Principles of Inheritance and Variation

ग्रेगर मेंडल ने उद्यान मटर (Pisum sativum) को अपने प्रयोगों के लिए चुना क्योंकि इसमें स्पष्ट विपर्यासी लक्षण (Contrasting Traits) उपस्थित थे, यह एकवर्षीय शाकीय पौधा था जिसका जीवन चक्र छोटा था, इसमें प्राकृतिक रूप से स्वपरागण होता था किंतु कृत्रिम रूप से विपुंसन (Emasculation) एवं थैलीकरण (Bagging) द्वारा परपरागण सरलतापूर्वक कराया जा सकता था, तथा संकरण से प्राप्त बीज पूर्णतः जननक्षम (Fertile) थे।

मटर के सात विपर्यासी लक्षण (Seven Contrasting Characters):

• तने की ऊंचाई: लंबा (Tall, $T$ - प्रभावी) बनाम बौना (Dwarf, $t$ - अप्रभावी)
• फूल का रंग: बैंगनी (Violet - प्रभावी) बनाम सफेद (White - अप्रभावी)
• फूल की स्थिति: अक्षीय (Axial - प्रभावी) बनाम अंत्य (Terminal - अप्रभावी)
• फली का आकार: फूली हुई (Inflated - प्रभावी) बनाम संकुचित (Constricted - अप्रभावी)
• फली का रंग: हरा (Green - प्रभावी) बनाम पीला (Yellow - अप्रभावी)
• बीज का आकार: गोल (Round, $R$ - प्रभावी) बनाम झुर्रीदार (Wrinkled, $r$ - अप्रभावी)
• बीज का रंग (बीजपत्र): पीला (Yellow, $Y$ - प्रभावी) बनाम हरा (Green, $y$ - अप्रभावी)

एकसंकर संकरण (Monohybrid Cross):

जब एक समय में केवल एक ही लक्षण की वंशागति का अध्ययन किया जाता है, तो उसे एकसंकर संकरण कहते हैं। मेंडल ने शुद्ध लंबे ($TT$) और शुद्ध बौने ($tt$) पौधों के बीच संकरण कराया। प्रथम संतति पीढ़ी ($F_1$) में सभी पौधे लंबे ($Tt$) प्राप्त हुए। जब $F_1$ पौधों में स्वपरागण (Selfing) कराया गया, तो द्वितीय संतति पीढ़ी ($F_2$) में लंबे और बौने दोनों प्रकार के पौधे प्राप्त हुए:

• फीनोटाइपिक अनुपात (Phenotypic Ratio): $3 : 1$ (3 लंबे : 1 बौना)
• जीनोटाइपिक अनुपात (Genotypic Ratio): $1 : 2 : 1$ ($1\,TT : 2\,Tt : 1\,tt$)

एकसंकर संकरण से प्रतिपादित नियम:

1. प्रभाविता का नियम (Law of Dominance): लक्षणों का नियंत्रण विविक्त इकाइयों द्वारा होता है जिन्हें कारक (जीन) कहते हैं। कारक सदैव जोड़ों (Pairs) में पाए जाते हैं। विषमयुग्मजी अवस्था ($Tt$) में कारक युग्म का एक सदस्य दूसरे पर प्रभावी (Dominant) होता है और अप्रभावी (Recessive) कारक के प्रभाव को दबा देता है।
2. विसंयोजन अथवा विसंकेतन का नियम (Law of Segregation): इसे 'युग्मकों की शुद्धता का नियम' (Law of Purity of Gametes) भी कहते हैं। जनक में दोनों युग्मविकल्पी (Alleles) उपस्थित होते हैं, किंतु युग्मक निर्माण (Meiosis) के समय गुणसूत्र अलग हो जाते हैं, जिससे प्रत्येक युग्मक में दो में से केवल एक ही युग्मविकल्पी प्रवेश करता है। यह नियम सार्वभौमिक (Universal) है और इसका कोई अपवाद नहीं है।

परीक्षार्थ संकरण (Test Cross):

अज्ञात जीनोटाइप वाले प्रभावी लक्षणप्ररूपी पौधे ($TT$ अथवा $Tt$) का संकरण जब समयुग्मजी अप्रभावी जनक ($tt$) के साथ कराया जाता है, तो उसे टेस्ट क्रॉस कहते हैं। यदि संतति में 100% पौधे लंबे प्राप्त हों, तो अज्ञात जनक समयुग्मजी ($TT$) है। यदि लंबे और बौने का अनुपात $1:1$ प्राप्त हो, तो अज्ञात जनक विषमयुग्मजी ($Tt$) है।

