उत्परिवर्तन दर

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vanc [1] आनुवंशिकी (genetics) में, उत्परिवर्तन दर (mutation rate) समय के साथ एक एकल जीन, न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम, या जीव में नए उत्परिवर्तन (mutations) की आवृत्ति है। उत्परिवर्तन दरें स्थिर नहीं होती हैं और वे उत्परिवर्तन के किसी एक प्रकार तक सीमित नहीं होती हैं; उत्परिवर्तन के कई अलग-अलग प्रकार होते हैं। उत्परिवर्तन दरें उत्परिवर्तन के विशिष्ट वर्गों के लिए दी जाती हैं। एक बिंदु उत्परिवर्तन (point mutation) एक एकल बेस में परिवर्तन है। मिससेंस, नॉनसेंस, और पर्यायवाची प्रतिस्थापन (synonymous substitution) उत्परिवर्तन सभी बिंदु उत्परिवर्तन के उदाहरण हैं। इस प्रकार के प्रतिस्थापनों की दर को आगे एक उत्परिवर्तन स्पेक्ट्रम में उप-विभाजित किया जा सकता है, जो उत्परिवर्तन दर पर आनुवंशिक संदर्भ के प्रभाव का वर्णन करता है।

इनमें से प्रत्येक दर के लिए समय की कई प्राकृतिक इकाइयाँ हैं, जिनमें दरों को प्रति बेस पेयर प्रति कोशिका विभाजन, प्रति जीन प्रति पीढ़ी, या प्रति पीढ़ी जीनोम के रूप में उत्परिवर्तन के रूप में वर्णित किया गया है। किसी जीव की उत्परिवर्तन दर एक विकसित विशेषता है और पर्यावरण के मजबूत प्रभाव के अलावा, प्रत्येक जीव की आनुवंशिकी से दृढ़ता से प्रभावित होती है। उत्परिवर्तन दरें किस ऊपरी और निचली सीमा तक विकसित हो सकती हैं, यह चल रहे शोध का विषय है। हालाँकि, उत्परिवर्तन दर जीनोम पर भिन्न होती है।[2]

जब मनुष्यों में उत्परिवर्तन दर बढ़ती है, तो कुछ स्वास्थ्य जोखिम हो सकते हैं, उदाहरण के लिए, कैंसर और अन्य वंशानुगत रोग। कैंसर और कई वंशानुगत रोगों के भविष्य को समझने के लिए उत्परिवर्तन दरों का ज्ञान होना महत्वपूर्ण है।[3]

पृष्ठभूमि

एक प्रजाति के भीतर जीन के विभिन्न आनुवंशिक रूपों को एलील (alleles) कहा जाता है। इसलिए, एक नया उत्परिवर्तन एक नया एलील बना सकता है। जनसंख्या आनुवंशिकी (population genetics) में, प्रत्येक एलील को एक चयन गुणांक (selection coefficient) द्वारा पहचाना जाता है, जो समय के साथ एलील की आवृत्ति में अपेक्षित परिवर्तन को मापता है। चयन गुणांक या तो नकारात्मक हो सकता है, जिसका अर्थ है कि एलील की आवृत्ति कम होने की उम्मीद है; सकारात्मक, जिसका अर्थ है कि इसके बढ़ने की उम्मीद है; या शून्य, जिसका अर्थ है कि कोई अपेक्षित परिवर्तन नहीं है। नए उत्परिवर्तनों के फिटनेस प्रभावों का वितरण जनसंख्या आनुवंशिकी में एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है और व्यापक जांच का विषय रहा है।[4] यद्यपि इस वितरण के माप अतीत में असंगत रहे हैं, अब यह आम तौर पर माना जाता है कि अधिकांश उत्परिवर्तन हल्के हानिकारक होते हैं, कि कई का जीव की फिटनेस पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है, और कुछ अनुकूल हो सकते हैं।

