DNA प्रतिकृति की प्रक्रिया: अर्धसंरक्षी मॉडल, एंज़ाइम और चरण

DNA प्रतिकृति (DNA replication) वह कोशिकीय प्रक्रिया है जिसमें कोशिका के बँटने से पहले दो लड़ियों वाला एक DNA अणु अपनी दो बिल्कुल एक जैसी संतति प्रतियाँ बना लेता है। हर संतति अणु में एक पुरानी लड़ी मूल DNA से आती है और दूसरी नई बनी हुई होती है। इसी पैटर्न को DNA प्रतिकृति का अर्धसंरक्षी मॉडल (semi-conservative model) कहते हैं, और इसे जेम्स वॉटसन और फ़्रांसिस क्रिक ने 1953 में द्विकुंडली संरचना छापने के लगभग साथ ही सुझा दिया था। 1958 के मेसेलसन-स्टाल प्रयोग ने Escherichia coli की एक के बाद एक पीढ़ियों में DNA का घनत्व नापकर इस अर्धसंरक्षी मॉडल की पुष्टि कर दी।

NCERT कक्षा 12 जीव विज्ञान और UPSC प्रीलिम्स के सामान्य विज्ञान, दोनों में DNA प्रतिकृति की प्रक्रिया आणविक जीव विज्ञान के सबसे ज़्यादा पूछे जाने वाले विषयों में है। इस पूरी मशीनरी में एंज़ाइम एक तय क्रम में काम करते हैं — हेलिकेज़, टोपोआइसोमरेज़, एकल-लड़ी बंधक प्रोटीन, प्राइमेज़, DNA पॉलिमरेज़ और DNA लाइगेज़ — जो मूल कुंडली को खोलते हैं, RNA प्राइमर बिछाते हैं, 5′ से 3′ दिशा में नया DNA बनाते हैं, और पिछड़ी लड़ी पर बने टुकड़ों को आपस में जोड़ देते हैं। प्रतिकृति कांटा (replication fork) मूल DNA पर प्रोकैरियोट में क़रीब 1,000 न्यूक्लियोटाइड प्रति सेकंड और यूकैरियोट में क़रीब 50 से 100 न्यूक्लियोटाइड प्रति सेकंड की रफ़्तार से बढ़ता है, और DNA पॉलिमरेज़ की जाँच-परख वाली भूमिका की वजह से ग़लती की दर सिर्फ़ एक अरब न्यूक्लियोटाइड में एक रह जाती है।

DNA प्रतिकृति है क्या

DNA प्रतिकृति का मतलब है समसूत्री या अर्धसूत्री विभाजन से पहले कोशिका के पूरे जीनोम की नकल तैयार कर लेना। यह प्रतिकृति उद्गम (origin of replication) नाम के एक ख़ास अनुक्रम से शुरू होती है, मूल द्विकुंडली को दोनों दिशाओं में खोलती है, और दो पूरी संतति प्रतियाँ बना देती है जो मूल अणु जैसी ही होती हैं। यूकैरियोटिक कोशिका चक्र में यह दूसरा चरण है, यानी S प्रावस्था, जो बढ़त वाली G1 प्रावस्था और समसूत्री विभाजन की तैयारी वाली G2 प्रावस्था के बीच पड़ती है।

DNA प्रतिकृति की सटीकता हैरान करने वाली है। क्षार युग्मन, पॉलिमरेज़ की जाँच-परख और प्रतिकृति के बाद होने वाली बेमेल मरम्मत — इन तीनों के मिले-जुले असर से ग़लती की दर घटकर हर 10^9 न्यूक्लियोटाइड की नक़ल पर एक रह जाती है। यही लगभग बेदाग़ सटीकता जैविक वंशानुक्रम का आणविक आधार है।

अर्धसंरक्षी मॉडल

वॉटसन और क्रिक ने 1953 में कहा था कि DNA अर्धसंरक्षी तरीक़े से अपनी नक़ल बनाता है। मूल कुंडली की हर लड़ी एक नई पूरक लड़ी के लिए साँचे का काम करती है। प्रतिकृति के बाद हर संतति अणु में एक मूल लड़ी और एक नई बनी लड़ी होती है। इसके मुक़ाबले संरक्षी मॉडल में दोनों मूल लड़ियाँ साथ ही रह जातीं और पूरी नई संतति प्रति अलग से बनती; और विकीर्ण मॉडल में हर लड़ी के भीतर पुराने और नए हिस्से बारी-बारी आते।

