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IGNOU MZO-002 Solved Question Paper PDF
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IGNOU MZO-002 Previous Year Solved Question Paper in Hindi
Q1. (a) उपयुक्त उदाहरणों के साथ भेदनक्षमता (penetrance) और अभिव्यंजकता (expressivity) का वर्णन कीजिए। 5 (b) आनुवंशिक लक्षणों की वंशागति का पता लगाने के लिए वंशावली विश्लेषण का उपयोग कैसे किया जा सकता है? 5
Ans.
(a) भेदनक्षमता (Penetrance) और अभिव्यंजकता (Expressivity)
भेदनक्षमता और अभिव्यंजकता दो अवधारणाएँ हैं जो वर्णन करती हैं कि किसी विशेष जीनोटाइप का फेनोटाइप पर प्रभाव कैसे भिन्न हो सकता है।
भेदनक्षमता (Penetrance): भेदनक्षमता उस जनसंख्या के प्रतिशत को संदर्भित करती है जिसमें किसी विशेष एलील वाले व्यक्तियों में संबंधित फेनोटाइप भी प्रदर्शित होता है। यह एक “ऑल-ऑर-नन” (all-or-none) माप है।
- पूर्ण भेदनक्षमता (Complete Penetrance): जब जीन रखने वाले सभी व्यक्ति संबंधित लक्षण प्रदर्शित करते हैं (100%)। उदाहरण के लिए, हंटिंगटन रोग के लिए एलील वाले लगभग सभी लोग अंततः रोग विकसित करते हैं।
- अपूर्ण भेदनक्षमता (Incomplete Penetrance): जब जीन रखने वाले कुछ व्यक्ति संबंधित लक्षण प्रदर्शित नहीं करते हैं। उदाहरण: पॉलीडैक्टाइली (Polydactyly) , जिसमें मनुष्यों में अतिरिक्त उंगलियां या पैर की उंगलियां होती हैं। यह एक प्रभावी लक्षण है, लेकिन कुछ व्यक्ति जिनके पास पॉलीडैक्टाइली के लिए एलील होता है, उनमें सामान्य संख्या में उंगलियां और पैर की उंगलियां होती हैं। यदि किसी जीन की भेदनक्षमता 80% है, तो उस जीन वाले 100 में से 80 लोग लक्षण प्रदर्शित करेंगे।
अभिव्यंजकता (Expressivity): अभिव्यंजकता उस डिग्री या तीव्रता को संदर्भित करती है जिस तक एक विशेष जीनोटाइप एक व्यक्ति में फेनोटाइप के रूप में व्यक्त होता है। यह भेदनक्षमता के विपरीत है, जो यह निर्धारित करता है कि जीन व्यक्त होता है या नहीं।
- परिवर्तनीय अभिव्यंजकता (Variable Expressivity): जब एक ही जीनोटाइप वाले व्यक्तियों में लक्षण की गंभीरता या प्रकार में भिन्नता होती है। उदाहरण: न्यूरोफाइब्रोमैटोसिस (Neurofibromatosis) , एक आनुवंशिक विकार, जिसमें कुछ व्यक्तियों में केवल हल्के भूरे रंग के त्वचा के धब्बे (कैफे-औ-लैट स्पॉट) हो सकते हैं, जबकि दूसरों में त्वचा के नीचे कई ट्यूमर विकसित हो सकते हैं। इसी तरह, पॉलीडैक्टाइली में, एक व्यक्ति में एक छोटी, अविकसित अतिरिक्त उंगली हो सकती है, जबकि दूसरे में पूरी तरह से विकसित अतिरिक्त उंगली हो सकती है।
संक्षेप में, भेदनक्षमता पूछती है “क्या यह व्यक्त होता है?”, जबकि अभिव्यंजकता पूछती है “यह कितनी तीव्रता से व्यक्त होता है?”।
(b) वंशावली विश्लेषण (Pedigree Analysis)
वंशावली विश्लेषण एक परिवार के भीतर कई पीढ़ियों में किसी विशेष आनुवंशिक लक्षण या बीमारी की उपस्थिति या अनुपस्थिति का अध्ययन है। यह आनुवंशिक सलाहकारों और शोधकर्ताओं को किसी लक्षण की वंशागति के पैटर्न को निर्धारित करने में मदद करता है।
प्रक्रिया और प्रतीक: एक वंशावली चार्ट मानकीकृत प्रतीकों का उपयोग करके बनाया जाता है:
- वृत्त (Circle): महिला का प्रतिनिधित्व करता है।
- वर्ग (Square): पुरुष का प्रतिनिधित्व करता है।
- छायांकित प्रतीक (Shaded symbol): प्रभावित व्यक्ति (लक्षण प्रदर्शित करने वाला)।
- अछायांकित प्रतीक (Unshaded symbol): अप्रभावित व्यक्ति।
- आधा छायांकित प्रतीक (Half-shaded symbol): एक अप्रभावी लक्षण के लिए वाहक (heterozygous)।
- क्षैतिज रेखा (Horizontal line): व्यक्तियों के बीच संबंध (विवाह) को जोड़ती है।
- ऊर्ध्वाधर रेखा (Vertical line): माता-पिता को संतानों से जोड़ती है।
आनुवंशिक लक्षणों का पता लगाना: वंशावली चार्ट का विश्लेषण करके, विभिन्न वंशागति पैटर्न का पता लगाया जा सकता है:
- ऑटोसोमल डोमिनेंट (Autosomal Dominant): लक्षण हर पीढ़ी में दिखाई देता है। प्रभावित व्यक्तियों का कम से कम एक प्रभावित माता-पिता होता है। यह पुरुषों और महिलाओं को समान रूप से प्रभावित करता है। उदाहरण: हंटिंगटन रोग।
- ऑटोसोमल रिसेसिव (Autosomal Recessive): लक्षण पीढ़ियों को छोड़ सकता है। प्रभावित व्यक्ति अक्सर अप्रभावित माता-पिता से पैदा होते हैं (जो वाहक होते हैं)। यह पुरुषों और महिलाओं को समान रूप से प्रभावित करता है। उदाहरण: सिस्टिक फाइब्रोसिस।
- एक्स-लिंक्ड डोमिनेंट (X-linked Dominant): प्रभावित पिता अपनी सभी बेटियों को लक्षण देते हैं, लेकिन अपने किसी भी बेटे को नहीं। प्रभावित माताएं अपने 50% बच्चों (लिंग की परवाह किए बिना) को लक्षण दे सकती हैं।
- एक्स-लिंक्ड रिसेसिव (X-linked Recessive): यह लक्षण पुरुषों में बहुत अधिक आम है। प्रभावित माताएं अपने सभी बेटों को लक्षण देती हैं। यह लक्षण कभी भी पिता से पुत्र में सीधे पारित नहीं होता है। उदाहरण: हीमोफिलिया, रंग अंधापन।
इस प्रकार, वंशावली विश्लेषण आनुवंशिक लक्षणों के संचरण को ट्रैक करने, वंशागति के तरीके का अनुमान लगाने और भविष्य की पीढ़ियों में लक्षण की पुनरावृत्ति के जोखिम की भविष्यवाणी करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है।
Q2. (a) rII लोकस के आधार पर एक जीन की सूक्ष्म संरचना की विवेचना कीजिए। 5 (b) एक लैक ओपेरॉन में विभिन्न जीनों के संगठन की व्याख्या कीजिए। 5
Ans.
