हानिकारक डीएनए बदलावों के जमाव के बीच 58 पीढ़ियों बाद चूहों की क्लोनिंग की श्रृंखला समाप्त

20 साल का प्रयोग अपनी सीमा तक पहुंचा

30,947 परमाणु स्थानांतरण के प्रयासों और एक मादा से क्लोनिंग के जरिए जन्मे 1,200 से अधिक चूहों के बाद, जापानी शोध दल करीब 20 साल तक चले प्रयोग के अंत तक पहुंचा। 58वीं पीढ़ी में जन्मे सभी पांच चूहों की अगले ही दिन मौत हो गई। इससे उस श्रृंखला का अंत हो गया, जिसके बारे में शोधकर्ताओं ने कभी सोचा था कि वह अनिश्चित काल तक जारी रह सकती है।

2005 से 2025 तक किए गए इस प्रयोग में पाया गया कि बार-बार क्लोनिंग करने से डीएनए में हानिकारक बदलाव जमा होते गए। शुरुआत में जन्म की सफलता दर में सुधार हुआ और पहली पीढ़ी के करीब 7% से बढ़कर 26वीं पीढ़ी में 15.5% तक पहुंच गई। 27वीं पीढ़ी से इसमें गिरावट शुरू हुई और अंततः यह 0.6% रह गई। यानी सरोगेट माताओं में प्रत्यारोपित हर 1,000 क्लोन भ्रूणों पर करीब छह जन्म।

निष्कर्ष सीरियल क्लोनिंग की सीमाएं शीर्षक से Nature Communications में प्रकाशित हुए हैं। यामानाशी विश्वविद्यालय ने अपनी शोध घोषणा में एसोसिएट प्रोफेसर सायाका वाकायामा और उसके उन्नत जैवप्रौद्योगिकी केंद्र के निदेशक, प्रोफेसर तेरुहिको वाकायामा को शोधकर्ताओं में शामिल बताया।

सबसे अहम नतीजा चूहों की दिखावट और उनकी प्रजनन क्षमता के बीच का अंतर था। श्रृंखला के कई चूहे स्वस्थ दिखते थे और करीब दो साल तक जीवित रहे, लेकिन बाद की पीढ़ियों में प्रजनन तेजी से कठिन होता गया, चाहे क्लोनिंग से हो या सामान्य प्रजनन से।

यामानाशी विश्वविद्यालय में चूहों की क्लोनिंग के अग्रणी तेरुहिको वाकायामा ने प्रयोग के पीछे के सवाल को एक जानी-पहचानी तुलना से समझाया:

फोटोकॉपी मशीन पर तस्वीर की नकल करने से उसकी गुणवत्ता थोड़ी कम हो जाती है। उस नकल की फिर नकल करने से गुणवत्ता और भी खराब हो जाती है,

चूहों में बदलाव डीएनए के अलग-अलग अक्षरों के साथ-साथ गुणसूत्रों के कहीं बड़े हिस्सों में भी हुए। शोध में इन बदलावों के लगातार जमा होने को सफल जन्मों में आई अंतिम गिरावट से जोड़ा गया है।

शोधकर्ताओं ने क्लोन का क्लोन कैसे बनाया

दल ने दैहिक कोशिका केंद्रक स्थानांतरण तकनीक का इस्तेमाल किया। दैहिक कोशिका शरीर की कोशिका होती है, अंडाणु या शुक्राणु नहीं। शोधकर्ताओं ने उस केंद्रक को निकाला, जिसमें कोशिका के अधिकांश आनुवंशिक निर्देश होते हैं, और उसे ऐसे अनिषेचित अंडाणु में डाला जिसका अपना केंद्रक निकाल दिया गया था।

इसके बाद अंडाणु को उन निर्देशों को फिर से व्यवस्थित करना था, ताकि वयस्क शरीर की कोशिका का केंद्रक भ्रूण का विकास कर सके। शोधकर्ताओं ने बने भ्रूणों को सरोगेट माताओं में प्रत्यारोपित किया और अगली पीढ़ी बनाने के लिए जीवित क्लोन की कोशिकाओं का इस्तेमाल किया।

दाता कोशिकाएं क्यूम्युलस कोशिकाएं थीं, जो अंडाणुओं को घेरती और सहारा देती हैं। मूल दाता एगूटी रंग की मादा चूहिया थी। यह रंग हर बाल पर रंगद्रव्य की पट्टियों से बनता है। सभी क्लोन किए गए चूहे मादा थे और उनका रंग भी यही था।

