पेशींमधील जैवरासायनिक प्रक्रिया विविध प्रथिनांद्वारे (Proteins) होतात. प्रथिन निर्मितीसाठी आवश्यक असलेली माहिती सजीवांच्या जनुकांमध्ये सांकेतिक स्वरूपात साठवलेली असते. डीएनए (DNA) आधारक्रम (Base order) वाचणे, माहितीचा अर्थ लावणे व ती प्रथिनांच्या स्वरूपात परिवर्तित करण्याची प्रक्रिया सजीवसृष्टीच्या केंद्रस्थानी आहे. डीएनएमधील आधारक्रम योग्य अमिनो अम्लांमध्ये बिनचूक रूपांतरीत करण्यासाठी विशिष्ट संकेत आवश्यक असतात.
१९६० च्या दशकापर्यंत जनुकीय संकेताचे निश्चित स्वरूप माहित नव्हते. फ्रान्सिस क्रिक (Francis Crick) यांनी १९५८ मध्ये रेणुजीवविज्ञानातील (Molecular biology) मध्यवर्ती सिद्धांत प्रकाशात आणल्यानंतर रेणुजीवशास्त्रातील संशोधनाला वेग आला. डीएनएमधील न्यूक्लिओटाइडचा क्रम प्रथिनांशी थेट निगडित असतो हे स्पष्ट झाले. परंतु, यातून डीएनएतील ४ न्यूक्लिओटाइड २० अमिनो अम्लांचे संकेत कसे ओळखतात हे समजत नव्हते. यातूनच जनुकीय संकेताची कल्पना पुढे आली.
जॉर्ज गॅमॉव (George Gamow) या सोव्हिएत वैज्ञानिकांनी मांडलेल्या गणितानुसार एका अमिनो अम्लाच्या संकेतासाठी तीन न्यूक्लिओटाइड क्रम आवश्यक होता. चार न्यूक्लिओटायडे (४१=४) २० प्रकारच्या अमिनो अम्लांसाठी वेगवेगळे संकेत निर्माण करू शकत नाहीत. तसेच न्यूक्क्लिओटाइडाची जोडी फक्त ४२=१६ संकेत निर्माण करू शकते. तीन न्यूक्लिओटाइडे मिळून अमिनो अम्लाचा संकेत दर्शवतात असे मानले तर ६४ संभाव्य संच निर्माण होतात. २० अमिनो अम्लांचे संकेत देण्यासाठी ही संख्या पुरेशी होती. गॅमॉव यांच्या गृहीतकात काही त्रुटी होत्या. परंतु, जनुकीय संकेताचे मूलभूत स्वरूप यातून स्पष्ट झाले.
हे संशोधन पुढे नेण्यात सेमूर बेन्झर (Seymour Benzer) या वैज्ञानिकाचा मोठा वाटा होता. १९५०−६० या दशकात बेन्झर ए. कोलाय (Escherichia coli) जीवाणूमध्ये वाढणाऱ्या टी-४ (T4 Bacteriophage) या विषाणूंवर संशोधन करीत होते. टी-४ विषाणूच्या उत्परिवर्तनांचा अभ्यास करून बेन्झर यांनी जीनोमवरील आर-२ (rII) या भागाचा तपशीलवार जनुकीय नकाशा बनवला. निरनिराळी उत्परिवर्तके वापरून आधारक्रमामध्ये होणारे बदल त्यांनी नोंदवले होते. या बदलांचा आढावा घेऊन त्यांनी जनुकीय संकेत त्रयींच्या स्वरूपात असतो हे गृहीतक मांडले. याच सुमारास फ्रेडरिक सँगर (Frederick Sanger) यांनी प्रथिनाचे क्रमनिर्धारण करण्यात यश मिळवले होते. फ्रान्सिस क्रीक, सिडने ब्रेन्नर (Sydney Brenner), लेस्ली बार्नेट (Leslie Barnett) आणि आर. जे. वॉट्स-टोबीन (R. J. Watts-Tobin) यांनी १९६१ मध्ये केलेल्या उत्परिवर्तनाच्या प्रयोगांमुळे या सिद्धांताला दुजोरा मिळाला. मार्शल निरेनबर्ग (Marshall Nirenberg) आणि जे. हाइन्रिख मथाई (J. Heinrich Matthaei) यांनी १९६१ मध्ये न्यूक्लिओटाइडच्या एकसुरी शृंखलांचा पेशीविरहित प्रणालींमध्ये अभ्यास करून काही अमिनो अम्लांचे संकेत शोधून काढले. याच काळात हरगोबिंद खुराणा (Har Gobind Khorana) यांनीही न्यूक्लिओटाइडच्या एकसुरी शृंखलांच्या संश्लेषणातून त्रयींच्या सिद्धांतावर शिक्कामोर्तब केले. या क्रांतिकारी संशोधनासाठी निरेनबर्ग, मथाई आणि खुराणा यांना १९६८ मध्ये नोबेल पुरस्काराने गौरवले गेले.
