विश्वविद्यालय जीवविज्ञान — वर्ष 3 · Bachelor Year 3

2अकूटलेखी RNA और अनुलेखनोत्तर नियमन

1990 में दो वनस्पति-जीवविज्ञानियों ने पिटूनिया को और गहरा बैंगनी बनाने के लिए उन्हें वर्णक-एंज़ाइम के जीन की अतिरिक्त प्रतियाँ दीं। लगभग आधे पारजीनी पौधे सफ़ेद निकले, या बैंगनी पर सफ़ेद खंडों वाले: जोड़े गए जीन ने अपने साथ-साथ पौधे की अपनी प्रति भी बंद कर दी थी। आठ वर्ष बाद, Caenorhabditis elegans में RNA अंतःक्षेपित करते दो कृमि-आनुवंशिकीविदों ने पाया कि किसी पेशी-जीन से मेल खाता द्विलड़ी RNA उस जीन को, अंतःक्षेपित कृमि में और उसकी संतति में, अकेली किसी भी लड़ी की तुलना में कहीं अधिक प्रबलता से मौन कर देता है। दोनों पहेलियों का एक ही उत्तर था: कोशिकाओं के पास ऐसा तंत्र है जो छोटे RNA से मेल खाते अनुक्रम वाले RNA ढूँढ़कर मौन कर देता है। वही तंत्र, और नियमन का वह व्यापक संसार जो किसी संदेशवाहक RNA के अनुलेखित हो जाने के बाद उस पर बीतता है — उसका विच्छेदन कैसे होता है, उसे कहाँ भेजा जाता है, वह कितना जीता है, उसका अनुवादन होता है या नहीं — इस अध्याय का विषय है। वर्ष 1 के खंड ने जीन को ऐसी इकाई माना था जो अपने प्रवर्तक पर चालू या बंद रहती है; यहाँ स्वयं अनुलेख नियंत्रण का विषय बन जाता है।

2.1 किसी कोशिका की RNA जनगणना

परिभाषा 2.1 (अकूटलेखी RNA)

अकूटलेखी RNA (ncRNA) वह अनुलेख है जो प्रोटीन के साँचे के रूप में नहीं, स्वयं RNA के रूप में काम करता है। अनुवादन के राइबोसोमी तथा अंतरण RNA और विच्छेदन-काय के लघु केंद्रकीय RNA (snRNA) के आगे, किसी सुकेंद्रकी कोशिका में ये होते हैं: माइक्रो RNA (miRNA), $21\text{ से }23$ न्यूक्लियोटाइड के, जो कोशिका के अपने अनुलेखों की हेयरपिनों से काटे जाते हैं और आंशिक रूप से पूरक संदेशवाहकों के दमन का मार्गदर्शन करते हैं; लघु व्यवधानी RNA (siRNA), उतने ही लंबे, जो लंबे द्विलड़ी RNA से काटे जाते हैं और पूर्णतः मेल खाते लक्ष्यों के विदलन का मार्गदर्शन करते हैं; Piwi-अन्योन्यकारी RNA (piRNA), $26\text{ से }31$ न्यूक्लियोटाइड के, जो जनन-वंश में ट्रांसपोज़ॉनों के विरुद्ध सक्रिय हैं; लघु केंद्रिकीय RNA, जो rRNA के रूपांतरण का मार्गदर्शन करते हैं; और दीर्घ अकूटलेखी RNA (lncRNA), $200\,\mathrm{nt}$ से लंबे ऐसे अनुलेख जिनमें कोई उल्लेखनीय खुला वाचन-ढाँचा नहीं, जिनमें अध्याय 1 का Xist सबसे अच्छी तरह समझा गया है। प्रोटीन-कूटलेखी बहिर्वेशन मानव जीनोम का लगभग $1.5\,\%$ हैं; शेष का बड़ा अंश किसी न किसी समय किसी न किसी कोशिका में अनुलेखित होता है, पर उस अनुलेखन का कितना भाग प्रकार्यात्मक है, यह खुला प्रश्न है।

टिप्पणी 2.2 (बहुतायत प्रकार्य नहीं है)

कोई अनुलेख इसलिए भी पकड़ा जा सकता है कि पॉलीमरेज़ रिसती है, इसलिए नहीं कि RNA कुछ करता है; अधिकांश lncRNA प्रति कोशिका एक प्रति से भी कम मात्रा में हैं, कम संरक्षित हैं, और हटा देने पर अनावश्यक सिद्ध होते हैं। प्रकार्य की कसौटी आनुवंशिक है: जब RNA हटे, न कि केवल उसका DNA, तब कोई लक्षण-प्ररूप दिखे। Xist, miRNA और piRNA इसे निर्णायक रूप से पार करते हैं; अब तक टिप्पणीकृत हज़ारों lncRNA में से कुछ सौ ने ही ऐसा किया है।

2.2 RNA व्यवधान और माइक्रो RNA

परिभाषा 2.3 (RNA व्यवधान)

RNA व्यवधान (RNAi) द्विलड़ी RNA से बने किसी छोटे RNA द्वारा किसी जीन का अनुक्रम-विशिष्ट मौनीकरण है। एंज़ाइम डाइसर, एक RNase III, लंबे द्विलड़ी RNA को $21\text{ से }23$ -न्यूक्लियोटाइड के ऐसे युग्मकों में काटती है जिनके 3 $'$ सिरों पर दो-न्यूक्लियोटाइड के अधिलंब हैं; हर युग्मक की एक लड़ी, मार्गदर्शक, किसी आर्गोनॉट प्रोटीन में भरी जाती है और RNA-प्रेरित मौनीकरण संकुल (RISC) बनता है। मार्गदर्शक किसी पूरक लक्ष्य RNA से युग्मित होता है, और आर्गोनॉट का एंडोन्यूक्लिएज़ प्रांत लक्ष्य को मार्गदर्शक के न्यूक्लियोटाइड 10 तथा 11 के सामने काट देता है; कटा RNA फिर अपघटित होता है और RISC मुक्त होकर कोई दूसरा ढूँढ़ता है। पौधों, कृमियों और कवकों में एक RNA-निर्भर RNA पॉलीमरेज़ लक्ष्य की नकल करके नया द्विलड़ी RNA बनाती है, जिससे संकेत प्रवर्धित होकर फैलता है; स्तनधारियों में यह चरण नहीं है।

प्रमाण-सामग्री. नेपोली, लेमीयू और योर्गेनसन (1990) ने फूल का रंग गाढ़ा करने के लिए पिटूनिया में चैल्कोन सिंथेज़ का एक अतिरिक्त जीन डाला; $42\,\%$ रूपांतरित पौधे सफ़ेद या चितकबरे निकले, जिनमें पारजीन और अंतर्जात जीन दोनों मौन थे — “सह-दमन”। गुओ और केम्फ़्यूस (1995) ने पाया कि किसी C. elegans जीन के विरुद्ध प्रतिसंवेदी RNA ने उसे मौन किया, पर संवेदी नियंत्रण ने भी वही किया। फ़ायर, मेलो और सहयोगियों (1998) ने विरोधाभास सुलझाया: उनकी एकल-लड़ी तैयारियाँ द्विलड़ियों से दूषित थीं, और unc-22 का शुद्ध द्विलड़ी RNA किसी कृमि में अंतःक्षेपित करने पर प्रति कोशिका कुछ ही अणुओं की सांद्रता पर unc-22 का फड़कने वाला लक्षण-प्ररूप दे देता था, जबकि शुद्ध संवेदी या प्रतिसंवेदी RNA से लगभग कुछ नहीं होता था; मौनीकरण अंतःक्षेपण-स्थल से दूर के ऊतकों में और संतति में भी पहुँचा। हैमिल्टन और बॉलकोम (1999) ने मौन किए गए पौधों में $25\,\mathrm{nt}$ के RNA पकड़े, और ज़ामोर तथा सहयोगियों (2000) ने किसी मक्खी के निष्कर्ष में दिखाया कि द्विलड़ी RNA उन्हीं में कटता है और लक्ष्य $21\,\mathrm{nt}$ के अंतरालों पर विदलित होता है। ∎

