1.3. Моделирование изменений генетической информации при мутации генов

Генные мутации возникают при изменении структуры молекулы ДНК в следующих случаях:

– при замене пар нуклеотидов (одной или нескольких) на другие;

– при выпадении пар нуклеотидов;

– при включении (добавлении) пар нуклеотидов в цепочку ДНК.

Мутации типа замены пар оснований, например, А-Т на Г-Ц, или наоборот, могут привести к изменению смысла кодона, и тогда в соответствующем месте полипептида произойдет замена одной аминокислоты на другую.

Мутации типа выпадения или вставки оснований, при которых происходит сдвиг рамки считывания, приводят, как правило, к более существенным последствиям, так как дистальнее точки мутации меняется вся последовательность аминокислот в полипептиде. В том случае, когда выпадет или вставится в ДНК триплет оснований (кодон) изменения в полипептиде будут не столь значительны, так как выпадет или вставится одна аминокислота.

Пример

Структурный ген ДНК содержит следующую последовательность оснований: А Г Ц А Т Г Г А Г Т Т Ц А Т А Ц … При мутации гена произошла вставка тимина (Т) между шестым и седьмым основаниями. Требуется изобразить первичную структуру участка белковой молекулы, контролируемой нормальным и мутантным геном.

Решение

ДНК

3'

Т ↓

5'

А

Г

Ц

А

Т

Г

Г

А

Г

Т

Т

Ц

А

Т

А

Ц

и-РНК

5'

3'

У

Ц

Г

У

А

Ц

Ц

У

Ц

А

А

Г

У

А

У

Г

белок

серин -

тирозин-

лейцин-

лизин -

тирозин

после мутации

ДНК

3'

5'

А

Г

Ц

А

Т

Г

Т

Г

А

Г

Т

Т

Ц

А

Т

А

Ц

и-РНК

5'

3'

У

Ц

Г

У

А

Ц

А

Ц

У

Ц

А

А

Г

У

А

Г

белок

серин -

тирозин-

треонин-

глутамин-

валин

В результате вставки Т между шестым и седьмым основаниями произошло изменение аминокислотной последовательности дистальнее точки мутации.

Задачи:

1. Одна из цепочек молекулы ДНК имеет следующее строение:

а) ЦГГ ААТ ЦГТ ГАТ ЦАГ ГАЦ АЦА

б) ГТГ ЦЦЦ АГЦ АТТ ААЦ ЦЦГ

в) АГЦ ЦЦГ ГГТ ААЦ ТТА АЦГ

Какова последовательность нуклеотидов в другой цепочке этой же молекулы ДНК? Изобразить водородные связи между нуклеотидами.

2. Участок гена имеет следующее строение:

а) ГГЦ ГЦГ ЦАА ААГ ЦГЦ

б) ЦГЦ АТГ ТТТ ГЦГ ТАГ АТА

в) ТАА ЦАА ТАГ ААЦ АЦГ ТЦА

Определите, как будут расположены нуклеотиды в синтезируемой на этом участке молекуле и-РНК? Какие аминокислоты кодируются ими?

3. Цепочка аминокислот белка рибонуклеазы имеет следующее строение: лизин – глутамин – треонин – аланин – аланин – лизин. Какова последовательность азотистых оснований гена, кодирующего данный белок?

4. В состав белка входит 400 аминокислот. Определите, какую длину имеет контролирующий его ген, если расстояние между двумя нуклеотидами в молекуле ДНК составляет 3,4  10^-4 мкм?

5. Участок гена имеет следующий состав нуклеотидов: ТГГ ТЦГ ЦАГ ГАГ ГГГ ТТТ. Определите, как изменится состав кодируемых им аминокислот, если под влиянием ионизирующей радиации:

а) выбит десятый слева нуклеотид;

б) выбит 10, 11, 12 нуклеотиды.

6. Структурные гены ДНК содержат следующие нуклеотиды:

а) ГЦА ТГЦ ГГЦ ЦАГ

б) ТАГ АГГ ТЦЦ АГА ГАГ

в) ЦТГ АГТ ЦГА АЦА АЦГ

Произошла замена пятого нуклеотида Г на Т. Изобразите первичную структуру участка полипептидной цепи, контролируемой исходными и мутантными генами. Какое число аминокислотных остатков изменилось при мутации?

