विश्वविद्यालय जीवविज्ञान — वर्ष 2 · Bachelor Year 2

12कोशिका विभेदन: कंकाल पेशी कोशिका

आपकी जाँघ की पेशी का एक तंतु तीस सेंटीमीटर लंबी एक ही कोशिका है, जिसमें सैकड़ों केंद्रक हैं और जो सिरे से सिरे तक इतनी नियमित संकुचनशील छड़ों से भरी है कि सूक्ष्मदर्शी के नीचे धारीदार दिखती है। उसका आरंभ साधारण दिखती कोशिकाओं के एक गुच्छे से हुआ था जो किसी कायखंड से रेंगकर निकलीं, गुणित हुईं, विभाजित होना बंद किया, पंक्ति में लगीं, संलयित हुईं, और कई सौ ऐसे जीन चालू कर दिए जो उन्होंने पहले कभी काम में नहीं लिए थे। शरीर की हर कोशिका का जीनोम वही है; और पेशी तंतु वह है जो वही जीनोम तब करता है जब कोई एक विशेष अनुलेखन कारक चालू कर दिया जाए। यह अध्याय कंकाल पेशी कोशिका को विभेदन का हल किया हुआ उदाहरण मानता है — यानी यह कि कोई कोशिका कोई विशिष्ट पहचान कैसे पाती और बनाए रखती है — और पेशी कोशिका अच्छा उदाहरण इसलिए है कि उसका प्रमुख स्विच ज्ञात है, उसके चरण किसी तश्तरी में देखे जा सकते हैं, और तैयार कोशिका ऐसी मशीन है जिसके पुर्ज़े दिखते हैं।

12.1 विभेदन क्या है

परिभाषा 12.1 (विभेदन, निर्धारण, शक्तता)

कोई कोशिका विभेदित तब है जब वह किसी एक कोशिका-प्रकार के जीनों का — और इसलिए प्रोटीनों, आकार तथा कार्य का — स्थिर प्रतिरूप अभिव्यक्त करे। वह निर्धारित (या प्रतिबद्ध) तब है जब उसकी नियति तय हो चुकी हो यद्यपि उसका विभेदन अभी आरंभ न हुआ हो: कोई पेशीकोरक किसी तंतुकोरक जैसा दिखता है पर बनाएगा केवल पेशी। शक्तता उन प्रकारों की परास है जो कोई कोशिका अब भी दे सकती है: पूर्णशक्त (युग्मनज और पहली कोरकखंड, जो अपरा समेत सब कुछ बनाती हैं), बहुशक्त (अंतःकोशिका पिंड, जो शरीर का हर ऊतक बनाता है), अनेकशक्त (रक्त की या पेशी की कोई स्तंभ कोशिका, जो एक ही ऊतक के प्रकार बनाती है), एकशक्त। स्तंभ कोशिका वह कोशिका है जो विभाजित होकर एक पुत्री अपने ही जैसी और एक ऐसी देती है जो आगे विभेदित होती है, और यों वह भंडार भी बनाए रखती है और ऊतक को आपूर्ति भी करती है। विभेदन अधिकांश स्थितियों में जीनों का लोप नहीं बल्कि उनमें से एक चुनाव है: किसी पेशी-केंद्रक का जीनोम पूरा है।

प्रमाण-सामग्री. गर्डन (1962) ने किसी भेक-शिशु की विभेदित आंत्र कोशिका का केंद्रक ऐसे मेंढक-अंडाणु में प्रत्यारोपित किया जिसका अपना केंद्रक नष्ट कर दिया गया था; और उन अंडाणुओं का एक अंश सामान्य, उर्वर मेंढकों में विकसित हुआ। उस विभेदित केंद्रक ने पूरा प्राणी बनाने को आवश्यक कोई जीन नहीं खोया था; अंडाणु के कोशिकाद्रव्य ने उसे फिर से बिठा दिया था। किसी भेड़ के अंडाणु में किसी स्तन कोशिका के केंद्रक के साथ वही संक्रिया डॉली (1996) दे गई, और चार अनुलेखन कारकों से किसी त्वचा तंतुकोरक का बहुशक्त स्तंभ कोशिका में पुनर्क्रमण (यामानाका, 2006) दिखा गया कि वह पुनर्बिठान मुट्ठी भर प्रोटीनों से किया जा सकता है। ∎

प्रतिज्ञप्ति 12.2 (विभेदन अनुलेखनी है)

दो कोशिका-प्रकारों का भेद इसमें है कि कौन-से जीन अनुलेखित होते हैं। थोड़े-से अनुलेखन कारक, जो अध्याय 10 के प्रेरक संकेतों के उत्तर में अभिव्यक्त होते हैं, सैकड़ों लक्ष्य जीनों के नियामक क्षेत्रों से बँधते हैं और उन्हें चालू कर देते हैं, जबकि दूसरी नियतियों के जीन बंद कर दिए जाते हैं; और चूँकि ऐसा कोई कारक प्रायः अपना ही जीन सक्रिय करता है, इसलिए वह अवस्था, एक बार बन जाने पर, स्वयं को बनाए रखती है। कुछ ऊतकों के लिए कोई अकेला कारक ऐसा प्रमुख नियामक है जो किसी दूसरे प्रकार की कोशिका पर वह नियति थोपने को पर्याप्त है: कंकाल पेशी के लिए MyoD, आँख के लिए Pax6, उपास्थि के लिए Sox9। वह अवस्था क्रोमैटिन के परिवर्तनों से और भी स्थिर हो जाती है — DNA का मेथिलीकरण, हिस्टोनों का रूपांतरण — जो चुप किए गए जीनों को विभाजनों के आरपार चुप रखते हैं (यानी वर्ष 3 के खंड की एपिजेनेटिकी)। इसलिए कोई विभेदित कोशिका अपने DNA अनुक्रम में बिना किसी परिवर्तन के याद रखती है कि वह क्या है, और वह स्मृति कारकों तथा क्रोमैटिन के प्रतिरूप में लिखी है, जीनों में नहीं।

