МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Г О У В П О РО С С И Й С К О - А Р М Я Н С К И Й ( С ЛА В Я Н С К И Й )

УН И В Е РС И Т Е Т

Составлена в соответствии с федеральными государственными

требованиями к структуре основной профессиональной

образовательной программы послевузовского

УТВЕРЖДАЮ:

профессионального образования (аспирантура) Проректор по научной работе _ П.С. Аветисян «» 2011г.

Факультет – Медико-биологический Кафедра – Медицинской биологии и биоинженерии Учебная программа подготовки аспиранта ДИСЦИПЛИНА: ОД.А. _Биохимия_ наименование дисциплины по учебному плану подготовки аспиранта «Введение в информационную биологию»

03.01. Шифр наименование научной специальности Программа одобрена на заседании кафедры протокол № 1_ от 15.09.2011г.

Утверждена Ученым Советом РАУ протокол № от 2011г.

Заведующий кафедрой Г.Р. Вардапетян, док. биол. наук, проф.

Подпись И.О.Ф, ученая степень, звание Разработчик программы К.Б.Назарян, док. биол. наук, проф.

Подпись И.О.Ф, ученая степень, звание Ереван 03.01.04. «Введение в информационную биологию»

Шифр наименование научной специальности Программа одобрена на заседании Совета медико-биологического факультета _ Протокол № _1_ от 2011г.

Г.Р. Вардапетян, док. биол. наук, проф.

Председатель Совета Подпись И.О.Ф, ученая степень, звание Разработчик программы Г.Р. Вардапетян, док. биол. наук, проф.

Подпись И.О.Ф, ученая степень, звание Ереван 1. Общие положения 1.1 Настоящая Рабочая программа обязательной дисциплины «Введение в информационную биологию» - модуль основной образовательной программы послевузовского профессионального образования (ООП ППО) разработана на основании законодательства Российской Федерации в системе послевузовского профессионального образования, в том числе: Федерального закона РФ от 22.08.1996 № 125-ФЗ «О высшем и послевузовском профессиональном образовании», Положения о подготовке научно-педагогических и научных кадров в системе послевузовского профессионального образования в Российской Федерации, утвержденного приказом Министерства общего и профессионального образования РФ от 27.03.1998 № 814 (в действующей редакции); составлена в соответствии с федеральными государственными требованиями к разработке, на основании Приказа Минобрнауки России №1365 от 16.03.2011г. «Об утверждении федеральных государственных требований к структуре основной профессиональной образовательной программы послевузовского профессионального образования (аспирантура)»

и инструктивного письма Минобрнауки России от 22.06.2011 г. № ИБ-733/12.

2. Цели изучения дисциплины Дисциплина «Введение в информационную биологию» предназначена для ознакомления с современными представлениями о предмете и основных концепциях информационной биологии, объектов изучения информационной биологии, методах и алгоритмах получения, представления и анализа данных в информационной биологии. Основной целью освоения дисциплины является получение студентами основополагающих сведений о содержании и возможностях информационной биологии (биоинформатики), возможностях приложения методов информационной биологии, в том числе, теоретического анализа и компьютерного моделирования, к решению фундаментальных и прикладных проблем молекулярной биологии, молекулярной генетики, клеточной биологии, физиологии, биофизики, общей биологии, биомедицины, фармакологии, экологии и задач, возникающих на стыке этих наук с математикой, информатикой и физикой.

Задачами курса являются:

изучение содержательных основ предмета исследований, понятийного аппарата и методологической базы информационной биологии.

Новизна курса. Актуальность курса обусловлена стремительным нарастанием молекулярно-биологических и молекулярно-генетических данных, связанного с массовой расшифровкой полных геномных последовательностей. Осмысливание этих данных, беспрецедентных по объемам, невозможно без привлечения современных информационных технологий, создания и развития эффективных методов и алгоритмов анализа данных и моделирования биологических систем и процессов. На стыке биологии, математики, информатики возникла новая наука – информационная биология (биоинформатика), методами которой являются методы организации информации, широко понимаемые компьютерные методы, методы вычислительной математики и статистики, адаптированные к анализу секвенированных последовательностей биополимеров, экспериментально определенных пространственных структур биологических макромолекул, данных об экспрессии генов, иерархически организованных регуляторных генетических систем, генных сетей, контролирующих весь спектр фенотипических характеристик организмов, и т.д. Курс «Введение в информационную биологию» в рамках учебного плана необходимы для подготовки высококлассных специалистов в многих областях биологической науки.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения Аспирант или соискатель должен:

- иметь представление о предмете информационной биологии и методах, которыми оперирует биоинформатика;

- знать основополагающие концепции биоинформатики и круг основных задач, которые решаются в рамках биоинформатики;

способы получения, организации и анализа данных;

- уметь:

использовать основные подходы и методы биоинформатики для решения конкретных научно-исследовательских задач.

- демонстрировать работы с научной литературой и написания кратких рефератов;

самостоятельно изучать и понимать специальную научную и методическую литературу, связанную с проблемами информационной биологии.

Содержание отдельных разделов и тем.

Предмет, задачи и объекты биоинформатики. Новейшие достижения в области молекулярной биологии и генетики, вызвавшие необходимость развития биоинформатики. Информационные технологии, нашедшие применение в биоинформатике. Системный подход в биоинформатике.

Биологические самовоспроизводящиеся системы – центральный объект информационной биологии.

Сохранение, воспроизведение и передача информации в самовоспроизводящихся биологических системах. Процессы кодирования и преобразования генетической информации на основе матричных биополимеров, создающие молекулярно-информационные основы функционирования генетических самовоспроизводящихся систем. Условия возникновения матричного синтеза генетических макромолекул.

Предбиологическая эволюция генетических систем. Два альтернативных взгляда на возникновение жизни на Земле. Работы А.И. Опарина, С Миллера, М.Эйгена. РНК как информационные матрицы, на основе которых возникла жизнь. Селекс-техника – «молекулярная эволюция в пробирке».

Источники изменчивости генетической информации (делеции, дупликации, рекомбинации, инверсии, транслокации, перемещения мобильных генетических элементов, горизонтальный перенос генетической информации, геномные мутации). Факторы эволюции генетических систем.

Генетическая и эпигенетическая наследственность. Теоретическое исследование и компьютерное моделирование молекулярных механизмов возникновения генетической изменчивости. Нуклеотидные замены как механизм молекулярной эволюции геномов.

Компьютерная молекулярная филогения. Теория молекулярной эволюции Кимуры. Дилемма Холдейна. Идентификация адаптивных режимов молекулярной эволюции – одна из важных задач информационной биологии.

Лимитирующие звенья в молекулярно-генетических системах.

Организация регуляторных генетических систем. Подходы к их компьютерному моделированию. Регуляторные контуры самовоспроизводящихся систем с положительной и отрицательной обратными связями. Эволюционная динамика регуляторных контуров при стабилизирующем и движущем отборе.

Мутационные спектры генов и иерархическая организация регуляторных систем.

Генная сеть - группа координировано функционирующих генов, контролирующих физиологические, биохимические и молекулярные функции организмов. Обязательные компоненты генной сети (группа координировано функционирующих генов; белки и мРНК, кодируемые этими генами (структурные белки, ферменты, транскрипционные факторы и т.д.); пути передачи сигналов; регуляторные контуры: отрицательные и положительные обратные связи; внешние сигналы, гормоны, метаболиты и т.д.

Два класса компонентов генной сети: элементарные структуры - гены, РНК, белки и различные метаболиты; элементарные события или взаимодействия между структурами - реакции и регуляторные события. Различные типы генных сетей. Гипотетические генные сети. Элементы гипотетических генных сетей. Правила описания функционирования генных сетей.

4. Объем дисциплины и количество учебных часов Лекции (минимальный объем теоретических знаний) 2/ Практические занятия *) Одна зачётная единица соответствует 36 академическим часам продолжительностью 45 минут.

Наименование разделов и Количество часов биоинформатики ляторных молекулярногенетических систем анализа и моделирования регуляторных генетических систем 5.4 Самостоятельная работа аспиранта 6. Итоговая аттестация аспиранта включает сдачу экзамена.  Перечень вопросов к экзамену:

1. Каким открытиям и достижениям в молекулярной биологии и генетике обязана своим возникновением информационной биология?

