[ ПРОГРАММА
вступительного экзамена на основную образовательную программу
послевузовского профессионального образования
БИОХИМИЯ, МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, БИОТЕХНОЛОГИЯ,
ГЕНЕТИКА
по научным специальностям
03.01.04 – биохимия, 03.01.03 – молекулярная биология,
03.01.06 – биотехнология, 03.02.07 – генетика
Санкт-Петербург 2013 Подраздел «БИОХИМИЯ»
ХИМИЯ БЕЛКА
Первичная структура белка. Стратегия и тактика изучения первичной структуры 1.полипептидной цепи.
анализ первичной структуры белка методами белковой химии.
анализ первичной структуры белка путем сочетания методов белковой химии и генетической инженерии.
Понятие вторичной структуры полипептидной цепи. Факторы и силы, контролирующие 2.
вращение по связям основной цепи и определяющие ее вторичную структуру.
делокализация электронов пептидной связи и ее последствия.
стерический контакт ковалентно несвязанных атомов; конформационные карты.
потенциальная энергия вторичных взаимодействий; карты потенциальных энергии.
водородные связи основной цепи, их природа, структура, энергия.
Основные типы вторичной струткуры полипептидной цепи:
3.
-спираль; 310 –спираль; pG II и pP II.
-структура и -слои, их основные типы и характеристики.
Реверсивные повороты полипептидных цепей.
Супервторичные структуры глобулярных белков.
4.
понятие супервторичной структуры; основные типы супервторичных структур.
Домены и модули глобулярных белков.
5.
понятие домена; функции доменов, их сочленения и роль в ферментативном катализе.
топологическое родство доменов с одинаковыми функциями, находящихся в различных белках.
домен и модуль; генетическая основа модульной структуры белков.
модули, обеспечивающие белок-ДНК и белок-белок взаимодействия.
Олигомерные белки.
6.
понятие «олигомерные белки», их локализация и преимущества по сравнению с мономерными белками того же размера.
общие характеристики олигомерных белков; вторичные связи, обеспечивающие формирование и поддержание четвертичной структуры.
самосборка субъединиц: основные типы связей между субъединицами и типы симметрии олигомерных белков.
взаимосвязь между структурой и функцией олигомерного белка (на примере гемоглобина).
Термодинамика и кинетика денатурации.
7.
общая характеристика нативного и денатурированного состояния белка.
термодинамическая теория двух состояний белка; стабильность белка к обратимой денатурации.
примеры несоответствия денатурированного состояния статистическому клубку;
общие заключения.
кинетические аспекты денатурации; данные о наличии промежуточных состояний при рефолдинге ряда белков.
ФОЛДИНГ БЕЛКА
1. Фолдинг белков in vitro. Компьютерное моделирование фолдинга. компьютерное моделирование фолдинга белков на кубических решетках методами Монте-Карло. Основные принципы фолдинга белков.
компьютерное моделирование молекулярной динамики фолдинга N-концевого домена виллина; выявление многих путей фолдинга; мультипространственный ландшафт энергии складывания («воронка складывания»).
компьютерное моделирование молекулярной динамики складывания реальных протеинов на базе их анфолдинга; приложение теории и эксперимента к фолдингу СI2, барназы и engrailed домена Drosophila; общие принципы фолдинга протеинов.
2. Фолдинг белков in vitro. Кинетический анализ фолдинга структурно-гомологичных протеинов.
параметры, характеризующие структуры переходного состояния структурно родственных однодоменных белков. Переходные состояния, взаимодействия на уровне остатков.
фолдинг, детерминированный топологией; перемены переходного состояния;
сканирование барьера активации.
механизм воздействия топологии на реакцию фолдинга.
фолдинг топологически сходных белков различных структурных классов.
3. Hsp70 система шаперонров (DnaK, DnaY, GrpE) структура пептид-связывающего домена Hsp70; АТРазный цикл и связывание субстрата.
структура АТРазного домена Hsp70; связывание АТР и возможный механизм контроль АТРазного цикла Hsp70 ко-шаперонами; механизмы действия DnaY и GrpE.
4. Шапероновые системы эукариот, формируемые Hsp70.
особенности Hsc70 системы эукариот; кошапероны Hsp40, Hip, BAG; функции этих ко-шаперонов; механизмы действия BAG, взаимодействие BAG с протеосомой.
шапероновая система Hsp70Hsp90; функция и субстраты Hsp90; особенности строения Hsp90 (пептид-связывающий сайт и АТРазный домен); взаимодействие Hsp70, Hsp90 и ко-шаперонов Hip, Hop и Hsp40.
шапероновая система Hsp70Hsp90 в ступенчатой сборке гетерокомплекса шапероновая система Clp/Hsp104; взаимодействия с Hsp70.
семейство малых Hsps; взаимодействия с Hsp70 и возможные механизмы этого взаимодействия; возможная роль АТР.
5. Эндоплазматический ретикулум. Транслокация и фолдинг секреторных белков.
основные стадии котрансляционной и посттрансляционной транслокации секреторных ответы на несложенные белки (UPR); система сплайсинга HACu mPNA;
Hsp70 шапероны эндоплазматического ретикулума калнексин, калретикулин и Erp57; складывание гликопротеинов в ER.
формирование МНС II в эндоплазматическом ретикулуме.
6. Шаперонины Hsp60. Складывание белков в замкнутой полости.
шаперонины класса I; GroEL-система, структура системы GroEL/GroES, узнавание субстрата; связывание и развертывание субстрата.
механизм шаперонин-зависимого фолдинга белков (общая схема процесса);
двухтактный и трехтактный циклы шапероновой машины.
рабочие части шапероновой машины; конформационные перестройки при связывание действие связывания и гидролиза АТР на механизм фолдинга.
доказательства фолдинга белка в камере GroEL-GroES; двойная функция «клетки шаперониновая система GroE и пути складывания бактериальных протеинов in vivo.
шаперонины класса II; термосома, общая архитектура; структура субъединиц и конформационные изменения в шаперонинах класса II в процессе фолдинга белков.
перереходное состояние гидролиза АТР.
7. Котрансляционный фолдинг полипептидов.
котрансляционный фолдинг, осуществляемый рибосомой.
молекулярные шапероны прокариот, взаимодействующие с рибосомой.
котрансляционный фолдинг полипептидов в цитозоле эукариотических клеток.
модель шапероновых систем, действующих in vivo.
8. Фолдазы.
- формирование и изомеризация дисульфидных связей в бактериальной клетке.
- формирование и изомеризация дисульфидных связей в ER клеток эукариот - протеиндисульфидизомераза (PDI), как оксидаза и изомераза.
- пептидипролил-цис,транс-изомеразы ЭНЗИМОЛОГИЯ
- ферменты - белки, ферменты - РНК, ферменты - антитела - простые и сложные ферменты, ферментативные комплексы - свободно-радикальные реакции, неферментативная химическая модификация белков 2. Кинетика Михаелиса-Ментен. Кm и Vmax. Постулаты Михаелиса. Кинетика ингибирования.
- стационарная и нестационарная кинетики ферментативных реакций - понятие начальной скорости ферментативной реакции - вывод уравнения Михаелиса-Ментен и его анализ - физический смысл Кm и Vmax, методы определения - ограничения кинетики Михаелиса-Ментен - виды кинетик ингибирования, методы определения - методы расчета Кi и I 3. Влияние факторов среды на скорость ферментативных реакций. Единицы активности ферментов.
- влияние температуры, эмпирический график Аррениуса - влияние рН, модель протонирования диссоциирующих групп активного центра - влияние концентрации субстрата, ингибирование субстратом и продуктом - влияние концентрации фермента на скорость ферментативной реакции - принципы стандартизации условий для определения активности ферментов - стандартные единицы активности ферментов, производные единицы активности 4. Активный центр. Структура. Полифункциональный катализ - определение понятия активный центр - принципы организации активных центров ферментов - факторы ферментативного катализа (эффект сближения, ориентация, эффект полифункционального катализа) - пример минимальной модели химической структуры фермента 5. Множественные формы ферментов.