(a) rII लोकस पर आधारित जीन की सूक्ष्म संरचना
जीन की सूक्ष्म संरचना की अवधारणा, कि एक जीन एक अविभाज्य इकाई नहीं है, बल्कि एक रेखीय अनुक्रम है जिसमें परिवर्तन और पुनर्संयोजन हो सकता है, सेमूर बेंज़र (Seymour Benzer) द्वारा 1950 के दशक में बैक्टीरियोफेज T4 पर किए गए उनके अग्रणी कार्यों से स्थापित हुई थी। उन्होंने T4 फेज के rII लोकस का अध्ययन किया।
बेंज़र ने पाया कि rII म्यूटेंट फेज ई. कोलाई के स्ट्रेन K12(λ) को संक्रमित नहीं कर सकते, लेकिन स्ट्रेन B को संक्रमित कर सकते हैं। इस प्रणाली ने उन्हें दुर्लभ पुनर्संयोजन घटनाओं का पता लगाने की अनुमति दी।
बेंज़र के प्रयोगों से मुख्य निष्कर्ष:
- जीन भीतर पुनर्संयोजन (Intragenic Recombination): बेंज़र ने दो अलग-अलग rII म्यूटेंट के साथ एक K12(λ) जीवाणु को सह-संक्रमित किया। अधिकांश मामलों में, कोई फेज उत्पन्न नहीं हुआ। हालांकि, दुर्लभ मामलों में, जंगली-प्रकार (wild-type) फेज का उत्पादन हुआ। यह तभी संभव था जब दो म्यूटेंट जीनों के बीच पुनर्संयोजन हुआ हो, जिससे एक कार्यात्मक rII जीन और एक डबल-म्यूटेंट जीन बन गया हो। इसने यह सिद्ध किया कि पुनर्संयोजन जीन के भीतर हो सकता है, न कि केवल जीनों के बीच।
- सिस्ट्रॉन या कार्य की इकाई (Cistron or Unit of Function): बेंज़र ने पूरकता परीक्षण (complementation test) या सिस-ट्रांस टेस्ट (cis-trans test) विकसित किया। जब दो अलग-अलग rII म्यूटेंट एक ही ई. कोलाई K12(λ) कोशिका को संक्रमित करते हैं, तो दो परिणाम संभव हैं:
- पूरकता (Complementation): यदि उत्परिवर्तन दो अलग-अलग जीनों (सिस्ट्रॉन) में होते हैं, तो प्रत्येक म्यूटेंट जीनोम दूसरे द्वारा गायब कार्यात्मक प्रोटीन प्रदान करता है, और फेज प्रतिकृति कर सकता है।
- कोई पूरकता नहीं: यदि दोनों उत्परिवर्तन एक ही जीन (सिस्ट्रॉन) में होते हैं, तो कोई भी जीनोम एक कार्यात्मक प्रोटीन का उत्पादन नहीं कर सकता है, और कोई फेज प्रतिकृति नहीं होती है।
इस परीक्षण के माध्यम से, बेंज़र ने दिखाया कि rII लोकस वास्तव में दो आसन्न जीनों,
rIIA
और
rIIB
से बना है, जिन्हें अब
सिस्ट्रॉन
कहा जाता है। - म्यूटॉन और रेकॉन (Muton and Recon): बेंज़र ने जीन की सबसे छोटी इकाई को परिभाषित किया जो उत्परिवर्तित हो सकती है ( म्यूटॉन ) और सबसे छोटी इकाई जो पुनर्संयोजन कर सकती है ( रेकॉन )। उन्होंने पाया कि ये दोनों इकाइयाँ एक एकल न्यूक्लियोटाइड जोड़ी के बराबर थीं।
इस प्रकार, बेंज़र के काम ने जीन की शास्त्रीय “मनके-की-माला” (bead-on-a-string) अवधारणा को बदल दिया और जीन की आधुनिक आणविक समझ की नींव रखी, जिसमें एक जीन को कार्य, उत्परिवर्तन और पुनर्संयोजन की इकाइयों में विभाजित किया गया है, जो डीएनए के एक रेखीय अनुक्रम के अनुरूप है।
(b) लैक ओपेरॉन में जीनों का संगठन
लैक ओपेरॉन ( lac operon) ई. कोलाई और कई अन्य आंतों के बैक्टीरिया में पाया जाने वाला एक ओपेरॉन है, जो लैक्टोज के परिवहन और चयापचय के लिए आवश्यक है। यह जीन विनियमन का एक उत्कृष्ट मॉडल है। इसका संगठन फ्रांकोइस जैकब और जैक्स मोनोड द्वारा वर्णित किया गया था।
लैक ओपेरॉन में कई घटक होते हैं जो एक साथ समन्वित तरीके से काम करते हैं:
1. नियामक जीन (Regulatory Gene):
- lacI जीन: यह ओपेरॉन के संरचनात्मक जीनों से थोड़ा ऊपर की ओर स्थित होता है। इसका अपना प्रमोटर होता है और यह लगातार एक दमनकारी प्रोटीन (repressor protein) को कूटबद्ध करता है। यह दमनकारी प्रोटीन लैक ओपेरॉन के नियमन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
2. नियंत्रक तत्व (Control Elements): ये डीएनए के खंड हैं जो प्रोटीन को कूटबद्ध नहीं करते हैं लेकिन संरचनात्मक जीनों के प्रतिलेखन को नियंत्रित करते हैं।
- प्रमोटर (P): यह वह स्थल है जहां आरएनए पोलीमरेज़ (RNA polymerase) जुड़ता है ताकि प्रतिलेखन शुरू हो सके।
- ऑपरेटर (O): यह प्रमोटर और संरचनात्मक जीनों के बीच स्थित होता है। lacI दमनकारी प्रोटीन इस ऑपरेटर क्षेत्र से जुड़ता है, जिससे आरएनए पोलीमरेज़ को संरचनात्मक जीनों का प्रतिलेखन करने से भौतिक रूप से रोका जा सकता है।
3. संरचनात्मक जीन (Structural Genes): ये जीन उन एंजाइमों को कूटबद्ध करते हैं जो लैक्टोज चयापचय में शामिल होते हैं। इन्हें एक साथ एक पॉलीसिस्ट्रोनिक mRNA अणु में ट्रांसक्राइब किया जाता है।
- lacZ: यह β-गैलेक्टोसिडेज़ (β-galactosidase) एंजाइम को कूटबद्ध करता है, जो लैक्टोज को ग्लूकोज और गैलेक्टोज में तोड़ता है।
- lacY: यह लैक्टोज परमीज (lactose permease) को कूटबद्ध करता है, एक झिल्ली प्रोटीन जो कोशिका में लैक्टोज के परिवहन को सुगम बनाता है।
- lacA: यह थियोगैलेक्टोसाइड ट्रांसएसिटिलेज़ (thiogalactoside transacetylase) को कूटबद्ध करता है, जिसका कार्य पूरी तरह से समझा नहीं गया है, लेकिन यह संभवतः विषाक्त थियोगैलेक्टोसाइड्स को detoxify करने में मदद करता है।
कार्यप्रणाली:
- लैक्टोज की अनुपस्थिति में: lacI जीन द्वारा उत्पादित दमनकारी प्रोटीन ऑपरेटर (O) से जुड़ जाता है। यह आरएनए पोलीमरेज़ को प्रमोटर (P) से आगे बढ़ने और संरचनात्मक जीनों (lacZ, lacY, lacA) को ट्रांसक्राइब करने से रोकता है। इस प्रकार, ओपेरॉन ‘बंद’ (switched off) रहता है।
- लैक्टोज की उपस्थिति में: जब लैक्टोज मौजूद होता है, तो इसका एक उप-उत्पाद, एलोलैक्टोज (allolactose) , एक प्रेरक (inducer) के रूप में कार्य करता है। एलोलैक्टोज दमनकारी प्रोटीन से जुड़ता है, जिससे इसका आकार बदल जाता है। यह परिवर्तित दमनकारी प्रोटीन अब ऑपरेटर से नहीं जुड़ सकता है। इसके परिणामस्वरूप, आरएनए पोलीमरेज़ संरचनात्मक जीनों का प्रतिलेखन कर सकता है, और लैक्टोज चयापचय के लिए आवश्यक एंजाइम उत्पन्न होते हैं। इस प्रकार, ओपेरॉन ‘चालू’ (switched on) हो जाता है।
यह संगठन कोशिका को केवल तभी ऊर्जा और संसाधन खर्च करने की अनुमति देता है जब लैक्टोज उपलब्ध हो, जो इसे एक कुशल नियामक प्रणाली बनाता है।
Q3. डीएनए क्षति की मरम्मत के लिए जिम्मेदार विभिन्न तंत्रों का उपयुक्त आरेखों के साथ वर्णन कीजिए। 10
Ans. डीएनए एक स्थिर अणु है, लेकिन यह सहज क्षय और पर्यावरणीय कारकों (जैसे यूवी विकिरण, रसायन) से होने वाली क्षति के प्रति संवेदनशील है। कोशिकाओं ने डीएनए की अखंडता को बनाए रखने के लिए कई परिष्कृत मरम्मत तंत्र विकसित किए हैं। मुख्य डीएनए मरम्मत तंत्र निम्नलिखित हैं:
1. सीधी मरम्मत (Direct Repair) यह सबसे सरल मरम्मत तंत्र है, जिसमें क्षतिग्रस्त न्यूक्लियोटाइड को हटाए बिना उसे सीधे उलट दिया जाता है।
- फोटोएक्टिवेशन (Photoreactivation): यह यूवी विकिरण के कारण बने थाइमिन डाइमर (thymine dimers) की मरम्मत करता है। फोटोलाइएज (photolyase) नामक एंजाइम डाइमर से जुड़ता है और दृश्य प्रकाश से ऊर्जा का उपयोग करके डाइमर को तोड़कर दो मूल थाइमिन बेस को पुनर्स्थापित करता है। ( आरेख में, दो जुड़े हुए T-T को दिखाया जाएगा जो प्रकाश और फोटोलाइएज की उपस्थिति में अलग-अलग T-T में बदल जाते हैं। )
- एल्किलट्रांसफेरेज़ (Alkyltransferase): यह एल्किलेटिंग एजेंटों द्वारा जोड़े गए एल्किल समूहों (जैसे मिथाइल या एथिल) को हटाता है। उदाहरण के लिए, एंजाइम O6-मिथाइलगुआनिन डीएनए मिथाइलट्रांसफेरेज़ (MGMT) गुआनिन के O6 स्थिति से एक मिथाइल समूह को अपने एक सिस्टीन अवशेष में स्थानांतरित करता है, जिससे डीएनए की मरम्मत होती है लेकिन एंजाइम निष्क्रिय हो जाता है।
2. उच्छेदन मरम्मत (Excision Repair) यह एक सामान्य तंत्र है जिसमें क्षतिग्रस्त खंड को डीएनए से हटा दिया जाता है और फिर डीएनए पोलीमरेज़ और डीएनए लिगेज द्वारा फिर से संश्लेषित किया जाता है।
- क्षार उच्छेदन मरम्मत (Base Excision Repair – BER): यह एकल क्षतिग्रस्त क्षार (जैसे डीमिनेशन या ऑक्सीकरण से उत्पन्न) को ठीक करता है।
- डीएनए ग्लाइकोसिलेज (DNA glycosylase) क्षतिग्रस्त क्षार को पहचानता है और उसे ग्लाइकोसिडिक बंधन को तोड़कर हटा देता है, जिससे एक AP (apurinic/apyrimidinic) साइट बनती है।
- AP एंडोन्यूक्लिज़ (AP endonuclease) AP साइट पर फॉस्फोडाइस्टर बैकबोन को काटता है।
- डीएनए पोलीमरेज़ खाई को भरता है, और डीएनए लिगेज निक को सील कर देता है।
(