मैथ्यू मेसेलसन और फ़्रैंकलिन स्टाल ने 1958 में अर्धसंरक्षी मॉडल की पुष्टि की। उन्होंने E. coli को कई पीढ़ियों तक भारी नाइट्रोजन-15 वाले माध्यम में उगाया, फिर कोशिकाओं को सामान्य नाइट्रोजन-14 वाले माध्यम में डाल दिया। एक पीढ़ी बाद सारा DNA बीच के घनत्व का निकला, जिससे संरक्षी मॉडल ख़ारिज हो गया। दो पीढ़ियों बाद आधा DNA हल्का था और आधा बीच के घनत्व का, जिससे विकीर्ण मॉडल भी ख़ारिज हो गया। नतीजा ठीक वैसा ही था जैसा अर्धसंरक्षी मॉडल कहता था।

DNA प्रतिकृति में लगने वाले एंज़ाइम

DNA प्रतिकृति कम से कम छह अलग-अलग तरह के एंज़ाइमों का तालमेल भरा काम है।

हेलिकेज़

हेलिकेज़ वह इंजन जैसा एंज़ाइम है जो प्रतिकृति कांटे पर मूल द्विकुंडली को खोलता है। यह ATP लगाकर पूरक क्षार युग्मों के बीच के हाइड्रोजन बंध तोड़ता है और दोनों लड़ियाँ अलग कर देता है, ताकि हर लड़ी साँचे का काम कर सके।

टोपोआइसोमरेज़

जैसे-जैसे हेलिकेज़ कुंडली खोलता है, वह अपने आगे धनात्मक अतिकुंडलन पैदा करता जाता है। टोपोआइसोमरेज़ (बैक्टीरिया में इसे DNA जायरेज़ भी कहते हैं) DNA की रीढ़ को काटकर फिर जोड़ देता है, ताकि यह ऐंठन का दबाव निकल जाए और प्रतिकृति कांटा चलता रहे।

एकल-लड़ी बंधक प्रोटीन

एकल-लड़ी बंधक प्रोटीन (SSB) खुलती हुई मूल लड़ियों पर चढ़ जाते हैं। ये दोनों लड़ियों को वापस कुंडली में जुड़ने से रोकते हैं और हर हिस्से पर प्रतिकृति पूरी होने तक उन्हें न्यूक्लिएज़ से बचाए रखते हैं।

प्राइमेज़

DNA पॉलिमरेज़ नई लड़ी शून्य से शुरू नहीं कर सकता। यह सिर्फ़ पहले से मौजूद 3′ हाइड्रॉक्सिल समूह पर न्यूक्लियोटाइड जोड़ सकता है। इसीलिए प्राइमेज़, जो असल में एक RNA पॉलिमरेज़ है, हर साँचा लड़ी पर क़रीब 10 न्यूक्लियोटाइड का छोटा RNA प्राइमर बिछा देता है, जिससे शुरुआत का बिंदु मिल जाता है।

DNA पॉलिमरेज़

DNA पॉलिमरेज़ प्रतिकृति का सबसे अहम एंज़ाइम है। यह मूल लड़ी को साँचा मानकर बढ़ती हुई लड़ी के 3′ सिरे पर एक-एक करके डिऑक्सीराइबोन्यूक्लियोटाइड जोड़ता है, और हमेशा 5′ से 3′ दिशा में। बैक्टीरिया में मुख्य प्रतिकृति एंज़ाइम DNA पॉलिमरेज़ III है। यूकैरियोट में ज़्यादातर काम DNA पॉलिमरेज़ डेल्टा और DNA पॉलिमरेज़ एप्सिलॉन करते हैं। DNA पॉलिमरेज़ में 3′ से 5′ एक्सोन्यूक्लिएज़ गतिविधि भी होती है, जिससे यह ग़लत जुड़े किसी भी न्यूक्लियोटाइड को हटाकर सही लगा सकता है। यही जाँच-परख प्रतिकृति की सटीकता की जड़ है।

DNA लाइगेज़

DNA लाइगेज़ पास-पास पड़े DNA टुकड़ों के बीच शर्करा-फ़ॉस्फ़ेट रीढ़ में बची दरारों को सी देता है। यही वह एंज़ाइम है जो काम पूरा करता है और पिछड़ी लड़ी के छोटे-छोटे टुकड़ों को जोड़कर एक लगातार संतति लड़ी बना देता है।

DNA प्रतिकृति के चरण

DNA प्रतिकृति तीन अलग-अलग चरणों से गुज़रती है: आरंभन, दीर्घीकरण और समापन।

आरंभन

प्रतिकृति DNA के एक ख़ास अनुक्रम से शुरू होती है, जिसे प्रतिकृति उद्गम कहते हैं। E. coli में इस जगह का नाम oriC है और यह क़रीब 245 क्षार युग्मों का एक ही अनुक्रम है। यूकैरियोट में हर गुणसूत्र पर हज़ारों प्रतिकृति उद्गम बिखरे रहते हैं। आरंभक प्रोटीन उद्गम से जुड़ते हैं, हेलिकेज़ DNA पर चढ़ता है, और दोनों मूल लड़ियाँ अलग होकर एक प्रतिकृति बुलबुला बना देती हैं। हर बुलबुले से दो प्रतिकृति कांटे उल्टी दिशाओं में चल पड़ते हैं।