- классификация множественных форм по рекомендациям Международного биохимического союза - изоферменты, методы определения, тканевая специфичность, биологическая роль 6. Механизмы регуляции скорости ферментативных реакций.
- стехиометрическая регуляция - аллостерическая регуляция (прямая и непрямая аллостерическая регуляция) - виды аллостерических модификаторов - кинетика аллостерической регуляции изменения активности ферментов в результате ковалентной модификации фосфорилирование, протеинкиназы и фосфопротеинфосфатазы) - пример регуляции активности ферментов с участием вторичных мессенджеров
БИОЭНЕРГЕТИКА
Макроэргические соединения, их классификация. Роль АТФ в биохимических процессах.Биосинтез АТФ (окислительное и субстратное фосфорилирование).
Возникновение Н. Конверсия форм энергии в организме. Окислительное фосфорилирование. Доказательства гипотезы Митчелла.
Окислительные процессы в организмах. Роль кислорода. Цепи переноса электрона.
Активные формы кислорода.
Мембранный транспорт. Молекулярная организация. Механизмы.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ПОДВИЖНОСТИ
Взаимодействие миозина, актина и АТФ как основа мышечного сокращения.- особенности структуры моторного домена миозина и мономера актина - взаимодействие "теневых" мышечных волокон с АТФ - исследование "подвижности in vitro" - рабочий цикл моторного домена миозина Функции миозина в немышечных клетках.
- суперсемейства миозинов - исследование "подвижности in vitro" с немышечными миозинами - особенности структуры немышечных миозинов - особенности системы регуляции немышечных миозинов Биохимические системы регуляции мышечного сокращения.
- регуляторные системы актиновых нитей - регуляторные системы головок миозина - роль саркоплазматического ретикуллума в регуляции мышечного сокращения Актомиозиновый комплекс в немышечных клетках. Биохимические системы регуляции.
- особенности структуры немышечных G и F актинов - особенности структуры немышечных миозинов - регуляторные системы, связанные с миозиновыми и актиновыми филаментами
БИОХИМИЯ УГЛЕВОДОВ
Биосинтез аспарагин-связанных олигосахаридов.Биологическая роль гликозилирования белков. Особенности O- и N-гликозилирования.
Биосинтез и распад гликогена. Регуляция.
Многообразие активных форм сахаров и их участие в биосинтетических процессах.
БИОХИМИЯ ГОРМОНОВ
Гормон-рецепторные взаимодействия. Основные механизмы передачи гормонального сигнала в клетке.Гормоны, участвующие в регуляции обмена и содержания Са в клетке.
Гормональная регуляция уровня сахара в крови инсулином и его антагонисты.
Участие гормонов в реализации ответа организма на стресс.
Основные гормоны, контролирующие рост и развитие организма.
БИОХИМИЯ ВИТАМИНОВ
Участие витаминов в реакциях посттрансляционной модификации белков - виды посттрансляционных модификаций белка, протекающие с участием отдельных Коферментные функции водорастворимых витаминов. Коферментные формы индивидуальных витаминов и их роль в ключевых метаболических реакциях.Регуляция транскрипции метаболитами жирорастворимых витаминов. Физиологически активные производные витамина А, Д. Структура рецепторов ретиноевой кислоты и гидроксилированных производных витамина Д.
БИОХИМИЯ ЛИПИДОВ
Общая характеристика липидов. Особенности структуры. Физико-химические свойства.Амфифильность. Липиды, как важнейшие структурно-функциональные компоненты биологических мембран.
2. Жирные кислоты. Особенноcти жирнокислотного состава различных липидов. Влияние жирнокислотного состава на физико-химические свойства мембран.
3. Пути биосинтеза жирных кислот в организме. Удлинение жирных кислот, их синтез de novo. Ацетил-коэнзим А карбоксилаза и синтетаза жирных кислот, их молекулярная организация и механизм действия.
4. Гликолипиды. Строение, жирнокислотный состав, локализация, функциональная роль.
5. Фосфолипиды. Особенности структуры, основные физико-химические свойства. Понятие о молекулярных видах фосфолипидов. Участие фосфолипидов в мембранных процессах.
ПУТИ МЕТАБОЛИЗМА
1. Потребность животных организмов в белках. Азотистый баланс. Последствия белковой недостаточности. Переваривание белков в желудочно-кишечном тракте.2. Особенности метаболизма отдельных аминокислот. Заменимые и незаменимые аминокислоты. Образование биологически активных веществ в процессе катаболизма аминокислот. Последствия нарушения обмена аминокислот.
3. Судьба аминогрупп аминокислот. Трансаминирование, дезаминирование. Обезвреживание и выведение аммиака. Цикл синтеза мочевины.
4. Липиды как энергетические вещества. Транспорт липидов между печенью и жировой тканью. Отложение жиров в запас. Особенности метаболизма белой и бурой жировой тканей. Регуляция обмена липидов в организме.
5. Глюкоза крови, ее происхождение и значение. Роль печени. Регуляции концентрации глюкозы в крови.
6. Кетоновые тела, их образование и значение. Кетоз, кетонемия.
7. Биосинтез нуклеотидов. Синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. Катаболизм нуклеотидов. Конечные продукты азотистого метаболизма.
Литература:
Биохимия под ред. Е.С. Северина, 3-е изд., М., ГЭОТАР-Медиа, 2006.
А.С. Коничев, Г.А.Севастьянова. Молекулярная биология, 2005, 2008, М., Academia.
А. Ленинджер, Основы биохимии, в 3-х т., 1985, М., Мир.
А.А. Мюльберг. Фолдинг белка, 2004, С-Пб., изд. С.-Петербургского университета.
В. Эллиот, Д. Эллиот. Биохимия и молекулярная биология, 2002, М., МАИК «Наука/интерпериодика».
6. Lehninger Principles of Biochemistry by ed. David L. Nelson, Michael M. Cox, 2004.D.
7. Veet, J.C. Veet, C.W. Pratt. Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level, Wiley, Химия и биосинтез нуклеиновых кислот Структура нуклеиновых кислот. Состав, первичная (ковалентная) и вторичная структура ДНК. Предпосылки создания модели молекулы ДНК: рентгеноструктурные данные Астбери, Уилкинса, Фурберга и Франклин, электрохимическое титрование Галланда, вариабельность и закономерности нуклеотидного состава ДНК (правила Чаргаффа), структура фосфодиэфирной связи. Модель ДНК Уотсона и Крика. Параметры и архитектура двойной спирали ДНК.
Полиморфизм ДНК (формы B, A, C, D, E). Неканонические формы ДНК (Z, H, кресты, P).
Третичная структура ДНК. Свойства кольцевых ковалентно замкнутых ДНК. Явление суперспирализации ДНК. Топологическая и геометрические характеристики кольцевых замкнутых ДНК. Отрицательная и положительная суперспирализация. Топоизомеразы I и II типа про- и эукариот, свойства, функции и механизм действия.
Физико-химические свойства ДНК. Денатурация (плавление) ДНК, кооперативность и обратимость процесса. Кинетика реассоциации денатурированной ДНК. Кинетические параметры реассоциации геномных ДНК, их зависимость от сложности генома. «Аномалии»
кинетики реассоциации ДНК эукариот.
Макромолекулярная структура РНК. Первичная, вторичная, третичная структура РНК.
Виды РНК, их функции.
Структурно-функциональная организация бактериальных и эукариотических геномов Бактериальный геном. Характеристика геномной ДНК. Компактизация ДНК бактерий.
Роль доменной организации в функционировании бактериального генома.
Геном эукариот. Отличия генома эукариот от генома прокариот.
Структура хроматина. Основные компоненты хроматина: структура и функции. Уровни компактизации ДНК хроматина. Фазирование нуклеосом. Необходимость декомпактизации хроматина для протекания матричных процессов. Основные подходы для изучения структуры хроматина: биохимический подход, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, ядерный магнитный резонанс.
Пластичность (непостоянство) геномов. Явление транспозиции. Молекулярные механизмы транспозиции у бактерий. Мобильные элементы эукариот, механизм их транспозиции. Функции мобильных элементов генома. Возможная роль в эволюции.