शोधकर्ताओं ने हर साल करीब तीन से चार पीढ़ियां तैयार कीं। हर चूहे को मूल दाता की संग्रहित कोशिकाओं से सीधे बनाने के बजाय, उन्होंने बार-बार वंशक्रम को एक नए क्लोन किए गए चूहे के जरिए आगे बढ़ाया। इस तरीके से वे एक पीढ़ी से अगली पीढ़ी तक पहुंचने वाले बदलावों पर नजर रख सके।

शुरुआती नतीजे आशाजनक क्यों लगे

RIKEN की मार्च 2013 की घोषणा में ऐसे प्रयोग का वर्णन था, जो तब उत्साहजनक दिशा में आगे बढ़ रहा था। शोधपत्र जमा किए जाने तक दल 25 पीढ़ियों में 581 चूहे तैयार कर चुका था और घोषणा के समय तक 26 पीढ़ियों में 598 चूहे बना चुका था।

शोधकर्ताओं ने ट्राइकोस्टैटिन ए यानी TSA का इस्तेमाल किया। यह दवा स्थानांतरित केंद्रक को उसकी जीन गतिविधि फिर से व्यवस्थित करने में मदद करती है। चूहों की बार-बार क्लोनिंग के पहले के प्रयास केवल करीब छह पीढ़ियों तक पहुंच पाए थे। TSA और प्रयोग की बेहतर परिस्थितियों के साथ जन्म की सफलता दर लगातार घटने के बजाय बढ़ी।

उस चरण में स्वास्थ्य, प्रजनन क्षमता, जीवनकाल और गुणसूत्रों के सिरों के माप भी भरोसा जगाने वाले थे। इसलिए शोधकर्ताओं को लगा कि यह प्रक्रिया अनिश्चित काल तक जारी रह सकती है। उसी वंशक्रम का एक और दशक तक अध्ययन करने पर ऐसी समस्याएं सामने आईं, जो शुरुआती 25 पीढ़ियों के दौरान दिखाई नहीं दी थीं।

मुख्य पड़ावों से पता चलता है कि निष्कर्ष कैसे बदला:

• 2005: लगातार क्लोनिंग शुरू हुई। अंतिम शोधपत्र में इसकी शुरुआत जनवरी बताई गई है, जबकि RIKEN के 2013 के विवरण में इसे साल के आखिर में बताया गया।
• 8 मार्च, 2013: RIKEN ने 26 पीढ़ियों में 598 चूहों की घोषणा की। जन्म की सफलता दर करीब 15% तक पहुंच गई थी।
• 27वीं पीढ़ी से आगे: अलग-अलग पीढ़ियों में उतार-चढ़ाव के बावजूद जन्म की सफलता दर में लगातार गिरावट शुरू हुई।
• 2025: प्रयोग 58वीं पीढ़ी पर समाप्त हुआ। उस पीढ़ी में जन्मे सभी पांच चूहों की अगले दिन मौत हो गई।

डीएनए के भीतर क्या बदला?

जीनोम अनुक्रमण में पहली और 57वीं पीढ़ी के बीच करीब 3,700 एकल न्यूक्लियोटाइड बदलाव और 80 छोटे इंसर्शन या डिलीशन सामने आए। एकल न्यूक्लियोटाइड बदलाव यानी SNV, डीएनए अनुक्रम के एक अक्षर में बदलाव होता है। इंसर्शन या डिलीशन में उस अनुक्रम का एक छोटा हिस्सा जुड़ता है या हटता है।

शोधपत्र में हर पीढ़ी में औसतन 69.4 SNV और 1.4 छोटे इंसर्शन या डिलीशन दर्ज किए गए। डीएनए के कई बदलावों का बहुत कम असर होता है, लेकिन कुछ सामान्य विकास या प्रजनन के लिए जरूरी निर्देशों में बाधा डालते हैं।

तुलना के लिए शोधकर्ताओं ने चूहों की दो ऐसी वंश-रेखाओं का अध्ययन किया, जिन्हें करीब 20 साल तक भाई-बहन के बीच प्रजनन कराकर 60 पीढ़ियों तक बनाए रखा गया था। उनमें हर पीढ़ी में औसतन 22.3 SNV जमा हुए। इस हिसाब से क्लोनिंग वंश-रेखा में बदलाव की दर करीब 3.1 गुना अधिक थी: 69.4 की तुलना में 22.3।

छोटे बदलावों में प्रोटीन को बाधित करने या बदलने की आशंका वाले बदलावों का अनुपात भी बढ़ा। पहली से 23वीं पीढ़ी के बीच हुए बदलावों में यह 0.52% था, जबकि 23वीं से 57वीं पीढ़ी के बीच हुए बदलावों में बढ़कर 1.19% हो गया।