दीर्घीकरण

हर प्रतिकृति कांटे पर DNA पॉलिमरेज़ एक मूल लड़ी पर नया DNA लगातार बनाता है और दूसरी पर रुक-रुककर।

समापन

बैक्टीरिया के गोल गुणसूत्र में दोनों प्रतिकृति कांटे उद्गम के ठीक सामने पड़ने वाले समापन क्षेत्र पर मिल जाते हैं। यूकैरियोट के सीधी रेखा वाले गुणसूत्रों में प्रतिकृति तब ख़त्म होती है जब पास-पास के कांटे आपस में मिलते हैं या कांटा गुणसूत्र के सिरे तक पहुँच जाता है। यूकैरियोटिक गुणसूत्रों के आख़िरी सिरे — यानी टेलोमियर — एक ख़ास एंज़ाइम टेलोमरेज़ से बनते हैं, जो दोहराव वाले अनुक्रम जोड़कर उस छोटे हिस्से की भरपाई करता है जो हर बार प्रतिकृति में छूट जाता है।

अग्रणी और पिछड़ी लड़ी

DNA पॉलिमरेज़ सिर्फ़ 5′ से 3′ दिशा में ही DNA बना सकता है। और दोनों मूल लड़ियाँ उल्टी दिशाओं में चलती हैं (द्विकुंडली का प्रतिसमांतर होना), इसलिए इनमें से सिर्फ़ एक की ही नक़ल लगातार बन सकती है।

अग्रणी लड़ी

अग्रणी लड़ी वह मूल लड़ी है जो चलते हुए प्रतिकृति कांटे के मुक़ाबले 3′ से 5′ दिशा में होती है। इस पर नई लड़ी लगातार बनती है, कांटे की चाल की दिशा में ही, और एक ही टुकड़े में। इसके लिए एक RNA प्राइमर काफ़ी है।

पिछड़ी लड़ी

पिछड़ी लड़ी वह मूल लड़ी है जो कांटे के मुक़ाबले 5′ से 3′ दिशा में होती है। इस साँचे पर पॉलिमरेज़ कांटे की दिशा में चल ही नहीं सकता, इसलिए उसे उल्टी तरफ़ छोटे-छोटे हिस्सों में काम करना पड़ता है। हर हिस्सा प्राइमेज़ के बिछाए अपने अलग RNA प्राइमर से शुरू होता है और DNA पॉलिमरेज़ उसे तब तक बढ़ाता है जब तक वह पिछले प्राइमर तक न पहुँच जाए। इन्हीं छोटे टुकड़ों को ओकाज़ाकी खंड कहते हैं।

ओकाज़ाकी खंड

ओकाज़ाकी खंड 1968 में रेइजी और त्सुनेको ओकाज़ाकी ने खोजे थे। ये पिछड़ी लड़ी पर बनने वाले छोटे DNA हिस्से हैं, जो बैक्टीरिया में क़रीब 1,000 से 2,000 न्यूक्लियोटाइड लंबे और यूकैरियोट में क़रीब 100 से 200 न्यूक्लियोटाइड लंबे होते हैं। हर खंड बन जाने के बाद उसके 5′ सिरे पर लगा RNA प्राइमर (बैक्टीरिया में) DNA पॉलिमरेज़ I हटा देता है और उसकी जगह DNA भर देता है। फिर DNA लाइगेज़ उस खंड और पिछले खंड के बीच की दरार सी देता है, जिससे पिछड़ी लड़ी लगातार बन जाती है।

DNA प्रतिकृति की रफ़्तार और सटीकता

बैक्टीरिया का प्रतिकृति कांटा क़रीब 1,000 न्यूक्लियोटाइड प्रति सेकंड की रफ़्तार से चलता है। E. coli का पूरा 46 लाख क्षार युग्म वाला जीनोम क़रीब 40 मिनट में कॉपी हो जाता है। यूकैरियोट का कांटा धीमा है, क़रीब 50 से 100 न्यूक्लियोटाइड प्रति सेकंड, लेकिन वहाँ हज़ारों उद्गम एक साथ चालू होते हैं, इसलिए क़रीब 3 अरब क्षार युग्म वाला पूरा मानव जीनोम S प्रावस्था में क़रीब 8 घंटे में दोगुना हो जाता है। क्षार युग्मन, पॉलिमरेज़ की जाँच-परख और प्रतिकृति के बाद की बेमेल मरम्मत मिलकर कुल ग़लती की दर क़रीब एक अरब नक़ल किए न्यूक्लियोटाइड में एक बेमेल न्यूक्लियोटाइड तक ले आते हैं।