प्राकृतिक चयन के कारण, प्रतिकूल उत्परिवर्तन आमतौर पर एक आबादी से समाप्त हो जाएंगे जबकि अनुकूल परिवर्तनों को आमतौर पर अगली पीढ़ी के लिए रखा जाता है, और तटस्थ परिवर्तन उस दर पर जमा होते हैं जिस दर पर वे उत्परिवर्तन द्वारा बनाए जाते हैं। यह प्रक्रिया प्रजनन द्वारा होती है। एक विशेष पीढ़ी में, 'सबसे उपयुक्त' (best fit) उच्च संभावना के साथ जीवित रहता है, और अपने जीन को अपनी संतानों तक पहुंचाता है। इस संभावना में परिवर्तन का संकेत उत्परिवर्तनों को जीवों के लिए लाभकारी, तटस्थ या हानिकारक के रूप में परिभाषित करता है।[5]

मापन

किसी जीव की उत्परिवर्तन दरों को कई तकनीकों द्वारा मापा जा सकता है।

उत्परिवर्तन दर को मापने का एक तरीका उतार-चढ़ाव परीक्षण (fluctuation test) है, जिसे लुरिया-डेल्ब्रुक प्रयोग (Luria–Delbrück experiment) के रूप में भी जाना जाता है। इस प्रयोग ने प्रदर्शित किया कि जीवाणु उत्परिवर्तन चयन की उपस्थिति के बजाय चयन की अनुपस्थिति में होते हैं।[6]

यह उत्परिवर्तन दरों के लिए बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रयोगात्मक रूप से साबित करता है कि उत्परिवर्तन चयन के एक घटक के बिना हो सकते हैं—वास्तव में, उत्परिवर्तन और चयन पूरी तरह से अलग विकासवादी बल हैं। विभिन्न डीएनए अनुक्रमों में उत्परिवर्तन की अलग-अलग प्रवृत्ति हो सकती है (नीचे देखें) और वे बेतरतीब ढंग से नहीं हो सकते हैं।[7]

उत्परिवर्तन का सबसे सामान्य रूप से मापा जाने वाला वर्ग प्रतिस्थापन (substitutions) है, क्योंकि डीएनए अनुक्रम डेटा के मानक विश्लेषणों के साथ उन्हें मापना अपेक्षाकृत आसान है। हालाँकि, प्रतिस्थापनों की उत्परिवर्तन दर (अधिकांश कोशिकीय जीवों के लिए प्रति पीढ़ी 10−8 से 10−9) उत्परिवर्तन के अन्य वर्गों की तुलना में काफी भिन्न होती है, जो अक्सर बहुत अधिक होती है (~सैटेलाइट डीएनए विस्तार/संकुचन के लिए प्रति पीढ़ी 10−3[8])।

प्रतिस्थापन दरें

किसी जीव के जीनोम में कई साइटें छोटे फिटनेस प्रभावों के साथ उत्परिवर्तन को स्वीकार कर सकती हैं। इन साइटों को आमतौर पर तटस्थ साइटें कहा जाता है। सैद्धांतिक रूप से, बिना चयन वाले उत्परिवर्तन जीवों के बीच ठीक उत्परिवर्तन दर पर स्थिर हो जाते हैं। स्थिर पर्यायवाची उत्परिवर्तन, यानी पर्यायवाची प्रतिस्थापन, एक जीन के अनुक्रम में परिवर्तन हैं जो उस जीन द्वारा उत्पादित प्रोटीन को नहीं बदलते हैं। उन्हें अक्सर उस उत्परिवर्तन दर के अनुमान के रूप में उपयोग किया जाता है, भले ही कुछ पर्यायवाची उत्परिवर्तनों के फिटनेस प्रभाव होते हैं। एक उदाहरण के रूप में, उत्परिवर्तन दरों को सीधे एस्चेरिचिया कोलाई (Escherichia coli) B की प्रयोगात्मक रूप से विकसित प्रतिकृति लाइनों के पूरे जीनोम अनुक्रमों से अनुमानित किया गया है।[9]

उत्परिवर्तन संचय लाइनें

उत्परिवर्तन दर को चिह्नित करने का एक विशेष रूप से श्रम-गहन तरीका उत्परिवर्तन संचय लाइन (mutation accumulation line) है।

