Typy dziedziczenia mutacji. Konspekt zajęć edukacyjnych

SZK

OŁA

NA

UK

A

KR

Ó

TK

O

Typy dziedziczenia mutacji

Konspekt zajęć edukacyjnych

Ilona Żeber-Dzikowska, Urszula Poziomek

Temat: Typy dziedziczenia mutacji – choroby

uwarunkowane genetycznie. Odniesienie do pod-stawy programowej

Przedmiot: biologia, IV etap edukacyjny, zakres

rozszerzony

Adresaci: uczniowie liceum lub technikum Czas trwania zajęć: 45 minut

Odniesienie do podstawy programowej: Cele kształcenia:

I. Poznanie świata organizmów na różnych pozio-mach organizacji życia.

Uczeń przedstawia i wyjaśnia procesy i zjawiska biologiczne;

IV. Poszukiwanie, wykorzystanie i  tworzenie infor-macji.

Uczeń odczytuje, selekcjonuje, porównuje i prze-twarza informacje pozyskane z  różnorodnych źródeł, w tym za pomocą technologii informacyj-no-komunikacyjnych.

V. Rozumowanie i argumentacja.

Uczeń objaśnia i komentuje informacje, wyjaśnia zależności przyczynowo-skutkowe, formułuje wnioski.

Treści nauczania:

VI. Genetyka i biotechnologia 5. Genetyka mendlowska. Uczeń:

1) wyjaśnia i stosuje podstawowe pojęcia genety-ki klasycznej (allel, allel dominujący, allel rece-sywny, homozygota, heterozygota)

2) zapisuje i  analizuje krzyżówki jednogenowe i  dwugenowe oraz określa prawdopodobień-stwo wystąpienia poszczególnych genotypów i fenotypów w pokoleniach potomnych; 5) analizuje drzewa rodowe, w tym dotyczące

wy-stępowania chorób genetycznych człowieka; 7. Choroby genetyczne. Uczeń:

1) podaje przykłady chorób genetycznych czło-wieka wywołanych przez mutacje genowe (mukowiscydoza, fenyloketonuria, hemofilia, ślepota na barwy, choroba Huntingtona).

Typ zajęć: opracowanie nowego materiału, po

zaję-ciach wstępnych na temat mutacji jako źródle zmien-ności i rodzajach mutacji

Forma nauczania: zajęcia edukacyjne w klasie

szkol-nej

Forma organizacyjna: praca grupowa Strategie: E, O

Metody nauczania:

• obserwacyjne: obserwacja środków dydaktycz-nych zastępczych

• słowne: dyskusja, praca z tekstem źródłowym

Środki dydaktyczne:

• tekst źródłowy

• karta pracy

Literatura

• Dla ucznia i dla nauczyciela: Ewa Bartnik (2004). Choroby genetycznie uwarunkowane, Edukacja Biologiczna i Środowiskowa, 1; dostępny w inter-necie: http://ebis.ibe.edu.pl/numery/stare/ ebis-2004-1-1.pdf

• Dziedziczenie jednogenowe. Analiza rodowodów. Seminarium, Podstawy Genetyki medycznej, do-stępny w internecie: http://kgm.ump.edu.pl/fi-leadmin/user_upload/genetyka/konspekty/ Dziedziczenie_jednogenowe.Analiza_rodo-wodow_01.pdf

dr hab. Ilona Żeber-Dzikowska: Zakład Zoologii

i Dydaktyki Biologii, Instytut Biologii Uniwersytetu Jana Kochanowskiego w Kielcach

mgr Urszula Poziomek: Pracownia Przedmiotów

Przyrod-niczych IBE, nauczycielka dyplomowana biologii w LXXV LO im. Jana III Sobieskiego w Warszawie

SZK

OŁA

NA

UK

A

KR

Ó

TK

O

Przebieg zajęć edukacyjnych

I. Faza przygotowawcza

• Sprawy organizacyjno-porządkowe

• Kontrola wiadomości i umiejętności

• Sformułowanie tematu lekcji: Typy dziedzicze-nia mutacji – choroby uwarunkowane mutacjami punktowymi.

Ii. Faza realizacyjna

Uczniowie zapoznają się z tekstami źródłowymi, wyko-nują ćwiczenia z karty pracy.

