उत्परिवर्तन दर

आनुवंशिकी में, उत्परिवर्तन दर समय के साथ एक जीन या जीव में नए उत्परिवर्तन की आवृत्ति होती है। उत्परिवर्तन दर स्थिर नहीं हैं और एक प्रकार के उत्परिवर्तन तक सीमित नहीं हैं; कई अलग-अलग प्रकार के उत्परिवर्तन होते हैं। उत्परिवर्तन दर उत्परिवर्तन के विशिष्ट वर्गों के लिए दी गई हैं। बिंदु उत्परिवर्तन उत्परिवर्तन का एक वर्ग है जो एक आधार में परिवर्तन होते हैं। अपार्थक उत्तराधिकारी और निरर्थक उत्परिवर्तन बिंदु उत्परिवर्तन के दो उपप्रकार हैं। इस प्रकार के प्रतिस्थापनों की दर को एक उत्परिवर्तन स्पेक्ट्रम में उप-विभाजित किया जा सकता है जो उत्परिवर्तन दर पर आनुवंशिक संदर्भ के प्रभाव का वर्णन करता है।

इन दरों में से प्रत्येक के लिए समय की कई प्राकृतिक इकाइयाँ हैं, जिनमें दरों को प्रति कोशिका विभाजन प्रति आधार जोड़ी, प्रति जीन प्रति पीढ़ी, या प्रति जीनोम प्रति पीढ़ी उत्परिवर्तन के रूप में वर्णित किया गया है। एक जीव की उत्परिवर्तन दर एक विकसित विशेषता है और पर्यावरण से शक्तिशाली प्रभाव के अतिरिक्त, प्रत्येक जीव के आनुवंशिकी द्वारा दृढ़ता से प्रभावित होती है। ऊपरी और निचली सीमाएँ जिनमें उत्परिवर्तन दर विकसित हो सकती है, चल रही जाँच का विषय है। चूंकि , उत्परिवर्तन दर जीनोम पर भिन्न होती है। डीएनए, आरएनए या एक जीन पर, उत्परिवर्तन दर बदल रही है।

जब मनुष्यों में उत्परिवर्तन दर बढ़ती है तो कुछ स्वास्थ्य कठिन परिस्थिति हो सकती हैं, उदाहरण के लिए, कैंसर और अन्य वंशानुगत रोग। उत्परिवर्तन दर का ज्ञान होना कैंसर और कई वंशानुगत बीमारियों के भविष्य को समझने के लिए महत्वपूर्ण है।

पृष्ठभूमि
एक प्रजाति के अंदर विभिन्न अनुवांशिक रूपों को एलील कहा जाता है, इसलिए एक नया उत्परिवर्तन एक नया एलील बना सकता है। जनसंख्या आनुवंशिकी में, प्रत्येक एलील को एक चयन गुणांक की विशेषता होती है, जो समय के साथ एलील की आवृत्ति में अपेक्षित परिवर्तन को मापता है। चयन गुणांक या तो नकारात्मक हो सकता है, अपेक्षित कमी के अनुरूप, सकारात्मक, अपेक्षित वृद्धि के अनुरूप, या शून्य, अपेक्षित परिवर्तन के अनुरूप नहीं। नए म्यूटेशनों के फिटनेस प्रभावों का वितरण जनसंख्या आनुवंशिकी में एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है और व्यापक जांच का विषय रहा है। चूंकि  इस वितरण के माप अतीत में असंगत रहे हैं, अब सामान्यतः  यह सोचा जाता है कि अधिकांश उत्परिवर्तन हल्के हानिकारक होते हैं, कई जीवों की फिटनेस पर बहुत कम प्रभाव डालते हैं, और कुछ अनुकूल हो सकते हैं।

