Генетика и молекулярная биология: УМК для химиков

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК ДВФУ
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ
Генетика и молекулярная биология
Специальность —020101.65 - Химия
Школа естественных наук ДВФУ
кафедра биоорганической химии и биотехнологии
курс ___3____ семестр ____5,6____
лекции _54__ (час.)
практические занятия_______час.
семинарские занятия________час.
лабораторные работы_______час.
консультации
всего часов аудиторной нагрузки__54__ (час.)
самостоятельная работа __21__ (час.)
реферативные работы (количество)
контрольные работы (количество)
зачет ____5____ семестр
экзамен___6____семестр
Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями Государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования II поколения, № ГОС. РЕГ 127
ЕН/СП от 10 марта 2000 г.
Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры, протокол № 127от «30»
июня 2011г.
Заведующий кафедрой: Стоник В.А..
Составители : Исаева М.П., Агеенко Н.В.
Аннотация
Учебно-методический комплекс дисциплины «Генетика и молекулярная
биология» разработан для студентов 3 курса по специальности 020101.65
«Химия», специализации «Биоорганическая химия» в соответствии с
требованиями ГОС 2 ВПО по данной специальности .
Дисциплина «Генетика и молекулярная биология» входит в раздел ЕН.Р.1 –
Регионального компонента.
Общая трудоемкость освоения дисциплины 75 часов. Учебным планом
предусмотрены лекционные занятия (54 часа) и самостоятельная работа
студента (21 час). Дисциплина реализуется на 3 курсе в 5 и 6 семестрах.
Содержание дисциплины включает в себя углубленное изучение
механизмов
транскрипции,
трансляции,
структурной
организации
макромолекул, функции биополимеров, генов и геномов с основами генной
инженерии.
Дисциплина «Генетика и молекулярная биология» логически и
содержательно связана с такими курсами, как биоорганическая химия,
органическая химия, общая биология и цитология, микробиология.
Учебно-методический комплекс включает в себя:
 рабочую программу дисциплины;
 конспекты лекций;
 контрольно-измерительные материалы;
 список литературы (в том числе интернет-ресурсов);
 дополнительные
материалы:
перечень
основных
методов
молекулярного клонирования, рейтинг-план, маршрутная схема изучения
дисциплины.
Достоинством данного УМКД является наличие медиаматериалов по
темам лекций.
Авторы-составители учебно-методического комплекса:
кандидат медицинских наук, доцент кафедры биоорганической химии и
биотехнологии ШЕН ДВФУ
Исаева М.П
2
кандидат химических наук, доцент кафедры биоорганической химии и
биотехнологии ШЕН ДВФУ
Агеенко Н.В.
Заведующий кафедрой
биоорганической химии и биотехнологии
3
Стоник В.А.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК ДВФУ
Рабочая программа дисциплины
Генетика и молекулярная биология
Специальность —020101.65 - Химия
Форма подготовки - очная
Школа естественных наук ДВФУ
кафедра биоорганической химии и биотехнологии
курс ___3____ семестр ____5,6____
лекции _54__ (час.)
практические занятия_______час.
семинарские занятия________час.
лабораторные работы_______час.
консультации
всего часов аудиторной нагрузки__54__ (час.)
самостоятельная работа __21__ (час.)
реферативные работы (количество)
контрольные работы (количество)
зачет ____5____ семестр
экзамен___6____семестр

Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями Государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования II поколения (№ ГОС. РЕГ 127
ЕН/СП от «_10_»__марта__2000 г.);
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры биоорганической химии и биотехнологии, протокол
№ _127_ от «_30_» _июня_2011 г.
Заведующий кафедрой: Стоник В.А..
Составители : Исаева М.П., Агеенко Н.В.
4
Оборотная сторона титульного листа РПУД
I. Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
Протокол от «_____» _________________ 20
г. № ______
Заведующий кафедрой _______________________ _____В.А. Стоник______
(подпись)
(И.О. Фамилия)
II. Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
Протокол от «_____» _________________ 20
г. № ______
Заведующий кафедрой _______________________ ___В.А. Стоник__
(подпись)
(И.О. Фамилия)
5
Аннотация
Дисциплина «Генетика и молекулярная биология» предназначена для
студентов
специальности
020101.65-«Химия»,
специализации
«Биоорганическая химия».
Дисциплина «Генетика и молекулярная биология» относится к разделу
ЕН.Р.1 – Регионального компонента.
Курсу «Генетика и молекулярной биология» предшествуют
необходимые для его понимания курсы: "Общая биология и Цитология",
"Биоорганическая химия", "Микробиология".
Цели освоения дисциплины:
Целью преподавания дисциплины является формирование у студентов
молекулярно-генетического мышления, основанного на теоретических и
прикладных аспектах изучения молекулярной организации живого
вещества. К теоретическим аспектам относятся изучение основ
молекулярной биологии, к прикладным – основные методы генной
инженерии.
Задачи:
1. познакомить
студентов
с
современным
состоянием
науки
в
исследовании таких фундаментальных молекулярных процессов как
транскрипция и трансляция;
2. научить понимать особенности процессов транскрипции и трансляции у
про- и эукариот;
3. познакомить с особенностями организации генов и геномов про- и
эукариот;
4. привить навыки манипуляций с генетическим материалом.
I.
Структура и содержание дисциплины
Раздел «Генетика» (36 часов)
Модуль 1. Введение в предмет.
Краткая история генетики. Основные понятия генетики. (3 часа)
6
Генетика – наука о закономерностях наследственности, наследования
и изменчивости, ее место в системе естественных наук. Предмет генетики.
Понятие о наследственности и изменчивости. Основные подходы
исследования
наследственности
и
изменчивости
организмов
(молекулярный,
хромосомный,
клеточный,
организменный,
популяционный).
Объекты генетики. Генетический анализ и его составляющие
(гибридологический, цитологический, математический, мутационный,
молекулярно-генетический, онтогенетический, популяционный и т.д.).
Основные положения гибридологического анализа. Связь генетики с
другими науками и отраслями биологии, сельского хозяйства и медицины.
Основные этапы развития классической генетики (теория пангенезиса
Ч. Дарвина, открытие законов наследственности Г. Менделем, ядерная
гипотеза наследственности Т. Моргана, открытие закона гомологических
рядов Н.И. Вавиловым, разработка методов популяционной генетики
С.С.Четвериковым, теория индуцированного мутагенеза Г.А. Надсона,
Г.С. Филиппова и Г.Меллера, доказательство сложной структуры гена
А.С. Серебровским); основные этапы развития молекулярной генетики
(создание концепции “один ген – один фермент”), установление
генетической роли нуклеиновых кислот, открытие обмена генетической
информацией у бактерий. Основные разделы современной генетики:
молекулярная генетика, цитогенетика, иммуногенетика, биохимическая и
физиологическая генетика. Радиационная генетика, генетика популяций,
онтогенетика, математическая генетика, экологическая генетика. Генетика
микроорганизмов, растений, животных и человека.
Практическое значение генетики для сельского
биохимической промышленности, для медицины и педагогики.
хозяйства,
Значение генетики в развитии диалектико-материалистической
философии. Мировоззренческое значение генетики и ее место в курсе
общей биологии в средней школе.
Модуль 2. Генетика как наука о наследственности и
изменчивости. Разделы генетики. Её значение. Основные методы
генетики. (3 часа)
7
Особенности наследования при бесполом размножении клеток и
организмов. Наследование в клонах.
Гибридологический метод как основа генетического анализа.
Принципиальное значение метода генетического анализа разработанного
Г.Менделем - анализ наследования отдельных альтернативных пар
признаков, использование константных чистолинейных родительских форм,
индивидуальный анализ потомства гибридов, количественная оценка
результатов скрещивания.
