Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio 0 DNA mutationer Simone Johansen 3y Nukleinsyren DNA er bestanddelen for alt levende. Det er DNA’et der bestemmer vores genetiske træk, og det er derfor også her den genetiske variation findes. Den genetiske variation opstår ved mutationer i arvemassens DNA. Der kendes til utallige former for mutationer, hvorved nogen opstår spontant, hvorved andre opstår ved tilstedeværelsen af et mutagent stof. Denne opgave belyser biologisk de forskellige mutationers indvirkning på individet, samt hvilken reparationsmuligheder den enkelte celle normalt har. Matematisk er der opstillet en model over mutationsraten af observerede de novo mutationer pr. faderens alder i år fra en undersøgelse, der er publiceret i tidsskriftet Nature. 20.12.12
35
Embed
SRP 20/12 2012. Mat/bio - media.mentoreurope.eumedia.mentoreurope.eu/static/SRP2015/DNA_mutationer_.pdf · A mutation, which appears in a family for the first time, is called a De
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
0
DNA mutationer Simone Johansen 3y
Nukleinsyren DNA er bestanddelen for alt levende. Det
er DNA’et der bestemmer vores genetiske træk, og det
er derfor også her den genetiske variation findes. Den
genetiske variation opstår ved mutationer i arvemassens
DNA. Der kendes til utallige former for mutationer,
hvorved nogen opstår spontant, hvorved andre opstår
ved tilstedeværelsen af et mutagent stof.
Denne opgave belyser biologisk de forskellige
mutationers indvirkning på individet, samt hvilken
reparationsmuligheder den enkelte celle normalt har.
Matematisk er der opstillet en model over
mutationsraten af observerede de novo mutationer pr.
faderens alder i år fra en undersøgelse, der er publiceret
i tidsskriftet Nature.
20.12.12
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
1
Abstract This paper investigates DNA and its ability to mutate. Mutations often come into existence spontaneously
or with the presence of a mutagenic substance causing mutations. Often it isn’t a threat because the cells’
reconditioning enzymes would repair the main part of the mutation. A mutation, which appears in a family
for the first time, is called a De Novo mutation. The study uses a research about De Novo mutations from an
article in Nature to show how the amount of mutations affects the off-spring’s risk to develop autism or
schizophrenia.
From biological scholarly books, mathematical workingmodels and the research on De Novo mutations, the
study elucidates DNA’s structure, which changes the mutations cause and how De Novo mutations affect
the offspring.
It is shown that mutations can have fatal consequences such as cancer, mental retardation and reduced
intelligence. It is also shown that the age of the father has a great significance to the off-spring’s risk of
developing autism or schizophrenia, as the count of De Novo mutations increases exponentially with the
age of the father.
The study recommends that the results of the research should be used to advice future parents.
Eukaryote celler og deres formering ................................................................................................................. 1
Eukaryote celler ........................................................................................ Fejl! Bogmærke er ikke defineret.
DNA’s opbygning og funktion ........................................................................................................................ 1
Proteinsyntesen ........................................................................................ Fejl! Bogmærke er ikke defineret.
Meiose og Mitose .......................................................................................................................................... 4
Henfald af DNA .................................................................................................................................................. 5
Reparationsenzymer..................................................................................... Fejl! Bogmærke er ikke defineret.
Rate of de De novo mutationer and the importance of father’s age to diseas risk ........................................ 13
Mutationsraten – de novo ............................................................................................................................... 14
Konklusion .................................................................................................... Fejl! Bogmærke er ikke defineret.
Eukaryote celler Vores krop, og alt levende for den sags skyld, består af flere billioner celler, der ikke er større end 10𝜇𝑚.
Mennesket, planter, svampe og dyr består af eukaryote celler, som er mere komplekse end prokaryoter.
Cellen er omgrænset af en cellemembran, der er opbygget af et dobbeltlag af fosfolipider. Den sørger for at
cellen kan opretholde et vandigt miljø, i form af cytoplasmaet inde i cellen uden at det påvirker, eller bliver
påvirket, af det omgivende miljø.
Inde i cytoplasmaet findes cellens organeller, såsom golgiapparater, mitokondrier, glat ER, ru ER, ribosomer
og cellekernen. Cellekernen er opbygget af en to lag enhedsmembran og indeholder cellens
arvemateriale.((1) s. 20-22)
DNA’s opbygning og funktion I de eukaryote cellers kerner finder vi nukleinsyrerne. I kromosomerne findes nukleinsyrerne, hvor vi finder
den genetiske variation. Et kromosom består af en lang fiber af kromatin, som er opbygget af
dobbeltstrenget DNA, der er bundet om kugleformede histoner. Histonerne sidder i grupper på otte, hvor
DNA’et er bundet rundt om to gange. Sådan en gruppe kaldes et nukleosom, og holdes sammen af
strukturproteiner.
