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🎓 B.Sc. (Hons.) Agriculture — Semester 3 📘 Subject Code: GPB 211 🧬 Subject: Principles of Genetics ⚖️ Credits: 3 (2+1) 📑 Lecture 27 of 27 (Final Lecture)

Lecture 27: Gene Regulation

व्याख्यान 27: जीन नियमन (ओपेरॉन अवधारणा, प्रेरणीय लैक ओपेरॉन, दमनकारी ट्रिप ओपेरॉन, क्षीणन एवं यूकैरियोट्स में बहु-स्तरीय जीन नियमन)

प्रस्तावना एवं जीन नियमन का महत्व (Introduction & Significance of Gene Regulation)

किसी भी जीवित कोशिका के जीनोम में हजारों जीन उपस्थित होते हैं (जैसे E. coli में लगभग 4,300 जीन और मानव या पादपों में 25,000–35,000 जीन), किंतु किसी एक समय पर कोशिका के सभी जीन एक साथ सक्रिय नहीं होते! यदि कोशिका बिना आवश्यकता के सभी एंजाइम और प्रोटीन हर समय बनाती रहे, तो उसकी अधिकांश रासायनिक ऊर्जा (ATP/GTP) व्यर्थ नष्ट हो जाएगी और उपापचयी असंतुलन उत्पन्न हो जाएगा।

जीन नियमन (Gene Regulation) की परिभाषा: “कोशिकीय आवश्यकता, विकासात्मक अवस्था और पर्यावरणीय संकेतों के अनुसार किसी विशिष्ट जीन की अभिव्यक्ति (Gene Expression) को सही समय पर चालू (Turn ON) करने, बंद (Turn OFF) करने तथा बनने वाले आरएनए/प्रोटीन की मात्रा को नियंत्रित करने की आणविक क्रियाविधि को जीन नियमन (Regulation of Gene Expression) कहते हैं।”

जीन अभिव्यक्ति का नियमन क्यों आवश्यक है? (Why is Gene Regulation Essential?)

ऊर्जा संरक्षण एवं उपापचयी मितव्ययिता (Cellular Energy Economy): जीवाणु किसी शर्करा (जैसे लैक्टोज) को पचाने वाले एंजाइम तभी बनाते हैं जब माध्यम में वह शर्करा वास्तव में उपस्थित हो।
पर्यावरणीय अनुकूलन (Environmental Adaptation): तापमान, पोषक तत्वों की उपलब्धता, सूखा या रोगाणु संक्रमण के प्रति त्वरित अनुकूलन।
कोशिकीय विभेदन एवं अंग विकास (Tissue Differentiation & Morphogenesis): एक पौधे की जड़ की कोशिका और पत्ती की मीसोफिल कोशिका में 100% समान डीएनए होता है, किंतु चयनात्मक जीन नियमन (Differential gene expression) के कारण केवल पत्ती में ही प्रकाश-संश्लेषी जीन (RuBisCO) सक्रिय होते हैं।

🎯 इस व्याख्यान के प्रमुख अध्ययन उद्देश्य (Key Learning Objectives)

प्रेरणीय बनाम दमनकारी तंत्र (Inducible vs. Repressible Systems) तथा ऋणात्मक बनाम धनात्मक नियमन (Negative vs. Positive Control) को समझना।
फ्रांस्वा जैकब एवं जैक्स मोनोड (François Jacob & Jacques Monod, 1961) के नोबेल पुरस्कार विजेता लैक ओपेरॉन मॉडल (Lac Operon), इसके घटकों (lacI, lacP, lacO, lacZ, lacY, lacA) और मेरोज़ाइगोट उत्परिवर्तनों (I⁻, I^s, O^c) का अध्ययन करना।
कैटाबोलाइट दमन (Catabolite Repression / Glucose Effect) और CAP–cAMP द्वारा धनात्मक नियंत्रण को समझना।
ट्रिप्टोफैन (trp) ओपेरॉन: सह-दमनकारी (Corepressor) द्वारा ऋणात्मक नियमन और चार्ल्स यानोफ्स्की के क्षीणन तंत्र (Attenuation Mechanism) को गहराई से समझना।
यूकैरियोट्स में बहु-स्तरीय जीन नियमन: क्रोमैटिन रीमॉडलिंग (Histone acetylation vs. DNA methylation), अनुलेखन, स्प्लाइसिंग, ब्रिटन एवं डेविडसन का जीन बैटरी मॉडल (1969) तथा आरएनए हस्तक्षेप (RNAi — Fire & Mello, 1998) को समझना।

प्रमुख वैज्ञानिक शब्दावली (Key Scientific Terminology)

