Exercicis: Les mutacions

Què és una mutació? Explica la diferència entre una mutació gènica (o puntual) i una mutació cromosòmica, posant un exemple de cadascuna.

En l'esquema, la seqüència A és un fragment d'ARNm normal i les seqüències B i C han patit una mutació. Indica quin tipus de mutació (substitució, inserció o deleció) ha tingut lloc en cadascuna i raona quina provoca un canvi en el marc de lectura i per què.

Anomena dos agents mutàgens, un de físic i un de químic, i explica breument com danyen l'ADN.

Classifica les següents mutacions puntuals segons el seu efecte sobre la proteïna: una substitució que no canvia l'aminoàcid, una substitució que el canvia per un altre i una substitució que converteix un codó en un de terminació. Indica quina de les tres sol ser més greu i per què.

Què és una mutació cromosòmica estructural? Posa dos exemples d'alteracions estructurals dels cromosomes (deleció, duplicació, inversió o translocació) i explica breument en què consisteix una d'elles.

Les mutacions poden ser espontànies o induïdes. Explica la diferència entre ambdues i posa un exemple de causa de cada tipus.

Són totes les mutacions perjudicials? Raona la teva resposta i posa un exemple de mutació que hagi resultat beneficiosa per a una espècie.

Explica què és la taxa de mutació i raona per què els éssers vius mantenen taxes de mutació baixes però no nul·les, relacionant-ho amb l'equilibri entre estabilitat genètica i variabilitat.

Una mutació canvia el codó GAA per GAG, i ambdós codons codifiquen el mateix aminoàcid (àcid glutàmic). Com s'anomena aquest tipus de mutació i per què no altera la proteïna resultant?

Explica la diferència, quant a les conseqüències i a la transmissió a la descendència, entre una mutació que es produeix en una cèl·lula somàtica i una altra que es produeix en una cèl·lula germinal.

Es diu que les mutacions són la font primària de variabilitat genètica. Explica quina relació hi ha entre les mutacions, l'evolució de les espècies i la biodiversitat.

En un gen es produeix la deleció d'un únic nucleòtid dins de la regió codificant. Explica què li passa al marc de lectura a partir d'aquest punt, per què poden canviar tots els aminoàcids posteriors i raona si serà més perjudicial una deleció d'aquest tipus situada al principi del gen o al final.

Les cèl·lules tenen sistemes de reparació de l'ADN que corregeixen molts dels danys que s'escapen a l'ADN polimerasa. Explica què passa quan un dany no es repara i raona per què les persones amb xerodèrmia pigmentosa, que tenen defectuós el sistema que repara els dímers de timina causats per la llum ultraviolada, presenten un risc tan alt de càncer de pell.

La síndrome de Down es deu a la presència d'una còpia extra del cromosoma 21 (trisomia 21). Explica quin tipus de mutació és, com es pot originar per una no-disjunció durant la meiosi i raona per què les mutacions d'aquest tipus afecten molts caràcters simultàniament.

Una mutació situada a la regió reguladora d'un gen impedeix que aquest es transcrigui, encara que la seva seqüència codificant sigui completament normal. Explica com és possible i compara l'efecte d'aquesta mutació amb el d'una substitució dins d'un exó del mateix gen.

Els retrovirus, com el VIH, copien el seu genoma mitjançant la transcriptasa inversa, un enzim sense activitat correctora. Raona per què aquests virus presenten taxes de mutació molt altes i explica quines conseqüències té aquest fet per al tractament de les infeccions que causen i per al desenvolupament de vacunes.

En el gen CFTR, la mutació més freqüent causant de fibrosi quística (ΔF508) consisteix en la pèrdua de tres nucleòtids: CTT. La seqüència de la cadena codificant d'ADN entre els codons 506 i 509 és:

5'-... ATC ATC TTT GGT ...-3' (Ile506 - Ile507 - Phe508 - Gly509).

Després de la deleció dels tres nucleòtids centrals CTT (l'última base d'ATC 507 i les dues primeres de TTT 508), la seqüència resultant queda: 5'-... ATC ATT GGT ...-3'.

1. a) Sabent que tant ATC com ATT codifiquen isoleucina, justifica per què aquesta mutació no altera la pauta de lectura posterior i quina és l'única alteració que pateix l'estructura primària de la proteïna CFTR.
2. b) En un altre pacient es detecta la deleció d'un sol nucleòtid en aquesta mateixa regió (la pèrdua de la 'C' en el triplet 507). Raona quines conseqüències tindrà aquesta mutació sobre la pauta de lectura, sobre la seqüència d'aminoàcids riu avall i sobre la probabilitat que la proteïna resulti truncada.
3. c) Hi ha fàrmacs en desenvolupament ('correctors') que aconsegueixen que la proteïna CFTR arribi a la membrana cel·lular si conserva la seva mida completa, encara que manqui d'un aminoàcid. Prediu raonadament quin dels dos pacients podria beneficiar-se d'aquesta teràpia i per què en l'altre resultarà totalment ineficaç.

