जीन रिडंडेंसी

जीन अतिरेक एक जीव के जीनोम में कई जीनों का अस्तित्व है जो एक ही कार्य करते हैं। जीन अतिरेक जीन दोहराव के परिणामस्वरूप हो सकता है। इस तरह की दोहराव की घटनाएँ निरर्थक  जीन के कई सेटों के लिए ज़िम्मेदार हैं। जब ऐसे सेट में एक व्यक्तिगत जीन उत्परिवर्तन या लक्षित जीन नॉकआउट द्वारा बाधित होता है, तो जीन अतिरेक के परिणामस्वरूप फेनोटाइप पर बहुत कम प्रभाव हो सकता है, जबकि केवल एक प्रतिलिपि वाले जीन के नॉकआउट के लिए प्रभाव बड़ा होता है। जीन नॉकआउट कुछ अध्ययनों में उपयोग की जाने वाली एक विधि है जिसका उद्देश्य रखरखाव और फिटनेस प्रभावों के कार्यात्मक ओवरलैप को चिह्नित करना है। रखरखाव के शास्त्रीय मॉडल का प्रस्ताव है कि फ़ंक्शन उत्परिवर्तन के हानिकारक नुकसान की भरपाई करने की उनकी क्षमता के कारण डुप्लिकेट जीन को जीनोम में विभिन्न हद तक संरक्षित किया जा सकता है। ये शास्त्रीय मॉडल सकारात्मक चयन के संभावित प्रभाव को ध्यान में नहीं रखते हैं। इन शास्त्रीय मॉडलों से परे, शोधकर्ता उन तंत्रों का पता लगाना जारी रखते हैं जिनके द्वारा अनावश्यक जीन बनाए रखे जाते हैं और विकसित होते हैं।  जीन अतिरेक को नवीन जीन उत्पत्ति के स्रोत के रूप में लंबे समय से सराहा गया है; अर्थात्, जब डुप्लिकेट पर चयनात्मक दबाव मौजूद होता है तो नए जीन उत्पन्न हो सकते हैं, जबकि मूल जीन को मूल कार्य करने के लिए बनाए रखा जाता है, जैसा कि नए मॉडल द्वारा प्रस्तावित है.

निरर्थक जीन की उत्पत्ति और विकास
जीन अतिरेक अक्सर जीन दोहराव के परिणामस्वरूप होता है। जीन दोहराव के तीन अधिक सामान्य तंत्र रेट्रोपोसॉन, असमान क्रोमोसोमल क्रॉसओवर और गैर-होमोलॉगस खंडीय दोहराव हैं। रिट्रोपोजिशन तब होता है जब किसी जीन के एमआरएनए प्रतिलेख को डीएनए में रिवर्स ट्रांसक्रिप्ट किया जाता है और एक अलग स्थान पर जीनोम में डाला जाता है। असमान क्रॉसिंग ओवर के दौरान, होमोलॉजी (जीवविज्ञान) गुणसूत्र अपने डीएनए के असमान हिस्सों का आदान-प्रदान करते हैं। इससे एक गुणसूत्र के जीन को दूसरे गुणसूत्र में स्थानांतरित किया जा सकता है, जिससे एक गुणसूत्र पर दो समान जीन रह जाते हैं और दूसरे गुणसूत्र पर जीन की कोई प्रति नहीं रह जाती है। गैर-समरूप दोहराव, प्रतिकृति त्रुटियों के परिणामस्वरूप होता है जो रुचि के जीन को एक नई स्थिति में स्थानांतरित कर देता है। फिर एक अग्रानुक्रम दोहराव होता है, जिससे एक ही जीन की दो प्रतियों के साथ एक गुणसूत्र बनता है। चित्र 1 इन तीन तंत्रों का एक दृश्य प्रदान करता है। जब एक जीन को जीनोम के भीतर दोहराया जाता है, तो दो प्रतियां शुरू में कार्यात्मक रूप से अनावश्यक होती हैं। इन निरर्थक जीनों को परलोक माना जाता है क्योंकि वे समय के साथ परिवर्तन जमा करते हैं, जब तक कि वे कार्यात्मक रूप से भिन्न नहीं हो जाते। अधिकांश शोध इस प्रश्न पर केंद्रित है कि अनावश्यक जीन कैसे बने रहते हैं। निरर्थक जीनों के संरक्षण को समझाने का प्रयास करने के लिए तीन मॉडल सामने आए हैं: अनुकूली विकिरण, विचलन, और अनुकूली संघर्ष से बचना। विशेष रूप से, दोहराव की घटना के बाद प्रतिधारण दोहराव की घटना के प्रकार और जीन वर्ग के प्रकार से प्रभावित होता है। अर्थात्, कुछ जीन वर्ग छोटे पैमाने पर दोहराव या संपूर्ण जीनोम दोहराव घटना के बाद अतिरेक के लिए बेहतर अनुकूल हैं। निरर्थक जीनों के जीवित रहने की अधिक संभावना होती है जब वे जटिल मार्गों में शामिल होते हैं और संपूर्ण जीनोम दोहराव या बहुपरिवार दोहराव के उत्पाद होते हैं।