12.2 किसी पेशी तंतु का बनना

परिभाषा 12.3 (पेशीजनन)

भ्रूण में कायखंड के त्वक्-पेशीखंड की कोशिकाएँ तंत्रिका नली, पृष्ठरज्जु तथा सतही बाह्यचर्म के संकेतों से पेशीजनक कारक MyoD और Myf5 अभिव्यक्त करने को प्रेरित होती हैं: अब वे पेशीकोरक हैं, यानी निर्धारित पर अब भी विभाजित होती और देखने में साधारण। पेशीकोरक प्रवास करते हैं — उदाहरण के लिए अंग-कलिकाओं में — और तब तक गुणित होते हैं जब तक वृद्धि कारक (FGF) उपस्थित हैं। जब वे कारक चुक जाते हैं, तब वे कोशिका-चक्र से हट जाते हैं, दूसरा कारक, मायोजेनिन, अभिव्यक्त करते हैं, सिरे से सिरे तक पंक्ति में लगते हैं, और संलयित होते हैं: उनकी झिल्लियाँ मिलकर एक लंबी पेशीनलिका बन जाती हैं जिसमें अनेक केंद्रक एक पंक्ति में होते हैं। वह पेशीनलिका पेशी-जीन चालू कर देती है — ऐक्टिन, मायोसिन, ट्रोपोनिन, ट्रोपोमायोसिन, क्रिएटिन काइनेज़, ऐसीटिलकोलीन ग्राही — संकुचनशील साज-सामान जोड़ती है, और ऐसे पेशी तंतु में परिपक्व हो जाती है जिसके केंद्रक उसकी परिधि पर पड़े होते हैं। कोई तंतु फिर कभी विभाजित नहीं होता; उसके बग़ल कुछ पेशीकोरक निष्क्रिय पड़े रहते हैं, यानी उपग्रही कोशिकाएँ, जो वे स्तंभ कोशिकाएँ हैं जो उस पेशी की जीवन भर मरम्मत और वृद्धि करती हैं।

पेशीजनन: प्रेरित कायखंड-कोशिकाएँ विभाजित होते पेशीकोरक बनती हैं; और वृद्धि कारक हटा लिए जाने पर वे विभाजित होना बंद करती हैं, पंक्ति में लगती हैं और संलयित होकर ऐसी बहुकेंद्रकी पेशीनलिका बनती हैं जो पेशी-जीन चालू कर देती है।

बाएँ: संवर्धन में पेशीनलिकाएँ, हर एक केंद्रकों की पंक्ति वाली एक संलयित कोशिका, और उनके बग़ल अकेली पेशीकोरक जो अभी संलयित नहीं हुईं। दाएँ: अनुदैर्घ्य दृश्य में परिपक्व तंतु, जिनकी आड़ी धारियाँ दोहराती सार्कोमियर हैं और जिनके केंद्रक किनारे पर धकेल दिए गए हैं।

प्रतिज्ञप्ति 12.4 (MyoD: एक प्रमुख स्विच)

MyoD कुंडली-फंदा-कुंडली कुल का अनुलेखन कारक है। वह, किसी सर्वव्यापी साथी प्रोटीन के साथ द्विलक बनकर, पेशी-जीनों के नियामक क्षेत्रों के छह-क्षारक अनुक्रम (E-बॉक्स, CANNTG) से बँधता है, क्रोमैटिन खोलने वाले एंजाइम भर्ती करता है, और उन जीनों को चालू कर देता है — जिनमें मायोजेनिन के और स्वयं MyoD के जीन भी हैं, और यों वह अवस्था टिकी रहती है। उसकी सक्रियता द्वार-नियंत्रित है: विभाजित होते पेशीकोरकों में वृद्धि कारकों से प्रेरित कोई संदमक प्रोटीन (Id) उस साथी को क़ब्ज़े में ले लेता है और MyoD को निठल्ला रखता है; और वृद्धि कारक हटते ही Id लुप्त हो जाता है और MyoD काम करने लगता है। चूँकि MyoD किसी तंतुकोरक, किसी वसाकोशिका या किसी तंत्रिका कोशिका पर पेशी-कार्यक्रम थोपने को पर्याप्त है, इसलिए पेशी-नियति, एक अर्थ में, एक ही जीन गहरी है: पेशी बनने की कठिनाई यह जानने में नहीं कि कैसे, बल्कि यह कहे जाने में है कि बनो।

प्रमाण-सामग्री. डेविस, वाइनट्रॉब और लस्सार (1987) ने पेशीकोरकों से अलग की गई एक अकेली cDNA संवर्धित तंतुकोरकों में डाली: वे तंतुकोरक विभाजित होना बंद कर बैठे, पेशीनलिकाओं में संलयित हो गए और पेशी-प्रोटीन बनाने लगे। उस जीन का नाम MyoD रखा गया। उसके सगे Myf5, मायोजेनिन और MRF4 समजातता से मिले; और जिस चूहे में MyoD तथा Myf5 दोनों न हों उसमें कोई पेशीकोरक नहीं होते और कंकाल पेशी बिलकुल नहीं होती, जबकि जिस चूहे में मायोजेनिन न हो उसके पेशीकोरक कभी संलयित नहीं होते। ∎

प्रमेय 12.5 (स्वयं को बनाए रखता एक स्विच)

मान लीजिए $m$ ऐसे किसी कारक की मात्रा है जो अपना ही जीन किसी सहकारी (सिग्मॉइड) अनुक्रिया से सक्रिय करता है और $k$ दर से विघटित होता है:

\frac{\mathrm{d}m}{\mathrm{d}t} = \frac{a\,m^{2}}{K^{2} + m^{2}} + b - k\,m,

जिसमें $b$ कोई छोटा आधारी संश्लेषण है। $a$ , $b$ , $K$ और $k$ के उपयुक्त मानों के लिए इस समीकरण की दो स्थायी अवस्थाएँ हैं, एक नीची $b/k$ के पास और एक ऊँची $a/k$ के पास, और उनके बीच एक अस्थिर देहली: यानी वह कोशिका द्विस्थायी है। कोई क्षणिक प्रेरक संकेत जो $m$ को उस देहली से ऊपर धकेल दे उस कोशिका को ऊँची अवस्था में भेज देता है, जहाँ वह संकेत हट जाने के बाद भी बनी रहती है; और उस देहली से नीचे वह नीची अवस्था में लौट आती है। यह किसी प्रतिपुष्टि चक्र से गढ़ी गई स्मृति है, और इसीलिए कोई कोशिका, एक बार प्रतिबद्ध हो जाने पर, विभाजनों के आरपार और प्रेरक की अनुपस्थिति में भी प्रतिबद्ध बनी रहती है।

उपपत्ति. स्थायी अवस्थाएँ $k m = a m^{2}/(K^{2} + m^{2}) + b$ का पालन करती हैं। दायाँ पक्ष $b$ से $a + b$ तक चढ़ता एक सिग्मॉइड है; और बायाँ मूलबिंदु से होकर जाती $k$ ढाल की एक रेखा। $b/k < K$ के लिए और $k$ इतना छोटा हो कि वह रेखा उस सिग्मॉइड के तीव्र भाग को काटे, तो दोनों वक्र तीन बार कटते हैं: $m_{\text{निम्न}} \approx b/k$ पर, किसी मध्यवर्ती $m_{\text{अ}}$ पर, और $m_{\text{उच्च}} \approx (a + b)/k$ पर। स्थिरता: $m_{\text{निम्न}}$ से नीचे संश्लेषण क्षय से अधिक है और $m$ चढ़ता है; $m_{\text{निम्न}}$ और $m_{\text{अ}}$ के बीच क्षय संश्लेषण से अधिक है और $m$ गिरकर लौट आता है; $m_{\text{अ}}$ और $m_{\text{उच्च}}$ के बीच संश्लेषण क्षय से अधिक है और $m$ चढ़कर $m_{\text{उच्च}}$ तक जाता है; और उससे ऊपर $m$ गिरकर $m_{\text{उच्च}}$ पर लौट आता है। इसलिए बाहरी दोनों स्थिर हैं, और बीच वाली अस्थिर तथा वही देहली है। ∎

एक द्विस्थायी स्विच (a = 1, K = 1, b = 0.02, k = 0.4)। संश्लेषण (सिग्मॉइड) और विघटन (रेखा) तीन बार कटते हैं: दो स्थायी अवस्थाएँ, बंद और चालू, और उनके बीच एक अस्थिर देहली। जो संकेत m को उस देहली के पार उठा दे वह उस कोशिका को स्थायी रूप से चालू अवस्था पर प्रतिबद्ध कर देता है। — एक द्विस्थायी स्विच ( $a = 1$ , $K = 1$ , $b = 0.02$ , $k = 0.4$ )। संश्लेषण (सिग्मॉइड) और विघटन (रेखा) तीन बार कटते हैं: दो स्थायी अवस्थाएँ, बंद और चालू, और उनके बीच एक अस्थिर देहली। जो संकेत $m$ को उस देहली के पार उठा दे वह उस कोशिका को स्थायी रूप से चालू अवस्था पर प्रतिबद्ध कर देता है।

12.3 तैयार कोशिका

परिभाषा 12.6 (पेशी तंतु)

कोई कंकाल पेशी तंतु $10\text{ से }100\,\text{µ}\mathrm{m}$ चौड़ा और दसियों सेंटीमीटर तक लंबा बेलन है, जो पेशीकला से घिरा है और जिसके सैकड़ों केंद्रक उसी के ठीक नीचे हैं। उसका भीतरी भाग समांतर पेशीतंतुकों से भरा है, और हर एक $2.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ लंबी सार्कोमियरों की शृंखला है: दो Z चक्रिकाओं के बीच, Z चक्रिकाओं पर टिके ऐक्टिन के पतले तंतु (ट्रोपोमायोसिन और ट्रोपोनिन सहित) केंद्र पर थामे मायोसिन के मोटे तंतुओं के बीच घुस जाते हैं, और उस अतिव्यापन का प्रतिरूप ही वे धारियाँ देता है। हर पेशीतंतुक के चारों ओर पेशीद्रव्यी जालिका की एक जाली कैल्सियम सँजोए रखती है; और अनुप्रस्थ नलिकाएँ, जो पेशीकला के अंतर्वलन हैं, पेशीतंतुकों के बीच चलती हैं और उस विद्युत संकेत को सतह से भीतर तक ले जाती हैं। सूत्रकणिकाएँ बीच की जगहें भर देती हैं, और कोशिकाद्रव्य में ग्लाइकोजन, क्रिएटिन फ़ॉस्फ़ेट और, लाल तंतुओं में, मायोग्लोबिन होता है। वह कोशिका एक ही काम के लिए बनी है — आज्ञा पर छोटा होने के लिए — और उस आज्ञा का साज-सामान अध्याय 21 है।

किसी पेशीतंतुक की दो सार्कोमियर: Z चक्रिकाओं पर टिके पतले ऐक्टिन तंतु M रेखा पर केंद्रित मोटे मायोसिन तंतुओं के बीच घुस जाते हैं। उस अतिव्यापन से धारियों की गहरी A पट्टी और हलकी I पट्टी बनती हैं।