En una regió on la malària és endèmica, la freqüència de l'al·lel mutant $Hb^S$ (responsable de l'anèmia falciforme en homozigosi) es manté estable al voltant de 0,12 a causa de l'avantatge selectiu que confereix als heterozigots davant la infecció per Plasmodium.

1. a) Després d'una campanya sanitària intensiva, s'aconsegueix erradicar del tot la malària en aquesta regió. Prediu raonadament com evolucionarà la freqüència de l'al·lel $Hb^S$ al llarg de les següents generacions.
2. b) Justifica per què l'al·lel $Hb^S$ no desapareixerà de manera immediata de la població malgrat ser letal o greument perjudicial en homozigosi.
3. c) Una persona afirma: «En haver desaparegut la malària, la mutació $Hb^S$ ha deixat d'existir a la població». Rebat aquesta afirmació distingint amb claredat entre l'origen d'una mutació i el seu valor adaptatiu en funció de l'ambient.

Durant la replicació de l'ADN d'un bacteri, l'ADN polimerasa incorpora per error un desoxiribonucleòtid de guanina (G) davant d'una timina (T) del motlle, originant un aparellament erroni G-T en un dels filaments acabats de sintetitzar que no és detectat per l'activitat correctora immediata.

1. a) Dedueix quin percentatge de les molècules d'ADN bicatenari descendents portarà una mutació permanent i fixada en ambdós filaments després de dues rondes successives de replicació a partir d'aquesta molècula inicial.
2. b) Justifica com es distribueixen els parells de bases resultants en cadascuna de les quatre molècules d'ADN finals, assumint que el parell de partida era A-T i no actua cap sistema de reparació posterior.
3. c) El sistema de reparació d'aparellaments incorrectes (mismatch repair) només és eficaç si actua abans que el filament acabat de sintetitzar sigui metilat. Justifica quina conseqüència tindria per a l'estabilitat del genoma que aquest sistema reparés el filament motlle metilat en lloc del filament fill acabat de formar.

Per estudiar l'origen de la resistència a antibiòtics, es va dissenyar un experiment inspirat en el de fluctuació de Luria i Delbrück: es van inocular 20 tubs independents amb un nombre idèntic i molt baix de bacteris sensibles a l'ampicil·lina, permetent el seu creixement fins a saturació. Simultàniament, es va cultivar un matràs gran amb un volum equivalent al dels 20 tubs junts. A continuació, es van sembrar alíquotes iguals en plaques amb ampicil·lina:

• Les mostres procedents del matràs gran van produir un nombre de colònies resistents molt similar entre si (mitjana de 24 colònies, amb variància molt baixa).

• Les mostres dels 20 tubs independents van mostrar una enorme fluctuació: la majoria dels tubs van donar 0 o 1 colònia resistent, mentre que uns pocs en van donar més de 300.

1. a) Interpreta aquests resultats: demostren que la resistència és induïda pel contacte amb l'antibiòtic o que es deu a mutacions espontànies preexistents? Justifica la teva resposta explicant la causa de la gran variància entre els tubs independents.
2. b) Prediu quin resultat s'hauria observat a les plaques dels 20 tubs si la presència de l'antibiòtic fos l'estímul directe que provoca la mutació en una petita fracció constant de bacteris.

En el gen d'un enzim metabòlic essencial, s'analitzen dos mutants independents que presenten alteracions en el codó número 45, el triplet original del qual a l'ARNm és GGU (glicina):

• Mutant 1: presenta el codó AGU (serina).

• Mutant 2: presenta el codó UGU (cisteïna).

1. a) Si el residu 45 es troba a la superfície de l'enzim, exposat al medi aquós i lluny del centre catalític, prediu raonadament quina de les dues substitucions tindrà menor probabilitat d'alterar la conformació activa de la proteïna.
2. b) Es comprova que, en oxidar lleument el medi, el mutant 2 forma agregats moleculars gegants i inactius formats per dímers covalents de l'enzim, fenomen absent en el tipus silvestre i en el mutant 1. Justifica a escala química aquest comportament.
3. c) Si una tercera soca mutant presenta en aquest mateix codó el triplet GGA, quina conseqüència fenotípica tindrà sobre l'activitat enzimàtica? Justifica la teva resposta indicant la propietat del codi genètic que explica aquest fet.