आरेख में, एक क्षतिग्रस्त क्षार को ग्लाइकोसिलेज द्वारा हटाया जाता है, फिर एंडोन्यूक्लिज़ द्वारा काटा जाता है, और पोलीमरेज़ और लिगेज द्वारा भरा जाता है।
) - न्यूक्लियोटाइड उच्छेदन मरम्मत (Nucleotide Excision Repair – NER): यह बड़े, हेलिक्स-बिगाड़ने वाले घावों (जैसे थाइमिन डाइमर या बड़े रासायनिक एडक्ट्स) को हटाता है।
- एक बहु-एंजाइम कॉम्प्लेक्स (जैसे ई. कोलाई में UvrABC) क्षति को पहचानता है।
- एक्सिन्यूक्लिज़ (Excinuclease) क्षतिग्रस्त खंड के दोनों ओर बैकबोन को काटता है।
- डीएनए हेलिकेज़ लगभग 12-30 न्यूक्लियोटाइड लंबे क्षतिग्रस्त खंड को हटा देता है।
- डीएनए पोलीमरेज़ और डीएनए लिगेज खाई को भरते हैं।
(
आरेख में, एक बड़े घाव को एंजाइम कॉम्प्लेक्स द्वारा पहचाना जाता है, एक बड़ा खंड हटा दिया जाता है, और फिर खाई को फिर से संश्लेषित किया जाता है।
)
3. बेमेल मरम्मत (Mismatch Repair – MMR) यह डीएनए प्रतिकृति के दौरान हुई गलतियों (गलत न्यूक्लियोटाइड का सम्मिलन) को ठीक करता है। ई. कोलाई में, MutS प्रोटीन बेमेल को पहचानता है, MutL और MutH भर्ती होते हैं। MutH पुराने (मिथाइलेटेड) टेम्पलेट स्ट्रैंड और नए (गैर-मिथाइलेटेड) स्ट्रैंड के बीच अंतर करता है और नए स्ट्रैंड में एक निक बनाता है। फिर एक्सोन्यूक्लिज़ बेमेल सहित खंड को हटा देता है, और पोलीमरेज़ और लिगेज द्वारा खाई को भर दिया जाता है।
4. डबल-स्ट्रैंड ब्रेक (DSB) मरम्मत डीएनए में डबल-स्ट्रैंड ब्रेक विशेष रूप से खतरनाक होते हैं क्योंकि वे गुणसूत्रों के टूटने का कारण बन सकते हैं।
- गैर-सजातीय अंत जुड़ाव (Non-Homologous End Joining – NHEJ): यह एक त्वरित लेकिन त्रुटि-प्रवण तंत्र है। टूटे हुए सिरों को संसाधित किया जाता है और Ku प्रोटीन और डीएनए लिगेज IV कॉम्प्लेक्स द्वारा सीधे एक साथ जोड़ा जाता है। इस प्रक्रिया में अक्सर कुछ न्यूक्लियोटाइड का नुकसान या सम्मिलन होता है, जिससे उत्परिवर्तन हो सकता है।
- सजातीय पुनर्संयोजन (Homologous Recombination – HR): यह एक त्रुटि-मुक्त तंत्र है जो DSB की मरम्मत के लिए एक टेम्पलेट के रूप में एक समरूप गुणसूत्र या बहन क्रोमैटिड का उपयोग करता है। इसमें टूटे हुए सिरों का उच्छेदन, टेम्पलेट पर स्ट्रैंड आक्रमण, डीएनए संश्लेषण और अंत में जुड़ाव शामिल है। यह कोशिका चक्र के S और G2 चरणों के दौरान सक्रिय होता है जब एक बहन क्रोमैटिड उपलब्ध होती है।
( आरेख में NHEJ को टूटे सिरों के सीधे जुड़ाव के रूप में दिखाया जाएगा, जबकि HR में एक टेम्पलेट के रूप में एक बहन क्रोमैटिड का उपयोग करके खाई को भरना दिखाया जाएगा। )
Q4. (a) एक्स-गुणसूत्र निष्क्रियण के आणविक तंत्र की विवेचना कीजिए। 3 (b) एक्यूट मायलॉइड ल्यूकेमिया (AML) और क्रोनिक मायलॉइड ल्यूकेमिया (CML) के बीच अंतर कीजिए। 7
Ans.
(a) एक्स-गुणसूत्र निष्क्रियण का आणविक तंत्र
एक्स-गुणसूत्र निष्क्रियण, जिसे लायोनाइज़ेशन (Lyonization) भी कहा जाता है, मादा स्तनधारियों में एक प्रक्रिया है जो पुरुषों (XY) और महिलाओं (XX) के बीच X-लिंक्ड जीन उत्पादों की मात्रा को बराबर करती है, जिसे खुराक क्षतिपूर्ति (dosage compensation) कहा जाता है। इस प्रक्रिया में, प्रत्येक दैहिक कोशिका में दो एक्स-गुणसूत्रों में से एक को भ्रूणीय विकास के आरंभ में यादृच्छिक रूप से निष्क्रिय कर दिया जाता है।
आणविक तंत्र इस प्रकार है:
- निष्क्रियण की गिनती और पसंद: कोशिका पहले अपने एक्स-गुणसूत्रों की ‘गिनती’ करती है और यह सुनिश्चित करती है कि केवल एक ही सक्रिय रहे।
- X-निष्क्रियण केंद्र (XIC): यह प्रक्रिया एक्स-गुणसूत्र पर एक विशिष्ट क्षेत्र द्वारा नियंत्रित होती है जिसे एक्स-निष्क्रियण केंद्र (X-inactivation center, XIC) कहा जाता है।
- XIST जीन: XIC के भीतर एक महत्वपूर्ण जीन है जिसे XIST (X-inactive specific transcript) कहा जाता है। यह जीन एक लंबा, गैर-कोडिंग आरएनए अणु (lncRNA) उत्पन्न करता है।
- निष्क्रियण का प्रारंभ: निष्क्रिय होने वाले एक्स-गुणसूत्र पर XIST जीन सक्रिय हो जाता है और XIST RNA का उत्पादन करता है। यह XIST RNA उसी गुणसूत्र को ‘कोट’ करता है जिससे यह उत्पन्न हुआ है ( cis-acting )। सक्रिय एक्स-गुणसूत्र पर XIST जीन मौन रहता है।
- जीन साइलेंसिंग: XIST RNA का लेप गुणसूत्र पर साइलेंसिंग कॉम्प्लेक्स को आकर्षित करता है, जो कई एपिजेनेटिक संशोधनों को प्रेरित करता है:
- हिस्टोन संशोधन: निष्क्रिय X पर हिस्टोन (जैसे H3 और H4) डी-एसिटिलेटेड हो जाते हैं और कुछ लाइसिन अवशेषों पर मिथाइलेटेड हो जाते हैं (जैसे H3K9me3, H3K27me3), जो क्रोमेटिन को संघनित करते हैं और जीन अभिव्यक्ति को दबाते हैं।
- डीएनए मेथिलिकरण: निष्क्रिय एक्स-गुणसूत्र पर जीन प्रमोटरों में CpG द्वीपों का भारी मेथिलिकरण होता है, जो जीन साइलेंसिंग को स्थायी रूप से बंद कर देता है।
- बार बॉडी का निर्माण: इन संशोधनों के परिणामस्वरूप, निष्क्रिय एक्स-गुणसूत्र एक अत्यधिक संघनित संरचना में बदल जाता है जिसे बार बॉडी (Barr body) कहा जाता है, जो कोशिका के नाभिक के किनारे पर दिखाई देता है।
यह निष्क्रियता स्थायी होती है और कोशिका विभाजन के माध्यम से सभी वंशज कोशिकाओं में बनी रहती है।
(b) एक्यूट मायलॉइड ल्यूकेमिया (AML) और क्रोनिक मायलॉइड ल्यूकेमिया (CML) के बीच अंतर
AML और CML दोनों मायलॉइड वंश की रक्त कोशिकाओं के कैंसर हैं, लेकिन वे अपनी शुरुआत, कोशिका प्रकार, आनुवंशिकी और उपचार में बहुत भिन्न हैं।
विशेषता
एक्यूट मायलॉइड ल्यूकेमिया (AML)
क्रोनिक मायलॉइड ल्यूकेमिया (CML)
शुरुआत
तीव्र (Acute): तेजी से बढ़ता है। लक्षण हफ्तों के भीतर गंभीर हो जाते हैं।
जीर्ण (Chronic): धीरे-धीरे बढ़ता है। प्रारंभिक चरण (क्रोनिक चरण) महीनों या वर्षों तक रह सकता है, अक्सर कम या कोई लक्षण नहीं होता है।
प्रभावित कोशिकाएं
अस्थि मज्जा में मायलोब्लास्ट्स (myeloblasts) नामक अपरिपक्व कोशिकाओं का तेजी से प्रसार होता है। ये कोशिकाएं परिपक्व नहीं हो पाती हैं और सामान्य रक्त कोशिकाओं का उत्पादन रोक देती हैं।
अपेक्षाकृत परिपक्व, लेकिन कार्यात्मक रूप से असामान्य, ग्रेन्युलोसाइट्स (granulocytes) (न्यूट्रोफिल, बेसोफिल, ईोसिनोफिल) का अत्यधिक उत्पादन होता है।
लक्षण
गंभीर और तेजी से शुरू होने वाले लक्षण, जैसे थकान (एनीमिया के कारण), बार-बार संक्रमण (सामान्य सफेद रक्त कोशिकाओं की कमी), और आसानी से चोट लगना या खून बहना (प्लेटलेट्स की कमी)।
अक्सर प्रारंभिक चरण में लक्षणहीन। बाद में थकान, वजन घटना और बढ़े हुए प्लीहा (splenomegaly) के कारण पेट में भरापन महसूस हो सकता है।
आनुवंशिक पहचान
आनुवंशिक रूप से विषम। विभिन्न प्रकार के गुणसूत्र संबंधी असामान्यताएं और जीन उत्परिवर्तन (जैसे FLT3, NPM1) शामिल हैं।
लगभग 95% मामलों में एक विशिष्ट गुणसूत्र असामान्यता होती है जिसे फिलाडेल्फिया गुणसूत्र (Philadelphia chromosome) कहा जाता है। यह गुणसूत्र 9 और 22 (t(9;22)) के बीच एक पारस्परिक स्थानांतरण है, जो BCR-ABL फ्यूजन जीन बनाता है।
रक्त चित्र
अस्थि मज्जा और रक्त में 20% से अधिक ब्लास्ट कोशिकाएं।
सफेद रक्त कोशिकाओं की संख्या बहुत अधिक (ल्यूकोसाइटोसिस), विशेष रूप से न्यूट्रोफिल और उनके अग्रदूत।
उपचार और पूर्वानुमान
आक्रामक कीमोथेरेपी और अक्सर स्टेम सेल प्रत्यारोपण की आवश्यकता होती है। पूर्वानुमान परिवर्तनशील है और रोगी की उम्र और साइटोजेनेटिक प्रोफाइल पर निर्भर करता है।
टाइरोसिन किनेज इनहिबिटर (TKIs) जैसे इमैटिनिब (Imatinib) के साथ लक्षित थेरेपी के प्रति बहुत उत्तरदायी है, जो BCR-ABL प्रोटीन को लक्षित करता है। TKI के साथ, अधिकांश रोगियों का पूर्वानुमान उत्कृष्ट होता है।
Q5. जीन अभिव्यक्ति अध्ययन के लिए उपयोग की जाने वाली ब्लॉटिंग तकनीक के सिद्धांत और प्रक्रिया का वर्णन कीजिए। इसके लाभ और अनुप्रयोगों का उल्लेख कीजिए। 10
Ans. जीन अभिव्यक्ति के अध्ययन के लिए उपयोग की जाने वाली प्रमुख ब्लॉटिंग तकनीक नार्दर्न ब्लॉटिंग (Northern Blotting) है। यह तकनीक एक विशिष्ट आरएनए अणु (mRNA) की उपस्थिति, आकार और सापेक्ष मात्रा का पता लगाने के लिए प्रयोग की जाती है, जो सीधे जीन की गतिविधि को दर्शाता है।