III. Faza podsumowująca

• Uczniowie prezentują rezultaty pracy.

• Nauczyciel ocenia pracę uczniów na lekcji.

Praca domowa

Dla wszystkich:

Korzystając z dostępnych źródeł opisz objawy i ewentu-alnie sposoby leczenia objawowego wybranych chorób genetycznych – mukowiscydoza, fenyloketonuria, he-mofilia, daltonizm (ślepota na barwy), choroba Hun-tingtona.

Dla zainteresowanych:

Korzystając z dostępnych źródeł opisz objawy i ewen-tualnie sposoby leczenia objawowego takich chorób ge-netycznych jak dystrofia mięśniowa Duchenne, zespół Retta, galaktozemia.

Załącznik nr 1

Tekst źródłowy 1

Znane są tysiące chorób ludzkich, powodowanych przez zmianę jednego lub wielu genów. Od kilku lat znajo-mość sekwencji genomu ludzkiego bardzo ułatwiła po-szukiwanie genów odpowiedzialnych za choroby, ale nadal klasyczne narzędzia takie jak analiza rodowodów są podstawą poszukiwania takich genów.

Człowiek ma 23 pary chromosomów, 22 z nich to tzw. autosomy, zaś jedna para to chromosomy płci XX u kobiety i XY u mężczyzn. Dziedziczenie pojedynczych cech (wynikających ze zmian w pojedynczym genie) za-leży od tego, czy gen jest zlokalizowany w chromoso-mie płci X czy w jednym z autosomów. Mutacja w genie może być recesywna (konieczne są mutacje w obu ko-piach genu, by był widoczny efekt) lub też dominująca (wystarczy jeden zmutowany gen).

Istnieją następujące typy dziedziczenia mutacji związa-nych z chorobami (i oczywiście także genów, które cho-rób nie powodują):

1. Autosomalny recesywny – gen znajduje się w jed-nym z 22 autosomów, by efekt był widoczny, po-trzebne są mutacje w obu kopiach genu. Przykłada-mi są mukowiscydoza, niedokrwistość sierpowata, fenyloketonuria, galaktozemia. Często są to muta-cje powodujące dysfunkcję enzymów. W przypad-ku heterozygoty jeden czynny, niezmutowany allel wystarcza, by zapewnić odpowiednią aktywność enzymatyczną.

2. Autosomalny dominujący – gen znajduje się w jed-nym z 22 autosomów, wystarczy mutacja jednego genu, by był widoczny efekt. Przykładem jest cho-roba Huntingtona. Często choroby te dotyczą ge-nów kodujących białka, dla których potrzebne jest prawidłowe działanie obu kopii genu

(hiperchole-sterolemia) lub też mutacja powoduje powstanie ,,trującego’’ produktu (choroba Huntingtona) 3. Recesywny sprzężony z  płcią – gen znajduje się

w  chromosomie X, mężczyźni chorują, gdy jest u nich obecna tylko jedna mutacja, bo mają tylko jeden chromosom X; typowe choroby sprzężone z płcią to hemofilia, daltonizm i dystrofia mięśnio-wa Duchenn’a. Mężczyźni nie przekazują mutacji swoim synom (bo przekazują im chromosom Y, a nie X), ale wszystkie ich córki dziedziczą chro-mosom X z wadliwym genem. Jeśli są heterozygo-tami to nie są chore, ale mogą mieć chorych synów. 4. Dominujący sprzężony z płcią. Chorują i kobiety,

i mężczyźni, mężczyźni, bo mają tylko jedną ko-pię defektywnego genu, kobiety, dlatego że druga, normalna kopia genu nie wystarcza, by znieść dominujący efekt zmutowanego genu. Przykładem jest krzywica oporna na witaminę D. Mężczyźni nie przekazują choroby swoim synom, ale wszyst-kie ich córki są chore.

Źródło: Ewa Bartnik (2004). Choroby genetycznie uwa-runkowane, Edukacja Biologiczna i Środowiskowa, 1.