DNA er dobbeltstrenget, og tilsammen udgør de to strenge en lang dobbelthelix formet kæde. DNA’s
grundbyggesten er nukleotiderne adenninnukleotid (dAMP),
thyminnukletotid (dTMP), guaninnukleotid (dGMP) og cytosinnukleotid
(dCMP). Nukleotiderne består af et sukkermolekyle, deoxyribose, en
base, som enten kan være Adenin, Thymin, Guanin og Cystosin, samt en
eller flere fosfatgrupper. C og T består af én heterocyklisk aromatisk ring
indeholdende to kvælstofatomer, hvilket kaldes pyrimidiner. A og G
indeholder derimod to aromatiske ringe og er derfor puriner. Basen i
nukleotidet er bundet til deoxyribosens 1. kulstofatom, og fosfationen til
det 5. (se figur 1). Fosfationen er også bundet til 3. kulstofatom på næste
nukleotids deoxyribose, hvorved den lange kæde opstår. De to kæder er holdes sammen ved, at de to
basers polære dele tiltrækker hinanden, og der opstår svage hydrogenbindinder mellem dem. . Det er henholdsvis purinen G og pyrimidien C der bliver bundet sammen af tre hydrogenbindinger og
purinen A og pyrimidien T med to hydrogenbindinger. Overstående kaldes baseparringsprincippet. DNA-
strengene er antiparallelle, da de vender omvendt af hinanden. Den ene streng løber fra 5’ ende til
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
2
3’(angiver basens frie C-atom) ende og omvendt for den anden. De kaldes derfor komplementære((1) s. 39-
42)
DNA-strenge kan opdeles i tripletkoder(også kaldet et codon), som er tre sammenhørende baser, der
tilsammen danner koden for én aminosyre. DNA-strengene kan endvidere opdeles i gener, som er lange
kæder af aminosyrer, der koder for et protein og dets egenskaber. Et protein er altså en uforgrenet kæde af
aminosyrer sammensat af peptidbindinger, der derved danner en polypeptidkæde. Proteinet fungerer som
byggemateriale til f.eks. enzymer, der sørger for at kroppen fungerer.
Proteinerne bliver dannet ved proteinsyntesen. Syntesen består af to delprocesser, transskriptionen og
translationen, der foregår i henholdsvis cellekernen og ribosomerne.
Proteinsyntesen i korte træk Ved proteinsyntesen dannes der, under transskriptionen, RNA, som er en anden vigtig nukleinsyre, der
adskiller sig fra DNA på tre punkter: den indeholder Uracil i stedet for Thymin, er enkeltstrenget, og
monosakkaridet indeholder et ekstra oxygenatom, hvorved nukleotiderne betegnes uden det lille d.
Det dannede RNA stykke består ca. kun af 5% brugbart kodende materiale kaldet exons. Det resterende
materiale, introns, bliver skåret væk af spliceosomerne, og den nye editeret form af RNA kaldes mRNA.
Translationen sker i ribosomerne, hvor
tripletkoderne på mRNA hver især vil tiltrække tRNA,
der har den modstående tripletkode. Herved vil der
dannes en lang række aminosyrer der bindes
sammen af peptidbindinger mellem syregruppen på
den ene aminosyre og aminogruppen på den anden
aminosyre (se figur 2).
Den lange aminosyrekæde i proteinet kaldes
primærstrukturen. Sekundærstrukturen opstår når
peptidet foldes ved bindinger mellem molekylets
forskellige dele, og tertiærstrukturen er den
overordnede struktur der bindes sammen af enten
ionbindinger, hydrogenbindinger eller hydrofobe
Figur 2- translationen(25)
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
3
dele der søger sammen. Disse tre strukturer, og specielt primærstrukturen, har betydning for hvilken
funktion det dannede protein har.
Ud af de fire baser kan der altså dannes 43 = 64 tripletkoder. Dog indeholder en celle kun 20 forskellige
aminosyrer, hvilket skyldes at flere tripletkoder koder for den samme aminosyre. Men ethvert protein vil
under dens dannelse have tripletkoden AUG som første led, da denne aminosyre, Methionin, er den eneste
startkode. Proteinets længde afgøres af hvornår der bliver sat en stopkode ind. De forskellige stopkoder er
tripletkoderne UAA, UAG og UGA. ((1) s. 53-58)
Baseparringsprincippet er også en forudsætning for at DNA kan kopieres. Når en celle deler sig, skal
dattercellen have et komplet sæt gener, og DNA’et skal kopieres under replikationen.
Replikationen Enzymet DNA-helikase splitter DNA’et ad forskellige steder på DNA’et ved at bryde hydrogenbindingerne
mellem baseparrene. Ved adskillelsesstedet indsættes en primer af enzymet primase, hvorfra enzymet
DNA-polymerase vil udvikle to nye strenge ud fra de to adskilte DNA-strenge, der bruges som skabelon.
Processen kaldes polymerisering. Indsættelsen af nukleotider sker efter baseparringsprincippet, så de to
nye strenge er identiske med ’de gamle’ DNA-strenge.
Den ene DNA-streng kaldes the leading strand og her foregår indsættelsen af nukleotider relativt simpelt.
Nukleotidet bliver indsat ved fraspaltning af to ekstrasiddende fosfatgrupper, og den tilbageværende
fosfation bindes til OH-gruppen på 3’-enden af den voksende strengs nukleotid. Opbygningen sker altså fra
5’-ende, hvor primeren sidder, mod 3’-ende.
Polymeriseringen af den anden enkeltstrenget DNA, the lagging strand, foregår stykvis, da processen
foregår fra 3’ende. Herved vil der dannes et loop, hvor der indsættes en primer efter ca. hvert 1000
nukleotid. Primerne vil herefter fjernes, og DNA-polymerase vil indsætte de manglende nukleotider. Til
sidst limer enzymet DNA-ligase DNA-stykkerne sammen.
Herved er arvematerialet kopieret, og modercellen vil dele sig i to identiske datterceller.
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
4
Meiose og Mitose Modercellen kan deles under to delingsprocesser kaldet meiosen og mitosen.