सिद्धांत (Principle): नार्दर्न ब्लॉटिंग का सिद्धांत एक विशिष्ट आरएनए अनुक्रम की पहचान करने के लिए एक पूरक न्यूक्लिक एसिड प्रोब के संकरण (hybridization) पर आधारित है। प्रक्रिया में, कोशिका से निकाले गए आरएनए नमूनों को आकार के अनुसार अलग करने के लिए जेल इलेक्ट्रोफोरेसिस का उपयोग किया जाता है। फिर, अलग किए गए आरएनए को एक ठोस झिल्ली (solid membrane) पर स्थानांतरित किया जाता है। अंत में, एक लेबल युक्त, एकल-रज्जुक डीएनए या आरएनए प्रोब, जो लक्ष्य आरएनए के लिए पूरक है, को झिल्ली से संकरण करने दिया जाता है। प्रोब का बंधन लक्ष्य आरएनए की उपस्थिति को इंगित करता है।
प्रक्रिया (Procedure): नार्दर्न ब्लॉटिंग में निम्नलिखित चरण शामिल हैं:
- आरएनए निष्कर्षण (RNA Extraction): कोशिकाओं या ऊतकों से कुल आरएनए या पॉली(A) आरएनए (mRNA) को सावधानीपूर्वक निकाला जाता है ताकि RNases द्वारा क्षरण को रोका जा सके।
- जेल इलेक्ट्रोफोरेसिस (Gel Electrophoresis): आरएनए नमूनों को एक डीनैचरिंग एगारोज जेल (denaturing agarose gel) पर लोड किया जाता है। फॉर्मल्डिहाइड जैसे डीनैचरिंग एजेंट का उपयोग आरएनए में द्वितीयक संरचनाओं को बनने से रोकने के लिए किया जाता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि प्रवासन केवल आकार पर आधारित हो।
- स्थानांतरण (Blotting): जेल से आरएनए को केशिका क्रिया (capillary action) या इलेक्ट्रो-ट्रांसफर द्वारा एक ठोस समर्थन पर स्थानांतरित किया जाता है। यह समर्थन आमतौर पर एक नाइट्रोसेल्यूलोज (nitrocellulose) या नायलॉन (nylon) झिल्ली होती है। आरएनए झिल्ली पर अपनी सापेक्ष स्थिति बनाए रखता है।
- प्री-हाइब्रिडाइजेशन (Blocking): गैर-विशिष्ट प्रोब बाइंडिंग को रोकने के लिए झिल्ली को एक अवरोधक घोल (blocking solution) के साथ इनक्यूबेट किया जाता है।
- संकरण (Hybridization): झिल्ली को एक घोल के साथ इनक्यूबेट किया जाता है जिसमें एक लेबल युक्त प्रोब (labeled probe) होता है। यह प्रोब एक एकल-रज्जुक डीएनए या आरएनए अणु होता है जो लक्ष्य एमआरएनए के अनुक्रम के लिए पूरक होता है। प्रोब को रेडियोधर्मी (जैसे ³²P) या गैर-रेडियोधर्मी (जैसे बायोटिन, डिगॉक्सीजेनिन) तरीकों से लेबल किया जा सकता है।
- धुलाई (Washing): गैर-बाध्य या कमजोर रूप से बंधे हुए प्रोब को हटाने के लिए झिल्ली को विभिन्न कठोरता की स्थितियों में धोया जाता है।
- पता लगाना (Detection): झिल्ली पर बंधे हुए प्रोब का पता लगाया जाता है। यदि एक रेडियोधर्मी प्रोब का उपयोग किया गया था, तो इसका पता ऑटोरेडियोग्राफी (autoradiography) द्वारा लगाया जाता है। गैर-रेडियोधर्मी प्रोब का पता आमतौर पर कीमिल्यूमिनेसेंस (chemiluminescence) या रंगमितीय अभिक्रियाओं के माध्यम से लगाया जाता है। परिणाम एक बैंड के रूप में दिखाई देता है, जिसकी स्थिति आरएनए के आकार को और तीव्रता उसकी मात्रा को दर्शाती है।
लाभ (Advantages):
- यह लक्ष्य आरएनए का आकार प्रदान करता है, जो वैकल्पिक स्प्लिसिंग वेरिएंट का पता लगाने में मदद कर सकता है।
- यह जीन अभिव्यक्ति का एक सीधा माप है और अत्यधिक विशिष्ट है।
- यह आरएनए की अखंडता की जांच करने की अनुमति देता है।
- यह पीसीआर-आधारित तरीकों की तुलना में मात्रात्मक रूप से अधिक विश्वसनीय हो सकता है, क्योंकि इसमें प्रवर्धन चरण शामिल नहीं है।
अनुप्रयोग (Applications):
- विभिन्न ऊतकों, विकासात्मक चरणों या रोग स्थितियों में जीन अभिव्यक्ति के स्तर का अध्ययन करना।
- पर्यावरणीय उत्तेजनाओं, दवाओं या हार्मोन के जवाब में जीन अभिव्यक्ति में परिवर्तन का विश्लेषण करना।
- वैकल्पिक स्प्लिसिंग (alternative splicing) द्वारा उत्पन्न विभिन्न एमआरएनए प्रतिलेखों के आकार और बहुतायत का निर्धारण करना।
- नॉकआउट या ट्रांसजेनिक जानवरों में जीन अभिव्यक्ति की पुष्टि करना।
- कैंसर जैसे रोगों के आणविक आधार का अध्ययन करना, जहां जीन अभिव्यक्ति में परिवर्तन होता है।
Q6. (a) जीन थेरेपी के विभिन्न प्रकारों की व्याख्या कीजिए। 5 (b) आरेख के साथ ट्रांसजेनिक भेड़ डॉली के उत्पादन के सिद्धांत पर चर्चा कीजिए। 5
Ans.
(a) जीन थेरेपी के विभिन्न प्रकार
जीन थेरेपी एक प्रायोगिक तकनीक है जो आनुवंशिक विकारों के इलाज या रोकथाम के लिए जीन का उपयोग करती है। इसमें एक दोषपूर्ण जीन को एक स्वस्थ प्रतिलिपि के साथ बदलना, एक अनुपस्थित या दोषपूर्ण जीन का पूरक होना, या किसी बीमारी से लड़ने के लिए जीन को चालू या बंद करना शामिल है। जीन थेरेपी को मुख्य रूप से लक्षित कोशिका के प्रकार के आधार पर दो श्रेणियों में बांटा गया है:
1. दैहिक जीन थेरेपी (Somatic Gene Therapy) इस दृष्टिकोण में, चिकित्सीय जीन को रोगी की दैहिक कोशिकाओं (somatic cells) , यानी गैर-प्रजनन कोशिकाओं (जैसे यकृत, फेफड़े, रक्त कोशिकाएं) में स्थानांतरित किया जाता है।
- अविरासत योग्य (Non-heritable): दैहिक कोशिकाओं में किए गए आनुवंशिक परिवर्तन रोगी के वंशजों को पारित नहीं होते हैं।
- लक्ष्य: इसका उद्देश्य केवल उस व्यक्ति का इलाज करना है जिसे थेरेपी दी जा रही है।
- दृष्टिकोण:
- एक्स वीवो (Ex vivo) जीन थेरेपी: रोगी से कोशिकाओं को निकाला जाता है, प्रयोगशाला में आनुवंशिक रूप से संशोधित किया जाता है, और फिर रोगी में वापस डाल दिया जाता है। यह विधि रक्त विकारों (जैसे SCID – गंभीर संयुक्त इम्यूनोडेफिशिएंसी) के लिए अधिक सुरक्षित और अधिक सामान्य है।
- इन वीवो (In vivo) जीन थेरेपी: चिकित्सीय जीन वाले वेक्टर (जैसे वायरस) को सीधे रोगी के शरीर में (उदाहरण के लिए, इंजेक्शन या साँस द्वारा) पहुंचाया जाता है। यह सिस्टिक फाइब्रोसिस (फेफड़ों को लक्षित करना) जैसे विकारों के लिए उपयुक्त है।
- उदाहरण: एडेनोसिन डेमिनेज (ADA) की कमी के कारण होने वाले SCID का इलाज, जिसमें रोगी के लिम्फोसाइट्स में कार्यात्मक ADA जीन डाला जाता है।
2. जर्मलाइन जीन थेरेपी (Germline Gene Therapy) इस दृष्टिकोण में, जीन को जर्म कोशिकाओं (germ cells) , यानी शुक्राणु, अंडे या प्रारंभिक भ्रूण में संशोधित किया जाता है।
- विरासत योग्य (Heritable): जर्मलाइन में किए गए आनुवंशिक परिवर्तन स्थायी होते हैं और बाद की पीढ़ियों को पारित किए जा सकते हैं।
- लक्ष्य: आनुवंशिक रोगों को एक परिवार के वंश से स्थायी रूप से समाप्त करना।
- स्थिति: तकनीकी चुनौतियों, अप्रत्याशित परिणामों के जोखिम और गंभीर नैतिक और सामाजिक चिंताओं के कारण, जर्मलाइन जीन थेरेपी वर्तमान में मनुष्यों में नहीं की जाती है। सुरक्षा, सहमति (अजन्मे व्यक्ति की ओर से), और “डिजाइनर शिशुओं” की क्षमता से संबंधित मुद्दे इसे अत्यधिक विवादास्पद बनाते हैं।
वर्तमान में, सभी स्वीकृत और प्रायोगिक जीन थेरेपी परीक्षण दैहिक कोशिका दृष्टिकोण का उपयोग करते हैं।
(b) ट्रांसजेनिक भेड़ डॉली के उत्पादन का सिद्धांत
डॉली, 1996 में जन्मी भेड़, एक वयस्क दैहिक कोशिका से सफलतापूर्वक क्लोन किया जाने वाला पहला स्तनपायी थी। यह उपलब्धि सोमैटिक सेल न्यूक्लियर ट्रांसफर (Somatic Cell Nuclear Transfer – SCNT) नामक तकनीक का उपयोग करके हासिल की गई थी।
सिद्धांत: SCNT का मूल सिद्धांत यह है कि एक विभेदित (differentiated) दैहिक कोशिका (जैसे त्वचा या स्तन ग्रंथि कोशिका) के नाभिक में अभी भी एक संपूर्ण जीव के विकास को निर्देशित करने के लिए सभी आवश्यक आनुवंशिक जानकारी (डीएनए) होती है। जब इस नाभिक को एक केंद्रक-रहित (enucleated) अंडे की कोशिका के कोशिकाद्रव्य में रखा जाता है, तो अंडे का कोशिकाद्रव्य नाभिक को “पुनः प्रोग्राम” कर सकता है, जिससे यह अपनी विशेष स्थिति को “भूल” जाता है और एक भ्रूण की तरह व्यवहार करना शुरू कर देता है।
उत्पादन की प्रक्रिया: डॉली के उत्पादन में निम्नलिखित चरण शामिल थे:
- नाभिक दाता (Somatic Cell Donor): एक 6 वर्षीय फिन डोर्सेट भेड़ (सफेद चेहरे वाली) की स्तन ग्रंथि से एक दैहिक कोशिका ली गई थी। इन कोशिकाओं को प्रयोगशाला में सुस्त (G0) अवस्था में प्रवेश करने के लिए पोषक तत्वों से वंचित करके संवर्धित किया गया था। यह पुनः प्रोग्रामिंग के लिए नाभिक को अधिक ग्रहणशील बनाने के लिए किया गया था।
- अंडाणु दाता (Egg Cell Donor): एक स्कॉटिश ब्लैकफेस भेड़ (काले चेहरे वाली) से एक अपरिपक्व अंडाणु (oocyte) एकत्र किया गया था।