वैज्ञानिक शब्द (Term)	हिंदी नाम (Hindi Term)	सटीक वैज्ञानिक परिभाषा (Scientific Definition)
Operon	ओपेरॉन (प्रचालक इकाई)	प्रोकैरियोट्स में पाया जाने वाला समन्वित आनुवंशिक नियामक तंत्र जिसमें एक ही उपापचयी पथ से संबंधित संरचनात्मक जीनों का समूह एक साझा उन्नायक (Promoter) और प्रचालक (Operator) के नियंत्रण में एक एकल पॉलीसिस्ट्रॉनिक mRNA के रूप में अनुलेखित होता है (जैकब एवं मोनोड, 1961)।
Operator (O)	प्रचालक (ऑपरेटर स्थल)	प्रमोटर और प्रथम संरचनात्मक जीन के बीच (या प्रमोटर के भीतर) स्थित वह सिस-एक्टिंग डीएनए अनुक्रम जहाँ दमनकारी प्रोटीन (Repressor protein) जुड़कर आरएनए पॉलीमरेज के मार्ग को भौतिक रूप से रोकता है।
Inducer	प्रेरक अणु	वह छोटा रासायनिक अणु या क्रियाधार (जैसे लैक ओपेरॉन में एलो-लैक्टोज [Allolactose] या कृत्रिम प्रेरक IPTG) जो सक्रिय दमनकारी प्रोटीन से जुड़कर उसे निष्क्रिय कर देता है और ओपेरॉन का अनुलेखन चालू (ON) कराता है।
Aporepressor & Corepressor	एपो-रिप्रेसर एवं सह-दमनकारी	दमनकारी ओपेरॉन (जैसे trp ओपेरॉन) में नियामक जीन द्वारा बनाया गया अकेला दमनकारी प्रोटीन निष्क्रिय होता है जिसे एपो-रिप्रेसर (Aporepressor) कहते हैं; जब इसके साथ अंतिम उत्पाद (ट्रिप्टोफैन = सह-दमनकारी / Corepressor) जुड़ता है, तो यह सक्रिय होकर ओपेरॉन को बंद (OFF) कर देता है।
Catabolite Repression (Glucose Effect)	कैटाबोलाइट दमन (ग्लूकोज प्रभाव)	जब माध्यम में ग्लूकोज और लैक्टोज दोनों उपस्थित हों, तो जीवाणु प्राथमिकता से ग्लूकोज का उपयोग करता है और ग्लूकोज की उपस्थिति के कारण cAMP का स्तर गिरने से लैक ओपेरॉन दबा रहता है।
Attenuation	क्षीणन (अनुलेखन का समय-पूर्व समापन)	जीवाणु के अमीनो अम्ल संश्लेषी ओपेरॉनों (जैसे trp, his ओपेरॉन) में पाया जाने वाला सूक्ष्म नियामक तंत्र जिसमें अमीनो अम्ल की अधिकता होने पर राइबोसोम लीडर पेप्टाइड को तेजी से पार कर जाता है, जिससे mRNA के लीडर क्षेत्र में 3–4 समापक हेयरपिन लूप बन जाता है और अनुलेखन संरचनात्मक जीनों से पहले ही रुक जाता है (यानोफ्स्की, 1975)।
Constitutive Mutation	सतत उत्परिवर्तन (I⁻ या O^c)	ऐसा उत्परिवर्तन जिसके कारण नियामक तंत्र विफल हो जाता है और प्रेरक (लैक्टोज) की अनुपस्थिति में भी ओपेरॉन हर समय निरंतर (Constitutively ON) अभिव्यक्त होता रहता है।
Gratuitous Inducer (IPTG)	निःशुल्क / गैर-उपापचयी प्रेरक	ऐसा कृत्रिम प्रेरक अणु (जैसे IPTG — Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside) जो दमनकारी से जुड़कर लैक ओपेरॉन को चालू तो कर देता है, परंतु स्वयं β-गैलेक्टोसिडेज एंजाइम द्वारा तोड़ा (उपापचयित) नहीं जाता।
Epigenetic Regulation	एपिजेनेटिक नियमन	डीएनए के न्यूक्लियोटाइड क्षारक अनुक्रम में बिना किसी बदलाव के क्रोमैटिन रूपांतरण (जैसे हिस्टोन एसिटाइलेशन [सक्रियण] और डीएनए साइटोसिन मिथाइलेशन [दमन]) द्वारा जीन अभिव्यक्ति का नियमन।
RNA Interference (RNAi)	आरएनए हस्तक्षेप (जीन साइलेंसिंग)	द्वि-रज्जुकी आरएनए (dsRNA), Dicer एंजाइम और RISC संकुल (Argonaute प्रोटीन) द्वारा siRNA / miRNA के माध्यम से लक्षित mRNA को नष्ट कर अनुलेखन-पश्चात जीन साइलेंसिंग (PTGS) करना (फायर एवं मेलो, 1998)।

जीन नियमन की मूल प्रणालियाँ: ऋणात्मक बनाम धनात्मक एवं प्रेरणीय बनाम दमनकारी

1. ऋणात्मक नियंत्रण बनाम धनात्मक नियंत्रण (Negative vs. Positive Control)

ऋणात्मक नियंत्रण (Negative Control — दमनकारी प्रोटीन द्वारा):
- इस तंत्र में नियामक प्रोटीन एक दमनकारी (Repressor) होता है।
- जब दमनकारी प्रोटीन डीएनए के ऑपरेटर स्थल से जुड़ता है, तो जीन का अनुलेखन बंद (OFF) हो जाता है। जीन को चालू (ON) करने के लिए ऑपरेटर से दमनकारी का हटना आवश्यक है। (उदाहरण: लैक रिप्रेसर और ट्रिप रिप्रेसर द्वारा नियंत्रण)।
धनात्मक नियंत्रण (Positive Control — सक्रियक प्रोटीन द्वारा):
- इस तंत्र में नियामक प्रोटीन एक सक्रियक (Activator) होता है।
- सक्रियक प्रोटीन के बिना आरएनए पॉलीमरेज प्रमोटर से प्रभावी ढंग से नहीं जुड़ पाता; जब सक्रियक प्रोटीन डीएनए से जुड़ता है, तभी जीन का अनुलेखन चालू (ON / High rate) होता है। (उदाहरण: लैक ओपेरॉन में CAP–cAMP संकुल द्वारा धनात्मक नियंत्रण)।

2. प्रेरणीय बनाम दमनकारी तंत्र (Inducible vs. Repressible Systems)