Når et individ undfanges sker der en
reduktionsdeling kaldet meiosen. Den
diploide modercelle med 46 kromosomer
(23 kromosompar) bliver under meiosen til
fire haploide datterceller med 23
kromosomer i hver. Inden den 1. meiotiske
deling vil cellen gennemgå en interfase,
hvorved kromosomerne fordobles til
kromatider, der hænger sammen i
centromerer. Herefter starter profasen, hvor kromatiderne rulles sammen og kernemembranen opløses,
hvorved kerneplasma og cytoplasma blandes sammen. Nukleos forsvinder hermed. Samtidig dannes der
lange proteintråde kaldet tentråde, der udgår fra centriolerne i hver sin ende. De homologe(ens)
kromosomer konjugerer, hvilket betyder at de samles parvis i cellens midterplan. Den tætte kontakt
muliggør en overkrydsning, hvorved små DNA stykker fra hvert kromatid bytter plads, i den hensigt at gøre
dem genetisk forskellige. I metafasen vil tentrådene fra hver sin side af cellen fastgøres til hvert sit
kromosoms centromere. I anafasen hives kromatiderne fra hinanden af tentrådene, og de adskilte
kromosomer vil vandre via. tentrådene til hver sin side af cellen. I telofasen gendannes kernemembranen
omkring de kommende dattercellers kromosomer, der foldes ud igen, og tentrådende forsvinder.
Cytoplasmaet deles i to på hver side af en nydannet cellemembran. Herved er der opstået to datterceller
med det halve kromosomtal i forhold til det oprindelige. (se figur 3)
Den anden meiotiske celledeling minder meget om den almindelige celledeling, mitosen, med de forskelle
at der kun er det halve kromosomtal til stede og kromatiderne ikke mere er identiske pga. overkrydsningen.
Mitosen inddeles også i de fire faser: profasen, metafasen, anafasen og telofasen. Inden mitosen går i gang
befinder cellen sig i interfasen, hvor den befinder sig i omkring 90-95% af sin levetid. Her foregår
replikationen. De fire faser foregår på præcis samme måde som i den første meiotiske deling, bortset fra at
der ikke sker en overkrydsning i metafasen. Resultatet af mitosen er to datterceller med samme
kromosombesætning, som modercellen havde.
Den meiotiske celledeling foregår i æggestokkene hos kvinder og i testiklerne hos mænd, og en haploid
celle fra både mor og far vil skabe en diploid celle kaldet en zygote, hvorved afkommet vil arve egenskaber
fra både moderen og faderen. Mitosen foregår hele tiden i hver evig eneste celle i kroppen. ((3) s. 38-30)
Figur 3 – meiosen (28)
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
5
Henfald af DNA
Selvom man skulle tro at DNA er et relativt stabilt molekyle har forskere fra Danmark og Australien
undersøgt DNA’s henfald. De har ekstraheret DNA fra 158 Moaers ben knogler. Disse Moaer er alle mellem
600-8000 år gamle, og har alle levet i en afstand af 5 km. fra hinanden. De har altså levet under samme
forhold. Under en temperatur på 13℃ har forskerne målt disse Moaers DNA til at have en halveringstid på
521 år. Man har førhen målt 450.000-800.000 år gamle planters og insekters DNA til at have en
halveringstid på 158.000 år, dog konkluderer forskerne: ’that it is an optimistic assessment, and doesn't
imply that samples of DNA large enough to measure could be extracted from such old bones.’’ Moaernes
knogler har altså større chance for at være brugbare, da de ikke er så gamle. (5)
Knogler er det vigtigste studieobjekt i f.eks. arkæologien, da de er biologisk svært nedbrydelige, og derved
bevarer deres struktur længe efter individets død. Deres DNA er derfor også velbevaret i celler, der er
indlejret i knoglesubstansen. (6)
Ud fra denne undersøgelse ønsker vi at bestemme henfaldt DNA materiale (nukleotider)
over tiden, t i procent. Dette kan vi undersøge ved at tage brug af en 1. ordens model.
Procentdelen af henfaldt DNA materiale betegner vi N, og tiden t, og disse antages at
være proportionale med hinanden.
Vi kan finde procentdelen af henfaldt DNA materiale pr. tidsrum således
∆𝑁 = −𝑘 ∙ 𝑁(𝑡) ∙ ∆𝑡
hvor vi har den uafhængige variabel t, den afhængige variabel N og proportionalitets-faktoren –k, der
betegner sandsynligheden for at DNA materialet henfalder pr. tid. Ud fra forsøget, kan vi konkludere at –k
afhænger af en temperatur omkring 13℃.
Ved at indfører et uendeligt lille tidsinterval, dt, kan vi beregne henfaldet af DNA materiale mere præcist,
idet vi kan observere henfaldet som en helhed, og ikke pr. tidsenhed:
𝑑𝑁 = −𝑘 ∙ 𝑁 ∙ 𝑑𝑡 →𝑑𝑁
𝑑𝑡= −𝑘 ∙ 𝑁
Vi er nu nået frem til en differentialligning, og har 𝑑𝑁
𝑑𝑡 som differentiale operatorer. Differentialligninger
optræder ved at både funktionen og dens afledte er ukendt. Vi har således N, og den afledte 𝑑𝑁
𝑑𝑡. Eftersom
at der er en klar sammenhæng mellem funktionen og dens afledte er det muligt at finde en løsning til
differentialligningen. Løsningen findes ved brug af integration, og man får derved en funktion, der opfylder
1. ordens model
(de variable
står i 1. potens)
𝑦 = 𝑎 ∙ 𝑥
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
6
differentialligningen. Når man integrerer gør man det modsatte af at differentiere, og prøver således at
finde ud af hvor differentialligningen kommer fra.
Eftersom at vores afledte funktion står i 1. orden, og har formen 𝑑𝑦
𝑑𝑥+ 𝑘 ∙ 𝑓(𝑥) = 0, har vi at gøre med en
homogen lineær 1. ordens differentialligning. Løsningen for differentialligningen er funktionen 𝑓(𝑥) = 𝑐 ∙
𝑒−𝑘∙𝑥, hvor k er en given konstant og c er et vilkårligt tal. (29) Dette vil jeg nu bevise og tager brug af
separation af de variable, i den hensigt at få samlet udtrykkene med N og udtrykkene med t på hver sin side
af lighedstegnet og dermed integrere
∫1
𝑁𝑑𝑁 = ∫ 𝑘𝑑𝑡
Eftersom at vi ikke har et bestemt tidsinterval at forholde os til, har vi at gøre med et ubestemt integral.
