Сборник задач по медицинской генетике с решениями

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО НАДЗОРУ В СФЕРЕ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Негосударственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ ИНСТИТУТ "РЕАВИЗ"

(НОУ ВПО СМИ «РЕАВИЗ»)

Кафедра естественнонаучных дисциплин

Антипов Е.В.

СБОРНИК ЗАДАЧ ПО МЕДИЦИНСКОЙ ГЕНЕТИКЕ С РЕШЕНИЯМИ

(учебное пособие для студентов медико-социального факультета)

Самара 2012

УДК

ББК

Составитель: Антипов Е.В.

Сборник задач по медицинской генетике с решениями (учебное пособие для студентов медико-социального факультета)

Рассмотрены основные понятия и законы медицинской генетики. В сборнике приведены алгоритмы решения задач по всем разделам, а также содержатся задачи для самостоятельного решения.

Сборник задач предназначен для студентов медико-социального факультета в качестве методического пособия для подготовки к практическим занятиям по биологии.

© НОУ ВПО СМИ «РЕАВИЗ», 2012

2

СОДЕРЖАНИЕ

Основные понятия генетики, необходимые для решения задач…………………3 Раздел I. Задачи по молекулярной генетике……….………………………………7

1.Молекулярные основы наследственности..…………………………………..7 Раздел II. Задачи по медицинской генетике………………………………………20

1.Моногибридное скрещивание………………………………………………..20

1.1.Полное доминирование………………………………………………20

1.2.Неполное доминирование……………………………………………28

2.Полигибридное скрещивание………………………………………………..35

2.1.Дигибридное скрещивание…………………………………………..35

2.2.Тригибридное скрещивание…………………………………………41

3.Наследование по типу множественных аллелей……………………………50

4.Пенетрантность………………………………………………………………..55

5.Взаимодействие неаллельных генов…………………………………………62

5.1.Комплементарность………………………………………………….62

5.2.Полимерия…………………………………………………………….64

5.3.Эпистаз………………………………………………………………..69

6.Наследование признаков, сцепленных с полом…………………………….73

7.Сцепленное наследование……………………………………………………85

7.1.Полное сцепление……………………………………………………87

7.2.Неполное сцепление…………………………………………………90

8.Анализ родословных………………………………………………………….98

Приложение 1. Таблица генетического кода……………………………………104 Приложение 2. Наследственные болезни и аномалии…………………………105

3

Основные понятия генетики, необходимые для решения задач

Молекулярная биология – наука, изучающая основные свойства и проявления живого на молекулярном уровне: структурно-функциональную организацию генетического аппарата клеток и механизм реализации наследственной информации.

Генетика – наука о закономерностях наследственности и изменчивости живых организмов и методах управления ими.

Наследственность – свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями.

Изменчивость – свойство организмов приобретать новые признаки и свойства.

Нуклеиновые кислоты – полинуклеотиды, природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации в живых организмах. Различают дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК).

Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) – нуклеиновые кислоты,

содержащие в качестве углеводного компонента дезоксирибозу, а в качестве азотистых оснований аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). ДНК – первичный носитель генетической информации почти у всех организмов (кроме РНК-содержащих вирусов).

Рибонуклеиновые кислоты – нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента рибозу, а в качестве азотистых оснований аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У). Различают несколько классов РНК в соответствии с их функциями и структурными особенностями: рибосомальная (рРНК), транспортная (тРНК), информационная или матричная (иРНК или мРНК), гетероядерная (гяРНК).

Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы т-РНК, р-РНК, или взаимодействующий с регуляторным белком, единица генетической (наследственной) информации.

Интрон – участок гена эукариот, который не несет генетической информации кодирующую синтез полипептида; расположен между экзонами.

Экзон – участок гена эукариот, несущий генетическую информацию, кодирующую синтез полипептида.

Репликация (редупликация) – процесс самовоспроизведения макромолекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению.

Транскрипция – биосинтез молекул РНК на соответствующих участках ДНК, первый этап реализации генетической информации в живых клетках.

Процессинг – совокупность реакций, ведущих к превращению первичных продуктов транскрипции и трансляции в функционирующие молекулы.