प्रेरणीय तंत्र (Inducible System — प्रायः अपचयी/Catabolic पथ, जैसे Lac Operon): यह सामान्य अवस्था में बंद (Normally OFF) रहता है। जब माध्यम में विघटित किया जाने वाला पदार्थ (प्रेरक / Inducer = Lactose) आता है, तो यह चालू (ON) हो जाता है।
दमनकारी तंत्र (Repressible System — प्रायः उपचयी/Anabolic संश्लेषण पथ, जैसे Trp Operon): यह सामान्य अवस्था में चालू (Normally ON) रहता है ताकि कोशिका आवश्यक अमीनो अम्ल बनाती रहे। जब कोशिका में अंतिम उत्पाद (सह-दमनकारी / Corepressor = Tryptophan) अधिक मात्रा में जमा हो जाता है, तो यह ओपेरॉन को बंद (OFF) कर देता है।

लैक ओपेरॉन मॉडल (The Lac Operon Model — François Jacob & Jacques Monod, 1961)

वर्ष 1961 में फ्रांस के पाश्चर इंस्टीट्यूट के वैज्ञानिक फ्रांस्वा जैकब (François Jacob) और जैक्स मोनोड (Jacques Monod) ने जीवाणु Escherichia coli में लैक्टोज शर्करा के उपापचय का अध्ययन कर आनुवंशिकी का सर्वप्रथम जीन नियमन मॉडल — ‘ओपेरॉन मॉडल’ (Operon Model / Lac Operon) प्रस्तुत किया। इस युगांतरकारी खोज के लिए उन्हें (आंद्रे ल्वॉफ के साथ) 1965 में चिकित्सा का नोबेल पुरस्कार प्रदान किया गया।

1. लैक ओपेरॉन के संरचनात्मक एवं नियामक घटक (Components of the Lac Operon)

लैक ओपेरॉन (पूर्ण नाम: Lactose Operon) एक ऋणात्मक रूप से नियंत्रित प्रेरणीय तंत्र (Negatively controlled inducible operon) है जिसके निम्नलिखित घटक होते हैं:

नियामक जीन (Regulator Gene — lacI): यहाँ ‘I’ का अर्थ Inducibility है (Inhibitor नहीं!)। इसका अपना अलग प्रमोटर (P_I) होता है और यह निरंतर (Constitutively) एक चतुष्टय दमनकारी प्रोटीन (Tetrameric Lac Repressor protein — 4 समान उप-इकाइयाँ, प्रत्येक 38 kDa) बनाता है। इस रिप्रेसर प्रोटीन में दो एलोस्टेरिक स्थल होते हैं — एक ऑपरेटर डीएनए से जुड़ने के लिए और दूसरा प्रेरक (Inducer) से जुड़ने के लिए।
उन्नायक स्थल (Promoter Gene — lacP): यह सिस-एक्टिंग डीएनए स्थल है जहाँ आरएनए पॉलीमरेज जुड़ता है। इसके अपस्ट्रीम भाग में CAP–cAMP बंधन स्थल भी होता है।
प्रचालक स्थल (Operator Locus — lacO): यह प्रमोटर और lacZ जीन के बीच स्थित लगभग 21–35 bp का उल्टा पुनरावृत्ति डीएनए अनुक्रम है जहाँ सक्रिय लैक रिप्रेसर प्रोटीन आकर जुड़ता है।
तीन संरचनात्मक जीन (Three Structural Genes — lacZ, lacY, lacA): ये तीनों जीन एक साथ एक एकल पॉलीसिस्ट्रॉनिक mRNA में अनुलेखित होते हैं:
- (i) lacZ जीन: यह β-गैलेक्टोसिडेज (β-Galactosidase) एंजाइम को कोडित करता है, जिसके दो मुख्य कार्य हैं: (a) यह डाइसैकेराइड लैक्टोज (Lactose) का जल-अपघटन कर उसे ग्लूकोज (Glucose) + गैलेक्टोज (Galactose) में तोड़ता है, और (b) यह लैक्टोज की अल्प मात्रा को उसके समावयवी एलो-लैक्टोज (Allolactose — β-1,6-linkage) में बदलता है जो ओपेरॉन का वास्तविक प्राकृतिक प्रेरक (True physiological inducer) है!
- (ii) lacY जीन: यह झिल्ली प्रोटीन β-गैलेक्टोसाइड पर्मिएज (β-Galactoside Permease) को कोडित करता है, जो बाहरी माध्यम से लैक्टोज को कोशिका के भीतर प्रवेश कराने वाले पंप का कार्य करता है।
- (iii) lacA जीन: यह β-गैलेक्टोसाइड ट्रांसएसिटाइलेज (β-Galactoside Transacetylase) एंजाइम को कोडित करता है, जो एसिटिल-CoA से एसिटिल समूह को विषैले थायो-गैलेक्टोसाइड्स पर स्थानांतरित कर उन्हें कोशिका से बाहर निकालने में मदद करता है।

2. लैक ओपेरॉन की कार्यप्रणाली (Switching OFF and ON of Lac Operon)

स्थिति 1: जब माध्यम में लैक्टोज (प्रेरक) अनुपस्थित हो ⇒ ओपेरॉन बंद (SWITCHED OFF):
- lacI जीन सक्रिय दमनकारी प्रोटीन (Active Repressor) बनाता है।
- लैक्टोज की अनुपस्थिति में यह दमनकारी प्रोटीन सीधे ऑपरेटर स्थल (lacO) से मजबूती से जुड़ जाता है।
- इससे आरएनए पॉलीमरेज का रास्ता रुक जाता है, संरचनात्मक जीनों (lacZ, lacY, lacA) का अनुलेखन नहीं हो पाता और ओपेरॉन बंद (Repressed / OFF) रहता है।
स्थिति 2: जब माध्यम में लैक्टोज (प्रेरक) उपस्थित हो ⇒ ओपेरॉन चालू (SWITCHED ON / Induced):
- जब माध्यम में लैक्टोज मिलाया जाता है, तो कोशिका में पहले से मौजूद अत्यंत सूक्ष्म (Basal level) पर्मिएज की मदद से थोड़ा लैक्टोज भीतर आता है और एलो-लैक्टोज (Allolactose — Inducer) में बदल जाता है।
- प्रेरक (एलो-लैक्टोज) दमनकारी प्रोटीन के एलोस्टेरिक स्थल से जुड़कर उसकी त्रिविम आकृति बदल देता है (Conformational change), जिससे दमनकारी प्रोटीन निष्क्रिय (Inactive Repressor–Inducer complex) हो जाता है और ऑपरेटर (lacO) से हट जाता है।
- मार्ग खुलते ही आरएनए पॉलीमरेज lacZ, lacY और lacA का एक साथ अनुलेखन कर पॉलीसिस्ट्रॉनिक lac mRNA बनाता है, जिससे तीनों एंजाइम बन जाते हैं और ओपेरॉन चालू (Induced / ON) हो जाता है।