प्राकृतिक चयन के कारण, प्रतिकूल उत्परिवर्तन सामान्यतः एक जनसंख्या से समाप्त हो जाएंगे, जबकि अनुकूल परिवर्तन सामान्यतः  अगली पीढ़ी के लिए रखे जाते हैं, और तटस्थ परिवर्तन उत्परिवर्तन द्वारा बनाए गए दर पर जमा होते हैं। यह प्रक्रिया प्रजनन द्वारा होती है। एक विशेष पीढ़ी में 'सर्वश्रेष्ठ फिट' उच्च संभावना के साथ जीवित रहता है, अपने जीन को अपनी संतानों में पारित करता है। इस संभाव्यता में परिवर्तन का संकेत उत्परिवर्तन को जीवों के लिए लाभकारी, तटस्थ या हानिकारक होने के रूप में परिभाषित करता है।

नाप
एक जीव की उत्परिवर्तन दर को कई तकनीकों द्वारा मापा जा सकता है।

उत्परिवर्तन दर को मापने का एक विधि उतार-चढ़ाव परीक्षण है, जिसे लुरिया-डेलब्रुक प्रयोग के रूप में भी जाना जाता है। इस प्रयोग ने प्रदर्शित किया कि चयन की उपस्थिति के अतिरिक्त  चयन के अभाव में बैक्टीरिया उत्परिवर्तन होता है। यह उत्परिवर्तन दरों के लिए बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सिद्ध करता है कि प्रयोगात्मक रूप से उत्परिवर्तन एक घटक होने के बिना हो सकता है - वास्तव में, उत्परिवर्तन और चयन पूरी तरह से अलग हैं विकासवादी बल. अलग-अलग डीएनए अनुक्रमों में उत्परिवर्तन (नीचे देखें) के लिए अलग-अलग प्रवृत्ति हो सकती है और यादृच्छिक रूप से नहीं हो सकती है। उत्परिवर्तन का सबसे सामान्य रूप से मापा गया वर्ग प्रतिस्थापन है, क्योंकि डीएनए अनुक्रम डेटा के मानक विश्लेषण के साथ मापना अपेक्षाकृत आसान है। चूंकि प्रतिस्थापन में उत्परिवर्तन की अधिक  भिन्न दर होती है (10−8 से 10 तक−9 अधिकांश कोशिकीय जीवों के लिए प्रति पीढ़ी) उत्परिवर्तन के अन्य वर्गों की तुलना में, जो अधिकांशतः  बहुत अधिक होते हैं (~10−3 उपग्रह डीएनए विस्तार/संकुचन के लिए प्रति पीढ़ी ).

प्रतिस्थापन दर
एक जीव के जीनोम में कई साइटें छोटे फिटनेस प्रभावों के साथ उत्परिवर्तन को स्वीकार कर सकती हैं। इन साइटों को सामान्यतः तटस्थ साइट कहा जाता है। सैद्धांतिक रूप से उत्परिवर्तन बिना किसी चयन के जीवों के बीच ठीक उत्परिवर्तन दर पर फिक्सेशन (जनसंख्या आनुवंशिकी) बन जाते हैं। निश्चित पर्यायवाची उत्परिवर्तन, अर्थात  पर्यायवाची प्रतिस्थापन, एक जीन के अनुक्रम में परिवर्तन होते हैं जो उस जीन द्वारा उत्पादित प्रोटीन को नहीं बदलते हैं। वे अधिकांशतः  उस उत्परिवर्तन दर के अनुमान के रूप में उपयोग किए जाते हैं, इस तथ्य के अतिरिक्त  कि कुछ पर्यायवाची उत्परिवर्तनों का फिटनेस प्रभाव होता है। एक उदाहरण के रूप में, एस्चेरिचिया कोली बी की प्रयोगात्मक रूप से विकसित प्रतिकृति लाइनों के पूरे जीनोम अनुक्रमों से उत्परिवर्तन दर सीधे अनुमान लगाया गया है।

उत्परिवर्तन संचय रेखाएँ
उत्परिवर्तन दर को चिह्नित करने का एक विशेष रूप से श्रम-गहन विधि उत्परिवर्तन संचय रेखा है।

उत्परिवर्तन संचय लाइनों का उपयोग बेटमैन-मुकाई विधि के साथ उत्परिवर्तन दर को चिह्नित करने और आंतों के बैक्टीरिया (ई. कोलाई), राउंडवॉर्म (सी. एलिगेंस), खमीर (एस. सेरेविसिया), फल से लेकर अच्छी तरह से अध्ययन किए गए प्रायोगिक जीवों के प्रत्यक्ष अनुक्रमण के लिए किया गया है। मक्खियाँ (डी। मेलानोगास्टर), और छोटे अल्पकालिक पौधे (ए। थलियाना)।