द्विसंकर संकरण (Dihybrid Cross) में दो जोड़ी विपर्यासी लक्षणों की वंशागति का एक साथ अध्ययन किया जाता है। मेंडल ने गोल व पीले बीज वाले पौधे ($RRYY$) का संकरण झुर्रीदार व हरे बीज वाले पौधे ($rryy$) से कराया। $F_1$ पीढ़ी में सभी पौधे गोल व पीले बीज वाले ($RrYy$) प्राप्त हुए। $F_1$ पौधों में स्वपरागण कराने पर $F_2$ पीढ़ी में 16 संयोजन प्राप्त हुए:

• $F_2$ फीनोटाइपिक अनुपात: $9 : 3 : 3 : 1$ (9 गोल-पीला : 3 गोल-हरा : 3 झुर्रीदार-पीला : 1 झुर्रीदार-हरा)
• $F_2$ जीनोटाइपिक अनुपात: $1:2:1 : 2:4:2 : 1:2:1$ (कुल 9 विभिन्न जीनोटाइप)

स्वतंत्र अपव्यूहन का नियम (Law of Independent Assortment):

जब किसी संकरण में लक्षणों के दो या दो से अधिक जोड़ों को एक साथ लिया जाता है, तो किसी एक लक्षण युग्म का विसंयोजन (Segregation) दूसरे लक्षण युग्म के विसंयोजन से पूर्णतः स्वतंत्र होता है। (ध्यान दें: यह नियम केवल उन्हीं जीनों के लिए सत्य है जो भिन्न-भिन्न गुणसूत्रों पर स्थित होते हैं; सहलग्न जीनों पर यह नियम लागू नहीं होता)।

मेंडलवाद के विचलन (Non-Mendelian Inheritance):

• अपूर्ण प्रभाविता (Incomplete Dominance): जब दोनों युग्मविकल्पियों में से कोई भी पूर्णतः प्रभावी नहीं होता और विषमयुग्मजी अवस्था में दोनों का मध्यवर्ती लक्षण प्रकट होता है। उदाहरण: Antirrhinum majus (स्नैपड्रैगन / डॉग फ्लावर) तथा Mirabilis jalapa (4 ओ'क्लॉक)। लाल पुष्प ($RR$) $\times$ सफेद पुष्प ($rr$) $\rightarrow$ $F_1$ गुलाबी पुष्प ($Rr$)। $F_2$ में फीनोटाइपिक और जीनोटाइपिक दोनों अनुपात समान होते हैं: $1\text{ लाल} : 2\text{ गुलाबी} : 1\text{ सफेद}$ ($1:2:1$)।
• सहप्रभाविता (Codominance): जब विषमयुग्मजी में दोनों युग्मविकल्पी अपने-अपने लक्षणों को बिना किसी मिश्रण के समान रूप से स्वतंत्र अभिव्यक्त करते हैं। सर्वोत्तम उदाहरण: मानव ABO रक्त समूह। रक्त समूह का निर्धारण जीन $I$ करता है, जिसके तीन युग्मविकल्पी होते हैं: $I^A, I^B, i$। $I^A$ और $I^B$ दोनों शर्करा बहुलक (एंटीजन) बनाते हैं, जबकि $i$ कोई एंटीजन नहीं बनाता। $I^A$ और $I^B$ दोनों $i$ पर प्रभावी हैं, किंतु जब $I^A$ और $I^B$ एक साथ आते हैं (जीनोटाइप $I^A I^B$), तो दोनों प्रकार के एंटीजन बनते हैं और रक्त समूह AB होता है।
• बहुविकल्पता (Multiple Allelism): जब किसी एक लक्षण को नियंत्रित करने के लिए समष्टि (Population) में दो से अधिक युग्मविकल्पी पाए जाते हैं। मानव ABO रक्त समूह में 3 एलील ($I^A, I^B, i$) से कुल 6 जीनोटाइप और 4 फीनोटाइप (A, B, AB, O) बनते हैं।
• प्लीओट्रॉपी (Pleiotropy - बहुप्रभाविता): जब एक एकल जीन एक से अधिक दृश्यप्ररूपी (Phenotypic) लक्षणों को प्रभावित करता है। उदाहरण: फिनाइलकेटोन्यूरिया (PKU) रोग—फिनाइलएलैनिन हाइड्रॉक्सिलेस एंजाइम की कमी से मानसिक मंदता, बालों व त्वचा के रंजक में कमी आदि अनेक लक्षण एक साथ उत्पन्न होते हैं।
• बहुजीनी वंशागति (Polygenic Inheritance): जब कोई लक्षण तीन या अधिक स्वतंत्र जीनों के संचयी (Cumulative) प्रभाव द्वारा नियंत्रित होता है। उदाहरण: मानव की त्वचा का रंग (तीन जीन A, B, C द्वारा नियंत्रित) तथा मानव की लंबाई। इसमें लक्षण का वितरण घंटी के आकार का वक्र (Bell-shaped curve) बनाता है।