चित्र 27.1: लैक ओपेरॉन की कार्यप्रणाली — (A) लैक्टोज की अनुपस्थिति में दमन (OFF), तथा (B) लैक्टोज/एलो-लैक्टोज की उपस्थिति में प्रेरण (ON)

कैटाबोलाइट दमन एवं CAP–cAMP द्वारा धनात्मक नियमन (Catabolite Repression)

लैक ओपेरॉन में ऋणात्मक नियंत्रण (रिप्रेसर द्वारा) के अतिरिक्त एक अत्यंत महत्वपूर्ण धनात्मक नियंत्रण तंत्र (Positive Regulation) भी कार्य करता है जिसे कैटाबोलाइट दमन (Catabolite Repression) या ग्लूकोज प्रभाव (Glucose Effect) कहते हैं:

यदि संवर्धन माध्यम में ग्लूकोज (Glucose) और लैक्टोज (Lactose) दोनों एक साथ उपस्थित हों, तो E. coli पहले केवल ग्लूकोज का उपयोग करता है और जब तक पूरा ग्लूकोज समाप्त नहीं हो जाता, तब तक लैक ओपेरॉन का उच्च-स्तरीय अनुलेखन शुरू नहीं होता (इससे द्वि-प्रावस्था वृद्धि वक्र / Diauxic growth curve प्राप्त होता है)।
आणविक क्रियाविधि (Role of cAMP and CAP / CRP):
- लैक प्रमोटर (lacP) वास्तव में एक कमजोर प्रमोटर है जिस पर आरएनए पॉलीमरेज अकेले तेजी से नहीं जुड़ पाता। उसे मदद के लिए एक सक्रियक प्रोटीन — कैटाबोलाइट एक्टिवेटर प्रोटीन (CAP — Catabolite Activator Protein, या CRP — cAMP Receptor Protein) की आवश्यकता होती है।
- CAP प्रोटीन अकेले डीएनए से नहीं जुड़ सकता; वह केवल तभी सक्रिय होता है जब उसके साथ चक्रीय एएमपी (cAMP — Cyclic AMP, जिसे एडेनाइलिल साइक्लेज एंजाइम ATP से बनाता है) जुड़ता है।
- ग्लूकोज का cAMP के साथ व्युत्क्रमानुपाती संबंध (Inverse relationship):
  1. जब ग्लूकोज कम या अनुपस्थित हो (Low Glucose): कोशिका में cAMP का स्तर बहुत उच्च (High cAMP) होता है। cAMP CAP से जुड़कर सक्रिय CAP–cAMP संकुल बनाता है, जो प्रमोटर के अपस्ट्रीम स्थल से जुड़कर आरएनए पॉलीमरेज की बंधन क्षमता को 50 गुना बढ़ा देता है।
  2. जब ग्लूकोज उच्च मात्रा में हो (High Glucose): ग्लूकोज एडेनाइलिल साइक्लेज को संदमित करता है जिससे cAMP का स्तर गिर जाता है (Low cAMP)। फलस्वरूप CAP प्रमोटर से नहीं जुड़ पाता और लैक्टोज होने पर भी अनुलेखन अत्यंत धीमा (Basal) रहता है:

माध्यम में ग्लूकोज	माध्यम में लैक्टोज	कोशिकीय cAMP स्तर	ऑपरेटर पर लैक रिप्रेसर	प्रमोटर पर CAP–cAMP	लैक ओपेरॉन अनुलेखन स्तर
उपस्थित (+ High)	अनुपस्थित (−)	कम (Low)	जुड़ा हुआ (Bound)	नहीं जुड़ा (Unbound)	पूर्णतः बंद (OFF)
अनुपस्थित (−)	अनुपस्थित (−)	उच्च (High)	जुड़ा हुआ (Bound)	जुड़ा हुआ (Bound)	बंद (OFF — रिप्रेसर ने रास्ता रोका है)
उपस्थित (+ High)	उपस्थित (+ High)	कम (Low)	हटा हुआ (Unbound)	नहीं जुड़ा (Unbound)	अत्यंत कम / केवल आधारभूत (Very Low / Basal ~2%)
अनुपस्थित (−)	उपस्थित (+ High)	उच्च (High)	हटा हुआ (Unbound)	जुड़ा हुआ (Bound)	अधिकतम / तीव्र अनुलेखन (STRONGLY ON — 100%)

ट्रिप्टोफैन (trp) ओपेरॉन एवं क्षीणन क्रियाविधि (The trp Operon & Attenuation)

E. coli का ट्रिप्टोफैन ओपेरॉन (trp Operon) एक ऋणात्मक रूप से नियंत्रित दमनकारी तंत्र (Negatively controlled repressible operon) का आदर्श उदाहरण है। यह उपचयी (Anabolic) पथ से संबंधित है जो कोरिसमिक अम्ल (Chorismic acid) से अमीनो अम्ल ट्रिप्टोफैन (Tryptophan) का जैव-संश्लेषण करता है।