बाएँ: अतिरिक्त वर्णक-जीन ढोते पिटूनिया, जिन पर सह-दमन के सफ़ेद खंड हैं। दाएँ: सूत्रकृमि Caenorhabditis elegans, लगभग एक मिलीमीटर लंबा और पारदर्शी, जिसमें अंतःक्षेपित द्विलड़ी RNA ने पूरे प्राणी में और उसकी संतति में मेल खाता जीन मौन कर दिया। — बाएँ: अतिरिक्त वर्णक-जीन ढोते पिटूनिया, जिन पर सह-दमन के सफ़ेद खंड हैं। दाएँ: सूत्रकृमि *Caenorhabditis elegans*, लगभग एक मिलीमीटर लंबा और पारदर्शी, जिसमें अंतःक्षेपित द्विलड़ी RNA ने पूरे प्राणी में और उसकी संतति में मेल खाता जीन मौन कर दिया।

परिभाषा 2.4 (माइक्रो RNA)

कोई माइक्रो RNA जीनोम में कूटबद्ध होता है — अपने ही जीन में या किसी प्रोटीन-कूटलेखी जीन के अंतर्वेशन में — और RNA पॉलीमरेज़ II द्वारा एक लंबे प्राथमिक अनुलेख (pri-miRNA) के रूप में अनुलेखित होता है, जिसमें लगभग $70\,\mathrm{nt}$ की एक हेयरपिन होती है। केंद्रक में RNase III ड्रोशा अपने साथी DGCR8 के साथ हेयरपिन को काटकर निकालती है (pre-miRNA); एक्सपोर्टिन-5 उसे कोशिकाद्रव्य तक ले जाता है, जहाँ डाइसर फंदा हटा देती है और $22\,\mathrm{nt}$ का युग्मक बचता है। एक लड़ी आर्गोनॉट में भरी जाती है। परिपक्व miRNA अपने लक्ष्य मुख्यतः अपने बीज से पहचानता है, यानी न्यूक्लियोटाइड 2 से 8 से, जो प्रायः किसी संदेशवाहक के 3 $'$ अननुवादित क्षेत्र के स्थलों से युग्मित होते हैं; miRNA का शेष भाग अपूर्ण रूप से युग्मित होता है, इसलिए लक्ष्य विदलित नहीं होता बल्कि दमित होता है: RISC ऐसे प्रोटीन बुलाता है जो पॉली(A) पुच्छ छोटी करते हैं, टोपी हटाते हैं और अनुवादन रोकते हैं, और संदेशवाहक तेज़ी से अपघटित होता है। चूँकि कोई बीज केवल सात न्यूक्लियोटाइड का है, एक ही miRNA के सैकड़ों लक्ष्य होते हैं, और आधे से अधिक मानव प्रोटीन-कूटलेखी जीनों पर कुछ सौ विश्वसनीय रूप से पहचाने गए मानव miRNA में से कम-से-कम एक के लिए संरक्षित स्थल हैं।

प्रमाण-सामग्री. lin-4, वह जीन जो कृमि को पहली डिंभ अवस्था से दूसरी तक बढ़ने के लिए चाहिए, ली, फ़ाइनबॉम और ऐम्ब्रोस (1993) को ऐसा मिला जो किसी प्रोटीन का नहीं बल्कि $22\,\mathrm{nt}$ के एक RNA का कूटलेखन करता है, जो lin-14 के संदेशवाहक के 3 $'$ अननुवादित क्षेत्र के सात स्थलों का पूरक है — वही जीन जिसे वह दमित करता जाना जाता था। जैसे ही डिंभ दूसरी अवस्था में प्रवेश करता है, LIN-14 प्रोटीन लुप्त हो जाता है जबकि उसका mRNA बना रहता है: दमन अनुलेखनोत्तर है। राइनहार्ट और सहयोगियों (2000) ने ऐसा ही एक दूसरा RNA, let-7, पाया, जो बाद की डिंभ-संक्रांतियों को नियंत्रित करता है; पास्क्वीनेली (2000) ने let-7 को मक्खियों और मनुष्यों में उसी अनुक्रम के साथ पाया, जिसने किसी कृमि की विचित्रता को एक सामान्य क्रियाविधि बना दिया। ∎

किसी माइक्रो RNA का जीवसंश्लेषण। हेयरपिन को केंद्रक में ड्रोशा प्राथमिक अनुलेख से काटकर निकालती है, वह निर्यात होती है, डाइसर उसे छाँटकर 22\, nt का युग्मक बनाती है, और एक लड़ी आर्गोनॉट में भरी जाती है। बीज किसी संदेशवाहक के 3' अननुवादित क्षेत्र के स्थल से युग्मित होता है और संदेशवाहक अपऐडीनिलित, अपघटित और कम अनुवादित होता है। — किसी माइक्रो RNA का जीवसंश्लेषण। हेयरपिन को केंद्रक में ड्रोशा प्राथमिक अनुलेख से काटकर निकालती है, वह निर्यात होती है, डाइसर उसे छाँटकर $22\,\mathrm{nt}$ का युग्मक बनाती है, और एक लड़ी आर्गोनॉट में भरी जाती है। बीज किसी संदेशवाहक के 3 $'$ अननुवादित क्षेत्र के स्थल से युग्मित होता है और संदेशवाहक अपऐडीनिलित, अपघटित और कम अनुवादित होता है।

प्रमेय 2.5 (कोई माइक्रो RNA किसी संदेशवाहक के स्तर और गति के साथ क्या करता है)

कोई संदेशवाहक अचर दर $k$ से संश्लेषित होता है और प्रथम-कोटि दर $\gamma$ से अपघटित; स्तर $R$ पर उपस्थित कोई माइक्रो RNA एक क्षय-पद $\gamma' R\, m$ जोड़ देता है। तब mRNA स्तर $m(t)$ इसका पालन करता है

\frac{\mathrm{d}m}{\mathrm{d}t} = k - (\gamma + \gamma' R)\, m, \qquad m^{*} = \frac{k}{\gamma + \gamma' R}, \qquad m(t) = m^{*} + (m_{0} - m^{*})\,e^{-(\gamma + \gamma' R)t}.

माइक्रो RNA स्थायी अवस्था को $1 + \gamma' R/ \gamma$ गुणक से घटाता है और $m$ में हर बदलाव का काल-नियतांक उसी गुणक से $1/\gamma$ से घटाकर $1/(\gamma + \gamma' R)$ कर देता है। इसलिए माइक्रो-RNA-नियंत्रित कोई जीन अधिक शांत भी है और अधिक तेज़ भी: अपने प्रवर्तक के बदलने के बाद वह नई स्थायी अवस्था तक जल्दी पहुँचता है, और उसके अनुलेखन के उतार-चढ़ाव दब जाते हैं।

उपपत्ति. समीकरण अचर गुणांकों वाला रैखिक समीकरण है; उसका स्थिर बिंदु वहाँ $m^{*}$ है जहाँ दायाँ पक्ष लुप्त होता है, और $u = m - m^{*}$ लिखने पर $\mathrm{d}u/\mathrm{d}t = -(\gamma + \gamma' R)\,u$ मिलता है, जिससे चरघातांकी रूप आता है। पहुँच का अर्ध-काल $\ln 2/(\gamma + \gamma' R)$ है, और $\gamma = \ln 2 / t_{1/2}$ , जहाँ $t_{1/2}$ संदेशवाहक का प्राकृतिक अर्ध-आयु काल है। ∎

उदाहरण 2.6 (चार गुना दमन)

$30\,\mathrm{min}$ के प्राकृतिक अर्ध-आयु काल वाला कोई संदेशवाहक ( $\gamma = 0.023\,\mathrm{min}^{-1}$ ), जो $k = 2$ अणु प्रति मिनट की दर से अनुलेखित होता है, $m^{*} = 2/0.023 \approx 87$ प्रतियाँ प्रति कोशिका पर बैठता है और अपने प्रवर्तक के बदलने के बाद किसी नए स्तर तक आधा रास्ता तय करने में $30\,\mathrm{min}$ लेता है। जो माइक्रो RNA उसकी क्षय-दर तिगुनी कर देता है ( $\gamma' R = 3\gamma$ ) वह उसे $22$ प्रतियों तक ले आता है और अर्ध-काल घटाकर $7.5\,\mathrm{min}$ कर देता है। यही संख्याएँ उलटी पढ़ें तो दिखाती हैं कि miRNA निष्क्रियणों के लक्षण-प्ररूप प्रायः हल्के क्यों होते हैं: किसी ऐसे संदेशवाहक में चार गुना बदलाव जो आगे स्वयं प्रतिरोधित है, जीव को लगभग सामान्य छोड़ सकता है, और प्रभाव तनाव में या समय-नियोजन में दिखता है।