प्रतिज्ञप्ति 12.7 (तंतु के प्रकार)

कोई पेशी तंतु-प्रकारों का मिश्रण है, जो कुछ हद तक पेशीकोरक वंशक्रम से और कुछ हद तक उस तंतु को तंत्रिकित करती तंत्रिका से तय होता है। मंद ऑक्सीकारी (प्रकार I) तंतुओं में मंद मायोसिन, बहुत-सी सूत्रकणिकाएँ तथा केशिकाएँ, और मायोग्लोबिन होते हैं — यानी लाल, अथक, और मुद्रा तथा सहनशक्ति के लिए बने। तीव्र ग्लाइकोलीय (प्रकार IIx) तंतुओं में तीव्र मायोसिन, थोड़ी सूत्रकणिकाएँ, बहुत ग्लाइकोजन होता है — यानी सफ़ेद, बलवान, और मिनट भर में थक जाने वाले। तीव्र ऑक्सीकारी (प्रकार IIa) तंतु बीच में पड़ते हैं। किसी धावक की पिंडली अधिकतर तीव्र तंतुओं की है, किसी मैराथन धावक की अधिकतर मंद, और वे अनुपात वंशागत हैं; पर वह प्रकार नियत नहीं है: किसी तीव्र पेशी को किसी मंद तंत्रिका से आड़े-तिरछे तंत्रिकित करना, या महीनों का सहनशक्ति प्रशिक्षण, तंतुओं को मंद प्रकार की ओर बदल देता है, क्योंकि तंत्रिका-आवेगों का प्रतिरूप मायोसिन समरूपों के और सूत्रकणिका-जनन के जीन चालू-बंद करता है। कोई विभेदित कोशिका पेशी तंतु के रूप में अपनी पहचान बनाए रखती है और फिर भी उपयोग के उत्तर में अपना कार्यक्रम संशोधित करती है।

उदाहरण 12.8 (वृद्धि और मरम्मत)

वयस्क में कोई पेशी तंतु जोड़कर नहीं बल्कि उन्हें बड़ा करके बढ़ती है: प्रशिक्षण हर तंतु में पेशीतंतुक जोड़ता है, और उपग्रही कोशिकाएँ उसमें संलयित होकर वे अतिरिक्त केंद्रक जुटाती हैं जो किसी बड़े कोशिकाद्रव्य को चाहिए। चोट के बाद वही कोशिकाएँ विभाजित होती हैं, फिर से MyoD अभिव्यक्त करती हैं, संलयित होती हैं और क्षतिग्रस्त खंड को सप्ताहों में फिर गढ़ देती हैं — यानी वही भ्रूणीय कार्यक्रम वयस्क में फिर चलाया जाता है। पेशीय दुष्पोषण में उन तंतुओं में डिस्ट्रोफ़िन नहीं होता, यानी वह प्रोटीन जो पेशीतंतुकों को झिल्ली से बाँधता है, और वे संकुचन में फट जाते हैं; और उपग्रही कोशिकाएँ उनकी बार-बार मरम्मत करती हैं जब तक, वर्षों बाद, वह भंडार चुक नहीं जाता और उस पेशी का स्थान तंतुमय ऊतक नहीं ले लेता।

इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के नीचे एक उपग्रही कोशिका: किसी पेशी तंतु की झिल्ली और उसकी आधार पटलिका के बीच दबी एक छोटी एककेंद्रकी कोशिका — यानी उस तंतु का पेशीकोरक-भंडार।

12.4 अभ्यास

अभ्यास 12.1 ★

विभेदन, निर्धारण और शक्तता की परिभाषा दीजिए, और युग्मनज, अंतःकोशिका पिंड की कोई कोशिका, कोई उपग्रही कोशिका तथा कोई पेशी तंतु शक्तता की मापनी पर रखिए।

हल

हल — अभ्यास 12.1.

विभेदन: किसी एक कोशिका-प्रकार के जीनों तथा कार्यों की स्थिर अभिव्यक्ति। निर्धारण: किसी नियति के अभिव्यक्त होने से पहले उसके प्रति प्रतिबद्धता। शक्तता: अब भी खुली नियतियों की परास। युग्मनज: पूर्णशक्त; अंतःकोशिका पिंड की कोशिका: बहुशक्त; उपग्रही कोशिका: एकशक्त (केवल पेशी) — फिर भी एक स्तंभ कोशिका; पेशी तंतु: विभेदित, विभाजनोत्तर, कोई शक्तता नहीं।

अभ्यास 12.2 ★

कायखंड की कोशिका से पेशी तंतु तक पेशीजनन के चरण बताइए, और हर एक पर अभिव्यक्त होता अनुलेखन कारक।

हल

हल — अभ्यास 12.2.

त्वक्-पेशीखंड की कोशिका (Pax3) $\to$ प्रेरित पेशीकोरक (MyoD, Myf5), जो FGF रहते विभाजित होता है $\to$ चक्र से निकास, मायोजेनिन $\to$ पंक्तिबंधन और संलयन से पेशीनलिका $\to$ पेशी-जीन चालू, पेशीतंतुक जुड़े (MRF4) $\to$ परिधीय केंद्रकों वाला परिपक्व तंतु, और साथ में निष्क्रिय उपग्रही कोशिकाएँ (Pax7)।

अभ्यास 12.3 ★

गर्डन के केंद्रक-प्रत्यारोपण ने क्या दिखाया, और क्या नहीं दिखाया?

हल

हल — अभ्यास 12.3.