Генетическая символы, термины (ген, аллель, признак, аллели дикого
типа и мутантные и их обозначение, гаметы, гомозигота и гетерозигота,
фенотип и генотип). Правила записи скрещивания.
Наследование и наследственность. Принципы наследственности,
вытекающие из законов наследования, открытых Менделем.
Модуль 3. Закономерности наследования
внутривидовой гибридизации. (4 часа)
признаков
при
Мононогибридное скрещивание. Первый закон Г. Менделя.
Особенности методических подходов. Доминантные и рецессивные
признаки. Явление гомозиготности и гетерозиготности. Реципрокное
скрещивание.
Второй закон Г.Менделя. Характер расщепления признаков во втором
поколении по генотипу и фенотипам. Полное и неполное доминирование.
Представление об аллелях. Множественный аллелизм. Генетическая основа
множественного аллелизма. Правило “чистоты” гамет. Цитологические
механизмы расщепления. Условия выполнения 2-го закона Г.Менделя.
Анализирующее скрещивание и его значение для генетического анализа.
Возвратное скрещивание. Генетические символы и термины.
Дигибридное
и
полигибридное
скрещивания.
Особенности
наследования признаков при ди- и полигибридном скрещивании. Принципы
независимого наследования. Третий закон Менделя. Расщепление по
генотипу и фенотипу. Математические формулы расщепления (определение
возможного числа гамет, генотипов, фенотипов, генотипических классов)
при полигибридном скрещивании. Расчет частоты появления определенных
генотипов потомства при ди- и тригибридном скрещивании. Наследование
при дигибридном, полигибридном и анализирующем скрещиваниях.
8
Аллельные и неаллельные взаимодействия генов. Типы аллельных
взаимодействий (доминантно-рецессивное, неполное доминирование,
кодоминирование, межаллельная комплементация).
Доминантно-рецессивное взаимодействие и его генетическая основа.
Характер расщепления по генотипу и фенотипу. Примеры. Доминантнорецессивное состояние генов и наследственные заболевания человека
(альбинизм,
фенилкетонурия,
ахондроплазия,
полидактилия
и
брахидактилия).
Неполное доминирование. Особенности расщепления по генотипу и
фенотипу при моно- и дигибридном скрещивании.
Кодоминирование. Особенности расщепления признаков. Характер
наследования группы крови у человека.
Летальное действие гена и особенности расщепления признаков.
Типы неаллельного взаимодействия генов (комплементарность,
эпистаз, полимерия, действие генов модификаторов, плейотропия).
Комплементарное действие гена и его генетическая основа. Характер
расщепления признаков. Примеры. Эпистаз. Типы эпистаза (доминантный и
рецессивный) и особенности наследования признаков. Примеры. Полимерия
(кумулятивная и некумулятивная). Характер расщепления признаков.
Распространенность в природе. Генетическая основа процесса. Действие
генов модификаторов. Особенности проявления признаков. Плейотропное
действие генов, а рецессивном и доминантном состоянии. Влияние внешней
среды на действие генов. Пенетрантность, экспрессивность и норма
реакции.
Генетика пола и сцепленное с полом наследование. Биология пола у
животных и растений, первичные и вторичные половые признаки.
Относительная сексуальность у одноклеточных организмов.
Хромосомная теория определения пола. Гомо- и гетерогаметный пол.
Генетические и цитологические особенности половых хромосом.
Гинандроморфизм.
Балансовая теория определения пола. Половой хроматин.
Генетическая бисексуальность организмов. Проявление признаков пола при
изменении баланса половых хромосом и аутосом. Интерсексуальность.
9
Дифференциация и переопределение пола в онтогенезе. Гены,
ответственные за дифференциацию признаков пола. Естественное и
искусственное (гормональное) переопределение пола.
Соотношение полов в природе и проблемы его искусственного
регуляции. Практическое значение регуляции соотношения полов в
шелководстве и др.
Наследование признаков, сцепленных с полом при гетерогаметности
мужского и женского пола в реципрокных скрещиваниях. Наследование
"крест-накрест" ("крисс-кросс"). Характер наследования признаков при
нерасхождении половых хромосом как доказательство роли хромосом в
передаче наследственной информации.
Явление сцепления генов. Расщепление в потомстве гибрида при
сцепленном наследовании и отличие его от наследования при плейотропном
действии гена.
Основные положения хромосомной теории наследственности
Т.Моргана. Генетическое доказательство перекреста хромосом. Величина
перекреста и линейная генетическая дискретность хромосом. Одинарный и
множественный перекресты хромосом. Понятие об интерференции и
коинциденции. Определение групп сцепления. Соответствие числа групп
сцепления гаплоидному числу хромосом. Локализация гена. Генетические
карты растений, животных и микроорганизмов.
Цитологическое доказательство кроссинговера. Учет кроссинговера
при тетрадном анализе. Перекрест на хроматидном уровне. Гипотетические
механизмы перекреста. Мейотический и митотический кроссинговер.
Соматический
мозаицизм.
Неравный
кроссинговер.
Сравнение
цитологических и генетических карт хромосом.
Влияние структуры хромосом пола и функционального состояния
организма на частоту кроссинговера. Генетический контроль конъюгации
хромосом и частоты кроссинговера. Влияние факторов внешней среды на
кроссинговер. Роль перекреста хромосом и рекомбинации генов в эволюции
и селекции растений, животных и микроорганизмов.
Нехромосомное (цитоплазматическое) наследование. Относительная
роль саморепродуцирующихся органоидов цитоплазмы и ядра в
наследовании. Особенности нехромосомного (цитоплазматического)
наследования и методы его изучения. Плазмидное наследование.
10
Содержащие ДНК цитоплазматические органоиды клетки. Наследование
через пластиды и митохондрии. Особенности организации генома
митохондрий. Плазмогены. Цитоплазматическая мужская стерильность.
Эндосимбиоз. Понятие о плазмоне. Генотип как система.
Модуль 4. Изменчивость наследственного материала. Генные
мутации. (4 часа)
Классификация
изменчивости.
Понятие
о
наследственной
генотипической изменчивости (комбинативная и мутационная) и
ненаследственной фенотипической (модификационная, онтогенетическая)
изменчивости. Наследственная изменчивость организмов как основа
эволюции. Роль модификационной изменчивости в адаптации организмов
значение ее для эволюции и селекции.
Мутационная изменчивость. Принципы классификации мутаций.
Генеративные и соматические мутации. Классификация мутаций по
изменению
фенотипа
–
морфологические,
биохимические,
физиологические. Различие мутаций по их адаптивному значению:
летальные и полулетальные, нейтральные и полезные мутации;
относительный характер различий мутаций по их адаптивному значению.
Понятие о биологической и хозяйственной полезности мутационного
изменения признака. Генетические коллекции мутантных форм и их использование в частной генетике растений, животных и микроорганизмов.
Значение мутаций для генетического анализа различных биологических
процессов.
Классификация мутаций по характеру изменений генотипа: генные,
хромосомные, геномные, цитоплазматические.
Генные мутации, прямые и обратные. Множественный аллелизм.
Механизм возникновения серий и множественных аллелей. Наследование
при множественном аллелизме.
Хромосомные мутации. Хромосомы высших эукариот. Генные и
хромосомные мутации в соматических клетках человека и животных.
Транспозиции. Изменения в числе хромосом. Наследственные заболевания.
Молекулярная характеристика менделирующих заболеваний. «Гены
предрасположенности» к болезням. Расшифрованные геномы микробов.
11
Анеуполиплоидия (гетероплоидия): нулисомики и моносомики,
полисомики. Особенности мейоза и образования гамет у анеупдоидов.
Жизнеспособность и плодовитость анеуплоидных форм.
Цитоплазматические мутации, их природа и особенности.
Спонтанный мутационный процесс и его причины. Закон
гомологических рядов и наследственной изменчивости Н.И. Вавилова.