En seqüenciar genomes complets d'una espècie, s'observa empíricament que la taxa de transicions espontànies duplica la de transversions (relació 2:1), malgrat que el nombre de transversions possibles sobre el paper duplica el de transicions (relació teòrica 1:2).

1. a) Justifica a escala estereoquímica per què l'ADN polimerasa comet i deixa passar amb major freqüència una transició que una transversió durant la replicació de l'ADN.
2. b) Observa la tercera posició dels codons en famílies de quatre caixes en el codi genètic (per exemple, valina: GUU, GUC, GUA, GUG). Justifica per què una transició en aquesta posició té un efecte neutre sobre la seqüència polipeptídica i prediu si una transversió en aquesta mateixa posició tindria la mateixa innocuïtat biològica.
3. c) Prediu quina alteració en les taxes de mutació patiria una cèl·lula si una mutació inactivés selectivament el domini exonucleasa 3'→5' de la seva ADN polimerasa principal.

L'anàlisi genòmica d'un nounat completament sa revela que és portador d'aproximadament 70 mutacions puntuals de novo absents en el genoma dels seus progenitors. Els seus familiars temen que aquestes mutacions provoquin el desenvolupament de malalties greus en el futur.

1. a) Fent servir l'organització del genoma humà i les característiques del codi genètic, justifica per què la immensa majoria d'aquestes 70 mutacions puntuals no té cap efecte fenotípic apreciable.
2. b) Suposa que una d'aquestes mutacions puntuals es localitza en el dinucleòtid conservat que marca el lloc de tall i empalmat (splicing) del primer intró d'un gen essencial. Prediu i justifica les conseqüències moleculars sobre l'ARNm madur i sobre la proteïna traduïda.
3. c) Pot una mutació puntual situada en una regió intergènica no codificant alterar la quantitat de proteïna sintetitzada per un gen contigu? Justifica la teva resposta proposant un mecanisme molecular concret.

En un assaig d'evolució experimental al laboratori, se sotmeten dues poblacions bacterianes (soca estàndard amb taxa de mutació normal i soca mutadora amb una taxa de mutació 150 vegades superior per defecte en la reparació de l'ADN) a dosis letals creixents d'un nou fàrmac tòxic.

1. a) Durant els primers cicles d'exposició, la soca mutadora genera clons viables resistents amb una rapidesa significativament més gran que la soca estàndard. Interpreta aquest resultat en termes de variabilitat genètica i selecció natural.
2. b) Després de mil generacions en un medi òptim i constant, sense presència de cap tòxic, la soca mutadora experimenta un descens marcat en la seva eficàcia biològica (fitness) i una davallada poblacional respecte a la soca estàndard. Justifica aquesta davallada basant-te en la naturalesa de la majoria de les mutacions i el concepte de càrrega mutacional.
3. c) A partir dels resultats anteriors, formula una hipòtesi que expliqui per què la selecció natural ha afavorit taxes de mutació molt reduïdes, però no estrictament iguals a zero, en els éssers vius.

Repte del tema. Com a assessor genètic, has d'analitzar l'impacte molecular d'una mutació real en el gen humà $HBB$ (responsable de l'anèmia falciforme) i proposar una solució biotecnològica.

1. Obtenció de dades: Accedeix a la base de dades pública NCBI ClinVar o Ensembl, localitza el gen $HBB$ i extreu el triplet original del codó 6 enfront de la variant patogènica de l'hemoglobina S (c.20A>T, p.Glu7Val a ClinVar; Glu6Val en la numeració clàssica).

2. Flux de la informació genètica: Elabora una taula comparativa on representis la replicació del fragment d'ADN (cadena motlle i complementària), la seva transcripció a ARNm i la traducció al pèptid resultant. Classifica la mutació a escala molecular i prediu com aquest canvi d'aminoàcid afecta la conformació tridimensional de l'hemoglobina.

3. Regulació i informe terapèutic: Redacta un informe raonat (1,0-1,5 pàgines) explicant per què durant l'etapa fetal la patologia no es manifesta (silenciament i regulació gènica d'$HBB$ enfront de globines fetals). Planteja una hipòtesi fonamentada sobre com reactivar l'expressió de la globina fetal mitjançant edició gènica per tractar la malaltia.

Es valorarà:

• Rigor i exactitud en deduir els processos de replicació, transcripció i traducció a partir de dades reals de l'NCBI.

• Classificació adequada de la mutació i la seva correlació amb l'estructura proteica.

• Integració crítica dels mecanismes de regulació de l'expressió gènica en la proposta terapèutica.