उत्परिवर्तन संचय लाइनों का उपयोग बेटमैन-मुकाई विधि (Bateman-Mukai Method) और आंतों के बैक्टीरिया (E. coli), गोलकृमि (C. elegans), खमीर (S. cerevisiae), फल मक्खियों (D. melanogaster), और छोटे अल्पकालिक पौधों (A. thaliana) तक के अच्छी तरह से अध्ययन किए गए प्रयोगात्मक जीवों के प्रत्यक्ष अनुक्रमण के साथ उत्परिवर्तन दरों को चिह्नित करने के लिए किया गया है।[10]

उत्परिवर्तन दरों में भिन्नता

उत्परिवर्तन दरें प्रजातियों के बीच और यहाँ तक कि एक ही प्रजाति के जीनोम के विभिन्न क्षेत्रों के बीच भी भिन्न होती हैं। उत्परिवर्तन दरें एक ही प्रजाति के जीनोटाइप के बीच भी भिन्न हो सकती हैं; उदाहरण के लिए, बैक्टीरिया को नई चयनात्मक स्थितियों के अनुकूल होने पर हाइपरम्यूटेबिलिटी (अत्यधिक उत्परिवर्तनशीलता) विकसित करते हुए देखा गया है।[11] न्यूक्लियोटाइड प्रतिस्थापन की इन विभिन्न दरों को प्रति आधार युग्म प्रति पीढ़ी प्रतिस्थापन (स्थिर उत्परिवर्तन) में मापा जाता है। उदाहरण के लिए, इंटरजेनिक, या नॉन-कोडिंग, डीएनए में उत्परिवर्तन उस डीएनए की तुलना में तेजी से जमा होते हैं जो जीव में सक्रिय रूप से उपयोग में होता है (gene expression)। यह जरूरी नहीं कि उच्च उत्परिवर्तन दर के कारण हो, बल्कि purifying selection के निचले स्तर के कारण होता है। एक क्षेत्र जो अनुमानित दर पर उत्परिवर्तित होता है, वह molecular clock के रूप में उपयोग के लिए एक उम्मीदवार होता है।

यदि किसी अनुक्रम में तटस्थ उत्परिवर्तनों की दर को स्थिर (घड़ी की तरह) माना जाता है, और यदि प्रजातियों के बीच अधिकांश अंतर अनुकूलन के बजाय तटस्थ हैं, तो दो अलग-अलग प्रजातियों के बीच अंतर की संख्या का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए किया जा सकता है कि दो प्रजातियां कितने समय पहले अलग हुई थीं (देखें molecular clock)। किसी जीव की उत्परिवर्तन दर पर्यावरणीय तनाव के जवाब में बदल सकती है। उदाहरण के लिए, यूवी प्रकाश डीएनए को नुकसान पहुंचाता है, जिसके परिणामस्वरूप कोशिका द्वारा DNA repair करने के त्रुटिपूर्ण प्रयास हो सकते हैं।

मानव उत्परिवर्तन दर महिला (अंडा कोशिकाओं) की तुलना में पुरुष जर्म लाइन (शुक्राणु) में अधिक है, लेकिन सटीक दर के अनुमान एक परिमाण या उससे अधिक के क्रम से भिन्न रहे हैं। इसका मतलब यह है कि एक human genome प्रति पीढ़ी लगभग 64 नए उत्परिवर्तन जमा करता है क्योंकि प्रत्येक पूर्ण पीढ़ी में युग्मक उत्पन्न करने के लिए कई कोशिका विभाजन शामिल होते हैं।[12] मानव mitochondrial DNA की उत्परिवर्तन दर का अनुमान 20 वर्षीय पीढ़ी में प्रति आधार ~3× या ~2.7 × 10−5 लगाया गया है (अनुमान की विधि के आधार पर); इन दरों को प्रति पीढ़ी प्रति आधार ~2.5 × 10−8 पर मानव जीनोमिक उत्परिवर्तन की दरों की तुलना में काफी अधिक माना जाता है। whole genome sequencing से उपलब्ध डेटा का उपयोग करते हुए, मानव जीनोम उत्परिवर्तन दर का अनुमान इसी तरह प्रति साइट प्रति पीढ़ी ~1.1 × 10−8 लगाया गया है।

