मानवी जीनोम (जैनिक संचित)

२६ जून २०० हा दिवस जीवशास्त्राच्या प्रगतीतील सोन्याच्या अक्षरांनी लिहिण्याजोगा ऐतिहासिक दिवस ठरला. त्या दिवशी वॉशिंग्टन (डी. सी.) येथून प्रसिद्ध होणाऱ्या ‘सायन्स’ या जागतिक प्रतिष्ठेच्या वैज्ञानिक साप्ताहिकात ‘मानवी जीनोम’ निचित करण्याचे कार्य जवळपास ९७% पूर्ण झाल्याची अधिकृत घोषणा प्रसिद्ध झाली व सर्व जगातील प्रसार माध्यमांच्या उत्साहाला उधाण आले. वृत्तपत्रे, नियतकालिके, टेलेव्हिजन, इंटरनेट, रेडियो या सर्वांनी या वैज्ञानिक उपलब्धीचा जयजयकार केला. त्याचसोबत या वैज्ञानिक ज्ञानामुळे जणू मानवाने निसर्गच जिंकला अशा थाटात लेखक व प्रवक्ते यांच्या लेखण्या व जिव्हा झिजू लागल्या! परंतु सामान्य-जनांना नेमके काय घडले व कशाबद्दल एवढा जल्लोष चालला आहे याचे नीटसे आकलन झालेच आहे असे म्हणता येत नाही. म्हणून आजचा सुधारकच्या प्रबुद्ध वाचकांना हे सगळे प्रकरण थोड्या विस्ताराने व सुगम भाषेत सांगावे हाच या लेखाचा उद्देश आहे.
१९ व्या शतकापर्यंत जीवांचे गुणधर्म कशामुळे ठरतात याबद्दल कोणालाच कल्पना नव्हती. परंतु ग्रेगॉर योहान मेंडेल या ऑस्ट्रियन पाव्याने आपल्या प्रार्थना-मंदिराच्या बागेत हौसेखातर लावलेल्या बहुरंगी, सुवासिक फुलांच्या स्वीटपीज (वाटाणे) च्या वेलींचा अभ्यास केल्यावर त्याच्या लक्षात आले की या फुलांचे रंग व वेलींची वाढ ही काहीतरी नि िचत शिस्तीत होते व हे गुणधर्म त्या वनस्पतीत वंशपरंपरेने असणाऱ्या कोणत्या तरी संदेशानुसार प्रकट होतात. हे निरीक्षण त्याने जाहीर केले परंतु त्याकडे कोणी फारसे लक्ष दिले नाही. परंतु मेंडेलच्या मृत्यूनंतर (मृत्यू १८८४) १९ वर्षांनी वैज्ञानिकांचे लक्ष मेंडेलच्या प्रयोगांकडे गेले व त्यांनी मेंडेलच्या अनुभवाचा प्रयोगांद्वारे पडताळा घेऊन, प्रत्येक जीवाचे गुणधर्म त्या जीवाच्या पेशीत असलेल्या कणांद्वारे होते व हे कण जोडीजोडीने असतात. नवीन जीव उत्पन्न होताना त्या जीवामध्ये कणांच्या जोडीतील एक कण पित्याकडून व दुसरा कण मातेकडून प्राप्त होतो हे जीवशास्त्रातील अत्यंत महत्त्वाचे तत्त्व मान्य केले. यामुळेच मेंडेलला आधुनिक अनुवंशशास्त्राचा (जेनेटिक्स, हेरेडिटी) जनक मानले जाते. गुण-धर्मवाहक या कणांचे स्वरूप काय हे सर्वप्रथम १८८९ सालीच लक्षात आले होते परंतु त्याबद्दल सर्वमान्यता नव्हती. कालांतराने, प्रत्येक जीवाच्या शरीरातील प्रत्येक पेशीत (सस्तन प्राण्यांच्या लाल रक्तपेशी वगळता, कारण त्या सर्वार्थाने पेशी नसतातच) केन्द्रक (न्युक्लियस) असतो व या केन्द्रकात विशिष्ट रंगद्रव्यांनी भडक रंगणारा पदार्थ असतो. या पदार्थामध्ये लांब तंतूसारखा आकार विशिष्ट वेळी घेणारे घटक असतात असे आढळले व या तंतूना रंगसूत्रे अथवा गुणसूत्रे (क्रोमोसोम्स्) ही संज्ञा मिळाली. या क्रोमोसोम्समध्ये गडद रंगणारा जो रासायनिक पदार्थ असतो तो एक विशिष्ट आम्लपदार्थ असून तो डी ऑक्सीरिबोन्युक्लिक ॲसिड अथवा डीएनए असतो हे १९४४ साली शास्त्रज्ञांना कळले. ही गुणसूत्रे दोपदरी दोरीसारखी असून त्यांचे दोन्ही पदर एकमेकाभोवती पिळलेले असतात हे १९५३ साली क्रिक व वॅटसन या दोन भौतिकशास्त्रज्ञांनी (Physicists) क्ष-किरणांचा वापर करून दाखवून दिले.