उत्परिवर्तन दर में भिन्नता
उत्परिवर्तन दर प्रजातियों के बीच और यहां तक ​​कि एक ही प्रजाति के जीनोम के विभिन्न क्षेत्रों के बीच भिन्न होती है। न्यूक्लियोटाइड प्रतिस्थापन की इन विभिन्न दरों को प्रतिस्थापन (फिक्सेशन (जनसंख्या आनुवंशिकी)) प्रति आधार जोड़ी प्रति पीढ़ी में मापा जाता है। उदाहरण के लिए, इंटरजेनिक, या गैर-कोडिंग में उत्परिवर्तन, डीएनए में उत्परिवर्तन की तुलना में डीएनए में तेजी से जमा होता है जो जीव (जीन अभिव्यक्ति) में सक्रिय रूप से उपयोग में है। यह आवश्यक रूप से उच्च उत्परिवर्तन दर के कारण नहीं है, बल्कि शुद्ध चयन के निम्न स्तर के कारण है। एक क्षेत्र जो अनुमानित दर पर उत्परिवर्तित होता है वह आणविक घड़ी के रूप में उपयोग के लिए एक उम्मीदवार है।

यदि एक क्रम में तटस्थ उत्परिवर्तन की दर को स्थिर (घड़ी की तरह) माना जाता है, और यदि प्रजातियों के बीच अधिकांश अंतर अनुकूली के अतिरिक्त तटस्थ हैं, तो दो अलग-अलग प्रजातियों के बीच के अंतरों की संख्या का अनुमान लगाने के लिए उपयोग  किया जा सकता है कि कितने समय पहले दो प्रजातियां अलग हो गईं (आण्विक घड़ी देखें)। वास्तव में, पर्यावरणीय तनाव की प्रतिक्रिया में जीव की उत्परिवर्तन दर बदल सकती है। उदाहरण के लिए, यूवी प्रकाश डीएनए को हानि  पहुंचाता है, जिसके परिणामस्वरूप डीएनए की मरम्मत करने के लिए सेल द्वारा त्रुटि प्रवण प्रयास हो सकते हैं।