एकल जीन डुप्लिकेट के लिए वर्तमान में स्वीकृत परिणामों में शामिल हैं: जीन हानि (गैर-कार्यात्मकता), कार्यात्मक विचलन, और बढ़ी हुई आनुवंशिक मजबूती के लिए संरक्षण। अन्यथा, बहुजीन परिवार ठोस विकास, या जन्म और मृत्यु विकास से गुजर सकते हैं। ठोस विकास यह विचार है कि एक समूह में जीन, जैसे कि जीन परिवार, समानांतर में विकसित होते हैं।  जन्म मृत्यु विकास की अवधारणा यह है कि जीन परिवार मजबूत शुद्धिकरण चयन से गुजरता है।

कार्यात्मक विचलन
चूंकि जीनोम कई पीढ़ियों तक प्रतिकृति बनाता है, अनावश्यक जीन का कार्य आनुवंशिक बहाव के कारण विकसित होने की सबसे अधिक संभावना है। आनुवंशिक बहाव या तो विविधताओं को समाप्त करके या जनसंख्या में भिन्नताओं को ठीक करके आनुवंशिक अतिरेक को प्रभावित करता है। इस घटना में कि आनुवंशिक बहाव वेरिएंट को बनाए रखता है, जीन उत्परिवर्तन जमा कर सकता है जो समग्र कार्य को बदल देता है। हालाँकि, कई अनावश्यक जीन अलग-अलग हो सकते हैं लेकिन सबफ़ंक्शनलाइज़ेशन जैसे तंत्र द्वारा मूल कार्य को बनाए रखते हैं, जो डुप्लिकेट की पूरक कार्रवाई के बावजूद मूल जीन फ़ंक्शन को संरक्षित करता है। जीन में कार्यात्मक विचलन के तीन तंत्र हैं नॉनफंक्शनलाइजेशन (या जीन हानि), नियोफंक्शनलाइजेशन और सबफंक्शनलाइजेशन।

अक्रियाशीलता, या अध:पतन/जीन हानि के दौरान, डुप्लिकेट जीन की एक प्रति उत्परिवर्तन प्राप्त करती है जो इसे निष्क्रिय कर देती है या जीन को शांत कर देती है। गैर-कार्यात्मकता अक्सर एकल जीन दोहराव का परिणाम होती है। इस समय, जीन का कोई कार्य नहीं होता है और इसे स्यूडोजीन कहा जाता है। आनुवंशिक उत्परिवर्तन के कारण स्यूडोजेन समय के साथ नष्ट हो सकते हैं। नियोफ़ंक्शनलाइज़ेशन तब होता है जब जीन की एक प्रति उत्परिवर्तन जमा करती है जो जीन को एक नया, लाभकारी कार्य देती है जो मूल कार्य से भिन्न होती है। सबफ़ंक्शनलाइज़ेशन तब होता है जब निरर्थक जीन की दोनों प्रतियां उत्परिवर्तन प्राप्त कर लेती हैं। प्रत्येक प्रतिलिपि केवल आंशिक रूप से सक्रिय होती है; इनमें से दो आंशिक प्रतियाँ मूल जीन की एक सामान्य प्रति के रूप में कार्य करती हैं। दाईं ओर चित्र 2 इस अवधारणा का एक दृश्य प्रदान करता है।

