कोशिका चक्र और कोशिका विभाजन

कोशिका विभाजन समस्त सजीवों का आधारभूत लक्षण है। 1855 में रुडोल्फ विरचो ने कहा था—Omnis cellula-e cellula (पूर्ववर्ती कोशिकाओं से ही नई कोशिकाओं की उत्पत्ति होती है)। वह समन्वित एवं सुव्यवस्थित आनुक्रमिक प्रक्रम जिसके द्वारा कोशिका अपने जीनोम का द्विगुणन करती है, अन्य कोशिकीय घटकों का संश्लेषण करती है और अंततः दो संतति कोशिकाओं में विभाजित होती है, कोशिका चक्र (Cell Cycle) कहलाता है।

• चक्र काल ($T_g$): एक पूर्ण कोशिका चक्र की अवधि विभिन्न जीवों में भिन्न होती है। संवर्धन में मानव कोशिका अपना एक चक्र लगभग 24 घंटे में पूरा करती है। इसके विपरीत, एकल-कोशिकीय यीस्ट (Saccharomyces cerevisiae) मात्र 90 मिनट में चक्र पूरा कर लेती है।
• दो मुख्य प्रावस्थाएं:
  • अंतरावस्था (Interphase / तैयारी प्रावस्था): दो निरंतर M प्रावस्थाओं के बीच का समय। इस दौरान कोशिका उपापचयी रूप से अत्यधिक सक्रिय रहकर विभाजन की तैयारी करती है और यह कुल चक्र का 95% से अधिक समय (मानव में लगभग 23 घंटे) लेती है।
  • M प्रावस्था (Mitosis / विभाजन प्रावस्था): यह अत्यंत संक्षिप्त व नाटकीय प्रावस्था (लगभग 1 घंटा) है, जिसमें केंद्रक विभाजन (कैरियोकाइनेसिस) व कोशिकाद्रव्य विभाजन (साइटोकाइनेसिस) होता है।

• $G_1$ प्रावस्था (प्रथम अंतराल प्रावस्था / First Gap):
  • समसूत्री विभाजन की समाप्ति और डीएनए प्रतिकृतियन के प्रारंभ के बीच का अंतराल।
  • कोशिका उपापचयी रूप से अति-सक्रिय रहती है, निरंतर विभिन्न RNA, एंजाइम प्रोटीन बनाती है तथा कोशिकांगों (माइटोकॉन्ड्रिया, राइबोसोम) की संख्या बढ़ाती है।
  • कोशिका का आयतन बढ़ता है। गुणसूत्र संख्या और डीएनए की मात्रा स्थिर ($2n$ तथा $2C$) रहती है।
• $S$ प्रावस्था (संश्लेषण प्रावस्था / Synthesis Phase):
  • इस प्रावस्था में केंद्रक में डीएनए प्रतिकृतियन (Replication) होता है। डीएनए की मात्रा दोगुनी होकर $2C o 4C$ हो जाती है।
  • अति-महत्वपूर्ण नियम: दोनों प्रतिकृत सहअर्धगुणसूत्र एक ही सामान्य गुणसूत्रबिंदु (Centromere) से जुड़े रहते हैं, अतः गुणसूत्रों की संख्या अपरिवर्तित ($2n$) रहती है। जैसे मानव कोशिका में S प्रावस्था से पहले भी 46 गुणसूत्र होते हैं और S प्रावस्था के बाद भी 46 गुणसूत्र ही रहते हैं।
  • जंतु कोशिकाओं में इसी दौरान कोशिकाद्रव्य में तारककेंद्र (Centriole) का द्विगुणन होता है तथा नए डीएनए को लपेटने के लिए हिस्टोन प्रोटीन संश्लेषित होते हैं।
• $G_2$ प्रावस्था (द्वितीय अंतराल प्रावस्था / Second Gap):
  • डीएनए प्रतिकृतियन की समाप्ति और समसूत्रण के प्रारंभ के बीच की प्रावस्था।
  • तर्कु तंतु निर्माण हेतु आवश्यक ट्यूबुलिन प्रोटीन तथा ATP का संश्लेषण होता है। कोशिका में $2n$ गुणसूत्र तथा $4C$ डीएनए रहता है।
• $G_0$ शांत प्रावस्था (Quiescent / Resting Stage):
  • वयस्क जंतुओं की कई कोशिकाएं आगे विभाजित नहीं होतीं (जैसे हृदय पेशी कोशिकाएं, तंत्रिका कोशिकाएं)।
  • ये कोशिकाएं $G_1$ प्रावस्था से बाहर निकलकर एक अक्रियाशील शांत प्रावस्था में चली जाती हैं जिसे $G_0$ शांत प्रावस्था कहते हैं।
  • कोशिकाएं उपापचयी रूप से जीवित व कार्यात्मक रहती हैं, परंतु ऊतक क्षति की मरम्मत या विशिष्ट वृद्धि संकेत के बिना विभाजित नहीं होतीं।

