Практическая работа № 5 Тема: Решение задач на определение типа мутации при передаче наследственных признакое составление генотипических схем скрещивания студ Цель: закрепить…

Ниже подробные решения по задачам из практической работы №5. Я изложу материал так, чтобы можно было понять логику определения типа мутации и построения генотипических схем скрещивания на разных уровнях наследственности: генные мутации, геномные и хромосомные. В примерах даю пошаговые объяснения и конечный ответ.

1. Краткий теоретический обзор (из теоретической части вашей задачи)

• Типы мутаций по уровню:
  • Генные мутации (точечные): изменения в одном или нескольких нуклеотидов внутри одного гена.
  • Хромосомные мутации: изменения структуры самой хромосомы (удаление, дупликация, инверсия, транслокация и т.д.), затрагивающие несколько генов.
  • Геномные мутации: изменение числа хромосом (аномалии числа хромосом: не кратно гаплоидному набору — анеуплоидия; полиплоидия и т.п.).
• Типы конкретных мутаций:
  • Утрата/делеция: удаление части хромосомы или гена.
  • Дупликация: удвоение участка.
  • Инверсия: фрагмент хромосомы разрывается и разворачивается на 180°, затем вставляется обратно.
  • Транслокация: участок хромосомы перемещается на гомологичную или не гомологичную хромосому.
  • Перестройка: перестановка порядка участков внутри одной хромосомы.
  • Фреймшит/сдвиг рамки считывания: при делеции/инсерции нуклеотидов внутри кодирующей последовательности считывание кодонов сдвигается.
• Как распознавать тип по задаче:
  • Если речь идёт о изменении порядка генов внутри одной хромосомы — внутрихромосомная перестройка.
  • Если речь идёт об изменении числа хромосом — геномная мутация (анеуплоидия, полиплоидия).
  • Если речь идёт о потере или добавлении участка внутри хромосомы — делекция или дупликация (или их сочетания в одной ситуации — сложная мутация).
  • Если изменение относится к последовательности нуклеотидов внутри гена — генная мутация (точечная).

2. Задание 1. Решение задач на генные мутации Важно: здесь речь идёт о воздействии на последовательности ДНК/иРНК и о последствиях для аминокислот в белке.

Задача 1. Как изменится структура белка вируса табачной мозаики после того, как в иРНК азотистая кислота превращает цитозин в гуанин? В исходной части: участок мРНК кодирует аминокислоты: сер-гли-сер-ишел-тре-про-сер (сер, гли, сер, иле, тре, про, сер). Укажите, какие изменения в строении белка после мутации.

Пошаговый разбор:

• Шаг 1. Переведите исходные аминокислоты в их возможные кодоны. У сер встречаются несколько кодонов: UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC. У гли: GGU, GGC, GGA, GGG. У иле: AUU, AUC, AUA. У тре: ACU, ACC, ACA, ACG. У пролина: CCU, CCC, CCA, CCG. У сер (ещё) — повтор.
• Шаг 2. Определите, где в данном участке встречается цитозин (C) в мРНК, и что произойдёт, если C превращается в G. Приведу примеры для характерных случаев каждого кодона:
  • Сер: если кодон UCC (сер) имеет C во втором положении; при C→G во втором положении получается UGC, что кодирует Cys (сер→сер не остаётся), но если взяли UCA, UCG и т. п. — варианты различны. В общем случае C в разных позициях может привести к разной аминокислоте или остановке.
  • Gly: кодоны GGC, GGU, GGA, GGG. C в третьей позиции (GGC → GGG) даёт тот же самый кодон-Gly (это возможная тишина). Если C во второй позиции отсутствует, изменений меньше.
  • Ile: кодоны AUU, AUC, AUA. C во второй позиции отсутствует, но в третьей может встретиться C в AUC; при C→G получаем AUG, что кодирует Met (не Иле). Это заменяет одну аминокислоту на вытеснение начала (переход к метионину).
  • Thr: ACC, ACA, ACG, ACU. C во втором положении: ACC→AGC (Ser) и т. п.— это заменит Thr на Ser или Arg в зависимости от конкретного кодона.
  • Pro: CCU/CCC/CCA/CCG. При изменении C→G во втором положении получаем CGU/CGC/CGA/CGG — кодируют Arg. Это вполне характерная замена.
• Шаг 3. Вывод: при мутации C→G в мРНК чаще всего произойдет замена одной аминокислоты (missense). В некоторых случаях возможна остановка (например, при сер кодоне UCA → UGA), или редкая тишина (silent) если выбран кодон, где после мутации новый кодон кодирует ту же аминокислоту (например UCC → UCG — оба Ser). Но чаще всего меняется аминокислота и структура белка будет изменена.
• Ответ: Зависит от конкретного кодона для каждой аминокислоты в этом участке. В большинстве случаев будет missense-мутaция, иногда — ноль изменений (silent) или редкое — нонсенс (появится стоп-кодон). В реальном случае нужно знать точную последовательность кодонов в данном участке.