Med bestemte integraller arbejder man derimod med grænser, altså definitionsmængder. Når vi integrerer
vores ubestemte integral, skal der tilføjes en konstant, som vi betegner c, der betegner alle tal.
Vi integrerer nu vores ubestemte integral, og finder herved stamfunktionen ved det kendskab at 1
𝑥= ln(𝑥)
ln(|𝑁|) = −𝑘𝑡 + 𝑐 (𝑐 ∈ ℝ)
Vi ønsker at ophæve den naturlige logaritme og indfører den naturlige eksponentiel funktion e
𝑒ln (|𝑁|) = 𝑒−𝑘𝑡+𝑐 → 𝑁 = 𝑒−𝑘𝑡 ∙ 𝑒𝑐
Da ec er en konstant betegner vi den med c, og eftersom at vi kun har variablen t på venstre side, har vi N(t)
på højre side
𝑁(𝑡) = 𝑐 ∙ 𝑒−𝑘𝑡
Vi har nu bevist at en homogen lineær 1. ordens differentialligning har en funktion af 𝑓(𝑥) = 𝑐 ∙ 𝑒−𝑘∙𝑥 som
løsning.
Vi kan se at der ved starttidspunktet 𝑡0, er c procentdel DNA materiale, ved at indsætte 0 på t’et plads
𝑁(0) = 𝑐 ∙ 𝑒−𝑘∙0 → 𝑁(0) = 𝑐
Vi kan derfor betegne c med N0, og har derved den generelle løsning
𝑁(𝑡) = 𝑁0 ∙ 𝑒−𝑘𝑡
som er henfaldsformlen.
For at finde den specifikke løsning, benytter vi os af følgende formel, der betegner forholdet mellem
henfaldskonstanten k og halveringstiden 𝑡12⁄ . Vi kender 𝑡1
2⁄ ’s værdi på 521 år fra undersøgelsen, og kan
derfor udregne k
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
7
𝑘 =ln (2)
𝑡12⁄
=ln (2)
521= 0,0013304
Vi ved at der er 100 % intakt DNA materiale ved 𝑡0, som derfor er indsættes på N0’s plads. Den specifikke
løsning ser derfor således ud
𝑁(𝑡) = 100 ∙ 𝑒−0,0013304∙𝑡
Da knogler fra dyr og mennesker er ens opbygget, kan vi eftersigende bruge samme data til at bestemme,
hvor stor en procentdel af vores DNA der vil henfalde i løbet af en gennemsnitlig levealder på 81,62 år
(kvinder) (7)
Vi indsætter derfor 81,26 år på t’s plads og udregner
𝑁(81,62) = 100 ∙ 𝑒−0,0013304∙81,62 = 89,71
I løbet af en gennemsnitlig levealder vil der altså henfalde 100 − 89,71 = 10,29% DNA materiale.
På graf 1 i bilaget ser vi vores specifikke funktion med punkterne 𝑃(521,50) (halveringstiden) og
𝑃(81.62,89.71) (procentdel henfaldt DNA materiale på en levealder). Og på graf 2 ser vi at alt DNA
materiale vil være henfaldet efter ca. 4400 år.
Dog skal vi tage i betragtning at denne undersøgelse er lavet på basis af døde knogle, hvorved de forskellige
enzymer(se reparationsenzymer), der opretholder og reparerer vores DNA ikke er levedygtige, og derfor
ikke er til stede til at reparere beskadiget DNA, som kunne være forårsaget af mutationer.
Mutationer
I enhver celle vil der ske op imod ca. 10.000 mutationer pr. dag. Størstedelen bliver dog repareret af
kroppens reparationsenzymer, så de ingen skade gør. (14)
De fleste mutationer sker spontant, og det vides ikke hvorfor. Andre mutationer skyldes hovedsageligt
mutagene stoffer, såsom UV-stråling og kemikalier. Mutationer kan ændre DNA’et på mange forskellige
måder, men ændringerne vil kun have ødelæggende effekt på genet hvis de opstår i exons. Sker
mutationen i et intron kaldes det en tavs mutation.
Overordnet kan man inddele mutationer i genmutationer, kromosommutationer og kromosom-
talsmutationer.
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
8
Genmutationer
Genmutationer/punktmutationer betegner når der sker en baseudskiftning i DNA’et. Disse mutationer
kaldes også SNP mutationer, og er ofte fremkaldt af mutagener (se mutagener).
Overordnet kan der ske to slags punktmutationer:
- En transition, hvor en purin udskiftes med en anden purin, eller en pyrimidin med en anden
pyrimidin.
- En transversion, hvor en purin udskiftes med pyrimidin eller omvendt. (9)
som er inddelt i substitutions-mutationer og frameshift-mutationer.
Ved en substitutions-mutation vil en enkelt base i DNA’et ændres til en anden. Hvis denne base er en del af
en tripletkode i et exons kaldes mutationen for en missense mutation. Men eftersom at flere aminosyrer
kan kode for det samme protein, vil en ændring i et enkelt basepar i et exon ikke altid forårsage skader. Ved
mutation af 1. og 2. triplet vil der oftest dannes en anden aminosyrer der koder for et andet protein. Dette
kan forårsage store skader, hvis ikke det nye protein biokemisk ligner det oprindelige protein. På figur 4 ses
et eksempel på en substitutionsmutation ikke forårsager et ændret protein.
Figur 4 – eksempel på substitution mutation(26)
Man har regnet sig frem til at hyppigheden for disse mutationer foregår i intervallet 109 − 1011 basepar
der bliver replikeret. Dog findes der hotspots, hvor hyppigheden er en del større. ((2) s. 107)
Thalassæmi er en sygdom fremkaldt af en substitutions-mutation, hvor en adenin base ændres til en
thymin base på 2. baseposition. Den oprindelige DNA-streng vil ændres fra 5′ − 𝐺𝐴𝐺 − 3′ til 5′ − 𝐺𝑇𝐺 − 3′.