कोशिका चक्र की दिशा एकदिशीय होती है और इसे चेकपॉइंट्स (Checkpoints) द्वारा सख्ती से नियंत्रित किया जाता है:

1. $G_1/S$ चेकपॉइंट (प्रतिबंध बिंदु / START): साइक्लिन D-CDK4/6 और साइक्लिन E-CDK2 द्वारा नियंत्रित। यह कोशिका आकार, पोषण और डीएनए क्षति की जांच करता है। यदि डीएनए क्षतिग्रस्त है, तो ट्यूमर दमनकारी प्रोटीन p53 कोशिका चक्र को रोक देता है ताकि मरम्मत हो सके; विफल रहने पर कोशिका की ऐपोप्टोसिस (मृत्यु) करा देता है।
2. $G_2/M$ चेकपॉइंट: साइक्लिन B-CDK1 (परिपक्वता प्रेरक कारक, MPF) द्वारा संचालित। यह सुनिश्चित करता है कि डीएनए प्रतिकृतियन 100% पूर्ण और दोषरहित हुआ है या नहीं।
3. तर्कु संयोजन चेकपॉइंट (SAC / Spindle Assembly Checkpoint): मध्यावस्था में कार्य करता है। यह सुनिश्चित करता है कि प्रत्येक गुणसूत्र का काइनेटोकोर दोनों ध्रुवों के तर्कु तंतुओं से सही ढंग से बंधा है या नहीं, जिससे पश्चावस्था में गुणसूत्र अवियोजन न हो।

1879 में वाल्थर फ्लेमिंग ने समसूत्री विभाजन का विस्तृत अध्ययन किया और 'माइटोसिस' शब्द दिया। इसमें मातृ कोशिका के गुणसूत्रों की संख्या व आनुवंशिक गुण संतति कोशिकाओं में समान बने रहते हैं, इसलिए इसे समविभाजन (Equational Division) कहते हैं ($2n o 2n$)। यह मुख्य रूप से द्विगुणित कायिक कोशिकाओं में होता है।

• अंतरावस्था के पश्चात यह पहली प्रावस्था है। क्रोमैटिन जालिका का संघनन प्रारंभ होता है और गुणसूत्र स्पष्ट रूप में दिखाई देने लगते हैं।
• प्रत्येक गुणसूत्र लंबवत दो सहअर्धगुणसूत्रों (Sister chromatids) का बना दिखाई देता है जो गुणसूत्रबिंदु (Centromere) पर जुड़े होते हैं।
• तारककेंद्र विपरीत ध्रुवों की ओर गति करते हैं। तारककेंद्र से निकलने वाली तारकीय किरणों को एस्टर (Aster) कहते हैं। दो एस्टर और तर्कु तंतु मिलकर तर्कु उपकरण (Mitotic apparatus) बनाते हैं (पादपों में सेंट्रिओल न होने से अनास्ट्रल और जंतुओं में एम्फियास्ट्रल तर्कु होता है)।
• पूर्वावस्था के अंत में केंद्रिका, केंद्रक झिल्ली, गॉल्जी उपकरण तथा अंतःप्रद्रव्यी जालिका पूर्णतः विलीन हो जाते हैं।