Сплайсинг – особый тип процессинга в клетках эукариотических организмов, которому подвергаются предшественники всех мРНК (про-мРНК), а также некоторые тРНК и рРНК. При сплайсинге в молекулах этого типа некодирующие последовательности нуклеотидов (интроны) удаляются, а

4

кодирующие последовательности нуклеотидов (экзоны) сшиваются, образуя зрелые мРНК.

Трансляция – синтез полипептидных цепей белков по матрице иРНК согласно генетическому коду.

Генетический код – свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации о последовательности аминокислот в белке с помощью последовательности нуклеотидов в ДНК и и-РНК.

Кодон – единица генетического кода, триплет нуклеотидов ДНК (и-РНК), кодирующий одну аминокислоту.

Антикодон – триплет нуклеотидов т-РНК, комплементарный кодону и-РНК и связывающийся с ним в рибосоме при трансляции.

Аллель – форма существования гена, определяющая возможность развития конкретного варианта данного признака. Чаще всего у гена два аллеля – доминантный и рецессивный, но встречаются случаи множественного аллелизма.

Геном – совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организмов.

Генотип – совокупность аллелей гена или группы генов, контролирующих анализируемый признак у данного организма.

Фенотип – совокупность признаков и свойств особи, которые формируются в процессе взаимодействия генотипа с окружающей средой.

Кариотип – совокупность признаков хромосомного набора (число, размер, форма хромосом), характерных для того или иного вида.

Гены аллельные – гены, расположенные в одних и тех же локусах гомологичных хромосом, ответственные за развитие одного признака.

Гены неаллельные – гены, расположенные в различных локусах гомологичных хромосом или в разных парах хромосом.

Генетическая карта хромосомы – схема взаимного расположения генов, находящихся в одной группе сцепления.

Группа сцепления – гены одной хромосомы.

Гены сцепленные – гены, расположенные в одной хромосоме, образующие группу сцепления и наследуемые совместно.

Хромосомы – органоиды клеточного ядра, являющиеся носителями генов и определяющие наследственные свойства клеток и организмов.

Аутосомы – все хромосомы в клетках раздельнополых животных, растений и грибов, за исключением половых хромосом.

Половые хромосомы – хромосомы, определяющие различие кариотипов особей разных полов у раздельнополых организмов.

Локус – местоположение определенного гена (его аллелей) на генетической карте хромосомы.

Гомологичные хромосомы – парные хромосомы, одинаковые по форме, размерам, характеру наследственной информации, несущие в одних и тех же локусах аллели одного и того же гена, но разные по происхождению – одна из гомологичных хромосом получена данной особью от отца, другая – от матери.

Гаплоидный набор хромосом – одинарный, половинчатый набор хромосом, когда из каждой пары гомологичных хромосом имеется только одна (у человека – 23 хромосомы).

5

Диплоидный набор хромосом – двойной, полный набор хромосом (у человека – 46 хромосомы).

Гаметы – половые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды).

Гомозигота – особь, гомологичные хромосомы которой несут одинаковые аллели того или иного гена.

Гетерозигота – особь, у которой гомологичные хромосомы несут различные аллели (альтернативные формы) того или иного гена.

Кроссинговер – обмен участками несестринских хроматид гомологичных хромосом во время их конъюгации в профазе первого деления мейоза.

Кроссоверные гаметы – гаметы, при образовании которых произошел кроссинговер.

Кроссоверные особи (рекомбинанты) – особи, развившиеся в результате слияния кроссоверных гамет. У этих особей в фенотипе появляются новые, по сравнению с родителями, сочетания признаков.

Плейотропия – множественное действие гена, способность гена воздействовать на несколько признаков.

Признак – какое-либо качество организма, по которому можно отличить один организм от другого.

Альтернативные признаки – контрастные взаимоисключающие признаки. Доминантный признак – признак, проявляющийся у гибридов первого

поколения или в гетерозиготном состоянии. Преобладающий признак. Рецессивный признак – подавляемый признак, проявляющийся только в

гомозиготном состоянии и не проявляющийся у гибридов первого поколения, но передающийся по наследству.

Аутосомный признак – признак, который определяется геном, расположенным в аутосомах.

Признак, сцепленный с полом – признак, который определяется геном, расположенным в половых хромосомах.

