जीन डुप्लीकेशन

जीन दोहराव (या क्रोमोसोमल दोहराव या जीन प्रवर्धन) एक प्रमुख तंत्र है जिसके माध्यम से आणविक विकास के दौरान नई आनुवंशिक सामग्री उत्पन्न होती है। इसे डीएनए के उस क्षेत्र के किसी भी दोहराव के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जिसमें एक जीन होता है। जीन दोहराव डीएनए प्रतिकृति और डीएनए मरम्मत मशीनरी में कई प्रकार की त्रुटियों के साथ-साथ स्वार्थी आनुवंशिक तत्वों द्वारा आकस्मिक कब्जे के परिणामस्वरूप उत्पन्न हो सकता है। जीन दोहराव के सामान्य स्रोतों में एक्टोपिक पुनर्संयोजन, रेट्रोट्रांसपोसन घटना, aneuploidy, बहुगुणिता और प्रतिकृति स्लिपेज शामिल हैं।

एक्टोपिक पुनर्संयोजन
दोहराव एक ऐसी घटना से उत्पन्न होता है जिसे असमान क्रॉसिंग-ओवर कहा जाता है जो कि गलत संरेखित समजात गुणसूत्रों के बीच अर्धसूत्रीविभाजन के दौरान होता है। ऐसा होने की संभावना दो गुणसूत्रों के बीच दोहराव वाले तत्वों के बंटवारे की डिग्री पर निर्भर करती है। इस पुनर्संयोजन के उत्पाद विनिमय स्थल पर दोहराव और पारस्परिक विलोपन हैं। एक्टोपिक पुनर्संयोजन आमतौर पर डुप्लिकेट ब्रेकप्वाइंट पर अनुक्रम समानता द्वारा मध्यस्थ होता है, जो प्रत्यक्ष दोहराव बनाता है। दोहराए जाने वाले आनुवंशिक तत्व जैसे ट्रांसपोज़ेबल तत्व दोहराए जाने वाले डीएनए का एक स्रोत प्रदान करते हैं जो पुनर्संयोजन की सुविधा प्रदान कर सकते हैं, और वे अक्सर पौधों और स्तनधारियों में दोहराव ब्रेकप्वाइंट पर पाए जाते हैं।

प्रतिकृति फिसलन
प्रतिकृति स्लिपेज डीएनए प्रतिकृति में एक त्रुटि है जो लघु आनुवंशिक अनुक्रमों के दोहराव का उत्पादन कर सकती है। प्रतिकृति के दौरान डीएनए पोलीमरेज़ डीएनए की प्रतिलिपि बनाना शुरू कर देता है। प्रतिकृति प्रक्रिया के दौरान कुछ बिंदु पर, पोलीमरेज़ डीएनए से अलग हो जाता है और प्रतिकृति रुक ​​जाती है। जब पोलीमरेज़ डीएनए स्ट्रैंड से दोबारा जुड़ता है, तो यह प्रतिकृति स्ट्रैंड को गलत स्थिति में संरेखित करता है और संयोग से एक ही सेक्शन को एक से अधिक बार कॉपी करता है। प्रतिकृति फिसलन को अक्सर दोहराए गए अनुक्रमों द्वारा भी सुविधाजनक बनाया जाता है, लेकिन इसके लिए समानता के केवल कुछ आधारों की आवश्यकता होती है।

रेट्रोट्रांसपोज़िशन
रेट्रोट्रांसपोज़न, मुख्य रूप से LINE1, कभी-कभी सेलुलर mRNA पर कार्य कर सकता है। प्रतिलेखों को डीएनए में उल्टा प्रतिलेखित किया जाता है और जीनोम में यादृच्छिक स्थान पर डाला जाता है, जिससे रेट्रोजेन का निर्माण होता है। परिणामी अनुक्रम में आमतौर पर इंट्रॉन की कमी होती है और अक्सर पॉली, अनुक्रम होते हैं जो जीनोम में भी एकीकृत होते हैं। कई रेट्रोजीन अपने पैतृक जीन अनुक्रमों की तुलना में जीन विनियमन में परिवर्तन प्रदर्शित करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कभी-कभी नए कार्य होते हैं। क्रोमोसोमल विकास को आकार देने के लिए रेट्रोजीन विभिन्न गुणसूत्रों के बीच घूम सकते हैं।