यह कि किसी विभेदित कोशिका का केंद्रक पूरा प्राणी बनाने को आवश्यक हर जीन रखता है, और यह कि अंडाणु का कोशिकाद्रव्य उसका कार्यक्रम फिर से बिठा सकता है: यानी विभेदन प्रतिवर्ती है और DNA का लोप नहीं। उसने यह नहीं दिखाया कि हर विभेदित केंद्रक फिर बिठाया जा सकता है (अधिकांश प्रत्यारोपण विफल हुए), न यह कि वह पुनर्बिठान कैसे चलता है, न यह कि वह विभेदित कोशिका स्वयं अपनी जगह नियति बदल सकती है।

अभ्यास 12.4 ★

किसी सार्कोमियर के भाग बताइए और कहिए कि तंतु के छोटे होने पर कौन-से चलते हैं और कौन-से नहीं।

हल

हल — अभ्यास 12.4.

सार्कोमियर को घेरती Z चक्रिकाएँ; उन पर टिके पतले ऐक्टिन तंतु; M रेखा पर केंद्रित मोटे मायोसिन तंतु; A पट्टी (मोटे तंतु) और I पट्टी (केवल पतले)। छोटा होने पर पतले तंतु M रेखा की ओर सरकते हैं और Z चक्रिकाएँ एक-दूसरे के पास आ जाती हैं: I पट्टी और H क्षेत्र सँकरे होते हैं, A पट्टी — यानी मोटे तंतु की लंबाई — नहीं बदलती, और कोई भी तंतु छोटा नहीं होता।

अभ्यास 12.5 ★★

$20\,\mathrm{cm}$ लंबे किसी तंतु में $2.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ की सार्कोमियर हैं और उसकी लंबाई के हर $25\,\text{µ}\mathrm{m}$ पर एक केंद्रक। शृंखला में कितनी सार्कोमियर, और कितने केंद्रक? उसे बनाने के लिए कितने पेशीकोरक संलयित हुए?

हल

हल — अभ्यास 12.5.

$0.2/2.5\times 10^{-6} = 80\,000$ सार्कोमियर; $0.2/25\times 10^{-6} = 8000$ केंद्रक; प्रति केंद्रक एक पेशीकोरक, इसलिए लगभग $8000$ पेशीकोरक संलयित हुए (उपग्रही कोशिकाएँ बाद में और जोड़ती हैं)।

अभ्यास 12.6 ★★

संदमक Id से समझाइए कि FGF की उपस्थिति में पेशीकोरक संलयित क्यों नहीं होते, और भविष्यवाणी कीजिए कि जिन पेशीकोरकों को Id लगातार बनाने को गढ़ा गया हो उनका क्या होता है।

हल

हल — अभ्यास 12.6.

FGF Id प्रेरित करती है, जो वह साथी प्रोटीन बाँध लेती है जिसे MyoD को कोई DNA-बंधक द्विलक बनाने के लिए चाहिए; MyoD उपस्थित तो है पर निठल्ला, और वे कोशिकाएँ विभाजित होती रहती हैं। FGF हटते ही Id क्षीण होती है, MyoD द्विलक बनाता है, मायोजेनिन चालू हो जाती है, और वे कोशिकाएँ चक्र से निकलकर संलयित हो जाती हैं। जो पेशीकोरक Id लगातार बनाते हों वे कभी संलयित नहीं होते: वे अनिश्चित काल तक विभाजित होते रहते हैं और कोई पेशी नहीं बनाते।

अभ्यास 12.7 ★★

स्विच मॉडल में $a = 1$ , $K = 1$ , $b = 0.02$ और $k = 0.4$ के साथ, प्रतिस्थापन से जाँचिए कि $m = 2.1$ किसी स्थायी अवस्था के पास है, नीची स्थायी अवस्था लगभग ढूँढ़िए, और बताइए कि जिस कोशिका का $m$ थोड़ी देर के लिए $1$ तक चढ़ाकर फिर छोड़ दिया जाए उसका क्या होता है।

हल

हल — अभ्यास 12.7.

शर्त $0.4m = m^{2}/(1 + m^{2}) + 0.02$ । $m = 2.1$ पर: बायाँ $0.84$ , दायाँ $4.41/5.41 + 0.02 = 0.835$ : यानी एक स्थायी अवस्था। नीची अवस्था: छोटे $m$ के लिए $0.4m \approx m^{2} + 0.02$ , इसलिए $m \approx 0.055$ (बायाँ $0.022$ , दायाँ $0.023$ )। 1 तक चढ़ाने पर, जो $0.41$ के पास की देहली से ऊपर है, वह कोशिका $2.1$ तक चढ़ जाती है और वहीं रहती है: यानी वह प्रतिबद्ध है।

अभ्यास 12.8 ★★

उसी मॉडल में $k$ बढ़ाकर $0.6$ किया जाता है (यानी वह कारक तेज़ी से विघटित होता है)। आलेख से या संख्याओं से दिखाइए कि ऊँची अवस्था लुप्त हो जाती है। यह ऐसी किसी कोशिका के लिए क्या भविष्यवाणी करता है जिसमें MyoD अस्थिर कर दी गई हो?

हल

हल — अभ्यास 12.8.

$k = 0.6$ के साथ: $m = 1$ पर विघटन $0.6$ संश्लेषण $0.52$ से अधिक है; $m = 0.5$ पर $0.30 > 0.22$ ; और $m = 2$ पर $1.2 > 0.82$ : यानी नीची अवस्था से आगे हर जगह वह रेखा उस वक्र के ऊपर पड़ी है, और वही एकमात्र स्थायी अवस्था है। जिस कोशिका की MyoD बहुत तेज़ विघटित होती है वह चालू अवस्था थाम ही नहीं सकती: वह प्रेरण चाहे जैसा भी हो, अविभेदित अवस्था में लौट जाती है — यानी कोई पेशी नहीं।

अभ्यास 12.9 ★★

ऐसे किसी चूहे के लक्षण-प्ररूप की भविष्यवाणी कीजिए जिसमें (क) MyoD और Myf5 दोनों न हों, (ख) केवल मायोजेनिन न हो, (ग) केवल MyoD न हो। (ग) लगभग सामान्य क्यों है?

