Příklady z genetiky

Příklady z genetiky 

 

Soubor příkladů ze stránek 

http://www.genetika-biologie.cz/

 

 

 

 

Verze 1.0 (11.9.2011) 

MUDr. Antonín Šípek jr. (Azrael) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uvedená práce (dílo) podléhá licenci 

Creative Commons Uveďte autora-Nevyužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko

 

 

1.

 

 Molekulární genetika 

1)

 

DNA, komplementarita, dopsání komplementárního vlákna 

 

Zadání:

 

Máte zadaný úsek vlákna DNA. Dopište k zadanému vláknu komplementární vlákno, aby se obnovila 

dvoušroubovice.

 

5' C A T T G A G T 3' 

Řešení:

 

Teorie je uvedena především v kapitole

 DNA. 

Podle 

Chargaffova pravidla

 

je v molekule DNA stejné zastoupení purinových (adenin, guanin) a 

pyrimidinových bází (cytosin, thymin) stejné. Bylo zjištěno, že se párují

 

adenin s thyminem

 (2 

vodíkové můstky) a

 

cytosin s guaninem

 

(3 vodíkové můstky).

 

Pro zápis používáme zkratky bází 

- A, C, G a T 

Vlákna DNA ve dvoušroubovici jsou orientována

 

antiparalelně

. DNA vlákno má tak "dva konce" 

- 

podle čísla volného uhlíku deoxyribosy rozlišujeme 5' a 3' konec. Při zápisu komplementárního vlákna 

tak musíme mít na paměti, že druhé vlákno je orientováno antiparalelně.

 

Výsledek:

 

5' C A T T G A G T 3' 

3' G T A A C T C A 5' 

2)

 

Transkripce, přepis z DNA do RNA 

 

Zadání 1:

 

Máte zadaný úsek vlákna DNA. Dopište k zadanému vláknu komplementární vlákno RNA.

 

3' C A T T G A G T 5' 

Řešení:

 

Teorie je uvedena především v kapitole

 Transkripce. 

V molekule RNA se nevyskytuje pyrimidinová báze thymin. Místo ní v RNA nacházíme pyrimidinovou 

bázi

 

uracyl

, který je rovněž komplementární k adeninu.

 

Přepis genetické informace z DNA do RNA provádí

 enzym 

DNA dependentní RNA polymerasa

. Je 

důležité si uvědomit, že polymerasa čte matrici (vlákno DNA) ve směru

 

3' → 5'

, zatímco syntéza RNA 

řetězce probíhá ve směru

 

5' → 3'

. 

Geny 

jsou umístěny na obou vláknech DNA. Pro konkrétní gen je však vždy směrodatná pouze 

správně polarizovaná sekvence jednoho vlákna. Z hlediska jednoho přepisovaného genu můžeme 

vlákna dvoušroubovice DNA rozdělit na

 

kódující vlákno

 a 

pracovní vlákno

. 

Kódující (též paměťové či pozitivní) vlákno má stejnou sekvenci (pouze místo

 T je U

) jako výsledná 

mRNA, která vzniká transkripcí tohoto genu. Je jasné, že toto vlákno nemůže sloužit jako matrice pro 

přepis do RNA. Úlohu matrice zastává druhé vlákno 

- tzv. pracov

ní (antikódující či negativní). Toto 

vlákno má tudíž komplementární sekvenci k syntetizované mRNA.

 

Pro přepis z DNA do RNA si proto musíme uvědomit jednak které vlákno je pracovní a jednak se ujistit 

o jeho polaritě (rozdíl mezi směrem čtení matrice a syntézy RNA je uveden výše).

 

V tomto jednodušším typu příkladu uvažujeme, že uvedené vlákno je rovnou vlákno pracovní a my 

pouze provedeme přepis dle komplementarity bází.

 

Výsledek:

 

3' C A T T G A G T 5'   

DNA - 

pracovní vlákno

 

5' G U A A C U C A 3'   

mRNA

 

 

Zadání 2:

 

Máte zadané paměťové vlákno DNA. Napište sekvenci mRNA, vzniklé transkripcí tohoto genu.