1. ट्रिप ओपेरॉन की संरचना (5 Structural Genes: trpE, D, C, B, A)

इसमें पाँच संरचनात्मक जीन — trpE, trpD, trpC, trpB तथा trpA होते हैं, जिनके पहले प्रमोटर (P), ऑपरेटर (O) और 162 nt लंबा एक विशेष लीडर क्षेत्र (trpL — जिसमें att / क्षीणक अनुक्रम होता है) स्थित होता है।
दूर स्थित नियामक जीन trpR एक निष्क्रिय दमनकारी प्रोटीन बनाता है जिसे एपो-रिप्रेसर (Aporepressor) कहते हैं।

2. नियंत्रण का प्रथम स्तर: रिप्रेसर–सह-दमनकारी तंत्र (Repressor–Corepressor Control)

जब कोशिका में ट्रिप्टोफैन अनुपस्थित या कम हो ⇒ ओपेरॉन चालू (ON): अकेला एपो-रिप्रेसर प्रोटीन निष्क्रिय होता है और ऑपरेटर (trpO) से नहीं जुड़ पाता। अतः आरएनए पॉलीमरेज trpE, D, C, B, A का अनुलेखन करता रहता है और कोशिका में ट्रिप्टोफैन बनता रहता है।
जब कोशिका में ट्रिप्टोफैन प्रचुर मात्रा में हो ⇒ ओपेरॉन बंद (OFF): ट्रिप्टोफैन स्वयं एक सह-दमनकारी (Corepressor) की तरह कार्य करता है। यह निष्क्रिय एपो-रिप्रेसर से जुड़कर सक्रिय होलो-रिप्रेसर (Active Repressor–Tryptophan complex) बना लेता है, जो ऑपरेटर से जुड़कर अनुलेखन को बंद (OFF) कर देता है।

3. नियंत्रण का द्वितीय स्तर: क्षीणन क्रियाविधि (Attenuation — Charles Yanofsky, 1975)

चार्ल्स यानोफ्स्की ने पाया कि trp ओपेरॉन में रिप्रेसर के अलावा एक दूसरा सूक्ष्म नियंत्रण तंत्र भी होता है जिसे क्षीणन (Attenuation — Transcription termination control) कहते हैं। यह प्रोकैरियोट्स में ही संभव है क्योंकि वहाँ अनुलेखन और स्थानांतरण साथ-साथ (Coupled) होते हैं:

trp mRNA के 162 nt लंबे लीडर क्षेत्र (trpL) में चार पूरक खंड (Regions 1, 2, 3 एवं 4) होते हैं जो आपस में जुड़कर विभिन्न स्टेम-लूप (Hairpin) बना सकते हैं, तथा खंड 1 में 14 अमीनो अम्लों के लीडर पेप्टाइड में लगातार दो ट्रिप्टोफैन कोडॉन (UGG–UGG) होते हैं:
(a) जब ट्रिप्टोफैन प्रचुर हो (High Tryptophan ⇒ 3–4 Terminator Hairpin ⇒ Termination): प्रचुर Trp-tRNA होने के कारण राइबोसोम बिना रुके तेजी से खंड 1 और 2 दोनों को ढक लेता है। इससे खंड 3 और 4 आपस में जुड़कर एक G≡C समृद्ध 3–4 समापक हेयरपिन लूप (Terminator hairpin followed by Poly-U) बना लेते हैं, जिससे अनुलेखन संरचनात्मक जीनों (trpE) से पहले ही समाप्त हो जाता है!
(b) जब ट्रिप्टोफैन कम हो (Low Tryptophan ⇒ 2–3 Antiterminator Hairpin ⇒ Transcription Continues): ट्रिप्टोफैन की कमी होने पर राइबोसोम खंड 1 के दोनों UGG कोडॉनों पर अटक (Stall) जाता है। इससे खंड 2 मुक्त रहता है और खंड 2 व 3 आपस में जुड़कर 2–3 प्रति-समापक लूप (Antiterminator loop) बना लेते हैं। फलस्वरूप 3–4 समापक लूप नहीं बन पाता और आरएनए पॉलीमरेज पूरे ओपेरॉन का अनुलेखन पूरा करता है।

चित्र 27.2: ट्रिप्टोफैन (trp) ओपेरॉन का दोहरा नियमन — सह-दमनकारी नियंत्रण एवं यानोफ्स्की का क्षीणन (Attenuation) मॉडल

यूकैरियोट्स में बहु-स्तरीय जीन नियमन (Multi-Level Gene Regulation in Eukaryotes)

यूकैरियोट्स में ओपेरॉन नहीं पाए जाते; वहाँ प्रत्येक जीन स्वतंत्र रूप से नियंत्रित होता है। केंद्रक झिल्ली की उपस्थिति और जटिल क्रोमैटिन संगठन के कारण यूकैरियोट्स में जीन की अभिव्यक्ति पाँच अलग-अलग स्तरों (5 Levels) पर नियंत्रित की जाती है:

