Вариант 1. Комплект заданий для проведения студенческой олимпиады Самгму по биологии
 Скачать 141.98 Kb.
|
|
Комплект заданий для проведения студенческой олимпиады СамГМУ по биологии Вариант 1 Задание №1. Ответьте на вопросы. (составитель И.С. Павлов) Общеизвестно, что одним из наиболее распространенных в настоящее время методов диагностики SARS-CoV-2 (разновидность короновирусов, 2019 г) является тестирование с применением ПЦР. Однако известно также, что SARS-CoV-2 – РНК-вирус, т.е. его геном представлен молекулой РНК, а в ПЦР в качестве матрицы для анализа генетического материала используется исключительно фрагменты молекулы ДНК. 1) Как в таком случае осуществляется проведение диагностики с применением ПЦР? (1 балл) 2) Как называется такая ПЦР? (1 балл) 3) Перечислите механизмы молекулярных процессов, происходящих при этом, в правильной последовательности (1 балл) 4) Какие закономерности лежат в основе данных процессов? (1 балл) 5) Какие элементы ПЦР (компоненты), отличающиеся специфичностью, участвуют в распознавании фрагментов вирусного генома? (1 балл) Задание №2. Решите ситуационную задачу, ответьте на приведённые вопросы (составитель А.Ф. Павлов) 28 лет, матрос, поступил в больницу с диагнозом «грипп» на 4 день болезни. Жалобы при поступлении на слабость, ломоту в теле, повышение температуры до 40єС, потливость, головную боль в течение всех дней. При осмотре состояние средней тяжести; кожа чистая, обычного цвета. Субъиктеричность склер. Язык обложен. Лимфатические узлы не увеличены. В легких везикулярное дыхание, хрипов нет. АД 110/60 мм. рт. ст. Пульс 100 уд/мин, ритмичный. Тоны сердца чистые, ясные. Живот мягкий, безболезненный. Печень увеличена на 2,5 см, пальпируется увеличенная селезенка. По органам мочевыделительной системы и ЦНС патологии не выявлено. Из эпид. анамнеза известно, что месяц назад был в Юго-Восточной Азии с экипажем корабля. В больнице был установлен диагноз, подтвержденный обнаружением в толстой капле крови плазмодиев тропической малярии (трофозоиты и шизонты до 200 на 100 лейкоцитов). Больному был назначен делагил (вначале в таблетках, а затем в виде 5% раствора в/в). В течение последующих 3-х дней температура сохранялась до 39єС - 40єС, при повторном исследовании толстой капли крови количество паразитов сохранялась прежним. Вопросы: 1) В чём причины отсутствия терапевтического эффекта от применения делагила? (1 балл) 2) Какова дальнейшая тактика врача? (1 балл) 3) Составьте план лечения (1 балл) 4) Составьте план обследования (1 балл) Задание №3. Выполните задания по ситуационной задаче. Используйте необходимые нормативные документы (составитель А.Ф. Павлов) В 1999 году в сельских населённых пунктах Гордеевского района Брянской области, подвергшихся радиоактивному загрязнению вследствие аварии на Чернобыльской АЭС, была изучена загрязнённость объектов окружающей среды радиоактивным изотопом стронцием-90. В пищевых продуктах местного производства обнаружено содержание Sr-90: в животных продуктах - 25 Бк/кг; в растительных продуктах - 60 Бк/кг; в питьевой воде 10 Бк/л. Поступление Sr-90 с атмосферным воздухом не превышало 1% и могло не учитываться. Эквивалентом годового потребления взрослым человеком животных продуктов является 300 кг молока, растительных продуктов - 300 кг картофеля. Величина суточного потребления воды равна 2 кг(л). (Нормативные документы: Нормы радиационной безопасности — 99 СП 2.6.1.758-9, Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности — СП 2.6.1.799-99, МУ 2.6.1.1868-04 «Внедрение показателей радиационной безопасности о состоянии объектов окружающей среды, в т.ч. продовольственного сырья и пищевых продуктов, в систему социально-гигиенического мониторинга»). Вопросы: А) Оцените уровень загрязнения стронцием данной территории с позиций возможного годового поступления его в организм людей с питьевой водой и продуктами питания (5 баллов) Б) Ответьте на следующие вопросы (5 баллов) 1) Можно ли считать исчерпывающими для оценки внутреннего облучения людей, данные о содержании в природных объектах и поступлении в организм изотопа стронция-90? 2) Какие ещё естественные и искусственные (в результате техногенного загрязнения) радиоактивные изотопы могут поступать в организм человека с пищей растительного и животного происхождения? 3) Назовите пищевые продукты, накапливающие в себе наибольшие концентрации радиоактивных изотопов 4) Перечислите искусственные радиоактивные изотопы, которые нормируются в пищевых продуктах? 5) Дайте определение явлению естественной радиоактивности. Назовите единицы измерения радиоактивности. 6) При каком характере воздействия на организм ионизирующего излучения возможно развитие хронической лучевой болезни? 7) Назовите клинические формы хронической лучевой болезни, в зависимости от характера облучения. 