Aneuploidy
एन्यूप्लोइडी तब होता है जब एकल गुणसूत्र पर नॉनडिसजंक्शन के परिणामस्वरूप गुणसूत्रों की असामान्य संख्या उत्पन्न होती है। एन्यूप्लोइडी अक्सर हानिकारक होती है और स्तनधारियों में नियमित रूप से सहज गर्भपात (गर्भपात) हो जाता है। कुछ एन्यूप्लोइड व्यक्ति व्यवहार्य होते हैं, उदाहरण के लिए मनुष्यों में ट्राइसॉमी 21, जो डाउन सिंड्रोम की ओर ले जाता है। एन्यूप्लोइडी अक्सर जीन की खुराक को ऐसे तरीकों से बदल देता है जो जीव के लिए हानिकारक होते हैं; इसलिए, इसके आबादी में फैलने की संभावना नहीं है।

पॉलीप्लोइडी
पॉलीप्लोइडी, या संपूर्ण जीनोम दोहराव अर्धसूत्रीविभाजन के दौरान नॉनडिसजंक्शन का एक उत्पाद है जिसके परिणामस्वरूप पूरे जीनोम की अतिरिक्त प्रतियां बनती हैं। पॉलीप्लोइडी पौधों में आम है, लेकिन यह जानवरों में भी हुआ है, कशेरुक वंश में पूरे जीनोम दोहराव (2आर परिकल्पना) के दो दौर के साथ मनुष्यों की ओर अग्रसर हुआ है। यह हेमियास्कोमाइसीट यीस्ट ~100 माइआ में भी हुआ है। पूरे जीनोम दोहराव के बाद, जीनोम अस्थिरता, व्यापक जीन हानि, न्यूक्लियोटाइड प्रतिस्थापन के ऊंचे स्तर और नियामक नेटवर्क रीवायरिंग की अपेक्षाकृत कम अवधि होती है। इसके अलावा, जीन खुराक प्रभाव एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। इस प्रकार, अधिकांश डुप्लिकेट थोड़े समय के भीतर खो जाते हैं, हालांकि, डुप्लिकेट का एक बड़ा हिस्सा बच जाता है। दिलचस्प बात यह है कि नियमन में शामिल जीनों को प्राथमिकता से बरकरार रखा जाता है।  इसके अलावा, नियामक जीन, विशेष रूप से हॉक्स जीन, के प्रतिधारण ने अनुकूली नवाचार को जन्म दिया है।

डुप्लिकेट जीन के प्रतिलेखन के स्तर पर तेजी से विकास और कार्यात्मक विचलन देखा गया है, आमतौर पर लघु प्रतिलेखन कारक बाइंडिंग रूपांकनों में बिंदु उत्परिवर्तन द्वारा। इसके अलावा, प्रोटीन फॉस्फोराइलेशन मोटिफ्स का तेजी से विकास, जो आमतौर पर तेजी से विकसित होने वाले आंतरिक रूप से अव्यवस्थित क्षेत्रों में अंतर्निहित होता है, डुप्लिकेट जीन के अस्तित्व और तेजी से अनुकूलन/नियोफंक्शनलाइजेशन के लिए एक और योगदान कारक है। इस प्रकार, जीन विनियमन (कम से कम पोस्ट-ट्रांसलेशनल स्तर पर) और जीनोम विकास के बीच एक लिंक मौजूद प्रतीत होता है।

पॉलीप्लोइडी भी प्रजातिकरण का एक प्रसिद्ध स्रोत है, क्योंकि संतान, जिनमें मूल प्रजातियों की तुलना में गुणसूत्रों की संख्या भिन्न होती है, अक्सर गैर-पॉलीप्लॉइड जीवों के साथ प्रजनन करने में असमर्थ होती हैं। संपूर्ण जीनोम दोहराव को एन्यूप्लोइडी की तुलना में कम हानिकारक माना जाता है क्योंकि व्यक्तिगत जीन की सापेक्ष खुराक समान होनी चाहिए।