• केंद्रक झिल्ली के पूर्ण विलोपन से यह प्रावस्था शुरू होती है। गुणसूत्रों का संघनन चरमोत्कर्ष पर होता है; गुणसूत्र सबसे छोटे, मोटे व स्पष्ट दिखते हैं।
• गुणसूत्रबिंदु की सतह पर काइनेटोकोर (Kinetochore) नामक प्रोटीन चक्रिका बनती है, जिससे दोनों ध्रुवों के तर्कु तंतु जुड़ते हैं।
• सभी गुणसूत्र कोशिका के मध्य में एक समतल पर व्यवस्थित होकर मध्यावस्था पट्टिका (Metaphase plate) बनाते हैं।
• आकारिकीय महत्व: गुणसूत्रों के अत्यधिक संघनित होने और एक तल में संरेखित होने के कारण मध्यावस्था गुणसूत्र गणना, लंबाई मापन व कैरियोटाइप के अध्ययन हेतु सर्वोत्तम प्रावस्था है।

• समसूत्री विभाजन की सबसे छोटी प्रावस्था। प्रत्येक गुणसूत्र का गुणसूत्रबिंदु एक साथ लंबाई में विभाजित हो जाता है।
• दोनों सहअर्धगुणसूत्र अलग होकर स्वतंत्र संतति गुणसूत्र (Daughter chromosomes) बन जाते हैं।
• काइनेटोकोर सूक्ष्मनलिकाओं के संकुचन से संतति गुणसूत्र विपरीत ध्रुवों की ओर गति करने लगते हैं।
• गुणसूत्रबिंदु ध्रुव की ओर आगे रहता है और भुजाएं पीछे छूटती हैं। गुणसूत्रबिंदु की स्थिति के आधार पर गुणसूत्र विशिष्ट आकृतियां बनाते हैं:
  • V-आकृति: मध्यकेंद्री (Metacentric - केंद्र में गुणसूत्रबिंदु, दोनों भुजाएं बराबर)।
  • L-आकृति: उप-मध्यकेंद्री (Sub-metacentric - एक भुजा थोड़ी छोटी, एक बड़ी)।
  • J-आकृति: अग्रकेंद्री (Acrocentric - गुणसूत्रबिंदु सिरे के पास, एक भुजा अत्यंत छोटी)।
  • I-आकृति: अंत्यकेंद्री (Telocentric - गुणसूत्रबिंदु एकदम सिरे पर)।

• संतति गुणसूत्र ध्रुवों पर पहुंच जाते हैं और जल अवशोषित कर पुनः लंबे, पतले क्रोमैटिन जाल में बदल जाते हैं।
• दोनों गुणसूत्र समूहों के चारों ओर नई केंद्रक झिल्ली बन जाती है।
• NOR क्षेत्र से केंद्रिका पुनः प्रकट हो जाती है। गॉल्जी उपकरण व अंतःप्रद्रव्यी जालिका का पुनर्गठन हो जाता है। तर्कु तंतु लुप्त हो जाते हैं।

केंद्रक विभाजन के उपरांत कोशिकाद्रव्य व कोशिकांगों के विभाजन को कोशिकाद्रव्य विभाजन (Cytokinesis) कहते हैं:

यदि बार-बार केंद्रक विभाजन हो परंतु कोशिकाद्रव्य विभाजन न हो, तो बहुकेंद्रकी संरचना बन जाती है:

• सिंसीशियम (Syncytium): बहुकेंद्रकी जंतु संरचना (जैसे कंकाल पेशी तंतु)।
• संकोशिकी (Coenocyte): बहुकेंद्रकी पादप या कवक संरचना (जैसे नारियल का तरल भ्रूणपोष, Rhizopus कवकजाल)।

1. आनुवंशिक स्थिरता: मातृ कोशिका के समान गुणसूत्र संख्या ($2n$) व आनुवंशिक गुण संतति में बनाए रखता है।
2. कायिक वृद्धि व विकास: एकल युग्मनज से विभाजित होकर खरबों कोशिकाओं वाला वयस्क शरीर बनता है।
3. ऊतक मरम्मत व पुनर्जनन: घिसी हुई व मृत कोशिकाओं का प्रतिस्थापन (जैसे त्वचा की ऊपरी परत, आंत्र उपकला तथा अस्थिमज्जा में प्रति सेकंड 20 लाख RBC का निर्माण)।
4. अलैंगिक जनन: एकल-कोशिकीय जीवों (अमीबा) तथा पादपों में कायिक प्रवर्धन का साधन।

