, इसलिए केवल नीची-देहली वाली अंगुली जुड़ती है: 2-2-3-4। (ग) छोटा अनावरण भी वैसे ही केवल सबसे अग्र अतिरिक्त अंगुली निर्दिष्ट करता है: 2-2-3-4 — कोशिकाएँ सांद्रता को काल पर समाकलित करती हैं।

अभ्यास 11.7 ★★

किसी चूज़े की अंग-कलिका में कटक बनते समय $5000$ कोशिकाएँ हैं और उसकी कोशिकाएँ हर $12\,\mathrm{h}$ पर विभाजित होती हैं। चार दिन बाद कितनी कोशिकाएँ? यदि उस अवस्था पर उस अंग में $4\times 10^{6}$ कोशिकाएँ हों, तो कोशिका-चक्र या कोशिका-मृत्यु के बारे में क्या सच होना चाहिए?

हल

हल — अभ्यास 11.7.

$5000\times 2^{8} = 1.3\times 10^{6}$ । $4\times 10^{6}$ तक पहुँचने को $\log_2 800 = 9.6$ दुगुनेपन चाहिए, इसलिए उस चक्र का औसत लगभग $10\,\mathrm{h}$ होना चाहिए, या उस गिनती में वे पेशी-पूर्वज भी होने चाहिए जो कायखंडों से भीतर प्रवास करते हैं; जबकि कोशिका-मृत्यु उस विसंगति को बढ़ाती, घटाती नहीं।

अभ्यास 11.8 ★★

समझाइए कि चूज़े की अंगुलियाँ मुक्त और बत्तख़ के पैर जालीदार क्यों हैं, और किसी चूज़ा-भ्रूण की अंगुलियों के बीच BMP संदमक का मनका क्या करता है। अंतरअंगुलीय मृत्यु का आंतरिक समय (वह किसी ग्राफ़्ट में भी समय पर होती है) आपको बताता है कि उन कोशिकाओं को कैसे निर्देश मिला था?

हल

हल — अभ्यास 11.8.

चूज़े की अंतरअंगुलीय कोशिकाओं को BMP संकेत मिलता है और वे मर जाती हैं; जबकि बत्तख़ की अंतरअंगुलीय कोशिकाएँ कोई BMP संदमक अभिव्यक्त करती हैं और बची रहती हैं, इसलिए वह जाली टिकी रहती है। मनके पर वही संदमक चूज़े की जाली बचा लेता है: यानी जालीदार पैर। ग्राफ़्ट में भी समय पर मृत्यु का अर्थ है कि उन कोशिकाओं को हटाए जाने से पहले ही निर्देश मिल चुका था — यानी वह निर्णय जल्दी लिया जाता है और बाद में, स्वायत्त रूप से, कार्यान्वित होता है।

अभ्यास 11.9 ★★

किसी चूहे में Hoxa13 और Hoxd13 दोनों नहीं हैं; और किसी दूसरे में Hoxa11 तथा Hoxd11 नहीं। हर एक के अग्र-अंग के कंकाल की भविष्यवाणी कीजिए और बताइए कि वह परिणाम Hox प्रांतों तथा खंडों के संबंध के बारे में क्या दिखाता है।

हल

हल — अभ्यास 11.9.

Hoxa13 और Hoxd13 के बिना: कोई ऑटोपोड नहीं — वह अग्र-अंग कलाई पर समाप्त हो जाता है। Hoxa11 और Hoxd11 के बिना: बहुत छोटी अरत्निका तथा अंतःप्रकोष्ठिका, और उन पर लगभग सीधे प्रगंडिका से जुड़ा एक हाथ। हर खंड को अपनी ही Hox जोड़ी चाहिए; वे प्रांत केवल चिह्न नहीं बल्कि निर्देश हैं।

अभ्यास 11.10 ★★★

AER और ZPA के बीच की धन प्रतिपुष्टि समझाइए, वह उस अंग को दृढ़ क्यों बनाती है, और ऐसी किसी कलिका का क्या होगा जिसमें Shh FGF को बनाए न रख सके। इसकी तुलना अध्याय 8 की प्रसव वाली धन प्रतिपुष्टि से कीजिए: हर चक्र को क्या समाप्त करता है?

हल

हल — अभ्यास 11.10.