Tekst źródłowy 2

Dziedziczenie recesywne sprzężone z chromosomem X:

Chorują niemal wyłącznie mężczyźni (bardzo rzadko homozygotyczne kobiety) ze względu na obecność tyl-ko jednego chromosomu X (hemizygotyczność). Cho-roba jest dziedziczona przez synów od matek – hetero-zygotycznych nosicielek zmutowanego allelu, które są zdrowe (nie mają objawów choroby). Nie jest możliwe dziedziczenie choroby z  ojca na syna – ojciec zawsze przekazuje synowi chromosom Y.

Kobieta – nosicielka ma 50% ryzyka przekazania zmu-towanego allelu swojemu potomstwu. Zatem w  jej potomstwie będzie 50% chorych synów lub córek

no-SZK

OŁA

NA

UK

A

KR

Ó

TK

O

sicielek (zdrowych). Pozostałe 50% potomstwa nie dzie-dziczy mutacji.

Chory mężczyzna ma wszystkie dzieci zdrowe przy czym wszystkie córki są nosicielkami mutacji.

Przykłady: daltonizm, hemofilia A i B, dystrofie mięś-niowe Duchenne’a i Beckera, niespecyficzne upośledze-nie umysłowe, agammaglobulinemia.

Dziedziczenie dominujące sprzężone z chromosomem X:

Chorują hemizygotyczni mężczyźni oraz homozygo-tyczne i heterozygohomozygo-tyczne kobiety, przy czym chorych kobiet jest dwukrotnie więcej, niż chorych mężczyzn. Tylko u kobiet heterozygotycznych obserwuje się różno-rodność ekspresji – choroba często przebiega łagodniej niż u mężczyzn w związku z losową inaktywacją jed-nego chromosomu X w komórce. Niemożliwe jest dzie-dziczenie choroby z ojca na syna ponieważ syn otrzy-muje od ojca zawsze chromosom Y. Synowie chorego mężczyzny są zdrowi a wszystkie jego córki są chore. Przykłady: krzywica hipofosfatemiczna, zespół Retta, zespół Alport.

Dziedziczenie autosomalne dominujące:

Chorują głównie heterozygoty, bardzo rzadko homo-zygoty. Nie ma żadnych różnic zależnych od płci. Brak nosicielstwa. Chorobę przekazują na potomstwo osoby chore. Osoba chora (heterozygota) ma 50% ryzyka po-siadania chorego potomstwa, niezależnie od płci. Chora homozygota ma 100% ryzyka posiadania chore-go potomstwa nawet jeśli drugi rodzic będzie zdrowy. Przykłady chorób: rak sutka, otoskleroza dominująca, hipercholesterolemia rodzinna, mnogie wyrośla kostne, choroba Huntingtona, zespół Marfana, achondroplazja.

Dziedziczenie autosomalne recesywne:

Chorują tylko homozygoty posiadające oba zmutowane allele genu. Nie ma żadnych różnic zależnych od płci.

Choroba dziedziczona jest zazwyczaj od zdrowych ro-dziców nosicieli.

Szczególnym czynnikiem ryzyka jest bliskie pokre-wieństwo rodziców.

Dla zdrowych rodziców nosicieli (heterozygot) ryzyko posiadania chorych dzieci wynosi 25%; Częstość wystę-powania tego typu chorób wynosi 2 przypadki na 1000 osób.

Przykłady: mukowiscydoza, fenyloketonuria, galak-tozemia, głuchota

wrodzona, rdzeniowy zanik mięśni, choroba Wilsona, wrodzony przerost nadnerczy.

Źródło: na podstawie Podstawy genetyki medycznej, semi-narium Dziedziczenie jednogenowe, analiza rodowodów, http://kgm.ump.edu.pl/fileadmin/user_upload/genety- ka/konspekty/Dziedziczenie_jednogenowe.Analiza_ro-dowodow_01.pdf)

SZK

OŁA

NA

UK

A

KR

Ó

TK

O

Przeanalizuj schematy i przyporządkuj każdy z nich do odpowiedniego typu mutacji (recesywna autosomalna, dominująca autosomalna, recesywna sprzężona z płcią, dominująca sprzężona z  płcią), korzystając z  opisów z tekstów źródłowych. Uzasadnij każde przyporządko-wanie. A – ……….. A - ……….. Uzasadnienie ……… ……… ……… ……… ……… ……… ……… B – ……….. Uzasadnienie ……… ……… ……… ……… ……… ……… ………