1900 में मेंडल के नियमों के पुनर्खोज के बाद, 1902 में वाल्टर सटन (Walter Sutton) तथा थियोडोर बोवेरी (Theodore Boveri) ने देखा कि अर्धसूत्री कोशिका विभाजन के समय गुणसूत्रों का पृथक्करण मेंडल के कारकों (जीन) के समान ही होता है। उन्होंने गुणसूत्रों की गति और मेंडल के नियमों को मिलाकर वंशागति का गुणसूत्रीय सिद्धांत (Chromosomal Theory of Inheritance) प्रस्तुत किया।

जीन एवं गुणसूत्रों के व्यवहार में समानता:

• जीन जोड़े (Pair) में पाए जाते हैं; समजात गुणसूत्र भी जोड़े में पाए जाते हैं।
• युग्मक निर्माण (Meiosis) के समय गुणसूत्रों का विसंयोजन होता है; उसी प्रकार युग्मविकल्पी भी अलग-अलग युग्मकों में चले जाते हैं।
• भिन्न-भिन्न जोड़ों के गुणसूत्र स्वतंत्र रूप से विसंयोजित होते हैं; उसी प्रकार भिन्न-भिन्न जीन भी स्वतंत्र अपव्यूहन दर्शाते हैं।

टी. एच. मॉर्गन का प्रायोगिक सत्यापन एवं फलमक्खी (Drosophila):

थॉमस हंट मॉर्गन (T.H. Morgan) ने फलमक्खी (Drosophila melanogaster) पर कार्य करके वंशागति के गुणसूत्र सिद्धांत का प्रायोगिक सत्यापन किया। मॉर्गन को 'प्रायोगिक आनुवंशिकी का जनक' (Father of Experimental Genetics) कहा जाता है। उन्होंने ड्रोसोफिला को इसलिए चुना क्योंकि:

1. इन्हें प्रयोगशाला में सरल संश्लेषित माध्यम (पके केले, यीस्ट) पर आसानी से पाला जा सकता है।
2. इनका जीवन चक्र अत्यंत छोटा (लगभग 2 सप्ताह) होता है।
3. एक ही मैथुन से भारी संख्या में मक्खियाँ उत्पन्न होती हैं।
4. नर व मादा मक्खी में स्पष्ट लैंगिक द्विरूपता (Sexual Dimorphism) होती है (मादा आकार में नर से बड़ी होती है)।
5. इनमें केवल 4 जोड़ी गुणसूत्र होते हैं जिन्हें निम्न आवर्धन वाले सूक्ष्मदर्शी से भी स्पष्ट देखा जा सकता है।

सहलग्नता (Linkage) एवं पुनर्योजन (Recombination):

जब मॉर्गन ने ड्रोसोफिला में दो जीनों (जैसे पीले शरीर व श्वेत नेत्र वाली मादा $\times$ भूरे शरीर व लाल नेत्र वाले नर) का संकरण कराया, तो $F_2$ पीढ़ी में मेंडल का $9:3:3:1$ अनुपात प्राप्त नहीं हुआ, बल्कि जनक प्रकार (Parental type) $98.7\%$ और पुनर्योजक प्रकार (Recombinant type) केवल $1.3\%$ प्राप्त हुए!

• सहलग्नता (Linkage): एक ही गुणसूत्र पर स्थित दो या दो से अधिक जीनों का एक साथ अगली पीढ़ी में वंशागत होने की भौतिक प्रवृत्ति को सहलग्नता कहते हैं। सहलग्नता मेंडल के स्वतंत्र अपव्यूहन के नियम का प्रत्यक्ष अपवाद है।
• पुनर्योजन (Recombination): अर्धसूत्री विभाजन की प्रोफेज-I की पैकीटीन अवस्था में गैर-सहभागीय क्रोमैटिड्स (Non-sister chromatids) के बीच जीन विनिमय (Crossing Over) के कारण संततियों में जनकों से भिन्न नवीन संयोजनों का बनना पुनर्योजन कहलाता है।
• जीन मैपिंग (Gene Mapping): मॉर्गन के छात्र अल्फ्रेड स्टर्टवेंट (Alfred Sturtevant) ने दो जीनों के बीच पुनर्योजन की आवृत्ति (Recombination Frequency) को गुणसूत्र पर उनके बीच की दूरी का माप माना और प्रथम आनुवंशिक मानचित्र (Genetic Map) तैयार किया। ($1\%$ पुनर्योजन $= 1\text{ सेंटीमॉर्गन / cM} = 1\text{ मैप यूनिट}$)।