कटक की FGF ZPA में Shh चालू रखती है; और Shh, किसी मध्यचर्मी रिले के रास्ते, कटक में FGF चालू रखता है। इसलिए हर केंद्र का संकेत प्रमाणित करता है कि दूसरा काम कर रहा है, इसलिए कोई अंग बिना ढाँचे के कभी नहीं बढ़ता और न बिना बढ़े उसे ढाँचा मिलता है, और किसी एक की क्षणिक हानि दूसरा सुधार देता है। यदि Shh FGF को बनाए न रख सके, तो वह कटक दिन भर में क्षीण हो जाएगा और उभार जिस भी खंड तक पहुँचा होगा वहीं रुक जाएगा: यानी एक कटा हुआ अंग। प्रसव का चक्र उसी घटना से समाप्त होता है जिसे वह चलाता है — प्रसव उस उद्दीपन को हटा देता है; जबकि अंग का चक्र विभेदन से समाप्त होता है — अंग पूरा होते ही मध्यचर्म रिले करना बंद कर देता है।

अभ्यास 11.11 ★★★

किसी चमगादड़ की तीसरी अंगुली शरीर-आकार के सापेक्ष किसी चूहे की अंगुली से आठ गुना लंबी है। यदि अंगुली की उपास्थि किसी वृद्धि-खिड़की में $r$ दर से चरघातांकी रूप से लंबी हो, और चमगादड़ की खिड़की चूहे की खिड़की से चार दिन लंबी हो, तो कौन-सा $r$ चाहिए? दो विकासात्मक परिवर्तन बताइए (एक वृद्धि में, एक कोशिका-मृत्यु में) जो किसी हाथ से एक पंख बना देते हैं।

हल

हल — अभ्यास 11.11.

$e^{4r} = 8$ : $r = \ln 8/4 = 0.52\,\mathrm{d}^{-1}$ । वृद्धि: अंगुली की उपास्थि का लंबा, तेज़ प्रचुरोद्भवन (कोई अंग-संवर्धक जो अंगुलियों में किसी वृद्धि-जीन की अभिव्यक्ति चढ़ा दे)। मृत्यु: किसी BMP संदमक की अभिव्यक्ति से अंतरअंगुलीय ऊतक का बचा रहना, जो वह झिल्ली बनाए रखता है।

अभ्यास 11.12 ★★★

Sonic hedgehog तल-पट्ट से तंत्रिका नली को (अध्याय 10) और ZPA से अंगुलियों को ढाँचा देता है। इस पर विचार कीजिए कि विकास थोड़े-से संकेत अनेक कामों के लिए क्यों दोहराता है, वही अणु भिन्न ऊतकों में भिन्न अर्थ कैसे रख सकता है, और ऐसे किसी जीन के उत्परिवर्तन के प्रभाव के लिए इसका क्या अर्थ है।

हल

हल — अभ्यास 11.12.

संकेत इसलिए दोहराए जाते हैं कि कोई काम करता ग्राही–पारेषण मॉड्यूल फिर से तैनात करना सस्ता है: ऊतकों के बीच जो बदलता है वह वह संकेत नहीं बल्कि उन जीनों का समुच्चय है जिन्हें ग्रहण करती कोशिकाएँ चालू करने में सक्षम हैं, इसलिए वही सांद्रता-परिच्छेद कहीं प्रेरक न्यूरॉन और कहीं अंगुली 4 का अर्थ रखता है। इसलिए ऐसे किसी जीन का उत्परिवर्तन एक साथ अनेक अंगों को प्रभावित करता है — Shh के उत्परिवर्तन होलोप्रोसेन्सेफ़ली और अंग-दोष साथ-साथ देते हैं — जब तक वह किसी ऊतक-विशिष्ट संवर्धक में न पड़े, और तब वह केवल एक ही अंग बदलता है, और इन जीनों में अधिकांश विकासात्मक परिवर्तन इसी तरह होता है।

11.6 समस्या: सप्ताह भर में बना एक पंख

समस्या 11.1

सप्तांत समस्या — चूज़े के पंख का कलिका से कंकाल तक पीछा: विभाजन से उसकी वृद्धि, सॉन्डर्स के कटक-निष्कासनों का समय, Shh प्रवणता की गणना तथा उसके द्विगुणनों की भविष्यवाणी, जालियों की तराश और उस पंख की किसी चमगादड़ के पंख से तुलना, और अंत दुगुनेपनों की संख्या, अंगुली-सीमाओं और दर्पण-द्विगुणन के लिए आवश्यक चौड़ाई पर