Den nye codon vil kode for valin i stedet for glutaminsyre, og det færdige proteins tredimensionelle struktur
vil være betydeligt ændret. Glutaminsyre spiller en stor rolle i hæmoglobin, der transporterer ilt i blodet, og
folk med thalasæmi har altså sværere ved at binde ilt i blodet. ((3) s. 75-76)
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
9
Ved en frameshift-mutation vil der blive indsat eller fjernet en base i DNA’et. Når der indsættes eller fjernes
en base vil alle baser rykke en plads enten frem eller tilbage, hvorved alle efterfølgende tripletkoder
ændres. Oftest vil det forårsage at der indsættes en stopkode for tidligt, hvorved proteinet ikke kun får
ændret struktur, men også bliver mindre end normalt. Frameshift-mutationer kan også opstå ved
deletioner og duplikationer (se kromosommutationer), så længe antallet ikke er deleligt med 3. ((3) s. 76-
77)
Kromosommutationer
Under kromosommutationer ser man translokationer, deletioner, duplikationer og inversioner, og disse ses
på figur 7 i bilaget.
Translokationer opstår når der sker et brud på to ikke-homologe(ikke ens) kromosomer på samme tid.
Kromosomdelene kan finde sammen på ny under reparationen, og der sker altså en overførsel af
kromosomstykker. Man skelner mellem balancerede og ubalancerede translokationer. Ved en balanceret
translokation ombyttes to kromosomstykker i en celle, hvorved cellens genom stadig er intakt med alle
gener. Dog kan dette forårsage splittelse af et gen. Translokationen er ubalanceret hvis det medfører tab
eller tilførsel af genmateriale.
Down syndrom er en kendt affekt af translokationer, hvor der sker en overførsel af det ene kromosom 21 til
kromosom 14. Dog er dette kun tilfældet hos 4% af alle med Down Syndrom. Resten opstår ved non-
disjunction (se kromosomtalsmutationer) ((3) s. 79)
Deletioner omfatter tab af kromosommateriale, men kan også kun omfatte et enkelt basepar. Disse tab
opstår ved kromosombrud eller ved en skæv overkrydsning under meiosen. I overkrydsningen vil
kromatiderne i de to homologe kromosomer krydse på nøjagtigt samme sted, og der opstår et brud på
kromosomet. Sammenvoksningen af kromatiderne vil være tilfældigt, hvorfor kromosommaterialet på de
to homologe kromosomer kan variere.
Ved en skæv overkrydsning vil overkrydsningen ikke ske samme sted på de to homologe kromosomer.
Hvis en deletion sker i kønscellerne vil afkommet deraf blive født med svære misdannelser og mental
retardering. Symptomernes sværhedsgrad afhænger af, på hvilket kromosom deletionen er foregået og
hvor stort tabet er ((2) s. 105)
Et kendt eksempel på symptomer af deletion er Cri Du chat syndromet. Syndromet er forårsaget af en
deletion på kromosom 5, hvor en del af den korte arm er gået tabt. Dette syndroms typiske træk er
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
10
katteagtigt gråd specielt ved fødslen, lav fødselsvægt og dårlig vægtstigning, påfaldende ansigtstræk og
mental retardering. ((4))
Som følger af en skæv overkrydsning vil det ene homologe kromosom indeholde en deletion, mens det
andet homologe kromosom vil indeholde en duplikation
Duplikationer opstår som sagt også ved en skæv overkrydsning. Det ene kromosom vil altså indeholde et
bestemt gen i to eksemplarer på kromatidet. En gunstig mutation heraf har medført at vi kan nedbryde
stivelse/amylose allerede ved indtagelse i munden. Vi har som følge af mutationen udviklet amylase-
enzymer, der har et pH-optimum passende vores mundhule.
Når der opstår et kromosombrud kan der også opstå en inversion. Her vil det pågældende stykke blive sat
tilbage på samme plads, dog drejet 180°. Inversioner vil ikke forårsage ændring i fænotypen, man kan
medføre nedsat fertilitet. ((3) s. 78)
Kromosomtalsmutationer
En kropscelle indeholder normalt 46 kromosomer, hvor 22 par er autosomer og et par er kønskromosomer.
Dette antal kaldes det diploide antal, 2n. Kønsceller indeholder derimod 23 kromosomer, som kaldes det
haploide antal, n. Hvis der under en fejldeling i meiosen dannes en zygote med 45 kromosomer (2n-1)
kaldes det monosomi, og i tilfælde med dannelse af en zygote med 47 kromosomer (2n+1) kaldes det
trisomi. Disse mutationer kaldes kromosomstalsmutationer og opstår ved non-disjunction ((3) s. 80)
Non-disjunction kan opstå både i meiosens 1. og 2. deling, men årsagen kendes ikke. Ordet betyder ’’ikke-
adskillelse’’, og vil altså sige at kønskromosomerne ikke adskilles som normalt under meiosen. Det vil
resultere i at nogle kønsceller vil indeholde for mange kromosomer og andre for lidt (se figur 9), og dette
kan have fatale konsekvenser. ((2) s. 100-101)
Figur 5 – non-disjunction i tre forskellige tilfælde (9)
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
11
Et menneskes karyotype angiver den specifikke kromosombesætning, og er hos kvinder 46,XX og hos mænd
46,XY.
Hvis en zygote kun indeholder ét X-kromosom som følge af non-disjunction, vil afkommet have en
karyotype 45,X som også kaldes monosomi-X. Men får altså en pige med Turner syndrom, hvis symptomer
er lav legemshøjde og mangelfuld kønsudvikling, da mængden af det kvindelige kønshormon østrogen er
lav.