या डीएनए मध्ये तीन रासायनिक घटक असतात. ते म्हणजे डीऑक्सीरिबोज शर्करा, फॉस्फोरिक अॅसिड व नत्रजन्य बेस (Base). यातील शर्करा व फॉस्फोरिक अॅसिड डीएन्एमध्ये सर्वत्र एकसारखेच असते परंतु नत्रजन्य बेसेस मात्र चार वेगवेगळे असतात, ते म्हणजे अॅडेनीन, सायटोसीन, ग्वानीन आणि थायमीन, हे नत्रजन्य बेसेस, क्रोमोसोमच्या प्रत्येक पदरावर सरळ एका ओळीत, मणी ओवावेत तसे, ओवलेले असतात. याशिवाय या चार नत्रजन्य बेसेसची दोन्ही पदरावरील स्थाने परस्परांना पूरक असतात कारण अँडेनीन व थायमीन यांचे अणू परस्परांना सामोरे असतात तर ग्वानीन व सायटोसीन यांचे अणु जवळजवळ असतात (आम्ही हा धडा शिकताना, ज्यांच्या इंग्रजी आद्याक्षरात कोन आहेत ते A आणि T हे परस्पर सोबती तर ज्यांच्या नावाची आद्याक्षरे गोलाकार आहेत ते नत्रजन्य बेसेस म्हणजे C आणि G हे एकमेकांचे मित्र असून हातात हात घालून असतात, असे लक्षात ठेवीत असू!) तेव्हा गुणसूत्राच्या एका पदरावरील तुकड्यावर ACTGATGC अशा क्रमाने नत्रजन्य पदार्थ माळलेले असतील तर दुसऱ्या पदरावरील लगतच्या तुकड्यावर ही रचना TGACTACG अशीच हमखास असते. याप्रमाणे प्रत्येक जीवाच्या शरीरपेशीतील सर्व गुणसूत्रांवर लक्षावधी नव्हे अब्जावधी नत्रजन्य बेसेस ओवलेले असतात! मानव-शरीराच्या प्रत्येक पेशीत २३ गुणसूत्रांच्या जोड्या म्हणजेच ४६ गुणसूत्रे असतात. प्रत्येक जोडीतील एक गुणसूत्र आपणास आपल्या मातेच्या अंडपेशीतून व एक जोडीचे गुणसूत्र पित्याच्या शुक्रपेशीतून प्राप्त झालेले असते. या ४६ गुणसूत्रांवर ३.१ बिलियन नत्रजन्य बेसेस गुंफलेले असतात असा अंदाज आहे. हे नत्रजन्य बेसेस गुणसूत्रांवर कोणत्या क्रमाने ओवलेले असतात याचा शोध घेण्यासाठी सुमारे दहा वर्षांपूर्वी अमेरिकन शासनाच्या पुढाकाराने सर्व जगातील अनेक प्रयोगशाळांच्या (भारतातील एकही नाही!) सहकार्याने एक सर्वंकष प्रकल्प हाती घेण्यात आला. त्यास ‘मानवी जीनोम प्रकल्प’ (Human Genome Project) अथवा ‘मानवी जैनिक संचित शोध-प्रकल्प’ हे नाव देण्यात आले. प्रारंभी हे कार्य कूर्मगतीने सुरू होते परंतु गेल्या ४-५ वर्षांत तंत्रविद्येत (इलेक्ट्रोफोरेसिस ऑटोमेटेड मशीन बँक्स = १००-१०० यंत्रांनी एकाच वेळी वि लेषण) व संगणक प्रौद्योगिकी यांमध्ये झालेल्या क्रान्तीमुळे मे २००० अखेरपर्यंत मानवी गुणसूत्रांवर गुंफलेल्या ३.