उत्परिवर्तन के अन्य रूपों की दर भी point mutations से काफी भिन्न होती है। एक व्यक्तिगत माइक्रोसेटेलाइट लोकस की उत्परिवर्तन दर अक्सर 10−4 के क्रम की होती है, हालांकि यह लंबाई के साथ काफी भिन्न हो सकती है।[13]

डीएनए के कुछ अनुक्रम उत्परिवर्तन के प्रति अधिक संवेदनशील हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, मानव शुक्राणु में डीएनए के वे हिस्से जिनमें मिथाइलेशन की कमी होती है, वे उत्परिवर्तन के प्रति अधिक प्रवृत्त होते हैं।[14]

सामान्य तौर पर, एककोशिकीय eukaryotes (और bacteria) में उत्परिवर्तन दर प्रति कोशिका पीढ़ी प्रति जीनोम लगभग 0.003 उत्परिवर्तन है।[12] हालाँकि, कुछ प्रजातियों, विशेष रूप से Paramecium जीनस के ciliate में असामान्य रूप से कम उत्परिवर्तन दर होती है। उदाहरण के लिए, Paramecium tetraurelia में प्रति कोशिका विभाजन प्रति साइट ~2 × 10−11 की आधार-प्रतिस्थापन उत्परिवर्तन दर होती है। यह प्रकृति में अब तक देखी गई सबसे कम उत्परिवर्तन दर है, जो समान जीनोम आकार वाले अन्य यूकेरियोट्स की तुलना में लगभग 75 गुना कम है, और अधिकांश प्रोकैरियोट्स की तुलना में भी 10 गुना कम है। Paramecium में कम उत्परिवर्तन दर की व्याख्या इसके ट्रांसक्रिप्शनल रूप से मूक जर्म-लाइन केंद्रक द्वारा की गई है, जो इस परिकल्पना के अनुरूप है कि कम gene expression स्तरों पर प्रतिकृति निष्ठा (replication fidelity) अधिक होती है।

प्रति आधार युग्म प्रति पीढ़ी उच्चतम उत्परिवर्तन दर वायरस में पाई जाती है, जिनमें आरएनए या डीएनए जीनोम हो सकते हैं। डीएनए वायरस में उत्परिवर्तन दर प्रति आधार प्रति पीढ़ी 10−6 से 10−8 उत्परिवर्तन के बीच होती है, और आरएनए वायरस में उत्परिवर्तन दर प्रति आधार प्रति पीढ़ी 10−3 से 10−5 के बीच होती है।[12]

उत्परिवर्तन स्पेक्ट्रम

एक उत्परिवर्तन स्पेक्ट्रम कुछ संदर्भों में प्रासंगिक उत्परिवर्तनों के लिए दरों या आवृत्तियों का वितरण है, जो इस मान्यता पर आधारित है कि घटना की दरें सभी समान नहीं होती हैं। किसी भी संदर्भ में, उत्परिवर्तन स्पेक्ट्रम म्यूटाजेनेसिस (उत्परिवर्तनजनन) के विवरण को दर्शाता है और रासायनिक म्यूटाजेन्स की उपस्थिति या म्यूटाटर एलील या क्षतिग्रस्त डीएनए मरम्मत प्रणालियों वाले आनुवंशिक पृष्ठभूमि जैसी स्थितियों से प्रभावित होता है। उत्परिवर्तन स्पेक्ट्रम की सबसे मौलिक और व्यापक अवधारणा उन सभी व्यक्तिगत उत्परिवर्तनों के लिए दरों का वितरण है जो एक जीनोम में हो सकते हैं।[15] इस पूर्ण डी नोवो स्पेक्ट्रम से, उदाहरण के लिए, कोई कोडिंग बनाम नॉन-कोडिंग क्षेत्रों में उत्परिवर्तन की सापेक्ष दर की गणना कर सकता है। आमतौर पर उत्परिवर्तन दरों के स्पेक्ट्रम की अवधारणा को ट्रांजिशन और transversion (चित्र) जैसे व्यापक वर्गों को कवर करने के लिए सरल बनाया जाता है, यानी जीनोम में विभिन्न उत्परिवर्तनीय रूपांतरणों को वर्गों में एकत्रित किया जाता है, और प्रत्येक वर्ग के लिए एक कुल दर होती है।