Załącznik nr 2 – Karta pracy ucznia

Ćwiczenie 1

Sformułuj 3-4 pytania, które będą pomocne w ustale-niu typu dziedziczenia na podstawie schematów drzew rodowych. ……… ……… ……… ……… ……… ……… ……… ……… ……… ……… ……… ……… ……… Legenda: – zdrowy mężczyzna – chory mężczyzna – zdrowa kobieta – chora kobieta

– kobieta nosicielka zmutowanego allelu – mężczyzna nosiciel zmutowanego allelu

SZK

OŁA

NA

UK

A

KR

Ó

TK

O

Chory na daltonizm mężczyzna z  kobietą nosicielką allelu daltonizmu mają 50% chorych synów i 50% cho-rych córek (homozygot). Pozostali synowie są wolni od mutacji, pozostałe córki są zdrowymi nosicielkami cho-roby.

Przeprowadź krzyżówkę, która wykaże, czy takie zało-żenie jest prawdziwe.

Oznaczenia: XD _{– allel zdrowy, X}d _{– allel daltonizmu, Y} – chromosom warunkujący płeć męską

Ćwiczenie 4

Chora na krzywicę hipofosfatemiczną, heterozygotycz-na kobieta i zdrowy mężczyzheterozygotycz-na ma 50% ryzyka posia-dania chorego potomstwa, niezależnie od płci. Wykonaj krzyżówkę, która wykaże taki sposób dziedziczenia tej choroby.

Oznaczenia: XK _{– zmutowany allel krzywicy} hipofosfa-temicznej, Xk _{– zdrowy allel, Y – chromosom} warunku-jący płeć męską.

Ćwiczenie 5

Dwoje heterozygotycznych rodziców posiadających zmutowany allel pląsawicy Huntingtona ma 75% ryzy-ka posiadania chorego potomstwa (25% potencjalnych homozygot). Wykonaj krzyżówkę, która potwierdzi taki rezultat dziedziczenia tej choroby.

Oznaczenia: H – zmutowany allel warunkujący chorobę Huntingtona, h – allel zdrowy.

Ćwiczenie 6

Ryzyko posiadania chorego potomstwa przez osobę chorą na mukowiscydozę (homozygotę) jest na ogół mniejsze niż 1%. Wyjaśnij, dlaczego jest tak niskie i od czego zależy jego wartość.

……… ……… ……… ……… ……… ……… ……… ………

SZK

OŁA

NA

UK

A

KR

Ó

TK

O

Przeanalizuj schematy i przyporządkuj każdy z nich do odpowiedniego typu mutacji (recesywna autosomalna, dominująca autosomalna, recesywna sprzężona z płcią, dominująca sprzężona z  płcią), korzystając z  opisów z tekstów źródłowych. Uzasadnij każde przyporządko-wanie.

A – autosomalne dominujące

A - ………..

Uzasadnienie

Chory ojciec przekazał zmutowany allel zarówno cór-kom jak i synowi (brak zależności od płci). Fakt, że mat-ka tych dzieci jest zdrowa sugeruje, że allel jest domi-nujący, tak więc choroba ujawnia się już u heterozygot.

B – autosomalne recesywne

Uzasadnienie

Heterozygota przekazuje allel zmutowany bez względu na płeć potomzielonka o  spokrewnionych rodziców, którzy są nosicielami zmutowanego allelu.

Załącznik nr 3 – Karta odpowiedzi

Ćwiczenie 1

Sformułuj 3-4 pytania, które będą pomocne w ustale-niu typu dziedziczenia na podstawie schematów drzew rodowych.

Czy dziedziczenie jest wyłącznie matczyne? Która płeć choruje – obie, tylko mężczyźni?

Po kim dziedziczy się chorobę (po ojcu czy po matce)? Dzieci jakiej płci dziedziczą mutację po chorych męż-czyznach?

Legenda:

Kwadrat biały – zdrowy mężczyzna, kwadrat czarny (szary) – chory mężczyzna, kółko białe – zdrowa kobieta, kółko czarno/białe lub kwadrat czarno-biały – odpowiednio kobieta nosicielka lub mężczyzna nosiciel zmutowanego allelu.