१ बिलियन बेसेस (ACTGTCA सारखी आद्याक्षरे असलेल्या) पैकी ९७ टक्के बेसेसचा क्रम निचित झाल्याचे, बरेच वाद झाल्यावर, जाहीर करण्यात आले. उरलेल्या ३ टक्के म्हणजे जवळपास १५० मिलियन बेसेसचा क्रम ठरविण्यास बराच अवधी लागणार असल्याचेही मान्य करण्यात आले आहे. याप्रमाणे मानवी पेशींमध्ये अंकित असलेल्या जैविक (आनुवंशिक) गुणावगुणांना कारणीभूत असणाऱ्या घटकांचा नकाशा अथवा अक्षरमाला नि िचत झाली. त्यास आपण मानवी गुणावगुणांचे संचित म्हणू शकतो. ही अक्षरमाला समजली असली तरी मानवी जीवनाच्या संदेशांचा जो ग्रंथ आपणास अनादि कालापासून वारसा म्हणून मिळाला आहे तो ग्रंथ वाचण्यासाठी आपणास विशिष्ट अक्षरे वापस्न तयार झालेल्या शब्दांचे व वाक्यांचे अर्थ समजावून घ्यावे लागतील तेव्हाच अंततः पाककलेच्या पुस्तकात दिलेल्या पाककृती (Recipes) असतात तशा मानवी शरीरातील विविध प्रथिने तयार करण्यासाठी आवश्यक त्या कृती समजावून घ्याव्या लागतील. आता तर कोठे जेमतेम अक्षरओळख झालेली आहे! ही झाली मानवी जीनोम नि िचत करण्यामागील पार्श्वभूमी. परंतु हा सगळा उद्योग कोट्यवधी डॉलर्स खर्च कस्न का करण्यात आला व या बवंशी नि िचत झालेल्या जीनोमचे फलित काय हे पाहणे-सुद्धा बोधप्रद ठरेल. जीवसृष्टीमध्ये आधारभूत असे नियम आहेत त्यात पेशींतील केन्द्रकातील गुणसूत्रांवर शारीरक्रियांचे संदेश अंकित असतात हे एक मूलभूत तत्त्व आहे. हे संदेश म्हणजेच जीन्स. मानवाच्या ४६ गुणसूत्रांवर किती जीन्स अंकित असाव्यात याविषयी शास्त्रज्ञांमध्ये मतभेद आहेत. किमान २८,००० ते कमाल १,४०,००० जीन्स असाव्यात असे मानणारे शास्त्रज्ञ आहेत, परंतु साधारणतः ५०,००० जीन्स मानवी शरीरपेशीत नि िचतच आहेत हे मत आता सर्वमान्य होऊ लागले आहे.
