ΛΥΣΗ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΕΠΑΝΑΛΗΨΗΣ

ΛΥΣΗ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΕΠΑΝΑΛΗΨΗΣ 1. Ο γενετικός κώδικας είναι ένας κώδικας αντιστοίχισης των κωδικονίων του mrna με αμινοξέα στην πολυπεπτιδική αλυσίδα. Σύμφωνα με αυτόν η 3 μετάφραση όλων των mrna αρχίζει από το κωδικόνιο έναρξης 5 AUG 3 και τελειώνει σε ένα από τα τρία κωδικόνια λήξης 5 UAG 3, 5 UGA ή 5 UAA 3. Επιπλέον, ο γενετικός κώδικας είναι: κώδικας τριπλέτας, δηλαδή μια τριάδα νουκλεοτιδίων, το κωδικόνιο, κωδικοποιεί ένα αμινοξύ, συνεχής, δηλαδή το mrna διαβάζεται συνεχώς ανά τρία νουκλεοτίδια χωρίς να παραλείπεται κάποιο νουκλεοτίδιο και μη επικαλυπτόμενος, δηλαδή κάθε νουκλεοτίδιο ανήκει σε ένα μόνο κωδικόνιο. Με βάση τα παραπάνω το πεπτίδιο της άσκησης H 2 N-μεθειονίνη-σερίνη-βαλίνη-ισολευκίνη-ιστιδίνη-COOH προέκυψε από τη μετάφραση ενός mrna που είχε τα εξής κωδικόνια 5 AUG-UCC-GUG-AUU-CAU 3 Κατά τη μεταγραφή ενός γονιδίου, το μόριο mrna που συντίθεται είναι συμπληρωματικό προς τη μια αλυσίδα της διπλής έλικας του DNA του γονιδίου. Η αλυσίδα αυτή είναι η μεταγραφόμενη και ονομάζεται μη κωδική. Η συμπληρωματική αλυσίδα του DNA του γονιδίου ονομάζεται κωδική. Ε- πομένως, αφού η μη κωδική αλυσίδα είναι συμπληρωματική και αντιπαράλληλη τόσο με το mrna όσο και με την κωδική αλυσίδα του DNA, το mrna και η κωδική αλυσίδα είναι μεταξύ τους όμοιες, με τη μόνη διαφορά ότι όπου υπάρχει ουρακίλη στο mrna, υπάρχει θυμίνη στην κωδική αλυσίδα. Έτσι, η κωδική αλυσίδα του γονιδίου θα πρέπει να περιέχει τα κωδικόνια: 5 ATG-TCC-GTG-ATT-CAT 3 Για να βρεθεί η κωδική αλυσίδα του DNA ψάχνουμε και στις δυο αλυσίδες του γονιδίου, με κατεύθυνση 5 3, τα παραπάνω κωδικόνια. Τα κωδικόνια αυτά υπάρχουν μόνο στην κάτω αλυσίδα, όχι όμως συνεχόμενα αλλά σε δύο τμήματα, ανάμεσα στα οποία παρεμβάλλεται μια περιοχή που α- ποτελείται από οχτώ νουκλεοτίδια. Επιπλέον, στην κάτω αλυσίδα του γο- 1

νιδίου, αμέσως μετά το κωδικόνιο 5 CAT 3 που κωδικοποιεί το τελευταίο α- μινοξύ, υπάρχει το κωδικόνιο 5 ΤAA 3, που αντιστοιχεί στο κωδικόνιο λήξης της μετάφρασης 5 UAA 3. Επομένως πρόκειται για ασυνεχές γονίδιο που αποτελείται από δύο εξώνια, ανάμεσα στα οποία παρεμβάλλεται ένα εσώνιο. Η κάτω αλυσίδα του γονιδίου είναι η κωδική και η επάνω είναι η μη κωδική. Όταν ένα γονίδιο που περιέχει εσώνια μεταγράφεται δημιουργείται το πρόδρομο