👈 🙌🏾 🍯 जीन नेटवर्क जो जानवरों की शारीरिक संरचना को नियंत्रित करते हैं 🙌🏾 ⏯️ 🙍🏻

अंडे को लार्वा में बदलने के लिए अंडे का उपयोग कैसे करें और फिर एक वयस्क मक्खी में? एक मक्खी, अन्य कीटों की तरह, इसमें खंड होते हैं। सेगमेंट तीन समूहों - सिर, छाती और पेट में संयोजित होते हैं। एक खंड में एक जोड़ी अंग हो सकते हैं। छाती में तीन खंड होते हैं, प्रत्येक में एक जोड़ी पैर होते हैं। दूसरे थोरैसिक खंड में पंख भी होते हैं, और तीसरा - जमीन बीटल (छोटी पूंछ के पंख, एक मैग्नीशियम ग्लास के बिना लगभग अदृश्य)। पेट में आठ खंड होते हैं; उन पर कोई अंग नहीं होता है। प्रारंभ में, सिर में छह खंड थे, लेकिन कीड़ों के विकास के दौरान उनके बीच की सीमाएं पूरी तरह से मिट गईं। उनके अंग एंटीना हैं जिसके साथ मक्खी सूँघती है और महसूस करती है, और तीन जोड़ी मुंह के अंग। बग या कॉकरोच के लिए, यह मैंडिबल्स, मैक्सिल और निचला होंठ होगा, जबकि एक मक्खी के लिए वे सभी सूंड में विलीन हो जाते हैं।

सभी अंगों के स्थान पर होने के लिए, प्रत्येक कोशिका को पता होना चाहिए कि वह भ्रूण में कहां स्थित है। इसलिए, भ्रूण के विकास के शुरुआती चरणों में, जब इसमें अभी तक कोई अंग नहीं हैं और सभी कोशिकाएं समान दिखती हैं, तो इसमें एक जैव रासायनिक "समन्वय ग्रिड" दिखाई देता है, जिसमें एथरोफोस्टर, डॉर्सो-पेट और बाएं-दाएं कुल्हाड़ियों होते हैं। समन्वय ग्रिड बनाने वाले जीन के उत्परिवर्तन आसानी से और जल्दी से जानवर की उपस्थिति को बदल सकते हैं - अंगों को किसी अन्य स्थान पर स्थानांतरित कर सकते हैं, उनकी संख्या बदल सकते हैं, और इसी तरह। इसलिए, ऐसे जीन जानवरों के विकास के लिए महत्वपूर्ण हैं और बहुत सक्रिय रूप से अध्ययन किए जाते हैं। आनुवंशिकीविदों का पसंदीदा खिलौना ड्रोसोफिला मक्खी के भ्रूण को चिह्नित करने के लिए जीन नेटवर्क, संभवतः पशु चिकित्सा नेटवर्क के बीच सबसे अधिक अध्ययन किया गया है।

एथरोफोस्टेरियस अक्ष के साथ एक अंडे को चिह्नित करने के लिए एल्गोरिथ्म मूल रूप से सरल है:

1) यह निर्धारित करें कि अंडे का कौन सा अंत सिर होगा, जो पूंछ
2) भ्रूण को एथरोफोस्टेरियल अक्ष के साथ 17 खंडों में
विभाजित करता है 3) अपने खंडों को सामने, मध्य और पीछे
4 में विभाजित करें ) सिर (6 खंड), छाती (3 खंड) और पेट (8 खंड)
5) को चिह्नित करें खंडों के व्यक्तिगत अंतर को चिह्नित करें

जीन नेटवर्क जो इसके साथ काम करता है, एक मॉड्यूलर डिवाइस है। प्रत्येक मॉड्यूल सामान्य एल्गोरिथ्म का अपना चरण करता है। ड्रोसोफिला मक्खी जीन विकास नेटवर्क का अध्ययन करने के लिए एक बहुत ही सुविधाजनक वस्तु बन गई, क्योंकि इसमें बहुत उज्ज्वल और वंशानुगत विकृतियों का खुलासा किया गया है। उदाहरण के लिए, antennapedia उत्परिवर्तन जिसमें एंटीना पैर या के रूप में तब्दील कर रहे हैं ~~VROTMNENOGI~~प्रोबोसिपिसिया, जब प्रोबोसिस का हिस्सा पैरों में बदल जाता है। बिथोरैक्स म्यूटेशन चार पंखों वाली मक्खी देता है, जो दूसरे वक्षीय खंड पर सामान्य पंखों के अलावा, तीसरे वक्षीय खंड पर पंखों की दूसरी जोड़ी होती है।