 

5' C A T T G A G T 3' 

Řešení:

 

Nabízí se nám dvě možná řešení. První řešení je rychlejší 

- 

vzhledem k tomu, že jde o vlákno 

paměťové (má stejnou sekvenci jako mRNA 

- 

viz výše), stačí přepsat tuto sekvenci a 

všechna

 T nahradit za U

. Polarita zůstane zachována (Paměťové vlákno DNA je orientováno stejně 

jako vzniklé vlákno mRNA).

 

Druhé řešení je pomalejší, ale kompletnější. K paměťovému vláknu nejprve doplníme komplementární 

řetězec pracovního vlákna (pozor na polarizaci 

- 

bude obrácená) a podle něj teprve opět dle 

komplementarity doplníme vlákno mRNA. Nezapomeneme opět správně označit polaritu takto 

vzniklého řetězce. Tomuto řešení se nevyhneme, pokud je i sekvence pracovního vlákna vyžadována 

jako součást řešení příkladu.

 

Výsledek:

 

5' C A T T G A G T 3'   

DNA - 

paměťové vlákno

 

3' G T A A C T C A 5'   

DNA - 

pracovní vlákno

 

5' C A U U G A G U 3'   

mRNA

 

3)

 

Translace, genetický kód 

 

Zadání 1:

 

Máte zadaný úsek vlákna mRNA. Proveďte translaci a zapište vzniklou sekvenci aminokyselin.

 

5' G A A A C C C U U 3' 

Řešení:

 

Teorie je uvedena především v kapitole

 Translace. 

Translace probíhá na ribozomech, kde je matrice (vlákno mRNA) čtena ve směru

 

5' → 3'

. Bylo 

zjištěno že genetický kód je

 

tripletový

, což znamená, že o zařazení jedné konkrétní aminokyseliny 

rozhoduje vždy trojice sousedních nukleotidů. Tyto trojice na mRNA označujeme jako

kodony

. 

Aminokyseliny jsou na místo proteosyntézy přinášeny navázané na molekuly tRNA. Molekuly tRNA 

mají ve své sekvenci zařazen triplet bází, který je komplementární k určitému tripletu 

- kodonu na 

mRNA. Tento triplet na tRNA se označuje jako

 

antikodon

. Párování kodon 

- 

antikodon pak zajišťuje 

správné zařazování aminokyselin v závislosti na čtené matrici mRNA.

 

Úkol snadno vyřešíme pomocí

 

tabulky genetického kódu, která k určitým tripletům přiřazuje kódované 

aminokyseliny. Mějte na paměti, že tyto tabulky odpovídají kodonům na mRNA, která je "čtena" ve 

směru

 

5' → 3'

. 

Dále si všimneme, že translaci zahajuje iniciační kodon

 

AUG

 

(zároveň kóduje methionin) a ukončují ji 

kodony terminační 

- 

UAA

, 

UAG

 a 

UGA

. Těmi se pro začátek nebudeme v tomto příkladu zabývat a 

provedeme pouze přepis "zleva do prava" dle tabulky genetického kódu. Stačí použít zkratky 

příslušných aminokyselin a u polypeptidového řetězce se již neoznačuje 5' a 3' konec (má smysl 

pouze u nukleových kyselin).

 

Výsledek:

 

glu - thr - leu 

 

Zadání 2:

 

Máte zadané paměťové vlákno DNA. Napište sekvenci mRNA, vzniklé transkripcí tohoto genu a 

proveďte jeho translaci.

 

3' T T T A G T G G A T A C A C G 5' 

Řešení:

 

Teorie a řešení přepisu z DNA do RNA je uvedena v

 

příkladu 2

. Proto se zde nebudu opakovat a 

pouze připomenu dbát na zapsání správné orientace řetězců. V příkladu si všimněte, že pokud 

jednoduše "pod sebe" napíšete paměťové vlákno DNA, pracovní vlákno DNA a vlákno mRNA 

- potom 

má mRNA polarizaci

 

3' → 5'

. To samo o sobě nevadí, ovšem je nutno si uvědomit, že translace 

probíhá ve

 

směru opačném

! Proto je nutné postupovat v tomto případě zprava doleva 

- nebo si pro 

názornost přepsat mRNA do správné polarizace (více než správné se hodí slovo "pohodlné"). Potom 

již není problém pomocí tabulky genetického kódu napsat sekvenci aminokyselin. Všimněte si, že 

vznikne řetězec pouhých tří

 aminokyselin - 

čtvrtý triplet je totiž terminační a ukončí tak translaci.