Индуцированный мутационный процесс. Влияние ультрафиолетовых
лучей, ионизирующих излучений, температуры, химических и
биологических агентов на мутационный процесс. Основные характеристики
радиационного и химического мутагенеза.
Молекулярные механизмы мутагенеза. Мутации как ошибки в
осуществлении процессов репликации, репарации и рекомбинации.
Молекулярная природа генных мутаций – замены нуклеотидных пар, сдвиги
рамки считывания. Специфичность действия мутагенов и проблема
направленного мутагенеза.
Модификационная изменчивость. Генетическая однородность
материала как необходимое условие изучения модификационной
изменчивости. Ненаследственная изменчивость как изменение проявления
действия генов при реализации генотипа в различных условиях среды.
Понятие о норме реакции.
Математический метод как основной при изучении модификационной
изменчивости. Нормальное распределение – ее главная закономерность.
Константы вариационного ряда и их использование для выявления роли
генотипа в определении нормы реакции.
Модуль 5. Хромосомные перестройки. Геномные изменения. (3 часа)
Хромосомные перестройки. Внутрихромосомные перестройки:
нехватки (делеции), умножение идентичных участков (дупликации),
инверсии. Межхромосомные перестройки – транслокации. Особенности
мейоза при различных типах внутри и межхромосомных перестроек.
Цитологические методы обнаружения хромосомных перестроек, механизмы
возникновения.
Дискретность и непрерывность в организации
наследственного материала. Значение хромосомных перестроек в эволюции.
12
Геномные мутации. Умножение гаплоидного набора хромосом –
полиплоидия. Фенотипические эффекты полиплоидии. Искусственное
получение полиплоидов. Автополиплоидия. Расщепление по генотипу и
фенотипу при скрещивании автополиплоидов. Аллополиплоидия. Мейоз и
наследование у аллополиплоидов. Амфиполиплоидия как механизм
получения плодовитых аллополиплоидов (Г.Д.Карпеченко). Ресинтез видов
и синтез новых видовых форм. Полиплоидные ряды. Значение полиплоидов
и эволюция в селекции растений. Естественная и экспериментальная
полиплоидия у животных.
Модуль 6. Гены и геномы. (4 часа)
Структура и функция гена. Представления школы Т. Моргана о
строении и функции гена: ген как единица мутации, рекомбинации,
функции. Рекомбинационный, мутационный и функциональный критерий
аллелизма.
Формирование современных представлений о структуре гена. Работы
А.С.Серебровского (1929) по ступенчатому аллеломорфизму на дрозофиле.
Концепция псевдоаллелизма. Кризис «теории гена». Работа Дж. Бидла
и Е. Тейтума (1941) над созданием концепции «один ген - один фермент» на
Neurospora crassa.
Рекомбинационный анализ гена. Опыты С.Бензера (1961) на фаге Т4,
доказывающие мутационную и рекомбинационную делимость генов.
Функциональный тест на аллелизм (цис-транс-тест).
Структурно-функциональная организация геномов прокариот и
эукариот. Повторяющиеся последовательности. Мини - и микросателлиты.
Гены прокариот и эукариот. Молекулярная организация генов. Гены,
кодирующие один белок. Полицистронная единица транскрипции. Гены,
организованные в оперон. Особенности транскрипции генов прокариот.
Молекулярная организация генов эукариот. Особенности транскрипции
генов эукариот. Регуляторные промоторные элементы (ТАТА, СААТ и GCмотивы). Энхансеры, сайленсеры, инсуляторы.
Транскрипция прокариот. Стадии цикла транскрипции: связывание
РНК-полимеразы с ДНК, инициация цепи РНК, рост цепи РНК, терминация
13
цепи РНК. РНК-полимеразы бактерий. Бактериальный промотор: структура,
позитивная и негативная регуляция активности.
Строение и функционирование лактозного и триптофанового
оперонов. Аттенуация (на примере триптофанового оперона).
Гены эукариот классов 1. Транскрипция генов. РНК-полимераза I.
Процессинг рРНК у эукариот: удаление интрона и сплайсинг. Механизм
самосплайсинга у Tetrahymena.
Гены эукариот классов 2. Транскрипция генов. РНК-полимераза II.
Процессинг мРНК эукариот: кэпирование 5’-конца, сплайсинг,
полиаденилирование 3’-конца. Механизм сплайсинга мРНК: общая схема и
участие в процессе малых ядерных РНК. Альтернативный сплайсинг и его
роль в регуляции экспрессии генов (на примере генов тропонина и
фибронектина).
Гены эукариот классов 3. Транскрипция генов. РНК-полимераза III.
Процессинг предшественников тРНК прокариот. Участие РНКазы III,
РНКазы D и РНКазы Р. Рибозимы.
Плазмиды и мобильные генетические элементы бактерий. Строение
IS-элементов и транспозонов (Tn3, Tn5, Tn9) бактерий. Роль мобильных
генетических элементов в различных генетических явлениях у бактерий.
Механизм репликативной транспозиции. Консервативный механизм
перемещения транспозонов. Подвижные генетические элементы генома
эукариот. Ретропозоны. Ретротранспозоны. Мобильные элементы эукариот
с концевыми инвертированными повторами.
Модуль 7. Молекулярная генетика. (2 часа)
Молекулярные механизмы наследственности.
а) Генетическая роль ДНК и РНК, ее доказательство. Опыты Ф.Гриффита
(1928), О.Эйвери, К.Мак-Леод и М.Мак-Карти (1944) на пневмококках,
А.Херши и М.Чейз (1952) – на бактериофаге Т2.
Строение ДНК и РНК. Видовая специфичность нуклеотидного состава
ДНК. Типы молекул ДНК и РНК эукариот, прокариот и вирусов (линейные
двухцепочечные ДНК, кольцевые двухцепочечные и одноцепочечные ДНК,
линейные двухцепочечные и одноцепочечные РНК).
14
в) Генетический код и его характеристика. Свойства генетического кода
(триплетность,
универсальность,
неперекрываемость,
отсутствие
разделительных знаков, линейность, колинеарность, вырожденность,
наличие инициирующих и терминирующих кодонов. Доказательство
триплетности кода Ф. Криком (1961). Работы М. Ниренберга, Дж. Маттеи
(1961) и С. Очоа (1962) по изучению генетического кода. Окончательная
расшифровка генетического кода М. Ниренбергом и П. Ледером (1965).
Биологическое значение генетического кода.
с) Экспрессия генов. Регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции
(индукция, репрессия, катаболитная репрессия). Оперонная организация
генов. Строение оперонов. Структурные и регуляторные гены. Регуляция
транскрипции путем индукции на примере Lac-оперона (модель ЖакобаМоно). Катаболитная репрессия. Ретроингибирование. Регуляция
экспрессии генов у эукариот. Экзонно-интронное строение генов.
Особенности организации генов у эукариот. Активация транскрипции
регуляторными белками как основной механизм регуляции экспрессии
генов у эукариот.
Искусственный синтез гена и перспективы исследований в этой области.
Модуль 8. Популяционная генетика. (2 часа)
Популяции, ее генетическая структура. Популяции организмов с
перекрестным размножением и самооплодотворением. Учение В. Иогансена
о популяциях и чистых линиях. Наследование в популяциях. Генетическое
равновесие в панмиктической, менделевской популяции и его
теоретический расчет в соответствии с законом Харди-Вайнберга.
Факторы генетической динамики популяций. Роль инбридинга в
динамике популяций. Процесс гомозиготизации. Роль мутационного
процесса в генетической динамике популяций (С.С.Четвериков).
Мутационный груз в популяциях. Возрастание мутационного груза в
популяциях в связи с загрязнением окружающей среды физическими и
химическими мутагенами. Ненаправленность мутационного процесса.
Популяционные волны (дрейф генов), их специфичность и роль в
динамике генных частот.
15
Действие отбора как направляющего фактора эволюции популяций.