ट्रांसपोज़ेबल तत्व
ट्रांसपोज़ेबल तत्व कार्यात्मक विभेदन में विभिन्न भूमिकाएँ निभाते हैं। पुनर्संयोजन क्रियान्वित करके, ट्रांसपोज़ेबल तत्व जीनोम में अनावश्यक अनुक्रमों को स्थानांतरित कर सकते हैं। अनुक्रम संरचना और स्थान में यह परिवर्तन कार्यात्मक विचलन का एक स्रोत है। ट्रांसपोज़ेबल तत्व संभावित रूप से जीन अभिव्यक्ति को प्रभावित करते हैं, यह देखते हुए कि उनमें बड़ी मात्रा में माइक्रो-आरएनए होते हैं।

जीन रखरखाव परिकल्पना
निरर्थक जीनों का विकास और उत्पत्ति अज्ञात रहती है, मुख्यतः क्योंकि विकास इतनी लंबी अवधि में होता है। सैद्धांतिक रूप से, एक जीन को उत्परिवर्तन के बिना तब तक बनाए नहीं रखा जा सकता जब तक कि उस पर चयनात्मक दबाव न हो। इसलिए, जीन अतिरेक, जीन की दोनों प्रतियों को उत्परिवर्तन जमा करने की अनुमति देगा, जब तक कि दूसरा अभी भी अपना कार्य करने में सक्षम है। इसका मतलब यह है कि सभी अनावश्यक जीन सैद्धांतिक रूप से छद्म जीन बन जाएंगे और अंततः नष्ट हो जाएंगे। वैज्ञानिकों ने दो परिकल्पनाएँ तैयार की हैं कि क्यों अनावश्यक जीन जीनोम में रह सकते हैं: बैकअप परिकल्पना और पिग्गीबैक परिकल्पना। बैकअप परिकल्पना का प्रस्ताव है कि अनावश्यक जीन एक प्रकार की बैक-अप योजना के रूप में जीनोम में रहते हैं। यदि मूल जीन अपना कार्य खो देता है, तो अनावश्यक जीन कोशिका पर कब्ज़ा कर लेता है और उसे जीवित रखता है। पिग्गीबैक परिकल्पना में कहा गया है कि जीनोम में दो परलॉग में कुछ प्रकार के गैर-अतिव्यापी फ़ंक्शन के साथ-साथ अनावश्यक फ़ंक्शन भी होते हैं। इस मामले में, जीन का अनावश्यक हिस्सा उस क्षेत्र की निकटता के कारण जीनोम में रहता है जो अद्वितीय कार्य के लिए कोड करता है। जीनोम में अनावश्यक जीन के बने रहने का कारण एक सतत प्रश्न है और हर जगह शोधकर्ताओं द्वारा जीन अतिरेक का अध्ययन किया जा रहा है। बैकअप और पिग्गीबैक मॉडल के अलावा कई परिकल्पनाएँ हैं। उदाहरण के लिए, मिशिगन विश्वविद्यालय में, एक अध्ययन यह सिद्धांत प्रदान करता है कि अनावश्यक जीन को कम अभिव्यक्ति द्वारा जीनोम में बनाए रखा जाता है।

जीन परिवार और फाइलोजेनी
किसी प्रजाति की फाइलोजेनी के बारे में जानने के लिए शोधकर्ता अक्सर जीन परिवार के रूप में अनावश्यक जीन के इतिहास का उपयोग करते हैं। अनावश्यक जीनों को कार्यात्मक विविधीकरण से गुजरने में समय लगता है; ऑर्थोलॉग्स के बीच विविधीकरण की डिग्री हमें बताती है कि दोनों जीनोम कितने निकट से संबंधित हैं। जीन दोहराव में वृद्धि को देखकर भी जीन दोहराव की घटनाओं का पता लगाया जा सकता है।