चूज़े की पंख-कलिका उद्भवन के 3 दिन पर $2000$ मध्यचर्म कोशिकाओं और $0.4\,\mathrm{mm}$ लंबाई के साथ प्रकट होती है; और 7 दिन तक वह पंख $4\,\mathrm{mm}$ लंबा है तथा उसका आयतन उस कलिका के आयतन का $1000$ गुना। प्रगति क्षेत्र की कोशिकाएँ हर $12\,\mathrm{h}$ पर विभाजित होती हैं। कटक-निष्कासन: 3.0 दिन पर वह अंग एक ठूँठ है; 3.5 दिन पर केवल एक प्रगंडिका; 4.0 दिन पर प्रगंडिका, अरत्निका तथा अंतःप्रकोष्ठिका; और 4.5 दिन पर ऐसा पंख जिसमें केवल अंगुलियों के सिरे नहीं। Shh: $D = 1 \times 10^{-12}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ , अर्ध-जीवन $29\,\mathrm{min}$ ; और अंगुलियों 4, 3, 2 के लिए $0.6$ , $0.25$ , $0.08$ गुना $c_0$ की देहलियाँ। कलिका की चौड़ाई (पश्च से अग्र) $600\,\text{µ}\mathrm{m}$ । अंतरअंगुलीय जालियाँ: $300\,\text{µ}\mathrm{m}$ $\times$ $300\,\text{µ}\mathrm{m}$ $\times$ $200\,\text{µ}\mathrm{m}$ के तीन क्षेत्र, और $1000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ की कोशिकाएँ, जो $24\,\mathrm{h}$ में हटा दी जाती हैं।

भाग I — वृद्धि।

चार दिनों में कितने दुगुनेपन होते हैं? $2000$ से वे कितनी कोशिकाएँ देते हैं?
हज़ार गुनी आयतन-वृद्धि से तुलना कीजिए: कोशिकाओं के बड़े होने और आधात्री को कौन-सा गुणक जुटाना पड़ता है?
लंबाई कितने गुना बढ़ी? यदि वह कलिका अचर त्रिज्या के किसी बेलन की तरह बढ़ती, तो आयतन-गुणक क्या होता, और वह अंतर उसके आकार के बारे में क्या कहता है?
कटक की FGF मध्यचर्म में $300\,\text{µ}\mathrm{m}$ भीतर तक पहुँचती है। 3 दिन पर और 7 दिन पर उस कलिका का कितना अंश उसके प्रभाव में है?
समझाइए कि किसी बढ़ते अंग में नियत पहुँच का कोई संकेत समीपस्थ-दूरस्थ अनुक्रम क्यों बनाता है।
कोई कोशिका 4 दिन पर प्रगति क्षेत्र छोड़ती है। वह किस खंड में जाती है?

भाग II — खंडों का समय।

निष्कासन-शृंखला से वह काल दीजिए जिस तक हर खंड (स्टाइलोपोड, ज़्यूगोपोड, ऑटोपोड) निर्दिष्ट हो चुका होता है।
क्रमिक खंडों के निर्देशन को कितने कोशिका-चक्र अलग करते हैं?
उस परिणाम को प्रगति क्षेत्र और Hox प्रांतों के पदों में समझाइए।
जिस कलिका का कटक 3.5 दिन पर हटाया गया उस पर FGF का मनका रखा जाता है। उस अंग की भविष्यवाणी कीजिए।
किसी अक्षत कलिका की पृष्ठीय सतह पर 3.5 दिन पर दूसरा कटक ग्राफ़्ट किया जाता है। भविष्यवाणी कीजिए।
वह कलिका अनिश्चित काल तक बढ़ते रहने के बजाय 7 दिन पर बढ़ना क्यों बंद कर देती है?

भाग III — प्रवणता।

Shh के लिए $k$ और $\lambda$ निकालिए।
तीनों अंगुली-सीमाएँ और क्षेत्र-चौड़ाइयाँ निकालिए।
$600\,\text{µ}\mathrm{m}$ की किसी कलिका में वह अग्र क्षेत्र कितना चौड़ा है जो कोई अंगुली नहीं बनाता?
कोई उत्परिवर्तन Shh का निर्गत दुगुना कर देता है। सीमाएँ फिर से निकालिए और बताइए कि कोई अतिरिक्त अंगुली बनती है या नहीं और कौन-सी।
अगले किनारे पर कोई ZPA ग्राफ़्ट किया जाता है। दोनों अंगुली-2 क्षेत्रों के अतिव्यापन के बिना पूरा दर्पण-समुच्चय 4-3-2-2-3-4 किस न्यूनतम कलिका-चौड़ाई पर संभव है? क्या चूज़े की कलिका इतनी चौड़ी है?
यदि वह कलिका केवल $200\,\text{µ}\mathrm{m}$ चौड़ी होती तो उस प्रतिरूप की भविष्यवाणी कीजिए।
ZPA के चौथाई का ग्राफ़्ट केवल 2-2-3-4 क्यों देता है?