आता जीन (जनुक) म्हणजे काय हे आपण बघू. प्रत्येक जीन स्वतंत्र असून तिच्यात अंकित असलेल्या संदेशानुसार मानवी शरीरातील विशिष्ट (differentiated) पेशींमध्ये, विशिष्ट वेळी (sequential gene action) स्वतंत्र प्रथिन तयार होते. याप्रमाणे मानवी शरीरात पूर्ण आयुष्यात वेळोवेळी, ठिकठिकाणी तयार होणाऱ्या प्रथिनांची संख्या ५०,००० तरी असावी. यापैकी काही प्रथिनाचे रेणू (मॉलिक्युल्स) आकाराने फार मोठे म्हणजे प्रत्येक रेणूचे वजन हजारो डाल्टन (१ डाल्टन = हैड्रोजनचा एक अणु) एवढे असू शकते तर काही प्रथिनांचे रेणू १००-२०० डाल्टन वजनाइतके लहान असतात. ही प्रथिनेसुद्धा तयार होताना (रायबो-सोम्सवर) एखाद्या माळेसारखीच असतात व त्यांना पॉलीपेप्टाईड चेन्स असे म्हणतात. परंतु या चेन्स (शृंखला) फार लांब झाल्यावर त्याचा गुंता होतो व त्यास प्रथिनाची दुय्यम व तिय्यम (secondary and tertiary structure) रचना असे म्हणतात. बरीच प्रथिने असा गुंता झाल्याशिवाय कार्यक्षम होत नाहीत! प्रथिनांच्या माळेमध्ये ओवलेले किंवा जोडलेले जे लघुतम घटक असतात त्यांना अमायनो अम्ले असे म्हणतात. मानवी शरीरात सुमारे २० अमायनो अम्ले आढळतात व ही सगळी मानव-शरीरात आहाराचे पचन होऊन उपलब्ध होतात. यातील काही अमायनो अम्ले आहारातून मिळणे आवश्यक असते कारण त्यांचे सं लेषण (synthesis) शरीरात होत नाही तर काही अशी असतात की जी आहारातून मिळाली नाही तरी शरीरात तयार होऊ शकतात. काही अमायनो अम्लांची नावे अॅलानिन, ग्लुटामिक अम्ल, ग्लायसीन, लायसीन, मेथायनीन, प्रोलीन, टायरोसीन अशी आहेत. या २० अमायनो अम्लाची शृंखला (शेकडो ते हजारो अमायनो अम्लांचे रेणू) तयार होऊन त्यापासून प्रथिनाचा महारेणू (मॅक्रोमॉलिक्युल) तयार होतो परंतु असे होत असताना या अमायनो अम्लांची शृंखलेमधील क्रमवारी नि िचत असावी लागते व ती नसल्यास ते प्रथिन आपले इष्ट कार्य करू शकत नाही. उदाहरणार्थ इन्सुलीन अथवा जठरातील पाचक रसातील ट्रिप्सीन या प्रथिनांमधील सर्व अमायनो अम्ले एका विशिष्ट क्रमाने जोडलेली नसतील तर ही प्रथिने कार्यक्षम होणारच नाहीत. तेव्हा प्रथिनाच्या महारेणूमधील अमायनो अम्लांचा क्रम अत्यंत महत्त्वाचा असतो. तो कसा ठरतो? यासाठी निसर्गाने उत्पन्न केलेल्या अतिशय चतुर योजनेला जेनेटिक कोड असे म्हणतात. २० पैकी प्रत्येक अमायनो अम्लाचे, विशिष्ट जीनवरील नत्रजन्य बेसेसशी अचूक असे नाते असते. प्रत्येक अमायनो अम्लाचे प्रथिनशृंखलेतील स्थान, जीनमधील ३ नत्रजन्य बेसेसच्या क्रमावर अवलंबून असते. उदाहरणार्थ ATG = मिथायनीन किंवा AAG = लायसीन इत्यादि. जेनेटिक कोड ही संकल्पना अथवा तत्त्व आनुवंशिकशास्त्र तसेच शरीर क्रियाशास्त्रातील एक पायाभूत तत्त्व असून ते शोधून काढण्याचे श्रेय डॉ. निरेनबर्ग व डॉ. हरगोविंद खुराना यांचेकडे
आहे. त्याबद्दल दोघांनाही नोबेल पुरस्कार मिळालेला आहे.