विकासवादी अध्ययनों में जीन अतिरेक का उपयोग करने का एक अच्छा उदाहरण पौधों में KCS जीन परिवार का विकास है। यह पेपर अध्ययन करता है कि कैसे एक केसीएस जीन दोहराव की घटनाओं के माध्यम से पूरे जीन परिवार में विकसित हुआ। प्रजातियों में अनावश्यक जीनों की संख्या शोधकर्ताओं को यह निर्धारित करने की अनुमति देती है कि दोहराव की घटनाएँ कब हुईं और प्रजातियाँ कितनी निकटता से संबंधित हैं।

निरर्थक जीनों का पता लगाना और उनका लक्षण वर्णन करना
वर्तमान में, ज्ञात जीनोमिक अनुक्रम में पैरालॉग्स का पता लगाने के तीन तरीके हैं: सरल होमोलॉजी (एफएएसटीए), जीन परिवार विकास (ट्रीफैम) और ऑर्थोलॉजी (एगएनओजी वी3)। शोधकर्ता अक्सर फाइलोजेनी का निर्माण करते हैं और अतिरेक की पहचान करने के लिए जीनोम की संरचनाओं की तुलना करने के लिए माइक्रोएरे का उपयोग करते हैं। एकाधिक जीनोम की तुलना करने के लिए सिन्टेनिक संरेखण बनाने और ऑर्थोलॉगस क्षेत्रों के विश्लेषण जैसी विधियों का उपयोग किया जाता है। संपूर्ण जोड़ीवार तुलनाओं का उपयोग करके एकल जीनोम को अनावश्यक जीन के लिए स्कैन किया जा सकता है। अनावश्यक जीनों का अधिक श्रमसाध्य विश्लेषण करने से पहले, शोधकर्ता आम तौर पर खुले पढ़ने के फ्रेम की लंबाई और मूक और गैर-मूक उत्परिवर्तन के बीच की दरों की तुलना करके कार्यक्षमता का परीक्षण करते हैं। मानव जीनोम परियोजना के पूरा होने के बाद से, शोधकर्ता मानव जीनोम की अधिक आसानी से व्याख्या करने में सक्षम हैं। यूसीएससी में जीनोम ब्राउज़र जैसे ऑनलाइन डेटाबेस का उपयोग करके, शोधकर्ता अपनी रुचि के जीन के अनुक्रम में होमोलॉजी की तलाश कर सकते हैं।

स्तन कैंसर स्वभाव जीन
दोहराव की वह विधि जिसके द्वारा अतिरेक होता है, स्तन कैंसर स्वभाव जीनों में वर्गीकरण को प्रभावित करती हुई पाई गई है। सकल दोहराव नैदानिक ​​​​व्याख्या को जटिल बनाता है क्योंकि यह समझना मुश्किल है कि क्या वे एक साथ घटित होते हैं। डीएनए ब्रेकप्वाइंट परख जैसी हालिया विधियों का उपयोग अग्रानुक्रम स्थिति निर्धारित करने के लिए किया गया है। बदले में, इन अग्रानुक्रम सकल दोहरावों को रोगजनक स्थिति के लिए अधिक सटीक रूप से जांचा जा सकता है। स्तन कैंसर के खतरे के मूल्यांकन के लिए इस शोध के महत्वपूर्ण निहितार्थ हैं।

ट्रिटिसिया घास में रोगज़नक़ प्रतिरोध
शोधकर्ताओं ने अनावश्यक जीन की भी पहचान की है जो जीव स्तर पर चयनात्मक लाभ प्रदान करते हैं। आंशिक ARM1 जीन, आंशिक दोहराव से उत्पन्न एक अनावश्यक जीन, घास के फूल, एक फफूंदी कवक के प्रति प्रतिरोध प्रदान करने के लिए पाया गया है। यह जीन गेहूं, राई और जौ सहित टीआर आईटी बर्फ एई जनजाति के सदस्यों में मौजूद है।