mrna που περιέχει και εξώνια και εσώνια. Το πρόδρομο mrna συντίθεται με πρότυπο τη μη κωδική αλυσίδα του γονιδίου με βάση τον κανόνα της συμπληρωματικότητας των βάσεων, όπως και στην αντιγραφή, με τη διαφορά ότι απέναντι από την αδενίνη τοποθετείται το ριβονουκλεοτίδιο που περιέχει ουρακίλη. Έτσι, γράφοντας πρώτο το 5 άκρο του, το πρόδρομο mrna που προκύπτει είναι το εξής: 5 UCACCAGGUAUGUCCGUGGGACGAACAUUCAUUAAGCAU 3 Κατά την ωρίμανση του πρόδρομου mrna τα μικρά ριβονουκλεοπρωτεΐνικά σωματίδια, που αποτελούνται από snrna και πρωτεΐνες, κόβουν τα εσώνια και συρράπτουν τα εξώνια μεταξύ τους. Έτσι σχηματίζεται το ώριμο mrna. Αυτό, παρ ότι αποτελείται αποκλειστικά από εξώνια, έχει δύο περιοχές που δεν μεταφράζονται σε αμινοξέα. Η μια βρίσκεται στο 5 ά- κρο και η άλλη στο 3 άκρο. Οι αλληλουχίες αυτές ονομάζονται 5 και 3 α- μετάφραστες περιοχές αντίστοιχα. Επομένως, το ώριμο mrna που προκύπτει είναι το εξής: 5 UCACCAGGUAUGUCCGUGAUUCAUUAAGCAU 3 Μια cdna βιβλιοθήκη είναι ένα σύνολο από βακτηριακούς κλώνους που περιέχει αντίγραφα των ώριμων mrna όλων των γονιδίων που εκφράζονται σε ένα συγκεκριμένο κυτταρικό τύπο. Τα αντίγραφα αυτά των ώριμων mrna είναι δίκλωνα μόρια DNA, τα οποία δημιουργούνται με την εξής διαδικασία: απομονώνεται το ολικό ώριμο mrna από κύτταρα που εκφράζουν το συγκεκριμένο γονίδιο. Το mrna χρησιμοποιείται σαν καλούπι για τη σύνθεση μιας συμπληρωματικής αλυσίδας DNA (cdna). Η σύνθεση του cdna γίνεται από το ένζυμο αντίστροφη μεταγραφάση. Παράγονται έ- τσι υβριδικά μόρια cdna-mrna. Το mrna διασπάται με κατάλληλες χημικές ουσίες ή αποδιατάσσεται με θέρμανση και τα cdna χρησιμεύουν σαν καλούπι για τη σύνθεση μιας συμπληρωματικής αλυσίδας DNA από 2

την DNA πολυμεράση. Το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία δίκλωνων μορίων DNA. Επομένως το αντίγραφο του mrna του γονιδίου της άσκησης που κλωνοποιήθηκε και υπάρχει στη cdna βιβλιοθήκη των μυϊκών κυττάρων είναι το εξής: 5 ATGCTTAATGAATCACGGACATACCTGGTGA 3 3 TACGAATTACTTAGTGCCTGTATGGACCACT 5 Για την εύρεση ενός συγκεκριμένου γονιδίου από μια cdna βιβλιοθήκη α- κολουθείται η διαδικασία της υβριδοποίησης. Η τεχνική που χρησιμοποιείται συνήθως περιλαμβάνει τη χρήση ιχνηθετημένων ανιχνευτών μορίων DNA ή RNA που περιέχουν αλληλουχίες συμπληρωματικές προς το κλωνοποιημένο DNA. Οι ανιχνευτές αναμειγνύονται με το DNA της βιβλιοθήκης (το οποίο