जीन दोहराव की दर
जीनोम की तुलना से पता चलता है कि जांच की गई अधिकांश प्रजातियों में जीन दोहराव आम है। इसका संकेत मनुष्यों के जीनोम में परिवर्तनशील प्रतिलिपि संख्याओं (कॉपी संख्या भिन्नता) से होता है या फल मक्खियाँ. हालाँकि, इस तरह के दोहराव की दर को मापना मुश्किल हो गया है। हाल के अध्ययनों से कैनोर्हाडाइटिस एलिगेंस|सी में जीन दोहराव की जीनोम-व्यापी दर का पहला प्रत्यक्ष अनुमान प्राप्त हुआ। एलिगेंस, पहला बहुकोशिकीय यूकेरियोट जिसके लिए अनुमान उपलब्ध हुआ। सी. एलिगेंस में जीन दोहराव दर 10 के क्रम पर है−7 दोहराव/जीन/पीढ़ी, यानी, 10 मिलियन कृमियों की आबादी में, प्रति पीढ़ी एक जीन दोहराव होगा। यह दर इस प्रजाति में प्रति न्यूक्लियोटाइड साइट पर बिंदु उत्परिवर्तन की सहज दर से दो गुना अधिक है। पुराने (अप्रत्यक्ष) अध्ययनों ने बैक्टीरिया, ड्रोसोफिला और मनुष्यों में 10 से लेकर स्थान-विशिष्ट दोहराव दर की सूचना दी−3से 10−7/जीन/पीढ़ी।

नियोफ़ंक्शनलाइज़ेशन
जीन दोहराव आनुवंशिक नवीनता का एक आवश्यक स्रोत है जो विकासवादी नवाचार को जन्म दे सकता है। दोहराव आनुवंशिक अतिरेक पैदा करता है, जहां जीन की दूसरी प्रति अक्सर शुद्ध चयन से मुक्त होती है - यानी, इसके उत्परिवर्तन का इसके मेजबान जीव पर कोई हानिकारक प्रभाव नहीं पड़ता है। यदि जीन की एक प्रति में उत्परिवर्तन होता है जो उसके मूल कार्य को प्रभावित करता है, तो दूसरी प्रति 'अतिरिक्त भाग' के रूप में काम कर सकती है और सही ढंग से कार्य करना जारी रख सकती है। इस प्रकार, डुप्लिकेट जीन जीवों की पीढ़ियों के दौरान कार्यात्मक एकल-प्रतिलिपि जीन की तुलना में तेजी से उत्परिवर्तन जमा करते हैं, और दो प्रतियों में से एक के लिए एक नया और अलग कार्य विकसित करना संभव है। इस तरह के नियोफंक्शनलाइजेशन के कुछ उदाहरण Nototheniudei के एक परिवार में एक डुप्लिकेट पाचन जीन का एक एंटीफ्रीज जीन में स्पष्ट उत्परिवर्तन और डुप्लिकेशन से एक उपन्यास सांप जहर जीन की ओर अग्रसर होता है। और सूअरों में 1 बीटा-हाइड्रॉक्सीटेस्टोस्टेरोन का संश्लेषण। माना जाता है कि जीन दोहराव विकास में एक प्रमुख भूमिका निभाता है; यह रुख वैज्ञानिक समुदाय के सदस्यों द्वारा 100 से अधिक वर्षों से अपनाया गया है। अग्रिम ओह  अपनी क्लासिक पुस्तक इवोल्यूशन बाय जीन डुप्लिकेशन (1970) में इस सिद्धांत के सबसे प्रसिद्ध डेवलपर्स में से एक थे। ओहनो ने तर्क दिया कि सामान्य वंश के उद्भव के बाद से जीन दोहराव सबसे महत्वपूर्ण विकासवादी शक्ति है। प्रमुख पॉलीप्लोइडी घटनाएं काफी सामान्य हो सकती हैं। ऐसा माना जाता है कि लगभग 100 मिलियन वर्ष पहले संपूर्ण ख़मीर  जीनोम का दोहराव हुआ था। पौधे सबसे विपुल जीनोम अनुलिपित्र हैं। उदाहरण के लिए, गेहूं हेक्साप्लोइड (एक प्रकार का  बहुगुणित ) है, जिसका अर्थ है कि इसके जीनोम की छह प्रतियां हैं।