 

Výsledek:

 

3' T T T A G T G G A T A C A C G 5'   

DNA - 

paměťové vlákno

 

5' A A A T C A C C T A T G T G C 3'   

DNA - 

pracovní vlákno

 

3' U U U A G U G G A U A C A C G 5'   

mRNA

 

5' G C A C A U A G G U G A U U U 3'   

správně orientovaná mRNA

 

ala - his - arg   

vzniklý tripeptid

 

 

Zadání 3:

 

Proveďte translaci cirkulární mRNA, která je tvořena 13 nukleotidy o této sekvenci:

 

a) A U G A A A A A A A A A A  

b) A U G C C C C C C C C C C  

Tedy tripletem AUG a dále sekvencí 10 stejných nukleotidů.

 

Zapište sekvenci aminokyselin takto vzniklého polypeptidu.

 

Řešení:

 

Vtipem těchto hypotetických příkladů je, že v této kruhové sekvenci je iniciační triplet (

AUG), od 

kterého je zahájena transkripce a to do té doby, než dojde na terminační triplet. Pokud na něj nedojde, 

potom probíhá translace do nekonečna :

-) 

V prvním případě potom budeme překládat tuto sekvenci:

 

AUG

-AAA-AAA-AAA-AAU-GAA-AAA-AAA-AAA-

UGA

 

Ve druhém potom tuto sekvenci:

 

AUG-CCC-CCC-CCC-CAU-GCC-CCC-CCC-CCA-UGC-CCC-CCC-CCC-AUG 

Všimněte si, že v prvním případě bude translace zastavena terminačním tripletem

 

UGA

. Ve druhém 

případě však během translace na terminační triplet nikdy nenarazíme (všimněte si, že se opět vracíme 

k počátečnímu 

- 

tj. iniciačnímu tripletu

 

AUG

). 

Řešení:

 

a) met - lys - lys - lys - asp - glu - lys - lys - lys 

b) [met - pro - pro - pro - his - ala - pro - pro - pro - cys - pro - pro - pro] . n 

n je rovno nekonečnu

 

4)

 

Mutace, přepis mutované sekvence 

 

Zadání 1:

 

Máte zadaný úsek vlákna DNA (jde o kódující 

- 

paměťové vlákno. Pod ním je několik kopií stejného 

úseku, v každém však došlo k určité mutaci. Pojmenujte tyto mutace, potom proveďte transkripci a 

translaci původního i mutovaných vláken. Jaké vidíte rozdíly v

 

polypeptidových vláknech?

 

5' C G C A A T T C G A G G G G G A C C 3' - 

původní vlákno

 

5' C 

A

 C A A T T C G A G G G G G A C C 3' - 

mutované vlákno 1

 

5' C G 

A

 A A T T C G A G G G G G A C C 3' - 

mutované vlákno 2

 

5' C G 

C

 

C

 A A T T C G A G G G G G A C C 3' - 

mutované vlákno 3

 

5' C G C A A T T 

_

 G A G G G G G A C C 3' - 

mutované vlákno 4

 

Řešení:

 

Teorie je uvedena především v kapitole

 Mutace. 

Jako 

substituci

 

označujeme záměnu báze (záměna purinové báze za purinovou, či pyrimidinové za 

pyrimidinovou je tzv. transice, purinové za pyrimidinovou či naopak je tzv. transverze). Taková mutace 

může být tzv. samesense (se stejným smyslem 

- 

pokud nedojde k záměně aminok

yseliny ve 

výsledném polypeptidu), missense (s odlišným smyslem 

- 

pokud je zařazena chybná aminokyselina) 

nebo nonsense (beze smyslu - 

pokud takováto mutace vytvoří terminační triplet uprostřed genu).