- एन्यूक्लिएशन (Enucleation): सूक्ष्म उपकरणों का उपयोग करके, स्कॉटिश ब्लैकफेस अंडाणु से उसके अपने गुणसूत्र युक्त नाभिक को हटा दिया गया था। अब यह एक केंद्रक-रहित अंडाणु था।
- नाभिकीय स्थानांतरण (Nuclear Transfer): फिन डोर्सेट स्तन कोशिका को केंद्रक-रहित अंडाणु के बगल में रखा गया था। एक हल्का विद्युत आवेग दोनों कोशिकाओं को फ्यूज करने के लिए लगाया गया, जिससे स्तन कोशिका का नाभिक अंडे के कोशिकाद्रव्य में स्थानांतरित हो गया।
- सक्रियण (Activation): एक और विद्युत आवेग का उपयोग अंडे को सक्रिय करने के लिए किया गया, जो निषेचन की प्रक्रिया का अनुकरण करता है, और इसे विभाजित होने और एक भ्रूण के रूप में विकसित होने के लिए प्रेरित करता है।
- संवर्धन और प्रत्यारोपण (Culture and Implantation): पुनर्निर्मित भ्रूण को प्रयोगशाला में लगभग छह दिनों तक संवर्धित किया गया जब तक कि यह एक ब्लास्टोसिस्ट (blastocyst) के चरण तक नहीं पहुंच गया। फिर इस भ्रूण को एक तीसरी भेड़, एक सरोगेट मां (जो एक और स्कॉटिश ब्लैकफेस थी) के गर्भाशय में प्रत्यारोपित किया गया।
- जन्म (Birth): गर्भावस्था के सामान्य अवधि के बाद, सरोगेट मां ने डॉली को जन्म दिया।
परिणाम और आरेख:
डॉली एक फिन डोर्सेट भेड़ थी (सफेद चेहरे वाली), जो यह साबित करती है कि वह नाभिक दाता की एक आनुवंशिक प्रतिकृति (क्लोन) थी, न कि अंडाणु दाता या सरोगेट मां की।
(आरेख में तीन भेड़ों को दिखाया जाएगा: 1. फिन डोर्सेट (स्तन कोशिका दाता), 2. स्कॉटिश ब्लैकफेस (अंडाणु दाता), और 3. स्कॉटिश ब्लैकफेस (सरोगेट मां)। तीर स्तन कोशिका के नाभिक को केंद्रक-रहित अंडे में जाते हुए, फिर भ्रूण को सरोगेट में प्रत्यारोपित होते हुए, और अंत में डॉली (एक फिन डोर्सेट मेमने) के जन्म को दर्शाएंगे।)
Q7. निम्नलिखित शब्दों का वर्णन कीजिए: 4×2½=10 (a) बैक्टीरियल आर्टिफिशियल क्रोमोसोम (b) डीएनए मेथिलिकरण एपिजेनेटिक विनियमन के रूप में (c) बहुविकल्पी एलील (d) जीन नॉक-आउट
Ans.
(a) बैक्टीरियल आर्टिफिशियल क्रोमोसोम (Bacterial Artificial Chromosome – BAC) एक बैक्टीरियल आर्टिफिशियल क्रोमोसोम (बीएसी) एक डीएनए अणु है जिसका उपयोग ई. कोलाई में डीएनए के बड़े टुकड़ों (आमतौर पर 100-350 किलोबेस) को क्लोन करने के लिए किया जाता है। यह ई. कोलाई में स्वाभाविक रूप से पाए जाने वाले एफ-प्लाज्मिड (F-plasmid) पर आधारित है। बीएसी में निम्नलिखित आवश्यक तत्व होते हैं:
- oriS और repE: ये एफ-प्लाज्मिड से प्राप्त जीन हैं जो प्लाज्मिड की प्रतिकृति और प्रतिलिपि संख्या को कड़ाई से नियंत्रित करते हैं, इसे प्रति कोशिका लगभग एक या दो प्रतियों तक सीमित करते हैं। यह बड़ी आवेषणों की स्थिरता सुनिश्चित करता है।
- parA और parB: ये जीन सुनिश्चित करते हैं कि कोशिका विभाजन के दौरान बीएसी प्लाज्मिड का संतति कोशिकाओं में समान रूप से विभाजन हो, जिससे प्लाज्मिड की हानि को रोका जा सके।
- एक चयन योग्य मार्कर (Selectable Marker): जैसे क्लोरैम्फेनिकॉल प्रतिरोध जीन (cmR), जो उन बैक्टीरिया के चयन की अनुमति देता है जिन्होंने सफलतापूर्वक बीएसी को ग्रहण कर लिया है।
- एक क्लोनिंग साइट (Cloning Site): जैसे कि एक बहु-क्लोनिंग साइट (MCS), जिसमें प्रतिबंध एंजाइमों के लिए कई अनूठे पहचान स्थल होते हैं, जहां विदेशी डीएनए डाला जा सकता है।
उनकी बड़ी डीएनए ले जाने की क्षमता के कारण, बीएसी जीनोम अनुक्रमण परियोजनाओं में अमूल्य थे, जिसमें मानव जीनोम परियोजना (Human Genome Project) भी शामिल है, जहां उन्होंने बड़े जीनोमिक क्षेत्रों के स्थिर क्लोन बनाने के लिए एक जीनोमिक पुस्तकालय का निर्माण संभव बनाया।
(b) डीएनए मेथिलिकरण एपिजेनेटिक विनियमन के रूप में (DNA methylation as epigenetic regulation) डीएनए मेथिलिकरण एक एपिजेनेटिक तंत्र है, जिसका अर्थ है कि यह डीएनए अनुक्रम को बदले बिना जीन की गतिविधि को बदलता है। यह प्रक्रिया डीएनए मिथाइलट्रांसफेरेज़ (DNMTs) नामक एंजाइमों द्वारा डीएनए अणु में एक मिथाइल समूह (–CH₃) को जोड़ने से होती है। स्तनधारियों में, मेथिलिकरण मुख्य रूप से साइटोसिन बेस पर होता है जो गुआनिन (एक CpG डाइन्यूक्लियोटाइड) के बगल में स्थित होता है।
जीन प्रमोटर क्षेत्रों में CpG द्वीपों (CpG-rich regions) का मेथिलिकरण आमतौर पर जीन साइलेंसिंग या दमन से जुड़ा होता है। इसके दो मुख्य तरीके हैं:
- यह सीधे प्रतिलेखन कारकों (transcription factors) के डीएनए से जुड़ने को अवरुद्ध कर सकता है।
- मिथाइलेटेड डीएनए मिथाइल-CpG-बाइंडिंग डोमेन (MBD) प्रोटीन को आकर्षित कर सकता है, जो बदले में अन्य प्रोटीनों को भर्ती करते हैं जो हिस्टोन को संशोधित करते हैं। यह क्रोमेटिन को एक संघनित, बंद संरचना (हेटरोक्रोमैटिन) में बदल देता है, जिससे यह प्रतिलेखन मशीनरी के लिए दुर्गम हो जाता है।
डीएनए मेथिलिकरण सामान्य विकास, X-गुणसूत्र निष्क्रियण, जीनोमिक इंप्रिंटिंग और कोशिका विभेदन में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। असामान्य मेथिलिकरण पैटर्न कैंसर सहित कई बीमारियों से जुड़े होते हैं, जहां ट्यूमर सप्रेसर जीन का हाइपरमेथिलिकरण उन्हें निष्क्रिय कर सकता है।
(c) बहुविकल्पी एलील (Multiple alleles) बहुविकल्पी एलील एक ऐसी स्थिति है जहां किसी दिए गए जीन के लिए एक जनसंख्या में दो से अधिक एलील (एक जीन के वैकल्पिक रूप) मौजूद होते हैं। हालांकि एक द्विगुणित जीव (जैसे मनुष्य) किसी भी जीन के लिए केवल दो एलील ले जा सकता है (प्रत्येक माता-पिता से एक), जनसंख्या के भीतर कई अलग-अलग एलील मौजूद हो सकते हैं।
इसका क्लासिक उदाहरण मनुष्यों में एबीओ रक्त समूह प्रणाली (ABO blood group system) है। यह प्रणाली एक एकल जीन, I जीन (आइसोएग्लुटिनोजेन) द्वारा नियंत्रित होती है, जिसके तीन मुख्य एलील होते हैं:
- Iᴬ: यह एलील A एंटीजन का उत्पादन करता है।
- Iᴮ: यह एलील B एंटीजन का उत्पादन करता है।
- i (या Iᴼ): यह एलील कोई एंटीजन नहीं बनाता है।
Iᴬ और Iᴮ एलील i पर प्रभावी हैं, जबकि Iᴬ और Iᴮ एक दूसरे के प्रति सह-प्रभावी (codominant) हैं। इन तीन एलीलों के संयोजन से चार अलग-अलग फेनोटाइप (रक्त प्रकार A, B, AB, और O) और छह संभावित जीनोटाइप (IᴬIᴬ, Iᴬi, IᴮIᴮ, Iᴮi, IᴬIᴮ, ii) बनते हैं। बहुविकल्पी एलील जनसंख्या में फेनोटाइपिक भिन्नता को बढ़ाते हैं।
(d) जीन नॉक-आउट (Gene knock-out) जीन नॉक-आउट एक आनुवंशिक इंजीनियरिंग तकनीक है जिसका उपयोग किसी जीव में एक विशिष्ट जीन को निष्क्रिय या “नॉक आउट” करने के लिए किया जाता है। इसका उद्देश्य जीन के कार्य को समझना है कि जब वह अनुपस्थित होता है तो क्या होता है। यह एक प्रकार की रिवर्स जेनेटिक्स है।
प्रक्रिया में आमतौर पर निम्नलिखित चरण शामिल होते हैं:
- निर्माण का निर्माण (Construct Creation): एक डीएनए निर्माण बनाया जाता है जिसमें लक्ष्य जीन के समरूप अनुक्रम होते हैं, लेकिन बीच में एक निष्क्रिय या संशोधित जीन (अक्सर एक चयन योग्य मार्कर जैसे नियोमाइसिन प्रतिरोध जीन) होता है।
- सजातीय पुनर्संयोजन (Homologous Recombination): इस निर्माण को भ्रूणीय स्टेम (ES) कोशिकाओं में पेश किया जाता है। कोशिका की अपनी मरम्मत मशीनरी के माध्यम से, निर्माण और गुणसूत्र पर लक्ष्य जीन के बीच सजातीय पुनर्संयोजन हो सकता है। यह कार्यात्मक जीन को निर्माण से निष्क्रिय प्रतिलिपि के साथ बदल देता है।
- चयन और सत्यापन (Selection and Verification): चयन योग्य मार्कर का उपयोग उन ES कोशिकाओं का चयन करने के लिए किया जाता है जिन्होंने सफलतापूर्वक निर्माण को एकीकृत कर लिया है। पीसीआर या सदर्न ब्लॉटिंग द्वारा सही लक्ष्यीकरण की पुष्टि की जाती है।
- नॉक-आउट जीव का निर्माण (Creation of Knock-out Organism): संशोधित ES कोशिकाओं को एक प्रारंभिक चरण के भ्रूण (ब्लास्टोसिस्ट) में इंजेक्ट किया जाता है और एक सरोगेट मां में प्रत्यारोपित किया जाता है। परिणामी संतान (काइमेरा) का प्रजनन यह देखने के लिए किया जाता है कि क्या नॉक-आउट जीन जर्मलाइन में पारित हुआ है, जिससे अंततः एक ऐसा जीव उत्पन्न होता है जिसकी सभी कोशिकाओं में जीन की दोनों प्रतियां निष्क्रिय होती हैं (एक समरूप नॉक-आउट)।