उदाहरण 2.6 की संख्याओं के साथ, अपने प्रवर्तक के चालू होने के बाद किसी संदेशवाहक का उठान। माइक्रो RNA पठार को चार गुना नीचे लाता है और उस तक चार गुना जल्दी पहुँचता है।

विधि 2.7 (RNAi से किसी जीन को दबाना)

किसी जीन को उसके DNA को छुए बिना मौन करने के लिए: (1) उसके संदेशवाहक के लिए अनन्य कोई $21\,\mathrm{nt}$ अनुक्रम चुनिए, दूसरे जीनों से बीज-मेल से बचते हुए; (2) उसे संश्लेषित siRNA युग्मक के रूप में (क्षणिक, कुछ दिन) या किसी संवाहक से अभिव्यक्त लघु हेयरपिन RNA (shRNA) के रूप में पहुँचाइए, जिसे डाइसर लगातार संसाधित करती है; कृमियों में प्राणियों को द्विलड़ी RNA अभिव्यक्त करते जीवाणु खिलाइए; (3) संदेशवाहक को मात्रात्मक PCR से और प्रोटीन को प्रतिरक्षा-ब्लॉट से मापिए, और किसी निष्क्रियण की पूर्ण अनुपस्थिति के बजाय $70\text{ से }95\,\%$ ह्रास की अपेक्षा रखिए; (4) लक्ष्येतर प्रभावों के लिए दूसरे, अनतिव्यापी siRNA से और जीन के किसी RNAi-प्रतिरोधी रूप से पुनरुद्धार करके नियंत्रण रखिए। अवदमन प्रकार्य का आंशिक, उत्क्रमणीय ह्रास है; इस सिद्धांत पर अब तक स्वीकृत जीन-चिकित्साएँ यकृत के संदेशवाहकों (ट्रांसथाइरेटिन, PCSK9) के विरुद्ध siRNA को ऐसी शर्करा से जोड़कर पहुँचाती हैं जिसे यकृत-कोशिका ग्रहण कर लेती है।

2.3 जीनोम की रक्षा करने वाले छोटे RNA

परिभाषा 2.8 (piRNA और ट्रांसपोज़ॉन मौनीकरण)

piRNA $26\text{ से }31$ -न्यूक्लियोटाइड के ऐसे RNA हैं जो डाइसर के बिना, जीनोमी piRNA गुच्छों — दोषपूर्ण ट्रांसपोज़ॉन प्रतियों के कब्रिस्तानों — के लंबे एकलड़ी अनुलेखों से बनते हैं और जनन-वंश में आर्गोनॉट प्रोटीनों के PIWI उपकुल में भरे जाते हैं। किसी ट्रांसपोज़ॉन का प्रतिसंवेदी piRNA उस ट्रांसपोज़ॉन के अनुलेखों के विदलन का मार्गदर्शन करता है; कटा खंड नया संवेदी piRNA बन जाता है, जो बदले में गुच्छा-अनुलेखों को काटकर और प्रतिसंवेदी piRNA बनाता है — यही पिंग-पॉन्ग चक्र है, एक ऐसा प्रवर्धन जो उसी ट्रांसपोज़ॉन को निशाना बनाता है जो इस समय सक्रिय हो। केंद्रकीय PIWI प्रोटीन ट्रांसपोज़ॉन की जीनोमी प्रतियों पर H3K9 मेथिलीकरण और DNA मेथिलीकरण भी निर्देशित करते हैं, जिससे RNA अध्याय 1 के क्रोमैटिन चिह्नों से जुड़ जाता है। कोई माता अपने piRNA अंडाणु में जमा करती है; जिस मादा के वंशक्रम ने कभी कोई ट्रांसपोज़ॉन नहीं देखा उसके पास उसके विरुद्ध कोई piRNA नहीं होता, और उसे ढोने वाले किसी नर से उसकी संतति बंध्य होती है — संकर दुर्जननता, जो सबसे पहले प्रयोगशाला और वन्य प्रजातियों के बीच Drosophila संकरणों में देखी गई।

प्रतिज्ञप्ति 2.9 (RNA-निर्देशित क्रोमैटिन मौनीकरण)

पौधों में एक समर्पित पथ — RNA पॉलीमरेज़ IV किसी स्थल का अनुलेखन करती है, कोई RNA-निर्भर RNA पॉलीमरेज़ उसे द्विलड़ी बनाती है, कोई डाइसर $24\,\mathrm{nt}$ के siRNA काटती है, आर्गोनॉट 4 उन्हें उसी स्थल पर पॉलीमरेज़ V के नवजात अनुलेखों तक वापस ले जाता है और मेथिलट्रांसफ़रेज़ DRM2 को बुलाता है — ट्रांसपोज़ॉनों और पुनरावर्ती अनुक्रमों के DNA का मेथिलीकरण करता है; यही परा-उत्परिवर्तन की क्रियाविधि है। विखंडन खमीर में गुणसूत्रबिंदु की पुनरावृत्तियों से बने siRNA H3K9 मेथिलट्रांसफ़रेज़ को बुलाते हैं और वह विषमक्रोमैटिन बनाते हैं जो गुणसूत्रबिंदु को चाहिए। दोनों स्थितियों में कोई RNA पूरकता से जीनोम में अपनी जगह ढूँढ़ता है और वहाँ कोई क्रोमैटिन चिह्न लिखा जाता है: अनुक्रम-विशिष्ट, स्वयं-सुदृढ़, और विभाजनों के पार वंशागत।

2.4 किसी संदेशवाहक का जीवन

परिभाषा 2.10 (नियमित विच्छेदन)

वैकल्पिक विच्छेदन एक ही जीन से भिन्न संदेशवाहक बनाता है — बहिर्वेशन लोप से, परस्पर अपवर्जी बहिर्वेशनों के बीच चुनाव से, किसी अंतर्वेशन को रोक रखने से, या वैकल्पिक 5 $'$ अथवा 3 $'$ विच्छेदन स्थलों के उपयोग से। इसका नियमन वे RNA-बंधक प्रोटीन करते हैं जो किसी विच्छेदन स्थल के पास बहिर्वेशनों और अंतर्वेशनों के अनुक्रम-अवयवों से बँधते हैं: बहिर्वेशनी संवर्धकों से बँधे SR प्रोटीन विच्छेदन-काय को बुलाते हैं और बहिर्वेशन के समावेश को बढ़ावा देते हैं, मौनकों से बँधे hnRNP प्रोटीन उसे रोकते हैं, और किसी दी हुई कोशिका में परिणाम दोनों प्रकारों की सापेक्ष मात्रा से तय होता है। मानव बहु-बहिर्वेशनी जीनों में से $90\,\%$ से अधिक का वैकल्पिक विच्छेदन होता है; Drosophila का Dscam जीन, जिसमें परस्पर अपवर्जी बहिर्वेशनों के चार खंड हैं (12, 48, 33 और 2 विकल्प), $38\,016$ भिन्न प्रोटीन बना सकता है, और हर तंत्रिका-कोशिका एक भिन्न समुच्चय अभिव्यक्त करती है जिससे उसकी शाखाएँ एक-दूसरे को पहचानकर बच सकें।

प्रमाण-सामग्री. किसी फल-मक्खी का लिंग एक विच्छेदन-प्रपात तय करता है। मादाओं में Sex-lethal (Sxl) जीन एक प्रकार्यशील प्रोटीन बनाता है; SXL एक RNA-बंधक प्रोटीन है जो अपने ही अनुलेख में एक विच्छेदन स्थल रोकता है (जिससे विराम-कूटक वाला बहिर्वेशन छूट जाता है और प्रोटीन बनता रहता है) और transformer के अनुलेख में भी, जिससे मादा विच्छेदन बाध्य होता है; फिर TRA, TRA-2 के साथ, doublesex अनुलेख के किसी बहिर्वेशनी संवर्धक से बँधता है और DSX अनुलेखन-कारक का मादा रूप निर्देशित करता है। नरों में, जहाँ SXL नहीं होता, इनमें से हर अनुलेख चूक-विच्छेदन लेता है, transformer में एक विराम-कूटक आ जाता है, और DSX नर रूप में निकलता है। मक्खी का हर लैंगिक द्विरूपी लक्षण इसी से निकलता है कि कौन-सा DSX बना; जिस मादा में tra उत्परिवर्तित है वह नर के रूप में विकसित होती है। ∎

परिभाषा 2.11 (mRNA स्थायित्व और स्थानिकीकरण)

