7.1 జన్యు పదార్థంగా DNA

మీరు మునుపటి అధ్యాయంలో అధ్యయనం చేశారు, లక్షణాలు లేదా గుణాలు జన్యువుల ద్వారా తల్లిదండ్రుల నుండి సంతానానికి వారసత్వంగా లభిస్తాయి. ఈ జన్యువులు న్యూక్లిక్ ఆమ్లాలు మరియు ప్రోటీన్లతో తయారైన క్రోమోజోమ్లపై ఉన్నాయని కూడా మీకు తెలుసు. అయితే, లక్షణం యొక్క వ్యక్తీకరణకు బాధ్యత వహించే జన్యువు యొక్క స్వభావాన్ని అర్థం చేసుకోవడం శాస్త్రీయ సమాజం ముందు ఉన్న అతి పెద్ద సవాళ్లలో ఒకటి. డీఆక్సీరైబోన్యూక్లిక్ ఆమ్లం (DNA) కొన్ని వైరస్లు మినహా ఏదైనా జీవి యొక్క లక్షణం లేదా విశేషాన్ని నిర్ణయిస్తుందనే కొన్ని ప్రయోగాత్మక ఆధారాలు వచ్చిన తర్వాత ఈ ప్రశ్నకు సమాధానం వచ్చింది.

DNA యొక్క ఆవిష్కరణకు జోహాన్ ఫ్రెడరిక్ మీషర్కు గుర్తింపు లభించింది, అతను మొదటిసారిగా చీము కణాల కేంద్రకాల నుండి ఆమ్ల పదార్థాన్ని వేరుచేసి, DNA మరియు ప్రోటీన్ కలిగిన న్యూక్లిన్ అని పేరు పెట్టాడు. క్రోమోజోమ్ మరియు కేంద్రకంలో ఉనికి కారణంగా ఈ రెండు రసాయన భాగాలు; న్యూక్లిక్ ఆమ్లం (ప్రధానంగా DNA) మరియు ప్రోటీన్ జన్యు పదార్థంగా ఉండే సాధ్యమైన అభ్యర్థులుగా మారాయి. ఇంకా, జన్యు పదార్థం యొక్క స్వభావం చాలా కాలం పాటు తెలియదు. క్రమంగా, వివిధ పరిశోధకులు చేసిన సూక్ష్మజీవులతో చేసిన ప్రయోగాలు DNA జన్యు పదార్థంగా ఉండటానికి ఆధారాలు అందించే ఫలితాలను ఇచ్చాయి.

7.1.1 రూపాంతరణ సూత్రం యొక్క ఆవిష్కరణ

1928లో, ఒక బ్రిటిష్ వైద్యాధికారి, ఫ్రెడరిక్ గ్రిఫిత్, సస్తనిప్రాణులలో బ్యాక్టీరియం స్ట్రెప్టోకోకస్ న్యూమోనియా వలన కలిగే న్యుమోనియాకు వ్యతిరేకంగా టీకా అభివృద్ధి చేస్తున్న సమయంలో ఒక పరిశీలన చేసాడు, ఇది మానవులలో న్యుమోనియాకు కారణమవుతుంది మరియు సాధారణంగా ఎలుకలలో ప్రాణాంతకం అవుతుంది. అతను బ్యాక్టీరియం యొక్క రెండు వేర్వేరు జాతులను (వివిధ రకాలు) గుర్తించాడు, అంటే విషపూరితమైన (వ్యాధి కలిగించే) కణం చుట్టూ పాలీసాకరైడ్ క్యాప్స్యూల్ కలిగి ఉండటం మరియు విషపూరితం కాని (హానికరం కాని). విషపూరిత జాతిలో, ప్రతి బ్యాక్టీరియం పాలీసాకరైడ్ క్యాప్స్యూల్తో చుట్టుముట్టబడి ఉంటుంది, దీని కారణంగా బ్యాక్టీరియా కాలనీ అగర్ ప్లేట్లో పెరిగినప్పుడు మృదువుగా కనిపిస్తుంది మరియు మృదువైన జాతి (S)గా సూచించబడుతుంది. విషపూరితం కాని జాతికి పాలీసాకరైడ్ పొర లేకపోవడం మరియు గరుకుగా కనిపించే కాలనీని ఉత్పత్తి చేస్తుంది మరియు గరుకు జాతి (R)గా సూచించబడుతుంది. $\mathrm{S}$ రకం బ్యాక్టీరియా న్యుమోనియాకు కారణమై ఎలుకలను చంపుతాయి.