ज्याप्रमाणे एखाद्या भाषेतील शब्दांचे अर्थ शब्दकोशात लिहिलेले असतात, त्याप्रमाणे डीएनएवरील संकेतांचा शब्दकोश म्हणजे जनुकीय संकेत. या शब्दकोशातील शब्द त्रयींच्या स्वरूपात असतात. तीन न्यूक्लिओटाइडच्या गटाला संकेत म्हणतात. चार प्रकारच्या न्यूक्लिओटाइड पासून ६४ भिन्न संकेतत्रयी बनतात. (पहा : तक्ता क्र.१)
डीएनएवरील आधारक्रम ही संदेशवाहक आरएनएवरील संकेतांची मूळ प्रत असते. आरएनएमधील युरॅसिल या न्यूक्लिओटाइडऐवजी डीएनएमध्ये थायमिन असते. जनुकीय संकेत वैश्विक आहे. अर्थात सर्व सजीवांमध्ये एकच संकेत लागू होतो. डीएनएवरील संकेत प्रथिनांच्या स्वरूपात बिनचूक भाषांतरित होण्यासाठी जनुकीय संकेत पुढील नियमांनी बद्ध आहे :
(१) A, G, C व U/T या न्यूक्लिओटाइड आधारकापासून ६४ भिन्न संकेतत्रयी बनतात. यांपैकी ६१ संकेत अर्थवाही (Sense codon) असतात, तर UAA, UAG, UGA हे तीन संकेत कोणतेही अमिनो अम्ल दर्शवत नाहीत. तसेच हे तीन संकेत येताच प्रथिन संश्लेषण थांबते व प्रथिनांची साखळी खंडित होते. या संकेतत्रयींना निरर्थक अथवा समाप्ती संकेत (Stop/Termination/Nonsense codon) म्हणतात. (पहा तक्ता क्र. १).
(२) जनुकीय संकेतांमध्ये संदिग्धता नसते. न्यूक्लिओटाइडांची एक ठराविक त्रयी एकाच अमिनो अम्लाचा संकेत देते. किंबहुना एक संकेतत्रयी एकापेक्षा जास्त अमिनो अम्लाचा निर्देश कधीच करत नाही. (पहा तक्ता क्र. १).
(३) संदेशवाहक आरएनएवरील संकेताला ठराविक दिशा असते. अर्थात ते नेहमीच ५’−३’ दिशेने वाचले जातात. त्याचप्रमाणे वाचनाची जागादेखील निश्चित असते. ही जागा पुढे-मागे झाल्यास सर्वच त्रयी वेगळ्या पद्धतीने वाचल्या जातील व चुकीचा अमिनो अम्ल क्रम तयार होईल. रायबोसोमला वाचनाची जागा स्पष्टपणे ओळखता यावी म्हणून निसर्गात प्रारंभिक संकेताची योजना आहे. संदेशवाहक आरएनए च्या ५’ टोकाला AUG ही त्रयी असते. हा संकेत मिथिओनिन या अमिनो अम्लाचा निर्देश करतो. त्यामुळे बहुतांश प्रथिने मिथिओनिनपासून सुरू होतात.