7. При мутации гена произошло выпадение пятого и седьмого нуклеотидов на матричной цепи ДНК (подчеркнуто):

а) АГА ААГ ЦАТ ЦЦА

б) АЦТ ТГА ТЦЦ ТТ

в) ЦТА АГГ АТА

Составьте модели транскрипции и трансляции при первоначальной последовательности нуклеотидов ДНК и после их выпадения. Как отразится на составе первичной структуры белков изменение последовательности нуклеотидов в матричной цепи ДНК?

8. Молекула ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов на матричной цепи:

а) ТАЦ ЦАГ ААГ ГЦЦ ЦАГ

б) ЦЦА АГГ ЦГТ АЦГ АТА

в) АГЦ ЦТТ ААЦ АГА АТЦ

В результате действия мутагенного фактора произошло включение одного нуклеотида Ц между вторым и третьим нуклеотидами. Как изменится последовательность аминокислот в полипептидной цепи?

9. В цепи А инсулина лошади аминокислоты в позиции 6-11 имеют следующий состав: цистеин- цистеин-треонин-глицин-изолейцин-цистеин. У быка в этой цепи 8-ю позицию занимает аланин, 9-ю – серин, 10-ю – валин.

Определите строение участка ДНК, кодирующего эту часть цепи инсулина у быка и лошади.

10. Исследования показали, что 34% общего числа нуклеотидов данной и-РНК приходится на Г; 18% – на У; 28% – цитозин; 20% – аденин. Определите процентный состав азотистых оснований двух цепочечной ДНК, слепком с которой является указанная и-РНК?

11. Какую длину имеет часть молекулы ДНК, кодирующая инсулин быка, если известно, что молекула инсулина быка имеет 51 аминокислоту, а расстояние между двумя соседними нуклеотидами ДНК равно 0,34 нм?

12. В состав гена входит 30% аденина. Сколько в нем гуанина (абсолютное количество), если белок, кодируемый этим геном включает 300 аминокислот?

13. Поскольку код является «вырожденным», то есть аминокислота кодируется не одним, а несколькими кодонами, то выясните, сколькими способами в молекуле ДНК (и u-РНК) может быть закодирован отрезок белка, состоящий из следующих аминокислот: гистидин – валин – серин – пролин – глицин – тирозин – лизин.

14. Чтобы произошел синтез белка в рибосоме, какие антикодоны должны иметь m-РНК, если u-РНК имеет следующую последовательность кодонов: УУУ ГАУ УГЦ ГГГ ГГУ АУГ ААУ?

15. Информативный фрагмент структурного гена содержит следующую последовательность нуклеотидов: АТГ ААА ЦЦЦ АГТ ТГА АТГЦ. Произошла замена основания А на Ц в пятом нуклеотиде и добавление нуклеотида с основанием Г после седьмого нуклеотида. Изобразите первичную структуру участка полипептидной цепи, контролируемого исходным и мутантным участком гена.

16. Фрагмент гена представлен 21 основанием экзона и пятью последующими основаниями интрона: АТАТАТГЦАТГЦГЦГЦГЦАТА ТГЦАТ. В девятом положении данной последовательности оснований произошла замена А на Ц. Смодулируйте транскрипцию и трансляцию данного фрагмента гена до мутации и после.

17. Молекула гемоглобина человека состоит из 600 аминокислот. У здоровых людей имеется нормальный гемоглобин А (НbА), при серповидноклеточной анемии – S (HbS). Люди с разными типами гемоглобина имеют различия в аминокислотном расположении в некоторых участках цепи.

Гемоглобин А: гистидин – валин – лейцин – треонин – пролин – глутамин – глутамин – лизин…

Гемоглобин S: гистидин – валин – лейцин – лейцин – треонин – пролин – валин – глутамин – лизин…

Указать последовательность нуклеотидов в цепи ДНК нормального гемоглобина и при серповидноклеточной анемии. Укажите, в каком положении произошли замены нуклеотидов в ДНК HbA и HbS.

18. Молекула белка состоит из 450 аминокислот. Определить количество триплетов, которыми он контролируется, и длину гена, если расстояние между нуклеотидами равно около 0,34 А.

19. Фрагмент и-РНК инсулина имеет следующий сосав: УУУГУУЦАГААЦЦУУГЦАУГУЦАЦУГЦ. Определите длину фрагмента ДНК, если экзоны составляют 20% всех нуклеотидов гена?