नॉक-आउट चूहे (Knock-out mice) मानव रोगों का अध्ययन करने और जीन के जैविक कार्यों की जांच करने के लिए शक्तिशाली मॉडल रहे हैं।
IGNOU MZO-002 Previous Year Solved Question Paper in English
Q1. (a) Describe penetrance and expressivity with suitable examples. 5 (b) How can pedigree analysis be used to detect the inheritance of genetic traits? 5
Ans. (a) Penetrance and Expressivity Penetrance and expressivity are two concepts that describe how the effect of a particular genotype can vary on the phenotype. Penetrance: Penetrance refers to the percentage of individuals in a population with a particular allele who also exhibit the associated phenotype. It is an “all-or-none” measure.
- Complete Penetrance: When all individuals carrying the gene exhibit the corresponding trait (100%). For example, almost all people with the allele for Huntington’s disease eventually develop the disease.
- Incomplete Penetrance: When some individuals carrying the gene do not exhibit the corresponding trait. For example: Polydactyly , a condition involving extra fingers or toes in humans. It is a dominant trait, but some individuals who have the allele for polydactyly have a normal number of fingers and toes. If a gene has 80% penetrance, 80 out of 100 people with the gene will exhibit the trait.
Expressivity:
Expressivity refers to the degree or intensity to which a particular genotype is expressed as a phenotype in an individual. This is in contrast to penetrance, which determines whether the gene is expressed at all.
- Variable Expressivity: When individuals with the same genotype show variation in the severity or type of the trait. For example: Neurofibromatosis , a genetic disorder, where some individuals may only have mild light-brown skin spots (café-au-lait spots), while others develop numerous tumors under the skin. Similarly, in polydactyly, one person might have a small, undeveloped extra digit, while another might have a fully formed extra finger.
In summary, penetrance asks ”
Does it show?
“, while expressivity asks ”
How much does it show?
“.
(b) Pedigree Analysis
Pedigree analysis is the study of the presence or absence of a particular genetic trait or disease across several generations within a family. It helps genetic counselors and researchers determine the pattern of inheritance of a trait.
Procedure and Symbols:
A pedigree chart is constructed using standardized symbols:
- Circle: Represents a female.
- Square: Represents a male.
- Shaded symbol: Affected individual (exhibiting the trait).
- Unshaded symbol: Unaffected individual.
- Half-shaded symbol: A carrier (heterozygous) for a recessive trait.
- Horizontal line: Connects individuals in a partnership (marriage).
- Vertical line: Connects parents to offspring.
Detecting Inheritance of Genetic Traits:
By analyzing the pedigree chart, different patterns of inheritance can be deduced:
- Autosomal Dominant: The trait appears in every generation. Affected individuals have at least one affected parent. It affects males and females equally. Example: Huntington’s disease.
- Autosomal Recessive: The trait can skip generations. Affected individuals are often born to unaffected parents (who are carriers). It affects males and females equally. Example: Cystic fibrosis.
- X-linked Dominant: Affected fathers pass the trait to all of their daughters but to none of their sons. Affected mothers can pass the trait to 50% of their children (regardless of sex).
- X-linked Recessive: The trait is much more common in males. Affected mothers pass the trait to all of their sons. The trait is never passed directly from father to son. Examples: Hemophilia, color blindness.
Thus, pedigree analysis is a powerful tool for tracking the transmission of genetic traits, inferring the mode of inheritance, and predicting the risk of recurrence of a trait in future generations.
Q2. (a) Discuss the fine structure of a gene based on the rII locus. 5 (b) Explain the organization of different genes in a lac operon. 5
Ans. (a) Fine Structure of a Gene based on the rII Locus The concept of the fine structure of the gene—that a gene is not an indivisible unit but a linear sequence of sites that can be mutated and recombined—was established by Seymour Benzer in the 1950s through his pioneering work on bacteriophage T4. He studied the rII locus of the T4 phage. Benzer found that rII mutant phages could not infect strain K12(λ) of E. coli , but could infect strain B. This system allowed him to detect rare recombination events. Key findings from Benzer’s experiments:
- Intragenic Recombination: Benzer co-infected a K12(λ) bacterium with two different rII mutants. In most cases, no phages were produced. However, in rare instances, wild-type phage was produced. This was only possible if recombination had occurred between the two mutant genes, creating one functional rII gene and one double-mutant gene. This proved that recombination could occur within a gene, not just between genes.
- The Cistron or Unit of Function: Benzer developed the complementation test or cis-trans test . When two different rII mutants infect the same E. coli K12(λ) cell, two outcomes are possible:
- Complementation: If the mutations are in two different genes (cistrons), each mutant genome provides the functional protein missing by the other, and the phage can replicate.
- No Complementation: If both mutations are in the same gene (cistron), neither genome can produce a functional protein, and no phage replication occurs.
Through this test, Benzer showed that the rII locus was actually composed of two adjacent genes,
rIIA
and
rIIB
, which he termed
cistrons
. - The Muton and Recon: Benzer defined the smallest unit of a gene that can be mutated (the muton ) and the smallest unit that can be recombined (the recon ). He found that both of these units were equivalent to a single nucleotide pair.
Thus, Benzer’s work replaced the classical “bead-on-a-string” concept of the gene and laid the foundation for the modern molecular understanding of the gene, subdividing it into units of function, mutation, and recombination, all corresponding to a linear sequence of DNA.
(b) Organization of Genes in a Lac Operon
The
lac
operon
is an operon found in
E. coli
and many other enteric bacteria, which is required for the transport and metabolism of lactose. It is a classic model of gene regulation. Its organization was described by François Jacob and Jacques Monod.
The lac operon consists of several components that work together in a coordinated fashion:
1. Regulatory Gene:
- lacI Gene: This gene is located slightly upstream of the operon’s structural genes. It has its own promoter and continuously codes for a repressor protein . This repressor protein plays a crucial role in the regulation of the lac operon.
2. Control Elements:
These are segments of DNA that do not code for proteins but regulate the transcription of the structural genes.