जीवों में लिंग निर्धारण अनुवांशिक अथवा गुणसूत्रीय आधार पर होता है। हेनकिंग (Henking, 1891) ने कुछ कीटों में शुक्रजनन के दौरान एक विशिष्ट केंद्रीय संरचना को देखा और इसे 'X-काय' (X-body) नाम दिया, जिसे बाद में X-गुणसूत्र (लिंग गुणसूत्र) पहचाना गया। कोशिका में दो प्रकार के गुणसूत्र होते हैं: ऑटोसोम (Autosomes - कायिक गुणसूत्र) तथा एलोसोम (Allosomes / Sex Chromosomes - लिंग गुणसूत्र)।

विभिन्न जीवों में लिंग निर्धारण के प्रकार:

• 1. XX-XY प्रणाली (नर विषमयुग्मकता / Male Heterogamety): मानव तथा ड्रोसोफिला में पाई जाती है। मादा में दो समजात X-गुणसूत्र ($XX$) होते हैं (समयुग्मकी), अतः मादा केवल एक प्रकार के अंडाणु ($22 + X$) बनाती है। नर में एक X और एक छोटा Y-गुणसूत्र ($XY$) होता है (विषमयुग्मकी), अतः नर दो प्रकार के शुक्राणु $50\%$ ($22 + X$) तथा $50\%$ ($22 + Y$) बनाता है। यदि X-शुक्राणु निषेचित करे तो पुत्री ($XX$), यदि Y-शुक्राणु निषेचित करे तो पुत्र ($XY$) उत्पन्न होता है। अतः मानव में लिंग निर्धारण पूर्णतः पिता के शुक्राणु द्वारा होता है, माता का इसमें कोई जैविक योगदान नहीं होता।
• 2. XX-XO प्रणाली: टिड्डों (Grasshoppers) एवं कुछ कीटों में। मादा में $XX$ गुणसूत्र होते हैं, जबकि नर में केवल एक X-गुणसूत्र ($XO$) होता है। नर दो प्रकार के शुक्राणु बनाता है: आधे X-युक्त तथा आधे गुणसूत्र-विहीन।
• 3. ZZ-ZW प्रणाली (मादा विषमयुग्मकता / Female Heterogamety): पक्षियों (Birds) तथा सरीसृपों में। यहाँ नर समयुग्मकी ($ZZ$) होता है और केवल एक प्रकार का शुक्राणु बनाता है, जबकि मादा विषमयुग्मकी ($ZW$) होती है और दो प्रकार के अंडाणु ($Z$ और $W$) बनाती है। अतः पक्षियों में लिंग निर्धारण मादा (माँ) द्वारा होता है।
• 4. मधुमक्खियों में अगुणित-द्विगुणित प्रणाली (Haplodiploid Sex Determination): रानी मधुमक्खी (मादा) द्विगुणित ($2n = 32$) होती है, जबकि नर (ड्रोन) अनिषेचित अंड से अनिषेकजनन (Parthenogenesis) द्वारा विकसित होकर अगुणित ($n = 16$) होता है। नर में समसूत्री विभाजन द्वारा शुक्राणु बनते हैं। ड्रोनों के पिता नहीं होते और न ही उनके पुत्र हो सकते हैं; उनके नाना (Grandfather) होते हैं और नवासे (Grandson) हो सकते हैं!