ऐसे उत्परिवर्तन, जिनमें शरीर का एक हिस्सा दूसरे के समान हो जाता है, "होमोसिस" कहा जाता है। इन उत्परिवर्ती के साथ शुरू होकर, आनुवंशिकी ने अंततः जीन के पूरे नेटवर्क को नष्ट कर दिया जो मक्खी के विकास को नियंत्रित करते हैं। इस काम ने 1995 में नोबेल पुरस्कार जीता।

यह सब अंडाकार ध्रुवीय जीन - बाइकोइड और नैनो से शुरू होता है। वे अंडे के निषेचन से पहले भी काम करते हैं, जबकि यह मां की मक्खी के अंडाशय में परिपक्व होता है। अंडे में पोषक तत्वों को पंप करने वाली सहायक कोशिकाएं अंडे के एक तरफ स्थित होती हैं, इसलिए अंडे में शुरुआत से ही दो अलग-अलग छोर होते हैं। मैट्रिक्स बाइकोइड आरएनए अंडे के पूर्वकाल अंत में जमा होता है, जहां यह जुड़ा हुआ है और दूर तैर नहीं सकता है। नैनोस mRNA वैसे ही पीछे के छोर पर तय किया गया है। निषेचन के बाद, इन mRNAs का उपयोग करके प्रोटीन को संश्लेषित किया जाना शुरू होता है। उनके अणु पूरे अंडे में फैल गए। चूंकि बाइकोइड और नैनोस प्रोटीन का संश्लेषण अंडे के एक छोर पर होता है, और हर जगह क्षय हो जाता है, एक बाइकोइड प्रोटीन प्रवणता कम हो जाती है, भ्रूण के पूर्वकाल अंत से पीछे की ओर कम हो जाती है, और नैनोसंरचना पश्चात से पूर्वकाल अंत तक।

यदि एक माइक्रोफ़ोनिप के साथ अंडे में एक अलग जगह में एक बाइकोइड एमआरएनए पेश किया जाता है, तो वहां एक दूसरा सिर बढ़ेगा। यदि बाइकोइड एमआरएनए कृत्रिम रूप से बंद हो जाता है, तो एक भ्रूण बिना सिर के और दो गधों के साथ प्राप्त किया जाता है।
इसके अलावा, बाइकोइड और नैनोस प्रोटीन में भ्रूण के जीन शामिल होते हैं, यानी, उनसे एक नया mRNA पढ़ा जाना शुरू होता है)। द गैप जीन काम करना शुरू करने वाले पहले हैं, अंग्रेजी गैप से। इस समूह के पहले दो जीन - हंचबैक और पुच्छल - सिर से पूंछ (हंचबैक) और पूंछ से सिर (दुम) तक ग्रेडिएंट बनाते हैं। लेकिन उनके ग्रेडिएंट बाइकोइड और नैनो से ज्यादा चिकने होते हैं।

जीन को अजीब तरह से क्यों कहा जाता है?

. . , hunchback — «», tailless — «», kruppel - — «», bithorax – « ». Sonic hedgehog , .

गैप समूह के शेष चार जीन प्रत्येक रूप में एक या दो व्यापक (एक से अधिक खंड) काफी स्पष्ट सीमाओं के साथ बंधते हैं। वे उच्च जीनों के प्रोटीन उत्पादों (बाइकोइड, नैनोस, हंचबैक और दुम) द्वारा शामिल किए गए हैं। इस समूह के जीनों में से एक पूर्ण शटडाउन एक छोटा भ्रूण देता है, जिसमें कई खंडों का अभाव होता है, जिनमें यह सामान्य रूप से काम करता है।

गैप ब्लॉक जीन की गतिविधि के क्षेत्र

क्यों यह पता चलता है कि चार गैप ब्लॉक जीन (क्रुपेल, विशाल, नाइपर और टेललेस) भ्रूण को बैंड में विभाजित करते हैं, जिनमें से प्रत्येक में चार जीनों में से एक काम करता है?