గ్రిఫిత్ $\mathrm{S}$ మరియు $\mathrm{R}$ రకం బ్యాక్టీరియాతో (Fig. 7.1) ప్రయోగాల శ్రేణిని చేసాడు. అతను సజీవ $\mathrm{S}$ బ్యాక్టీరియాను ఎలుకలలోకి ఇంజెక్ట్ చేసినప్పుడు, ఎలుకలు న్యుమోనియాతో బాధపడి చనిపోయాయి. అయితే, అతను $\mathrm{R}$ రకం బ్యాక్టీరియాతో ఎలుకలను సోకించినప్పుడు ఎలుకలు ఎటువంటి ప్రతికూల ప్రభావాలను చూపించలేదు. ఈ రెండు ప్రయోగాల ఫలితాలు $\mathrm{S}$ రకం బ్యాక్టీరియాలో ఉన్న పాలీసాకరైడ్ పొర స్పష్టంగా విషపూరితత్వానికి అవసరమని నిర్ధారించాయి.

Fig. 7.1: గ్రిఫిత్ యొక్క రూపాంతరణ ప్రయోగం

మరింత అర్థం చేసుకోవడానికి, గ్రిఫిత్ కొన్ని విషపూరిత $\mathrm{S}$ బ్యాక్టీరియాను వేడి చేసి చంపి, చెప్పబడిన వేడి-చంపిన బ్యాక్టీరియాను ఎలుకలలోకి ఇంజెక్ట్ చేసాడు. అతని నిరీక్షణల ప్రకారం, ఎలుకలు బ్రతికాయి. అయితే, చాలా అనూహ్యంగా, వేడి-చంపిన $\mathrm{S}$ బ్యాక్టీరియా మరియు సజీవ $\mathrm{R}$ బ్యాక్టీరియా మిశ్రమంతో ఇంజెక్ట్ చేసినప్పుడు ఎలుకలు న్యుమోనియాతో చనిపోయాయి. చనిపోయిన ఎలుకల రక్తం మరియు కణజాల ద్రవ పరీక్ష సజీవ $\mathrm{S}$ రకం బ్యాక్టీరియా ఉనికిని బహిర్గతం చేసింది. పై పరిశీలన ఆధారంగా, గ్రిఫిత్ R-జాతి బ్యాక్టీరియా వేడి-చంపిన $S$ బ్యాక్టీరియా నుండి ‘రూపాంతరణ సూత్రం’ అని పిలిచిన దానిని తీసుకున్నాయని, ఇది వాటిని మృదువైన పొర కలిగిన బ్యాక్టీరియాగా ‘రూపాంతరం’ చెందడానికి మరియు విషపూరితంగా మారడానికి అనుమతించిందని నిర్ధారించాడు. అతను ఈ దృగ్విషయాన్ని రూపాంతరణగా పిలిచాడు, అంటే ఒక కణం నుండి మరొక కణానికి జన్యు పదార్థం బదిలీ చేయడం, ఇది గ్రహీత కణం యొక్క జన్యు నిర్మాణాన్ని మారుస్తుంది. కానీ రూపాంతరణ పదార్థం యొక్క స్వభావం ఇంకా నిర్ణయించబడాలి.