किसी संदेशवाहक का अर्ध-आयु काल मिनटों से दिनों तक होता है और उसके 3 $'$ अननुवादित क्षेत्र के अवयव उसे तय करते हैं। साइटोकाइनों, वृद्धि कारकों और आद्य-कर्कट जीनों के संदेशवाहकों में AU-समृद्ध अवयवों (AUUUA पुनरावृत्तियों) से ऐसे प्रोटीन बँधते हैं जो अपऐडीनिलेज़ बुलाते हैं और $10\text{ से }30\,\mathrm{min}$ का अर्ध-आयु काल देते हैं, ताकि अनुलेखन का एक स्फुरण प्रोटीन का एक स्फुरण दे और उससे अधिक कुछ नहीं; उन्हें हटाने वाले उत्परिवर्तन अति-अभिव्यक्ति और, कुछ आद्य-कर्कट जीनों के लिए, कर्कट पैदा करते हैं। स्थानिकीकरण अवयव, प्रायः संरचित, ऐसे संयोजकों से बँधते हैं जो संदेशवाहक को किसी मोटर से जोड़ देते हैं: bicoid और oskar संदेशवाहक सूक्ष्मनलिकाओं पर डाइनीन और काइनेसिन से मक्खी के अंडे के दोनों ध्रुवों तक ले जाए जाते हैं, $\beta$ -ऐक्टिन संदेशवाहक किसी तंतुकोरक के अग्रणी किनारे तक, और सूत्रयुग्मी प्रोटीनों के संदेशवाहक द्रुमिकाओं में, जहाँ माँग पर उनका अनुवादन होता है। लौह-अनुक्रियक अवयव (IRE), एक दंड–फंदा जिससे लोहा दुर्लभ होने पर लौह-नियामक प्रोटीन IRP1 और IRP2 बँधते हैं, दो स्थानों से दो उलटे काम करता है: फ़ेरिटिन संदेशवाहक के 5 $'$ अननुवादित क्षेत्र में बँधा IRP राइबोसोम को रोकता है; ट्रांसफ़ेरिन ग्राही के संदेशवाहक के 3 $'$ अननुवादित क्षेत्र में बँधा IRP अनुलेख को किसी न्यूक्लिएज़ से बचाता है।

उदाहरण 2.12 (लोहा, एक ही हेयरपिन से पढ़ा गया)

लोहा कम हो तो IRP दोनों संदेशवाहकों से बँधता है: भंडारण-प्रोटीन फ़ेरिटिन का अनुवादन नहीं होता, और लोहा आयात करने वाला ट्रांसफ़ेरिन ग्राही स्थिर तथा प्रचुर रहता है — कोशिका कम भंडारण करती है और अधिक आयात। लोहा अधिक हो तो वह IRP1 को ऐकोनिटेज़ में बदल देता है (वह एक लौह–गंधक गुच्छ ले लेता है और अपनी RNA-आसक्ति खो देता है) और IRP2 का अपघटन चालू कर देता है: फ़ेरिटिन का अनुवादन होता है, ग्राही का संदेशवाहक मिनटों में क्षय हो जाता है, और कोशिका अधिक भंडारण करती है तथा कम आयात। अनुलेखन में कोई बदलाव नहीं चाहिए। फ़ेरिटिन IRE में ऐसा बिंदु उत्परिवर्तन जो IRP का बंधन रोक दे, अनवरत फ़ेरिटिन संश्लेषण और वंशागत अतिफ़ेरिटिनरक्तता–मोतियाबिंद संलक्षण पैदा करता है।

लौह-अनुक्रियक अवयव। लोहा कम हो तो लौह-नियामक प्रोटीन IRE हेयरपिनों से बँधता है: फ़ेरिटिन संदेशवाहक के 5' सिरे पर वह अनुवादन रोकता है, ट्रांसफ़ेरिन ग्राही के संदेशवाहक के 3' सिरे पर वह किसी न्यूक्लिएज़ को रोकता है। लोहा अधिक हो तो प्रोटीन दोनों को छोड़ देता है: फ़ेरिटिन बनता है, ग्राही का संदेशवाहक क्षय हो जाता है। — लौह-अनुक्रियक अवयव। लोहा कम हो तो लौह-नियामक प्रोटीन IRE हेयरपिनों से बँधता है: फ़ेरिटिन संदेशवाहक के 5 $'$ सिरे पर वह अनुवादन रोकता है, ट्रांसफ़ेरिन ग्राही के संदेशवाहक के 3 $'$ सिरे पर वह किसी न्यूक्लिएज़ को रोकता है। लोहा अधिक हो तो प्रोटीन दोनों को छोड़ देता है: फ़ेरिटिन बनता है, ग्राही का संदेशवाहक क्षय हो जाता है।

प्रतिज्ञप्ति 2.13 (अनुवादनी नियंत्रण)

अनुवादन के नियंत्रण का सामान्य बिंदु आरंभन चरण है। अमीनो-अम्ल की भुखमरी, अवलित प्रोटीनों, विषाणुजन्य द्विलड़ी RNA या हीम की कमी को भाँपने वाली काइनेज़ों द्वारा आरंभन-कारक eIF2 का फ़ॉस्फ़ोरिलन मिनटों में सामान्य आरंभन बंद कर देता है, पर कुछ विशेष लक्षणों वाले संदेशवाहकों को छोड़ देता है — विशेषकर उन्हें जिनमें ऊर्ध्वप्रवाही खुले वाचन-ढाँचे हैं, यानी 5 $'$ अननुवादित क्षेत्र में ऐसे छोटे वाचन-ढाँचे जो सामान्यतः राइबोसोमों को फँसा लेते हैं और जो तनाव में लाँघ दिए जाते हैं, ताकि तनाव-अनुक्रिया कारक (खमीर में GCN4, स्तनधारियों में ATF4) ठीक तभी बनें जब और सब कुछ न बन रहा हो। टोपी-बंधक कारक eIF4E को 4E-बंधक प्रोटीन तब तक निष्क्रिय रखते हैं जब तक वृद्धि-संकेतक काइनेज़ mTOR उनका फ़ॉस्फ़ोरिलन न कर दे: कोई कोशिका पूरी दर से अनुवादन तभी करती है जब पोषक और वृद्धि कारक ऐसा कहें। जीवाणुओं में राइबोस्विच यह बिना किसी प्रोटीन के करते हैं: कोई संरचित 5 $'$ क्षेत्र किसी उपापचयज (थायमिन पाइरोफ़ॉस्फ़ेट, S-ऐडिनोसिल मेथिओनीन, कोई प्यूरीन) से बँधता है और बँधते ही फिर से वलित होकर राइबोसोम-बंधक स्थल ढक देता है या कोई अनुलेखन-समापक बना देता है, जिससे कोई जैवसंश्लेषी प्रकार्यगुच्छ अपना उत्पाद प्रचुर होने पर बंद हो जाता है।

काम पर कोई दीर्घ अकूटलेखी RNA: प्रतिदीप्त संकरण से पकड़ा गया Xist अनुलेख (लाल) किसी मादा केंद्रक में एक X गुणसूत्र का क्षेत्र ढक लेता है (DNA नीले में)। — काम पर कोई दीर्घ अकूटलेखी RNA: प्रतिदीप्त संकरण से पकड़ा गया *Xist* अनुलेख (लाल) किसी मादा केंद्रक में एक X गुणसूत्र का क्षेत्र ढक लेता है (DNA नीले में)।

टिप्पणी 2.14 (अनुलेखनोत्तर नियंत्रण से क्या मिलता है)

अनुलेखनी नियंत्रण केंद्रक के रास्ते चलता है, और नया संदेशवाहक बनने, निर्यात होने तथा अनुवादित होने में मिनटों से घंटों की देरी लगती है। स्वयं संदेशवाहक का नियंत्रण वहीं चलता है जहाँ प्रोटीन चाहिए, सेकंडों से मिनटों में, और स्थानिक हो सकता है: कोई अकेली द्रुमिका किसी एक सूत्रयुग्म पर एक संदेशवाहक का अनुवादन करती हुई, कोई तंतुकोरक जहाँ रेंगता है वहीं ऐक्टिन बनाता हुआ। वह एक जीन से अनेक प्रोटीन भी बनाता है, और एक ही संकेत को — लोहा, कोई अमीनो अम्ल, कोई माइक्रो RNA — बिना किसी एक प्रवर्तक को छुए सैकड़ों संदेशवाहकों का समन्वय करने देता है।