सबसे पहले, वे सभी एक दूसरे की गतिविधि को दबाते हैं। एकल कोशिका में, एक ऐसी स्थिति स्थिर होगी जिसमें इस तरह के समूह का एक जीन सक्रिय रूप से काम करता है और अन्य सभी को ट्रिगर करता है। लेकिन विकासशील मक्खी का अंडा अधिक जटिल है। इसमें, इस समय, कुल इंट्रासेल्युलर द्रव (साइटोप्लाज्म) में हजारों व्यक्तिगत सेल नाभिक तैरते हैं। अंडे का आकार काफी बड़ा होता है ताकि नियामक प्रोटीन के क्षय की दर अंडे के दूसरे छोर तक उनकी प्रसार दर के बराबर हो। प्रसार और आपसी दमन के संयोजन के साथ, एक और स्थिर स्थिति प्रकट होती है जब अंडे को कई बैंडों में विभाजित किया जाता है, जिनमें से प्रत्येक में समूह से एक जीन काम करता है। प्रोटीन के प्रसार को धीमा या तेजी से टूटने, इन पट्टियों या धब्बे जितना छोटा होगा।1952 में एलन ट्यूरिंग (हाँ, जिन्होंने "ट्यूरिंग मशीन" का आविष्कार किया था) द्वारा जानवरों के शरीर के अंकन में ऐसी प्रणालियों की भागीदारी (उन्हें प्रतिक्रिया-प्रसार कहा जाता है) की भविष्यवाणी की गई थी। उस समय, जीन और प्रोटीन के बारे में बहुत कम जानकारी थी, लेकिन ट्यूरिंग द्वारा धारीदार और चित्तीदार संरचनाओं का वर्णन समीकरणों को सही ढंग से काट दिया गया था।यहां या यहां, आप दो पदार्थों के एक सरल प्रतिक्रिया-प्रसार मॉडल के साथ खेल सकते हैं और महसूस कर सकते हैं कि यह कैसे व्यवहार कर सकता है।

गैप जीन और एग पोलरिटी जीन के बीच संबंध। बीडीसी - बाइकोइड, एचबी - हंचबैक, कैड - कौडल, क्र - क्रुपेल, घुटने - नाइपर, जीई - विशाल, टीएल - टेललेस।

अकेले एक दूसरे के जीन का दमन भ्रूण को कुछ धारियों में चिह्नित करेगा, लेकिन एक दूसरे के सापेक्ष चार जीनों के गतिविधि बैंड का स्थान और भ्रूण के छोर बहुत ही परिवर्तनशील होंगे। स्ट्रिप्स हमेशा के लिए जगह में होने के लिए (उदाहरण के लिए, knirps के लिए - सिर में एक स्ट्रिप, क्रुपल और विशाल स्ट्रिप्स के बीच पीछे के आधे हिस्से में), आपको एक दूसरे नियंत्रण संकेत की आवश्यकता होती है - boidoid और अन्य अंडा ध्रुवीय प्रोटीन के ग्रेडिएंट। इन नियामकों के लिए गैप जीन के इनपुट कार्यों में इनपुट सिग्नल के विभिन्न स्तरों पर मैक्सिमा होती है (हमने दूसरे लेख के अंत में इस तरह के इनपुट फ़ंक्शन को प्राप्त किया है )। इसलिए, गैप जीन प्रत्येक को अपने स्तर पर बाइकोइड, हंचबैक और कॉडल प्रोटीन द्वारा चालू किया जाता है, और उनकी गतिविधि क्षेत्र स्वाभाविक रूप से सिर से भ्रूण की पूंछ तक स्थित होते हैं।