7.1.2 రూపాంతరణ సూత్రం యొక్క జీవరసాయన లక్షణీకరణ

ముగ్గురు శాస్త్రవేత్తలు, ఆస్వాల్డ్ టి. ఎవరీ, కోలిన్ మాక్లియోడ్ మరియు మాక్లిన్ మెకార్టీ గ్రిఫిత్ యొక్క రూపాంతరణ సూత్రాన్ని గుర్తించడానికి ప్రయోగాల శ్రేణిని నిర్వహించారు మరియు 1944లో రూపాంతరణ కారకం DNA అని నిర్ధారించబడింది (Fig. 7.2). ప్రయోగం రూపకల్పనలో, వారు బ్యాక్టీరియా యొక్క మృదువైన జాతి యొక్క మూడు ప్రధాన భాగాలపై దృష్టి పెట్టారు, అవి DNA, RNA మరియు ప్రోటీన్. వారు లిపిడ్లు మరియు కార్బోహైడ్రేట్లు తొలగించబడిన బ్యాక్టీరియా యొక్క వేడి-చంపిన మృదువైన జాతి యొక్క సారాన్ని సిద్ధం చేశారు. ప్రోటీన్లు, RNA మరియు DNA కలిగిన సారం యొక్క మిగిలిన భాగాలు మరింత ప్రయోగం కోసం సారాన్ని మూడు భాగాలుగా విభజించి నిలుపుకున్నారు. ఈ సారాలు వేర్వేరుగా రైబోన్యూక్లీయేజ్ (RNase), డీఆక్సీరైబోన్యూక్లీయేజ్ (DNase) మరియు ప్రోటీయేజ్ వంటి జలవిశ్లేషక ఎంజైమ్లతో చికిత్స చేయబడ్డాయి, వరుసగా RNA, DNA మరియు ప్రోటీన్ను క్షీణింపజేయడానికి, బ్యాక్టీరియా యొక్క గరుకు జాతి యొక్క మూడు వేర్వేరు సంస్కృతులకు ఎంజైమ్ చికిత్స చేయబడిన సారాలను బదిలీ చేయడం ద్వారా వాటి రూపాంతరణ సామర్థ్యం కోసం. గరుకు జాతి యొక్క మృదువైన జాతిగా రూపాంతరణ RNase మరియు ప్రోటీయేజ్ చికిత్స చేయబడిన సారం జోడించబడిన కాలనీలలో గమనించబడింది మరియు DNase చికిత్స చేయబడిన సారం జోడించబడిన కాలనీలో కాదు. ఈ ఫలితాలు DNA సాధ్యమైన రూపాంతరణ సూత్రంగా పనిచేస్తుందని ఎటువంటి సందేహం లేకుండా స్థాపించాయి.

పరికల్పన: కణాల జన్యు పదార్థం ప్రోటీన్ లేదా న్యూక్లిక్ ఆమ్లం (DNA లేదా RNA)

ముగింపు: రూపాంతరణకు DNA అవసరం, కాబట్టి ఇది కణం యొక్క జన్యు పదార్థం

Fig. 7.2: రూపాంతరణ సూత్రం యొక్క నిర్ధారణ

7.1.3 హెర్షే - చేస్ ప్రయోగం

తరువాత, ఆల్ఫ్రెడ్ హెర్షే మరియు మార్తా చేస్ (1952) చేసిన మరొక ప్రయోగం T2 బాక్టీరియోఫేజ్లతో DNA జన్యు పదార్థంగా ఉండటానికి ఆధారాలను అందించింది. ఎస్చెరిచియా కోలి బ్యాక్టీరియాను సోకించే వైరస్ T2 బాక్టీరియోఫేజ్ ప్రోటీన్ పొరతో చుట్టుముట్టబడిన DNAని కలిగి ఉంటుంది. ఇది బ్యాక్టీరియా కణాన్ని సోకించినప్పుడు, అది బాహ్య ఉపరితలంపై అంటుకుని, తరువాత దాని DNAని కణంలోకి ఇంజెక్ట్ చేస్తుంది. T2 బాక్టీరియోఫేజ్ మరియు E. కోలితో వారి ప్రయోగాల శ్రేణిలో, ఫేజ్ కణాల గుణకారానికి ఏ భాగం బాధ్యత వహిస్తుందో, DNA లేదా ప్రోటీన్ అని స్థాపించడం ఉద్దేశ్యం. సులభంగా గుర్తించడానికి, $\mathrm{T} 2$ బాక్టీరియోఫేజ్లు ప్రారంభంలో $E$. కోలి కాలనీలతో రేడియోధార్మిక ఫాస్ఫరస్ $\left({ }^{32} \mathrm{P}\right)$ మరియు రేడియోధార్మిక సల్ఫర్ $\left({ }^{35} \mathrm{S}\right)$ కలిగిన మాధ్యమంలో వేర్వేరుగా పెరిగాయి (Fig. 7.3). ఇది బాక్టీరియోఫేజ్ల యొక్క ఒక సెట్ను రేడియోధార్మిక ఫాస్ఫరస్ $\left({ }^{32} \mathrm{P}\right)$తో మరియు మరొక సెట్ను రేడియోధార్మిక సల్ఫర్ $\left({ }^{35} \mathrm{S}\right)$తో లేబుల్ చేయడానికి దారితీసింది.