έχει αποδιαταχθεί) και υβριδοποιούν μόνο το συμπληρωματικό τους DNA. Με βάση τα παραπάνω, οι ανιχνευτές υβριδοποιούν μια αλληλουχία DNA που είναι συμπληρωματική και αντιπαράλληλη με τη δική τους. Έτσι, ο α- νιχνευτής Α υβριδοποιεί την αλληλουχία 3 TGGTCCA 5 και ο ανιχνευτής Β την αλληλουχία 3 AAGCAGG 5. Από τις αλληλουχίες αυτές μόνο η πρώτη υπάρχει στην επάνω αλυσίδα του κλωνοποιημένου τμήματος DNA. Επομένως, ο ανιχνευτής Α θα χρησιμοποιηθεί για να εντοπιστεί ο α- ντιστοιχος κλώνος της cdna βιβλιοθήκης, έτσι ώστε να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή του πεπτιδίου της άσκησης. Παρατήρηση: Η αλληλουχία 3 AAGCAGG 5 που υβριδοποιεί ο ανιχνευτής Β υπάρχει στο γονίδιο της άσκησης. Δεν υπάρχει όμως στο τμήμα DNA που κλωνοποιήθηκε στη cdna βιβλιοθήκη επειδή βρίσκεται στο ε- σώνιο του γονιδίου. Αντίθετα, η αλληλουχία 3 TGGACCA 5 που υβριδοποιεί ο ανιχνευτής Α βρίσκεται στην 5 αμετάφραστη περιοχή του γονιδίου, οπότε υπάρχει και στο κλωνοποιημένο αυτό τμήμα DNA. 2. Η μετάλλαξη που προκάλεσε την ασθένεια της άσκησης είναι η αντικατάσταση της Τ από Α, με αποτέλεσμα στην κωδική αλυσίδα το κωδικόνιο CAT που κωδικοποιεί την ιστιδίνη να αντικαθίσταται από το CAA που κωδικοποιεί τη γλουταμίνη. Επομένως, ενώ το φυσιολογικό αλληλόμορφο γονίδιο είναι το: 5 ATGCTTAATGAATGTTCGTCCCACGGACATACCTGGTGA 3 3

3 TACGAATTACTTACAAGCAGGGTGCCTGTATGGACCACT 5 το μεταλλαγμένο αλληλόμορφο που προκαλεί την ασθένεια είναι το: 5 ATGCTTATTGAATGTTCGTCCCACGGACATACCTGGTGA 3 3 TACGAATAACTTACAAGCAGGGTGCCTGTATGGACCACT 5 Παρατηρούμε ότι η αλληλουχία 5 -ΤΤΑΑ-3 που αναγνωρίζει η περιοριστική ενδονουκλεάση MseI υπάρχει μία φορά στο φυσιολογικό αλληλόμορφο (φαίνεται με έντονα γράμματα), αλλά καμία φορά στο μεταλλαγμένο, επειδή η δεύτερη A της αλληλουχίας αυτής έχει αντικατασταθεί από T. Επομένως ισχύουν τα παρακάτω: άτομο ομόζυγο για το φυσιολογικό αλληλόμορφο δημιουργεί δύο είδη κομματιών DNA διαφορετικού μήκους (επειδή κόβεται μία φορά από την MseI), άτομο ομόζυγο για το μεταλλαγμένο αλληλόμορφο δημιουργεί ένα κομμάτι DNA (επειδή δεν κόβεται καμία φορά από την MseI), άτομο ετερόζυγο δημιουργεί τρία είδη κομματιών DNA διαφορετικού μήκους (επειδή φέρει και το φυσιολογικό αλληλόμορφο που κόβεται, και το μεταλλαγμένο αλληλόμορφο που δεν κόβεται από την MseI). Για να βρεθεί ο τρόπος κληρονόμησης της ασθένειας εξετάζουμε τις εξής