 

Mutace jako 

adice

 

(přidání nadbytečného nukleotidu) neb

o 

delece

 

(chybění nukleotidu) 

způsobují

 

posun čtecího rámce

 

(frameshift). Jde o to, že díky chybějícímu nebo nadbytečnému 

nukleotidu se hranice tripletů posunou, a tak od místa mutace mohou být zařazovány zcela jiné 

aminokyseliny 

(následky mutace se neomezí na jednu aminokyselinu). Navíc takovýto posun může 

taktéž odkrýt stop kodon a tím pádem translaci předčasně ukončit.

 

Teorie a řešení přepisu z DNA do RNA je uvedena v

 

příkladu 2. Pro naše potřeby si zcela postačíme s 

tím, že paměťové vlákno DNA má stejnou sekvenci jako vzniklá mRNA (pouze místo T je U). 

Translace je pak tématem

 

příkladu 3

 

na který se zde odvolávám.

 

Provedeme tedy translace všech vláken a sepíšeme důsledky různých mutací (které nezapomeneme 

pojmenovat). 

Řešení:

 

arg - asn - ser - arg - gly - thr - 

původní vlákno

 

his - asn - ser - arg - gly - thr - 

mutované vlákno 1

 

Mutace - 

substituce (transice), měnící smysl (missense)

 

arg

 - asn - ser - arg - gly - thr - 

mutované vlákno 2

 

Mutace - 

substituce (transverze), zachovávající smysl (samesense)

 

arg - 

gln

 - 

phe

 - 

glu

 - 

gly

 - 

asp

 - 

mutované vlákno 3

 

Mutace - 

adice, s posunem čtecího rámce (frameshift)

 

arg - asn - STOP - 

mutované vlákno 4

 

Mutace - 

delece, s posunem čtecího rámce (frameshift), předčasné ukončení translace (nonsense)

 

5)

 

Restrikční analýza 

 

Zadání:

 

Určete, zda se v následujících případech jedná o úspěšnou restrikční analýzu (zda je vyšetření 

"informativní").

 

Pokud ne - 

vyřešte následující otázky pouze na základě genealogického vyšetření.

 

Schéma 1:

 

 

Matka I/2 trpí familiární hypercholestrerolémií (AD dědičná choroba). Stejná choroba se nyní projevila 

u její starší dcery (II/1). Rozhodněte, zda i další děti této matky zdědily gen pro familiární 

hypercholesterolémii.

 

Schéma 2:

 

 

Rodiče jsou zdrávi, u jejich starší dcery (II/1) byla diagnostikována fenylketonurie (AR). Žádné další z 

jejich 

dětí touto chorobou netrpí. Dokážete na základě této DNA analýzy určit, které z těchto dětí je 

přenašečem fenylketonurie?

 

Schéma 3:

 

 

Rodiče jsou zdrávi, u jejich nejmladšího dítěte (II/4) však byla krátce po narození diagnostikována 

hemofilie A (X vázaná dědičnost). Žádné jiné dítě touto chorobou netrpí. Zjistěte, od kterého z rodičů 

pochází mutovaná alela a zda (a s jakou pravděpodobností) jsou dívky II/1 a II/3 přenašečkami 

hemofilie. 

Mezi sledovaným genem a vazebným místem sondy je vzdálenost 3 cM.

 

Řešení 1:

 

Teorie je uvedena především v kapitole

 

Základní metody genetického inženýrství

. 

U prvního schématu se nejedná o informativní DNA analýzu. Otec i matka jsou homozygoti v délce 

restrikčních fragmentů a všechny jejich děti jsou heterozygoti. Nedokážeme rozlišit, který z matčiných 

fragmentů je ve vazbě s mutovanou alelou.

 

Úlohu tedy budeme řešit na základě genealogického vyšetření. Jelikož se jedná o AD dědičnou 

chorobu, matka předá mutovanou alelu v 50% případů každému dítěti.

 

Poznámka 

- 

Matku považujeme za heterozygota (nese jednu mutovanou alelu). Pokud by byla 

dominantní homozygotka (obě alely mutované), byl by její stav velmi závažný.