याप्रमाणे गुणसूत्रावरील एका पदरावरील नत्रजन्य बेसेसच्या क्रमानुसार एका गुंतागुंतीच्या (या लेखाच्या आवाक्याबाहेरील) प्रक्रियेद्वारे (यात ट्रान्स्फर आर- एनए रिबोसोमल आर एन ए यांचा सहभाग असतो) पेशीद्रवात उपलब्ध असलेल्या अमायनो अम्लाच्या अणूंची विशिष्ट क्रमाने जुळणी होऊन प्रथम प्रथिनाचे लहान तुकडे (पॉलीपेप्टाइडस्) व नंतर प्रथिनाचे महारेणू (मॅक्रोमॉलिक्युल्स) संघटित होतात व आपआपले इष्ट कार्य पेशीमध्येच अथवा शरीरात इतरत्र करू लागतात. शरीरा-तील सर्व क्रिया म्हणजे अगदी प्राणवायूचे वहन, अन्नपचन, पेशींमध्ये ऊर्जा पुरविणारी शर्करा प्रवेशावर नियंत्रण ठेवणारे इन्सुलीन किंवा मज्जातंतूंतील विद्युत्प्रवाह सुरळीत राहण्यासाठी आवश्यक पदार्थ तयार करण्यासारखी असंख्य कार्ये प्रथिने करतात. या प्रथिनांची योग्य संरचना गुणसूत्रांवर अंकित जीन्सवर अवलंबून असते व जीनमध्ये काही त्रुटी, चूक, बदल झाल्यास चुकीचे प्रथिन तयार होऊन एकतर ते इष्ट कार्य करीत नाही किंवा अनपेक्षित असे हानिकारक कार्य करू लागते व शरीरात व्याधी उत्पन्न होतात.
या कारणासाठी गुणसूत्रावरील जीन्सची व परिणामतः नत्रजन्य बेसेसची रचना बिनचूक आणि पिढ्यानपिढ्या टिकणारी पाहिजे. निसर्गतः जीन्सच्या रचनांमध्ये बदल होऊ शकतात, त्यास म्युटेशन म्हणतात. म्युटेशनमुळे त्या जीनवर अवलंबून असणारी प्रथिनाची रचना वादलते व त्या प्रथिनाचे कार्य बदलू शकते व त्याचे शरीरावर लहानमोठे परिणाम होऊ शकतात. त्याचप्रमाणे किरणोत्सर्गामुळेही जीन्सच्या संरचना बदलू शकतात किंवा जीन्सच नष्ट होऊ शकतात व त्यामुळे शरीरक्रियांमध्ये घातक बदल होऊ शकतात. मानवी शरीरात ५०,००० जीन्स आहेत असे गृहीत धरले तर या सर्व जीन्स ४६ गुणसूत्रांवरच बसलेल्या असतात. परंतु प्रत्येक जीन एक सलग तुकडा असतेच असे नाही. काही लहान जीन्स अशा एकाच ठिकाणी (Locus) असतात तर काही लक्षावधी नत्रजन्य बेसेस अन्तर्भूत
त्या असलेल्या जीन्स लहान लहान तुकड्यांमध्ये (Loci) विभागलेल्या असून अनेक गुणसूत्रांवर विखुरलेल्या असू शकतात. कोणत्या जीनमुळे कोणते प्रथिन तयार होते हे शोधणे कर्मकठिण आहे. आजवर जेमतेम १०० च्या आसपास प्रथिने निर्माण करण्याचे संदेश देणाऱ्या जीन्सची ओळख पटली असली तरी या जीन्सची गुणसूत्रांवरील नेमकी स्थाने समजलेली नाहीत. एका प्रमुख प्रथिनाच्या, इन्सुलीनच्या, जीनचे स्थान कळलेले आहे. त्यामुळेच मानवी पेशीमधून कापून (एन्झाईम्सच्या साहाय्याने) काढून तिचे यीस्टसारख्या जंतूत रोपण कस्न, प्रयोगशाळेत मानवी इन्सुलीन तयार होऊ लागले आहे. परंतु मानवी शरीरातील ४९,९०० जीन्स कोणती प्रथिने उत्पन्न करतात किंवा ४९,९०० प्रकारची प्रथिने मानवी शरीरात उत्पन्न करणाऱ्या जीन्समधील नत्रजन्य बेसेसचा क्रम काय आहे व