(४) जनुकीय संकेत सलग वाचला जातो. म्हणजेच प्रत्येक त्रयींपासून एक अमिनो अम्ल दर्शवले जाते. प्रारंभ संकेत आणि समाप्ती संकेत यांचा अपवाद वगळता अन्य कोणतीही विरामचिन्हे नसतात. उदा., AUUCGAGAGUAC या क्रमामध्ये AUU CGA GAG UAC अशा चार त्रयी आहेत. वाचनामध्ये प्रत्येक त्रयीपासून एक याप्रमाणे आयसॉल्युसीन-अर्जिनिन-ग्लुटामिक ॲसिड-टायरोसीन अशी चार अमिनो अम्लांची साखळी तयार होते. कोणत्याही न्यूक्लिओटाइडचा वापर अल्पविराम किंवा स्वल्पविरामाप्रमाणे होत नाही.
(५) प्रत्येक त्रयी स्वतंत्रपणे किंवा सुटी वाचली जाते. म्हणजेच एक न्यूक्लिओटाइड एकाच संकेताचा भाग असतो. आधीच्या किंवा नंतरच्या संकेतांमध्ये तो धरला जात नाही. उदा., AUUCGAGAGUAC या क्रमामध्ये त्रयी AUU UUC UCG CGA अशा वाचल्या जात नाहीत.
(६) जनुकीय संकेतांमध्ये नैसर्गिक अतिरिक्तता (Redundancy) आढळते. सर्व सजीवांमध्ये फक्त २० अमिनो अम्ले असूनही त्यांना दर्शवणारे ६१ संकेत आहेत. म्हणजेच काही संकेत समानार्थी असतात. तसेच काही अमिनो अम्लांसाठी एकापेक्षा अधिक संकेत उपलब्ध असतात. उदा., GGU, GGC, GGA, GGG हे चारही संकेत ग्लायसिन या अमिनो अम्लाचा निर्देश करतात. तर UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC हे पाचही संकेत सेरीन हे अमिनो अम्ल दर्शवतात.
(७) डळमळीततेचा सिद्धांत /वॉबल परिकल्पना (The Wobble hypothesis) : १९६६ मध्ये फ्रान्सिस क्रिक यांनी संकेतांमधील अतिरिक्ततेचे स्पष्टीकरण देण्याकरिता ही परिकल्पना मांडली. या संकल्पनेनुसार एखाद्या संकेतामुळे कोणते अमिनो अम्ल दर्शविले जावे हे त्या संकेतत्रयींमधील पहिल्या दोन स्थानांमुळे ठरते. या स्थानांवरील न्यूक्लिओटाइडे स्थानांतरीत आरएनएवरील प्रतिसंकेतांशी घट्ट बंध तयार करतात. तसेच या दोन्ही स्थानांवरील आधारक जोड्या वॉटसन क्रिक नियमाला (Watson-Crick base pairing) धरून काटेकोरपणे होतात. अर्थात संकेत व प्रतिसंकेतांमधील दोन स्थाने एकमेकांना पूरक असतात. तिसऱ्या स्थानासाठी हा नियम थोडासा शिथिल असतो. या स्थानाला डळमळीत स्थान (Wobble base) असे म्हणतात. तिसऱ्या स्थानावरील आधार (Base) पूरक नसला तरीही संकेत आणि प्रतिसंकेत एकमेकांशी जुळू शकतात.