कई संदर्भों में, एक उत्परिवर्तन स्पेक्ट्रम को कुछ चयन मानदंड द्वारा पहचाने गए उत्परिवर्तनों की देखी गई आवृत्तियों के रूप में परिभाषित किया जाता है, उदाहरण के लिए, कैंसर के एक विशेष प्रकार के साथ नैदानिक रूप से जुड़े उत्परिवर्तनों का वितरण,[16] या एंटीबायोटिक प्रतिरोध जैसे विशेष संदर्भ में अनुकूलन परिवर्तनों का वितरण। जबकि de novo mutation दरों का स्पेक्ट्रम केवल म्यूटाजेनेसिस को दर्शाता है, इस प्रकार का स्पेक्ट्रम चयन और निर्धारण पूर्वाग्रहों के प्रभावों को भी दर्शा सकता है।

विकास

उत्परिवर्तन दरों के विकास पर सिद्धांत इसमें शामिल तीन प्रमुख बलों की पहचान करता है: उच्च उत्परिवर्तन के साथ अधिक हानिकारक उत्परिवर्तनों का उत्पादन, उच्च उत्परिवर्तन के साथ अधिक लाभकारी उत्परिवर्तनों का उत्पादन, और चयापचय लागत और कम प्रतिकृति दर जो उत्परिवर्तनों को रोकने के लिए आवश्यक हैं। प्रत्येक बल को दिए गए सापेक्ष महत्व के आधार पर अलग-अलग निष्कर्ष निकाले जाते हैं। जीवों की इष्टतम उत्परिवर्तन दर उच्च उत्परिवर्तन दर की लागत,[17] जैसे कि हानिकारक उत्परिवर्तन, और उत्परिवर्तन दर को कम करने के लिए प्रणालियों को बनाए रखने की चयापचय लागत (जैसे डीएनए मरम्मत एंजाइमों की अभिव्यक्ति को बढ़ाना, या, बर्नस्टीन एट अल. द्वारा समीक्षा के अनुसार, मरम्मत के लिए ऊर्जा का उपयोग बढ़ाना, अतिरिक्त जीन उत्पादों के लिए कोडिंग करना और/या धीमी प्रतिकृति होना) के बीच एक व्यापार-बंद (trade-off) द्वारा निर्धारित की जा सकती है। दूसरे, उच्च उत्परिवर्तन दर लाभकारी उत्परिवर्तनों की दर को बढ़ाती है, और विकास अनुकूलन की इष्टतम दरों को बनाए रखने के लिए उत्परिवर्तन दर को कम होने से रोक सकता है। इस प्रकार, हाइपरम्यूटेबिलिटी कुछ कोशिकाओं को बदलती परिस्थितियों के अनुकूल होने में सक्षम बनाती है ताकि पूरी आबादी को विलुप्त होने से बचाया जा सके। अंत में, प्राकृतिक चयन उत्परिवर्तन दर को अनुकूलित करने में विफल हो सकता है क्योंकि उत्परिवर्तन दर को कम करने के लाभ अपेक्षाकृत मामूली हैं, और इस प्रकार देखी गई उत्परिवर्तन दर तटस्थ प्रक्रियाओं का उत्पाद है।

अध्ययनों से पता चला है कि RNA वायरस जैसे पोलियोवायरस का रिबाविरिन (ribavirin) के साथ उपचार करने पर ऐसे परिणाम प्राप्त होते हैं जो इस विचार के अनुरूप हैं कि वायरस अपने जीनोम में जानकारी की अखंडता बनाए रखने के लिए बहुत अधिक बार उत्परिवर्तित (mutate) होते हैं।[18] इसे त्रुटि प्रलय (error catastrophe) कहा जाता है।