शोधकर्ताओं ने चूहों के डीएनए के आधार पर उनका वंशवृक्ष भी बनाया। वह दर्ज किए गए प्रयोगात्मक वंशक्रम से मेल खाता था। इससे पुष्टि हुई कि प्रयोग के दौरान यह श्रृंखला मूल दाता से ही निकली थी।

गुणसूत्रों में बड़े बदलावों ने भी बोझ बढ़ाया

चूहों में डीएनए के अलग-अलग अक्षरों से जुड़े बदलावों के अलावा भी परिवर्तन जमा हुए। अनुक्रमण में पहली और 57वीं पीढ़ी के बीच करीब 80 से 84 नए संरचनात्मक बदलाव मिले। इनमें डीएनए की बनावट या मात्रा में बड़े बदलाव शामिल थे।

16 बड़े बदलावों में डीएनए के कम से कम 40,000 अक्षरों वाले हिस्से शामिल थे। इनमें एक X गुणसूत्र का नष्ट होना, चौथे गुणसूत्र में बड़ा बदलाव और सातवें तथा नौवें गुणसूत्रों के बीच आनुवंशिक सामग्री का अदला-बदली होना शामिल था।

शोधकर्ताओं का अनुमान है कि 57वीं पीढ़ी तक करीब 30 उत्परिवर्तनों से जीन का कामकाज खत्म हो गया था और करीब 50 ने जीन में दर्ज प्रोटीन संबंधी निर्देश बदल दिए थे। इसमें X गुणसूत्र के नष्ट होने की गिनती शामिल नहीं थी। दो बड़े डिलीशन ने एक ही क्षेत्र को प्रभावित किया और Csmd1 नामक जीन की दोनों प्रतियों का कामकाज खत्म कर दिया।

लेखक जन्म दर में गिरावट को उत्परिवर्तनों के संयुक्त बोझ से जोड़ते हैं। उनका स्पष्टीकरण है कि प्रयोग के अंत के करीब और नुकसानदेह बदलावों ने पहले से ही काफी बदले हुए जीनोम को विकासशील चूहों की सहन-सीमा से आगे पहुंचा दिया।

उत्परिवर्तन दर अधिक होने का कारण अभी स्पष्ट नहीं है। शरीर की कोशिकाओं के केंद्रकों का बार-बार स्थानांतरण इसमें योगदान दे सकता है। किसी जानवर के जीवनकाल में उसकी शरीर की कोशिकाओं में उत्परिवर्तन जमा हो सकते हैं। सामान्य लैंगिक प्रजनन का न होना भी इन बदलावों के पीढ़ियों तक पहुंचने के तरीके को बदलता है।

जीन गतिविधि को फिर से व्यवस्थित करना ही क्यों काफी नहीं था

क्लोनिंग के लिए डीएनए को अंडाणु में डालना भर काफी नहीं होता। अंडाणु को उन रासायनिक चिह्नों को भी फिर से व्यवस्थित करना पड़ता है, जो तय करने में मदद करते हैं कि कौन-से जीन सक्रिय होंगे। इन चिह्नों को एपिजेनेटिक कहा जाता है, क्योंकि वे डीएनए का अनुक्रम बदले बिना उसके इस्तेमाल को नियंत्रित करते हैं।

शोधकर्ताओं को आशंका थी कि इस पुनर्व्यवस्था की प्रक्रिया में खामियां क्लोनिंग के हर दौर के साथ बढ़ सकती हैं। लेकिन उनके माप से पता चला कि बाद की गिरावट का मुख्य कारण डीएनए में जमा होते उत्परिवर्तन थे।

क्लोन किए गए चूहों में प्लेसेंटा बड़े थे, जो चूहों की क्लोनिंग की जानी-पहचानी विशेषता है। पूरे प्रयोग के दौरान प्लेसेंटा का औसत वजन करीब 0.30 ग्राम था, जबकि इन विट्रो निषेचन से बने नियंत्रण चूहों में यह 0.11 ग्राम था। हालांकि, लगातार पीढ़ियों के साथ उनका वजन बढ़ता नहीं गया।

शुरुआती भ्रूणों में कुछ एपिजेनेटिक चिह्नों की जांच में नए क्लोन किए गए चूहों और 51वीं पीढ़ी के क्लोन चूहों के बीच मोटे तौर पर समान पैटर्न मिले। TSA से मदद मिलती रही: 51वीं पीढ़ी में उपचार के साथ जन्म की सफलता दर 5.4% थी, जबकि बिना उपचार के यह 1.6% थी।