Понятие об адаптивной (селективной) ценности генотипов и о
коэффициенте отбора.
Гетерозиготность в популяциях. Наследственный полиморфизм
популяций.
Значение генетики в развитии эволюционной теории.
Модуль 9. Генетика микроорганизмов (3 часа)
Вирусы, бактериофаги как объекты генетики. Механизмы вирусной
инфекции. Мутации у бактериофагов и вирусов. Анализ рекомбинации у
фагов.
Практическое использование достижений молекулярной генетики.
Генная инженерия. Значение плазмид, эписом, профагов
в генной
инженерии. Ферменты, разрезающие и сшивающие ДНК (рестриктазы,
лигазы). Преодоление эволюционных барьеров несовместимости при
переносе наследственной информации путем генной инженерии.
Организация rенетическоrо аппарата и жизненные циклы микроорганизмов.
Прокариоты, особенности строения клетки и генетического аппарата.
Организация хромосом бактерий. Репликация бактериальных хромосом.
Мутации у микроорганизмов. Мутационная и модификационная
изменчивость микроорганизмов. Мутации микроорганизмов, используемые
в генетических исследованиях. Мутации бактериофагов.
Популяционная
изменчивость
бактерий.
Трансформация.
Генетическое картирование при трансформации: сцепление маркеров
(котрансформация), рекомбинационный анализ. Трансфекция. Лизогения и
трансдукция. Конъюгация.
Рекомбинация и генетический анализ у бактериофагов. Вирулентные
бактериофаги. Умеренные бактериофаги.
Внехромосомные генетические системы. Мутации генов хлоропластов
и митохондрий. Генетические карты.
Бактериальные плазмиды и их репликация. Интеграция плазмид в
хромосому. Использование плазмид при генетическом анализе у бактерий.
16
Мигрирующие генетические элементы микроорганизмов. Механизмы и
генетические эффекты транспозиции.
Строение вириона и генома бактериофага Мu. Механизм интеграции в
бактериальный геном и возможности использования Мu в генетических
экспериментах.
Мигрирующие элементы дрожжей. ТуI элемент, его структура и
способ внедрения в ДНК-мишень, генетические эффекты.
Генетические аспекты селекции микроорганизмов. Основные
направления и методы селекции микроорганизмов (использование
естественной изменчивости; искусственный отбор, основанный на селекции
спонтанных мутаций; искусственный отбор с применением мутагенных
факторов (ступенчатая селекция и мутационные блоки путей биосинтеза);
возможности использования гибридизации; генная инженерия и селекция).
Модуль 10. Генетика человека. (2 часа)
Человек как объект генетических исследований. Методы изучения
генетики человека. Генеалогический, цитогенетический, биохимический,
близнецовый, онтогенетический и популяционный методы.
Генеалогический метод изучения характера наследования признаков.
Анализ родословных.
Кариотип человека. Идеограмма хромосом человека, номенклатура.
Хромосомные болезни человека и методы их диагностики.
Биохимический метод в генетике человека.
Значение комбинации цитогенетического и биохимического методов.
Гибридизация соматических клеток как метод определения групп сцепления
и локализации генов у человека.
Использование близнецового метода для разработки проблемы
"Генотип и среда".
Выявление
гетерозиготного
носительства
с
помощью
онтогенетического метода и значение его для медико-генетических
консультаций.
17
Популяционный метод как метод определения частоты встречаемости
и распределения отдельных генов среди населения. Изоляты.
Проблемы медицинской генетики. Наследственные болезни и их
распространение в популяциях человека. Понятие о наследственных и
врожденных аномалиях.
Генетическая концепция канцерогенеза. Иммуногенетика человека.
Гемолитические аномалии. Болезни обмена веществ.
Причины возникновения врожденных и наследственных заболеваний.
Генетическая опасность радиации, химических мутагенов и канцерогенов.
Задачи медико-генетических консультаций. Евгеника.
Модуль 11. Молекулярно-генетические методы исследований.(6 часов)
Ферменты, применяемые в молекулярно-генетическом исследовании.
Рестриктазы: I, II и III типов. Построение рестрикционных карт.
ДНК-метилазы. ДНК-лигазы. Механизм лигирования ДНК Т4-ДНКлигазой.
ДНК-зависимая ДНК-полимераза I Е.со1i. Их использование для
введения концевой радиоактивной метки, «затупления» концов ДНК.
Термостабильные ДНК-зависимые ДНК- полимеразы.
РНК-зависимые ДНК-полимеразы (обратные транскриптазы), их
использование для получения кДНК.
Выделение новых генов и их экспрессия. Факторы, оказывающие
влияние на эффективность экспрессии рекомбинантных генов в
бактериальных клетках.
Метод полимеразной цепной реакции (ПЦР). Стандартные условия и
критические параметры проведения ПЦР. Разновидности ПЦР: метод
«горячего старта», амплификация длинных фрагментов ДНК, методы
повышения точности амплификации. Проблема количественного
определения содержания матричных полинуклеотидов в амплифицируемых
образцах. ПЦР в реальном времени. Получение точковых мутаций, делеций
и вставок с помощью ПЦР.
Генетические и физические карты генома.
18
Вектор и его емкость. Полилинкер. Функциональная классификация
векторов: экспрессирующие векторы, челночные (бинарные) векторы.
Особенности строения плазмидах векторов. Векторы на основе хромосомы
фага λ. Космиды и фазмиды в качестве векторов. Ретровирусные и
аденовирусные
векторы,
векторы
на
основе
хромосом
аденоассоциированных вирусов. Принципы адресной доставки трансгенов.
Управление экспрессией трансгенов в клетках-мишенях. Секвенирование.
Современное оборудование: приборы и технические средства.
Клонирование ДНК. Клонирование фрагментов ДНК по сайтам
рестрикции, а также с использованием адаптеров, линкеров и коннекторов.
Библиотеки и клонотеки кДНК, генов и нуклеотидных
последовательностей. Получение библиотек EST-последовательностей.
Методы скрининга библиотек и клонотек ДНК. Гибридизация с зондами.
Использование ПЦР. Использование антител и функциональные тесты.
Способы введения ДНК в клетки: трансформация, трансфекция,
электропорация.
Компьютерные технологии в генетическом анализе. Компьютерное
моделирование. Базы данных: NCBI, KEGG, SWISS-PROT, EMBL и др..
Методы статистической обработки результатов
Техническое обеспечение генетического исследования
исследования.
Раздел «Молекулярная биология» (16 часов)
Модуль 1. Ведение в предмет (2 час.)
Предмет молекулярной биологии. Основные этапы развития. Молекулы
генетического аппарата. Структура нуклеиновых кислот. Компоненты
молекул и соединяющие их химические связи. Альтернативные формы
двойной спирали ДНК. Виды РНК.
Модуль 2. Экспрессия генов (10 час.)
Экспрессия генов. Генетический код. Понятие об опероне. Структура
бактериальных промоторов. ДНК-зависимые РНК полимеразы.
Транскрипция у бактерий. Этапы транскрипции. Регуляция транскрипции
19
прокариот. Особенности транскрипции у эукариот. Три класса промоторов.
Процессинг мРНК у про- и эукариот. Альтернативный сплайсинг.
Трансляция. Основные этапы. Структура рибосом. Синтез белка на
рибосоме. Структура тРНК.
Модуль 3. Структурно-функциональная организация генома (2 час.)
Структурно-функциональная организация генома. Уровни компактизации
ДНК. Гистоны. Гетеро- и эухроматин. Классификация генов. Особенности
организации генома.
Модуль 4. Методы молекулярного клонирования (2 часа)
Принципы молекулярного клонирования, репликационные системы,
понятие вектора, вставки, рекомбинантной ДНК.
II.Структура и содержание практической части курса
Не предусмотрена учебным планом.