पहिल्या दोन स्थानामुळे संकेत निश्चित होत असल्याने एकाच अमिनो अम्लाच्या विविध संकेतांमध्ये फक्त तिसऱ्या स्थानात भिन्नता असते. उदा., CG या दोन न्यूक्लिओटाइड अर्जिनिन या अमिनो अम्लाचा निर्देश करतात. शेवटच्या स्थानावर U, C, A आणि G यांपैकी कोणतेही न्यूक्लिओटाइड असले तरीही संकेत बदलत नाही.. त्यामुळे CGU, CGC, CGA व CGG हे सर्व संकेत एकच अमिनो अम्ल दर्शवतात.
वॉटसन क्रिक नियम काटेकोरपणे लागू होत नसल्याने तिसऱ्या स्थानी काही अनियमित आधारक जोड्या आढळतात. हायपोझॅन्थीन-युरॅसिल (hypoxanthine-uracil; I-U), हायपोझॅन्थीन-ॲडेनीन (I-A), आणि हायपोझॅन्थीन-सायटोसीन (I-C) या त्यांपैकी काही अनियमित आधारक जोड्या आहेत. एकाच अमिनो अम्लासाठी समानार्थी संकेत का असतात याचा उलगडा यातून झाला. ६४ संकेत असूनही पेशींमध्ये फक्त ४० प्रकारचे स्थानांतरीत आरएनए का आढळतात याचे समर्पक उत्तरही सापडले. जनुकीय संकेताची उकल हा रेणुजीवविज्ञानातील एक महत्त्वाचा टप्पा होता. प्रथिनांच्या निर्मितीची प्रक्रिया तसेच विविध प्रकारच्या उत्परिवर्तनांचा अभ्यास करण्यासाठी हे संशोधन पायाभूत ठरले.
एकजात सर्व सजीवांना लागू होणारा व अचूक भाषांतरित होणारा हा जनुकीय संकेत कसा आकारास आला याबद्दल विविध मतप्रवाह आहेत. एक सिद्धांत असे सुचवतो की, जनुकीय संकेत अपघातानेच तयार झाला व जुळला. एकपेशीय सजीवांपासून उत्क्रांती होताना त्याचा मूळ गाभा टिकून राहिला आणि सजीवांच्या उत्क्रांतीबरोबर त्यात बदल घडत गेले. दुसरे मत असे की, अमिनो अम्ले व त्यांचे संकेत बरोबरीनेच उत्क्रांत होत गेले. त्यांच्या रासायनिक रचनेमुळे त्यांच्यात सुसंगती वाढत गेली असावी. आणखी एका मताप्रमाणे, जनुकीय संकेत उत्क्रांतीच्या निवडप्रक्रियेचा (Selection pressure) परिपाक आहे. उत्परिवर्तनाचे दुष्परिणाम आणि भाषांतरणाच्या चुका यांमध्ये सुधारणा घडवत जनुकीय संकेत उत्क्रांत झाला. वैज्ञनिकांनी केलेल्या अनेक संख्याशास्त्रीय अभ्यासातून या सिद्धांताला दुजोरा मिळत आहे. तसेच या सर्व प्रक्रियांच्या एकत्रित प्रभावाने जनुकीय संकेत विकसित झाला असाही मतप्रवाह नव्याने उदयास येत आहे.
पहा : प्रथिन-संश्लेषण.
संदर्भ :
- Charles Yanofsky, Establishing the Triplet Nature of the Genetic Code, Cell 128, Elsevier Inc, 2007.
- https://profiles.nlm.nih.gov/spotlight/sc/feature/deciphering
- https://biologywise.com/codon-chart
- https://en.wikipedia.org/wiki/Genetic_code
- https://iubmb.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/iub.146
- आशिष दत्त, सुद्धा भट्टाचार्य, जनुक शक्ती, अनुवाद : प्रमोद जोगळेकर, मेहता पब्लिशिंग हाऊस, १९९७.
समीक्षक : प्रमोद जोगळेकर