उपक्रियाकरण
डुप्लिकेट जीन के लिए एक और संभावित भाग्य यह है कि दोनों प्रतियां अपक्षयी उत्परिवर्तन जमा करने के लिए समान रूप से स्वतंत्र हैं, जब तक कि कोई भी दोष दूसरी प्रतिलिपि द्वारा पूरक हो। यह एक तटस्थ उपक्रियाकरण (रचनात्मक तटस्थ विकास की एक प्रक्रिया) या डीडीसी (दोहराव-अध:करण-पूरक) मॉडल की ओर ले जाता है, जिसमें मूल जीन की कार्यक्षमता दो प्रतियों के बीच वितरित की जाती है। कोई भी जीन नष्ट नहीं हो सकता, क्योंकि दोनों अब महत्वपूर्ण गैर-अनावश्यक कार्य करते हैं, लेकिन अंततः कोई भी नवीन कार्यक्षमता प्राप्त करने में सक्षम नहीं है।

सबफ़ंक्शनलाइज़ेशन तटस्थ प्रक्रियाओं के माध्यम से हो सकता है जिसमें उत्परिवर्तन बिना किसी हानिकारक या लाभकारी प्रभाव के जमा होते हैं। हालाँकि, कुछ मामलों में स्पष्ट अनुकूली लाभों के साथ सबफ़ंक्शनलाइज़ेशन हो सकता है। यदि एक पैतृक जीन pleiotropy है और दो कार्य करता है, तो अक्सर इन दोनों कार्यों में से किसी एक को दूसरे कार्य को प्रभावित किए बिना नहीं बदला जा सकता है। इस तरह, पैतृक कार्यों को दो अलग-अलग जीनों में विभाजित करने से उप-कार्यों के अनुकूली विशेषज्ञता की अनुमति मिल सकती है, जिससे एक अनुकूली लाभ मिलता है। रेफरी नाम=डेस्मेरैस>

नुकसान
अक्सर परिणामी जीनोमिक भिन्नता जीन खुराक पर निर्भर न्यूरोलॉजिकल विकारों जैसे सही सिंड्रोम  | रेट-लाइक सिंड्रोम और पेलिज़ियस-मर्ज़बैकर रोग की ओर ले जाती है। इस तरह के हानिकारक उत्परिवर्तन आबादी से लुप्त हो जाने की संभावना है और इन्हें संरक्षित नहीं किया जाएगा या नवीन कार्यों का विकास नहीं किया जाएगा। हालाँकि, कई दोहराव, वास्तव में, हानिकारक या लाभकारी नहीं हैं, और ये तटस्थ अनुक्रम खो सकते हैं या आनुवंशिक बहाव के माध्यम से यादृच्छिक उतार-चढ़ाव के माध्यम से आबादी में फैल सकते हैं।

मानदंड और एकल जीनोम स्कैन
जीन दोहराव की घटना के बाद मौजूद दो जीनों को पैरालॉग#ऑर्थोलॉजी और पैरालॉजी कहा जाता है और आमतौर पर समान कार्य और/या संरचना वाले प्रोटीन के लिए कोड होते हैं। इसके विपरीत, पैरालॉग#ऑर्थोलॉजी और पैरालॉजी जीन विभिन्न प्रजातियों में मौजूद होते हैं, जो मूल रूप से एक ही पैतृक अनुक्रम से प्राप्त होते हैं। (होमोलॉजी (जीवविज्ञान)#अनुक्रम होमोलॉजी देखें)।

