Практическая работа № 5 Тема: Решение задач на определение типа мутации при передаче наследственных признакое составление генотипических схем скрещивания студ Цель: закрепить теоретические знания о типах мутаций и их происхождении, научиться решать задачи на определение типов мутаций. 1.Изучите теоретическую часть. Ход работы: 2.Выполните задания практической части. 2.5.1 Краткие теоретические сведения Мутация от латинского «mytatio» - изменение. Это качественные и количественные изменения ДНК организмов, приводящие к изменениям генотипа. Термин введён Гуго де Фризом в 1901 году. Затрагивают ДНК в различной степени: отдельный ген, отдельную хромосому или весь генотип. По уровню возникновения мутации делят на группы. Генные мутации: Изменение одного или нескольких нуклеотидов в пределах гена, их часто называют точечными. Они возникают при репликации ДНК, вместо комплементарных пар А-Т и Г- Ц возникают неправильные сочетания, в результате возникают новые сочетания нуклеотидов, которые кодируют новые или изменённые белки. Такие, казалось бы, незначительные изменения приводят к серьёзным, неизлечимым заболеваниям. Хромосомные мутации значительные изменения структуры хромосом, затрагивают несколько генов. В зависимости из изменений их делят на группы:ouogнoo фus - A) утрата - отрыв концевой части хромосомы (хромосомная мутация приводит к смерти) Б) делеция - утрата средней части (тяжелые заболевания, летальный исход)во B) дупликация -удвоение какого-либо участка Г) инверсия - разрыв хромосомы в 2-х местах, разворот получившегося фрагмента на 180°и обратное встраивание на место разрыва. Д) транслокация- участок хромосомы прикрепляется к другой, не гомологичной ей. Возникают при нарушениях процесса деления. E) хромосомные аберрации - различные изменения структуры хромосом (нехватки, транслокации, инверсии, дупликации), затрагивающие обе хроматиды, поскольку эти изменения происходят до начала репликации, т. е. на стадии G1 клеточного цикла. Иногда под хромосомными аберрациями подразумевают весь комплекс нарушений генома на уровне отдельных хромосом. Хромосомные мутации: закономерно приводят к гибели организмов, так как затрагивают целые хромосомы Геномные мутации: изменение числа хромосом, которые бывают: A) не кратно гаплоидному набору (± 1 хромосома) - гетероплоидия; Б) кратно гаплоидному набору (увеличение числа хромосом в 2, 4 и более раз) -полиплоидия. Причина наследственных заболеваний у человека - это мутации, то есть спонтанные изменения генов, которые возникают, в первую очередь, под влиянием окружающей среды. Лечение наследственных заболеваний крайне затруднено, его практически не существует, можно лишь улучшить симптомы. 2.5.2 Порядок выполнения работ Задание 1. Решить задачи на генные мутации Образец решения задач Как изменится структура белка, если из кодирующего его участка ДНК 5"ТТАТГТАААТТТЦАГ : удалить пятый и 13-й слева нуклеотиды? Решение: Построим молекулу и-РНК по принципу комплементарности, а затем определим последовательность аминокислот в полипептидной цепи до изменений ДНК: 5' ТТАТГТАААТТТЦАГ 3'- кодогенная цепь 3' ААТАЦАТТТАААГТЦ 5' - матричная цепь И-РНК: 5' УУАУГУАААУУУЦАГ 3 а/к: лей-цис-лиз-фен-глн. Произведем указанные изменения в структуре ДНК и вновь определим последовательность аминокислот и-РНК: 5' УУАУУАААУУУА 3' а/к лей-лей-асп-ле 1) Участок цепи белка вируса табачной мозаики состоит из следующих аминокислот: сер-гли-сер- иле-тре-про-сер. В результате воздействия на иРНК азотистой кислоты цитозин РНК превращается в гуанин. Определите изменения в строении белка вируса после воздействия на и-РНК азотистой кислото! Решение: 2) Фрагмент кодогенной цепи ДНК в норме имеет следующий порядок нуклеотидов: 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. Решение: 3) У человека, больного цистинурией (содержание в моче большего, чем в норме, числа аминокислот), с мочой выделяются аминокислоты, которым соответствуют следующие триплеты и-РНК УЦУ, УГУ, ГЦУ, ГГУ, ЦАГ, ЦГУ, ААА. У здорового человека в моче обнаруживаются аланин, серин, глутаминовая кислота и глицин. Напишите триплеты и-РНК, соответствующие аминокислотам, имеющимся в моче здорового человека. Задание 2. Решить задачи на геномные мутации Образцы решения задач. При решении подобных задач нужно указать, при слиянии каких гамет формируется зигота с данным кариотипом, затем показать механизм возникновения этих гамет в процессе мейоза. Задача 1: В клетках фибробластов эмбриона человека установлен кариотип 3А+ХХ. Объясните механизм возникновения такого кариотипа. Решение: 2 л+х бщее количество хромосом в кариотипе 3А + Х равно 22×3+2=68 хромосом. Зигота с кариотипом 3А + XХ могла возникнуть при слиянии: нормальной яйцеклетки (А+Х) с аномальным сперматозоидом (2А+X). 46 хр A+XA+X 2л+ху23 хр. 23 хр. 23 хр. 23 хр. 46 хр. 2A+0+ 2A+ 0+у 45 хр. 45 хр. 1 хр. 1 хр. 3A+XX= (A+X) + (2A+X) 1) Объяснить механизм возникновения кариотипа 2А+ХХХ у женщины. Указать общее количество хромосом в кариотипе и количество хромосом в гаметах. Указать название мутации? Охарактеризовать фенотип и назвать синдром? Решение: 2) В консультацию обратилась супружеская пара, у которой родился ребенок с синдромом Дауна. Родители оба здоровы. У материи в кариотипе выявлена транслокация части хромосомы 21 на хромосом 15 (trs 15+21). Объясните механизм появления кариотипа больного ребенка. Могут ли в данной семье родиться здоровые дети? Решение: 3) Все клетки больного мужчины имеют по 47 хромосом за счет лишней Y-хромосомы. Укажите название этой мутации и возможные механизмы ее возникновения. Решение: Задание 3. Решить задачи на хромосомные мутации 1) В результате мутации последовательность генов в хромосоме изменилась с ABCDEFGH на ABCFDFH. Определите тип хромосомной мутации. Решение: 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. Решение: Вопросы для самоконтроля: 1. Назовите причины образования мутаций. 2. С чем связаны хромосомные мутации? 3. Какие изменения происходят с организмом при геномных мутациях? Приведите примеры

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) 1) 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.