वंशावली विश्लेषण (Pedigree Analysis): मानव में नियंत्रित संकरण संभव नहीं है, अतः कई पीढ़ियों में किसी विशेष लक्षण या आनुवंशिक विकार के संचरण का पारिवारिक इतिहास के रूप में आरेखीय निरूपण वंशावली विश्लेषण कहलाता है। इसमें वर्ग ($\\square$) नर को, वृत्त ($\\bigcirc$) मादा को, तथा रंगे हुए प्रतीक प्रभावित व्यक्ति को दर्शाते हैं।

मानव आनुवंशिक विकारों का वर्गीकरण:

A. मेंडेलियन विकार (Mendelian Disorders - एकल जीन उत्परिवर्तन):

1. हीमोफीलिया (Hemophilia - 'रॉयल डिजीज'): X-सहलग्न अप्रभावी (X-linked Recessive) विकार। रक्त के थक्के बनने के लिए आवश्यक कारक (कारक VIII या IX) की कमी हो जाती है, जिससे मामूली चोट पर भी अनियंत्रित रक्तस्राव होता है। महारानी विक्टोरिया इसकी वाहक (Carrier) थीं। विषमयुग्मजी मादा ($X^H X^h$) वाहक होती है, जबकि नर ($X^h Y$) सदैव रोगी होता है।
2. सिकल सेल एनीमिया (Sickle Cell Anemia - दात्र कोशिका अरक्तता): ऑटोसोमल अप्रभावी (Autosomal Recessive) विकार। हीमोग्लोबिन की $\\beta$-ग्लोबिन शृंखला के 6वें स्थान पर स्थित कोडॉन में बिंदु उत्परिवर्तन द्वारा ग्लूटैमिक एसिड (GAG) का स्थान वैलीन (GUG) ले लेता है। कम ऑक्सीजन तनाव में लाल रक्त कोशिकाएं हँसिए के आकार (Sickle-shaped) की हो जाती हैं, जिससे केशिकाओं में अवरोध और तीव्र एनीमिया हो जाता है। जीनोटाइप: $Hb^A Hb^A$ (सामान्य), $Hb^A Hb^S$ (वाहक / मलेरिया प्रतिरोधी), $Hb^S Hb^S$ (गंभीर रोगी)।
3. फिनाइलकेटोन्यूरिया (PKU): ऑटोसोमल अप्रभावी विकार। इसमें यकृत का एंजाइम फिनाइलएलैनिन हाइड्रॉक्सिलेस अनुपस्थित होता है, जिससे अमीनो अम्ल फिनाइलएलैनिन, टायरोसीन में नहीं बदल पाता और फिनाइलपाइरुविक अम्ल में बदलकर मस्तिष्क में जमा होता है, जिससे मानसिक दुर्बलता आती है।
4. थैलेसीमिया (Thalassemia): ऑटोसोमल अप्रभावी रुधिर विकार। इसमें हीमोग्लोबिन की ग्लोबिन शृंखला ($\\alpha$ या $\\beta$) का संश्लेषण कम मात्रा में होता है (मात्रात्मक दोष / Quantitative defect, जबकि सिकल सेल गुणात्मक दोष / Qualitative defect है)।

B. गुणसूत्रीय विकार (Chromosomal Disorders - गुणसूत्रों की संख्या में परिवर्तन):

कोशिका विभाजन के समय क्रोमैटिड्स के अवियोजन (Non-disjunction) के कारण गुणसूत्रों की संख्या में कमी या वृद्धि हो जाती है (असुगुणिता / Aneuploidy)।

• डाउन सिंड्रोम (Down's Syndrome - 21वीं ट्राइसोमी): लैंगडन डाउन (1866) द्वारा खोजा गया। 21वें क्रोमोसोम की एक अतिरिक्त प्रतिलिपि आ जाने से कुल 47 गुणसूत्र ($45 + XX$ या $45 + XY$) हो जाते हैं। लक्षण: छोटा कद, गोल सिर, खांचेदार जीभ, खुला मुंह, हथेली में चौड़ी क्रीज (पाम क्रीज), तथा मंद मानसिक विकास।
• क्लाइनफेल्टर सिंड्रोम (Klinefelter's Syndrome): लिंग गुणसूत्र की ट्राइसोमी के कारण नर में कुल 47 गुणसूत्र ($44 + XXY$) होते हैं। यह व्यक्ति पुरुष होता है किंतु उसमें मादा के लक्षण जैसे स्तनों का विकास (गाइनेकोमास्टिया / Gynecomastia) दिखाई देता है और वह बंध्य (Sterile) होता है।
• टर्नर सिंड्रोम (Turner's Syndrome): लिंग गुणसूत्र की मोनोसोमी के कारण मादा में केवल एक X-गुणसूत्र ($44 + XO$) होता है (कुल 45 गुणसूत्र)। लक्षण: मादा बंध्य होती है, अंडाशय अल्पविकसित होते हैं, गर्दन पर जालदार त्वचा (Webbed neck) तथा द्वितीयक लैंगिक लक्षणों का अभाव होता है।