Hvis der modsat dannes en zygote indeholdende kun et Y-kromosom vil den ikke overleve, da den mangler
de vitale gener for overlevelse der kun findes i X-kromosomet.
Dannes der en zygote med et ekstra kønskromosom kan afkommet få karyotypen 47,XXX, 47,XXY eller
47,XYY. Disse forekomster kaldes trisomi og trisimo-X (47,XXX) forårsager nedsat intelligens og mulighed for
afvigelser i kommende kønsceller hos kvinder. En mand med karyotypen 47,XXY vil fødes med klinefelters
syndrom, der er en feminisering af fænotypen. De mandlige sekundere kønskarakterer vil altså ikke være
ligeså fremtrædende, og der kan være tendens til bryster og svagt udviklede testikler. De er ofte høje og
sterile. Fødes manden med karyotypen 47,XYY vil det kun forårsage højere legemshøjde.
Som omtalt i kromosommutationer vil Down syndrom opstå som følge af non-disjunction i 96% af
tilfældene. Her vil non-disjunction forårsage at individet fødes med karyotypen 47,XY(21), og betyder at
barnet er født med et ekstra kromosom 21. ((3) s. 80-83)
Sker non-disjunction under mitosedelingerne vil individet have celler med normal kromosom-besætning og
celler med unormal kromosombesætning. Dette kaldes mosaikbørn.((2) s. 101)
Mutagener
Som sagt sker mutationer ikke kun spontant. Visse stoffer, kaldet mutagener, kan fremkalde mutationer.
Dette gælder specielt UV-stråling og kemikalier.
Når vi solbader om sommeren eller tager solarie vil elektronerne i DNA’et, som netop binder atomerne
sammen til hele molekyler, absorberer UV-bestrålingen. Når UV-lyset absorberes i elektronerne spaltes de
kemiske bindinger i DNA’et. Det betyder at baserne på ny kan bindes sammen, og der kan for eksempel
opstå en T-T dimer, hvor to thyminer, der sidder ved siden af hinanden, kan binde sig til hinanden med en
kovalent binding i stedet for at binde sig til modstående base, A. Denne dimer skaber en hård bule på
DNA’et, der forstyrrer DNA-polymerasens arbejde under transskriptionen. Dette vil forårsage dannelse af
forkert mRNA, hvilket fører til et ændret protein. Dette kan forårsage hudkræft (8)
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
12
Andre mutagener kaldes baseanaloger, idet de kemisk ligner de oprindelige baser. En kendt baseanalog er
5-bom-uracil(5-Bru), der er en bromholdig derivat af uracil. 5-Bru kan substituerer for Thymin, og findes på
tre tautomer former. Keto formen er komplementær med adenin, og kan derfor erstatte thymin under
replikationen. Keto-enol taumeren er på ionform, og er derfor meget reaktiv. Der er mulighed for dannelse
af en ekstra hydrogenbinding, hvorfor enolen er komplementær til guanin.(se figur 6) 5-Bru indsættes i
DNA’et under en substitutionsmutation, hvorved der sker en punktmutation. (10)
Figur 6 – binding mellem 5-BrU og adenin og guanin
2-Aminopurin og 5-Chloruracil har samme indvirkning på DNA for henholdsvis thymin og adenin.
Salpetersyrling og nitrit forårsager oxidativ deaminering af adenin eller cytosin. Ved en oxidativ deamering
vil en −𝑁𝐻2-gruppe i basen blive erstattet med en =O. Herved vil adenin omdannes til hypoxantin, der er
komplementær til cytosin. Der vil altså dannes en 𝐻𝑋 − 𝐶 base der under replikationen danner en 𝐶 − 𝐺
base, i stedet for den oprindelige 𝐴 − 𝑇 base. Ved deaminering af cytosin dannes en 𝐴 − 𝑇 base under
replikationen i stedet for den oprindelige 𝐶 − 𝐺 base (11)
De fleste mutagene stoffer kan fremkalde kræft, og kaldes også carcinogener. Ser vi på nedenstående tabel,
ser vi hvilke slags stoffer der kan fremkalde kræft i bestemte målorganer
Figur 7- Deaminering af cytosin til uracil ((1) s.63)
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
13
Figur 8 – carcinogerne(21)
Carcinogener kan fremkalde kræft, da de nedbryder/slukker for reparationsenzymernes effektivitet, da de
modvirker apoptose (se reparations enzymer). Normale celler har brug for vækstsignaler for at dele sig. Det
behøves kræftceller ikke, og de vil dele sig uafhængigt af andre celler og eventuelle signaler. (23)
‘De novo mutationer and the importance of father’s age to diseas risk’
Alle former for mutationer, der forekommer for første gang i en familie kaldes De Novo mutationer, så vidt
mutationen er opstået i kønscellerne hos en af forældrene. (12)
Den islandske virksomhed deCODE genetics har, sammen med en engelsk og dansk forsker, belyst hvilken
rolle faderens alder spiller i sammenhæng med mutationsraten over de novo mutationers. Denne
undersøgelse er overordnet beskrevet i artikel (33).
Forskerne har undersøgt genomet for 78 islandske børn og sammenlignet dem med deres respektive
forældre. At forskerne har gennemført studiet i Island er hensigtsmæssigt idet befolkningen er relativt
genetisk homogen, da den har været isoleret fra omverdenen gennem generationer. Undersøgelsen er
speciel vigtig for forskerne, da mutationsraten hænger sammen med forekomsten af genetiske sygdomme
såsom autisme og skizofreni. (13)
Artiklen er udarbejdet fra den oprindelige artikel (artikel 1 i bilag) fra tidsskriftet Nature. Her fremlægges
deres fremgangsmåde, hvor det forklares at de har sekventeret hele genomet for 78 trios (mor, far +
afkom) ved hjælp af Sangers-metode. Undersøgelsen foregik under 5 kriterier
- Alle varianter der havde en likelihood ratio under 104 var udelukket
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
14
- Der skulle være mindst 16 registreret mutationer af god kvalitet fra forældrenes side
- Og disse skulle have en likelihood ratio over 1010
- Og for forældrene skulle den være over 100
- For at udelukke flere registreringer, inkluderes kun SNP mutationer.