- Promoter (P): This is the site where RNA polymerase binds to initiate transcription.
- Operator (O): This is located between the promoter and the structural genes. The lacI repressor protein binds to this operator region, physically blocking RNA polymerase from transcribing the structural genes.
3. Structural Genes:
These genes code for the enzymes involved in lactose metabolism. They are transcribed together into a single polycistronic mRNA molecule.
- lacZ: This gene codes for the enzyme β-galactosidase , which breaks down lactose into glucose and galactose.
- lacY: This gene codes for lactose permease , a membrane protein that facilitates the transport of lactose into the cell.
- lacA: This gene codes for thiogalactoside transacetylase , whose function is not fully understood but likely helps detoxify toxic thiogalactosides.
Functioning:
- In the absence of lactose: The repressor protein produced by the lacI gene binds to the operator (O). This prevents RNA polymerase from moving past the promoter (P) and transcribing the structural genes (lacZ, lacY, lacA). The operon is thus ‘switched off’.
- In the presence of lactose: When lactose is present, a byproduct of it, allolactose , acts as an inducer . Allolactose binds to the repressor protein, causing a conformational change. This altered repressor can no longer bind to the operator. As a result, RNA polymerase can transcribe the structural genes, and the enzymes needed for lactose metabolism are produced. The operon is thus ‘switched on’.
This organization allows the cell to expend energy and resources only when lactose is available, making it an efficient regulatory system.
Q3. Describe the different mechanisms responsible for the repair of DNA damage with suitable diagrams. 10
Ans. DNA is a stable molecule, but it is susceptible to damage from spontaneous decay and environmental agents (e.g., UV radiation, chemicals). Cells have evolved several sophisticated repair mechanisms to maintain DNA integrity. The main DNA repair mechanisms are as follows: 1. Direct Repair This is the simplest repair mechanism, involving the direct reversal of the damaged nucleotide without its removal.
- Photoreactivation: This repairs thymine dimers formed by UV radiation. An enzyme called photolyase binds to the dimer and uses energy from visible light to break the dimer, restoring the two original thymine bases. ( A diagram would show two linked T-T bases being converted back to separate T-T in the presence of light and photolyase. )
- Alkyltransferase: This removes alkyl groups (like methyl or ethyl) added by alkylating agents. For instance, the enzyme O6-methylguanine DNA methyltransferase (MGMT) transfers a methyl group from the O6 position of guanine to one of its own cysteine residues, repairing the DNA but inactivating the enzyme.
2. Excision Repair
This is a general mechanism in which the damaged segment is excised from the DNA and then re-synthesized by DNA polymerase and DNA ligase.
- Base Excision Repair (BER): This corrects single damaged bases (e.g., resulting from deamination or oxidation).
- DNA glycosylase recognizes and removes the damaged base by cleaving the glycosidic bond, creating an AP (apurinic/apyrimidinic) site.
- AP endonuclease cuts the phosphodiester backbone at the AP site.
- DNA polymerase fills the gap, and DNA ligase seals the nick.
(
A diagram would show a damaged base being removed by glycosylase, cut by endonuclease, and filled by polymerase and ligase.
) - Nucleotide Excision Repair (NER): This removes bulky, helix-distorting lesions (like thymine dimers or large chemical adducts).
- A multi-enzyme complex (e.g., UvrABC in E. coli ) recognizes the damage.
- Excinuclease cuts the backbone on both sides of the damaged segment.
- DNA helicase removes the damaged segment, which is about 12-30 nucleotides long.
- DNA polymerase and DNA ligase fill the gap.
(
A diagram would show a bulky lesion being recognized by an enzyme complex, a large segment being removed, and the gap then being re-synthesized.
)
3. Mismatch Repair (MMR)
This corrects mistakes (insertion of wrong nucleotides) made during DNA replication. In
E. coli
, the MutS protein recognizes the mismatch, and MutL and MutH are recruited. MutH distinguishes between the old (methylated) template strand and the new (unmethylated) strand and creates a nick in the new strand. An exonuclease then removes the segment containing the mismatch, and the gap is filled by polymerase and ligase.
4. Double-Strand Break (DSB) Repair
Double-strand breaks in DNA are particularly dangerous as they can lead to chromosome fragmentation.
- Non-Homologous End Joining (NHEJ): This is a quick but error-prone mechanism. The broken ends are processed and ligated directly together by the Ku proteins and the DNA ligase IV complex. This process often results in the loss or insertion of a few nucleotides, leading to mutations.
- Homologous Recombination (HR): This is an error-free mechanism that uses a homologous chromosome or sister chromatid as a template to repair the DSB. It involves the resection of the broken ends, strand invasion of the template, DNA synthesis, and finally ligation. It is active during the S and G2 phases of the cell cycle when a sister chromatid is available.
(
A diagram would show NHEJ as a direct ligation of broken ends, while HR would show the use of a sister chromatid as a template to fill the gap.
)
Q4. (a) Discuss the molecular mechanism of X-chromosome inactivation. 3 (b) Distinguish between Acute Myeloid Leukemia (AML) and Chronic Myeloid Leukemia (CML). 7
Ans. (a) Molecular Mechanism of X-Chromosome Inactivation X-chromosome inactivation, also called Lyonization , is a process in female mammals that equalizes the amount of X-linked gene products between males (XY) and females (XX), a phenomenon called dosage compensation . In this process, one of the two X chromosomes in each somatic cell is randomly inactivated early in embryonic development. The molecular mechanism is as follows:
- Counting and Choice of Inactivation: The cell first ‘counts’ its X chromosomes and ensures only one remains active.
- X-inactivation Center (XIC): The process is controlled by a specific region on the X chromosome called the X-inactivation center (XIC) .
- XIST Gene: Within the XIC is a crucial gene called XIST (X-inactive specific transcript) . This gene produces a long, non-coding RNA molecule (lncRNA).
- Initiation of Inactivation: The XIST gene on the X chromosome that will be inactivated becomes active and produces XIST RNA. This XIST RNA ‘coats’ the same chromosome from which it was produced ( cis-acting ). The XIST gene on the active X chromosome remains silent.
- Gene Silencing: The coating of XIST RNA attracts silencing complexes to the chromosome, which induce several epigenetic modifications:
- Histone Modifications: Histones (like H3 and H4) on the inactive X become de-acetylated and methylated on certain lysine residues (e.g., H3K9me3, H3K27me3), which condense the chromatin and suppress gene expression.
- DNA Methylation: CpG islands in the gene promoters on the inactive X chromosome become heavily methylated, which permanently locks in the gene silencing.
- Barr Body Formation: These modifications result in the inactive X chromosome condensing into a highly compacted structure called a Barr body , which is visible at the edge of the cell nucleus.
This inactivation is stable and maintained through cell division in all descendant cells.
(b) Distinction between Acute Myeloid Leukemia (AML) and Chronic Myeloid Leukemia (CML)
AML and CML are both cancers of the myeloid lineage of blood cells, but they differ significantly in their onset, cell type, genetics, and treatment.
Feature |
Acute Myeloid Leukemia (AML) |
Chronic Myeloid Leukemia (CML) |
|---|---|---|
Onset |
Acute: Progresses rapidly. Symptoms become severe within weeks. |
Chronic: Progresses slowly. The initial phase (chronic phase) can last for months or years with few or no symptoms. |
Affected Cells |
Rapid proliferation of immature cells called myeloblasts in the bone marrow. These cells fail to mature and crowd out normal blood cell production. |
Overproduction of relatively mature, but functionally abnormal, granulocytes (neutrophils, basophils, eosinophils). |
Symptoms |
Severe and rapid-onset symptoms, such as fatigue (due to anemia), frequent infections (lack of normal white cells), and easy bruising or bleeding (lack of platelets). | Often asymptomatic in the early phase. May later cause fatigue, weight loss, and a feeling of fullness in the abdomen due to an enlarged spleen (splenomegaly). |
Genetic Hallmark |
Genetically heterogeneous. Involves a wide variety of chromosomal abnormalities and gene mutations (e.g., FLT3, NPM1). |
About 95% of cases have a specific chromosomal abnormality called the Philadelphia chromosome . This is a reciprocal translocation between chromosomes 9 and 22 (t(9;22)), which creates the BCR-ABL fusion gene . |
Blood Picture |
More than 20% blast cells in the bone marrow and blood. | Very high white blood cell count (leukocytosis), particularly neutrophils and their precursors. |
Treatment & Prognosis |
Requires aggressive chemotherapy and often a stem cell transplant. Prognosis is variable and depends on patient age and cytogenetic profile. |
Very responsive to targeted therapy with Tyrosine Kinase Inhibitors (TKIs) like Imatinib , which targets the BCR-ABL protein. With TKIs, most patients have an excellent prognosis. |
Q5. Describe the principle and procedure of blotting technique used for gene expression studies. Mention its advantages and applications. 10
Ans. The primary blotting technique used for gene expression studies is Northern Blotting . This technique is used to detect the presence, size, and relative abundance of a specific RNA molecule (mRNA), which directly reflects the activity of a gene. Principle: The principle of Northern blotting is based on the hybridization of a complementary nucleic acid probe to identify a specific RNA sequence. In the procedure, RNA samples extracted from a cell are separated by size using gel electrophoresis. Then, the separated RNA is transferred to a solid membrane. Finally, a labeled, single-stranded DNA or RNA probe, which is complementary to the target RNA, is allowed to hybridize to the membrane. The binding of the probe indicates the presence of the target RNA. Procedure: Northern blotting involves the following steps:
- RNA Extraction: Total RNA or poly(A) RNA (mRNA) is carefully extracted from cells or tissues, preventing degradation by RNases.
- Gel Electrophoresis: The RNA samples are loaded onto a denaturing agarose gel . A denaturing agent like formaldehyde is used to prevent secondary structures from forming in the RNA, ensuring that migration is based solely on size.
- Transfer (Blotting): The RNA from the gel is transferred to a solid support by capillary action or electro-transfer. This support is typically a nitrocellulose or nylon membrane. The RNA retains its relative position on the membrane.
- Pre-hybridization (Blocking): The membrane is incubated with a blocking solution to prevent non-specific probe binding.