हल

हल — अभ्यास 12.9.

(क) कोई पेशीकोरक नहीं, कोई कंकाल पेशी नहीं: वे दोनों कारक निर्धारण के लिए अतिरेकी हैं, इसलिए दोनों का जाना ज़रूरी है। (ख) पेशीकोरक बनते और पंक्ति में लगते हैं पर कभी संलयित नहीं होते और न पेशी-प्रोटीन बनाते हैं: विभेदन के लिए मायोजेनिन आवश्यक है। (ग) लगभग सामान्य, क्योंकि निर्धारण में Myf5 MyoD की जगह ले लेती है।

अभ्यास 12.10 ★★★

MyoD से अभिरंजित कोई तंतुकोरक पेशीनलिका बन जाता है; पर MyoD से अभिरंजित कोई यकृत कोशिका नहीं बनती। क्रोमैटिन और सक्षमता को जोड़ते हुए कोई स्पष्टीकरण सुझाइए, और उसे परखने का कोई प्रयोग।

हल

हल — अभ्यास 12.10.

किसी तंतुकोरक में पेशी-जीन ऐसे क्रोमैटिन में पड़े हैं जिसे MyoD खोल सकता है; जबकि किसी यकृत कोशिका में वे विषमक्रोमैटिन में बँधे हो सकते हैं, या यकृत के अपने प्रमुख नियामक उन्हें दबा सकते हैं, इसलिए वह कोशिका सक्षम नहीं है। परीक्षण: MyoD डालने से पहले यकृत कोशिकाओं को क्रोमैटिन ढीला करने वाली किसी औषधि (कोई हिस्टोन डीऐसीटिलेज़ संदमक) से उपचारित कीजिए, या MyoD के साथ ऐसा कोई कारक डालिए जो यकृत का कार्यक्रम हटा दे, और मायोसिन की अभिव्यक्ति गिनिए।

अभ्यास 12.11 ★★★

सहनशक्ति प्रशिक्षण तीव्र तंतुओं को उनका जीनोम बदले बिना मंद तंतुओं की ओर बदल देता है। जीन-अभिव्यक्ति के पदों में समझाइए कि तंत्रिका के स्फुरण-प्रतिरूप से यह कैसे हो सकता है, और वे तंतु फिर भी कंकाल पेशी क्यों बने रहते हैं और कभी, मान लीजिए, उपास्थि क्यों नहीं बनते।

हल

हल — अभ्यास 12.11.

लंबे समय तक कम बारंबारता का स्फुरण अंतःकोशिकीय कैल्सियम को देर तक चढ़ाए रखता है; और कैल्सियम-सक्रियित पथ मंद मायोसिन, सूत्रकणिका-जनन, मायोग्लोबिन तथा केशिका-वृद्धि के जीन चालू कर देते हैं और तीव्र समरूप बंद। उस तंतु का प्रमुख कार्यक्रम (MyoD अवस्था, सार्कोमियर की स्थापत्य-रचना) अछूता रहता है: प्रशिक्षण यह बदलता है कि पेशी-जीनों में से कौन अभिव्यक्त हों, उस कोशिका की पहचान नहीं, और किसी तंत्रिका का कोई संकेत वह उपास्थि-कार्यक्रम फिर नहीं खोल सकता जो निर्धारण पर बंद हो गया था।

अभ्यास 12.12 ★★★

“कोई विभेदित कोशिका याद रखती है कि वह क्या है, किसी परिपथ से, किसी उत्परिवर्तन से नहीं।” द्विस्थायी स्विच, क्रोमैटिन, और इस तथ्य के साथ इस पर विचार कीजिए कि गर्डन तथा यामानाका के पुनर्बिठान संभव तो हैं पर अदक्ष।

हल

हल — अभ्यास 12.12.

किसी स्वयं-सक्रियकारी कारक की चालू अवस्था किसी प्रतिपुष्टि चक्र का स्थायी बिंदु है, जो लगातार संश्लेषण से बना रहता है, जीनों के किसी परिवर्तन से नहीं; और क्रोमैटिन के चिह्न एक दूसरी परत जोड़ देते हैं जो चुप किए गए जीन बंद रखती है। इसलिए पुनर्बिठान के लिए उस परिपथ को उसकी देहली से नीचे धकेलना और साथ ही वह क्रोमैटिन फिर खोलना पड़ता है, जो अंडाणु का कोशिकाद्रव्य या चार कारक कोशिकाओं के किसी छोटे अंश में ही कर पाते हैं: संभव, क्योंकि कुछ खोया नहीं है, पर अदक्ष, क्योंकि दो स्वतंत्र ताले एक साथ खोलने पड़ते हैं।

12.5 समस्या: एक पेशी गढ़ी और फिर गढ़ी गई

समस्या 12.1

सप्तांत समस्या — किसी पेशी का कायखंड से तंतु तक और चोट के आरपार पीछा: पेशीकोरकों, संलयनों तथा केंद्रकों की संख्याएँ, द्विस्थायी स्विच का विश्लेषण, किसी मरम्मत का समय, और प्रशिक्षण की गणना, और अंत तंतु की केंद्रक-गणना, स्विच की देहली तथा मरम्मत के काल पर