44 af de undersøgte børn (off-spring) havde autism spectrum disorder (ASD), og 21 af dem var skizofrene.
Resten var taget med som reference af befolkningen.
Ved at tage udgangspunkt i fem trioer, havde de optalt de faderlige og moderlige mutationer i børnene,
som ses i tabel 1 i artiklen (bilag). Hvis barnet bar den faderlige haplotype, samt mutationen, er mutationen
antaget at være faderlig. Hvis mutationen ikke er til stede anses den for liggende i den moderlige
haplotype. Samme princip var brugt med de moderlige haplotyper.
Under undersøgelsen blev der registreret 4993 de novo mutationer, og ud af disse var 73 fundet i exons. To
af disse har, som følge af en frameshift-mutation, haft en stop-kode for tidligt. Den ene på Neurexin1 gen,
der er et præsynaptisk protein. Proteinet hjælper med at holde neuroner sammen med den pågældende
synapse, samt er med til at signalere og specificere de synaptiske funktioner. Denne mutation har førhen
været sat i forbindelse med skizofreni. (16) Den anden stopkode sidder på Cullin 3 genet, der fornylig er sat
i forbindelse med autisme. En missense mutation i EPHB2, som er et gen der er involveret i udviklingen af
nervesystemet, har forårsaget ændring af to baser.
På tabel 2 i artiklen ser vi at der i alt har været registret 2.63 milliarder baser, hvorved 2.583 milliarder af
baserne var observeret i ’Non-CPG-sites’ og 48.8 millioner i ’CPG-sites’. CPG-sites er hvor Cytosin og Guanin
er bundet sammen af fosfat i stedet for parret sammen. CpG nukleotider er kendt for at være
mutationshotspots pga. spontant oxidativ deaminering af det methyleret cytosin. Dette fører til flere
transitions mutationer, hvorfor antallet af disse på CpG-sites også er højest. Non-CpG sites betegner alle
andre steder på DNA’et.
Mutationsraten – de novo I tabel 2, ser vi at der er blevet udregnet mutationsrater over transervertioner og transitioner på
henholdsvis CpG- og Non-CpG sites, samt en mutationsrate over alle mutationer i DNA’et (CpG sites+Non-
CpG sites).
Nedenstående eksempel viser udregningen af mutationsraten af transitioner i Non-CpG sites.
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
15
Som sagt var der i alt registreret 2.583 milliarder baser i Non-CpG sites, hvoraf 2489 af dem havde indgået i
en transition mutation. Ved at dividere antallet af transitioner med det totale antal af baser, får vi
2489 𝑏𝑎𝑠𝑒𝑟
2.583 𝑚𝑖𝑎. 𝑏𝑎𝑠𝑒𝑟= 9,636 ∙ 10−7
hvilket er mutationsraten pr. base. Vi ved også at mutationer er fra 78 undersøgte børn, der har modtaget
kromosomer, og derved også mutationer, fra både faren og moren. De har altså fået mutationer fra ’to
generationer’, og for at få raten pr. base pr. generation, skal pr. baseraten divideres med 78 𝑏ø𝑟𝑛 ∙
På samme måde har de udregnet at mutationsraten for alle mutationer er på 1,20 ∙ 10−8 mutationer pr.
base pr. generation.
Antal muterede baser pr. tidenhed – logistisk vækst Vi ønsker at kunne bestemme antallet af muterede baser på et givent tidspunkt, og opstiller derfor en
differentialligning, der beskriver antallet af muterede baser pr. år. Dette kan opskrives som mutationsraten
multipliceret med antallet af baser
𝑑𝐵
𝑑𝑡= 𝑟 ∙ 𝐵
Vi har nu samme differentialligning som brugt i afsnittet Henfald af DNA, og formlen bliver udledt med
samme princip dog med den forskel at der nu er en positiv konstant, r, der beskriver chancen for at basen
muterer. Vi har nu den generelle eksponentiel funktion
𝐵(𝑡) = 𝐵0 ∙ 𝑒𝑟𝑡
hvor vi har baser pr tid, 𝐵(𝑇), startantallet af baser, 𝐵0, samt mutationsraten, r.
En eksponentiel funktion vil vokse ud i det uendelige, men dette er ikke muligt, idet vi ved at der er et
maksimalt antal af baser. Der må derfor være en øvre grænse, hvor antallet af muteret baser er konstant.
Væksten af antal muteret baser kan derved beskrives ved brug af logistisk vækst. Normalt vil logistisk vækst
bruges til modellere en hvilken som helst smitteudbredelse, men eftersom at vi har en fast rate pr. enhed,
samt en begrænsende faktor(2.63 milliarder baser) kan vi tage logistisk vækst i brug. Vi opstiller endnu
differentialligning over antal muteret baser pr. tidsenhed
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
16
𝑑𝐵
𝑑𝑡= 𝑟 ∙ ∆𝑡 ∙ 𝐵(𝑡) ∙ (𝑚 − 𝐵 ∙ 𝑧)
hvor vi har mutationsvæksten over tid, 𝑑𝐵
𝑑𝑡, proportionalfaktoren r, som er chancen for at basen muterer
(mutationsraten), tiden ∆𝑡, og den begrænsede faktor, 𝑚 − 𝑏, hvor m betegner den øvre grænse og b
antallet af muteret baser. Jo tættere antallet af muterede baser kommer på den begrænsende faktor m’s
værdi, eller tæt på 0, vil væksthastigheden være lille.