Голандрический признак – признак, который определяется геном, расположенным в Y-хромосоме.

Наследование – передача наследственной информации от родителей потомству.

а) Независимое наследование – свободное комбинирование признаков, гены которых локализованы в разных парах гомологичных хромосом.

б) Сцепленное наследование – совместное наследование признаков, гены которых локализованы в одной хромосоме.

в) Сцепленное с полом наследование – наследование признаков, гены которых локализованы в половых хромосомах.

г) Промежуточное наследование (неполное доминирование) –

проявление в фенотипе гетерозиготной особи промежуточного, по сравнению с гомозиготными родителями, признака.

Скрещивание (гибридизация) – объединение наследственной информации двух клеток.

а) Моногибридное скрещивание – скрещивание организмов, в котором анализ производят по одной паре альтернативных признаков.

б) Дигибридное скрещивание – скрещивание организмов, в котором анализ производят по двум парам альтернативных признаков.

6

в) Полигибридное скрещивание – скрещивание организмов, в котором анализ производят по многим парам альтернативных признаков.

г) Анализирующее скрещивание – скрещивание особи, генотип которой неизвестен, с гомозиготной по рецессиву особью.

Пенетрантность (степень пробиваемости гена в признак) – частота проявления аллеля определенного гена у разных особей определенной группы организмов.

Экспрессивность – степень фенотипического проявления 1 и того же гена у разных особей определенной группы организмов.

Комплементарность – тип взаимодействия неаллельных генов, при котором развитие признака может определяться не одной, а двумя или более парами неаллельных генов, располагающихся в разных хромосомах.

Полимерия – обусловленность определенного признака несколькими парами неаллельных генов, обладающих одинаковым действием.

Эпистаз (противоположное действие генов) – явление, при котором ген одной аллельной пары (супрессор) в доминантном (доминантный эпистаз) или рецессивном (рецессивный эпистаз – криптомерия, или гипостаз) состоянии может подавлять развитие признака, который контролируется другой парой генов.

Решетка Пеннета – таблица, в которой по горизонтали и вертикали вписываются все возможные генотипы гамет родительских особей, а искомые генотипы потомков находятся в ячейках полученной решетки.

Мейоз – способ деления клеток, в результате которого происходит редукция (уменьшение) числа хромосом и переход клеток из диплоидного состояния в гаплоидное.

Митоз – непрямое деление, основной способ деления эукариотических клеток.

Мутации – внезапные, естественные или вызванные искусственно наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма.

Популяция – совокупность особей одного вида, скрещивающихся между собой и имеющих определенный ареал обитания.

Панмиксия – свободное скрещивание разнополых особей с разными генотипами в популяции перекрестнооплодотворяющихся организмов.

7

РАЗДЕЛ I

ЗАДАЧИ ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКЕ

1. Молекулярные основы наследственности

Решение данного типа задач основано на знании центральной догмы молекулярной биологии (рис. 1):

Рис. 1. Центральная догма молекулярной биологии

Она говорит о том, что для осуществления синтеза полипептидов генетическая информация, закодированная в ДНК в составе хроматина, переписывается (процесс

транскрипции, происходит в ядре) по принципу комплементарности азотистых оснований на информационную РНК (иРНК или матричная мРНК), которая переходит из ядра в цитоплазму, где принимает участие в процессе трансляции: переводе информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот, т. е. процессе синтеза полипептида.

Указанные процессы осуществляются по принципу комплементарности молекул ДНК. Согласно этому принципу, аденин (А) всегда в норме соединяется с тимином (Т) – в ДНК или урацилом (У) в РНК. Гуанин (Г) всегда в норме соединяется с цитозином (Ц). Между А и Т образуются две водородные связи, а между Г и Ц – три. Записывается принцип комплементарности следующим образом:

А – Т (У) Г – Ц

В результате после двухразового использования принципа комплементарности (после транскрипции и трансляции) последовательность аминокислот в белке будет точно соответствовать последовательности триплетов (кодонов) в ДНК.