2.5 अभ्यास

अभ्यास 2.1 ★

miRNA, siRNA और piRNA में उद्गम, लंबाई, डाइसर-निर्भरता और अपने लक्ष्यों के साथ वे क्या करते हैं, इनके आधार पर भेद कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 2.1.

miRNA: जीनोम में हेयरपिन के रूप में कूटबद्ध, $22\,\mathrm{nt}$ , पहले ड्रोशा फिर डाइसर से कटा, अपने बीज से अपूर्ण युग्मन करता है और अनेक संदेशवाहकों के अनुवादन तथा स्थायित्व को दमित करता है। siRNA: लंबे द्विलड़ी RNA से (विषाणुजन्य, पारजीनी, प्रायोगिक), $21\,\mathrm{nt}$ , डाइसर-निर्भर, पूर्ण युग्मन करता है और आर्गोनॉट को लक्ष्य विदलित करने का निर्देश देता है। piRNA: piRNA गुच्छों के एकलड़ी अनुलेखों से, $26\text{ से }31\,\mathrm{nt}$ , डाइसर-निरपेक्ष, जनन-वंश में PIWI प्रोटीनों पर भरा जाता है, ट्रांसपोज़ॉन अनुलेखों को विदलित करता है (पिंग-पॉन्ग) और ट्रांसपोज़ॉन DNA के क्रोमैटिन मौनीकरण का निर्देश देता है।

अभ्यास 2.2 ★

किसी माइक्रो RNA का जीवसंश्लेषण उसके जीन से लेकर किसी दमित संदेशवाहक तक खोजिए, और हर कटाई पर एंज़ाइम का नाम दीजिए।

हल

हल — अभ्यास 2.2.

Pol II pri-miRNA का अनुलेखन करती है; ड्रोशा (DGCR8 के साथ) केंद्रक में हेयरपिन काटकर निकालती है; एक्सपोर्टिन-5 pre-miRNA का निर्यात करता है; डाइसर फंदा काट देती है और $22\,\mathrm{nt}$ का युग्मक बचता है; एक लड़ी आर्गोनॉट में भरी जाती है; बीज (न्यूक्लियोटाइड 2–8) किसी 3 $'$ UTR स्थल से युग्मित होता है; आर्गोनॉट अपऐडीनिलेज़ तथा विटोपन तंत्र बुलाता है और आरंभन रोकता है — संदेशवाहक कम अनुवादित होता है और तेज़ी से क्षय होता है।

अभ्यास 2.3 ★

आरंभिक प्रयोगों में कृमियों में unc-22 का संवेदी RNA अंतःक्षेपित करने पर जीन क्यों मौन हुआ, और फ़ायर तथा मेलो ने क्या बदला?

हल

हल — अभ्यास 2.3.

किसी फ़ेज पॉलीमरेज़ से पात्रे बने RNA में द्विलड़ी दूषक थे (पॉलीमरेज़ साँचे की दूसरी लड़ी की भी नकल करती है और सिरों से आगे निकल जाती है), इसलिए “संवेदी” तैयारियाँ असली उत्प्रेरक ढो रही थीं। फ़ायर और मेलो ने हर लड़ी शुद्ध की, दिखाया कि अकेली किसी से बहुत कम होता है, फिर उन्हें जानबूझकर तापानुशीतित किया: द्विलड़ी RNA कम-से-कम सौ गुना अधिक प्रबल था, और प्रति कोशिका कुछ ही अणु पर्याप्त थे।

अभ्यास 2.4 ★

जब किसी कोशिका को लोहे की भुखमरी दी जाए तो फ़ेरिटिन और ट्रांसफ़ेरिन ग्राही के साथ क्या होता है? हर स्थिति में अभिव्यक्ति के किस चरण का नियंत्रण होता है?

हल

हल — अभ्यास 2.4.

लौह-भुखमरी में: IRP, IRE से बँधता है। फ़ेरिटिन: अनुवादन का आरंभन रुक जाता है, कोई भंडारण-प्रोटीन नहीं बनता (अनुवादन का नियंत्रण)। ट्रांसफ़ेरिन ग्राही: संदेशवाहक अपनी न्यूक्लिएज़ से सुरक्षित होकर जमा होता है, इसलिए अधिक ग्राही बनते हैं और अधिक लोहा आयात होता है (संदेशवाहक के स्थायित्व का नियंत्रण)।

अभ्यास 2.5 ★★

किसी संदेशवाहक का अर्ध-आयु काल $2\,\mathrm{h}$ है और वह $5$ अणु प्रति मिनट की दर से बनता है। उसका स्थायी-अवस्था स्तर निकालिए, फिर वह स्तर और अर्ध-काल जब कोई माइक्रो RNA उसकी क्षय-दर दोगुनी कर दे।

हल

हल — अभ्यास 2.5.

$\gamma = \ln 2/120\,\mathrm{min} = 0.0058\,\mathrm{min}^{-1}$ ; $m^{*} = 5/0.0058 \approx 870$ अणु। क्षय दोगुना: $m^{*} \approx 430$ , अर्ध-काल $120\,\mathrm{min}/2 = 60\,\mathrm{min}$ ।

अभ्यास 2.6 ★★

सात न्यूक्लियोटाइड का कोई बीज किसी यादृच्छिक अनुक्रम से प्रायिकता $4^{-7}$ से मेल खाता है। औसतन $1000\,\mathrm{nt}$ के 3 $'$ अननुवादित क्षेत्रों वाले $20\,000$ संदेशवाहकों के समुच्चय में एक माइक्रो RNA बीज संयोग से कितने स्थलों से मेल खाएगा? तब किसी वास्तविक लक्ष्य की पहचान क्या है?

हल

हल — अभ्यास 2.6.

कुल 3 $'$ UTR अनुक्रम $2\times 10^{7}$ nt; संयोगी मेल $2\times 10^{7}/4^{7} = 2\times 10^{7}/16\,384 \approx 1200$ स्थल। किसी वास्तविक लक्ष्य की पहचान जातियों के पार स्थल के संरक्षण से होती है, अनुकूल संदर्भ से (AU-समृद्ध पड़ोस, विराम-कूटक से दूर का स्थल, miRNA के 3 $'$ सिरे पर अतिरिक्त युग्मन), miRNA तथा लक्ष्य के एक ही कोशिका में सह-अभिव्यक्त होने से, और प्रयोग से: miRNA के होने पर संदेशवाहक गिरता है और स्थल उत्परिवर्तित होने पर नहीं गिरता।

अभ्यास 2.7 ★★

किसी मक्खी के लिंग का पूर्वानुमान कीजिए: (क) tra का प्रकार्य-ह्रास उत्परिवर्तन और दो X गुणसूत्र; (ख) किसी अनवरत पारजीन से TRA अभिव्यक्त करती, एक X के साथ; (ग) dsx पूरी तरह अनुपस्थित।

हल

हल — अभ्यास 2.7.

(क) XX, tra अकारक: SXL बनता है पर TRA नहीं, dsx चूक-विच्छेदन यानी नर विच्छेदन लेता है — कायिक रूप से नर (बंध्य)। (ख) अनवरत TRA वाला XY: TRA-2 दोनों लिंगों में है, इसलिए DSX मादा रूप में बनता है — कायिक रूप से मादा परिवर्धन (एक बंध्य “छद्म-मादा”, जिसका जनन-वंश दूसरे संकेतों का अनुसरण करता है)। (ग) dsx नहीं: DSX का कोई भी रूप नहीं, इसलिए अंतिम विभेदन का कोई भी कार्यक्रम थोपा नहीं जाता — मिश्रित या अधूरे लक्षणों वाला अंतर्लिंगी।

अभ्यास 2.8 ★★

किसी आद्य-कर्कट जीन के संदेशवाहक का अर्ध-आयु काल किसी AU-समृद्ध अवयव के कारण सामान्यतः $15\,\mathrm{min}$ है। कोई गुणसूत्री स्थानांतरण उस अवयव को हटा देता है और अर्ध-आयु काल $3\,\mathrm{h}$ हो जाता है। यदि अनुवादन और प्रोटीन-अपघटन अपरिवर्तित हों तो प्रोटीन का स्तर किस गुणक से बढ़ेगा? प्रोटीन सामान्य होते हुए भी यह कर्कटजनक क्यों है?

हल

हल — अभ्यास 2.8.