SZK

OŁA

NA

UK

A

KR

Ó

TK

O

C – recesywne sprzężone z  płcią (chromosomem X)

Uzasadnienie

Chory ojciec (hemizygota) przekazał zmutowany allel tylko córkom (dziedziczenie zależne od płci), które są nosicielkami. Matka nosicielka przekazała allel zmuto-wany córce (nosicielka) i synowi, który jest chory (rece-sywny zmutowany allel ujawnia się ze względu na hemi-zygotyczność mężczyzny).

D – dominujące sprzężone z płcią (z chromosomem X)

Uzasadnienie

Sprzężenie z płcią widać przy przekazywaniu zmutowa-nego allelu przez ojca na wszystkie córki, syn jest zdro-wy. Córki nie są nosicielkami tylko chorymi zatem to allel dominujący. O dominacji świadczy też dziedzicze-nie choroby z chorej matki na córkę i syna (oboje cho-rzy) w kolejnym pokoleniu.

Ćwiczenie 3

Chory na daltonizm mężczyzna z  kobietą nosicielką allelu daltonizmu mają 50% chorych synów i 50% cho-rych córek (homozygot). Pozostali synowie są wolni od mutacji, pozostałe córki są zdrowymi nosicielkami cho-roby.

Przeprowadź krzyżówkę, która wykaże, czy takie zało-żenie jest prawdziwe.

Oznaczenia: XD _{– allel zdrowy, X}d _{– allel daltonizmu, Y} – chromosom warunkujący płeć męską

Xd _{Y x X}D _Xd

X

_X

X

_X

_X

_X

_X

Y

X

_Y

_X

_Y

Założenie jest prawdziwe – połowa córek jest nosiciel-kami, połowa jest chora (homozygoty recesywne), sy-nowie w połowie są chorzy, w połowie zdrowi.

Ćwiczenie 4

Chora na krzywicę hipofosfatemiczną, heterozygotycz-na kobieta i zdrowy mężczyzheterozygotycz-na ma 50% ryzyka posia-dania chorego potomstwa, niezależnie od płci. Wykonaj krzyżówkę, która wykaże taki sposób dziedziczenia tej choroby.

Oznaczenia: XK _{– zmutowany allel krzywicy} hipofosfa-temicznej, Xk _{– zdrowy allel, Y – chromosom} warunku-jący płeć męską.

XK _Xk _{x X}k _Y

X

_X

X

_X

_X

_X

_X

Y

X

_Y

_X

_Y

W  wyniku krzyżówki uzyskano 50% chorego potom-stwa (w połowie córki, w połowie synowie). Druga po-łowa dzieci jest zdrowa.

Ćwiczenie 5

Dwoje heterozygotycznych rodziców posiadających zmutowany allel pląsawicy Huntingtona ma 75% ryzy-ka posiadania chorego potomstwa (25% potencjalnych homozygot). Wykonaj krzyżówkę, która potwierdzi taki rezultat dziedziczenia tej choroby.

Oznaczenia: H – zmutowany allel warunkujący chorobę Huntingtona, h – allel zdrowy.

Hh x Hh

H

h

H

HH

Hh

h

Hh

hh

Tylko 25% potomstwa tej pary może być homozygotą recesywną czyli nie chorować na pląsawicę Huntingto-na. Pozostałe dzieci, bez względu na płeć, będą chore. Ćwiczenie 6

Ryzyko posiadania chorego potomstwa przez osobę chorą na mukowiscydozę (homozygotę) jest na ogół mniejsze niż 1%. Wyjaśnij, dlaczego jest tak niskie i od czego zależy jego wartość.

Homozygota recesywna chora na mukowiscydozę prze-kazuje jeden ze swoich zmutowanych alleli każdemu ze swoich dzieci. Natomiast to czy będą one chore zależy od kondycji genetycznej drugiego rodzica. Prawdopo-dobieństwo wystąpienia mutacji wynosi 2 na 1000 osób a więc jest bardzo niskie, stąd wynika niskie, poniżej 1%, prawdopodobieństwo spotkania partnera – zdro-wej heterozygoty. Tylko w takiej sytuacji bowiem może dojść do poczęcia chorego dziecka. Zatem prawdopo-dobieństwo urodzenia chorego potomstwa zależy od częstości występowania tej mutacji w populacji, z której pochodzi drugi rodzic.