या जीन्स कोणत्या क्रोमोसोम अथवा क्रोमोसोम्सवर बसलेल्या आहेत हे जाणून घेण्याचे कठीण काम करण्यास अनेक दशके लागतील व तोपर्यंत मानवी जीनोमचा आराखडा एक दस्तावेजच राहील. (प्रस्तुत लेखकाने १९७० ते १९७३ या दरम्यान युनिव्हर्सिटी ऑफ पेनसिल्व्हानिया येथे डोळ्यातील भिंगात असणाऱ्या क्रिस्टलाइन्स नावाच्या प्रथिनांच्या जीन्स कोणत्या क्रोमोसोम्सवर अंकित आहेत हे शोधण्याचा प्रकल्प पीएच. डी. च्या अभ्यासाला हाती घेतला होता. परंतु त्यावेळी उपलब्ध असलेले तंत्र व अपुरा वेळ यामुळे ते कार्य अपुरेच राहिले होते. अजूनही ते काम कोणी पूर्ण केल्याचे वाचण्यात आलेले नाही!) मानवी शरीरातील सर्व निरोगी शरीरक्रियांचे तसेच रोगी शरीरक्रियांचे जैनिक मूळ व त्या जीनचे स्थान शोधणे सोपे नसल्याने कर्करोग, अनेक मेटॅबॉलिक रोग, पार्किन्सन्स अथवा अल्झायमर यांसारखे विकार यावर जीवद्वारे उपचार (जीन थेरेपी) करणे अजून फार दूर आहे. क्लोनिंगद्वारे स्वतःच्या जीनोमची शंभर टक्के नक्कल असलेल्या भ्रूणाची निर्मिती करून, अशा भ्रूणातील आवश्यक त्या पेशी किंवा ऊती (टिश्यू) चे स्वतःच्या शरीरात रोपण करून घेऊन रोगमुक्त होण्याच्या वैद्यकीय उपचारास ब्रिटिश सरकारने अलीकडेच मान्यता दिली आहे. पण या प्रयोगात भ्रूणाच्या पेशी अथवा ऊतीच रोपल्या जातात, जीन्स नव्हेत!
कर्करोग, हृदयविकार किंवा अन्य, हल्ली औषधोपचार उपलब्ध नसलेल्या रोगांमध्ये, कार्यरत असलेल्या जीन्स कोणत्या आहेत व त्यांचे गुणसूत्रांवरील स्थान कोणते याचा शोध घेण्याचे प्रयत्न जोरात सुरू आहेत व त्यासाठी मानवी जीनोमच्या नकाशात उपलब्ध असलेल्या सुमारे ३०० कोटी नत्रजन्य बेसेसची माहिती उपयोगी पडत आहे.
औषधांच्या कंपन्या, बायोटेक कंपन्या, विद्यापीठांच्या प्रयोगशाळा यांनी अत्याधुनिक तंत्रविद्येचा, यात डीएनए मायक्रोचिप्स या संगणकप्रणालीशी संबंधित तंत्राचा, वापर करून अनेक महत्त्वाच्या प्रथिनांचे कारण असणाऱ्या जीन्सचा शोध घेण्याचे कार्य अविरत चालू झालेले आहे.
या प्रयत्नांना ‘मानवी जीनोम’ ज्ञात झाल्यामुळे भरपूर हातभार लागत आहे. अंततः मानवी शरीरातील सगळ्याच ५०,००० जीन्सची संरचना व स्थान जरी सापडले नाही तरी किमान १०,००० महत्त्वाच्या प्रथिनांचे सं लेषण करणाऱ्या जीन्स शोधणे हे शास्त्रज्ञांचे ध्येय असून त्यासाठी शास्त्रज्ञांचे अनेक गट कामाला लागले आहेत. जीवशास्त्राच्या या नव्या शाखेला ‘प्रोटिओमिक्स’ असे नामविधान करण्यात आले आहे. या शाखेतील प्रगतीचा वेग किती राहील यावस्नच ‘मानवी जीनोम’ चे मूल्य ठरणार आहे. अन्यथा एवढा गाजावाजा झालेल्या या मानवी जीनोमचा फारसा उपयोग नाही.
१०२ उत्कर्ष-रजनीगंधा,

तुमचा अभिप्राय नोंदवा

Your email address will not be published. Required fields are marked *