8

В пределах одного гена, который кодирует полипептид, участок молекулы ДНК подразделяется на функционально различные единицы. Отличительная черта строения многих генов эукариот – прерывистость структуры смысловой части. Смысловые участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке – экзоны, чередуются с участками некодирующих последовательностей – интронами. Часто интроны по длине могут превосходить экзоны. Наличие избыточных последовательностей приводит к тому, что длина гена может быть в несколько раз больше, чем требуется для кодирования аминокислот в белке. Гаплоидный набор хромосом человека содержит 3,5 × 10 нуклеотидных пар, что по количеству соответствует примерно 1,5 млн. пар генов. Однако данные по изучению генома человека показывают, что организм человека имеет не более 100 тыс. генов. Это значит, что в клетках человека только 1% ДНК выполняет кодирующие функции. В отношении оставшихся 99% существуют разные гипотезы, обосновывающие их регуляторные и структурные функции. Затем в ходе созревания РНК в ядре из нее удаляются интроны, а концы соседних экзонов сшиваются стык в стык. Процесс удаления последовательностей РНК, соответствующих нитронам, и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов называется сплайсингом. Кроме того транскрибируемая молекула модифицируется добавлением метилированного Г- нуклеотида на 5'-конце (кэпирование) и поли-А последовательности на 3'-конце. Модифицированные участки играют важную роль в инициации белкового синтеза, защищают транскрипт т-РНК от деградации. Имеются данные, свидетельствующие о том, что поли-А конец участвует в транспорте зрелой м-РНК из ядра в цитоплазму и продлевает ее функционирование там. Весь суммарный процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом. Созревшая м-РНК выходит в цитоплазму, прикрепляется к рибосоме, где генетическая информация транслируется в белковую последовательность. Большинство интронных последовательностей, по-видимому, не обладают специфическими функциями. Однако один и тот же транскрипт РНК может подвергаться сплайсингу по-разному, следовательно, с одного транскрипта в ходе сплайсинга способны образоваться несколько различных РНК. Такой сплайсинг называется альтернативным. Альтернативный сплайсинг сообщает клетке дополнительную генетическую пластичность.

Информация о первичной структуре полипептидов (последовательности аминокислот в них) записана в ДНК в виде трехбуквенного кода, составленного из первых букв названий четырех азотистых оснований, входящих в состав ДНК (АТГЦ). Каждой аминокислоте соответствует определенный триплет из трех соседних нуклеотидов. Например, аминокислоте фенилаланин в ДНК соответствует код он ААА, а аминокислоте серии – АГА. Свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации о последовательности аминокислот в белке с помощью последовательности нуклеотидов в ДНК и и-РНК называется

генетическим кодом.

9

Свойства генетического кода

1.Триплетность. Одну аминокислоту кодирует последовательность из трех нуклеотидов, названная триплетом, или кодоном. Каждая аминокислота

шифруется тремя стоящими рядом нуклеотидами. В этом случае из четырех нуклеотидов образуется 43 = 64 триплета.

2.Вырожденность (избыточность). Большинство аминокислот кодируется более, чем одним кодоном (2, 4 или 6). Исключение составляют аминокислоты метионин и триптофан, которые зашифрованы 1 кодоном. Каждая из них кодируется только одним триплетом. Для кодирования 20 аминокислот используется 61 комбинация нуклеотидов. Триплет АУГ, кодирующий метионин, называют стартовым. С него начинается синтез белка. Три кодона (УАА, УАГ, УГА) несут информацию о прекращении синтеза белка. Их называют триплетами терминации (синонимы: стоп-кодоны, нонсенс-кодоны, терминальные кодоны, «знаки препинания»).

3.Универсальность. У всех организмов на Земле одни и те же триплеты кодируют одинаковые аминокислоты. Такая универсальность генетического кода свидетельствует о единстве происхождения всего многообразия живых форм на Земле в процессе биологической эволюции.

4.Однозначность (специфичность). Во всех генах у всех эукариот каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.

5.Коллинеарность – совпадение последовательностей аминокислот в синтезируемой молекуле белка с последовательностью триплетов в иРНК.

6.Линейность (непрерывность и неперекрываемость кодонов при считывании). Это означает, что последовательность нуклеотидов считывается триплет за триплетом без пропусков, при этом соседние триплеты не перекрывают друг друга, т.е. каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета при заданной рамке считывания.

10