2. Привести характеристики генома человека.

3. Назвать информационные технологии, находящие применение в биоинформатике.

4. Три уровня организации биологических систем ((i) молекулярно-генетический, (ii) организменный, (iii) популяционный и экосистемный) – предмет исследований информационной биологии.

5. Перечислить основные задачи информационной биологии, молекулярноинформационные основы функционирования генетических самовоспроизводящихся систем.

6. Биологические макромолекулы (ДНК, РНК, белки), фундаментальные генетические процессы (репликация, транскрипция, трансляция), генетические сети как объекты исследований информационной биологии.

7. Общие понятия о методах получения молекулярно-генетических данных (расшифровки пространственной структуры белков; расшифровки (чтения) аминокислотных и нуклеотидных последовательностей; генетической инженерии, трансгенеза, клонирования; технологии ДНК-чипов).

8. Определение биологических самовоспроизводящихся систем; типы и свойства биологических самовоспроизводящихся систем. Информационные потоки в таких системах.

9. Технологии компьютерного моделирования биологических систем.

10. Характерные свойства генетических систем. Концепция каталитического гиперцикла М.Эйгена.

11. Рибозимы - новый класс природных молекул РНК. Их роль в возникновении жизни.

12. Селекс-методы для моделирования процессов молекулярной эволюции и получения молекулярных продуктов с заданными свойствами.

13. Источники изменчивости генетической информации. Эпигенетическая наследственность.

14. Стратегии адаптации генетических систем к условиям внешней среды.

15. Молекулярная эволюция геномов. Использование метода нуклеотидных замен для датировки событий молекулярной характеристики белков эволюции.

16. Нейтральные мутации и теория Кимуры.

17. Сравнение транскрипционной и трансляционной машин.

18. Роль дупликаций в эволюции геномов. Горизонтальный перенос генетической информации и его роль в ранней эволюции геномов.

19. Типы регуляторных контуров самовоспроизводящихся систем и закономерности их эволюции.

20. Основные классы мутаций (повреждающие, нейтральные, адаптивные), их фиксация в популяциях.

21. Компенсаторный эффект отрицательных обратных связей.

22. Отрицательные обратные связи –имманентная причина вырождения самовоспроизводящихся систем.

23. Последствия мутаций для биологических систем с иерархическим управлением.

24. Дестабилизирующий отбор.

25. Определение генной сети и ее обязательных компонентов.

26. Классы элементарных структур и событий, значимых для функционирования генных сетей.

27. Типы процессов, контролируемых генными сетями.

28. Основные элементы гипотетических генных сетей.

29. Правила описания динамики функционирования генных сетей.

В процессе обучения применяются следующие образовательные технологии:

1. Сопровождение лекций показом визуального материала.

2. Сопровождение лабораторных работ показом фильма с использованием учебно-методический программный комплекс.

8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины Учебная, учебно-методическая и иные библиотечно - информационные ресурсы обеспечивают учебный процесс и гарантирует возможность качественного освоения аспирантом образовательной программы. Кафедра располагает обширной библиотекой, включающей научно-техническую литературу по дифференциальным уравнениям, динамическим системам и оптимальному управлению, научные журналы и труды конференций.

8.5 Основная литература:

п/п учебной литературы издания, экземпляров обучающихся, and Genome Analysis. Harbor Laboratory Press regulation and structure. staedt, Kluwer Academic 8.6 Дополнительная литература cal Guide to the Analysis Francis Oulette Wileyof Genes and Proteins Interscience, 2001.

8.7 Программное обеспечение и Интернет-ресурсы № Наименование учебной Автор, место Количество Число http://www.bionet.nsc.ru/chair/cib/.

9. Материально-техническое обеспечение Кафедра/научное подразделение располагает материальнотехнической базой, соответствующей действующим санитарно-техническим нормам и обеспечивающей проведение всех видов теоретической и практической подготовки, предусмотренных учебным планом аспиранта, а также эффективное выполнение диссертационной работы.

N Название Наименование оборудованных Фактический п/п дисциплины учебных кабинетов, объектов для адрес учебных