मादा (अंडे की कोशिकाओं) की तुलना में नर रोगाणु रेखा (शुक्राणु) में मानव उत्परिवर्तन दर अधिक है, किन्तु स्पष्ट दर का अनुमान परिमाण या अधिक के क्रम से भिन्न होता है। इसका कारण यह है कि एक मानव जीनोम प्रति पीढ़ी लगभग 64 नए उत्परिवर्तन जमा करता है क्योंकि प्रत्येक पूर्ण पीढ़ी में युग्मक उत्पन्न करने के लिए कई कोशिका विभाजन सम्मिलित  होते हैं। मानव माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए में उत्परिवर्तन दर ~ 3 × या ~ 2.7 × 10 होने का अनुमान लगाया गया है−5 प्रति आधार प्रति 20 वर्ष पीढ़ी (अनुमान की विधि के आधार पर); इन दरों को ~ 2.5 × 10 पर मानव जीनोमिक उत्परिवर्तन की दर से अधिक  अधिक माना जाता है−8 प्रति आधार प्रति पीढ़ी। संपूर्ण जीनोम अनुक्रमण से उपलब्ध डेटा का उपयोग करते हुए, मानव जीनोम उत्परिवर्तन दर समान रूप से ~ 1.1 × 10 होने का अनुमान लगाया गया है−8 प्रति साइट प्रति पीढ़ी। उत्परिवर्तन के अन्य रूपों की दर भी बिंदु उत्परिवर्तन से बहुत भिन्न होती है। एक व्यक्तिगत माइक्रोसैटेलाइट (आनुवांशिकी) ठिकाने में अधिकांशतः 10 के क्रम में उत्परिवर्तन दर होती है−4, चूंकि  यह लंबाई के साथ अधिक  भिन्न हो सकता है। डीएनए के कुछ अनुक्रम उत्परिवर्तन के प्रति अधिक संवेदनशील हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, मानव शुक्राणु में डीएनए का फैलाव जिसमें मेथिलिकरण की कमी होती है, उत्परिवर्तन के लिए अधिक प्रवण होता है। सामान्यतः, एककोशिकीय यूकैर्योसाइटों  (और  जीवाणु ) में उत्परिवर्तन दर लगभग 0.003 उत्परिवर्तन प्रति जीनोम प्रति 'सेल' पीढ़ी है। चूंकि , कुछ प्रजातियों, विशेष रूप से जीनस Paramecium के पक्ष्माभी में असामान्य रूप से कम उत्परिवर्तन दर होती है। उदाहरण के लिए, Paramecium tetraurelia की आधार-प्रतिस्थापन उत्परिवर्तन दर ~2 × 10 है-11 प्रति साइट प्रति कोशिका विभाजन। यह प्रकृति में अब तक देखी गई सबसे कम उत्परिवर्तन दर है, जो समान जीनोम आकार वाले अन्य यूकेरियोट्स की तुलना में लगभग 75× कम है, और यहां तक ​​कि अधिकांश प्रोकैरियोट्स की तुलना में 10× कम है। Paramecium में कम उत्परिवर्तन दर को इसके ट्रांसक्रिप्शनली साइलेंट जर्मलाइन | जर्म-लाइन  कोशिका केंद्रक  द्वारा समझाया गया है, जो इस परिकल्पना के अनुरूप है कि प्रतिकृति निष्ठा कम जीन अभिव्यक्ति स्तरों पर अधिक होती है। उच्चतम प्रति आधार जोड़ी प्रति पीढ़ी उत्परिवर्तन दर वायरस में पाए जाते हैं, जिनमें या तो आरएनए या डीएनए जीनोम हो सकते हैं। डीएनए वायरस में उत्परिवर्तन दर 10 के बीच होती है−6 से 10−8 उत्परिवर्तन प्रति आधार प्रति पीढ़ी, और RNA वायरस की उत्परिवर्तन दर 10 के बीच होती है-3 से 10 तक−5 प्रति आधार प्रति पीढ़ी।

उत्परिवर्तन स्पेक्ट्रम
एक उत्परिवर्तन स्पेक्ट्रम कुछ संदर्भ में प्रासंगिक उत्परिवर्तन के लिए दरों या आवृत्तियों का वितरण है, इस मान्यता के आधार पर कि घटना की दर सभी समान नहीं हैं। किसी भी संदर्भ में, उत्परिवर्तन स्पेक्ट्रम उत्परिवर्तन के विवरण को दर्शाता है और रासायनिक उत्परिवर्तनों की उपस्थिति या उत्परिवर्तक एलील्स या क्षतिग्रस्त डीएनए मरम्मत प्रणालियों के साथ आनुवंशिक पृष्ठभूमि जैसी स्थितियों से प्रभावित होता है। एक उत्परिवर्तन स्पेक्ट्रम की सबसे मौलिक और विस्तृत अवधारणा सभी व्यक्तिगत उत्परिवर्तनों के लिए दरों का वितरण है जो जीनोम में हो सकती है (उदाहरण के लिए, ). इस पूर्ण डे नोवो स्पेक्ट्रम से, उदाहरण के लिए, कोई कोडिंग क्षेत्र बनाम गैर-कोडिंग डीएनए | गैर-कोडिंग क्षेत्रों में उत्परिवर्तन की सापेक्ष दर की गणना कर सकता है। सामान्यतः उत्परिवर्तन दर के एक स्पेक्ट्रम की अवधारणा को संक्रमण (आनुवांशिकी) और अनुप्रस्थ (आंकड़ा) जैसे व्यापक वर्गों को कवर करने के लिए सरलीकृत किया जाता है, अर्थात, जीनोम में विभिन्न उत्परिवर्तनीय रूपांतरण वर्गों में एकत्र किए जाते हैं, और प्रत्येक वर्ग के लिए एक समग्र 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, एक विशेष प्रकार के कैंसर के साथ चिकित्सकीय रूप से जुड़े उत्परिवर्तनों का वितरण, या किसी विशेष संदर्भ में अनुकूली परिवर्तनों का वितरण जैसे कि एंटीबायोटिक प्रतिरोध (जैसे, ). जबकि नए सिरे से उत्परिवर्तन दर का स्पेक्ट्रम केवल उत्परिवर्तन को दर्शाता है, इस प्रकार का स्पेक्ट्रम चयन और असेसमेंट बायसेस के प्रभावों को भी प्रतिबिंबित कर सकता है (उदाहरण के लिए, दोनों प्रकार के स्पेक्ट्रम का उपयोग ).