HIV (ह्यूमन इम्यूनोडेफिशिएंसी वायरस) की 3 × 10−5 प्रति बेस और प्रति पीढ़ी की विशिष्ट रूप से उच्च उत्परिवर्तन दर, इसके छोटे प्रतिकृति चक्र (replication cycle) के साथ मिलकर उच्च एंटीजन परिवर्तनशीलता की ओर ले जाती है, जिससे यह प्रतिरक्षा प्रणाली से बचने में सक्षम हो जाता है।[19]

इन्हें भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ (December 2016). The mutation rate in human evolution and demographic inference. Current Opinion in Genetics & Development. 41 36–43. doi:10.1016/j.gde.2016.07.008.
  2. ↑ (January 1994). "Adaptive evolution of highly mutable loci in pathogenic bacteria". Current Biology. 4 (1) 24–33. doi:10.1016/s0960-9822(00)00005-1.
  3. ↑ (December 1996). "The mutation rate and cancer". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 93 (25) 14800–14803. doi:10.1073/pnas.93.25.14800.
  4. ↑ (August 2007). "The distribution of fitness effects of new mutations". Nature Reviews. Genetics. 8 (8) 610–618. doi:10.1038/nrg2146.
  5. ↑ (October 2012). "Revising the human mutation rate: implications for understanding human evolution". Nature Reviews. Genetics. 13 (10) 745–753. doi:10.1038/nrg3295.
  6. ↑ (2016). Landmark Experiments in Molecular Biology. 120. Elsevier Science. ISBN 978-0-12-802108-8.
  7. ↑ (February 2022). "Mutation bias reflects natural selection in Arabidopsis thaliana". Nature. 602 (7895) 101–105. doi:10.1038/s41586-021-04269-6.
  8. ↑ (October 2017). Selection Constrains High Rates of Tandem Repetitive DNA Mutation in Daphnia pulex. Genetics. 207 (2) 697–710. doi:10.1534/genetics.117.300146.
  9. ↑ (August 2011). "Mutation Rate Inferred From Synonymous Substitutions in a Long-Term Evolution Experiment With Escherichia coli". G3. 1 (3) 183–186. doi:10.1534/g3.111.000406.
  10. ↑ (January 2010). "The rate and molecular spectrum of spontaneous mutations in Arabidopsis thaliana". Science. 327 (5961) 92–94. doi:10.1126/science.1180677.
  11. ↑ (January 2013). "Mutation rate dynamics in a bacterial population reflect tension between adaptation and genetic load". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (1) 222–227. doi:10.1073/pnas.1219574110.
  12. ↑ 12.0 12.1 12.2 (April 1998). Rates of spontaneous mutation. Genetics. 148 (4) 1667–1686. doi:10.1093/genetics/148.4.1667.
  13. ↑ (June 2003). Likelihood-based estimation of microsatellite mutation rates. Genetics. 164 (2) 781–787. doi:10.1093/genetics/164.2.781.
  14. ↑ (28 June 2012). Lack of DNA modification creates hotspots for mutations. Simons Foundation Autism Research Initiative.
  15. ↑ (January 2023). "Rates and spectra of de novo structural mutations in Chlamydomonas reinhardtii". Genome Research. 33 (1) 45–60. doi:10.1101/gr.276957.122.
  16. ↑ (2013). "Hereditary breast cancer in the Han Chinese population". Journal of Epidemiology. 23 (2) 75–84. doi:10.2188/jea.je20120043.
  17. ↑ (June 2011). "An evolutionary reduction principle for mutation rates at multiple Loci". Bulletin of Mathematical Biology. 73 (6) 1227–1270. doi:10.1007/s11538-010-9557-9.
  18. ↑ (June 2001). "RNA virus error catastrophe: direct molecular test by using ribavirin". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98 (12) 6895–6900. doi:10.1073/pnas.111085598.
  19. ↑ (January 2004). The causes and consequences of HIV evolution. Nature Reviews. Genetics. 5 (1) 52–61. doi:10.1038/nrg1246.

स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के “Mutation rate” लेख का अनुवाद। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/Mutation_rate यह अनुवाद स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

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