• कोलचिसीन (Colchicine): Colchicum autumnale से प्राप्त क्षारक जो ट्यूबुलिन बहुलकीकरण रोककर तर्कु तंतु निर्माण रोकता है। विभाजन मध्यावस्था में रुक जाता है और गुणसूत्र दोगुने होकर बहुगुणिता ($2n o 4n$) उत्पन्न होती है। पादप प्रजनन में उपयोगी।
• विनक्रिस्टीन व विनब्लास्टीन: सदाबहार पौधे से प्राप्त कैंसर-रोधी औषधियां जो तर्कु नष्ट कर ट्यूमर विभाजन रोकती हैं।

अर्धसूत्री विभाजन द्विगुणित जनन कोशिकाओं (Meiocytes) में होने वाला विशिष्ट विभाजन है जिससे युग्मक बनते हैं:

• इसमें एक बार डीएनए प्रतिकृतियन के पश्चात दो निरंतर केंद्रक विभाजन (अर्धसूत्री-I व II) होते हैं।
• समजात गुणसूत्रों का युग्मन (सिनेप्सिस) तथा जीन विनिमय (क्रॉसिंग ओवर) होता है।
• गुणसूत्र संख्या आधी ($2n o n$) रह जाती है और चार अगुणित संतति कोशिकाएं बनती हैं।
• अर्धसूत्री-I वास्तविक न्यूनकारी विभाजन (Reductional Division) है ($2n o n$)।
• अर्धसूत्री-II एक समतुल्य विभाजन (Equational Division) है ($n o n$)।

• क्रोमैटिन जालिका संघनित होकर पतले धागों के रूप में स्पष्ट दिखाई देने लगती है।
• गुणसूत्रों पर मणिका के समान क्रोमोमियर पाए जाते हैं।
• जंतु कोशिकाओं में गुणसूत्र तारककाय की ओर झुककर गुलदस्ता अवस्था (Bouquet stage) बनाते हैं।

• समजात गुणसूत्र (एक मातृक व एक पैतृक) लंबाई में सटीकता से जोड़ा बनाते हैं, जिसे सिनेप्सिस (Synapsis / युग्मन) कहते हैं।
• यह त्रिपक्षीय प्रोटीन सम्मिश्र सिनेप्टोनीमल सम्मिश्र (Synaptonemal Complex) द्वारा संपन्न होता है।
• इस जोड़े को द्विसंयोजी (Bivalent) या चतुष्क (Tetrad) कहते हैं। द्विसंयोजियों की संख्या अगुणित गुणसूत्र संख्या ($n$) के बराबर होती है।

• पूर्वावस्था-I का सबसे लंबा व महत्वपूर्ण चरण। गुणसूत्रों की चारों भुजाएं स्पष्ट दिखाई देती हैं।
• जीन विनिमय (Crossing Over): समजात गुणसूत्रों के गैर-सहअर्धगुणसूत्रों (Non-sister chromatids) के मध्य आनुवंशिक खंडों की अदला-बदली होती है।
• यह रिकॉम्बिनेशन नोड्यूल्स पर रिकॉम्बिनेज (Recombinase) एंजाइम द्वारा संपन्न होता है और नए आनुवंशिक पुनर्योजन बनाता है।

• सिनेप्टोनीमल सम्मिश्र का विघटन हो जाता है।
• समजात गुणसूत्र अलग होने लगते हैं, परंतु क्रॉसिंग ओवर वाले स्थानों पर जुड़े रहते हैं।
• इन X-आकार के जुड़े संगम स्थलों को काएज्मेटा (Chiasmata) कहते हैं।
• डिक्टियोटीन अवस्था: मानव मादा के अंडक में द्विपट्ट अवस्था भ्रूणावस्था से यौवनारंभ तक कई वर्षों तक सुप्त रह सकती है।

• पूर्वावस्था-I का समापन। गुणसूत्र सर्वाधिक संघनित हो जाते हैं।
• काएज्मेटा का उपांतीभवन (Terminalization): काएज्मेटा मध्य से खिसककर गुणसूत्र के सिरों की ओर चले जाते हैं।
• केंद्रिका और केंद्रक झिल्ली पूर्णतः विलीन हो जाती है तथा तर्कु उपकरण बन जाता है।