गुणसूत्रों के सिरों पर मौजूद डीएनए के सुरक्षात्मक अनुक्रम, टेलोमेयर, एक और संभावित कारण हो सकते थे। बाद के अनुक्रमण विश्लेषणों में जांची गई पीढ़ियों के दौरान इनके काफी छोटे होने के बहुत कम प्रमाण मिले। इन सभी जांचों ने ध्यान डीएनए अनुक्रम और गुणसूत्रों की संरचना में बढ़ते बदलावों के बोझ की ओर मोड़ा।

स्वस्थ दिखने वाले चूहों के बच्चे कम हुए

सामान्य प्रजनन में चूहों की प्रजनन क्षमता में ऐसी गिरावट सामने आई, जिसे उनकी दिखावट से समझना मुश्किल था। 20वीं पीढ़ी की मादाओं ने सामान्य नर चूहों के साथ प्रजनन करने पर हर बार औसतन 9.9 बच्चे दिए। यह नियंत्रण समूह के 10.3 के करीब था।

इसके बाद औसत बच्चों की संख्या 50वीं पीढ़ी में घटकर 2.8 और 55वीं पीढ़ी में 2.2 रह गई। नियंत्रण समूह के औसत 10.3 बच्चों की तुलना में यह करीब 79% कम था।

हार्मोन से उत्तेजित करने के बाद एकत्र किए गए अंडाणुओं की संख्या क्लोनिंग की पीढ़ियां बढ़ने के साथ कम नहीं हुई। इसलिए शोधकर्ताओं ने जांच की कि अंडाणु सक्रिय होने या निषेचित होने के बाद क्या हुआ।

जब प्रयोगशाला में सामान्य नर चूहों के शुक्राणुओं से अंडाणुओं का निषेचन किया गया, तो नियंत्रण समूह के 97.6% भ्रूण ब्लास्टोसिस्ट अवस्था तक पहुंचे। यह आरोपण से पहले की शुरुआती अवस्था है। 25वीं पीढ़ी के क्लोन चूहों के अंडाणुओं से बने भ्रूणों में यह अनुपात 39.7% और 53वीं पीढ़ी के अंडाणुओं में 20.3% था।

56वीं पीढ़ी के अंडाणुओं पर किए गए प्रयोगों में केंद्रक और कोशिकाद्रव्य, यानी उसके आसपास की सामग्री, दोनों में समस्याएं मिलीं। दोनों में से किसी एक हिस्से को नियंत्रण अंडाणु के संबंधित हिस्से से बदलने पर भी विकास दर बहुत कम रही। अंडाणु के दोनों हिस्से प्रभावित दिखे।

लैंगिक प्रजनन से कुछ प्रजनन क्षमता लौटी

अंतिम पीढ़ियों के कुछ क्लोन चूहों की संतानें जीवित रहीं और अधिक सफलतापूर्वक प्रजनन कर सकीं। 55वीं पीढ़ी की क्लोन मादाओं ने जहां हर बार औसतन 2.2 बच्चे दिए, वहीं उनकी संतानों ने बाद में औसतन 7.0 बच्चों को जन्म दिया, जो तीन गुने से भी अधिक था।

इन अगली पीढ़ी की संतानों के प्लेसेंटा का आकार भी निषेचन से बने भ्रूणों के प्लेसेंटा के करीब था, न कि क्लोन चूहों में आम तौर पर देखे जाने वाले बड़े आकार का।

अंडाणु और शुक्राणु बनने के दौरान लैंगिक प्रजनन आनुवंशिक सामग्री को नए सिरे से मिलाता है और निषेचन के समय दूसरे जनक का डीएनए जोड़ता है। एक जनक से मिला सही ढंग से काम करने वाला जीन कभी-कभी दूसरे जनक की खराब प्रति की भरपाई कर सकता है। गंभीर आनुवंशिक समस्याओं वाले भ्रूणों का विकास रुक सकता है, जबकि अनुकूल आनुवंशिक मेल वाले भ्रूण जीवित रह सकते हैं।

इन संतानों को क्लोन मादाओं से उत्परिवर्तन विरासत में मिलते रहे। जीनोम अनुक्रमण में संतानों और अगली पीढ़ी के बच्चों, दोनों में बदलाव मिले। इनमें सातवें और नौवें गुणसूत्रों के बीच हुई अदला-बदली भी शामिल थी। शोधकर्ताओं ने सुझाव दिया कि बदले हुए दोनों गुणसूत्र साथ में विरासत में मिले थे, जिससे गुणसूत्रों के बीच यह अदला-बदली संतुलित बनी रही।