गैप जीन के बाद भ्रूण की एक मोटी मार्किंग 7 बैंड में हो जाती है (वे या तो खंडों या सिर-छाती-पेट के साथ मेल नहीं खाते हैं), अगला मॉड्यूल चालू होता है - युग्म-नियम ("जोड़ी नियम नियम")। यह पहले से ही भ्रूण को खंडों में विभाजित करता है, जो 17 होना चाहिए। जोड़ी-नियम मॉड्यूल में पांच जीन होते हैं, और उनमें से सभी, जैसा कि आपने अनुमान लगाया होगा, एक-दूसरे को दबा सकते हैं। इन जीनों में से प्रत्येक या तो सभी या सभी विषम क्षेत्रों में काम करता है - उनके द्वारा एन्कोड किए गए प्रोटीन गैप समूह के प्रोटीन की तुलना में तेजी से टूट जाते हैं, और स्ट्रिप्स क्रमशः संकीर्ण होते हैं। इस समूह के जीन का स्विच ऑफ करने से एक छोटा भ्रूण मिलता है, जिसमें सभी या सभी विषम खंड गायब हो जाते हैं।

युग्म-शासन समूह से जीन की गतिविधि के क्षेत्र। दाहिनी ओर के फोटो में 14 नहीं बल्कि 14 स्ट्रिप्स हैं, क्योंकि अन्य तीन मार्किंग सिस्टम सिर के पहले तीन खंडों में काम करते हैं।

युग्म-नियम मॉड्यूल ही, गैप और बाइकोइड की भागीदारी के बिना, भ्रूण को संकीर्ण स्ट्रिप्स में चिह्नित कर सकता है, लेकिन इन स्ट्रिप्स की संख्या अस्थिर होगी: खंड 12, 18 और यहां तक कि 20 हो सकते हैं। आम तौर पर, जोड़ी-नियम जीन को नियंत्रित करना मुश्किल है। जीन गैप, और पहला रफ मार्कअप (7 जोन के लिए) अंतिम मार्कअप (14 + 3 सेगमेंट के लिए) को सटीक और मज़बूती से बनाने में मदद करता है।

एल्गोरिथ्म में अगला बिंदु प्रत्येक खंड के सामने, मध्य और पीछे को चिह्नित करना है। यह सेगमेंट पोलरिटी जीन द्वारा किया जाता है। वे एक-दूसरे को भी दबाते हैं और जीन नेटवर्क (जोड़ी-नियम और अंतराल) के उच्च मॉड्यूल द्वारा स्विच किए जाते हैं। केवल उनके उत्पादों के प्रसार और क्षय के मापदंडों का चयन किया जाता है ताकि स्ट्रिप्स बहुत पतले हों - आधा खंड। एक-दूसरे के साथ उन्हें दबाना कमजोर और जोड़ी-शासन जीन की तुलना में अधिक संगठित है। इसलिए, उनकी गतिविधि स्ट्रिप्स आंशिक रूप से ओवरलैप करती है और प्रत्येक सेगमेंट में अलग-अलग ओवरलैपिंग स्ट्रिप्स की एक लगातार "लाइन" प्राप्त होती है।

सेगमेंट पोलरिटी जीन को स्विच करने से आमतौर पर भ्रूण को छोटा करने और उसके हिस्सों को नुकसान नहीं होता (जैसा कि अंतर और जोड़ी-नियम के लिए विशिष्ट है), लेकिन अधिक सूक्ष्म प्रभावों के लिए। आमतौर पर, इस मामले में, प्रत्येक खंड का आधा हिस्सा जिसमें यह जीन काम करने वाला था, दूसरे आधे हिस्से की दर्पण छवि में बदल जाता है। यह स्पष्ट रूप से दिखाई देता है, क्योंकि फ्लाई लार्वा में छोटी रीढ़ की पंक्तियाँ होती हैं जो पीछे की ओर निर्देशित होती हैं - रेंगने की सुविधा के लिए। खंड ध्रुवीयता जीन में उत्परिवर्ती आगे निर्देशित रीढ़ की पंक्तियाँ हैं।

अंत में, यह इस नेटवर्क के सबसे प्रसिद्ध और पहले खोजे गए जीन की बारी है - हॉक्स मॉड्यूल। उनका काम खंडों को व्यक्तित्व प्रदान करता है ताकि एंटीना और सूंड सिर के खंडों पर विकसित हो, और छाती खंडों पर पैर और पंख बढ़ते हैं। पिछले मॉड्यूल के विपरीत हॉक्स जीन, एक दूसरे की गतिविधि को रोकते नहीं हैं और एक ही भ्रूण खंड में एक साथ काम कर सकते हैं। हॉक्स जीन की एक अजीब संपत्ति जिसे अभी तक समझाया नहीं गया है: वे एक तंग समूह में गुणसूत्र पर स्थित हैं, और उसी क्रम में जिसमें वे भ्रूण के शरीर में काम करते हैं।