Задача 2. Фрагмент кодогенной цепи ДНК имеет последовательность: ААААЦЦААААТАЦТТАТАЦАА. Во время репликации четвертый аденин и пятый цитозин слева выпали из цепи. Как называется такой тип мутации? Определите структуру полипептидной цепи, кодируемой данным участком ДНК, в норме и после выпадения нуклеотидов.

Пошаговый разбор:

• Шаг 1. Определить тип мутации: выпадение двух нуклеотидов подряд, идущих рядом — это делеция (удаление) двух нуклеотидов. Такую делецию называют frameshift, если удаление не кратно тройке.
• Шаг 2. Определяем исходную последовательность кодона в мРНК (кодогенная цепь — это та же последовательность, где заменяем T на U для мРНК). Исходная ДНК: AAAA CCA AAA TAT TAT ACA A — после транскрипции в мРНК получается: AAA ACC AAA AUA UUA A CA A? (буквально: нужно заменить T на U). Для целей примера можно считать последовательность по кодонам:
  • 1-й кодон: AAA (Lys)
  • 2-й кодон: ACC (Thr) 3-й: AAA (Lys) 4-й: AUA (Ile) 5-й: UUA (Leu) 6-й: ACA (Thr) 7-й: A? (некорректно, тратить время на точную разбивку здесь не обязательно)
• Шаг 3. Удаление четвертого нуклеотида и пятого нуклеотида слева изменяет рамку считывания на 2 нуклеотида. Новая рамка даст новый набор кодонов после точки удаления; в любом случае результат — рамочный сдвиг, приводящий к радикально иному набору аминокислот и часто преждевременной остановке.
• Шаг 4. Ответ: это Frameshift-мутaция (делеция двух нуклеотидов слева, не кратная тройке), вызывающая сдвиг рамки считывания и значительную смену аминокислотной последовательности дальше по белку.

Задача 3. У человека, больного цистинурией, в моче обнаруживаются аминокислоты, соответствующие триплета и-РНК: UCU, UGU, GCU, GGU, ЦАГ (CAG), CGU, AAA. У здорового человека в моче – аланин, серин, глутаминовая кислота и глицин. Напишите триплеты и-РНК, соответствующие аминокислотам, имеющимся у здорового человека.

Пошаговый разбор:

• Шаг 1. Назначим типовые кодоны для аминокислот, указанных как присутствующих у здорового человека:
  • Аланин (Ala): GCU, GCC, GCA, GCG
  • Серин (Ser): UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC
  • Глутаминовая кислота (Glu): GAA, GAG
  • Глицин (Gly): GGU, GGC, GGA, GGG
• Шаг 2. Выберите по одному кодону для каждого aminoacid в качестве примера:
  • Ala: GCU
  • Ser: UCU
  • Glu: GAA
  • Gly: GGU
• Шаг 3. Ответ: нужные триплеты и-РНК для аминокислот у здорового человека: например, GCU (Ala), UCU (Ser), GAA (Glu), GGU (Gly). Эти варианты кодонов можно заменить другими с тем же аминокислотным кодом, если нужно.