Молекулярно-биологические методы анализа генома. Принципы молекулярнобиологических подходов, положивших начало молекулярной биологии гена: электрофорез ПАА и агарозном гелях, в пульсирующем электрическом поле; молекулярная гибридизация, блот-гибридизация, энзиматическое введение метки в ДНК, рестрикционное картирование и секвенирование ДНК (метод Максама и Гилберта, метод Сэнгера, секвенирование с использованием микрочиповых технологий, пиросеквенирование и полони-секвенирование, секвенирование с помощью нанопор), молекулярное клонирование, амплификация ДНК in vitro — ПЦР. Решаемые этими подходами задачи. Создание банков данных нуклеотидных последовательностей геномов разных организмов. Возникновение геномики, биоинформатики, функциональной геномики (транскриптомики, протеомики) и сопровождающих их технологий.
Молекулярные механизмы копирования полинуклеотидов полуконсервативного способа репликации ДНК. Одно- и двунаправленная репликация.
Контролирующие элементы репликации.
Репликация ДНК у прокариот. Ферментативный аппарат и вспомогательные белки репликации. Особенности строения ДНК-полимераз. Этапы репликации: инициация, элонгация и терминация.
Особенности репликации ДНК у эукариот. Полирепликонный характер репликации.
ДНК-полимеразы эукариот (,,,,, ), их компартментализация, структура, свойства, функции. Топология репликации. Теломеры эукариотических хромосом. Теломераза, композиция (субъединичный состав) теломеразного комплекса, характеристика РНК и белковых субъединиц. Механизм действия теломеразы.
Репарация ДНК. Химические изменения (повреждения), возникающие в ДНК.
Многообразие систем репарации: прямая реактивация, фотореактивация, эксцизионная репарация (BER и NER репарация), индуцируемая репарация, SOS-репарация, репарация неспаренных нуклеотидов. Молекулярные механизмы репарации и их энзимология.
Репаросома про- и эукариот. Болезни, возникающие при дефектах репарации.
Рекомбинация ДНК. Молекулярные механизмы общей (гомологичной) и сайтспецифической рекомбинации. Энзимология рекомбинации у E. coli и высших эукариот. Роль рекомбинации в пост-репликативной репарации.
Ферментативная рестрикция и модификация ДНК. Номенклатура и классификация ферментов рестрикции и модификации, принципы классификации.
Обратная транскрипция. Открытие обратной транскрипции. Особенности генома ретровирусов (на примере вируса саркомы птиц и ВИЧ). Гены и продукты их экспрессии, роль в обратной транскрипции и репродукции вирусов. РНК-зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза): субъединичный состав, структура, функции субъединиц и доменов, входящих в них. Этапы обратной транскрипции.
Транскрипция. Транскрипция — первый этап реализации генетической информации (экспрессии генов). Матричный характер транскрипции (ферментативный синтез РНК на матрице ДНК). Механизм полимеризации цепи РНК-транскрипта. ДНК-зависимые РНКполимеразы эубактерий, архей, бактериофагов и эукариот, их сравнительная характеристика.
Характеристика основных типов РНК (мРНК, рРНК, тРНК, мяРНК). Общая характеристика процесса транскрипции. Основные этапы транскрипции (преинициация, инициация, элонгация и терминация). Закрытый и открытый комплексы РНК-полимеразы с матрицей. Строение транскрипционного «пузырька». Понятие промотора, коровый (минимальный) промотор.
«Сила» промотора. Базальная и активированная транскрипция.
Транскрипция у прокариот. Строение промотора и РНК-полимеразы эубактерий. Сборка транскрипционного комплекса на промоторе, этапы транскрипции: формирование транскрипционного «пузырька» (преинициация), инициация, элонгация и терминация.
Регуляция транскрипции прокариотических генов, катаболитные (лактозный) и анаболитные (триптофановый) опероны.
Транскрипция у эукариот. Три формы эукариотической РНК-полимеразы (I, II, III), три класса эукариотических генов (I, II, III, соответственно) и виды транскрибируемых с них РНК.
РНК-полимераза IV растений. Субъединичный состав разных форм фермента.
Кристаллическая структура про- и эукариотической РНК-полимераз. Коровый промотор, разнообразие промоторов генов классов I, II и III. Базальные транскрипционные факторы, сборка преинициаторного комплекса (ПИК) на промоторе. Промоторы генов класса II.
Особенности строения промоторов генов классов I и III и сборка на них базального транскрипционного комплекса.
Регуляция транскрипции у эукариот. Цис- и транс-регуляторные элементы. Цисрегуляторные элементы эукариотических генов: промоторы, энхансеры (сайленсеры), инсуляторы. Транскрипционные факторы: белки-активаторы (репрессоры) и кофакторы.
Сиквенс-специфические ДНК-связывающие активаторы (репрессоры). Типы ДНКсвязывающих доменов транс-активаторов (репрессоров). Роль структуры хроматина в регуляции транскрипции.
Процессинг первичных РНК-транскриптов Процессинг у прокариот. Полицистронная и моноцистронная мРНК.
Полиаденилирование мРНК. Первичные транскрипты рРНК и тРНК, их процессинг.
Процессинг у эукариот. Прерывистое (экзон-интронное) строение эукариотических генов. Процессинг рРНК. Аутокаталитический сплайсинг рРНК Tetrahymena (рибозимный катализ). Процессинг пре-мРНК. Кэпирование 5'-конца гяРНК. Процессинг 3’-конца транскрипта (полиаденилирование). Сплайсинг пре-мРНК. Редактирование (эдитинг) РНК.
Процессинг тРНК.
Трансляция — рибосомальный синтез белка Участники процесса трансляции: иРНК, тРНК, аминоацил-тРНК-синтетазы, их характеристика (структура и функции).
Организация рибосом. Рибосомные РНК и рибосомные белки. Большая и малая субчастицы рибосомы про- и эукариот. Функциональные сайты рибосомы. Механизм реакции транспептидации и участие в этом процессе больших рибосомных РНК (23S и 28S) как рибозимов.
Подготовка аминокислот к трансляции. Стадии трансляции: инициация, элонгция, терминция, и их характеристика. Факторы трансляции.
Регуляция трансляции у про- и эукариот, способы регуляции.
БИОИНЖЕНЕРИЯ
1. Выделение, фракционирование и анализ нуклеиновых кислот.2. Получение индивидуальных генов и их фрагментов. Ферментативный арсенал, используемый при клонировании.
3. Способы получения рекомбинантных ДНК: рестриктазно-лигазный, коннекторный и с использованием линкеров. Векторы для клонирования фрагментов ДНК. Плазмидные векторы. Векторы на основе хромосомы фага. Космиды и фазмиды. Сверхъёмкие векторы: искусственные хромосомы дрожжей (YАС-векторы), искусственные хромосомы бактерий (BAC-векторы), векторы на основе хромосомы умеренного бактериофага P1, искусственные хромосомы животных и человека (MAC- и HAC-веторы). Интегрирующие векторы. Челночные (бинарные) векторы. Конструирование экспрессирующих векторов и их функционирование. Особенности биосинтеза рекомбинантных эукариотических белков в бактериальных клетках: тельца включения. Очистка рекомбинантных белков с использованием аффинных меток (аминокислотных последовательностей). Векторы, используемые в клетках животных и растений. Селектируемые маркеры и гены-репортеры, используемые при трансформации клеток растений.
4. Введение рекомбинантных ДНК в клетки (трансформация и трансфекция).
5. Принципы создания репрезентативных геномных клонотек и клонотек кДНК.
6. Системы экспрессии рекомбинантных генов. Экспрессирующие системы бактерий, дрожжей. Системы экспрессии, основанные на культуре клеток животных. Эффективность систем экспрессии.
7. Амплификация ДНК in vitro. Принципы полимеразной цепной реакции (ПЦР). Варианты ПЦР: асимметричная, инвертированная, с «горячим стартом», ОТ-ПЦР, ПЦР in situ, ПЦР в реальном времени (количественная ПЦР), иммуно-ПЦР. Альтернативные способы амплификации ДНК in vitro – лигазная цепная реакция (ЛЦР). Изотермические системы амплификации нуклеиновых кислот, основанные на транскрипции.