स्तर 1: क्रोमैटिन संरचना एवं एपिजेनेटिक स्तर (Chromatin Remodeling & Epigenetic Level):
- हिस्टोन एसिटाइलेशन (Histone Acetylation by HATs — जीन सक्रियण / ON): हिस्टोन एसिटिलट्रांसफरेज (HAT) एंजाइम हिस्टोन पूँछ के धनावेशित लाइसिन (Lysine) पर एसिटिल समूह जोड़ता है, जिससे धनावेश समाप्त हो जाता है, डीएनए और हिस्टोन की पकड़ ढीली पड़ जाती है (Euchromatin) और अनुलेखन चालू (ON) हो जाता है। इसके विपरीत हिस्टोन डीएसिटाइलेज (HDAC) क्रोमैटिन को सघन (Heterochromatin) कर जीन को बंद (OFF) करता है।
- डीएनए मिथाइलेशन (DNA Methylation at CpG Islands — जीन दमन / OFF): डीएनए मिथाइलट्रांसफरेज (DNMT) द्वारा प्रमोटर के साइटोसिन को 5-मिथाइलसाइटोसिन (5-mC) में बदलने से जीन का अनुलेखन स्थायी रूप से दब (Silenced / OFF) जाता है (जैसे स्तनधारियों में X-गुणसूत्र निष्क्रियण / बार बॉडी निर्माण और जीनोमिक इंप्रिंटिंग)।
स्तर 2: अनुलेखन स्तर (Transcriptional Level — सबसे प्रमुख स्तर): प्रमोटर, एन्हांसर (Enhancers), साइलेंसर, सामान्य अनुलेखन कारकों (TFIIs) और हार्मोन-ग्राहक संकुलों (Steroid hormone receptors / पादप हार्मोन ऑक्सिन, जिबरेलिन संकेत) द्वारा अनुलेखन प्रारंभन का नियंत्रण।
स्तर 3: अनुलेखन-पश्चात प्रसंस्करण एवं केंद्रकीय निकासी स्तर (Post-Transcriptional Processing & Export Level):
- वैकल्पिक स्प्लाइसिंग (Alternative Splicing): एक ही प्राथमिक अनुलेख (hnRNA) से भिन्न ऊतकों में अलग-अलग एक्सॉन संयोजन चुनकर भिन्न प्रोटीन बनाना (जैसे Drosophila में लिंग निर्धारण का Sxl → tra → dsx स्प्लाइसिंग कैस्केड, या मनुष्य में कैल्सिटोनिन बनाम CGRP हार्मोन)।
- 5′ कैपिंग, 3′ पॉली-एडेनाइलेशन और केंद्रक छिद्रों से कोशिकाद्रव्य में परिवहन का नियंत्रण।
स्तर 4: स्थानांतरण एवं mRNA स्थायित्व स्तर (Translational & mRNA Stability Level): कोशिकाद्रव्य में mRNA की अर्ध-आयु (Half-life), eIFs का फॉस्फोराइलेशन तथा miRNA / siRNA द्वारा स्थानांतरण अवरोध।
स्तर 5: स्थानांतरण-पश्चात प्रोटीन रूपांतरण स्तर (Post-Translational Level): बने हुए प्रोटीन का विदलन (जैसे निष्क्रिय प्रो-इंसुलिन से C-पेप्टाइड हटाकर सक्रिय इंसुलिन बनाना), फॉस्फोराइलेशन, ग्लाइकोसाइलेशन तथा यूबिक्विटिन-प्रोटिएसोम तंत्र (Ubiquitin-proteasome pathway) द्वारा पुराने प्रोटीनों का लक्षित विघटन।

ब्रिटन-डेविडसन जीन बैटरी मॉडल एवं आरएनए हस्तक्षेप (Britten-Davidson Model & RNAi)

1. ब्रिटन एवं डेविडसन का जीन-बैटरी मॉडल (Britten and Davidson Gene-Battery Model, 1969)

यूकैरियोट्स में विभिन्न गुणसूत्रों पर बिखरे हुए संबंधित जीनों का एक साथ समन्वित नियमन कैसे होता है, इसे समझाने के लिए रॉय ब्रिटन एवं एरिक डेविडसन (Roy Britten and Eric Davidson, 1969) ने जीन-बैटरी मॉडल (Gene-Battery Model) प्रस्तुत किया, जिसमें चार प्रकार के अनुक्रम होते हैं:

संवेदी जीन (Sensor Gene / Site): यह हार्मोन, तापमान या बाह्य संकेत (Signal molecule) को ग्रहण करता है और अपने से जुड़े इंटीग्रेटर जीन को सक्रिय करता है।
एकीकरणकर्ता जीन (Integrator Gene): संवेदी स्थल के सक्रिय होने पर यह अनुलेखित होकर एक सक्रियक आरएनए (Activator RNA) या सक्रियक प्रोटीन बनाता है।
ग्राही जीन (Receptor Gene / Site): यह प्रत्येक उत्पादक जीन के ठीक पहले (सिस-स्थिति में) स्थित होता है और सक्रियक अणु को पहचानकर उससे जुड़ता है।
उत्पादक जीन (Producer Gene — यूकैरियोटिक संरचनात्मक जीन): ग्राही जीन के सक्रिय होते ही उत्पादक जीन अनुलेखित होकर एंजाइम/प्रोटीन बनाता है। (समान ग्राही स्थल वाले उत्पादक जीनों के समूह को एक ‘जीन बैटरी’ [Gene Battery] कहते हैं)।

2. आरएनए हस्तक्षेप द्वारा जीन साइलेंसिंग (RNA Interference / RNAi — Fire & Mello, 1998)