III.Контроль достижений курса
Вопросы к зачету
Раздел «Генетика»
1. Генетика наука о наследственности и изменчивости. Проявление
наследственности и изменчивости на молекулярном, клеточном,
организменном,
популяционном
уровне
организации
живого.
Практическое значение генетики для медицины, сельского хозяйства,
педагогики и т. д.
2. Методы изучения генетики: гибридологический, генеалогический,
цитогенетический, математический, популяционно-статистический,
молекулярно-генетический.
3. История генетики. Основные этапы развития генетики: от Менделя до
наших дней. Основные разделы современной генетики.
20
4. Бесполое
размножение.
Особенности
бесполого
размножения
прокариот и эукариот. Клеточный цикл. Митоз как механизм
бесполого размножения.
5. Половое размножение. Мейоз и его типы. Фазы мейоза. Генетическое
значение мейоза.
6. Гаметогенез: овогенез и сперматогенез у животных. Гаметогенез у
растений.
7. Нерегулярные
типы
полового
размножения,
особенности
наследования.
8. Моногибридное скрещивание. Первый и второй закон Г. Менделя.
Цитологические основы расщепления. Понятие доминантности и
рецессивности, аллелизма, гомо- и гетерозиготности. Ген, генотип,
фенотип.
9. Дигибридное
скрещивание.
Третий
закон
Г.
Менделя.
Комбинационная изменчивость и её значение.
10. Тригибридное скрещивание. Расщепление по фенотипу и генотипу.
Принцип дискретности генотипа.
11.Типы взаимодействия аллельных генов. Реципрокное, возвратное,
анализирующее скрещивание и их значение.
12.Наследование
при
комплементарность,
взаимодействии
эпистаз,
неаллельных
полимерия,
генов:
плейотропия
и
модифицирующее действие генов.
13.Определение пола. Типы хромосомного определения пола. Балансовая
теория определения пола. Половой хроматин.
14.Наследование признаков сцепленных полов. Соотношение полов в
природе и значение.
15.Закон сцепления генов Т. Моргана. Расщепление у гибридов при
сцепленном наследовании. Кросинговер и его значение.
21
16.Локализация гена. Генетические карты растений, животных и
микроорганизмов. Гибридизация соматических клеток как метод
локализации генов у человека и животных.
17.Основные положения хромосомной теории наследственности.
18.Цитоплазматическая наследственность. Особенности наследования
через пластиды, митохондрии. Ц. М. С. и её значение
19.Организация генетического материала у прокариот и эукариот.
Пространственная организация хромосом у эукариот.
20.Изменчивость.
Классификация
изменчивости.
Комбинационная
изменчивость, механизмы ее возникновения и значение.
21.Классификация мутаций. Значение мутационной изменчивости.
Генные мутации. Причины и механизмы их возникновения, значение.
22.Множественный аллелизм. Механизмы возникновения, значение и
применение.
23.Генные мутации. Причины и механизмы их возникновения, значение.
24.Геномные мутации. Полиплоидия. Возникновение и характеристика
полиплоидов. Работа Г. Д. Карпеченко. Система новых видов.
25.Автополиплоидия. Получение. Расщепление по генотипу и фенотипу.
Значение полиплоидии в селекции и эволюции.
26.Хромосомные перестройки. Внутри- и межхромосомные перестройки.
Поведение в мейозе. Фенотипическое проявление и значение
эволюции.
27.Анеуплоидия. Механизмы возникновения, особенности мейоза и
образования гамет у анеуплоидов. Жизнеспособность и плодовитость
у анеуплоидов.
28.Спонтанный и индуцированный мутагенез. Закон гомологических
рядов в наследственной изменчивости Н. И. Вавилова, его значение
для понимания эволюции и практической селекции.
29.Модификационная изменчивость. Норма реакции генотипа. Значение
модификационной изменчивости в эволюции.
22
30.Эволюция
представлений
о
гене. Анализ
структуры
гена
у
бактериофага Т-4. Современное представление об аллелизме.
31.Генетическая организация ДНК. Генетический код и его свойства.
32.Развитие представлений о гене от Г. Менделя, Т. Моргана до наших
дней.
Раздел «Молекулярная биология»
1. Предмет молекулярной биологии. Основные этапы развития.
2. ДНК-зависимые РНК полимеразы бактерий. Субъединичный состав
фермента. Функции субъединиц.
3. Молекулы генетического аппарата. Доказательство генетической роли
нуклеиновых кислот.
4. Модель
взаимодействия
core-фермента
и
holo-фермента
РНК
полимеразы E.coli с промотором.
5. Структура
ДНК.
Компоненты
молекулы
и
соединяющие
их
химические связи. Функции ДНК.
6. 2.Процессинг мРНК. Кепирование и полиаденилирование.
7. Двойная спираль ДНК. Принципы строения ДНК. Модель УотсонаКрика.
8. Процессинг мРНК. Сплайсинг. Альтернативный сплайсинг.
9. Альтернативные формы двойной спирали ДНК.
10.Транскрипция у эукариот. Структура РНК полимераз. Особенности
транскрипции.
11.Структура РНК. Отличия между ДНК и РНК. Виды РНК.
12.Транскрипция у бактерий. Этапы транскрипции.
13.«Центральная догма биологии». Информационные связи между ДНК,
РНК и белками.
14.Инициация транскрипции у бактерий. Роль сигма-фактора. Стадии
инициации транскрипции.
23
15.Генетический код. Свойства генетического кода.
16.Регуляция транскрипции прокариот. Позитивная индукция на примере
lac-оперона E.coli.
17.Структура транспортной РНК. Уровни организации тРНК.
18.Трансляция у прокариот. Отличительные особенности.
19.Понятие об опероне.
20.Терминация транскрипции у бактерий. Rho-зависимая и Rhoнезависимая терминация.
21.Структурные особенности эукариотических генов.
22.Регуляция транскрипции прокариот. Негативная индукция на примере
lac-оперона E.coli.
23.Структура бактериального промотора.
24.Трансляция у эукариот. Отличительные особенности.
25.Структура эукариотического генома.
26.Синтез белка в клетке. Предрибосомный этап.
27.Структурные особенности прокариотических генов.
28.Синтез белка в клетке. Рибосомный этап.
29.Структура матричной РНК. Схема расположения функциональных
участков на мРНК.
30.Уровни компактизации ДНК.
31.Рибосомы. Субъединичный состав. Активные центры.
32.Классификация геномов.
33.Структура бактериального генома.
34.Классификация генов.
35.Структура археального генома.
36.Инициация трансляции у прокариот. Образование 30S инициаторного
комплекса.
IV.Тематика и перечень курсовых работ и рефератов
Не предусмотрены учебным планом.
24
V. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика / Издательство:
Сибирское университетское издательство. 2006. - 479 c.
2. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия / Учебно-справочное пособие.
Издательство: Сибирское университетское издательство, 2004 г.- 496с.:
ил.
3. Николаева А.Я. Биологическая химия: Учебник. - -3-е изд., перераб. и
доп. – М.:ООО «Медицинское информационное агентство», - 2007. – 568
с.: ил.
4. Биоорганическая химия: Учебное пособие / Д.Г. Кнорре, Т.С. Годовикова,
С.Д. Мызина, О.С. Федорова; Новосиб.гос. ун-т, Новосибирск, 2011. 480
с.
5. Мастюкова Е.М. Основы генетики. Клинико-генетические основы
коррекционной педагогики и специальной психологии: Учеб. пособ. для
студ. пед. Вузов / Мастюкова Е.М., Московкина А.Г.; под ред.
Селиверстова В.И., Пузанова Б.П. М.- 2005. 367с.
б) дополнительная литература:
1. Щипков В.П. Общая и медицинская генетика: Учеб. пособие для студ.
мед. Вузов / Щипков В.П., Кривошеина Г.Н.. М.: Академия. 2003. 256с.
УМО.
2. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и
применение. Пер. с англ. - -М.: Мир, 2002. – 589 с., ил.
3. Рис Э., Стенберг М. Введение в молекулярную биологию: От клеток к
атомам: Пер. с англ. – М.: Мир, 2002. – 142., ил.
4. Клонирование ДНК (под ред. Д. Гловера). М., “Мир”, 1988.
5. Пузырев В.П., Степанов В.А. Патологическая анатомия генома человека.
Новосибирск, «Наука», 1997
6. Уотсон Дж.,. Туз Дж, Курц Д. Рекомбинантные ДНК. М., “Мир”, 1986.
25
7. Периодические научные журналы: «Биохимия», «Биоорганическая
химия», «Gene».
8. Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. М. Мир, 1987. 3 тома.
9. Топорнина Н.А. Генетика человека: Практикум для вузов / Топорнина
Н.А., Стволинская Н.С.. М.. 2001. 96с.
10. Захаров В.Б. , Мамонтов С.Г., Сонин Н.Н. Общая биология. М., Дрофа.
2001.
11.Заяц Р.Г., Рачковская И.В. и др. Общая медицинская генетика. Ростов на
Дону, Феникс. 2002.
12. Шевченко В.А., Топорнина Н.А., Стволинская Н.С. Генетика человека
М., Владос. 2002.
13.Алиханян С.И., Акифьев А.П., Чернин Л.С. Общая генетика. М., Высшая
школа. 1985.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
1. Лукашов В.В. Молекулярная эволюция и филогенетический анализ. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. - 256 с. http://window.edu.ru/resource/318/65318
2. Гаевский Н.А. Знакомство с эволюционной генетикой: Учебнометодическое пособие. - Красноярск: КрасГУ, 2002. - 53 с. http://window.edu.ru/resource/478/26478
VI. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Проведение лекций с использованием мультимедийной аппаратуры для
демонстрации иллюстративного материала.
26
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК ДВФУ>
КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ
По дисциплине «Генетика и молекулярная биология»
Специальность —020101.65 - Химия
Форма подготовки - очная
г. Владивосток
2011
27
Конспекты лекций к разделу «Молекулярная биология»
Конспекты лекций
Конспекты лекций к разделу «Генетика»
Тема: Генетические основы селекции
План:
1. Селекция как наука, ее значение в свете современной биологии.
2. Количественные признаки и основные селекционные понятия.
3. Методы селекционных исследований.
1. Селекция – это наука, изучающая биологические основы и методы
создания и улучшения пород животных, сортов растений и штаммов
микроорганизмов. Теоретической базой этой науки является генетика.
Селекция разрабатывает конкретные приемы и рекомендации, которые
находят практическое применение в частной селекции отдельных видов.
Породы животных, сорта растений, штаммы микроорганизмов
представляют собой совокупности организмов, характеризующаяся
определенной генетической структурой, и следовательно нормой реакции,
которые определяют их специфическую продуктивность.
Вторичное открытие законов Менделя послужило мощным стимулом
обновления селекционной теории и привело к созданию учения о чистых
линиях, линейной и мутационной селекции, развитию синтетической
селекции.
Н.И. Вавилов выделял 7 разделов селекции:
1. Учение об исходном сортовом, видовом и родовом потенциале.
2. Закономерности наследственной изменчивости.
3. Учение о роли среды в выявлении признаков у селектируемых
организмов.
4. Теорию гибридизации, в т.ч. отдаленной.
5. Теорию селекционного процесса.
6. Анализ основных направлений селекционной работы.
7. Частную селекцию отдельных видов.
Открытый Н.И. Вавиловым закон гомологических рядов в
наследственной изменчивости определило важность селекции как науки.
Открытие центров происхождения культурных растений установило их
связь с очагами цивилизации, проявление в основном доминантных
признаков, тогда по периферии областей распространения этих же видов
преобладают рецессивные признаки.
28
Всего выделяются 8 центров происхождения культурных растений:
1. Индийский. Родина риса, сахарного тростника, цитрусовых.
2. Среднеазиатский. – Мягкая пшеница, бобы, горох.
3. Китайский – родина проса, гречихи, сои.
4. Переднеазиатский – родина многих видов пшеницы, ржи, плодовых
культур.
5. Средиземноморский – родина капусты, маслины, чечевицы.
6. Абиссинский – родина сорго, банана, ячменя.
7. Южномексиканский – родина картофеля.
8. Южноамериканский – родина банана, ананаса, какао.
Большая часть культурных растений связана в своем происхождении с
несколькими центрами. Центры доместикации (одомашнивания) открыты у
домашних животных. Например: тутовый шелкопряд – Китай.
2. Порода, сорт, штамм – совокупность организмов, искусственно
созданных человеком с помощью методов селекции и обладающих
определенными в т.ч. хозяйственно ценными наследственно закрепленными
свойствами. Это популяция, отличающаяся от своих диких предков по
хозяйственно ценных признакам, что было достигнуто в процессе
искусственного отбора.
Количественные признаки селекции. Особенности:
1) их непрерывное варьирование;
2) их зависимость от большого числа взаимодействующих генов;
3) они подвержены влиянию модификационной изменчивости.
Результаты:
1) средняя арифметическая (x), среднее квадратичное отклонение (σ),
варианса (σ2), ошибка средней арифмети-ческой (Sx), коэффициент
изменчивости и коэффициент наследуемости.
3. Основным типом отбора в селекции является искусственный,
проводимый при определенных условиях селекционером. Он в свою
очередь подразделяется на массовый и индивидуальный отбор.
Массовый отбор проводится по внешним фенотипическим
характеристикам в направлении, избранном селекционером. Он эффективен
в отношении признаков, контролируемым одним или немногими генами,
т.е. для качественных признаков. Количественный анализ проводят на
основе закономерностей целой популяции.
Индивидуальный отбор основан на оценке генотипа растения или
животного в селекционном процессе. При этом популяции делят на семьи и
изучают потомство от самоопыления отдельных растений (инбридинг или
инцухт), где это позволяет система несовместимости. У животных ведут
инбридинг посредством близкородственных скрещиваний для повышения
уровня гомозиготности. На последующих этапах отбора используют тех
29
особей, которые дали наибольшее число потомков с высокими
показателями.
Одним из вариантов является сиб-селекция, который заключается в
закладке индивидуальных семей или поведения индивидуальных
скрещиваний и разделения полученного потомства на две части в каждой
семье. Индивидуальный отбор затруднен с перекрестно опыляемыми
растениями, но знание генетического контроля несовместимости и
получения самосовместимых мутантов позволяет преодолеть эту трудность.
Инбридинг – это близкородственное, аутбридинг – неродственное
скрещивание. Разновидность аутбридинга – кроссбридинг или межпородное
скрещивание.
Инбридинг применяется для разложения популяции на гомозиготные
линии (н.п., растения-опылители; В. Иоганнсен). Гомозиготизация по генам,
контролирующим изучаемый признак, происходит тем быстрее, чем
близкородственные скрещивания. Если за признак отвечают несколько
генов, то гомозиготизация идет медленнее и может наступить инбредная
депрессия – постепенное вырождение (уродство) из-за гомозиготизации
рецессивных мутантных генов. Степень инбридинга определяется
коэффициентом инбридинга (F), где n – число особей в линии родословной,
идущей от инбредного потомка к общему предку и обратно. Аутбридинг
применяют по отношению к скрещиванию особей из разных популяций. Он
повышает уровень гетерозиготности потомства и гетерогенности
популяции.
При скрещивании различных пород, сортов, видов гибриды первого
поколения часто проявляют признаки гетерозиса или гибридной мощности
(И.Г. Кельрейтер, на «Виргинском» и «Перувианском» табаке). Но в
последующих поколениях, даже уже во втором признаке гетерозиса резко
ослабляются и потом затухают (Л. Бербанг, И.В. Мичурин др., межвидовые
гибриды кукурузы). Различают у растений репродуктивный, соматический и
адаптивный гетерозис.