विकास
उत्परिवर्तन दर के विकास पर सिद्धांत सम्मिलित तीन प्रमुख बलों की पहचान करता है: उच्च उत्परिवर्तन के साथ अधिक हानिकारक उत्परिवर्तन की पीढ़ी, उच्च उत्परिवर्तन के साथ अधिक लाभप्रद उत्परिवर्तन की पीढ़ी, और उत्परिवर्तन को रोकने के लिए आवश्यक चयापचय निवेश  और कम प्रतिकृति दर। प्रत्येक बल के सापेक्ष महत्व के आधार पर विभिन्न निष्कर्ष निकाले जाते हैं। उच्च उत्परिवर्तन दर की निवेश  के बीच व्यापार-बंद द्वारा जीवों की इष्टतम उत्परिवर्तन दर निर्धारित की जा सकती है, जैसे हानिकारक उत्परिवर्तन, और उत्परिवर्तन दर को कम करने के लिए प्रणाली को बनाए रखने की चयापचय निवेश  (जैसे डीएनए मरम्मत एंजाइमों की अभिव्यक्ति में वृद्धि)। या, जैसा कि बर्नस्टीन एट अल द्वारा समीक्षा की गई है। मरम्मत, अतिरिक्त जीन उत्पादों के लिए कोडिंग और/या धीमी प्रतिकृति के लिए ऊर्जा का उपयोग बढ़ाना)। दूसरे, उच्च उत्परिवर्तन दर लाभकारी उत्परिवर्तन की दर में वृद्धि करती है, और अनुकूलन की इष्टतम दरों को बनाए रखने के लिए विकास उत्परिवर्तन दर को कम करने से रोक सकता है। जैसे, अतिपरिवर्तन कुछ कोशिकाओं को पूरी जनसंख्या को विलुप्त होने से बचाने के लिए बदलती परिस्थितियों के लिए तेजी से अनुकूलन करने में सक्षम बनाता है। अंत में, उत्परिवर्तन दर को कम करने के अपेक्षाकृत सामान्य लाभों के कारण प्राकृतिक चयन उत्परिवर्तन दर को अनुकूलित करने में विफल हो सकता है, और इस प्रकार देखी गई उत्परिवर्तन दर तटस्थ प्रक्रियाओं का उत्पाद है।

अध्ययनों से पता चला है कि रिबावायरिन  के साथ पोलियोवायरस जैसे आरएनए वायरस का इलाज इस विचार के अनुरूप परिणाम उत्पन्न करता है कि वायरस अपने जीनोम में जानकारी की अखंडता को बनाए रखने के लिए बहुत बार उत्परिवर्तित होते हैं। रेफ नाम = क्रेट्टी> इसे त्रुटि आपदा कहा जाता है।

3 x 10 की उच्च उत्परिवर्तन दर एचआईवी (ह्यूमन इम्युनोडेफिशिएंसी वायरस)।-5 प्रति आधार और पीढ़ी, इसके छोटे प्रतिकृति चक्र के साथ मिलकर एक उच्च प्रतिजन परिवर्तनशीलता की ओर जाता है, जिससे यह प्रतिरक्षा प्रणाली से बचने की अनुमति देता है।

यह भी देखें

 * उत्परिवर्तन
 * गंभीर उत्परिवर्तन दर
 * उत्परिवर्तन आवृत्ति
 * एलील आवृत्ति
 * विकास की दर
 * आनुवांशिकी
 * कैंसर