स्थायी अवस्था पर संदेशवाहक, और इसलिए प्रोटीन, संदेशवाहक के अर्ध-आयु काल के समानुपाती है: $180\,\mathrm{min}/15\,\mathrm{min} = 12$ गुना अधिक प्रोटीन। प्रोटीन एक सामान्य वृद्धि-संकेत है जिसे क्षणिक रहना चाहिए, हर उद्दीपन के बाद एक स्फुरण; बारह गुना और लगातार बनने पर वह बिना किसी उद्दीपन के प्रचुरोद्भवन चलाता है। उसे कर्कटजनक मात्रा और समय बनाते हैं, अनुक्रम नहीं।

अभ्यास 2.9 ★★

Drosophila की किसी प्रयोगशाला प्रजाति में P अवयव नहीं हैं; किसी वन्य प्रजाति में हैं। (क) प्रयोगशाला मादाएँ $\times$ वन्य नर, (ख) वन्य मादाएँ $\times$ प्रयोगशाला नर की संतति की उर्वरता का पूर्वानुमान कीजिए, और विषमता को piRNA से समझाइए।

हल

हल — अभ्यास 2.9.

(क) प्रयोगशाला माता, वन्य पिता: अंडों में P अवयवों के विरुद्ध कोई piRNA नहीं (माता के वंशक्रम ने उन्हें कभी नहीं देखा), पैतृक P अवयव संतति के जनन-वंश में स्वच्छंद स्थानांतरित होते हैं — बंध्य (दुर्जनन)। (ख) वन्य माता: उसके अंडों में P-अवयव piRNA हैं, जो संतति में अवयवों को मौन करते हैं — उर्वर। विषमता piRNA के मातृ जमाव से है, यानी RNA की वंशागति से, जीनों की नहीं।

अभ्यास 2.10 ★★★

प्रमेय 2.5 का उपयोग करते हुए तर्क दीजिए कि समान माध्य संदेशवाहक स्तर पर, जब संदेशवाहक माइक्रो RNA के नियंत्रण में हो, तब उससे बना प्रोटीन सापेक्ष रूप में कम उतार-चढ़ाव करता है। (प्रोटीन संदेशवाहक का अपने ही जीवन-काल पर औसत लेता है, और संदेशवाहक स्वयं को तेज़ी से नया करता है।) कोई कोशिका वही माध्य पाने के लिए किसी माइक्रो RNA और ऊँची अनुलेखन-दर का मूल्य क्यों चुकाए?

हल

हल — अभ्यास 2.10.

प्रोटीन अपने ही जीवन-काल $\tau_{p}$ पर अपने संदेशवाहक का समाकलन करता है। संदेशवाहक $\tau_{m} = 1/(\gamma + \gamma' R)$ जीते हैं; $\tau_{p}$ के दौरान प्रोटीन इसलिए लगभग $\tau_{p}/\tau_{m}$ स्वतंत्र संदेशवाहक जीवन-काल देखता है, जिनमें से हर एक कोई यादृच्छिक जन्म–मृत्यु घटना है। $N$ स्वतंत्र घटनाओं पर लिए गए औसत का सापेक्ष उतार-चढ़ाव $1/\sqrt{N}$ की तरह गिरता है, इसलिए माइक्रो RNA के नियंत्रण में छोटा $\tau_{m}$ — उसी माध्य संदेशवाहक पर, जिसके लिए समानुपाती रूप से ऊँचा $k$ चाहिए — अधिक चिकना प्रोटीन देता है। कोशिका माइक्रो RNA और अतिरिक्त अनुलेखन का मूल्य परिशुद्धि और गति खरीदने के लिए चुकाती है: तेज़ संश्लेषण और तेज़ क्षय के संतुलन से तय स्तर उसी स्तर की तुलना में कम कोलाहली और जल्दी पुनःसमायोजित होने वाला है जो धीमे संश्लेषण और धीमे क्षय से तय हो।

अभ्यास 2.11 ★★★

कृमियों में कोई RNA-निर्भर RNA पॉलीमरेज़ लक्ष्य संदेशवाहक से द्वितीयक siRNA बनाती है; स्तनधारियों में ऐसी कोई नहीं। हर एक के लिए पूर्वानुमान कीजिए कि द्विलड़ी RNA के एक ही अंतःक्षेपण से हुआ मौनीकरण अनेक कोशिका-विभाजनों तक चलता है या नहीं और वह दूसरे ऊतकों में फैलता है या नहीं, और siRNA औषधों के लिए इसका चिकित्सकीय परिणाम समझाइए।

हल

हल — अभ्यास 2.11.

कृमि: RNA-निर्भर RNA पॉलीमरेज़ स्वयं लक्ष्य संदेशवाहक से नए siRNA बनाती है, इसलिए जब तक लक्ष्य अनुलेखित होता रहे संकेत नया होता रहता है, विभाजनों के तनुकरण से बचता है और, कोशिकाओं के बीच द्विलड़ी-RNA वाहिका के साथ, दूसरे ऊतकों में तथा कुछ पीढ़ियों के लिए जनन-वंश में फैलता है। स्तनधारी: कोई प्रवर्धन नहीं, इसलिए siRNA हर विभाजन पर खपते और तनु होते हैं, केवल उन्हीं कोशिकाओं में काम करते हैं जिन्हें वे मिले, और विभाजनशील कोशिकाओं में दिनों में मिट जाते हैं। परिणाम: किसी siRNA औषध को हर लक्ष्य कोशिका में पहुँचाना पड़ता है, वह उन कोशिकाओं में सबसे अच्छा काम करती है जो विभाजित नहीं होतीं (यकृत-कोशिकाएँ, इसीलिए यकृत की औषधें), और उसे बार-बार देना पड़ता है।

अभ्यास 2.12 ★★★

हृदय में अभिव्यक्त होते किसी नए-टिप्पणीकृत lncRNA के लिए ऐसे प्रयोग अभिकल्पित कीजिए जो (क) किसी प्रकार्यात्मक RNA, (ख) ऐसे प्रकार्यात्मक अनुलेखन जिसका RNA अप्रासंगिक है, और (ग) कोलाहल में भेद कर सकें, और बताइए कि हर एक किस परिणाम का पूर्वानुमान करता है।

हल

हल — अभ्यास 2.12.

(क) प्रकार्यात्मक RNA: अनुलेख बन जाने के बाद उसे नष्ट करने से (siRNA, प्रतिसंवेदी ऑलिगोन्यूक्लियोटाइड) कोई लक्षण-प्ररूप मिलता है, और जीनोम में कहीं और से किसी पारजीन द्वारा RNA अभिव्यक्त करने पर वह ठीक हो जाता है। (ख) प्रकार्यात्मक अनुलेखन: कोई अगेती बहुऐडीनिलन संकेत डालकर अनुलेखन रोकने से (या प्रवर्तक हटाने से) लक्षण-प्ररूप मिलता है, जबकि RNA को अनुलेखनोत्तर नष्ट करने से नहीं मिलता, और कोई बाह्यस्थानी पारजीन उसे ठीक नहीं करता — अनुलेखन की क्रिया (या DNA अवयव) मायने रखती है, जैसा अनेक संवर्धक-सहचारी RNA के लिए है। (ग) कोलाहल: कोई भी हस्तक्षेप कुछ नहीं बदलता, RNA प्रति कोशिका एक प्रति से कम है, उसका अनुक्रम और अभिव्यक्ति संरक्षित नहीं हैं।

2.6 समस्या: किसी कृमि की घड़ी

समस्या 2.1

सप्तांत समस्या — कृमि का lin-4/lin-14 स्विच संदेशवाहक की गतिकी से समयबद्ध, कोई अंतःक्षेपित RNA किसी भ्रूण के विभाजनों से तनु होता और प्रवर्धन से बचाया जाता, लौह प्रकार्यगुच्छ का परिमाणन, और विच्छेदन की एक गणना, जिसका अंत दमन-गुणक, स्विच के अर्ध-काल और इस पर होता है कि बिना प्रवर्धन कोई संकेत कितने विभाजन जीता है

आँकड़े: lin-14 संदेशवाहक $k = 3$ अणु प्रति मिनट प्रति कोशिका की दर से बनता है और उसका अर्ध-आयु काल $40\,\mathrm{min}$ है। LIN-14 प्रोटीन $\beta = 2$ प्रति संदेशवाहक प्रति मिनट की दर से बनता है और उसका अर्ध-आयु काल $3\,\mathrm{h}$ है। दूसरी डिंभ अवस्था के आरंभ से lin-4 RNA जमा होता है और संदेशवाहक पर क्षय-पद $\gamma' R = 3\gamma$ जोड़ता है और, आरंभन रोककर, $\beta$ को आधा कर देता है। कोई कृमि-भ्रूण एक कोशिका से बढ़कर अंडे से निकलते समय लगभग $550$ कोशिकाओं का हो जाता है; किसी वयस्क में $959$ कायिक कोशिकाएँ होती हैं।