Закрепление гетерозиса в поколениях – одна из важнейших
генетических проблем селекции. Одним из путей его закрепления у
растений – перевод их с полового размножения на бесполое –
апомиктическое, у животных – клонирование методом клеточной
инженерии, основанной на замене ядер яйцеклеток генотипически
идентичными ядрами соматических клеток особей, отличающихся
выдающими хозяйственными качествами.
Наследуемость – это наследственно обусловленная компонента
фенотипической вариабельности признака. Отношение генотипической
изменчивости
к
фенотипической
определяется
коэффициентом
наследуемости (h2, % или доля ед.). Если h2 = 100%, то фенотипическое
разнообразие отражает генотипическую гетерогенность. Если h2 = 0, то
фенотипическое
разнообразие
обусловлено
не
генотипическими
30
особенностями особей данной популяции, а внешними факторами (Д.К.
Беляев).
Основными методами повышения активности промышленных
штаммов микроорганизмов является индуцированный мутагенез и
ступенчатый отбор. При этом популяцию клеток обрабатывают мутагеном,
рассеивают на питательную среду и исследуют колонию – это есть метод
клонального анализа. Клон – группа генетически идентичных клеток,
возникших в результате вегетативного размножения из одной исходной
клетки.
Полиплоидия. Эффект автополиплоидии (более двукратное
умножение) заключается в увеличении размеров клеток и всего растения
вследствие умножения числа наборов хромосом. Широко применяют при
создании новых сортов растений. Лучшие результаты получаются у видов с
меньшим числом хромосом и перекрестно опыляющихся. Н.п.,
тетраплоидные сорта ржи (недостаток – понижение фертильности на 15 %),
тетраплоиды гречихи (крупные семена). Источником полиплоидии
являются химические мутагены – колхицин и др.
Ценные результаты дает использование явления аллополиплоидии
(многократное увеличение) геномов. Основой этого подхода служит метод
отдаленной гибридизации. Н.п., гибридизация пшеницы и ржи – тритикале
(хорошая урожайность, зимостойкость и устойчивость к болезням, Г.К.
Мейстер, В.Е. Писарев и др.), пшенично-пырейный гибрид и др.
В современной селекции особо активно используются физические
факторы – радиация (гамма-лучи), химические – мутагены (этиленимин,
колхицин) и др.
Литература
1. Алиханян С.И., Акифьев А.Ф., Чернин Л.С. Общая генетика: Учебн.
для студ. биол. спец.ун-тов / Алиханян С.И., Акифьев А.Ф., Чернин Л.С..
М.: Высшая школа. 1985. 448 с.
2. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции: Учеб. для
биол.спец. ун-тов / Инге-Вечтомов С.Г.. М.: Высшая школа. 1989. 591 с.
3. Лобашев М.Е., Ватти К.В., Тихомирова М.М. Генетика с основами
селекции / Лобашев М.Е., Ватти К.В., Тихомирова М.М.. М.: Просвещение,
1979. 304 с.
Тема: Основы молекулярной генетики
План:
Введение
31
1. Тонкая структура гена. Функциональная структура генов. Генетический код.
2. Репликция ДНК
3. Генетический контроль синтеза белков.
4. Мутация и генетический код.
5. Регуляция генной активности.
6. Репарация генетических повреждений.
Введение
Генетика - наука о наследственности и её изменчивости – получила
развитие в начале XX в., после того как исследователи обратили внимание
на законы Г. Менделя, открытые в 1865 г., но остававшиеся без внимания в
течение 35 лет. За короткий срок генетика выросла в разветвленную
биологическую науку с широким кругом экспериментальных методов и
направлении. Название генетика было предложено английским ученым У.
Бэтсоном в 1906 г. Исследователями классического периода развития
генетики были выяснены основные закономерности наследования и
доказано, что наследственные факторы (гены) сосредоточены в хромосомах.
Дальнейший прогресс в изучении закономерностей хранения и реализации
генетической информации сдерживался по двум причинам. Во-первых, из-за
слишком объемных экспериментов, связанных с более глубоким изучением
генов, во-вторых, ввиду невозможности понять работу генов без
углубленного исследования превращения молекул, вовлеченных в
генетические процессы. Переход к генетическим исследованиям
микроорганизмов, позволивший избегать многих трудностей, был вполне
закономерен. Такой переход осуществился в 50-х годах. В 1941 г. Дж. Бидл
и Э. Тейтум опубликовал короткую статью "Генетический контроль
биохимических реакций у Neurospora ", в которой сообщили о первых
генетических экспериментах на микроорганизмах. В последние годы эти
исследования получили широкий размах и проводятся на самых различных
биологических объектах.
Тонкая структура. Функциональная структура генов.
Генетический код.
Наиболее существенным достижением в молекулярной генетике
является установление минимальных размеров участка гена, передающихся
при кроссинговере (в молекулярной генетики вместо термина
«кроссинговера» принят термин "рекомбинация", который все еще
начинают использовать и в генетике высших существ), подвергающих-ся
32
мутации и осуществляющих одну функцию. Оценки этих величин были
получены в 50-е годы С. Бензером.
Среди различных внутригенных мутаций Бензер выделил два класса:
точечные мутации (мутации минимальной протяженности) и делеции
(мутации, занимающие достаточно широкую область гена). Установив факт
существования точечных мутаций, Бензер задался целью определить
минимальную длину участка ДНК, передаваемую при рекомбинации.
Оказалось, что эта величина составляет не более нескольких нуклеотидов.
Бензер назвал эту величину реконом.
Следующим этапом было установление минимальной длины участка,
изменения которого достаточно для возникновения мутации (мутона). По
мнению Бензера, эта величина равна нескольким нуклеотидам. Однако в
дальнейшем было выявлено, что длина одного мутона не превышает размер
одного нуклеотида.
Следующим важным этапом в изучении генетического материала
было подразделение всех генов на два типа: регуляторные гены, дающие
информацию о строении регуляторных белков и структурные гены,
кодирующие строение остальных полипептидных цепей. Эта идея и
экспериментальное доказательство было разработано исследователями Ф.
Жакобом и Ж. Моно (1961).
Выяснение основной функции гена как хранителя информации о
строении определенной полипептидной цепи
поставило перед
молекулярной генетикой вопрос, каким образом осуществляется перенос
информации от генетических структур (ДНК) к морфологическим
структурам, другими словами, каким образом записана генетическая
информация и как она реализуется в клетке.
Согласно модели Уотсона - Крика, генетическую информацию в ДНК
несет последовательность расположения оснований. Таким образом, в ДНК
заключены четыре элемента генетической информации. В тоже время в
белках было обнаружено 20 основных аминокислот. Необходимо было
выяснить, как язык четырехбуквенной записи в ДНК может быть переведен
на язык двадцати буквенной записи в беках. Решающий вклад в разработку
этого механизма был внесен Г. Гаммовым (1954,1957). Он предположил, что
для кодирования одной аминокислоты. используется сочетание из трех
нуклеотидов ДНК ( нуклеотидом называют соединение, состоящее из сахара
(дезоксирибоза), фосфата и основания и образующее элементарный
мономер ДНК). Эта элементарная единица наследственного материала,
кодирующая одну аминокислоту, получила название кодона.
Предположение Гамова о трехнуклеотидном составе кодона
выглядело логически, доказать его экспериментально долгое время не
удавалось. Только в конце 1961 г., когда многим стало казаться, что этот
вопрос не будут решен, была опубликована работа кембриджской группой
исследователей (Ф. Крик, Л. Барнет, С. Берннер и Р. Ваттс - Тобин),
выяснившие тип кода и установивших его общую природу. Важным в их
33
работе было то, что они с самого начала строго поставили вопрос о роли
начальной , старто-вой точки в гене. Они доказали, что в каждом гене есть
строго фиксированная начальная точка, с которой фермент, синтезирующий
РНК, начинает " прочтение " гена, причем читает его в одном направлении и
непрерывно. Авторы так же доказали, что размер кодона действительно
равен трем нуклеотидам и что наследственная информация, записанная в
ДНК, читается от начальной точки гена "без запятых и промежутков".