इसलिए बच्चों की संख्या में सुधार लैंगिक प्रजनन के जरिए प्रजनन क्षमता की आंशिक बहाली की ओर इशारा करता है। क्लोनिंग के दौरान जमा हुए कुछ आनुवंशिक बदलाव विरासत में मिलने के बावजूद, उनकी संतानों की प्रजनन क्षमता बेहतर हो सकी।

संरक्षण और खेती के लिए इसका क्या मतलब है

संरक्षणवादियों की क्लोनिंग में दिलचस्पी इसलिए है, क्योंकि संग्रहित कोशिकाएं मृत या प्रजनन में अक्षम जानवरों की आनुवंशिक सामग्री को बचाकर रख सकती हैं। खेती में इससे उपयोगी गुणों वाले जानवरों की संख्या बढ़ाने का रास्ता मिलता है। यह प्रयोग दिखाता है कि इन कामों में दाता के डीएनए की स्थिति और संतानों के प्रजनन स्वास्थ्य पर ध्यान देना क्यों जरूरी है।

यह निष्कर्ष लगातार नए दाताओं के जरिए आगे बढ़ाई गई लंबी क्लोनिंग श्रृंखला से जुड़ा है। इन खास प्रयोगात्मक परिस्थितियों में इस चूहे की वंश-रेखा 58 पीढ़ियों पर समाप्त हुई। दूसरी वंश-रेखाओं या स्तनधारी प्रजातियों में कितनी पीढ़ियां संभव हैं, यह अज्ञात है।

कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, डेविस की विकासात्मक एंडोक्राइनोलॉजिस्ट कातार्ज़िना मालिन, जो इस शोध में शामिल नहीं थीं, ने कहा कि निष्कर्ष इस बात के पक्ष में हैं कि प्रजातियों को संकट में पहुंचने से रोका जाए, बजाय इसके कि बाद में उन्हें बचाने के लिए क्लोनिंग पर निर्भर रहा जाए।

संरक्षण संगठन Revive & Restore के बेन नोवाक ने उन उत्परिवर्तनों के महत्व को रेखांकित किया, जो किसी जानवर के जीवनकाल में उसके शरीर के ऊतकों में जमा होते हैं। दाता कोशिका अपने डीएनए में हुए बदलावों का इतिहास साथ लेकर चलती है। यह तब मायने रखता है, जब वही कोशिका किसी दूसरे जानवर को बनाने की शुरुआत बनती है।

यह अध्ययन दो व्यावहारिक सबक सामने रखता है। क्लोनिंग से कई पीढ़ियों तक किसी जानवर की आनुवंशिक सामग्री तक पहुंच बनाए रखना संभव है, लेकिन स्वस्थ संतानों को बनाए रखना इस पर भी निर्भर करता है कि समय के साथ उस डीएनए में क्या होता है। इस प्रयोग में क्लोनिंग श्रृंखला के अंत के करीब पहुंचने पर सामान्य प्रजनन से कुछ संतानों की प्रजनन क्षमता लौट आई।

मुख्य बिंदु

• शोधकर्ताओं ने परमाणु स्थानांतरण के 30,947 प्रयास किए और एक मूल मादा से लगातार क्लोनिंग के जरिए 1,200 से अधिक चूहे पैदा किए।
• जन्म की सफलता दर 26वीं पीढ़ी में 15.5% पर पहुंची, फिर प्रयोग के अंत के करीब घटकर 0.6% रह गई।
• 58वीं पीढ़ी के सभी पांच चूहों की जन्म के अगले दिन मौत हो गई। इससे 2025 में यह श्रृंखला समाप्त हुई।
• भाई-बहन के बीच प्रजनन से बनाए गए तुलनात्मक वंशक्रमों की अपेक्षा, क्लोनिंग वंश-रेखा में हर पीढ़ी में डीएनए के एकल अक्षर में करीब तीन गुना अधिक बदलाव जमा हुए।
• हानिकारक डीएनए उत्परिवर्तन और गुणसूत्रों में बड़े बदलाव जमा हुए, जबकि मापे गए एपिजेनेटिक विकार लगातार बदतर नहीं हुए।
• लैंगिक प्रजनन से कुछ संतानों की प्रजनन क्षमता बेहतर हुई, हालांकि विरासत में मिले उत्परिवर्तन बने रहे।