भाग I — संदेशवाहक।

$\gamma$ और lin-4 के प्रकट होने से पहले का स्थायी-अवस्था lin-14 संदेशवाहक स्तर निकालिए।
प्रोटीन की अपघटन-दर और स्थायी-अवस्था LIN-14 प्रोटीन स्तर निकालिए।
lin-4 के उपस्थित हो जाने पर नया संदेशवाहक स्तर और संदेशवाहक का नया काल-नियतांक निकालिए।
नई प्रोटीन स्थायी अवस्था, और प्रोटीन पर कुल दमन-गुणक निकालिए।
lin-4 के प्रकट होने के कितनी देर बाद संदेशवाहक अपने नए स्तर तक आधा रास्ता तय कर लेता है? और प्रोटीन — स्विच की गति कौन-सा चरण सीमित करता है?
मूल प्रयोगों में प्रोटीन लुप्त मिला जबकि mRNA अब भी पकड़ में आ रहा था। क्या यह आपकी संख्याओं से मेल खाता है? संदेशवाहक का कितना अंश बचा रहता है?

भाग II — तनुकरण और प्रवर्धन।

किसी कृमि के जननांग में द्विलड़ी RNA के $10^{6}$ अणु अंतःक्षेपित किए जाते हैं, जो $250$ अंडों में बराबर बँट जाते हैं। प्रति अंडा कितने अणु?
यदि अणु हर विभाजन पर बस बाँट दिए जाएँ, तो अंडे से निकलते $550$ -कोशिका वाले कृमि की हर कोशिका में कितने होंगे? और कितने विभाजनों के बाद औसत प्रति कोशिका एक से नीचे गिर जाएगा?
फ़ायर और मेलो ने प्रति कोशिका कुछ ही अणुओं पर पूरे प्राणी में और उसकी संतति में मौनीकरण देखा। बताइए कि कोई RNA-निर्भर RNA पॉलीमरेज़ इस विवरण में क्या जोड़ती है, और फिर भी प्रभाव कुछ पीढ़ियों के बाद क्यों मिट जाता है।
ऐसी कोई पॉलीमरेज़ न रखने वाली किसी स्तनधारी कोशिका में siRNA अभिवहन $5000$ युग्मक ऐसी कोशिका में डालता है जो रोज़ विभाजित होती है; RISC स्थिर है पर विभाजन से तनु होता है। कितने दिनों बाद संख्या $100$ से नीचे गिरेगी, जो प्रभावी मौनीकरण के लिए मोटे तौर पर आवश्यक संख्या है?
यकृत के किसी संदेशवाहक के विरुद्ध कोई चिकित्सकीय siRNA एक बार दिया जाता है और छह महीने काम करता है। यकृत-कोशिकाएँ कम ही विभाजित होती हैं। समझाइए कि प्रश्न 10 की क्रियाविधि उसे क्यों सीमित नहीं करती, और कौन-सी बात करती है।
सात न्यूक्लियोटाइड का कोई बीज हर $4^{7}$ न्यूक्लियोटाइड पर एक बार यादृच्छिक रूप से मेल खाता है। कृमि के अनुलेखितांश में लगभग $20\,\mathrm{Mb}$ 3 $'$ अननुवादित अनुक्रम है। lin-4 के कितने संयोगी बीज-मेल हैं, और आनुवंशिकीविदों को कैसे पता चला कि कौन-सा लक्ष्य मायने रखता है?

भाग III — लौह प्रकार्यगुच्छ।

लौह-समृद्ध कोशिकाओं में ट्रांसफ़ेरिन ग्राही के संदेशवाहक का अर्ध-आयु काल $10\,\mathrm{min}$ है; IRP बँधा हो तो $50\,\mathrm{min}$ । अनुलेखन अपरिवर्तित रहने पर, लोहा दुर्लभ होने पर संदेशवाहक किस गुणक से बढ़ता है?
फ़ेरिटिन संदेशवाहक का स्तर अपरिवर्तित रहता है पर IRP के बँधने पर उसका अनुवादन $1$ से घटकर $0.05$ प्रोटीन प्रति संदेशवाहक प्रति मिनट रह जाता है। फ़ेरिटिन संश्लेषण किस गुणक से गिरता है?
दोनों को मिलाइए: लौह-समृद्ध और लौह-दरिद्र अवस्थाओं के बीच आयात-क्षमता और भंडारण-क्षमता का अनुपात किस गुणक से बदलता है?
IRP1 प्रोटीन या तो RNA-बंधक प्रोटीन है या ऐकोनिटेज़, यह इस पर निर्भर करता है कि वह कोई लौह–गंधक गुच्छ धारण करता है या नहीं। समझाइए कि इससे वह स्वयं लोहे का संवेदक बनता है, किसी हॉर्मोन का नहीं।
किसी रोगी में फ़ेरिटिन IRE का ऐसा उत्परिवर्तन है जो IRP का बंधन समाप्त कर देता है। फ़ेरिटिन स्तर, सीरम लोहे और यह पूर्वानुमान कीजिए कि नेत्र-लेंस क्यों प्रभावित होता है।
एक वाक्य में समझाइए कि वही हेयरपिन एक स्थान पर सक्रियण और दूसरे पर दमन कैसे कर सकती है।
IRP2 में कोई लौह–गंधक गुच्छ नहीं है; लोहा अधिक हो तो उसे कोई यूबिक्विटिन लाइगेज़ नष्ट कर देती है जिसके अपने स्थायित्व के लिए लोहा और ऑक्सीजन चाहिए। कोई कोशिका इतनी भिन्न रसायन वाले दो संवेदक क्यों रखे?

भाग IV — समरूपांतर गिनना।

Dscam में परस्पर अपवर्जी 12, 48, 33 और 2 विकल्पों वाले बहिर्वेशन-खंड हैं। कितने समरूपांतर? यदि हर तंत्रिका-कोशिका यादृच्छिक रूप से लगभग $50$ अभिव्यक्त करे, तो दो दी हुई तंत्रिका-कोशिकाओं में कम-से-कम एक साझा होने की प्रायिकता क्या है? ( $1 - (1 - 50/N)^{50}$ का उपयोग कीजिए।)
किसी तंत्रिका-कोशिका को ऐसे समरूपांतर रखने से क्या लाभ है जो उसके पड़ोसियों के पास लगभग निश्चित रूप से नहीं हैं?
$n$ पेटी-बहिर्वेशनों वाला कोई जीन, जिनमें से हर एक स्वतंत्र रूप से समाविष्ट या छोड़ा जाता है, कितने संदेशवाहक देता है? $n = 10$ के लिए कितने? किसी दिए हुए कोशिका-प्रकार में वास्तविक संख्या प्रायः कहीं कम क्यों होती है?
मक्खी में, दो X गुणसूत्रों पर अकारक Sxl युग्मविकल्पी वाली कोई मादा केवल नर के रूप में विकसित होने के बजाय मर क्यों जाती है? (सोचिए कि X-गणना तंत्र और क्या नियंत्रित करता है: X-सहलग्न जीनों का मात्रा प्रतिपूरण।)
SXL अपने ही अनुलेख के उत्पादक विच्छेदन को बढ़ावा देता है। समझाइए कि इससे लिंग-निर्णय ऐसी स्मृति कैसे बन जाता है जो केवल प्रारंभिक भ्रूण में उपस्थित X-गणना संकेत के जाने के बाद भी बनी रहती है, और इसे अध्याय 1 के स्वयं-पोषी स्विचों से जोड़िए।
घड़ी का सारांश दीजिए: LIN-14 प्रोटीन पर दमन-गुणक (प्रश्न 4), संदेशवाहक स्विच का अर्ध-काल (प्रश्न 5) और वह संख्या कि बिना प्रवर्धन कोई संकेत प्रति कोशिका एक अणु से नीचे गिरने से पहले कितने विभाजन जीता है (प्रश्न 8)।

हल

हल — समस्या 2.1.