Igen betragter vi et uendeligt lille tidsinterval for at observere væksten som en helhed, og løser derefter
differentialligningen ved brug af seperationen af de variable i den hensigt at få samlet udtrykkene med B på
venstre side af lighedstegnet. .
I det følgende gælder det at: 𝑚
𝑧= 𝑚
𝑑𝐵 = 𝑟 ∙ 𝑏(𝑡) ∙ (𝑚 − 𝑏𝑧) ↔1
𝑏 ∙ (𝑚 − 𝑏𝑧)𝑑𝐵 = 𝑟𝑑𝑡
I næste skridt tager vi brug af at:
1
𝐵 ∙ (𝑚 − 𝐵𝑧)=
1𝑚𝐵
+
𝑧𝑚
𝑚 − 𝐵𝑧
Og ganger udtrykket med m
↔
1𝑚𝐵
+
𝑧𝑚
(𝑚 − 𝐵𝑧)= 𝑟 ∙ 𝑑𝑡 ↔
1
𝐵𝑑𝐵 +
𝑧
(𝑚 − 𝐵𝑧)𝑑𝐵 = 𝑟 ∙ 𝑚 ∙ 𝑑𝑡
Da vi ønsker at finde antallet af muterede baser pr. tid, 𝐵(𝑡), vil vi tage brug af integralregning, og derfor
integrere hver side
↔ ∫1
𝐵𝑑𝐵 + ∫
𝑧
(𝑚 − 𝐵𝑧)𝑑𝐵 = ∫ 𝑟𝑚𝑑𝑡 ↔ ln(𝐵) = ∫
𝑧
(𝑚 − 𝐵𝑧)𝑑𝐵 = 𝑟𝑚𝑡
For at kunne bestemme det sidste integral, ∫𝑧
(𝑚−𝐵𝑧)𝑑𝐵, tager vi brug af integration ved substitution. Vi
substituere m-Bz med t og får følgende
𝑑𝑡
𝑑𝐵= −𝑧 ↔ 𝑑𝑡 = −𝑧𝑑𝐵 ↔ 𝑑𝐵 =
𝑑𝑡
−𝑧=
−1
𝑧𝑑𝑡
Overstående indsættes i integrallet og vi får
Simone Johansen – BOAG 3y SRP 20/12 2012. Mat/bio
17
∫𝑧
𝑡∙ (−
1
𝑧) 𝑑𝑡 = ∫
−𝑧
𝑧𝑡𝑑𝑡 = ∫ −
1
𝑡𝑑𝑡 ↔ ∫ −
1
𝑡𝑑𝑡 = − ln(𝑡) = − ln(𝑚 − 𝐵𝑧)
Dette kan vi nu indsætte i udtrykket ln(𝐵) = ∫𝑧
(𝑚−𝐵𝑧)𝑑𝐵 = 𝑟𝑚𝑡. Og ved det kendskab at ln(𝑎) − ln(𝑏) =
ln (𝑎
𝑏), får vi nedstående udtryk. Eftersom at vi igen arbejder med et ubestemt integral indsætter vi
konstanten c
ln (𝐵
𝑚 − 𝐵𝑧) = 𝑟𝑚𝑡 + 𝑐
For at ophæve den naturlige logaritme, indføres den naturlige eksponentialfunktion, e, og da det gælder at
𝑧−1 =1
𝑧 fås dette udtryk
↔1
𝑒𝑟𝑚𝑡+𝑐=
𝑚 − 𝐵𝑧
𝐵↔
𝑚 − 𝐵𝑧
𝐵= 𝑒−𝑟𝑚𝑡−𝑐
Vi opdeler venstre side i to brøker, reducerer udtrykket og isolerer B
𝑚
𝐵−
𝐵𝑧
𝐵= 𝑒−𝑟𝑚𝑡−𝑐 ↔
𝑚
𝑏= 𝑒−𝑟𝑚𝑡−𝑐 +
𝐵𝑧
𝐵↔ 𝐵 =
𝑚
𝑒−𝑟𝑚𝑡−𝑐 + 𝑧
Z sættes uden for parentes og brøken bliver derefter forkorter med z, og udtrykket ser nu således ud
↔ 𝐵 =𝑚
𝑧 (1 +1𝑧 ∙ 𝑒−𝑟𝑚𝑡−𝑐)
↔ 𝐵 =
𝑚𝑧
1 +1𝑧 ∙ 𝑒−𝑟𝑚𝑡−𝑐
Vi reducerer udtrykket yderligere ved det kenskab at 𝑒𝑎+𝑏 = 𝑒𝑎 ∙ 𝑒𝑏. Derudover betegner jeg 𝑒−𝑐
𝑧 for c
↔
𝑚𝑧
1 +1𝑧
(𝑒−𝑟𝑚𝑡 ∙ 𝑒−𝑐)↔
𝑚𝑧
1 +𝑒−𝑐
𝑧 ∙ 𝑒−𝑟𝑚𝑡↔
𝑚𝑧
1 + 𝑐 ∙ 𝑒𝑟𝑚𝑡
Da 𝑚
𝑧= 𝑚 og t er den eneste variabel på venstre side får vi følgende udtryk for mutationsvæksten over tid,
𝐵(𝑡)
𝐵(𝑡) =𝑚
1 + 𝑐 ∙ 𝑒−𝑟𝑚𝑡
Dette er den generelle logistiske vækst model. For at finde den specifikke unktion, udregner vi c ved det
kendskab at 𝑚 = 2630000000, 𝑟 = 1,2 ∙ 10−8, samt antager at der er en mutation til tiden 𝑡0 (0,1)