8. Достижения и перспективы молекулярно-биологических подходов анализа генома.
Рестрикционное картирование и построение физических карт генов. «Прогулки и прыжки»
по хромосомам. SI-картирование нуклеиновых кислот. Футпринтинг в исследовании ДНКбелковых взаимодействий. Направленный мутагенез.
Антисмысловые РНК, механизм их действия. Использование антисмысловых РНК и рибозимов в их составе в фундаментальных и прикладных исследованиях.
Получение трансгенных животных и растений и возможные пути их использования в медицинских исследованиях и сельском хозяйстве.
9. Белковая инженерия. Рациональный дизайн и редизайн белковых молекул.
Проектирование новых белков и ферментов. Методы направленного (сайтспецифического) мутагенеза. Мутагенез, основанный на получении делеций и вставок.
Мутагенез с использованием олигонуклеотидов. Сайт-специфический мутагенез с помощью ПЦР. Получение нескольких мутаций в последовательных раундах ПЦР.
10. Направленная эволюция белков. Трудности в создании комбинаторных клонотек последовательностей нуклеотидов. Методы введения случайных мутаций. Кассетный мутагенез. Химический мутагенез. Отбор белков с требуемыми свойствами. Стратегии поиска: случайный скрининг, улучшенный скрининг и отбор. Фаговый дисплей.
Клеточный дисплей. Дисплей на основе РНК-белковых конъюгатов. N-гибридные системы в исследовании белков.
11. Достижения и перспективы белковой инженерии. Химические модификации белков.
Гибридные белки (ферменты). Белки-репортеры. Достижения белковой инженерии в повышении стабильности ферментов. Белковая инженерия антител. Моноклональные антитела. Рекомбинантные антитела. Абзимы. Изменение специфичности ферментов.
12. Белковая инженерия и требования современной биотехнологии. Оптимизация биотехнологических процессов. Технологии, улучшающие свойства ферментов.
Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. М.Мир, Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. М., Мир, 1987.
Коничев А.С., Севастьянова Г.А. Молекулярная биология. М., ACADEMA, 2005.
Маниатис Т., Фрич Э., Сэмбрук Дж. Молекулярное клонирование. М., Мир, 1984.
Молекулярная биология. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот (под ред. акад.
Спирина А.С.). М., Высшая школа, 1990.
Мюльберг А.А. Фолдинг белка. СПб.: Изд-во СПбГУ. 2004.
Патрушев Л.И. Искусственные генетические системы. Т. 1. Генная и белковая инженерия.
Патрушев Л.И. Экспрессия генов. М., Наука, 2000.
Сингер М., Берг П. Гены и геномы. М., Мир, 1998.
Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия. Изд-во Новосиб. ун-та, Т. 1, 1994; Т. 2, 1997.
Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М., Академкнига, 2002.
Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. М., Мир, 1994.
Калинин В.Л. Транскрипция и регуляция экспрессии генов. Санкт-Петербург, изд-во СПбГТУ, 2001.
Спирин А.С. Молекулярная биология: Структура рибосом и биосинтез белка. М., Высшая Чемерис М.В., Ахунов Б.Д., Вахитов А.И. Секвенирование ДНК. М., Наука, 1999.
Якубовская Е.А., Габибов А.Г. Топоизомеразы. Механизмы изменения топологии ДНК. // Мол. биол. 1999. Т. 33. № 3. С. 368-384.
Lewin B. Genes. Oxford University Press. 2007.
Voet D.J., Voet J.G., Pratt C.W. Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level;
Wiley; 4 edition (2008) Определение понятия «биотехнология».
Возникновение и развитие генной инженерии, как методологии, использующей достижения и открытия генетики и молекулярной биологии.
Основные методы современной биотехнологии Методы работы с ДНК.
Конструирование рекомбинантных плазмид.
Типы векторов, используемых в генной инженерии.
Трансформация бактерий, дрожжей, животных и растений.
Методы секвенирования.
Полимеразная цепная реакция (ПЦР).
Мутагенез.
Клонирование генов и их анализ.
Плазмиды.
Сравнительная характеристика векторов.
Создание геномных библиотек и библиотек кДНК.
Идентификация и анализ клонированных генов.
Изучение целых геномов Вектора, используемые для клонирования гигантских участков ДНК (фагмиды, космиды, бактериальные и дрожжевые искусственные хромосомы).
Модельные объекты, создание генетических и физических карт, секвенирование геномов.
Геномика и протеомика.
Биотехнология микроорганизмов Использование дрожжей для изучения функций эукариотических генов.
Использование систем экспрессии для продуцирования больших количеств определенного белка..
Создание продуцентов на основе клеток микроорганизмов: достоинства и недостатки бактерий и дрожжей.
Биотехнология животных Перенос генов в клетки млекопитающих.
Особенности генной инженерии и биотехнологии животных.
Получение трансгенных животных и клонирование.
Использование генной инженерии на практике.
Биотехнология растений Культура растительных клеток и тканей in vitro.
Клеточные культуры in vitro как продуценты веществ вторичного метаболизма, стероидных соединений, красителей для пищевой промышленности и др.
Клеточная селекция.
Мутанты растительных клеток in vitro.
Генная инженерия растений.
Клонирование растительных генов.
Трансгенные растения.
Контроль исследований в области современной биотехнологии.
Генетическая безопасность трансгенных растений.
1. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. М.Мир, 2002, 2. Рыбчин В.Н. Основы генетической инженерии. Из-во СПбГУ, 2002, 522 с.
3. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия. Новосибирск: Сиб. унив.изд-во. 2008, 512 с.
4. Лутова Л.А. Биотехнология высших растений. Изд. СПбГУ. 2003.
5. Л.А.Лутова, Т.А.Ежова,И.Е.Додуева,М.А.Осипова Генетика развития растений. Из-во Н-Л, Санкт Петербург,2010.431с.
6. Эпигенетика. Под.редакцией С.Д.Эллиса,Т.Дженювейна,Д.Рейнберга. Техносфера.
Москва.2010.495с.
ВВЕДЕНИЕ
Предмет генетики: наследственность и изменчивость как двуединое свойство живых систем. Представление о "конвариантной редупликации" (Н.В.Тимофеев-Ресовский).Признаки и гены. Влияние среды на реализацию н аследственной информации:
представление о модификациях Место генетики в биологии и системе естественных наук как дисциплины исследующей универсальные биологические свойства (наследственность, изменчивость) и оперирующей дискретными единицами наследственности - генами. Генетика как точная наука. ДНК носитель наследственной информации.
Методы генетики. Метод генетического (гибридологического) анализа и Г.Мендель как его создатель. Математический метод, применяемый для построения и доказательства гипотез Цитологический, химический (биохимический), физические и физико-химические методы в изучении материальной природы генов, хромосом и экспрессии генетической информации. Методы смежных биологических дисциплин. Гибридологический, цитологический методы и мутационная теория как основы генетики. Структура генетики.
Представление о методологии генной инженерии и биотехнологии. Модельные объекты генетики.
Применение генетики в селекции, медицине, рациональном использовании природных ресурсов, охране среды обитания человека и других живых существ.
Представление о генетических ресурсах.
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Принципы гибридологического анализа, сформулированные Г.Менделем Законы Менделя Единообразие гибридов первого поколения (правило доминирования). Закон расщепления Закон независимого наследования. Генетическая символика Понятия: признак, фенотип, генотип, зигота, гамета, гомо- и гетерозигота, доминантность, рецессивность, ген, фен, аллеломорфы (аллели).Моногиоридное скрещивание Расщепление по генотипу и фенотипу при полном и неполном доминировании. Анализирующее скрещивание. Статистический характер расщепления на зиготическом и гаметическом уровнях. Необходимые методы вариационной статистики. Тетрадный анализ и доказательство реальности мейотического расщепления 2А:2а Полигибридное скрещивание, Закон независимого наследования на примере дигибридного скрещивания. Расщепление во втором поколении гибридов и в анализирующем скрещивании. Представление о комбинативной изменчивости. Число типов гамет, классов в расщеплении по генотипу и фенотипу в полигибридных скрещиваниях.