- Hybridization: The membrane is incubated with a solution containing a labeled probe . This probe is a single-stranded DNA or RNA molecule complementary to the sequence of the target mRNA. The probe can be labeled radioactively (e.g., ³²P) or non-radioactively (e.g., biotin, digoxigenin).
- Washing: The membrane is washed under conditions of varying stringency to remove any non-bound or weakly bound probe.
- Detection: The probe bound to the membrane is detected. If a radioactive probe was used, it is detected by autoradiography . Non-radioactive probes are typically detected via chemiluminescence or colorimetric reactions. The result appears as a band, with its position indicating the RNA’s size and its intensity reflecting its quantity.
Advantages:
- It provides the size of the target RNA, which can help detect alternative splicing variants.
- It is a direct measure of gene expression and is highly specific.
- It allows for the examination of RNA integrity.
- It can be more quantitatively reliable than PCR-based methods, as it does not involve an amplification step.
Applications:
- Studying the level of gene expression in different tissues, developmental stages, or disease states.
- Analyzing changes in gene expression in response to environmental stimuli, drugs, or hormones.
- Determining the size and abundance of different mRNA transcripts generated by alternative splicing .
- Confirming gene expression in knockout or transgenic animals.
- Studying the molecular basis of diseases like cancer, where gene expression is altered.
Q6. (a) Explain the different types of gene therapy. 5 (b) Discuss the principle for the production of transgenic sheep Dolly with diagram. 5
Ans. (a) Different Types of Gene Therapy Gene therapy is an experimental technique that uses genes to treat or prevent genetic disorders. It involves replacing a faulty gene with a healthy copy, supplementing a missing or defective gene, or turning a gene on or off to fight a disease. Gene therapy is broadly classified into two categories based on the type of cell targeted: 1. Somatic Gene Therapy In this approach, therapeutic genes are transferred into the somatic cells of a patient, i.e., non-reproductive cells (e.g., liver, lung, blood cells).
- Non-heritable: Genetic changes made in somatic cells are not passed on to the patient’s offspring.
- Goal: The aim is to treat only the individual receiving the therapy.
- Approaches:
- Ex vivo Gene Therapy: Cells are removed from the patient, genetically modified in the lab, and then infused back into the patient. This method is safer and more common for blood disorders (e.g., SCID – Severe Combined Immunodeficiency).
- In vivo Gene Therapy: A vector (like a virus) containing the therapeutic gene is delivered directly into the patient’s body (e.g., by injection or inhalation). This is suitable for disorders like cystic fibrosis (targeting the lungs).
- Example: Treatment of SCID caused by adenosine deaminase (ADA) deficiency, where a functional ADA gene is inserted into the patient’s lymphocytes.
2. Germline Gene Therapy
In this approach, genes are modified in the
germ cells
, i.e., sperm, eggs, or an early embryo.
- Heritable: Genetic changes made in the germline are permanent and can be passed on to subsequent generations.
- Goal: To permanently eradicate a genetic disease from a family lineage.
- Status: Due to technical challenges, the risk of unforeseen consequences, and profound ethical and social concerns , germline gene therapy is not currently performed in humans. Issues related to safety, consent (on behalf of the unborn), and the potential for “designer babies” make it highly controversial.
Currently, all approved and experimental gene therapy trials use the somatic cell approach.
(b) Principle for the Production of Transgenic Sheep Dolly
Dolly, the sheep born in 1996, was the first mammal to be successfully cloned from an adult somatic cell. This feat was achieved using a technique called
Somatic Cell Nuclear Transfer (SCNT)
.
Principle:
The underlying principle of SCNT is that the nucleus of a
differentiated
somatic cell (like a skin or mammary gland cell) still contains all the necessary genetic information (DNA) to direct the development of an entire organism. When this nucleus is placed into the cytoplasm of an enucleated egg cell, the egg’s cytoplasm can “reprogram” the nucleus, causing it to “forget” its specialized status and begin behaving like that of an embryo.
Procedure of Production:
The production of Dolly involved the following steps:
- Somatic Cell Donor: A somatic cell was taken from the mammary gland of a 6-year-old Finn Dorset ewe (a white-faced sheep). These cells were cultured in the lab and starved of nutrients to induce them into a quiescent (G0) state. This was done to make the nucleus more receptive to reprogramming.
- Egg Cell Donor: An unfertilized egg cell (oocyte) was collected from a Scottish Blackface ewe (a black-faced sheep).
- Enucleation: Using micro-instruments, the nucleus containing its own chromosomes was removed from the Scottish Blackface oocyte. This was now an enucleated egg.
- Nuclear Transfer: The Finn Dorset mammary cell was placed next to the enucleated oocyte. A gentle electric pulse was applied to fuse the two cells, transferring the mammary cell nucleus into the egg’s cytoplasm.
- Activation: Another electric pulse was used to activate the egg, simulating the process of fertilization and inducing it to divide and develop as an embryo.
- Culture and Implantation: The reconstructed embryo was cultured in the lab for about six days until it reached the blastocyst stage. This embryo was then transferred into the uterus of a third sheep, a surrogate mother (who was another Scottish Blackface).
- Birth: After a normal gestation period, the surrogate mother gave birth to Dolly .
Result and Diagram:
Dolly was a Finn Dorset sheep (white-faced), proving that she was a genetic replica (clone) of the nucleus donor, not of the egg donor or the surrogate mother.
(A diagram would show three sheep: 1. The Finn Dorset (mammary cell donor), 2. The Scottish Blackface (egg donor), and 3. The Scottish Blackface (surrogate mother). Arrows would depict the nucleus from the mammary cell going into the enucleated egg, then the embryo being implanted into the surrogate, and finally the birth of Dolly (a Finn Dorset lamb).)
Q7. Describe the following terms: 4×2½=10 (a) Bacterial artificial chromosome (b) DNA methylation as_ epigenetic regulation (c) Multiple alleles (d) Gene knock-out
Ans. (a) Bacterial Artificial Chromosome (BAC) A Bacterial Artificial Chromosome (BAC) is a DNA construct used to clone large fragments of DNA (typically 100-350 kilobases) in E. coli . It is based on the naturally occurring F-plasmid of E. coli . A BAC contains the following essential elements:
- oriS and repE: These are genes derived from the F-plasmid that strictly control plasmid replication and copy number, limiting it to about one or two copies per cell. This ensures the stability of large inserts.
- parA and parB: These genes ensure that the BAC plasmid is partitioned equally into daughter cells during cell division, preventing loss of the plasmid.
- A selectable marker: Such as a chloramphenicol resistance gene (cmR), which allows for the selection of bacteria that have successfully taken up the BAC.
- A cloning site: Such as a multi-cloning site (MCS), which contains several unique recognition sites for restriction enzymes where foreign DNA can be inserted.
Due to their large DNA-carrying capacity, BACs were invaluable in genome sequencing projects, including the
Human Genome Project
, where they made it possible to construct a genomic library of stable clones of large genomic regions.
(b) DNA methylation as epigenetic regulation
DNA methylation is an
epigenetic
mechanism, meaning it alters gene activity without changing the DNA sequence. The process involves the addition of a methyl group (–CH₃) to a DNA molecule by enzymes called
DNA methyltransferases (DNMTs)
. In mammals, methylation primarily occurs on cytosine bases that are located next to a guanine (a CpG dinucleotide).
Methylation of CpG islands (CpG-rich regions) in gene promoter regions is typically associated with
gene silencing
or repression. This occurs in two main ways:
- It can directly block the binding of transcription factors to the DNA.
- The methylated DNA can be recognized by methyl-CpG-binding domain (MBD) proteins, which in turn recruit other proteins that modify histones. This remodels the chromatin into a condensed, closed structure (heterochromatin), making it inaccessible to the transcription machinery.
DNA methylation plays a critical role in normal development, X-chromosome inactivation, genomic imprinting, and cell differentiation. Aberrant methylation patterns are associated with many diseases, including cancer, where hypermethylation of tumor suppressor genes can inactivate them.
(c) Multiple alleles
Multiple alleles is a condition where more than two alleles (alternative forms of a gene) exist for a given gene within a population. Although a diploid organism (like a human) can only carry two alleles for any given gene (one from each parent), many different alleles can exist within the population as a whole.
The classic example is the
ABO blood group system in humans
. This system is controlled by a single gene, the
I gene (isoagglutinogen)
, which has three main alleles:
- Iᴬ: This allele produces the A antigen.
- Iᴮ: This allele produces the B antigen.
- i (or Iᴼ): This allele produces no antigen.
The Iᴬ and Iᴮ alleles are dominant over i, while Iᴬ and Iᴮ are
codominant
with respect to each other. The combinations of these three alleles result in four different phenotypes (blood types A, B, AB, and O) and six possible genotypes (IᴬIᴬ, Iᴬi, IᴮIᴮ, Iᴮi, IᴬIᴮ, ii). Multiple alleles increase the phenotypic variation in a population.
(d) Gene knock-out
A gene knock-out is a genetic engineering technique used to inactivate or “knock out” a specific gene in an organism. The goal is to understand the function of the gene by observing what happens when it is absent. It is a form of reverse genetics.
The process typically involves the following steps:
- Construct Creation: A DNA construct is created containing sequences homologous to the target gene, but with an inactivated or modified gene (often a selectable marker like the neomycin resistance gene) in the middle.
- Homologous Recombination: This construct is introduced into embryonic stem (ES) cells. Through the cell’s own repair machinery, homologous recombination can occur between the construct and the target gene on the chromosome. This replaces the functional gene with the inactive copy from the construct.
- Selection and Verification: The selectable marker is used to select for ES cells that have successfully integrated the construct. Correct targeting is confirmed by PCR or Southern blotting.
- Creation of Knock-out Organism: The modified ES cells are injected into an early-stage embryo (blastocyst) and implanted into a surrogate mother. The resulting offspring (chimeras) are bred to see if the knock-out gene has been passed into the germline, eventually producing an organism that has both copies of the gene inactivated in all its cells (a homozygous knock-out).
Knock-out mice
have been powerful models for studying human diseases and investigating the biological functions of genes.
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