किसी वयस्क की जाँघ-पेशी में $500\,000$ तंतु हैं, हर एक $20\,\mathrm{cm}$ लंबा और $60\,\text{µ}\mathrm{m}$ व्यास का, और लंबाई के हर $25\,\text{µ}\mathrm{m}$ पर एक केंद्रक; सार्कोमियर $2.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ की हैं। भ्रूणीय पेशीकोरक, FGF रहते, हर $12\,\mathrm{h}$ पर विभाजित होते हैं। स्विच मॉडल: $a = 1$ , $K = 1$ , $b = 0.02$ , $k = 0.4$ । हर तंतु की $10\,\%$ लंबाई नष्ट करती किसी चोट के बाद, घायल खंड की उपग्रही कोशिकाएँ (तंतु के प्रति मिलिमीटर $4$ ) कुछ समय हर $18\,\mathrm{h}$ पर विभाजित होती हैं, फिर संलयित हो जाती हैं।

भाग I — तंतु।

एक तंतु में शृंखला में सार्कोमियरों की संख्या और केंद्रकों की संख्या निकालिए।
एक तंतु बनाने को कितने पेशीकोरक संलयित हुए? और पूरी पेशी के लिए?
एक तंतु का और उस पेशी का आयतन (लिटर में) निकालिए।
एक केंद्रक जितना कोशिकाद्रव्यी आयतन सँभालता है उसका आकलन कीजिए, और $2000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ की किसी साधारण कोशिका से तुलना कीजिए।
किसी परिपक्व तंतु के केंद्रक उसकी परिधि पर क्यों पड़े होते हैं?
उस पेशी के पेशीकोरक $2000$ कायखंड-कोशिकाओं से उतरे थे। प्रश्न 2 की संख्या तक पहुँचने को उन्हें कितने दुगुनेपन चाहिए थे, और कितने दिन?

भाग II — स्विच।

स्थायी-अवस्था की शर्त लिखिए और दिखाइए कि $m \approx 0.055$ उसका पालन करता है।
दिखाइए कि $m \approx 2.1$ भी उसका पालन करता है।
दिखाइए कि $m = 0.41$ के पास एक तीसरा हल है, और दोनों ओर $\mathrm{d}m/\mathrm{d}t$ के चिह्नों से समझाइए कि वह अस्थिर है।
प्रेरक की एक स्पंद $m$ को $0.6$ तक चढ़ा देती है; और दूसरी $0.3$ तक। हर कोशिका की नियति क्या है?
कोई उत्परिवर्तन आधारी संश्लेषण $b$ को बढ़ाकर $0.4$ कर देता है। दिखाइए कि नीची अवस्था लुप्त हो जाती है। वह कोशिका क्या करती है?
समझाइए कि यह मॉडल कोशिका-विभाजन के आरपार प्रतिबद्धता के बचे रहने का क्या लेखा देता है, और हर विभाजन पर $m$ के बारे में क्या सच होना चाहिए।

भाग III — मरम्मत।

एक तंतु कितनी उपग्रही कोशिकाएँ ढोता है, और उस चोट के बाद कितने केंद्रक बदलने पड़ते हैं?
उन्हें जुटाने के लिए उपग्रही कोशिकाओं को कितने दुगुनेपन से गुज़रना पड़ता है, और उसमें कितना समय लगता है?
मरम्मत के लिए प्रेक्षित दो से तीन सप्ताह से तुलना कीजिए, और बताइए कि उस काल में और क्या-क्या सम्मिलित है।
उपग्रही कोशिकाओं को संलयित होने से पहले MyoD फिर क्यों अभिव्यक्त करनी पड़ती है, और उन्हें पहले विभाजित होना क्यों बंद करना पड़ता है?
मरम्मत का हर दौर कुछ उपग्रही कोशिकाएँ चुका देता है। यदि वह भंडार प्रति चोट $5\,\%$ घटे, तो उसके आधा होने से पहले कितनी चोटें?
ऐसी बीस चोटों के बाद प्रति तंतु कितनी उपग्रही कोशिकाएँ बचती हैं?
समझाइए कि जिस दुष्पोषी पेशी के तंतु हर संकुचन पर फटते हैं उसका स्थान वर्षों बाद तंतुमय ऊतक क्यों ले लेता है।

भाग IV — प्रशिक्षण।

प्रशिक्षण हर तंतु को मोटा करके $80\,\text{µ}\mathrm{m}$ कर देता है। उस तंतु का आयतन कितने गुना बढ़ता है, और यदि प्रश्न 4 का अनुपात बनाए रखा जाए तो उपग्रही कोशिकाओं को कितने अतिरिक्त केंद्रक जुटाने पड़ते हैं?
उस पेशी का नया आयतन निकालिए।
सहनशक्ति प्रशिक्षण तीव्र तंतुओं का $30\,\%$ मंद तंतुओं में बदल देता है। उन तंतुओं में क्या बदला है और क्या नहीं?
इस तथ्य से समझाइए कि तंतु विभाजित नहीं होते, कि कोई वयस्क पेशी तंतु जोड़कर नहीं बल्कि तंतुओं की वृद्धि से क्यों बड़ी होती है।
कोई औषधि उपग्रही कोशिकाओं का संलयन रोक देती है। प्रशिक्षण के और चोट के प्रति उस पेशी की अनुक्रिया की भविष्यवाणी कीजिए।
परिणाम बताइए: तंतु की केंद्रक-गणना, स्विच की देहली, और मरम्मत के केंद्रक जुटाने में उपग्रही कोशिकाओं को लगने वाला काल।

हल

हल — समस्या 12.1.