भाग IV — तराश और विकास।

तीनों जालियों में कोशिकाओं की संख्या और सफ़ाई के दौरान कोशिका-मृत्यु की दर, कोशिकाएँ प्रति सेकंड में, निकालिए।
बत्तख़ की अंतरअंगुलीय कोशिकाएँ कोई BMP संदमक अभिव्यक्त करती हैं। बत्तख़ की जाली में BMP के मनके के और चूज़े की जाली में उस संदमक के प्रभाव की भविष्यवाणी कीजिए।
चमगादड़ की अंगुली-उपास्थि चार अतिरिक्त दिन $0.5\,\mathrm{d}^{-1}$ की चरघातांकी दर से बढ़ती है। वह चूज़े की उपास्थि से कितने गुना लंबी है? पंख की झिल्ली बनाने वाला दूसरा परिवर्तन बताइए।
किसी मछली की पख-कलिका में AER और ZPA हैं पर अंगुलियाँ नहीं। क्या नहीं है, और Tiktaalik क्या दिखाता है?
यदि वे जाली-कोशिकाएँ इसके बजाय $1000$ संस्थापकों से $12\,\mathrm{h}$ प्रति चक्र पर विभाजन से बनी होतीं, तो उन्हें बनाने में कितना समय लगता? उन्हें हटाने में लगते एक दिन से तुलना कीजिए।
परिणाम बताइए: चार दिनों के दुगुनेपन, तीनों अंगुली-सीमाएँ, और दर्पण-द्विगुणन के लिए न्यूनतम चौड़ाई।

हल

हल — समस्या 11.1.