खोजकर्ता: एंड्रयू फायर (Andrew Fire) एवं क्रेग मेलो (Craig Mello, 1998) ने सूत्रकृमि Caenorhabditis elegans में द्वि-रज्जुकी आरएनए (dsRNA) द्वारा विशिष्ट जीन साइलेंसिंग की खोज की, जिसके लिए उन्हें 2006 में नोबेल पुरस्कार मिला। (पौधों में इसे Co-suppression / PTGS तथा कवकों में Quelling कहते हैं)।
क्रियाविधि: कोशिका में आने वाले लंबे द्वि-रज्जुकी आरएनए (dsRNA) को राइबोन्यूक्लिएज III परिवार का एक एंडोन्यूक्लिएज एंजाइम — डाइसर (Dicer) काटकर 21–23 न्यूक्लियोटाइड लंबे छोटे हस्तक्षेपकारी आरएनए (siRNA — Small interfering RNA या miRNA) के टुकड़ों में बदल देता है।
यह siRNA एक बहु-प्रोटीन संकुल — RISC (RNA-Induced Silencing Complex, जिसमें उत्प्रेरक प्रोटीन Argonaute / Slicer होता है) के साथ जुड़ता है। RISC संकुल siRNA के गाइड रज्जुक की मदद से कोशिकाद्रव्य में अपने पूरक लक्ष्य mRNA को ढूँढकर काट (Cleave) देता है या उसका स्थानांतरण रोक देता है।
कृषि में अनुप्रयोग: तंबाकू के पौधे में सूत्रकृमि Meloidogyne incognita के विरुद्ध प्रतिरोधकता तथा Flavr Savr टमाटर (Polygalacturonase जीन साइलेंसिंग)।

माइंड मैप एवं त्वरित दृश्य पुनरीक्षण (Mind Map & Visual Summary)

🧬 जीन अभिव्यक्ति का नियमन (Regulation of Gene Expression)

1. लैक ओपेरॉन (जैकब व मोनोड, 1961)

प्रकृति: प्रेरणीय (Inducible) एवं अपचयी (Catabolic) — सामान्यतः OFF
जीन: lacI (रिप्रेसर), lacP, lacO, संरचनात्मक: Z (β-galactosidase), Y (Permease), A (Transacetylase)
वास्तविक प्रेरक: एलो-लैक्टोज (Allolactose) / कृत्रिम: IPTG
उत्परिवर्तन: I⁻ एवं O^c = सतत (Constitutive ON); I^s = सुपर-रिप्रेस्ड (सदैव OFF)

2. धनात्मक नियमन (CAP–cAMP)

कैटाबोलाइट दमन: ग्लूकोज की उपस्थिति में लैक ओपेरॉन दबता है
कम ग्लूकोज: उच्च cAMP ⇒ सक्रिय CAP–cAMP संकुल प्रमोटर से जुड़कर अनुलेखन 50× बढ़ाता है
उच्च ग्लूकोज: कम cAMP ⇒ CAP निष्क्रिय

3. ट्रिप (trp) ओपेरॉन एवं क्षीणन

प्रकृति: दमनकारी (Repressible) एवं उपचयी (Anabolic) — सामान्यतः ON
5 जीन: trpE, trpD, trpC, trpB, trpA
सह-दमनकारी (Corepressor): स्वयं ट्रिप्टोफैन (Aporepressor + Trp = Active)
क्षीणन (यानोफ्स्की): अधिक Trp = 3:4 समापक लूप (OFF); कम Trp = 2:3 प्रति-समापक लूप (ON)

4. यूकैरियोटिक बहु-स्तरीय नियमन

एपिजेनेटिक: हिस्टोन एसिटाइलेशन (HAT = ON) बनाम डीएनए मिथाइलेशन (5-mC = OFF)
ब्रिटन-डेविडसन (1969): Sensor → Integrator → Receptor → Producer
वैकल्पिक स्प्लाइसिंग: 1 जीन से अनेक प्रोटीन
RNAi (फायर व मेलो, 1998): dsRNA + Dicer + RISC (Argonaute) → mRNA विदलन

महत्वपूर्ण तुलनात्मक सारणियाँ (Master Comparison Tables)

सारणी 10.1: प्रेरणीय लैक (lac) ओपेरॉन बनाम दमनकारी ट्रिप (trp) ओपेरॉन (Lac Operon vs. Trp Operon)

तुलना का आधार (Basis)	लैक ओपेरॉन (Lac Operon — Inducible System)	ट्रिप ओपेरॉन (Trp Operon — Repressible System)
उपापचयी पथ की प्रकृति	अपचयी पथ (Catabolic / Degradative pathway) — लैक्टोज शर्करा को तोड़ने वाला तंत्र।	उपचयी पथ (Anabolic / Biosynthetic pathway) — ट्रिप्टोफैन अमीनो अम्ल का संश्लेषण करने वाला तंत्र।
सामान्य/डिफ़ॉल्ट अवस्था (Default State)	सामान्यतः बंद (Normally OFF / Repressed) रहता है।	सामान्यतः चालू (Normally ON / Active) रहता है।
दमनकारी प्रोटीन की प्रारंभिक अवस्था	lacI जीन द्वारा बनाया गया दमनकारी प्रोटीन जन्मजात रूप से सक्रिय (Active Repressor) होता है और सीधे ऑपरेटर से जुड़ जाता है।	trpR जीन द्वारा बनाया गया दमनकारी प्रोटीन अकेले निष्क्रिय (Inactive Aporepressor) होता है और अकेले ऑपरेटर से नहीं जुड़ सकता।
प्रभावक अणु (Effector Molecule)	प्रेरक (Inducer = Allolactose / Lactose) — यह दमनकारी से जुड़कर उसे निष्क्रिय करता है और ओपेरॉन को ON करता है।	सह-दमनकारी (Corepressor = Tryptophan) — यह एपो-रिप्रेसर से जुड़कर उसे सक्रिय करता है और ओपेरॉन को OFF करता है।
संरचनात्मक जीनों की संख्या	3 संरचनात्मक जीन: lacZ, lacY, lacA।	5 संरचनात्मक जीन: trpE, trpD, trpC, trpB, trpA।
अतिरिक्त सूक्ष्म नियंत्रण तंत्र	CAP–cAMP द्वारा धनात्मक नियंत्रण (Catabolite repression)।	लीडर क्षेत्र (trpL) में हेयरपिन लूप द्वारा क्षीणन (Attenuation)।