Необходимость генетического анализа для определения степени гибридности скрещивания.
Необходимые и достаточные условия реализации законов Менделя.
Принципы У.Бэтсона как вариант обобщения менделевской феноменологии принцип присутствия-отсутствия и правило чистоты гамет.
Механизмы, лежащие в основе законов Менделя. Законы наследования и действия генов. Мейоз и оплодотворение как основа законов расщепления и независимого наследования. Концепция элементарных признаков - фенов- моногибридное расщепление, проявление на молекулярном уровне.
Закон единообразия гибридов первого поколения как закон действия гена Проблема механизмов доминирования Полное и неполное доминирование, кодоминирование, взаимодействие аллелей. Множественный аллелизм. Межаллельная комплементация Действие и взаимодействие белков -генных продуктов Взаимодействие доменов и принцип присутствия-отсутствия сегодня.
Взаимодействие _генов. Комплементарность. Использование комплементарности in vivo и in vitro для изучения молекулярных механизмов биологических процессов. Эпистаз (супрессия). Полимерия (кумулятивная и некумулятивная). Генетика количественных признаков. Относительность классификации генных взаимодействий. Возможные механизмы взаимодействия генов и что же взаимодействует в действительности.
Модификации дигибридного расщепления в зависимости от характера взаимодействия генов.
Плейотропное действие гена. Гены-модификаторы. Экспрессивность, пенетрантность. Геном как система взаимодействующих генов. Генотип и норма реакции. Использование мутантов с суженной нормой реакции для изучения незаменимых генов.
Цитологические основы наследственности Митоз и мейоз как основные типы клеточных делений у эукариот. Непрерывный ряд воспроизведения клеток, хромосом, макромолекул (Р Вирхов, Л Мастер, Н К.Кольцов и др ) Параллелизм поведения менделевских факторов (генов) и хромосом в мейозе и при оплодотворении (У.Сэттон).
Митоз, фазы митоза. Строение метафазных хромосом. Центромера (первичная перетяжка), ядрышковый организатор (вторичная перетяжка), теломера, эухроматин, гетерохроматин. Спутничные хромосомы, А и В хромосомы. Гигантские хромосомы двукрылых. Кариотип.
'Клеточный цикл Цикл спирализацин-деспирализации хромосом Хроматин. Нуклеосомы. Компактизация хроматина Генетический контроль клеточного цикла и митоза.
Мейоз и его значение в сохранении стабильности кариотипа Фазы мейоза. Особенности профазы I. Синапсис Генетический контроль мейоза Сравнение митоза и мейоза. Их значение в вегетативном и половом размножении.
Химические основы наследственности. Химический состав хромосом. Доказательства роли ДНК в наследственности Трансформация и природа трансфомирующего агента.
Размножение бактериофагов. Правило Чаргаффа и коэффициент видовой специфичности ДНК.
Мутагенез под действием ультрафиолетового света и аналогов оснований. Содержание ДНК на клетку и плоидность. Строение ДНК. Модель Уотсона-Крика как основа репликации, мутагенеза и специфичности генов. РНК как генетический материал некоторых вирусов.
Сцепление и кроссинговер. Ядерная теория и хромосомная гипотеза наследственности.
Пророчество У.Сэттона. Первые примеры частичного сцепления Исследования школы Т.Х.Моргана и обоснование хромосомной теории хромосомный механизм определения пола, сцепление с полом, крисс-кросс наследование, нерасхождение хромосом в мейозе и митозе, гинандроморфы и мозаики, сцепление и кроссинговер у дрозофилы.
Картирование генов в группах сцепления (хромосомах). Зависимость частот кроссинговера от пола и способа его определения. Картирование по трем точкам.
Рекомбинантные и нерекомбинантные классы. Аддитивность частот кроссинговера и построение карт групп сцепления. Линейность групп сцепления и совпадение их числа с гаплоидным числом хромосом. Колинеарность групп сцепления и цитологических карт хромосом Хромосомный механизм рекомбинации. Гипотезы разрыв-слияние, конверсия, копии по выбору. Цитологическая демонстрация кроссинговера у дрозофилы (К.Штерн) и кукурузы (Б.МакКлинток). Доказательство физических обменов при рекомбинации у бактериофага, (М.Мезельсон и Дж Уэйгл). Взаимодействие обменов. Положительная хромосомная (хиазменная) интерференция. Понятие коинциденции. Учет множественных обменов и картирующая функция. Хиазмы. Значение синапсиса хромосом. Роль синаптонемного комплекса в гомологичной рекомбинации и хромосомной интерференции.
Кроссинговер на стадии четырех хроматид в тетрадном анализе моногибридного скрещивания у Neurospora crassa. Кроссинговер на участке ген-центромера. Тетрадный анализ кроссинговера в тригибридном скрещивании. Отсутствие хроматидной интерференции Проблема сестринских обменов.
Влияние внешних факторов и генотипа на частоту кроссинговера Изменчивость частот рекомбинации и относительное постоянство расположения генов в хромосомах и группах сцепления Понятие сннтении и эволюционная консервативность некоторых блоков хромосом Репликация. Доказательство полуконсервативного механизма репликации (М.Мезельсон и Ф.Сталь). Физический принцип равновесного центрифугирования в градиенте плотности. Репликация однонитевых вирусов и другие вариации на тему полуконсервативной репликации. Полуконсервативная репликация хромосом.
Репликация in vitro открытие бактериальной ДНК-полимеразы 1 (А Корнберг) Проблема истинной репликазы. ДНК-полимеразыII и III Еsherichia coli. Понятие матрицы и затравки Проблема инициации репликации РНК-затравки (праймеры). Значение генетических методов в исследовании репликации in vitro и in vivo.
Что происходит в вилке репликации. Физические, топологические и химические проблемы Двунаправленность репликонов. Понятие реплисомы (Б.Альберте) и сложность белковых комплексов репликации Лидирующая и отстающая нити ДНК Фрагменты Оказаки. Репликативная и корректорская функции аппарата репликации. Сравнение репликации у про- и эукариот. Множественность ДНК-полимераз.
Разная точность репликации.
последовательность центромер, теломер, репликаторов. Искусственные хромосомы Их использование в геномных проектах Репарация. Проблема стабильности генетического материала. Двойная спираль ДНК как резерв обеспечения ее стабильности Основн ые типы повреждений и репарации ДНК. Контрольные точки (checkpoints) клеточного цикла. "Лицензирование" однократной репликации. Координированный ответ на повреждение клетки ("стресс"-реакция) и ее генетического материала (репарация) Значение окислительного стресса и путь сигнальной трансдукции. Апоптоз у млекопитающих. Белок Р53.
Действие ультрафиолетового света и образование циклобутановых димеров.
Фотореактивация.
Эксцизионная репарация. Эксцизия оснований и нуклеотидов Апуриновые и апиримидиновые сайты. ДНК-гликозилазы. Репарация по механизму "режь-латай" ("cut-npatch"). Репаративный синтез ДНК. Связь репарации и транскрипции.
Репарация ДНК. несущей неспаренные основания (mismatch repair). Плейотропия генов, контролирующих этот процесс SOS - репарация, или репарация, склонная к ошибкам как источник мутаций Репликация в обход повреждений. Связь репарации и рекомбинации. Репарация ДНК с двойными разрывами Молекулярный механизм гомологичной рекомбинации. Явление конверсии у дрожжей (К.Линдегрен) и нейроспоры (М Митчелл). Соотношения 3:1 и 1:З; 2:6, 6:2, 5:3, 3: в тетрадах. Характеристики конверсии, молекулярная точность, конверсия участка, корреляция конверсии и реципрокной рекомбинации. Соотношение конверсии, ко конверсии и реципрокной рекомбинации на коротких участках. Разрешение парадокса "высокой отрицательной интерференции" Гипотеза копий по выбору, объясняющая нереципрокные продукты рекомбинации у бактериофагов Молекулярная модель рекомбинации Р.Холлидэя и др. Роль одно- и двунитевых разрывов в ДНК Образование гетеродуплексов Миграция ветвей и изомеризация полухиазмы. Разрешение полухиазмы. Два типа разрывов и конверсия без кроссинговера и с кроссинговером. Коррекция гетеродуплексов до и после репликации продуктов мейоза у нейроспоры. Постмейотическое расщепление и гены pms.