8) Перечислите степени тяжести хронической лучевой болезни. 9) Изложите характерную динамику изменения картины крови при хронической лучевой болезни. Задание №4. Решите задачу, ответьте на приведённые вопросы. (составитель Д.С. Громова) Отсутствие синтеза глобулина в крови у детей вызывает снижение иммунитета. Эта болезнь называется агаммаглобулинемия. Первый ген, вызывающий эту болезнь, находится в аутосомах, а второй ген наследуется сцепленно с половой Х-хромосомой. В обоих случаях болезнь наследуется рецессивно. Мать фенотипически здорова, но при этом несёт обе формы болезни. Отец здоров и фенотипически и генотипически. Вопросы: 1) Определите генотип родителей (0,5 балла) 2) Определите процент сыновей, больных по второму типу этой болезни (0,5 балла) 3) Определите процент фенотипически здоровых сыновей от этого брака (0,5 балла) 4) Определите процент гетерозиготных детей по аутосомной форме агаммаглобулинемии (0,5 балла) 5) Определите процент носителей по двум признакам среди девочек от этого брака (0,5 балла) 6) Определите процент больных детей в браке (0,5 балла) Задание №5. Внимательно прочитайте текст. Ответьте на вопросы по тексту, используя собственные знания и творческий подход. (составитель Д.С. Громова) Редактирование генома Никто не мог предположить, что практическая возможность лечить генетические болезни человека появится «благодаря» бактериям. В конце 80-х годов японские ученые частично секвенировали геном кишечной палочки и нашли интересный участок, который ничего не кодировал. Этот участок содержал повторяющиеся последовательности ДНК, разделенные вариабельными участками - спейсерами. Позже подобные «кассеты» повторов и спейсеров найдут у большого количества бактерий и архей и назовут CRISPR. У разных штаммов бактерий обнаружилась вариабельность, или полиморфизм, по наличию, отсутствию или порядку спейсеров в CRISPR-кассетах. Это свойство, значение которого было совершенно неизвестно, стало широко использоваться для типирования штаммов и эпидемиологического анализа. В начале 2000-х годов несколько ученых независимо друг от друга сравнили последовательности известных CRISPR-спейсеров с последовательностями ДНК, депонированными в публичные базы данных. Оказалось, что довольно часто последовательности спейсеров были похожи на последовательности вирусов. Это позволило предположить, что CRISPR-кассеты могут нести защитную функцию. Тогда же были обнаружены Cas-гены, часто расположенные рядом с CRISPR-кассетами. Группа биоинформатика Евгения Кунина предложила довольно детальную гипотетическую схему механизма действия CRISPR/Cas-систем. Согласно их модели, при попадании вируса в клетку он обнаруживается с помощью белка Cas, использующего синтезированную c CRISPR РНК-копию. Если какой-либо фрагмент генома вируса совпал с записанным в спейсере, Cas разрезает вирусную ДНК и запускает цепь реакций, в результате вся ДНК уничтожается. В 2012 году группы Шарпентье и Дженнифер Дудны из Университета Беркли опубликовали совместную статью в Science, где предложили способ перепрограммирования системы CRISPR/Cas таким образом, чтобы она стала направленно разрезать ДНК в участках, целенаправленно выбранных исследователем. В природе CRISPR РНК кодируется в CRISPR-кассете, связывается белками и потом узнает мишень. Оказалось, что можно получать неприродную CRISPR РНК с помощью химического или ферментативного синтеза. При этом место спейсера в такой РНК занимает последовательность, выбранная исследователем. Белок Cas9 способен «узнать» и связаться с такой синтетической СRISPR РНК (ее называют «гид») и становится запрограммированным на узнавание и разрезание соответствующего ей места в ДНК. Практически в это же время группы Джорджа Черча и его бывшего аспиранта Фенга Жанга из Института Броуда в MIT показали, что бактериальный белок Cas9 и гид РНК способны «работать», узнавать и направленно разрезать ДНК в клетках высших организмов, в частности человека. Белок Cas9 формирует комплекс с так называемой гидовой РНК (гРНК), которая комплементарно взаимодействует с ДНК мишенью (см. рис.). Cas9 разрезает двойную спираль ДНК. Чтобы Cas9 смогла внести разрыв, в ДНК-мишени должна присутствовать последовательность PAM (Protospacer adjacent motive). PAM должна примыкать к 3’-концу участка, комплементарного распознаваемой последовательности. Cas9 вносит двуцепочечный разрыв, отступив 3 нуклеотида от PAM в направлении 5’-конца цепи ДНК. Для нуклеазы Сas9 из бактерии Streptococcus pyogenes, которая используется чаще всего, последовательность PAM – это NGG, где N – любой нуклеотид.  