περιπτώσεις: Αν η ασθένεια ήταν αυτοσωμική επικρατής. Έστω: Α: το αλληλόμορφο που δημιουργεί την ασθένεια και α: το αλληλόμορφο για τη φυσιολογική κατάσταση Το άτομο Ι 1 επειδή δημιουργεί δύο κομμάτια DNA έχει μόνο το φυσιολογικό αλληλόμορφο, επομένως έχει γονότυπο αα. Το άτομο ΙΙ 1 επειδή δημιουργεί ένα κομμάτι DNA έχει μόνο το μεταλλαγμένο αλληλόμορφο, επομένως έχει γονότυπο ΑΑ. Το άτομο όμως ΙΙ 1 έπρεπε να έχει κληρονομήσει το α αλληλόμορφο από τον πατέρα του (άτομο Ι 1 ), επομένως απορρίπτεται το ενδεχόμενο η ασθένεια να κληρονομείται με αυτοσωμικό επικρατή τρόπο. Αν η ασθένεια ήταν φυλοσύνδετη επικρατής. Έστω: Χ Α : το αλληλόμορφο που δημιουργεί την ασθένεια και Χ α : το αλληλόμορφο για τη φυσιολογική κατάσταση 4

Το άτομο Ι 2 επειδή δημιουργεί ένα κομμάτι DNA έχει μόνο το μεταλλαγμένο αλληλόμορφο, επομένως έχει γονότυπο Χ Α Χ Α. Το άτομο αυτό κληροδοτεί το Χ Α αλληλόμορφο στην κόρη του (άτομο ΙΙ 2 ), η οποία έ- πρεπε να πάσχει. Παρατηρούμε όμως ότι το άτομο ΙΙ 2 είναι υγιές, επομένως απορρίπτεται το ενδεχόμενο η ασθένεια να κληρονομείται με φυλοσύνδετο επικρατή τρόπο. Αν η ασθένεια ήταν αυτοσωμική υπολειπόμενη. Έστω: Α: το αλληλόμορφο για τη φυσιολογική κατάσταση και α: το αλληλόμορφο που δημιουργεί την ασθένεια Το άτομο Ι 1 επειδή δημιουργεί δύο κομμάτια DNA έχει μόνο το φυσιολογικό αλληλόμορφο, επομένως έχει γονότυπο ΑΑ. Το άτομο αυτό κληροδοτεί το Α αλληλόμορφο σε όλα τα παιδιά του, τα οποία έπρεπε να είναι υγιή. Παρατηρούμε όμως ότι το άτομο ΙΙ 1 πάσχει, επομένως απορρίπτεται το ενδεχόμενο η ασθένεια να κληρονομείται με αυτοσωμικό υ- πολειπόμενο τρόπο. Επομένως, η ασθένεια κληρονομείται με φυλοσύνδετο υπολειπόμενο τρόπο. Έστω: Χ Α : το αλληλόμορφο για τη φυσιολογική κατάσταση και Χ α : το αλληλόμορφο που δημιουργεί την ασθένεια Οι γονότυποι των ατόμων της οικογένειας προκύπτουν με βάση των αριθμό των διαφορετικών κομματιών DNA που δημιουργούνται μετά από τη δράση της MseI και είναι οι εξής: Άτομο Ι 1 : Χ Α Υ Άτομο Ι 2 : Χ α Χ α Άτομο ΙΙ 1 : Χ α Υ Άτομο ΙΙ 2 : Χ Α Χ α Οι γονότυποι αυτοί μπορούν να επιβεβαιωθούν με την παρακάτω διασταύρωση: P γενιά: Χ Α Υ (x) Χ α Χ α γαμέτες Χ Α, Υ F 1 γενιά: Χ Α Χ α, Χ α Υ Η διασταύρωση αυτή έγινε με βάση τον 1 ο νόμο του Mendel ή νόμο του διαχωρισμού των αλληλόμορφων γονιδίων, σύμφωνα με τον οποίο ο τρόπος με τον οποίο κληρονομούνται οι χαρακτήρες τους οποίους μελέτησε ο 5 Χ α

