जीन अभिव्यक्ति का विनियमन (REGULATION OF GENE EXPRESSION)

जीवित जीव (living organism) की प्रत्येक कोशिका (cell) में हजारों जीन (genes) होते हैं। लेकिन सभी जीन एक समय में कार्य नहीं करते हैं। जीन कोशिका की आवश्यकताओं (requirements) के अनुसार कार्य करते हैं। जीन विशिष्ट एंजाइमों (specific enzymes) के उत्पादन के माध्यम से विभिन्न वर्णों के फेनोटाइपिक अभिव्यक्ति (phenotypic expression) को नियंत्रित करते हैं। एंजाइम (Enzymes) विशेष प्रोटीन (proteins) होते हैं जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं (chemical reactions) को उत्प्रेरित (catalyse) करते हैं। किसी विशेष एंजाइम का उत्पादन या संश्लेषण (synthesis) स्थिर (constant) नहीं है। यह दूसरे शब्दों में कोशिका की आवश्यकता (requirement) के अनुसार भिन्न होता है, किसी विशेष एंजाइम का संश्लेषण कोशिका की आवश्यकता के आधार पर कभी अधिक और कभी कम होता है। इस प्रकार, एक चालू-बंद प्रणाली (on-off system) मौजूद है जो सभी जीवित कोशिकाओं (living cells) में प्रोटीन संश्लेषण (protein synthesis) को नियंत्रित (regulates) करती है। इस ऑन-ऑफ तंत्र (on-off mechanism) के सटीक अध्ययन को जीन क्रिया का विनियमन (regulation of gene action) या जीन अभिव्यक्ति का विनियमन या प्रोटीन संश्लेषण का विनियमन (regulation of protein synthesis) कहा जाता है।

एंजाइम (enzyme) का संश्लेषण मुख्य रूप से दो कारकों (factors) पर निर्भर करता है। एक अवनति प्रक्रिया (degradative process) में, एंजाइम का संश्लेषण उस अणु (molecule) की उपलब्धता (availability) पर निर्भर करता है जिसे नीचा (degraded) किया जाना है। यदि अणु अधिक मात्रा में है, तो एंजाइम संश्लेषण अधिक होगा और इसके विपरीत (vice versa)। जैवसंश्लेषक मार्ग (biosynthetic pathway) में, एक एंजाइम का संश्लेषण अंतिम उत्पाद (end product) द्वारा नियंत्रित (governed) होता है। यदि अंतिम उत्पाद अधिक है, तो एंजाइम संश्लेषण कम होगा और इसके विपरीत। जीन विनियमन (gene regulation) दो प्रकार के होते हैं, अर्थात, (1) नकारात्मक विनियमन (negative regulation), और (2) सकारात्मक विनियमन (positive regulation)।

नकारात्मक विनियमन में, यह प्रणाली और अवरोधक (inhibitor) कोशिका में मौजूद होता है, जो प्रमोटर (promoter) को निष्क्रिय (inactivating) करके प्रतिलेखन (transcription) को रोकता है। इस अवरोधक को रिप्रेसर (repressor) कहते हैं। प्रतिलेखन की शुरुआत के लिए, एक प्रारंभकर्ता (inducer) की आवश्यकता होती है। इंड्यूसर रिप्रेसर के प्रतिपक्षी (antagonist) के रूप में कार्य करता है। नकारात्मक विनियमन में, उत्पाद की अनुपस्थिति (absence of product) एंजाइम संश्लेषण (enzyme synthesis) को बढ़ाती है और उत्पाद की उपस्थिति (presence) संश्लेषण को कम करती है।

सकारात्मक नियंत्रण (Positive Control)

सकारात्मक विनियमन में, यह प्रणाली, एक प्रभावकारक अणु (effectors molecule) (जो एक प्रोटीन या आणविक जटिल - molecular complex हो सकता है) प्रतिलेखन के लिए प्रमोटर को सक्रिय (activates) करता है। एक अपक्षयी प्रणाली (degradative system) में, या तो नकारात्मक या सकारात्मक तंत्र (negative or positive mechanism) काम कर सकता है। जैवसंश्लेषक मार्ग में आमतौर पर नकारात्मक तंत्र संचालित होता है।

महत्वपूर्ण शर्तें (Important Terms)

विभिन्न शब्दों (terms) को परिभाषित (define) करना आवश्यक है जो आमतौर पर जीन अभिव्यक्ति के विनियमन के संबंध में उपयोग किए जाते हैं। महत्वपूर्ण शब्दों का संक्षिप्त विवरण (brief description) नीचे प्रस्तुत किया गया है:

जीन अभिव्यक्ति के नियमन से संबंधित महत्वपूर्ण शब्दों का संक्षिप्त विवरण (Brief description of important terms related to regulation of gene expression)

ऑपेरॉन मॉडल (The Operon Model)

ऑपेरॉन निकटता से जुड़े जीनों (linked genes) के एक समूह को संदर्भित करता है जो एक साथ कार्य करते हैं और एक विशेष जैव रासायनिक मार्ग (biochemical pathway) के विभिन्न एंजाइमों के लिए कोड (code) करते हैं। दूसरे शब्दों में, ऑपेरॉन एक मॉडल है जो व्यवस्थित तरीके से प्रोटीन संश्लेषण के एक-बंद तंत्र (one-off mechanism) के बारे में बताता है। जीन विनियमन का ऑपेरॉन मॉडल जैकब और मोनोड (Jacob and Monod) द्वारा 1961 में प्रस्तावित किया गया था। उन्हें इस खोज के लिए 1965 में नोबेल पुरस्कार (Nobel prize) से सम्मानित किया गया था। ऑपेरॉन मॉडल मानव आंत बैक्टीरिया (human intestine bacteria) ई. कोलाई (E.coli) के लैक्टोज क्षेत्र (lactose region - lac region) के साथ काम करके विकसित किया गया था। चीनी लैक्टोज (sugar lactose) के क्षरण (degradation) के लिए जीन विनियमन का अध्ययन किया गया था। ऑपेरॉन मॉडल में सात मुख्य घटक (seven main components) होते हैं, अर्थात, (1) संरचनात्मक जीन (structural genes), (2) ऑपरेटर जीन (operator gene), (3) प्रमोटर जीन (promotor gene), (4) नियामक जीन (regulator gene), (5) रिप्रेसर, (6) कोरेप्रेसर, और (7) इंड्यूसर। इन घटकों का संक्षिप्त विवरण नीचे प्रस्तुत किया गया है:

संरचनात्मक जीन

ई. कोलाई (E.coli) के लैक ऑपेरॉन में तीन संरचनात्मक जीन होते हैं, अर्थात, z, y और a। z जीन ऑपरेटर जीन के पास स्थित है, y, z और a के बीच स्थित है, और a ऑपेरॉन सेगमेंट (operon segment) के दाहिने छोर (right end) पर स्थित है। ये संरचनात्मक जीन एक एकल पॉलीसिस्ट्रोनिक एमRNA अणु (single polycistronic mRNA molecule) को स्थानांतरित करते हैं। यह एमRNA अणु तीन अलग-अलग एंजाइमों, अर्थात् β-गैलेक्टो-सिडेस (β- galacto-sidase), गैलेक्टोसिडेस पर्मेज़ (galactosidase permease) और गैलेक्टोसिडेस ट्रांसएसेटाइलेज़ (galactosidase transacetylase) के संश्लेषण को नियंत्रित करता है। एंजाइम गैलेक्टोसिडेस (galactosidase) में 4 इकाइयां होती हैं और यह ग्लूकोज (glucose) और गैलेक्टोज (galactose) में लैक्टोज (lactose) के टूटने (breakdown) को उत्प्रेरित (catalyses) करता है जैसा कि नीचे दिया गया है:

एंजाइम गैलेक्टोसिडेस पर्मेज़ एक इकाई (unit) से बना है और माध्यम से जीवाणु कोशिका (bacterial cell) में लैक्टोज के प्रवेश की अनुमति देता है। गैलेक्टोसिडेस एसिटाइलस (Galactosidase acetylase) में दो इकाइयाँ (units) होती हैं। इसका मुख्य कार्य (function) एसिटाइल को-एंजाइम ए (acetyl co-enzyme A) से β-गैलेक्टोसिडेस (β- galactosidase) में एक एसिटाइल समूह (acetyl group) को स्थानांतरित (transfer) करना है। सभी संरचनात्मक जीनों का कार्य ऑपरेटर जीन द्वारा नियंत्रित किया जाता है। इस प्रकार, संरचनात्मक जीन का मुख्य कार्य मैसेंजर RNA (messenger RNA) के माध्यम से प्रोटीन के संश्लेषण (synthesis of protein) को नियंत्रित करना है। एक ऑपेरॉन में, संरचनात्मक जीनों की संख्या हमेशा सामान्य नियंत्रण (common control) के तहत संश्लेषित पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाओं (polypeptide chains) की संख्या के बराबर होती है। यदि एक ऑपेरॉन से तीन प्रकार के प्रोटीन संश्लेषित (synthesized) होते हैं, तो तीन संरचनात्मक जीन होने चाहिए। प्रोकैरियोट्स (prokaryotes) में, सभी संरचनात्मक जीन एकल पॉलीसिस्ट्रोनिक एम RNA अणु बनाते हैं, जबकि यूकेरियोट्स (eukaryotes) में, प्रत्येक संरचनात्मक जीन अलग (मोनोसिस्ट्रोनिक - monocistronic) एमRNA अणु बनाता है।