भ्रूण का अंकन सिद्धांत पर आधारित है "छाती से दूर, अधिक हॉक्स जीन और जितना अधिक सक्रिय है": उदर-ए जीन की गतिविधि 2 उदर खंड से शुरू होती है, पूर्ण 4 तक बढ़ती है और बाद के सभी खंडों में अधिकतम स्तर पर जारी रहती है; पेट-बी जीन पेट के 5 वें से 8 वें खंड तक काम करता है, प्रत्येक बाद के खंड में गतिविधि बढ़ जाती है। अल्ट्रैबिथोरैक्स जीन तीसरे वक्ष खंड में आधी ताकत में और पूरे पेट में पूरी क्षमता में शामिल है। जब इसे बिथोरैक्स म्यूटेंट में बंद किया जाता है, तो 3 थोरैसिक सेगमेंट की कोशिकाओं को पता नहीं होता है कि वे 3 थोरैसिक सेगमेंट हैं, हॉक्स जीन का एक ही सेट उन में काम करता है जैसे कि 2 थोरैसिक (यानी एंटेनापीडिया) और 3 थोरैसिक सेगमेंट का विकास होता है। प्रोग्राम 2 चेस्ट - ग्राउंड बीटल और शक्तिशाली उड़ान की मांसपेशियों के बजाय पंखों के साथ।

यदि आप एक अलग खंड में सभी हॉक्स जीन को बंद कर देते हैं, तो यह बदसूरत हो जाएगा, लेकिन यह सभी 1 छाती की तरह दिखाई देगा, पैरों के साथ और पंखों के बिना। ऐसा इसलिए है क्योंकि कीड़ों के दूर के पूर्वज त्रिलोबाइट्स या मिलीपेड्स की तरह थे। उनके पास पैरों के साथ कई समान खंड थे। इसके बाद, उनका शरीर छोटा हो गया, पिछला हिस्सा खो गया, उदर बन गया और कई अग्र खंड सिर से जुड़ गए और उनके पैर मौखिक उपकरण (मैंडिबल्स, मैक्सिल और लोअर लिप) के हिस्से बन गए।

भ्रूण के अंकन के लिए आनुवंशिक नेटवर्क के गणितीय मॉडल

एस्चेरिचिया कोलाई में लैक्टोज ऑपेरॉन और डायरेक्ट लिंक लूप्स के मामले में, किसी भी इनपुट सिग्नल के लिए जीन के व्यवहार की भविष्यवाणी करने वाले मापदंडों की एक मध्यम संख्या के साथ काफी सरल गणितीय मॉडल बनाना संभव है। एक लैक्टोज ऑपेरॉन के लिए, यह पर्याप्त है:

- चार बाध्यकारी स्थिरांक (डीएनए के साथ दाता और सक्रियकर्ता, रेपेसर के साथ लैक्टोज, एक्टिवेटर के साथ सीएमपी)
- चार स्टोइकोमेट्री पैरामीटर (4 प्रति लैक्टोज प्रति 1 प्रतिनिधि, 2 सीएमपी 1 सक्रियकर्ता, 1 रिप्रेसेंट और प्रति ऑपरेशन एक्टिवेटर)
- दो विनियमन पैरामीटर (आरएनए पोलीमरेज़ लैंडिंग की संभावना पर दमनकर्ता और कार्यकर्ता का प्रभाव)
- ऑपेरॉन गतिविधि का मूल स्तर (जब कोई दमनकर्ता या सक्रियकर्ता नहीं है)
- ट्रांसक्रिप्शनल विलम्ब
कुल 12 पैरामीटर।

आइए, अब हमॉक्स जीन के नियामक क्षेत्रों को देखें। नीचे दिए गए आरेख में, पेट-बी जीन के नियामक ब्लॉकों में से एक है।