घ्राण रिसेप्टर्स
मानव घ्राण रिसेप्टर (ओआर) जीन परिवार में 339 अक्षुण्ण जीन और 297 स्यूडोजेन शामिल हैं। ये जीन पूरे जीनोम में अलग-अलग स्थानों पर पाए जाते हैं, लेकिन केवल 13% ही अलग-अलग गुणसूत्रों पर या दूर-दूर स्थित लोकी पर होते हैं। मनुष्यों में OR जीन के 172 उपपरिवार पाए गए हैं, प्रत्येक का अपना लोकी है। चूँकि इनमें से प्रत्येक उपपरिवार में जीन संरचनात्मक और कार्यात्मक रूप से समान हैं, और एक-दूसरे के करीब हैं, इसलिए यह अनुमान लगाया गया है कि प्रत्येक जीन दोहराव की घटनाओं से गुजरने वाले एकल जीन से विकसित हुआ है। मनुष्यों में उपपरिवारों की उच्च संख्या बताती है कि हम इतनी सारी गंधों को पहचानने में सक्षम क्यों हैं।

मानव या चूहों जैसे अन्य स्तनधारियों में जीन के समरूप होते हैं, जो घ्राण रिसेप्टर जीन के विकास को प्रदर्शित करते हैं। गंध बोध की प्रारंभिक घटना में शामिल एक विशेष परिवार को संपूर्ण कशेरुकी विकास के दौरान अत्यधिक संरक्षित पाया गया है।

रोग
दोहराव की घटनाओं और अनावश्यक जीनों की अक्सर कुछ मानव रोगों में भूमिका मानी जाती है। बड़े पैमाने पर संपूर्ण जीनोम दोहराव की घटनाएं जो कशेरुक विकास की शुरुआत में हुईं, यही कारण हो सकता है कि मानव मोनोजेनिक रोग जीन में अक्सर बड़ी संख्या में अनावश्यक जीन होते हैं। चेन एट अल. परिकल्पना है कि मानव मोनोजेनिक रोग जीन में कार्यात्मक रूप से निरर्थक पैरालॉग प्रमुख हानिकारक उत्परिवर्तन के प्रभावों को छुपाते हैं, जिससे मानव जीनोम में रोग जीन बना रहता है। संपूर्ण जीनोम दोहराव मानव जीनोम में ट्यूमर पैदा करने वाले कुछ जीनों के बने रहने का एक प्रमुख कारण हो सकता है। उदाहरण के लिए, स्ट्राउट एट अल। दिखाया गया है कि अग्रानुक्रम दोहराव की घटनाएं, संभवतः सजातीय पुनर्संयोजन के माध्यम से, सूक्ष्म अधिश्वेत रक्तता से जुड़ी हुई हैं। ALL1 (MLL) जीन का आंशिक दोहराव एक आनुवंशिक दोष है जो तीव्र माइलॉयड ल्यूकेमिया वाले रोगियों में पाया गया है।

अग्रिम पठन

 * Genetic Science Learning Center. "Homeotic Genes and Body Patterns." Learn.Genetics 6 April 2016 < http://learn.genetics.utah.edu/content/variation/hoxgenes/ >
 * Guo, H.-S., et al. "Evolution Of The KCS Gene Family In Plants: The History Of Gene Duplication, Sub/Neofunctionalization And Redundancy. " Molecular Genetics And Genomics (2015): 14p. Scopus®.
 * Nowak Ma, Boerlijst Mc, Cooke J, Smith Jm. "Evolution of genetic redundancy". Nature 388, 167-171. (10 July 1997).
 * Nowak Ma, Boerlijst Mc, Cooke J, Smith Jm. "Evolution of genetic redundancy". Nature 388, 167-171. (10 July 1997).