ऑपरेटर जीन

ई. कोलाई (E. coli) के लैक ऑपेरॉन में, ऑपरेटर जीन संरचनात्मक जीन (structural gene) z के ठीक पास स्थित है। इसमें 35 न्यूक्लियोटाइड बेस जोड़े (nucleotide base pairs) होते हैं। यह रिप्रेसर के लिए बाइंडिंग साइट (binding site) है। ऑपरेटर जीन का मुख्य कार्य संरचनात्मक जीनों के कार्य को नियंत्रित करना है। हालाँकि, इसका अपना कार्य रिप्रेसर अणु (repressor molecule) पर निर्भर करता है। ऑपरेटर के साथ रिप्रेसर का बंधन इसे गैर-कार्यात्मक (non-functional) बनाता है और इस प्रकार प्रतिलेखन को रोकता है। रिप्रेसर प्रमोटर जीन (promoter gene) को निष्क्रिय करके प्रतिलेखन को रोकता है। ऑपरेटर का उत्परिवर्तन (Mutation) इसे रिप्रेसर के साथ बाइंडिंग (binding) के लिए अनुपयुक्त बनाता है। ऐसी स्थितियों में, ऑपरेटर रिप्रेसर के साथ बंधन से मुक्त होता है और प्रतिलेखन शुरू हो सकता है। जब रिप्रेसर ऑपरेटर से जुड़ा (bound) होता है, तो RNA पोलीमरेज़ (RNA polymerase) द्वारा लैक एमRNA (lac mRNA) के प्रतिलेखन की शुरुआत को रोका जाता है। जब ऑपरेटर मुक्त होता है, तो प्रमोटर एमRNA (mRNA) संश्लेषण की शुरुआत के लिए उपलब्ध होता है।

प्रमोटर जीन

ई. कोलाई (E. coli) के लैक ऑपेरॉन में, प्रमोटर जीन ऑपरेटर के बगल में स्थित होता है। यह ऑपरेटर जीन और नियामक जीन के बीच स्थित है। प्रमोटर सेगमेंट (promotor segment) एक ऐसी जगह है जहाँ एमRNA पोलीमरेज़ एंजाइम (mRNA polymerase enzyme) DNA (DNA) के साथ जुड़ता है। हाल की जांच (Pribnow, 1975) ने सुझाव दिया कि प्रमोटर सेगमेंट में तीन उप क्षेत्र (sub regions) हैं, अर्थात, (1) एक मान्यता साइट (recognition site), (2) एक बाइंडिंग साइट, और (3) एक एम RNA दीक्षा साइट (mRNA initiation site)। प्रमोटर जीन का मुख्य कार्य एमRNA प्रतिलेखन (mRNA transcription) शुरू करना है। एम RNA प्रतिलेखन ऑपरेटर क्षेत्र (operator region) के माध्यम से प्रमोटर क्षेत्र से संरचनात्मक जीनों में जाता है। प्रमोटर एमRNA प्रतिलेखन तभी शुरू करता है जब ऑपरेटर मुक्त (operator is free) होता है या जब रिप्रेसर ऑपरेटर जीन से जुड़ा नहीं होता है। ऑपरेटर के साथ रिप्रेसर का बाइंडिंग प्रमोटर जीन को निष्क्रिय (inactivates) करता है और प्रतिलेखन को रोकता है।