Энзимология рекомбинации у бактерии Е. coll. Белки RecA, Ssb, RecBCD и др.
Связь с репликацией и репарацией. Значение -сайта. Сопоставление с эукариотическими системами.
Рекомбинация в широком смысле. Митотический кроссинговер между геном и центромерой у дрозофилы (К Штерн). Стадия четырех нитей и два варианта расхождения кроссоверных хроматид.
Сайт-специфическая рекомбинация у бактериофага. Линейная структура генома фаговой частицы и его циклизация в клетке Липкие концы. Инфекционный цикл и лизогения.
Понятие плазмиды. Структура att-сайта в геномах фага и бактерии Рекомбинацияинтеграция и эксцизия Их генетический контроль. Понятие профага. Аналогичные процессы при инверсиях в геноме бактериофага u и 2мкм плазмиде дрожжей, вариации жгутиковых антигенов у Salmonella typhimurium и др. Сайт-специфическая рекомбинация генов иммуноглобулинов Транспозиции. Контролирующие элементы кукурузы (Б МакКлинток), мигрирующие генетические элементы дрозофилы. Структура транспозонов и механизмы транспозиции Ретротранспозоны.
Рекомбинационные перестройки генома гомеологнческая рекомбинация и незаконная рекомбинация без гомологии.
РАЗНООБРАЗИЕ И ЕДИНСТВО ГЕНЕТИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ
Генетический смысл жизненных циклов - процессы ведущие к рекомбинации.Типы жизненных циклов Смена гапло- и диплофазы. Детерминация половых различий и типов несовместимости. Связанные с этим особенности генетического анализа Высшие эукариоты. Животные. Типы определения пола:
хромосомный, гапло-диплоидный, эпигенетический. Балансовая теория определения пола на примере дрозофилы. Дозовая компенсация. Пол-определяющая роль У-хромосомы у человека. Соматический мозаицизм женского пола у человека и животных.
Сперматогенез и овогенез в сравнительном аспекте. Оплодотворение у разных объектов.
Роль цитоплазмы Анизогамия. Геномный импрингинг.
Растения. Стадии спорофита и гаметофита. Двудомность, однодомность, гермафродитизм.. Половые хромосомы. Макроспорогенез Развитие зародышевого метка.
Микроспорогенез. Макро- и микрогаметогенез. Двойное оплодотворение. Ксении. Системы несовместимости.
Нерегулярные типы полового размножения. Амфимиксис и агюмиксис.
Партеногенез (гаплоидный и диплоидный), гиногенез, андрогенез. Объяснение результатов Г.Менделя в экспериментах с ястребинками. Проблема однородительского размножения и клонирование млекопитающих Проблема геномного импринтинга. Низшие эукариоты. Признаки у микроорганизмов (низших эукариот). Жизненные циклы, типы спаривания и типы несовместимости у грибов на примере S.cerevisiae, N.crassa и др. Анизои изогамия у грибов. Цитогамия и кариогамия. Гетерокарионы. Тетрадный анализ моно и дигибридное скрещивания. Типы тетрад. Кроссинговер между геном и центромерой как условие появления тетратипа. Понятия редукции по центромерам и по факторам при первом и втором делении мейоза. Картирующие функции в тетрадном анализе.
Определение сцепления генов с центромерами и между собой.
Парасексуальный цикл: слияние вегетативных гиф и гетерокариоз, слияние ядер и диплоидизация, митотический кроссинговер и гаплоиидизация. Цитодукция Картирование генов по отношению к центромерам. Определение групп сцепления.
Идентификация нехромосомных детерминант.
Жизненные циклы зеленых водорослей на примере Chlamydomonas reinhardtii.
Изогамия и функциональная анизогамия. Наследование пластид. Возможности тетрадного анализа. Конъюгация простейших Прокариоты. Проблема гибридизации у бактерий. Конъюгация, E. coli (Дж.Ледерберг и Э.Тейтем) Принципы планирования эксперимента. Характеристика процесса и продуктов конъюгации: половые типы, фактор F, гаплоидность продуктов конъюгации, инфекционность фактора полярность переноса генетического материала, последовательность переноса генов, отношения эписомы - фактора F и. бактериальной "хромосомы" Доноры с высокой частотой рекомбинации - Hfr Круговая группа сцепления. Кольцевая "хромосома". Конъюгация н репликация. Картирование генов по частотам рекомбинации и по времени переноса при конъюгации. Сексдукция.
Трансформация. Компетентность. Размер трансформирующего фрагмента.
Трансформация в природе и эксперименте у разных видов бактерий Картирование на коротких расстояниях.
Трансдукция. Типы трансдукции: общая, или неспецифическая, специфическая, или профагосцепленная, абортивная. Специфическая трансдукция на пример е бактериофага X и E.coli. Соотношение и генетический контроль литического и лизогенного путей.
Аберрантная эксцизия профага и образование трансдуцирующих частиц. Размеры трансдуцируемого фрагмента. Возможности генетического анализа при конъюгации, трансформации и трансдукции.
Рекомбинация бактериофагов. Классификация и строение бактериофагов.
Признаки. Совместная инфекция бактериальной клетки частицами фагов разного генотипа: доминирование, комплементарность и рекомбинация Нехромосомное наследование. Пластидная наследственность. Открытие "цитоплазматического" наследования пестролистности у растений (К.Корренс, Э.Бауэр).
Разные результаты реципрокных скрещиваний Материнский и отцовский типы наследования Передача пластид при оплодотворении. Структура пластидного генома.
Митохондриальная наследственность Цитоплазматическая мужская стерильность у растений. Наследование через митохондрии. Ядерные гены -восстановители фертильности.
Практическое значение. Вегетативные (митохондриальные) и генеративные (ядерные) мутанты дрожжей неспособные к дыханию, сравнение наследования признака в тетрадном анализе.
Структура и мутации митохондриального генома дрожжей и других объектов.
Клеточные органеллы, содержащие ДНК как носители наследственной информации.
С и мбио генетическая гипотеза происхождения эукариотической клетки (А.С.Фаминцын):
pro и contra Инфекционная наследственность: бактерии и вирусы-симбионты эукариотических клеток. Парамеции-убийцы, дрожжи-убийцы, дрозофила, чувствительная к углекислоте и т. д.
Между хромосомным и нехромосомным наследованием: ретровирусы (на примере ВИЧ) и ретротранспозоны. Критерии нехромосомного наследования Цитоплазматическая наследственность: предетерминация цитоплазмы, прионы.
Единство генетической организации. Генная и клеточная инженерия. Разнообразие проявления основных генетических закономерностей. Моно- и полигибридные расщепления на гаметическом и зиготическом уровнях, в случайной выборке гамет и в тетрадном анализе, у эукариот, прокариот и вирусов. Универсальные свойства генетического материала: относительная стабильность, дискретность, линейность, непрерывность. ДНК как универсальный носитель генетической информации Клеточная инженерия. Элементы парасексуального цикла у разных объектов.
Культура соматических клеток растений и животных. Реконструкция клеток. Возможность регенерации растений из отдельных клеток Внутривидовая и межвидовая гибридизация соматических клеток растений и животных. Гибридизация соматических клеток в генетике человека.
Генная инженерия. Векторная трансформация про- и эукариот. Типы векторов Генная инженерия в природе система генетической колонизации почвенные бактерии высшие растения. Получение генов: синтез, выделение и клонирование. Эндонуклеазы рестрикции Банки (библиотеки) генов. Количественные и качественные характеристики:
вероятность клонирования всего генома, идентификация искомого гена по экспрессии, гибридизации с ДНК-зондом, иммунологическая идентификация белков-генных продуктов, сайт-направленный мутагенез и т.д. Основные приемы генной инженерии, полимеразная цепная реакция, рестрикционное картирование, секвенирование ДНК, слияние генов и репортерные гены, обратная транскрипция и банки генов на основе к-ДНК, двугибридньте системы, ДНК-фингерпринт. Биотехнология и практическое применение генной модифицированные» организмы, генодиагностика и генотерапия, криминалистика, установление родства. Проект Теном человека" и другие геномные проекты. Геномика.