लैक ओपेरॉन उत्परिवर्ती एवं मेरोज़ाइगोट विश्लेषण प्रश्न (Solved Mutant & Merozygote Problems)

🧬 जैकब और मोनोड के लैक ओपेरॉन उत्परिवर्तनों के 3 स्वर्णिम नियम (3 Golden Rules for Lac Mutants)

lacI⁻ उत्परिवर्तन (दोषपूर्ण रिप्रेसर — Trans-recessive): इसमें दमनकारी प्रोटीन निष्क्रिय बनता है। अगुणित (I⁻ P⁺ O⁺ Z⁺) में ओपेरॉन सतत (Constitutive — बिना लैक्टोज के भी ON) हो जाता है। किंतु आंशिक द्विगुणित मेरोज़ाइगोट (I⁺ / I⁻) में सामान्य I⁺ एक विसरणशील रिप्रेसर बनाकर दोनों गुणसूत्रों को नियंत्रित कर लेता है, इसलिए I⁺, I⁻ पर प्रभावी है (I⁺ > I⁻)।
lacO^c उत्परिवर्तन (Operator-constitutive — Cis-dominant): इसमें ऑपरेटर डीएनए में बदलाव हो जाता है जिससे सामान्य रिप्रेसर उससे जुड़ ही नहीं पाता। चूंकि ऑपरेटर एक सिस-एक्टिंग स्थल है, इसलिए मेरोज़ाइगोट में भी O^c केवल अपने ही गुणसूत्र (Same strand / Cis) पर जुड़े Z⁺ या Y⁺ जीन को सतत (Constitutively ON) रखता है!
lacI^s उत्परिवर्तन (Super-repressor — Trans-dominant): इसमें रिप्रेसर के प्रेरक-बंधन स्थल (Allolactose binding site) में दोष आ जाता है। फलस्वरूप रिप्रेसर ऑपरेटर से तो जुड़ जाता है, पर लैक्टोज उससे जुड़कर उसे हटा नहीं पाता। यह दोनों गुणसूत्रों के ओपेरॉन को स्थायी रूप से बंद (Uninducible / Super-repressed — Always OFF) कर देता है (I^s > I⁺ > I⁻)।

हल की गई मास्टर तालिका: विभिन्न E. coli जीनप्ररूपों में β-Galactosidase (Z) का उत्पादन:

क्र.	E. coli जीनप्ररूप (Haploid / F’ Merozygote Genotype)	लैक्टोज अनुपस्थित (− Lactose)	लैक्टोज उपस्थित (+ Lactose)	अभिव्यक्ति का प्रकार एवं वैज्ञानिक कारण (Phenotype & Reason)
1.	I⁺ P⁺ O⁺ Z⁺ Y⁺ (वन्य-प्रकार)	− (OFF)	+ (ON)	प्रेरणीय (Inducible): सामान्य ओपेरॉन, केवल लैक्टोज होने पर ही एंजाइम बनता है।
2.	I⁻ P⁺ O⁺ Z⁺ Y⁺ (अगुणित I⁻)	+ (ON)	+ (ON)	सतत (Constitutive): कोई सक्रिय रिप्रेसर नहीं बनता, अतः सदैव चालू।
3.	I⁺ P⁺ O^c Z⁺ Y⁺ (अगुणित O^c)	+ (ON)	+ (ON)	सतत (Constitutive): उत्परिवर्तित ऑपरेटर से रिप्रेसर जुड़ नहीं पाता।
4.	I⁻ P⁺ O⁺ Z⁺ / F’ I⁺ P⁺ O⁺ Z⁻	− (OFF)	+ (ON)	प्रेरणीय (Inducible): F’ का सामान्य I⁺ विसरणशील रिप्रेसर बनाकर पहले गुणसूत्र के O⁺ Z⁺ को नियंत्रित कर लेता है (Trans-complementation)।
5.	I⁺ P⁺ O^c Z⁺ / F’ I⁺ P⁺ O⁺ Z⁻	+ (ON)	+ (ON)	सतत (Constitutive): O^c के साथ सिस (Cis) स्थिति में कार्यात्मक Z⁺ जुड़ा है, जिसे रिप्रेसर रोक नहीं सकता।
6.	I⁺ P⁺ O^c Z⁻ / F’ I⁺ P⁺ O⁺ Z⁺	− (OFF)	+ (ON)	प्रेरणीय (Inducible): O^c वाले गुणसूत्र का Z⁻ खराब है, जबकि कार्यात्मक Z⁺ सामान्य O⁺ के साथ सिस में जुड़ा है!
7.	I^s P⁺ O⁺ Z⁺ / F’ I⁺ P⁺ O⁺ Z⁺	− (OFF)	− (OFF)	अ-प्रेरणीय / सुपर-दमित (Super-repressed): I^s का सुपर-रिप्रेसर दोनों O⁺ को स्थायी रूप से ब्लॉक कर देता है।

20 बहुविकल्पीय प्रश्न — उत्तर एवं व्याख्या सहित (20 Solved MCQs)

Q1. प्रोकैरियोट्स में जीन नियमन का प्रसिद्ध ‘ओपेरॉन मॉडल’ (Operon Model / Lac Operon) वर्ष 1961 में किसने प्रतिपादित किया था? (Who proposed the Operon model of gene regulation in 1961?)

(A) बीडल एवं टैटम (Beadle and Tatum)
(B) फ्रांस्वा जैकब एवं जैक्स मोनोड (François Jacob and Jacques Monod)
(C) ब्रिटन एवं डेविडसन (Britten and Davidson)
(D) चार्ल्स यानोफ्स्की (Charles Yanofsky)