रंगीन पट्टियाँ नियामक प्रोटीन बाध्यकारी साइटों को इंगित करती हैं। इस पूरे ब्लॉक का आकार लगभग 1700 न्यूक्लियोटाइड है - लैक्टोज ऑपेरॉन के नियामक क्षेत्र से 10 गुना अधिक। इस जीन नेटवर्क के सभी बेहतर ब्लॉकों से 7 अलग-अलग नियामक प्रोटीनों के लिए 39 रोपण साइटें हैं। और पेट-बी में चार ऐसे नियामक ब्लॉक हैं। वे पेट के 5 वें से 8 वें खंड तक क्रमिक रूप से चालू होते हैं और इन खंडों में पेट-बी प्रोटीन के स्तर में एक कदम वृद्धि करते हैं। यही है, अकेले इस जीन के मैटमॉडल के लिए, एक अच्छे तरीके से, आपको 100 से अधिक बाध्यकारी स्थिरांक, विनियमन मापदंडों की समान संख्या, और विभिन्न इनपुट के बीच बातचीत का वर्णन करने के लिए अज्ञात संख्याओं की आवश्यकता होती है - सबसे खराब स्थिति में, सभी प्रोटीन लैंडिंग साइटों के बीच एक में 1,500 जोड़दार अंतःक्रियाएं तक। नियामक इकाई।यही है, इस जीन नेटवर्क के पूर्ण मॉडल में निश्चित रूप से एक हजार से अधिक पैरामीटर होंगे। और यह मुख्य समस्या है: इतने सारे आउटपुट सिग्नल नहीं हैं जो हम प्रयोग में माप सकते हैं - वास्तव में, केवल 25 प्रोटीनों में से प्रत्येक का स्तर और भ्रूण की लंबाई के साथ उनका वितरण। इसलिए, किसी ने भी इस नेटवर्क को लैक्टोज ऑपेरॉन के समान दानेदारता के साथ अनुकरण करने की कोशिश नहीं की।

आप कार्य को सरल बनाने की कोशिश कर सकते हैं और केवल तीन मापदंडों (बंधन, स्टोइकोमेट्री और विनियमन पैरामीटर) के साथ जीन पर प्रत्येक नियामक प्रोटीन के प्रभाव का वर्णन कर सकते हैं। आप इन मापदंडों का चयन कर सकते हैं (उदाहरण के लिए, मार्कोव श्रृंखला का उपयोग करके) ताकि मॉडल जीन गतिविधि के वास्तविक स्ट्रिप्स को सटीक रूप से पुन: पेश करे। नेटवर्क के पहले दो ब्लॉकों (अंडा ध्रुवीयता जीन और गैप जीन) के लिए ऐसे मॉडल भी बनाए जाते हैं ( उदाहरण के लिए )।

समस्या यह है कि चयन एल्गोरिथ्म के अलग-अलग प्रारंभ अलग-अलग मॉडल पैरामीटर देते हैं - लेकिन वे सभी सही ढंग से काम करते हैं और एक वास्तविक मक्खी कली में जीन की गतिविधि को पुन: उत्पन्न करते हैं! इन मॉडलों में सामान्य विशेषताएं हैं (उदाहरण के लिए, सभी गैप जीन एक दूसरे को दबाते हैं और मातृ प्रोटीन द्वारा सक्रिय होते हैं), लेकिन समानता से कम अंतर नहीं हैं।

और चूंकि मॉडलिंग में अलग-अलग प्रयास अलग-अलग परिणाम देते हैं, यह संभावना नहीं है कि उनमें से कम से कम एक वास्तविकता के साथ मेल खाता हो। इससे भी बदतर, ऐसे मॉडल सामान्य ऑपरेशन को पुन: पेश करते हैं, लेकिन म्यूटेशन के परिणामों की भविष्यवाणी करने में बहुत याद आते हैं।

अगले भाग में, हम इस बारे में बात करेंगे कि क्यों जीन नेटवर्क के अध्ययन के साथ ये परेशानी जीव विज्ञान में अपरिहार्य हैं (और ड्रोसोफिला भ्रूण अंकन नेटवर्क अध्ययन के लिए सबसे सरल है!), इस बारे में क्या किया जा सकता है, और जीव विज्ञानियों से क्या सीखा जाना चाहिए?

जीन नेटवर्क जो जानवरों की शारीरिक संरचना को नियंत्रित करते हैं

भ्रूण के अंकन के लिए आनुवंशिक नेटवर्क के गणितीय मॉडल

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