 

Řešení 2:

 

Také táto analýza není zcela informativní. Dokážeme sice vysledovat, který fragment u otce je ve 

vazbě s mutovanou alelou, ovšem u matky se nám to nepodaří. Postižená dcera má oba fragmenty 

délky 10 kb. Vzhledem k tomu, že otec je heterozygot v délce restrikčních fragmentů, můžeme 

zkonstatovat, že jeho 15 kb dlouhý fragment není ve vazbě s mutovanou alelou a naopak, že jeho 10 

kb dlouhý fragment ve vazbě s mutovanou alelou je.

 

Matka je ovšem stejně jako postižená dcera homozygotem v délce restrikčních fragmentů. O tom, 

který z jejich 10 kb dlouhých fragmentů je ve vazbě s mutovanou alelou, nedokážeme rozhodnout.

 

Starší syn (II/2) a mladší dcera (II/3) mají 15 kb dlouhý fragment, který mohli dostat jedině od otce. 

Tento fragment není ve vazbě s mutovanou alelou. Od matky dostali oba jeden z jejich 10 kb dlouhých 

fragmentů. Mají 50% šanci, že se jednalo o fragment s vazbou na mutovanou alelu. S 50% 

pravděpodobností tedy budou přenašeči fenylketonurie.

 

U mladšího syna (II/4) je situace jiná. Je to opět homozygot

 

pro fragment o délce 10 kb, ovšem 

narozdíl od své starší sestry je zdravý. Od svého otce mohl dostat pouze 10 kb dlouhý fragment, který 

je ve vazbě s mutovanou alelou. Od matky tedy musel dostat "zdravý" fragment o stejné délce. Jedná 

se tedy o fenotypově

 

zdravého přenašeče fenylketonurie.

 

Řešení 3:

 

Zde máme příklad informativní DNA analýzy. Otec I/1 je zdráv, proto jeho 15 kb dlouhý fragment není 

ve vazbě s mutovanou alelou (otec má jako muž pouze jeden X chromozom, proto u něj nacházíme 

pouze jeden fragm

ent, stejně jako u dalších mužských rodinných příslušníků).

 

U postiženého syna (II/4) nacházíme fragment o délce 10 kb 

- 

tudíž se jedná o fragment, který je ve 

vazbě s mutovanou alelou. Tento fragment pochází od matky. Její druhý fragment (o délce 15 kb) není 

ve vazbě s mutovanou alelou, jednak proto, že sama matka postižená není (u žen se onemocnění 

projeví pouze pokud jsou mutovány alely na obou X chromozomech) a jednak protože syn II/2 

postižen není, ačkoliv zdědil tento fragment od matky (všimněte si, že otec nikdy nepředává X 

chromozom svým synům, ale zato jej vždy předá svým dcerám 

- 

viz dále).

 

Obě dcery dostaly od otce 15 kb dlouhý "zdravý" fragment. Jejich přenašečství bude záviset na tom, 

jaký fragment získaly od matky. Jak vidíme 

- 

starší dcera II/1 dostala i od matky 15 kb dlouhý 

fragment, který rovněž není ve vazbě s mutovanou alelou. Starší dcera tedy přenašečkou není.

 

Mladší dcera II/3 dostala od matky fragment o délce 10 kb. Tento fragment je ve vazbě s mutovanou 

alelou. Tato dcera je tedy přenašečkou.

 

Vzhledem k tomu, že může dojít k rekombinaci mezi sledovaným genem a místem, kde hybridizuje 

sonda, která zviditelňuje výsledek restrikční analýzy 

- 

musíme výslednou pravděpodobnost upravit na 

základě vzdálenosti mezi sledovaným genem a místem, který rozpoznává sonda.

 

Vzdálenosti 1 cM odpovídá 1% šance rekombinace.

 

U dcery II/1 jsme na základě DNA analýzy usoudili, že se přenašečku nejedná. Po úpravě 

pravděpodobnosti však nepůjde o 0% pravděpodobnost, ale pravděpodobnost, že se jedná o 

přenašečku, bude činit 3%.

 

Stejně tak u dcery II/3 není pravděpodobnost přenašečství 100%, ale pouze 97%, neboť i zde musíme 

zohlednit pravděpodobnost rekombinace.