प्रोकैरियोटिक और यूकैरियोटिक प्रतिकृति में फ़र्क़

प्रोकैरियोटिक प्रतिकृति में प्रतिकृति उद्गम एक ही होता है, गुणसूत्र गोल होता है, एंज़ाइम कम होते हैं और कांटा तेज़ चलता है। यूकैरियोटिक प्रतिकृति में उद्गम कई होते हैं, गुणसूत्र सीधी रेखा वाले होते हैं और उनके सिरों पर टेलोमियर होते हैं, कई अलग-अलग DNA पॉलिमरेज़ काम करते हैं और कांटा धीमा चलता है। यूकैरियोटिक मशीनरी को उन हिस्टोन प्रोटीनों से भी निपटना पड़ता है जो DNA को न्यूक्लियोसोम में लपेटकर रखते हैं, और जिन्हें खोलकर नई संतति लड़ियों के चारों ओर दोबारा जमाना पड़ता है।

जैव प्रौद्योगिकी में इस्तेमाल

आधुनिक जैव प्रौद्योगिकी की कई अहम तकनीकें DNA प्रतिकृति की प्रक्रिया पर ही टिकी हैं। पॉलिमरेज़ चेन रिएक्शन (PCR), जिसे कैरी मुलिस ने 1983 में बनाया, Thermus aquaticus नाम के जीवाणु से निकाले गए गर्मी सह लेने वाले DNA पॉलिमरेज़ से किसी लक्ष्य DNA हिस्से की टेस्ट ट्यूब में लाखों नक़लें बना देता है। फ़ॉरेंसिक DNA फ़िंगरप्रिंटिंग, COVID-19 की RT-PCR जाँच और लगभग हर आधुनिक आणविक जीव विज्ञान प्रयोग की बुनियाद यही PCR है। भारत के राष्ट्रीय DNA डेटाबेस कार्यक्रम और सार्वजनिक क्षेत्र की PCR बनाने की क्षमता COVID-19 के दौर में तेज़ी से बढ़ी और आज भी एक रणनीतिक संसाधन है। सैंगर अनुक्रमण और अगली पीढ़ी का अनुक्रमण, दोनों पॉलिमरेज़ से नियंत्रित DNA संश्लेषण पर और न्यूक्लियोटाइड जोड़ने के उसी रसायन पर टिके हैं जो सबसे पहले DNA प्रतिकृति के लिए समझा गया था।

चिकित्सा के लिहाज़ से अहमियत

कई दवाएँ और कई वंशानुगत बीमारियाँ DNA प्रतिकृति के इर्द-गिर्द ही घूमती हैं। कैंसर की कीमोथेरेपी में इस्तेमाल होने वाली 5-फ़्लूरोयूरेसिल, साइटाराबिन और जेमसिटाबिन जैसी दवाएँ DNA पॉलिमरेज़ को मिलने वाले न्यूक्लियोटाइड भंडार में गड़बड़ी करके तेज़ी से बँटती ट्यूमर कोशिकाओं की प्रतिकृति रोक देती हैं। एसाइक्लोविर जैसी एंटीवायरल दवाएँ और HIV के इलाज में चलने वाली एंटीरेट्रोवायरल दवाएँ शृंखला तोड़ देने वाले न्यूक्लियोसाइड सदृश हैं, जो वायरस के DNA पॉलिमरेज़ को धोखा दे देती हैं। प्रतिकृति से जुड़े DNA मरम्मत रास्तों में वंशानुगत ख़राबियाँ, जैसे ज़ीरोडर्मा पिगमेंटोसम और लिंच सिंड्रोम, लोगों को क्रमशः त्वचा और आँत के कैंसर का ज़्यादा शिकार बनाती हैं।

NCERT और UPSC के लिहाज़ से

DNA प्रतिकृति NCERT कक्षा 12 जीव विज्ञान के वंशानुक्रम के आणविक आधार वाले अध्याय में और NCERT कक्षा 11 जीव विज्ञान के कोशिका चक्र एवं कोशिका विभाजन वाले अध्याय में आती है। UPSC प्रीलिम्स में अर्धसंरक्षी प्रतिकृति, ख़ास एंज़ाइमों की भूमिका, ओकाज़ाकी खंड और मेसेलसन-स्टाल प्रयोग, सब पूछे जा चुके हैं। मुख्य परीक्षा के सामान्य अध्ययन में विज्ञान और प्रौद्योगिकी के तहत PCR, DNA फ़िंगरप्रिंटिंग और प्रतिकृति की समझ से निकलने वाले जैव प्रौद्योगिकी के इस्तेमाल अक्सर आते हैं।

सामान्य प्रश्न

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