जैविक अनुसंधान में पैरालॉग और ऑर्थोलॉग के बीच अंतर करना महत्वपूर्ण (लेकिन अक्सर कठिन) होता है। मानव जीन फ़ंक्शन पर प्रयोग अक्सर अन्य प्रजातियों पर किए जा सकते हैं यदि मानव जीन का एक होमोलॉग उस प्रजाति के जीनोम में पाया जा सकता है, लेकिन केवल तभी जब होमोलॉग ऑर्थोलॉगस हो। यदि वे परलोक हैं और जीन दोहराव की घटना से उत्पन्न हुए हैं, तो उनके कार्य बहुत भिन्न होने की संभावना है। डुप्लिकेट जीन की एक या अधिक प्रतियां जो एक जीन परिवार का गठन करती हैं, ट्रांसपोज़ेबल तत्वों के सम्मिलन से प्रभावित हो सकती हैं जो उनके बीच उनके अनुक्रम में महत्वपूर्ण भिन्नता का कारण बनती हैं और अंततः भिन्न विकास के लिए जिम्मेदार हो सकती हैं। यह उनके अनुक्रमों में कम या कोई समानता नहीं होने के कारण जीन डुप्लिकेट के होमोलॉग के बीच जीन रूपांतरण की संभावना और दर को भी प्रस्तुत कर सकता है।

सभी एनोटेटेड जीन मॉडलों की एक दूसरे से अनुक्रम तुलना के माध्यम से एकल जीनोम में पैरालॉग की पहचान की जा सकती है। इस तरह की तुलना प्राचीन दोहराव की पहचान करने के लिए अनुवादित अमीनो एसिड अनुक्रमों (जैसे BLASTp, tBLASTx) पर या अधिक हालिया दोहराव की पहचान करने के लिए डीएनए न्यूक्लियोटाइड अनुक्रमों (जैसे BLASTn, मेगाब्लास्ट) पर की जा सकती है। जीन दोहराव की पहचान करने के लिए अधिकांश अध्ययनों में पारस्परिक-सर्वश्रेष्ठ-हिट या फ़ज़ी पारस्परिक-सर्वश्रेष्ठ-हिट की आवश्यकता होती है, जहां अनुक्रम तुलना में प्रत्येक पैरालॉग को दूसरे का सबसे अच्छा मिलान होना चाहिए। अधिकांश जीन दोहराव कम प्रतिलिपि दोहराव (एलसीआर) के रूप में मौजूद होते हैं, बल्कि ट्रांसपोज़ेबल तत्वों की तरह अत्यधिक दोहराव वाले अनुक्रम होते हैं। वे अधिकतर क्रोमोसोम के क्रोमोसोम क्षेत्र, सबटेलोमेरिक और क्रोमोसोम क्षेत्र क्षेत्रों में पाए जाते हैं। कई एलसीआर, अपने आकार (>1Kb), समानता और अभिविन्यास के कारण, दोहराव और विलोपन के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं।

जीनोमिक [[माइक्रोएरे]] दोहराव का पता लगाते हैं
जीनोमिक माइक्रोएरे जैसी तकनीकें, जिन्हें एरे तुलनात्मक जीनोमिक हाइब्रिडाइजेशन (एरे सीजीएच) भी कहा जाता है, का उपयोग जीनोमिक डीएनए नमूनों से उच्च थ्रूपुट फैशन में क्रोमोसोमल असामान्यताओं, जैसे कि माइक्रोडुप्लीकेशन, का पता लगाने के लिए किया जाता है। विशेष रूप से, डीएनए माइक्रोएरे तकनीक एक साथ कई उपचारों या प्रायोगिक स्थितियों में हजारों जीनों की जीन अभिव्यक्ति के स्तर की निगरानी कर सकती है, जिससे जीन दोहराव या प्रजातिकरण के बाद जीन विनियमन के विकासवादी अध्ययन में काफी सुविधा होती है।

अगली पीढ़ी का क्रम
अगली पीढ़ी के अनुक्रमण प्लेटफार्मों के उपयोग के माध्यम से जीन दोहराव की भी पहचान की जा सकती है। जीनोमिक रीसेक्वेंसिंग डेटा में दोहराव की पहचान करने का सबसे सरल साधन युग्मित-अंत अनुक्रमण रीडिंग का उपयोग है। अग्रानुक्रम दोहराव को पढ़ने वाले जोड़े को अनुक्रमित करके इंगित किया जाता है जो असामान्य अभिविन्यास में मैप करते हैं। बढ़े हुए अनुक्रम कवरेज और असामान्य मानचित्रण अभिविन्यास के संयोजन के माध्यम से, जीनोमिक अनुक्रमण डेटा में दोहराव की पहचान करना संभव है।