1. $\gamma = \ln 2/40 = 0.0173\,\mathrm{min}^{-1}$ ; $m^{*} = 3/0.0173 \approx 170$ संदेशवाहक। 2. $\delta_{p} = \ln 2/180 = 0.003\,85\,\mathrm{min}^{-1}$ ; $P^{*} = \beta m^{*}/\delta_{p} = 2\times 173/0.00385 \approx 9.0\times 10^{4}$ प्रोटीन। 3. क्षय $4\gamma = 0.069\,\mathrm{min}^{-1}$ ; $m^{*} = 3/0.069 \approx 43$ ; काल-नियतांक $1/0.069 = 14\,\mathrm{min}$ । 4. $\beta = 1$ : $P^{*} = 43/0.00385 \approx 1.1\times 10^{4}$ ; दमन $8$ गुना ( $4$ क्षय से, $2$ अनुवादन से)। 5. संदेशवाहक का अर्ध-काल $\ln 2/(4\gamma) = 10\,\mathrm{min}$ । प्रोटीन फिर अपने ही अर्ध-आयु काल $3\,\mathrm{h}$ से क्षय होता है: स्विच को प्रोटीन का अपघटन सीमित करता है। 6. हाँ: संदेशवाहक केवल $1/4$ तक गिरता है (अब भी सहज ही पकड़ में आता है) जबकि प्रोटीन $1/8$ तक गिरता है और पुराना प्रोटीन बदलते-बदलते और गिरता जाता है; यह आरंभिक प्रेक्षण कि प्रोटीन “जब mRNA बना हुआ था तब” लुप्त हो गया, अधिकतर दमन के अनुवादनी आधे भाग को दर्शाता था। 7. $10^{6}/250 = 4000$ अणु प्रति अंडा। 8. अंडे से निकलते समय $4000/550 \approx 7$ प्रति कोशिका। $4000/2^{n} < 1$ के लिए युग्मनज से $n \ge 12$ विभाजन चाहिए — अंडे से निकलने के लगभग तीन विभाजन बाद। 9. पॉलीमरेज़ लक्ष्य संदेशवाहक की नकल करके नया द्विलड़ी RNA बनाती है, जो द्वितीयक siRNA में कटता है: उत्प्रेरक स्वयं लक्ष्य से फिर बनता है, इसलिए वह तनुकरण से बचता और फैलता है (कोई वाहिका द्विलड़ी RNA को कोशिकाओं के बीच और जनन-वंश में पहुँचाती है)। वह इसलिए मिटता है कि प्रवर्धन के लिए लक्ष्य और कोई प्राथमिक उत्प्रेरक दोनों चाहिए; अंतःक्षेपित RNA के जाते ही द्वितीयक भंडार पीढ़ी-दर-पीढ़ी तनु होता जाता है और जनन-वंश शून्य हो जाता है। 10. $5000/2^{n} < 100$ : $2^{n} > 50$ , $n = 6$ दिन ( $78$ प्रतियाँ बचती हैं)। 11. अविभाजनशील कोशिकाएँ RISC को तनु नहीं करतीं; सीमा siRNA का रासायनिक जीवन-काल है (न्यूक्लिएज़ से अपघटन, जिसे लड़ियों के रासायनिक रूपांतरण से धीमा किया जाता है) और उस अंतःपुटीय भंडार का धीमा रिसाव जो कोशिकाद्रव्य को भरता है। 12. $2\times 10^{7}/16\,384 \approx 1200$ संयोगी मेल। निर्णय आनुवंशिकी ने किया: lin-14 का ह्रास lin-4 के ह्रास से उलटा लक्षण-प्ररूप देता है, lin-14 के प्रकार्य-लाभ युग्मविकल्पी ठीक 3 $'$ UTR स्थलों के विलोपन थे, और वे सात स्थल संरक्षित थे। 13. स्तर $\propto$ अर्ध-आयु काल: $50/10 = 5$ गुना उठान। 14. फ़ेरिटिन संश्लेषण में $1/0.05 = 20$ गुना गिरावट। 15. लौह-समृद्ध से लौह-दरिद्र तक आयात/भंडारण $5\times 20 = 100$ गुना बढ़ता है। 16. गुच्छ तभी जुड़ता है जब कोशिकाद्रव्यी लोहा उपलब्ध हो, इसलिए प्रोटीन की संरूपता लौह सांद्रता का सीधा पाठ है, बिना किसी ग्राही, हॉर्मोन या अनुलेखन के — किसी राइबोस्विच की तरह, ऐसा उपापचयज जिसे वही अणु भाँपता है जिसे वह नियंत्रित करता है। 17. फ़ेरिटिन का अनुवादन लोहे की परवाह किए बिना होता है: सीरम फ़ेरिटिन बहुत ऊँचा, सीरम लोहा और भंडार सामान्य (कोई अतिभार नहीं)। लेंस में, जिसमें कोई आवागमन नहीं, फ़ेरिटिन वर्षों जमा होकर क्रिस्टलित हो जाता है — अगेता मोतियाबिंद। 18. हेयरपिन केवल उतरने की जगह है; प्रभाव वही है जो बँधा प्रोटीन भौतिक रूप से रोकता है — 5 $'$ सिरे पर छानते राइबोसोमों को, 3 $'$ सिरे पर किसी न्यूक्लिएज़ को। 19. दो रसायन दो स्थितियाँ ढकते हैं: IRP1 का लौह–गंधक गुच्छ ऑक्सीकारकों और कम ऑक्सीजन से भी नष्ट होता है, इसलिए IRP1 अपचयोपचय अवस्था पर अनुक्रिया करता है, जबकि IRP2 का लौह-निर्भर अपघटन शारीरिक ऑक्सीजन परास भर में स्वयं लोहे पर अनुक्रिया करता है; बहुतायत प्रकार्यगुच्छ को दृढ़ बनाती है, और दोनों भिन्न बातें बताते हैं। 20. $12\times 48\times 33\times 2 = 38\,016$ । $1 - (1 - 50/38\,016)^{50} = 1 - 0.99868^{50} \approx 1 - e^{-0.066} = 0.064$ : लगभग $6\,\%$ । 21. एक जैसे समरूपांतर समजातीय रूप से बँधकर प्रतिकर्षित करते हैं: एक ही तंत्रिका-कोशिका की शाखाएँ एक-दूसरे से बचकर फैल जाती हैं, जबकि भिन्न तंत्रिका-कोशिकाओं की शाखाएँ, जिनमें लगभग कोई समरूपांतर साझा नहीं, आपस में कट सकती हैं — प्रति कोशिका एक निजी पहचान। 22. $2^{n}$ ; $1024$ , जब $n = 10$ हो। वास्तव में कम: समावेश कोशिका-प्रकार-विशिष्ट कारक तय करते हैं और वह बहिर्वेशनों के पार समन्वित होता है, अनेक संयोजन वाचन-ढाँचा खिसका देते हैं और निरर्थकता-मध्यस्थ क्षय से नष्ट हो जाते हैं, और बहिर्वेशन स्वतंत्र नहीं हैं। 23. Sxl मात्रा प्रतिपूरण भी नियंत्रित करता है: मादाओं में SXL msl-2 का अनुवादन रोकता है, इसलिए दोनों X गुणसूत्रों का अति-अनुलेखन नहीं होता; SXL के बिना कोई XX भ्रूण दोनों X गुणसूत्रों पर MSL संकुल जोड़ लेता है और उनका उत्पादन दोगुना कर देता है — हर X-सहलग्न जीन की घातक अति-मात्रा, इससे पहले कि लिंग का प्रश्न भी उठे। 24. अगेता प्रवर्तक तभी तक चलता है जब तक X:A संकेत उपस्थित हो; जो SXL वह बनाता है वह अनुरक्षण प्रवर्तक से आए अनुलेख का उत्पादक विच्छेदन बाध्य कर देता है, और वह प्रवर्तक दोनों लिंगों में सक्रिय है, इसलिए SXL एक बार बन जाए तो वह स्वयं को बनाता रहता है और संकेत की आवश्यकता नहीं रहती — वही पाठक-लेखक को बुलाता है वाला स्वयं-पोषी तर्क जो क्रोमैटिन चिह्नों का है, यहाँ एक प्रोटीन और एक विच्छेदन के साथ। 25. LIN-14 प्रोटीन $8$ गुना दमित; संदेशवाहक स्विच का अर्ध-काल $10\,\mathrm{min}$ ; अप्रवर्धित कोई RNA $12$ विभाजनों के बाद प्रति कोशिका एक अणु से नीचे गिर जाता है।

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