रेगुलेटर जीन

रेगुलेटर जीन ई. कोइल (E. coil) में ऑपेरॉन सेगमेंट के एक छोर पर स्थित होता है। नियामक जीन का कार्य एक रिप्रेसर के संश्लेषण को निर्देशित (direct) करना है जो एक प्रोटीन अणु (protein molecule) है। रिप्रेसर या तो सक्रिय (active) या निष्क्रिय (inactive) (प्रोरेप्रेसर - prorepressor) हो सकता है। सक्रिय रिप्रेसर में इंड्यूसिबल सिस्टम में ऑपरेटर जीन के साथ जुड़ने की प्रवृत्ति होती है। रिप्रेसर एक इंड्यूसर की अनुपस्थिति में ऑपरेटर (operator) से बांधता है और प्रमोटर जीन को निष्क्रिय करके एमRNA प्रतिलेखन को रोकता है। जब एक इंड्यूसर (यानी, लैक्टोज - lactose) मौजूद होता है, तो रिप्रेसर इंड्यूसर से जुड़ जाता है और एक इंड्यूसर - रिप्रेसर कॉम्प्लेक्स (inducer – repressor complex) बनाता है। यह कॉम्प्लेक्स (complex) ऑपरेटर जीन से नहीं जुड़ सकता है और इसलिए, प्रोटीन संश्लेषण हो सकता है। रिप्रेसिबल सिस्टम में, रिप्रेसर अणु निष्क्रिय होता है और इसलिए, ऑपरेटर जीन से नहीं जुड़ सकता है। ऐसी स्थिति में, संरचनात्मक जीनों द्वारा प्रोटीन संश्लेषण हो सकता है। सह-रिप्रेसर (co-repressor) के साथ संयोजन पर रिप्रेसर सक्रिय हो सकता है। यह रिप्रेसर कोरप्रेसर कॉम्प्लेक्स (repressor corepressor complex) ऑपरेटर जीन को अवरुद्ध (blocks) करता है और प्रोटीन संश्लेषण को रोकता है।

रिप्रेसर

रिप्रेसर एक प्रोटीन अणु है। इसका संश्लेषण नियामक जीन द्वारा निर्देशित होता है। यह ऊपर वर्णित (described) अनुसार सक्रिय रूप (active form) या निष्क्रिय रूप (inactive form) में हो सकता है। इसका ऑपरेटर जीन के साथ संबंध (affinity) है। सक्रिय रूप में, यह ऑपरेटर जीन से जुड़ता है और प्रमोटर जीन को निष्क्रिय करके प्रतिलेखन और प्रोटीन संश्लेषण को रोकता है। जब यह निष्क्रिय रूप में होता है, तो प्रतिलेखन और प्रोटीन संश्लेषण हो सकता है। इसे एक इंड्यूसर द्वारा निष्क्रिय (inactivated) किया जा सकता है।

कोरिप्रेसर

कोरिप्रेसर शायद संरचनात्मक जीनों द्वारा संश्लेषित एंजाइमों में से एक का उत्पाद (product) है। कोरप्रेसर उसी के साथ संयोजन (combining) के बाद एक दमनकारी प्रणाली में निष्क्रिय दमनक (inactive repressor) को सक्रिय बनाता है। रिप्रेसर - कोरप्रेसर कॉम्प्लेक्स (repressor – corepressor complex) ऑपरेटर जीन को अवरुद्ध (block) कर सकता है और संरचनात्मक जीनों द्वारा प्रोटीन संश्लेषण को रोक सकता है।

इंड्यूसर

इंड्यूसर एक सब्सट्रेट (यानी लैक ऑपेरॉन - lac operon में लैक्टोज) है जो प्रतिलेखन को बढ़ावा देता है। यह रिप्रेसर अणु के साथ जुड़ता है और उसे निष्क्रिय बनाता है। फिर रिप्रेसर ऑपरेटर जीन से नहीं जुड़ सकता है। इसलिए, प्रतिलेखन और प्रोटीन संश्लेषण हो सकता है।

जीन विनियमन का तंत्र (Mechanism of Gene Regulation)

जीन विनियमन का तंत्र दो प्रकार का होता है, अर्थात, (1) नकारात्मक विनियमन, (2) सकारात्मक विनियमन। इन्हें संक्षेप में नीचे वर्णित किया गया है:

नकारात्मक नियंत्रण

नकारात्मक विनियमन में, किसी उत्पाद की अनुपस्थिति (absence) एंजाइम के संश्लेषण को बढ़ाती है और उत्पाद की उपस्थिति एंजाइम के संश्लेषण को कम करती है। ई. कोलाई (E. coli) के लैक ऑपेरॉन में। प्रोटीन का संश्लेषण इस बात पर निर्भर करता है कि ऑपरेटर जीन अवरुद्ध (blocked) है या मुक्त (free)। जब ऑपरेटर जीन मुक्त होता है, तो संरचनात्मक जीनों द्वारा प्रोटीन संश्लेषण होगा। दूसरी ओर, जब ऑपरेटर जीन अवरुद्ध हो जाता है, तो प्रोटीन संश्लेषण को रोका जाता है। इस प्रकार, प्रोटीन संश्लेषण का ऑन-ऑफ (on-off) ऑपरेटर जीन की मुक्त और अधिकृत स्थिति (occupied position) द्वारा नियंत्रित होता है। नकारात्मक नियंत्रण में, नियामक प्रोटीन (regulator protein) एक अवरोधक के रूप में कार्य करता है और प्रोटीन संश्लेषण को रोकता है। ई.कोलाई (E.coli) के लैक ऑपेरॉन में, जीन विनियमन का नकारात्मक नियंत्रण होता है। नकारात्मक नियंत्रण में, नियामक प्रोटीन रिप्रेसर है जो प्रोटीन संश्लेषण को रोकता है। इंड्यूसिबल सिस्टम में, प्रभावकारक अणु इंड्यूसर है। इंड्यूसर रिप्रेसर के साथ जुड़ता है और इसे निष्क्रिय करता है ताकि यह ऑपरेटर से न जुड़ सके। इस प्रकार, इंड्यूसर रिप्रेसर को निष्क्रिय करके प्रोटीन संश्लेषण की अनुमति देता है। दमनकारी प्रणाली में, प्रभावकारक अणु कोरप्रेसर है। निष्क्रिय रिप्रेसर (in-active repressor) के साथ जुड़ने पर कोरप्रेसर इसे सक्रिय बनाता है और प्रोटीन संश्लेषण को रोकता है, क्योंकि जब रिप्रेसर सक्रिय हो जाता है तो यह ऑपरेटर से जुड़ जाएगा और प्रतिलेखन को रोक देगा।