1. $96/12 = 8$ दुगुनेपन: $2000\times 256 = 5.1\times 10^{5}$ कोशिकाएँ। 2. $1000/256 \approx 4$ : यानी कोशिकाओं का बड़ा होना और उपास्थि-आधात्री। 3. लंबाई $\times 10$ ; अचर त्रिज्या का कोई बेलन आयतन में $\times 10$ देता; और बाक़ी सौ गुने का अर्थ है कि त्रिज्या भी कोई दस गुना बढ़ी — यानी वह कलिका लंबी होते-होते चौड़ी होकर चप्पू बन गई। 4. 3 दिन पर $300/400 = 75\,\%$ ; और 7 दिन पर $300/4000 = 7.5\,\%$ । 5. केवल सिरा ही उस संकेत के नीचे है; और जैसे-जैसे सिरा आगे बढ़ता है, पीछे छूटी कोशिकाएँ उसी क्रम में उस क्षेत्र से निकलती हैं जिस क्रम में वे बनीं, इसलिए समीपस्थ संरचनाएँ पहले और दूरस्थ अंत में निर्दिष्ट होती हैं। 6. ज़्यूगोपोड (अरत्निका और अंतःप्रकोष्ठिका), जो 3.5 और 4 दिन के बीच निर्दिष्ट हुआ। 7. स्टाइलोपोड 3.5 दिन तक, ज़्यूगोपोड 4.0 दिन तक, ऑटोपोड 4.5 दिन तक (अंगुलियों के सिरे बाद में)। 8. आधा दिन: यानी एक कोशिका-चक्र। 9. प्रगति क्षेत्र में बिताया हर चक्र उस Hox कूट को आगे बढ़ाता है (9–10, फिर 11, फिर 13); और एक, दो या तीन चक्र बाद निकलती कोशिकाएँ स्टाइलोपोड, ज़्यूगोपोड या ऑटोपोड का कूट ढोती हैं। 10. पूरा पंख: कटक जो देता था वह FGF ही थी। 11. पृष्ठीय सतह से एक दूसरा उभार: यानी दोहराई गई दूरस्थ संरचनाएँ, एक अतिरिक्त अंग। 12. मध्यचर्म कटक तक Shh रिले करना बंद कर देता है, Shh की अभिव्यक्ति समाप्त हो जाती है, कटक क्षीण हो जाता है, और कोशिकाएँ विभाजित होने के बजाय विभेदित हो जाती हैं: यानी वह चक्र टूट जाता है जो वृद्धि को बनाए रखता था। 13. $k = \ln 2/1740 = 4.0 \times 10^{-4}\,\mathrm{s}^{-1}$ ; $\lambda = \sqrt{10^{-12}/4\times 10^{-4}} = 50\,\text{µ}\mathrm{m}$ । 14. $x = 50\ln(1/0.6) = 26$ , $50\ln 4 = 69$ , $50\ln 12.5 = 126\,\text{µ}\mathrm{m}$ : यानी 26, 43 और $57\,\text{µ}\mathrm{m}$ के क्षेत्र। 15. $600 - 126 = 474\,\text{µ}\mathrm{m}$ । 16. हर सीमा $50\ln 2 = 35\,\text{µ}\mathrm{m}$ बाहर खिसक जाती है: 61, 104, 161। तीनों चौड़ाइयाँ 61, 43 और $57\,\text{µ}\mathrm{m}$ हैं: यानी केवल अंगुली-4 का क्षेत्र बढ़ता है, बाक़ी केवल खिसक जाते हैं। वह प्रतिरूप कोई अंगुली पाने के बजाय अग्र की ओर खिसक जाता है, और अंगुली-रहित अग्र क्षेत्र 474 से घटकर $439\,\text{µ}\mathrm{m}$ रह जाता है। 17. हर समुच्चय को $126\,\text{µ}\mathrm{m}$ चाहिए: यानी कम से कम $252\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; और $600\,\text{µ}\mathrm{m}$ की कलिका में जगह है, जिसके बीच में $348\,\text{µ}\mathrm{m}$ अंगुली-रहित ऊतक बचता है। 18. $200\,\text{µ}\mathrm{m}$ पर दोनों प्रवणताएँ अतिव्यापित होकर जुड़ जाती हैं: बीच की कोशिकाएँ अंगुली 3 लायक़ देख लेती हैं और अंगुली-2 के क्षेत्र लुप्त हो जाते हैं — यानी 4-3-4 या 4-3-3-4, किसी पूरे दर्पण-समुच्चय से कम अंगुलियाँ। 19. चौथाई कोशिकाएँ $c_0/4$ देती हैं: कोई कोशिका अंगुली 4 या 3 की देहली तक नहीं पहुँचती (किनारे पर ही $0.25 c_0$ ), और अंगुली-2 की देहली $50\ln(0.25/0.08) = 57\,\text{µ}\mathrm{m}$ तक पार होती है: यानी एक अतिरिक्त अंगुली 2। 20. $3\times 300\times 300\times 200 = 5.4\times 10^{7}$ $\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ : यानी $5.4\times 10^{4}$ कोशिकाएँ; और $86\,400\,\mathrm{s}$ में प्रति सेकंड $0.6$ कोशिकाएँ। 21. बत्तख़ की जाली में BMP का मनका: वह जाली मर जाती है और अंगुलियाँ अलग हो जाती हैं; चूज़े की जाली में संदमक: वह जाली बच जाती है, यानी जालीदार पैर। 22. $e^{0.5\times 4} = e^{2} = 7.4$ । दूसरा परिवर्तन किसी BMP संदमक से अंतरअंगुलीय झिल्ली का बचा रहना है। 23. Hox 13 की वह पश्च प्रावस्था जो ऑटोपोड निर्दिष्ट करती है, और उस कटक का बना रहना: मछली की तह उसके बजाय पख-किरणें बनाती है। Tiktaalik के पख में कलाई जैसी अस्थियाँ हैं — यानी अंग बनता हुआ एक पख। 24. $5.4\times 10^{4}/1000 = 54$ : $\log_2 54 = 5.8$ दुगुनेपन, यानी लगभग $69\,\mathrm{h}$ , तीन दिन — जिन्हें हटाने में एक दिन लगता है। 25. आठ दुगुनेपन; अंगुली-सीमाएँ 26, 69 और $126\,\text{µ}\mathrm{m}$ पर; और किसी दर्पण-द्विगुणन को कम से कम $252\,\text{µ}\mathrm{m}$ चाहिए।

इस अध्याय में परिभाषित शब्द

अंग-कलिका

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