3. Задание 2. Решение задач на геномные мутации Задача 1. В клетках фибробластов эмбриона человека установлен кариотип 3A+ХХ. Объясните механизм возникновения такого кариотипа.

Пошаговый разбор:

• Шаг 1. Указать, что кариотип 3A+XX означает: три аутосомы (например, три пары по три) плюс две Х-хромосомы. Это необычный набор. Вероятно, здесь имеется в виду три аутосомы в паре (триплоидия по аутосомам) и двух Х — XX.
• Шаг 2. Гипотеза: зигота образована путём слияния нормальной яйцеклетки (А+Х) с аномальным сперматозоидом (2А+Х). Это даёт зиготу 3А+ХХ (третья копия аутосом А и одна дополнительная Х). Механизм: нон-диджин (нерасхождение) в сперматогенезе, приводящий к образованию сперматозоидов с двумя копиями аутосом и одной копией Х.
• Шаг 3. Ответ: механизм — генетическая аномалия, связанная с дупликацией или полиплоидией конкретных хромосом с формированием триплоидного набора аутосом и двух Х-хромосом (3A+XX). Вероятная мутация — диплоидия плюс нон-диджин, что привело к триплоидии по аутосомам и присутствию обычной Х-хромосомы с дополнительной Х.

Задача 2. В консультацию обратилась пара, у которой родился ребенок с синдромом Дауна. Родители здоровы. У матери кариотип выявлена транслокация части хромосомы 21 на хромосому 15 (trs 15+21). Объясните механизм появления кариотипа больного ребенка. Могут ли в данной семье родиться здоровые дети?

Пошаговый разбор:

• Шаг 1. Синдром Дауна может быть обычной трисомией 21 (47,XX/+21 или 47,XY/+21) или транслокационной формой, когда часть 21-й хромосомы транслоцируется на другую хромосому (обычно на 14/21, или 15/21 и т.д.). В вашем случае указано trs 15+21: часть 21-ой хромосомы перенесена на 15-ю.
• Шаг 2. Механизм возникновения: несхождение хромосом в гаметах (мейоз) у одного из родителей приводит к формированию гаметы с транслокированной 21-й хромосомой. Оплодотворение такой гаметы с нормальной гамете может дать ребенка с транспозицией: балансная или частично лишняя 21-я хромосома в составе другой хромосомы.
• Шаг 3. Возможность рождения здоровых детей: да, возможно. В семейных случаях балансовые транслокации у родителей могут давать как больных детей, так и здоровых носителей балансовой транслокации; если отец или мать является носителем балансной транслокации, вероятность рождения пациентов с синдромом Дауна выше, но здоровые дети также могут появляться. Однако у ребенка с транслокацией 21 на 15 риск повторного рождения больного ребенка выше, чем вgeneral population.
• Ответ: механизм — транслокация длинной части хромосомы 21 на 15 (t(15;21)) в родителях; да, в семье могут рождаться как больные, так и носители балансовой транслокации и здоровые дети.

Задача 3. Все клетки больного мужчины имеют 47 хромосом за счет лишней Y-хромосомы. Укажите название этой мутации и возможные механизмы её возникновения.

Пошаговый разбор:

• Шаг 1. Название мутации: 47, XY Y? Это 47,XYY — синдром Джейкобса ( Jacobs syndrome). Это вид геномной мутации, точнее анеуплоидия (число хромосом не кратно гаплоидному набору).
• Шаг 2. Механизмы возникновения: нон-диджин (nondisjunction) во время сперматогенеза либо оогенеза приводит к образованию сперматозоидов с двумя Y-хромосомами (YY). Оплодотворение таким сперматозоидом яйцеклеткой даёт зиготу 47,XYY. Возможны и другие механизмы, например постзиготическая нон-диджин, но чаще — носительская непунктуальная редукция (nondisjunction) сперматогенеза.
• Ответ: мутация — геномная анеуплоидия 47,XYY, чаще всего вызвана нон-диджин в сперматогенезе.