सकारात्मक नियंत्रण

सकारात्मक विनियमन में, किसी उत्पाद की उपस्थिति एंजाइम के संश्लेषण को बढ़ाएगी। दूसरे शब्दों में, सकारात्मक नियंत्रण में नियामक प्रोटीन एक उत्प्रेरक (activator) के रूप में कार्य करता है और प्रोटीन संश्लेषण को बढ़ाता है। E.Coli का अरेबिनोज़ ऑपेरॉन (arabinose operon) सकारात्मक जीन विनियमन (positive gene regulation) का एक उदाहरण है。

ऑपेरॉन का उत्परिवर्तन (Mutation of the Operon)

जीन विनियमन का तंत्र (mechanism) ई. कोलाई (E. Coli) के ऑपेरॉन खंड में जीनों के उत्परिवर्तन से प्रभावित होता है। नियामक जीन के उत्परिवर्तन से निष्क्रिय या गैर-कार्यात्मक रिप्रेसर (inactive or non-functional repressor) का उत्पादन होगा। ऐसा रिप्रेसर प्रमोटर (promotor) के साथ जुड़ने में असमर्थ होता है और इसलिए, प्रतिलेखन को नहीं रोक सकता है। दूसरे शब्दों में, दोषपूर्ण रिप्रेसर (defective repressor) ऑपरेटर जीन के कार्य को नियंत्रित नहीं कर सकता है। ऐसी स्थितियों में, संरचनात्मक जीनों द्वारा एंजाइमों का निरंतर संश्लेषण (constant synthesis) होता है। इस प्रकार के म्यूटेंट (mutants) को कॉन्स्टिट्यूटिव म्यूटेंट (constitutive mutants) कहते हैं और जो एंजाइम कॉन्स्टिट्यूटिव म्यूटेशन (constitutive mutations) के परिणामस्वरूप उत्पन्न होते हैं, उन्हें कॉन्स्टिट्यूटिव एंजाइम (constitutive enzymes) कहते हैं।

इसी तरह, प्रमोटर क्षेत्र (promotor region) में उत्परिवर्तन जीन विनियमन के तंत्र को भी बदल देता है। यह तीन अलग-अलग स्थितियों (situations) को जन्म दे सकता है जो प्रमोटर जीन में होने वाले उत्परिवर्तन के प्रकार पर निर्भर करता है।

1. उत्परिवर्तन के परिणामस्वरूप प्रमोटर जीन की कुल निष्क्रियता, प्रमोटर साइट पर DNA के लिए RNA पोलीमरेज़ के बंधन को रोक देगी।
2. एक अप-प्रमोटर म्यूटेशन (up-promotor mutation) प्रमोटर साइट पर RNA पोलीमरेज़ के तेजी से बंधन (rapid binding) की अनुमति देगा और प्रतिलेखन और एंजाइम संश्लेषण (enzyme sythensis) को बढ़ाएगा।
3. एक डाउन-प्रमोटर म्यूटेंट (down – promotor mutant) प्रमोटर साइट पर RNA पोलीमरेज़ बाइंडिंग की दर (rate) को कम करेगा और एंजाइम संश्लेषण में कमी लाएगा।

इस प्रकार, ऑपेरॉन में जीनों का उत्परिवर्तन विशेष रूप से नियामक (regulator) और प्रमोटर जीनों (promotor genes) का उत्परिवर्तन एक निश्चित तरीके से जीन विनियमन के तंत्र को बदल देता है।