${ }^{35} \mathrm{S}$ మరియు ${ }^{32} \mathrm{P}$ లేబుల్ చేయబడిన $\mathrm{T} 2$ ఫేజ్లు ఇప్పుడు లేబుల్ చేయబడని $E$ యొక్క రెండు వేర్వేరు సంస్కృతులలోకి టీకా వేయబడ్డాయి. కోలి బ్యాక్టీరియా కాలనీ. సోకిన తర్వాత, బ్యాక్టీరియా కణాల బయటి భాగం నుండి మిగిలిన ఏదైనా ఫేజ్ మరియు ఫేజ్ భాగాలను తొలగించడానికి బ్యాక్టీరియా కాలనీలు బ్లెండర్లో కదిలించబడ్డాయి. బ్యాక్టీరియా (పెల్లెట్లో ఉన్న) నుండి ఫేజ్ శిధిలాలను (సూపర్నాటెంట్లో ఉన్న) వేరు చేయడానికి బ్లెండర్ మిశ్రమం సెంట్రిఫ్యూజ్ చేయబడింది. రేడియోధార్మికతను చూపించిన బ్యాక్టీరియా సంస్కృతి యొక్క పెల్లెట్లు రేడియోధార్మిక DNA కలిగిన ఫేజ్లతో సోకినవి, అయితే, ${ }^{35} \mathrm{S}$ బాక్టీరియోఫేజ్తో సోకిన సూపర్నాటెంట్లో రేడియోధార్మికత గమనించబడింది. ఇది ప్రోటీన్లు ఫేజ్ నుండి బ్యాక్టీరియాలోకి ప్రవేశించలేదని సూచిస్తుంది. అందువల్ల, బ్యాక్టీరియా కణంలోకి ప్రవేశించే పదార్థం, అంటే DNA జన్యు పదార్థంగా ఉండవచ్చని నిర్ధారించబడింది.

పై ప్రయోగాలు DNA జన్యు పదార్థంగా ఉండటానికి బలమైన ఆధారాలను అందించినప్పటికీ, DNA అణువు జన్యు సమాచారం యొక్క నిలయం అని స్పష్టంగా లేదు. ఎర్విన్ చార్గాఫ్, మారిస్ విల్కిన్స్, రోసాలిండ్ ఫ్రాంక్లిన్, జేమ్స్ వాట్సన్ మరియు ఫ్రాన్సిస్ క్రిక్ చేసిన తదుపరి అధ్యయనాలు DNA నిర్మాణం యొక్క ఆవిష్కరణకు దారితీసింది, DNA ఎలా పెద్ద మొత్తంలో సమాచారాన్ని ఎన్కోడ్ చేయగలదో స్పష్టం చేసింది (అధ్యాయం 3లో వివరించబడింది).