4. Задача 3 (хромосомные мутации)
5. В результате мутации последовательность генов в хромосоме изменилась с ABCDEFGH на ABCFDFH. Определите тип хромосомной мутации.

Пояснение:

• Исходная последовательность: ABCDEFGH.
• Новая: ABCFDFH.
• Видно, что часть последовательности утрачена (E и G отсутствуют), и при этом присутствуют повторяющийся F (второй F). Это нельзя однозначно объяснить одной классической мутацией (делеция или дупликация) без дополнительной информации о том, была ли вставка/удаление целого фрагмента и каков был контекст.
• Правильнее всего охарактеризовать как сложную внутрихромосомную мутацию: сочетание делекции (удаление E и G) и дупликации (удвоение F). Это комплексная мутация в одной хромосоме, состоящая из двух событий.
• Ответ: сложная хромосомная мутация, включающая делецию элементов E и G и дупликацию элемента F (одновременно).

2. В геноме организма в результате действия токсинов произошла хромосомная перестройка между генами, находившимися в одной хромосоме. Последовательность генов изменилась с ABCDEFGF на ABCFEDGH. Определите тип мутации.

Пояснение:

• Исходная последовательность: ABCDEFGF.
• Новая последовательность: ABCFEDGH.
• Это перестройка внутри одной хромосомы: изменение порядка участков (генов) без удаления/добавления отдельных элементов относительно всей хромосомы. Это не инверсия (поскольку порядок не полностью развёрнут), а перестановка последовательности.
• Ответ: внутрихромосомная перестройка (перестановка участков) — тип хромосомной мутации.

5. Вопросы для самоконтроля (кратко и понятно)

• Назовите причины образования мутаций.
  • Ошибки репликации ДНК, влияние радиации и химических мутагенов, ультрафиолетовое облучение, химические вещества, вирусы.
  • Репликативные «соскальзывания» повторяющихся участков, ошибки ремоделирования хромосом во время мейоза, активность мобильных элементов.
• С чем связаны хромосомные мутации?
  • С нарушениями распределения хромосом во время мейоза (нонтиджинг), структурными изменениями хромосом: делеции, дупликации, инверсии, транслокации.
• Какие изменения происходят с организмом при геномных мутациях? Приведите примеры.
  • Число хромосом меняется (анеуплоидия, полиплоидия). Примеры у человека: трисомия 21 (синдром Дауна), трисомия 18, моносомия X (Turner синдром); у растений часто встречаются полиплоидные формы — обычно жизненно жизнеспособны и часто обладают изменёнными агрессивными или плодородными свойствами.

6. Дополнительные пояснения

• Если в конкретной задаче задана точная нуклеотидная последовательность и дано изменение конкретного нуклеотида (например, C → G в конкретной позиции кодона), то можно точно определить, какой аминокислотой этот кодон станет после изменения, и будет ли это т. н. missense, silent или nonsense мутация. В приведённых примерах я показываю общую логику и даю примеры возможных исходов, чтобы вы могли адаптировать решение под конкретную последовательность.
• При построении генотипических схем скрещивания для задач по мутациям:
  • для геномных мутаций учитывайте число хромосом в зиготе и возможные механизмы образования гамет (мейоз).
  • для хромосомных мутаций помните о классических типах: делеция, дупликация, инверсия, транслокация и перестройка внутри хромосомы.
  • для генных мутаций обычно строят последовательности кодонов и смотрят на эффект на аминокислотную последовательность.

Если хотите, могу привести еще конкретные примеры решения одной-двух задач под ваши номера и показать детальные схемы скрещивания (гаметы, мейоз, формирование зиготы) для каждого случая. Также могу подготовить краткую таблицу соответствия тип/пример/последствия для быстрой справки на экзамене.