ИЗМЕНЧИВОСТЬ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
(модификационная), комбината в ная, мутационная, онтогенетическая, эпигенетическая Их значение в эволюции и обеспечении адаптивной стратегии видов.Условность классификации типов изменчивости. Типы изменчивости генетического материала (типы мутаций).
Полиплоидия и анэуплоидия. Понятие генома прежде и теперь. Кариотип и идеограмма. Стабильность и изменчивость числа хромосом в эволюции и онтогенезе.
Эндомитотическая полиллоидизация. Автополиплоидия. Полиплоидные ряды. Методы полиплоидизации: индуцированная полиплоидия у растений, получение полиплоидных серий у дрожжей путем гибридизации. Проблема полиплоидии у животных Фенотипические характеристики полиплоидов. Оптимальная плоидность.
Сбалансированные и несбалансированные полиплоиды. Мейоз и генетический анализ у автополиплоидов. Конъюгация и расхождение хромосом Представление о двойной редукции. Картирование генов к центромерам. Аллополишюидия. Объединение геномов, стерильность и восстановление фертипьности при автополиплоидизации на примере Raphanobrassica (Г.Д.Карпеченко) Природные аллополиплоиды. Гомология и гомеология. Геномный анализ.
Анэуплоидия, или гетерошюидия. Полисемия, моносомия, нуллисомия. Вхромосомы. Фенотипическое проявление Генетический анализ анэушюидов. Линии с дополненными и замешенными хромосомами. Использование в селекции. Ржанопшеничные гибриды. Triticale. Гаплоидия.
Хромосомные перестройки: внутрихромосомные (дефишенси, делеции, дупликации, инверсии), межхромосомные (транслокации, транспозиции). Хромосомный полиморфизм Фенотипический эффект перестроек. Использование нехваток в генетическом анализе. Дупликации и эффект дозы (Ваrг). Неравный кроссинговер Амплификация генов как путь адаптации. Инверсии: парацентрические и перицентрические. Множественные инверсии. Конъюгация инвертированных и нормальных хромосом Кроссинговер в инверсиях и его последствия. Транслокации Конъюгация и варианты расхождения хромосом в мейозе. Совместимые и несовместимые транслокационные комплексы Робертсоновские транслокации.
Транспозиции. Роль мигрирующих элементов в транспозиции генов Эффект положения в результате перестроек. Рекомбинационный механизм хромосомных перестроек.
Хромосомные перестройки и видообразование Мутационная теория Коржинского - де Фриза. Теория мутационного процесса.
Проблема определения мутации. Генные мутации: транзиции, трансверсии, вставки и выпадения нуклеотидов, внутригенные перестройки. Спонтанные и индуцированные мутации Открытие индуцированного мутационного процесса (Г.А.Надсон и Г С Филиппов, Г.ДжМеллер). Принцип попадания (К Циммер, М.Дельбрюк, Н.В.Тимофеев-Ресовский) и физиологическая гипотеза мутационного процесса - мутации и репарация (М.Е.Лобашев). Химический мутагенез (М.Н.Мейссель, В.В.Сахаров, М.Е.Лобашев, И А.Рапопорт, Ш.Ауэрбах). Методы учета мутаций в половых хромосомах и аутосомах у дрозофилы. Учет мутаций у самонесовместимых видов растений Учет индуцированных и спонтанных мутаций у микроорганизмов. Флуктуационный тест. Мутации как ошибки репликации, репарации и рекомбинации. Связь с транскрипцией Проблема первичных и пред мутационных изменений генетического материала. Генетический контроль мутационного процесса: гены (мутации)-мутаторы и антимутаторы. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости Н.И.Вавилова. Проблема относительного постоянства частоты.
спонтанных мутаций у гаплоидных микроорганизмов (Дж. Дрейк). Проблема адаптивного мутагенеза Теория гена Формирование представлений о гене (В.Л.Иоганссен). Теория гена Т.Х.Моргана: ген как единица мутации, рекомбинации и функции Критерии аллелизма.
Представление о гене в зависимости от разрешающей способности генетического анализа.
Ступенчатый аллелизм у дрозофилы и центровая теория гена (А.С.Серебровский, Н.П.Дубинин).
Псевдоаллелизм. Один ген - один фермент (Дж.Бидл и Э.Тейтем) Тонкая структура гена у бактериофага. Метод перекрывающихся делеций для внугригенного картирования.
Сопоставление молекулярной и генетической размерности гена (С Бензер). Современные представления о критериях аллелизма и их относительность. Матричные процессы: репликация, транскрипция, трансляция как основа воспроизведения и действия гена. Матричный принцип и Центральная догма молекулярной биологии. Перекрывающиеся гены бактериофагов. Мозаичные и разорванные гены эукариот. Интроны, экзоны, сплайсинг. Молекулярная биология гена.
Генетический код. Колинеарность структур: гена и кодируемого им белка. Теоретическая постановка проблемы кода. Экспериментальное определение свойств кода (Ф.Крик и др.).
Использование мутационной системы г// фага Т4. Мутагенез под действием профлавина.
Взаимодействие вставок и выпадений пар оснований. Расшифровка кодонов in vitro (М.Ниренберг и Дж-Маттей, С.Очоа, Г.Корана). Таблица кода и реальные кодоны в структурных генах Квазиуниверсальность кода: вариации в митохондриях и цитоплазме некоторых эукариот.
Действие гена- Транскрипция. Ее основные этапы. м-РНК как переносчик генетической информации к рибосомам. Время жизни м-РНК, структура. Трансляция (синтез белка) как основной этап выражения генной дискретности. Основные этапы и молекулы - участники трансляции Роль тРНК и правила взаимодействия кодонов и антикодонов Рибосомы. Сигналы инициации и терминации трансляции. Генетический контроль транскрипции и трансляции.
Регуляция действия гена. Уровни регуляции экспрессии генов. Адаптивные и конститутивные ферменты Регуляция транскрипции: теория оперона прокариот (Ф.Жакоб и Ж.Моно). Компоненты системы негативной регуляции на примере индуцибельной системы 1асоперона E.coli: промотор, оператор и др. Структурные гены Ген-регулятор. Репрессоры и эффекторы. Репрессибельная система His-оперона S.typhimnrium. Позитивная регуляция оперонов. Роль циклического АМФ. Акцепторная зона. Механизм атгенюации. Регуляция транскрипции у эукариот, отсутствие оперонов. Консенсус-последовательности ДНК для сложной системы взаимодействия регуляторных белков Определение жизни мРНК. Полиаденилирование.
Регуляция на уровне структуры хроматина: энхансеры (усилители) и сайленсеры (глушители)..
Интерференция. Регуляция экспрессии стабильных мРНК на уровне трансляции. Посттранскрипционнаярегуляция.
Онтогенетическая изменчивость. Детерминация и дифференцировка. Проблема тотипотентности соматических клеток и вопрос об онтогенетической изменчивости генетического материала. Трансплантация ядер на ранних стадиях эмбриогенеза (Г.Дриш). Пересадка ядер соматических клеток в энуклеированные яйцеклетки амфибий (Дж.Гердон). Детерминация имагинальных дисков дрозофилы. Пересадки и культивирование имагинальных дисков.
Трансдетерминация. Гомеозисные мутанты Гомеодомены. Позиционная информация.
Картирование бластодермы с использованием мозаиков. Генетический контроль пространственной детерминации эмбриона.
Проблема элементарного признака в онтогенезе. Генетические модели индивидуального развития Каскадный механизм регуляции развития. Эпигенетическая наследственность и изменчивость. Запрограммироанная гиель клеток (апоптоз).
Перестройки генов в онтогенезе. Дифференцировка иммуноглобулинов млекопитающих. Трансформация типов спаривания у гомоталличных дрожжей S.cerevisiae. Поверхностные антигены трипаносом.