$\hspace{3.5cm}$బాక్టీరియోఫేజ్లు

Fig. 7.3: హెర్షే-చేస్ ప్రయోగం

7.2 ప్రోకారియోటిక్ మరియు యూకారియోటిక్ జన్యు సంస్థాపన

లక్షణాలు తల్లిదండ్రుల నుండి సంతానానికి ‘జన్యు యూనిట్’గా వారసత్వంగా లభిస్తాయని మరియు కొన్ని వైరస్లు మినహా అన్ని జీవులలో DNA జన్యు పదార్థం అని బాగా అర్థం చేసుకోబడింది (జన్యు పదార్థం RNA). ఇది జన్యువు యొక్క సంస్థాపన గురించి ప్రశ్నకు దారితీసింది, ఈ సంస్థాపన ప్రోకారియోట్లలో మరియు యూకారియోట్లలో సమానంగా ఉందా మరియు అది అణు స్థాయిలో ఎలా పనిచేస్తుంది? జన్యువు వారసత్వం యొక్క యూనిట్, ఇది నిర్దిష్ట లక్షణం లేదా అక్షరాన్ని నియంత్రిస్తుంది మరియు యాంటీల్స్ అని పిలువబడే ప్రత్యామ్నాయ రూపాలలో కూడా వ్యక్తీకరించబడవచ్చు. మరో మాటలో చెప్పాలంటే, జన్యువు DNA యొక్క ఒక విభాగం, ఇది RNA సంశ్లేషణ ద్వారా పాలిపెప్టైడ్ గొలుసు సంశ్లేషణ ద్వారా తనను తాను వ్యక్తీకరిస్తుంది, ఇది ‘సెంట్రల్ డాగ్మా’ అని పిలువబడే అణు జీవశాస్త్రం.

ప్రారంభంలో, 1900లో మెండెల్ యొక్క వారసత్వ సూత్రం యొక్క తిరిగి ఆవిష్కరణ ఆధారంగా లక్షణాలు లేదా అక్షరాలు జన్యువు ద్వారా నియంత్రించబడతాయని స్థాపించబడింది మరియు మొక్కలు మరియు జంతువులలో రెండింటిలోనూ తదుపరి పరిశోధనల శ్రేణి లక్షణాలు లేదా విశేషాలు నియంత్రించబడతాయి మరియు నియంత్రించబడతాయి మరియు ఒక తరం నుండి మరొక తరానికి అందించబడే కొన్ని అంతర్గత సూత్రాల ద్వారా నియంత్రించబడతాయని నిర్ధారించబడింది. లక్షణాలు లేదా అక్షరాన్ని నియంత్రించే కారకం లేదా అంతర్గత యూనిట్కు తరువాత 1909లో విల్హెల్మ్ జోహాన్సెన్ ‘జన్యువు’ అని పేరు పెట్టారు.

జన్యువు యొక్క స్వభావం మరియు పనితీరును అర్థం చేసుకోవడం ఇరవయ్యవ శతాబ్దం ప్రారంభంలో శాస్త్రీయ సమాజం యొక్క ప్రధాన దృష్టిలో ఒకటి. 1930లలో జార్జ్ బీడిల్ మరియు ఎడ్వర్డ్ టాటమ్ చేసిన నూరోస్పోరా క్రాస్సా అచ్చు పని ఒక ఎంజైమ్ సంశ్లేషణను నియంత్రించడానికి జన్యువు యొక్క సంబంధాన్ని స్థాపించడంలో సహాయపడింది.