• मध्यावस्था-I: द्विसंयोजी गुणसूत्र मध्य में दो समानांतर पंक्तियों में संरेखित होकर दोहरी मध्यावस्था पट्टिका बनाते हैं।
• पश्चावस्था-I (न्यूनकारी घटना):
  • समजात गुणसूत्र अलग होकर विपरीत ध्रुवों की ओर गति करते हैं।
  • मुख्य नियम: गुणसूत्रबिंदु विभाजित नहीं होता! सहअर्धगुणसूत्र जुड़े रहते हैं। इससे गुणसूत्र संख्या $2n o n$ आधी हो जाती है।
• अंत्यावस्था-I: अगुणित गुणसूत्रों के चारों ओर केंद्रक झिल्ली बनती है। कोशिकाद्रव्य विभाजन से दो अगुणित कोशिकाओं का द्विक (Dyad) बनता है ($n$ गुणसूत्र, $2C$ डीएनए)।
• अंतराभाजन (Interkinesis): अर्धसूत्री-I व II के बीच का संक्षिप्त विराम काल। तारककेंद्र द्विगुणित होता है परंतु डीएनए प्रतिकृतियन नहीं होता।

अर्धसूत्री-II अंतराभाजन के तुरंत बाद प्रारंभ होता है। यह एक समतुल्य विभाजन है जो सामान्य समसूत्रण के समान होता है, परंतु यह एक अगुणित ($n$) कोशिका में होता है। इसका उद्देश्य क्रॉसिंग ओवर द्वारा रूपांतरित सहअर्धगुणसूत्रों को अलग करना है:

• पूर्वावस्था-II: केंद्रक झिल्ली व केंद्रिका पुनः विलीन हो जाती हैं। गुणसूत्र संघनित होते हैं और अर्धसूत्री-I के लंबवत नया तर्कु बनता है।
• मध्यावस्था-II: अगुणित गुणसूत्र मध्य में एकल मध्यावस्था पट्टिका पर व्यवस्थित होते हैं। काइनेटोकोर से तर्कु तंतु जुड़ते हैं।
• पश्चावस्था-II: प्रत्येक गुणसूत्र का गुणसूत्रबिंदु अनुदैर्घ्य रूप से विभाजित हो जाता है। दोनों सहअर्धगुणसूत्र संतति गुणसूत्र बनकर विपरीत ध्रुवों की ओर चले जाते हैं।
• अंत्यावस्था-II व कोशिकाद्रव्य विभाजन: चारों गुणसूत्र समूहों के चारों ओर केंद्रक झिल्ली व केंद्रिका बन जाती है। कोशिकाद्रव्य विभाजन द्वारा चार अगुणित ($n$) संतति कोशिकाओं का चतुष्क (Tetrad) बन जाता है, जिनमें प्रत्येक में $1C$ डीएनए होता है।

• गुणसूत्र संख्या की स्थिरता: यदि युग्मक समसूत्रण ($2n$) से बनते, तो प्रत्येक पीढ़ी में गुणसूत्र दोगुने होते जाते ($2n o 4n o 8n$)। अर्धसूत्रण अगुणित युग्मक बनाकर निषेचन उपरांत प्रजाति की गुणसूत्र संख्या ($n + n = 2n$) को अक्षुण्ण रखता है।
• आनुवंशिक विभिन्नताओं का सृजन: अर्धसूत्रण दो प्रकार से आनुवंशिक विविधता लाता है:
  • क्रॉसिंग ओवर: स्थूलपट्ट में सहलग्न जीनों का पुनर्योजन।
  • स्वतंत्र अपव्यूहन: मध्यावस्था-I में मातृक व पैतृक गुणसूत्रों का यादृच्छिक संरेखण ($2^n = 2^{23} pprox 84$ लाख प्रकार के संभावित युग्मक संयोजन मानव में संभव हैं)।
• प्राकृतिक वरण व विकास का आधार: अर्धसूत्रण द्वारा उत्पन्न विभिन्नताएं जीवों को बदलते परिवेश में अनुकूलित होने में सहायता करती हैं और नई जातियों की उत्पत्ति (Speciation) का मार्ग प्रशस्त करती हैं।