Модификации - ненаследуемые изменения. Модификации как выражение нормы реакции Типы модификаций: адаптивные модификации, морфозы, фенокопии и фенотипическая супрессия. Длительные модификации.
Механизмы модификаций Стресс и неспецифические адаптации. Тепловой шок SOSрепарация Случайные флуктуации в экспрессии гена: проявление мутации (tetraplera у дрозофилы (Б.Л.Астауров). Фенотипическое проявлениененаследуемых первичных повреждений генов как источник модификаций. Прионныезаболевания как результат модификаций вторичной и третичной структуры белка. Парадокс"белковой наследственности/изменчивости.Взаимосвязь моднфикационной и наследственной изменчивости. Мутагенный и рекомбиногенный эффект стресса у мышей.
Онтогенетические адаптации и мутагенез. Значение модификаций в медицине и сельском хозяйстве. Эволюционная роль модификаций как проба адаптивной нормы реакции и мутации-генокопии (Е.И.Лукин)
ГЕНЕТИКА И ЭВОЛЮЦИЯ
Основы синтетической теории эволюции. Эволюционные теории Ж Б Ламарка и Ч.Дарвина. Определенная и неопределенная изменчивость. Учение В.Л.Иоганнсена о чистых линиях и доказательство неэффективности отбора модификаций. Дарвинизм и менделизм: от противопоставления к синтезу. Макро- и микроэволюция (ЮА Филипченко).Генетика популяций. Популяция -единица эволюционного процесса. Генофонд, частоты генотипов и частоты аллелей. Закон Харди -Ваинберга. Генетическая гетерогенность популяций: полиморфизм и средняя гетерозиготность. Элементарное эволюционное событие - изменение частот аллелей в популяции Факторы динамики популяций: отбор (типы отбора), мутационный процесс, поток генов, волны жизни и дрейф генов, инбридинг, изоляция.
Сравнительная молекулярная биология гена Разнообразие генов: "простые" и сложные, автономные и собранные в опероны, перекрывающиеся и неперекрывающиеся, сплошные и мозаичные Сопоставление про- и эукариот. Основные тенденции в эволюции гена; автономизация, олигомеризация, появление мозаичной структуры. Перекрывающиеся гены и паразитическая специализация вирусов. Эволюция регуляторных систем. Возможная роль транспозонов Появление хроматина, митоза, мейоза.
Молекулярные основы эволюции. Замены нуклеотидов и аминокислот в эволюции гомологичных генов и белков Синонимическая эволюция. Коварионы (У.Фитч, Е.Марголиаш) Концепция нейтральной эволюции (М.Кимура, Дж.Кинг, Т.Джукс) или как не возникают новые гены. Молекулярные часы эволюции (Э.Цукеркандл и Л.Полинг). Эволюция путем дупликаций и дивергенции копий или как возникают новые гены (С.Оно). Псевдогены.
Модульный принцип молекулярной эволюции. Молекулярная филогенетика.
Организация и эволюция генома. Концепция «минимального генома» Геном и образ жизни (свободноживущие организмы, паразиты). Механизмы эволюции генов.
Методы генетики человека. Биосоциальная сущность человека Человек как объект генетики Признаки, гены и условные обозначения в родословных. Генеалогический метод Наследование доминантных, рецессивных, аутосомных и сцепленных с полом признаков Близнецовый метод (Ф Гальтон). Однояйцевые и разнояйцевые близнецы (ОБ и РБ). Проблема наследственности и среды в проявлении признаков. Конкордантность и дискордантность Цитогенетический метод. Кариотип человека. Дифференциальная окраска хромосом. Половой хроматин Гибридизация соматических клеток. Геном человека.
Цитологический метод в криминалистике, медицине и спорте. Популяционный метод.
Полиморфизм человеческих популяций. Частоты аллелей. Генетические последствия близкородственных браков Мутационный процесс Оценка частот мутирования. Проблема отбора. Методы смежных биологических наук в генетике человека. Генетика народонаселения. Геногеография и пространственная структура генофонда человека.
Человеческие расы и этнические группы. Биологическая и сигнальная (М.Е.Лобашев) наследственность Медицинская генетика. Генетический груз Генетическая компонента заболеваний.
Факторы риска Наследственные болезни метаболизма. Молекулярные болезни. Моногенные и полигенные заболевания. Хромосомные болезни. Аномалии половых хромосом Синдромы Шерешевского-Тернера, Клайнфельтера Аномалии аутосом. Синдром Дауна и др. Диагностика наследственных заболеваний. Пренатальная диагностика. Выявление гетерозиготного носительства. Генодиагностика. Проблема лечения наследственных заболеваний. Генотерапия Евгеника Медико-генетическое консультирование. Проблема генетической паспортизации.
Предмет селекции, ее цели и задачи. Селекционные принципы в использовании биологических ресурсов рыболовство, охотничье и лесное хозяйство. Сорт, порода, штамм.
Модели пород и сортов. Значение исходного материала и использование мировых генетических ресурсов. Генетические коллекции. Селекция на приспособленность к промышленной технологии.
Генетическое конструирование хозяйствен но-ценных признаков. Качественные и количественные признаки Наследуемость. Типы отбора: на провокационном фоне, массовый, индивидуальный, сибселекция Типы скрещиваний: инбридинг и аутбридинг. Инбредная депрессия и гетерозис Механизмы гетерозиса и проблема его закрепления Двойные межлинейные гибриды кукурузы Использование ЦМС. Синтетические популяции. Значение генетических методов в селекции растений, животных и микроорганизмов. Клонирование, мутагенез, гибридизация, гетерозис, гаплоидия и полиплоидия, отдаленная гибридизация. Сигнальные маркеры. Перспективные методы селекции Культура соматических клеток и тканей растений Методы клеточной и генной инженерии. Трансплантация эмбрионов животных Айала Ф, Кайгер Дж., 1987/1988. Современная генетика- Т. 1-3. М., "Мир".
Ватти К.В., Тихомирова М.М., 1979 Руководство к практическим занятиям по генетике М., "Просвещение".
Инге-Вечтомов С.Г., 2010. Генетика с основами селекции. СПб., "Н-Л".718с Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика, 2002, изд. Новосиб. Ун-та Глазер В.М., Ким А.И., Орлова Н.Н., Удина И.Г., Алтухов Ю.П. Задачи по современной генетике.
М., 2005.
Иванов В.И. Генетика, М. :ИКЦ «Академкнига», 2006.
Клаг У., Каммингс М. основы генетики, М. Техносфера, Лобашев М.Е., 1967 Генетика. Изд//ГУ.
Пухальский В.А. Введение в генетику (краткий конспект лекций) М., 2007.
Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж, Рэфф М., Роберте К., Уотсон Дж., Молекулярная биология клетки. Т.1-3. М., "Мир".
Бочков Н.П., Захаров А.Ф., Иванов В И., 1984 Медицинская генетика. М.
Гаисинович А.Е., 1988 Зарождение и развитие генетики. М.,"Наука".
Горбунова В.Н., Баранов B.C., 1997 Введение в молекулярную диагностику и гемотерапию наследственных заболеваний С-Пб, "Специальная литература" Кайданов Л.З, 1996. Генетика популяций. М., "Высшая школа".
Льюин Б., 1987. Гены. М, "Мир".
Мазер К., Джинкс Дж., 1985 Биометрическая генетика М., "Мир".
Мендель Г., 1965. Опыты над растительными гибридами. М., "Наука".
Смирнов В.Г., 1991. Цитогенетика. М., 'Высшая школа".
Стент Г, Кэлиндер Р., 1981. Молекулярная генетика. М., "Мир".
Уотсон Дж., 1967,1978. Молекулярная биология гена. М., "Мир".
Уотсон Дж., Туз Дж., Курц Д., 1986. Рекомбинантные ДНК. М, "Мир" Фогель Ф.% Мотульски А., 1989. Генетика человека. Т. 1-3. М., "Мир" Фолконер Д.С., 1985. Введение в генетику количественных признаков. М., "Агропромиздат".
«