Примеры хромосомных и генных мутаций у человека

Генные мутации

Задача 702.
Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны. Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5’ конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5’ к 3’ концу. Фрагмент молекулы ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь - смысловая, нижняя – транскрибируемая):   

5’ – ТГЦАЦАТТТАТГГГЦ - 3’   
3’ – АЦГТГТАААТАЦЦЦГ - 5’.
   
Определите последовательность аминокислот во фрагменте полипептидной цепи и обоснуйте свой ответ. Какие изменения могли произойти в результате генной мутации во фрагменте молекулы ДНК, если третья аминокислота в полипептиде заменилась на аминокислоту Асп?  
Объясните последовательность решения задачи. Для решения используйте таблицу генетического кода.
Решение:
1. Установим последовательность иРНК по нижней цепи ДНК, так как указано, что она транскрибируемая:

мДНК: 3’ – АЦГТГТАААТАЦЦЦГ - 5’
мРНК: 5’ – УГЦАЦАУУУАУГГГЦ - 3’.

2. Для удобства решения задачи разобьем мРНК на триплеты:

мРНК: 5’- УГЦ АЦА УУУ АУГ ГГЦ -3’.

3. Используя таблицу "Генетический код" определим состав и последовательность аминокислот в полипептидной цепи, закодированной в этом участке гена, получим:

мРНК: 5’- УГЦ АЦА УУУ АУГ ГГЦ -3’
    белок: Цис-Тре-Фен-Мет-Гли.
 
4. Во фрагменте полипептида третья аминокислота (Фен) заменилась на (Асп), что возможно при замене третьего кодона в мРНК 5’-УУУ-3’ на кодон 5’- ГАУ-3’ или 5’-ГАЦ-3’ → кодоны находим по таблице генетического кода.
Третий триплет в смысловой цепи ДНК 5’-ТТТ-3’ заменился на триплет 5’-ГАТ-3’ или 5’-ГАЦ-3’.

5. Свойство генетического кода — избыточность (вырожденность), так как одной аминокислоте (Асп) соответствует более одного триплета (два триплета). Допустим, что третий триплет в смысловой цепи ДНК 5’-ТТТ-3’ заменился на триплет 5’-ГАТ-3’, тогда можно записать:

сДНК: 5’ – ТГЦ АЦА ГАТ АТГ ГГЦ - 3’   
мДНК: 3’ – АЦГ ТГТ ЦТА ТАЦ ЦЦГ - 5’ 
мРНК: 5’ – УГЦ АЦА ГАУ АУГ ГГЦ – 3’
    пептид: Цис-Тре-Асп-Мет-Гли.

ИЛИ

Допустим, что третий триплет в смысловой цепи ДНК 5’-ТТТ-3’ заменился на триплет 5’-ГАЦ-3’, тогда можно записать:
сДНК: 5’ – ТГЦ АЦА ГАЦ АТГ ГГЦ - 3’   
мДНК: 3’ – АЦГ ТГТ ЦТГ ТАЦ ЦЦГ - 5’ 
мРНК: 5’ – УГЦ АЦА ГАЦ АУГ ГГЦ – 3’
    пептид: Цис-Тре-Асп-Мет-Гли.

Задача 703.
У человека, свиньи и кролика белковый гормон инсулин различается лишь по одной аминокислоте: в положении 30 у кролика в цепи имеется серин, у свиней – аланин, у человека треонин. Установите какие точковые мутации могли привести к возникновению вариантов инсулина.
Решение:
Каждой аминокислоте белка соответствует комбинация из трех нуклеотидов ДНК. Как известно, в состав ДНК могут входить четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Оказалось, что многим аминокислотам соответствует не один, а несколько кодонов. Аминокислоте серину соответствуют 6 кодонов – АГА, АГГ, АГТ, АГЦ, ТЦА и ТЦГ, аминокислоте аланину соответствуют 4 кодона – ЦГА, ЦГГ, ЦГТ и ЦГЦ, аминокислоте треонину 4 кодона - ТГА, ТГГ, ТГТ и ТГЦ. Из чего следует, что первые 4 кодона серина и по 4 кодона аланина и треонина отличаются друг от друга только первыми нуклеотидами, у серина это (А) аденин, у аланина - (Ц) цитозин, у треонина - (Т) тимин. Получается, что случайная ошибка в первом нуклеотиде кодона сможет привести к изменению в структуре белка.
 
Таким образом, замена в цепи ДНК кролика в положении 30 аденина (А) на цитозин (Ц) приводит к изменению в структуре белка, замена серина на аланин, т. е. к синтезу инсулина свиньи. Если в цепи ДНК свиньи в положении 30 произойдёт замена цитозина на тимин, то в структуре белка произойдёт замена аланина на треонин, что приведёт к синтезу инсулина человека. 
Таким образом, точковые мутации в данном конкретном положении ДНК по замене нуклеотидов адениена, цитозина и тимина привели к возникновению этих вариантов инсулина в процессе эволюции позвоночных животных.
 

Задача 704.
Дан участок левой цепи ДНК: ЦААГАТТАЦА. 
а) какова первичная структура белка синтезированного по генетической информации в правой цепи? 
б) как изменится структура белка, если в левой цепи ДНК выпадает 8-й нуклеотид? 
в) к каким биологическими последствием это может привести в организме? 
Подпишите, где происходит трансляция, где транскрипция.
Решение:
Кодирующая цепь молекулы ДНК комплементарна второй (А - Т, Г - Ц). Используя правило комплементарности, в соответствии с кодом левой цепи ДНК записываем нуклеотиды правой цепи:

 левая цепь ДНК: ЦААГАТТАЦА
правая цепь ДНК: ГТТЦТААТГТ.