Mendel είναι αποτέλεσμα των γεγονότων που συμβαίνουν στη μείωση. Κατά την παραγωγή των γαμετών διαχωρίζονται τα δύο ομόλογα χρωμοσώματα και συνεπώς και τα δύο αλληλόμορφα γονίδια. Σε ένα άτομο γονότυπου Χ Α Χ α, για παράδειγμα, σχηματίζονται δύο ειδών γαμέτες, Χ Α και Χ α, σε ίση αναλογία. Οι απόγονοι προκύπτουν από τον τυχαίο συνδυασμό των γαμετών. 3. Αν κατά τη διάρκεια της μειωτικής διαίρεσης δεν πραγματοποιηθεί φυσιολογικά ο διαχωρισμός των ομολόγων χρωμοσωμάτων ή των αδελφών χρωματίδων, ένα φαινόμενο που ονομάζεται μη-διαχωρισμός, τότε δημιουργούνται γαμέτες με αριθμό χρωμοσωμάτων μεγαλύτερο ή μικρότερο του φυσιολογικού. Η γονιμοποίηση των μη φυσιολογικών γαμετών, που προκύπτουν, με φυσιολογικό γαμέτη έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ζυγωτού με «λανθασμένη» ποσότητα γενετικού υλικού, το οποίο δεν αναπτύσσεται φυσιολογικά. Τα άτομα που προκύπτουν κι έχουν περίσσεια ή έλλειψη μικρού αριθμού χρωμοσωμάτων ονομάζονται ανευπλοειδή. Η α- πουσία ενός μόνο χρωμοσώματος ονομάζεται μονοσωμία, ενώ η ύπαρξη ενός επιπλέον τρισωμία. Τα άτομα με σύνδρομο Klinefelter έχουν φυσιολογικό αριθμό αυτοσωμικών χρωμοσωμάτων (44) και τρία φυλετικά χρωμοσώματα, τα ΧΧΥ, αντί του φυσιολογικού ζεύγους ΧΥ. Το άτομο της άσκησης, επειδή πάσχει από την ασθένεια, έχει γονότυπο Χ α Χ α Υ. Το άτομο αυτό προέκυψε από τη γονιμοποίηση ενός μη φυσιολογικού ωαρίου που περιέχει δύο Χ α χρωμοσώματα, από φυσιολογικό σπερματοζωάριο που περιέχει το χρωμόσωμα Y. Το μη φυσιολογικό ωάριο προέκυψε από το μη-διαχωρισμό των αδελφών χρωματίδων του Χ α χρωμοσώματος κατά τη 2 η μειωτική διαίρεση. 4. Κάθε φυσιολογικό μεταφασικό χρωμόσωμα αποτελείται από δύο αδελφές χρωματίδες, οι οποίες συγκρατούνται στο κεντρομερίδιο. Το κεντρομερίδιο «διαιρεί» κάθε χρωματίδα σε δύο βραχίονες, ένα μεγάλο και ένα μικρό. Τα μεταφασικά χρωμοσώματα ενός κυττάρου διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το μέγεθος και ως προς τη θέση του κεντρομεριδίου. Τα χρωμοσώματα ταξινομούνται σε ζεύγη κατά ελαττούμενο μέγεθος. Η απεικόνιση αυτή αποτελεί τον καρυότυπο. 6

Με βάση τα παραπάνω στον καρυότυπο απεικονίζονται μεταφασικά χρωμοσώματα. Επομένως, αφού το άτομο με σύνδρομο Klinefelter έχει 47 χρωμοσώματα, στον καρυότυπό του υπάρχουν 94 μόρια DNA (κάθε α- δελφή χρωματίδα είναι ένα μόριο DNA), 47 κεντρομερίδια και 188 βραχίονες. 7