1. $0.2/2.5\times 10^{-6} = 80\,000$ सार्कोमियर; $0.2/25\times 10^{-6} = 8000$ केंद्रक। 2. प्रति तंतु लगभग $8000$ ; और पूरी पेशी के लिए $4\times 10^{9}$ । 3. प्रति तंतु $\pi(30\times 10^{-6})^{2}\times 0.2 = 5.7 \times 10^{-10}\,\mathrm{m}^{3}$ ; और पूरी पेशी के लिए $2.8\times 10^{-4}$ $\mathrm{m}^{3}$ , यानी $0.28\,\mathrm{L}$ । 4. $5.7\times 10^{-10}/8000 = 7 \times 10^{-14}\,\mathrm{m}^{3} = 70\,000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ : यानी प्रति केंद्रक 35 साधारण कोशिकाओं जितना। 5. भीतरी भाग पेशीतंतुकों से ठसाठस भरा है जिन्हें सिरे से सिरे तक बिना टूटे चलना पड़ता है; और किनारे के केंद्रक उस जालक को अटूट छोड़ देते हैं तथा झिल्ली और उसके संकेतों के पास बैठते हैं। 6. $4\times 10^{9}/2000 = 2\times 10^{6}$ : यानी 21 दुगुनेपन, 10.5 दिन। 7. $0.4m = m^{2}/(1 + m^{2}) + 0.02$ । $m = 0.055$ पर: बायाँ $0.022$ , दायाँ $0.003 + 0.02 = 0.023$ । 8. $m = 2.1$ पर: बायाँ $0.84$ , दायाँ $0.815 + 0.02 = 0.835$ । 9. $m = 0.41$ पर: बायाँ $0.164$ , दायाँ $0.144 + 0.02 = 0.164$ । उससे ठीक नीचे संश्लेषण विघटन से कम है, इसलिए $m$ गिरकर $0.055$ की ओर जाता है; और ठीक ऊपर संश्लेषण विघटन से अधिक है और $m$ $2.1$ की ओर चढ़ता है: यानी कोई भी विस्थापन बढ़ता जाता है — अस्थिर। 10. $0.6 > 0.41$ : पहली कोशिका चालू अवस्था पर चली जाती है और विभेदित हो जाती है; $0.3 < 0.41$ : दूसरी ढलकर $0.055$ पर आ जाती है और नहीं होती। 11. $b = 0.4$ के साथ संश्लेषण-वक्र $0.4$ से आरंभ होता है और रेखा $0.4m$ के ऊपर $m \approx 3.3$ तक बना रहता है: यानी नीचा कटान जाता रहा। वह कोशिका बिना किसी प्रेरण के स्वतःस्फूर्त विभेदित हो जाती है। 12. विभाजन $m$ आधा कर देता है; पुत्रियों को $2.1/2 = 1.05$ विरासत में मिलता है, जो देहली $0.41$ से ऊपर है, और वे फिर $2.1$ तक चढ़ जाती हैं: यानी वह अवस्था हर पुत्री में फिर स्थापित हो जाती है। प्रतिबद्धता तब तक बची रहती है जब तक आधा किया गया स्तर उस देहली से ऊपर रहे। 13. प्रति मिमी $4$ $\times$ $200\,\mathrm{mm}$ $= 800$ उपग्रही कोशिकाएँ प्रति तंतु; और $8000$ केंद्रकों का $10\,\%$ , यानी $800$ , बदलना पड़ता है। 14. घायल खंड में $80$ उपग्रही कोशिकाएँ हैं; $800/80 = 10$ , इसलिए 4 दुगुनेपन ( $\times 16$ , यानी $1280$ : 800 संलयित होती हैं और 480 भंडार भरने को बचती हैं) — यानी $72\,\mathrm{h}$ , तीन दिन। 15. विभाजन के तीन दिन बनाम प्रेक्षित दो से तीन सप्ताह: बाक़ी में भक्षकाणुओं द्वारा मलबे की सफ़ाई, सक्रियण का विलंब, संलयन, पेशीतंतुकों का जुड़ना, पुनर्तंत्रिकन और नए खंड का परिपक्वन सम्मिलित है। 16. सक्रियित कोशिकाओं में MyoD (और मायोजेनिन) को पेशी-जीन फिर चालू करने ही पड़ते हैं; और विभाजन तथा विभेदन परस्पर अपवर्जी हैं — मायोजेनिन के काम करने और संलयन होने से पहले Id को गिरना और चक्र को रुकना पड़ता है। 17. $0.95^{n} = 0.5$ : $n = 13.5$ , यानी लगभग चौदह चोटें। 18. $800\times 0.95^{20} = 800\times 0.36 \approx 290$ । 19. हर संकुचन तंतु फाड़ता है, हर फटन उस भंडार को पुकारती है, और वह भंडार हर बार कुछ प्रतिशत सिकुड़ता है; वर्षों बाद वह चुक जाता है, फटे तंतु फिर नहीं गढ़े जाते, और तंतुकोरक उन ख़ाली जगहों को कोलैजन से भर देते हैं। 20. $(80/60)^{2} = 1.78$ ; केंद्रक $8000\times 1.78 = 14\,200$ : यानी उपग्रही कोशिकाओं से लगभग $6200$ अतिरिक्त। 21. $0.28\times 1.78 = 0.5\,\mathrm{L}$ । 22. बदला: मायोसिन समरूपों के जीन, सूत्रकणिका तथा केशिका घनत्व, मायोग्लोबिन। नहीं बदला: पेशी-पहचान (MyoD अवस्था), सार्कोमियर की स्थापत्य-रचना, केंद्रक और उनका जीनोम। 23. तंतु विभाजनोत्तर हैं और गुणित नहीं हो सकते; एकमात्र रास्ते मोटे तंतु और उपग्रही कोशिकाओं से प्रति तंतु अधिक केंद्रक हैं। 24. प्रशिक्षण: सीमित मोटापन, क्योंकि वह तंतु केंद्रक नहीं जोड़ सकता; चोट: कोई मरम्मत नहीं — नष्ट हुए खंडों का स्थान तंतुमय ऊतक ले लेता है, जैसा दुष्पोषण में। 25. प्रति तंतु $8000$ केंद्रक; देहली $m \approx 0.41$ ; और किसी मरम्मत के लिए उपग्रही-कोशिका विभाजन के लगभग तीन दिन।

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