Для того чтобы вылечить генетическую болезнь, нужно исправить генетическую информацию, затронутую мутацией. Чтобы исправить «неправильный» ген, нам нужен очень точный молекулярный «скальпель», который найдет мутантную последовательность нуклеотидов и сможет «вырезать» ее из ДНК. Таким «скальпелем» и является Cas9. С помощью гида РНК, последовательность которой совпадает с искомым местом, он может внести разрыв в нужное место генома. Узнавание мишени происходит на участке длиной в 20–30 нуклеотидов. В среднем последовательности такой длины встречаются в геноме человека единожды, что позволяет обеспечить точность. Клетка не умрет от внесения разрыва в ДНК, так как он будет исправлен по здоровой копии из парной хромосомы за счет естественного процесса репарации ДНК. Если парной хромосомы нет, как в случае, например, с гемофилией, можно внести в клетку участок «правильного» гена одновременно с Cas9 и РНК-гидом и использовать его как матрицу для залечивания внесенного разрыва. С помощью CRISPR/Cas9 можно делать мультиплексное редактирование сразу нескольких неправильных генов. Для этого достаточно ввести белок Cas9 и несколько разных РНК-гидов. Каждый из них направит Cas9 к собственной мишени, и вместе они устранят генетическую проблему. До открытия функций и механизмов действия систем CRISPR/Cas в качестве методов для локус-специфичного редактирования генома наиболее интенсивно разрабатывались методы, основанные на использовании нуклеаз, содержащих цинковые пальцы (ZFNs), а также эндонуклеазы TAL (TALEN). Эти активные белки (ферменты) умеют проводить специфическое, неслучайное вырезание участка исходного генома и встраивание в место разреза, привнесенного с собой кусочка исправленной ДНК. В 2015 году технологию ZFN удалось успешно применить для терапии ВИЧ: в стволовых клетках донора был отредактирован участок, отвечающий за восприимчивость ВИЧ, затем они были трансплантированы пациенту. Если разрезать последовательность ДНК в двух местах, то можно воспользоваться естественными механизмами репарации ее цепочки - не дать ей соединиться с другой ДНК или просто «сшить» два конца, а добавить в место разрыва нужный, введенный заранее, фрагмент. Место надреза помогают локализировать специальные белки, которые привязаны к определенным последовательностям генов и связывающие участки генома. Оказалось, что у таких белков есть участки с ионом цинка, которые делают их еще более специфичными фрагменту ДНК — соотносит их только с тремя нуклеотидами. В основе технологии TALEN (Transcription Activator-Like Effector Nuclease) - схожие принципы, только для создания ДНК-связывающего участка белка, «знающего» нужную последовательность генов, используются TAL-белки. Но ZFN и TALEN оказались далеки от массового применения в медицине. Иное дело - редактирование генома с помощью системы CRISPR/Cas9. В первую очередь с помощью CRISPR/Cas9 мы сможем лечить «простые», моногенные генетические заболевания: гемофилию, муковисцидоз, лейкемию. Сегодня CRISPR — одна из самых востребованных технологий. Среди имеющихся нерешенных проблем по биологии CRISPR/Cas-систем можно выделить следующие. Мы не знаем, откуда берется большинство спейсеров. Ведь только несколько процентов спейсеров имеют вирусное происхождение, похожи на участки ДНК известных вирусов, все остальные, подавляющее большинство, не похожи ни на что. Интересен вопрос эволюционного происхождения СRISPR/Cas-систем. Кунин предложил гипотезу, что они родственны транспозонам — участкам ДНК, которые кодируют специальные белки, занятые перестановкой тех самых участков ДНК, которые их кодируют. Такие необычные прыгающие гены. Сейчас эту гипотезу стараются подтвердить экспериментально. Кроме того, вполне актуален поиск новых, еще неизвестных CRISPR/Cas-систем. До недавнего времени было известно три разных типа, один из которых, тип II, оказался пригодным для редактирования. Другая интересная цель исследований, имеющая и очевидный практический интерес, — понять молекулярный механизм узнавания мишени и научиться контролировать этот процесс. Это частный случай общей проблемы специфического взаимодействия макромолекул. Ученые не очень хорошо понимают, как в клетке молекулы белков, нуклеиновых кислот находят своих «правильных» партнеров и избегают «неправильных» взаимодействий. Вопросы для анализа текста: 1) Какие проблемы (задачи) стоят сегодня перед технологией геномного редактирования CRISPR/Cas? В качестве ответа можно предложить свои собственные идеи, а также знания, полученные из иных источников информации (3 балла) 2) Как решали эти задачи до появления технологии CRISPR/Cas (2 балла) 3) Напишите эссе на тему «Роль системы репарации ДНК в геномном редактировании». Опишите, какие механизмы поддержания целостности ДНК важны в работе инструментов геномного редактирования CRISPR/Cas. Как можно увеличить специфичность работы системы геномного редактирования, зная особенности работы системы репарации ДНК? (5 баллов) |
Кафедра