а) На основе кода правой цепи ДНК строим иРНК также пользуясь принципом комплементарности (А-У, Г-Ц):

правая цепь ДНК: ГТТЦТААТГТ
                  иРНК: ЦААГАУУАЦА.

Теперь разобьем цепь и-РНК на триплеты, получим:

иРНК: ЦАА ГАУ УАЦ А.
 
Используя таблицу "Генетический код" определим состав и последовательность аминокислот в полипептидной цепи, закодированной в этом участке гена, получим: Глн - Асп - Тир (глутамин - аспарагиновая кислота - тирозин).

б) запишем последовательность нуклеотидов в правой цепи ДНК после того как в левой цепи выпадет 8-й нуклеотид, получим:

 изм. левая цепь ДНК: ЦААГАТТЦА
изм. правая цепь ДНК: ГТТЦТААГТ.

На основе полученног кода правой цепи ДНК строим иРНК также пользуясь принципом комплементарности (А-У, Г-Ц):

изм.правая цепь ДНК: ГТТЦТААГТ
                        иРНК: ЦААГАУУЦА.                  

Теперь разобьем цепь и-РНК на триплеты, получим:

иРНК: ЦАА ГАУ УЦА. 

Используя таблицу "Генетический код" определим состав и последовательность аминокислот в полипептидной цепи, закодированной в этом участке гена, получим: Глн - Асп - Сер (глутамин - аспарагиновая кислота - серин).

в) таким образом, замена в клетке трипептида Глн - Асп - Тир на трипептид Глн - Асп - Сер может привести к нарушению матаболизма в клетке, и, даже к ее гибели.
 

Хромосомные мутациии (делеция и инверсия)

Задача 705.
Какие дети по признаку пола могут родится в семье, если в Y-хромосоме сперматозоидов мужа произошла делеция Н-У-генного локуса (детерминирует мужской пол гонад)? Напишите хромосомные наборы всех детей и их пол (по фенотипу). Вычислите вероятность рождения в этой семье по фенотипу мальчиков и девочек.
Решение:
Делеция в генетике — вид хромосомных мутаций, при котором происходит потеря какого-либо участка хромосомы. Поэтому при отсутствии участка Y-хромосомы, содержащего ген, детерминирующbq мужской пол гонад, процесс развития эмбриона нарушается на стадии дифференцировки гонад. В результате фенотип будет женский при мужском кариотипе 46,ХУ. Хромосомные наборы всех детей - 46,ХХ и 46,ХY, но в результате у всех детей фенотип будет женский.
Таким образом, вероятность рождения в этой семье по фенотипу мальчиков равна 0,00% и девочек - 100%.
 

Задача 706.
Участок матричной цепи ДНК имел последовательность нуклеотидов: ГААЦГАТТЦГГЦЦАГ. После мутации в геноме организма произошла хромосомная перестройка между генами, находившимися в одной хромосоме. Последовательность нуклеотидов в ДНК изменилась на ГТТАГЦААЦГГЦЦАГ. 1) Определите тип мутации. 2) Структуру белка в норме. 3) Структура белка после мутации. 
Решение:
1. Выпишем первоначальную последовательность нуклеотидов - ГААЦГАТТЦГГЦЦАГ, под ней запишем полученную в результате мутации - ГТТАГЦААЦГГЦЦАГ, получим:

ГААЦГАТТЦГГЦЦАГ
ГТТАГЦААЦГГЦЦАГ.

Из такой записи становится понятным, что поменялись местами гены (ААЦГАТТ) и (ТТАГЦАА), т.е. имела место инверсия¹. 

2. Структура белка в норме. Пользуясь принципом комплементарности (А = У, Т = А, Г = Ц), получим:
мДНК: ГААЦГАТТЦГГЦЦАГ
 иРНК: ЦУУГЦУААГЦЦГГУЦ.

Для удобства разобьем иРНК на триплеты, получим:

ЦУУ ГЦУ ААГ ЦЦГ ГУЦ.

Пользуясь генетическим кодом (таблица генетического кода), определяем последовательность аминокислот, получим структуру белка в норме:

Лей - Ала - Лиз - Про - Вал.

3. Структура белка после мутации. Пользуясь принципом комплементарности (А = У, Т = А, Г = Ц), получим:

мДНК: ГТТАГЦААЦГГЦЦАГ
иРНК: ЦААУЦГУУГЦЦГГУЦ.

Для удобства разобьем иРНК на триплеты, получим:

ЦАА УЦГ УУГ ЦЦГ ГУЦ.

Пользуясь генетическим кодом (таблица генетического кода), определяем последовательность аминокислот, получим:

Глн - Сер - Лей - Про - Вал.

Ответ:
1) тип мутации - инверсия;
2) структуру белка в норме - Лей - Ала - Лиз - Про - Вал - ;
3) структура белка после мутации - Глн - Сер - Лей - Про - Вал -.

Комментарии:
¹Инверсия – разрыв хромосомы в 2-х местах, разворот получившегося фрагмента на 180° и обратное встраивание на место разрыва. Перицентрическая инверсия — поворот участка, содержащего центромеру; парацентрическая — не содержащего центромеру. При инверсиях не происходит потери генетического материала, поэтому инверсии могут не влиять на генотип.