नामपद्धति
मानव साइटोजेनोमिक नामकरण के लिए अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली (आईएससीएन) मानव गुणसूत्र नामकरण के लिए एक अंतरराष्ट्रीय मानक है, जिसमें मानव गुणसूत्र और गुणसूत्र असामान्यताओं के विवरण में उपयोग किए जाने वाले बैंड नाम, प्रतीक और संक्षिप्त शब्द शामिल हैं। संक्षिप्ताक्षरों में गुणसूत्र के भागों के दोहराव के लिए डुप शामिल है। उदाहरण के लिए, डुप(17पी12) चारकोट-मैरी-टूथ रोग प्रकार 1ए का कारण बनता है।

प्रवर्धन के रूप में
जीन दोहराव से किसी प्रजाति के जीनोम में स्थायी परिवर्तन होना जरूरी नहीं है। वास्तव में, ऐसे परिवर्तन अक्सर प्रारंभिक मेजबान जीव के बाद नहीं टिकते। आणविक आनुवंशिकी के परिप्रेक्ष्य से, जीन प्रवर्धन उन कई तरीकों में से एक है जिसमें एक जीन जीन अभिव्यक्ति#ओवरएक्सप्रेशन हो सकता है। आनुवंशिक प्रवर्धन कृत्रिम रूप से हो सकता है, जैसे कि एंजाइमों का उपयोग करके कृत्रिम परिवेशीय  में डीएनए के छोटे स्ट्रैंड को बढ़ाने के लिए पोलीमरेज श्रृंखला अभिक्रिया तकनीक का उपयोग किया जाता है, या यह स्वाभाविक रूप से हो सकता है, जैसा कि ऊपर वर्णित है। यदि यह एक प्राकृतिक दोहराव है, तो यह अभी भी एक रोगाणु कोशिका के बजाय एक दैहिक कोशिका में हो सकता है (जो एक स्थायी विकासवादी परिवर्तन के लिए आवश्यक होगा)।

कैंसर में भूमिका
ओंकोजीन का दोहराव कई प्रकार के कैंसर का एक सामान्य कारण है। ऐसे मामलों में आनुवंशिक दोहराव एक दैहिक कोशिका में होता है और केवल कैंसर कोशिकाओं के जीनोम को प्रभावित करता है, पूरे जीव को नहीं, बाद की संतानों को तो बिल्कुल भी नहीं। हाल ही में व्यापक रोगी-स्तरीय वर्गीकरण और कैंसर जीनोम एटलस कॉहोर्ट्स में ड्राइवर घटनाओं की मात्रा का पता चला है कि प्रति ट्यूमर औसतन 12 ड्राइवर घटनाएं होती हैं, जिनमें से 1.5 ऑन्कोजीन के प्रवर्धन हैं।

संपूर्ण-जीनोम दोहराव कैंसर में भी अक्सर होता है, सबसे आम कैंसर प्रकारों के 30% से 36% ट्यूमर में इसका पता लगाया जाता है। कार्सिनोजेनेसिस में उनकी सटीक भूमिका स्पष्ट नहीं है, लेकिन कुछ मामलों में वे क्रोमैटिन पृथक्करण के नुकसान का कारण बनते हैं जिससे क्रोमैटिन संरचना में परिवर्तन होता है जो बदले में ऑन्कोजेनिक एपिजेनेटिक और ट्रांसक्रिप्शनल संशोधनों को जन्म देता है।

यह भी देखें
• Comparative genomics

• DbDNV (2010)

• De novo gene birth

• Exon shuffling

• Gene fusion

• Horizontal gene transfer

• Human genome

• Inparanoid

• Mobile genetic elements

• Molecular evolution

• Pseudogene

• Tandem exon duplication

• Unequal crossing over

बाहरी संबंध

 * A bibliography on gene and genome duplication
 * A brief overview of mutation, gene duplication and translocation