నూరోస్పోరా క్రాస్సా అచ్చు సాధారణ చక్కెర, అకర్బన లవణాలు మరియు విటమిన్ బయోటిన్ కలిగిన మాధ్యమంలో చాలా సులభంగా పెరుగుతుందనే ఆస్తిని పరిగణనలోకి తీసుకుంటే, బీడిల్ మరియు టాటమ్ జీవి ఇతర అవసరమైన అమైనో ఆమ్లాలు మరియు నైట్రోజనస్ బేస్లను స్వయంగా సంశ్లేషణ చేసుకోగలదనే ఆధారంతో ప్రయోగం చేశారు (Fig. 7.4). సంశ్లేషణ ఎంజైమ్ల ద్వారా మధ్యవర్తిత్వం వహించబడుతుందని, అవి జన్యు నియంత్రణలో సంశ్లేషణ చేయబడతాయని స్పష్టంగా పరిగణించబడింది. ప్రయోగం రూపకల్పన చాలా సరళంగా ఉంది, దీనిలో కోనిడియా, అంటే అలైంగిక బీజాలు మ్యుటేషన్ను ప్రేరేపించడానికి X-రేలతో వికిరణం చేయబడ్డాయి (Fig. 7.4). వికిరణం చేయబడిన బీజాల ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన సంతానం కొన్ని నిర్దిష్ట కనిష్ట మాధ్యమంలో పెంచడం ద్వారా గుర్తించబడింది. మ్యుటేషన్తో జాతులను గుర్తించడం కోసం, వికిరణం చేయబడిన బీజాల సంతానం అడవి రకంతో క్రాస్ చేయబడింది మరియు తదుపరి సంతానాన్ని నిర్దిష్ట అమైనో ఆమ్లం లేదా విటమిన్ కోసం కనిష్ట మాధ్యమంలో పెంచడం ద్వారా మ్యుటెంట్ జాతులను గుర్తించింది (అన్ని అమైనో ఆమ్లాలు, నైట్రోజనస్ బేస్లు మరియు విటమిన్లను కలిగి ఉన్న సంస్కృతి మాధ్యమం ఒక నిర్దిష్ట విటమిన్ లేదా అమైనో ఆమ్లం మినహా). అనేక అటువంటి మ్యుటేషన్లు వారిచే గుర్తించబడ్డాయి మరియు ప్రతి మ్యుటేషన్, వాస్తవానికి, ఒక నిర్దిష్ట ఎంజైమ్ యొక్క పనిచేయకపోవడానికి దారితీస్తుందని జన్యుపరంగా స్థాపించబడింది.

Fig. 7.4: నూరోస్పోరాలో మ్యుటేషన్ యొక్క గుర్తింపును చూపించే ప్రయోగం

తరువాత, అన్ని ప్రోటీన్లు ఒకే పాలిపెప్టైడ్తో తయారు చేయబడవు కానీ ఒకటి కంటే ఎక్కువ పాలిపెప్టైడ్ గొలుసుతో తయారు చేయబడతాయని గమనించబడింది. ఒక జన్యువు ఒక పాలిపెప్టైడ్ను ఎన్కోడ్ చేస్తుంది; సెంట్రల్ డాగ్మా కూడా ఒక జన్యువు ఒక ప్రోటీన్ నుండి ఒక జన్యువు ఒక పాలిపెప్టైడ్కు సవరించబడింది.

దాదాపు ఏకకాలంలో 1940ల ప్రారంభంలో, క్రోమటిన్ ఫైబర్ యొక్క కణశాస్త్ర పరిశోధనలు ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ ద్వారా కొంతమేర స్ట్రింగ్ లాంటి నిర్మాణాన్ని బహిర్గతం చేశాయి (Fig. 7.5) మరియు ప్రతి మణి బహుశా ఒక జన్యువును సూచిస్తుందని వెంటనే నిర్ధారించబడింది.

Fig. 7.5: క్రోమటిన్ యొక్క స్ట్రింగ్ నిర్మాణంపై మణులు

తరువాతి పరిశోధనలు ప్రతి మణి ఒక న్యూక్లియోసోమ్ (హిస్టోన్ ఆక్టామర్ యొక్క కోర్ మరియు $146 \mathrm{~bp}$ యొక్క డబుల్ స్ట్రాండ్ DNAని కలిగి ఉంటుంది) మరియు రెండు మణుల మధ్య ఒక స్ట్రింగ్, లింకర్ DNA అని బహిర్గతం చేశాయి. ప్రతి న్యూక్లియోసోమ్ దాని లింకర్ ప్రాంతంతో సుమారు $200 \mathrm{~bp}$ని కలిగి ఉంటుందని కూడా స్థాపించబడింది. ఇది జన్యువుగా పరిగణించబడదు, ఎందుకంటే అనేక సందర్భాల్లో జన్యువుల పరిమాణం 200 న్యూక్లియోటైడ్ల కంటే చాలా పెద్దదిగా ఉండాలి. సరళమైన కారణం ఏమిటంటే, అనేక ప్రోటీన్లు 100 కంటే ఎ