Репликация ДНК
Уотсона и Крика предложили гипотезу строения ДНК, согласно
которой, последовательность оснований в одной нити ДНК однозначно
задавала последовательность оснований другой нити. Далее они
предположили, что две нити ДНК раскручиваются и на каждой из них в
соответствии с правилами комплементарности синтезируются, дочерни
нити. Таким образом, каждая новая молекула ДНК должна содержать одну
родительскую и одну дочернюю. Этот тип (полуконсервативный)
репликации к концу 50 годов был экспериментально обоснован в опытах на
бактериях. Опыты на высших организмах также косвенно
Говори ли о правильности этого вывода. В это же время А. Корнберг
выделил фермент, который, как он считал, осуществляет синтез белка. Для
работы фермента было необходимо наличие затворочной ДНК и всех
четырех предшественников ДНК (дезоксирибонукеозидтрифосфатов). В
последующем десятилетии биохимики получили огромное количество
фактов о характере протекания репликационного процесса. Было выделено
и охарактеризовано несколько типов ферментов, осуществляющих
репликацию (ДНК-полимераз).
Генетический контроль синтеза белков.
Важнейшим достижением молекулярной генетики было выяснение
цепи реакций, обеспечивающих передачу информации от ДНК к белку.
Цитохимическим методом было доказано, что ДНК локализована главным
образом в ядре клеток. Синтез белков, как показали исследования начала
50-х годо, происходит в основном в цитоплазме. Сразу возник вопрос:
каким образом ядро может осуществлять контроль за синтезом белка в
цитоплазме?
В 30-х годах XX в. было установлено. что в клетках наряду с ДНК
содержится второй класс нуклеиновых кислот - рибонуклеиновые кислоты
(РНК). В отличие от ДНК в РНК вместо сахара дезоксирибозы содержится
также пятичленный углевод - рибоза, а одно из пиримидиновых оснований Тимин - заменено на урацил. Кроме того, было показано, что РНК, как
правило, не двуспиральная, а однонитчата.
34
В (1942) Браше и Кедровский (1951), а затем в обширных опытах было
показано, что интенсивный синтез белка происходит в тех участках, где
сосредоточено много РНК. Было предположено, что именно РНК переносит
информа-цию с ДНК на белок, но только в 1961 году было воплощено в
четкую гипотезу Ф. Жакобом и Ж. Моно. Они назвали такую РНК "информационной РНК".
Ф. Крик в 1954 г. предложил так называемую адаптерную гипотезу,
согласно которой функции перевода языка нуклеиновых кислот на язык
белков должны выполнять адаптерные РНК. Это предположение
подтвердилось. Было выделено более 20 низкомолекулярных РНК, которые
сначала были названы растворимыми, а затем переименованы в
транспортные РНК (т РНК).
Мутации и генетический код.
Следует отметить об установлении двух моментов, связанных с
генетическим кодом. Первое - врожденность кода, означающая, что одна
аминокислота может кодироваться несколькими кодонами, т.е. одной и той
же аминокислоте нередко соответствует несколько кодонов. Это
немаловажное обстоятельство позволяет иметь разным организмам
несколько различающиеся "диалекты". Действительно, перекодировка
сообщений, записанных языком нуклеотидов в ДНК в язык аминокислотных
последовательностей в белках, происходит в рибосомах с участием РНК.
Отсутствие т РНК, узнающей некоторые из кодонов одной и той же
аминокислоты, приведет к тому, что эти кодоны не будут узнаны и
останутся бессмысленными в этой клетке. По-видимому, этот механизм
действует при размножении ряда вирусов, активно размножающихся в
одних видах организмов и не способных к размножению в других.
Второй интересный момент - универсальность генетического кода.
Анализ природы различных мутаций привел к выводу, что все точечные
мутации можно разделить на три основных класса:
1. Миссенс-мутации - мутации, при которых изменяется смысл
кодона; в этом случае против него встает неверная аминокислота, и
свойства синтезируемого белка меняются.
2. Нонсенс-мутации - мутации , при которых возникает нонсенскодон, не кодирующий никаких аминокислот, и на нем обрывается чтение
иРНК в рибосомах.
3. Мутации со сдвигом чтения. Эти мутации, изучаемые Криком,
позволили доказать трехбуквенность генетического кода. Мутации сдвига
чтения возникают после того, как одно или несколько оснований выпадут из
молекулы ДНК или внедрятся в нее. Интересно и то, что сдвиг чтения чаще
всего приводит к тому, в какой-то точке он заканчивается нонсенс-кодоном
и на нем чтение обрывается вообще.
35
Выяснение природы, строения и функционирования генетического
кода явилось огромным достижением современной биологии. Последние
успехи в искусственном синтезе белка, нуклеиновых кислот, особенно тех,
которые обладают способностью к программированию живых вирусных
частиц (работы А. Корнберга в США), позволяют надеяться , что одна из
основных проблем современной биологии - искусственный синтез живого с
нужными человеку свойствами - будет в конце концов разрешена.
Регуляция генной активности.
Функциональная неравнозначность клеток и связанная с ней
репрессия и активация генов давно привлекали внимание генетиков.
Первая попытка объяснить регуляторную активность генов были
связаны с изучением гистонных белков. Еще супруги Стэдман в начале 40-х
годов нашего века получили первые четкие результаты о различиях в
химической природе гистонных белков. Дальнейшие исследования
показали, что регуляция генной активности гораздо более сложный процесс,
нежели простое взаимодействие участков генов с молекулами пистонных
белков.
Жакоб и Моно разделили гены регуляторной системы на два типа гены-регуляторы и гены-операторы. Авторы ввели в генетику новое
понятие, определив блок структурных генов и управляющий ими оператор
как единую функциональную единицу - оперон.
В последние годы были получены данные о наличии еще одной
управляющей ячейки генной активности - промоторе. Оказалось, что по
соседству с операторным участком, к которому присоединяется продукт белковое вещество репрессор, синтезированный на гене-регуляторе, имеется
другой участок, который относится к членам регуляторной системе генной
активности. К этому участку присоединяется молекула фермента РНКполимеразы. В этом промоторном участке должно произойти взаимное
узнавание уникальной последовательности нуклеотидов в ДНК и
специфической конфигурации белка РНК - полимеразы. От эффективности
узнавания будет зависеть осуществление процесса считывания
генетической информации с данной последовательности генов оперона,
примыкающего к промотору.
Репарация генетических повреждений.
Новой главой в развитии молекулярной генетики стало учение о
системе
репарирующих
ферментов,
исправляющих
повреждения
генетических структур, вызванные облучением или обработкой
химическими агентами.
36
Ранее всего изученным типом репарации является фотореактивация,
впервые описанная А. Кельнером и В.Ф. Ковалевым (1949). Под
фотореактивацией
понимают
восстановление
нормальной
жизнедеятельности клеток (возобновляется синтез отдельных ферментов,
способность к делению и размножению, снижается частота мутаций и т.д.),
облученных ультрафиолетовым светом, после их пребывания на видимом
свете. Обязательным условием реакции фотореактивации является наличие
специального фотореактивирующего фермента.
Было также установлено, что такой процесс происходит и в темноте.
Этот вид назвали темновой репарацией.
В настоящее время описано большое число других видов репарации,
приводящих к тому же результату, но отличающихся по молекулярным
механизмам.
В последние годы эти исследования проводятся на самых различных
биологических объектах.
Литература
1. Сойфер В. Н., Пилле Э.Р., Газенко О. Г., Крушинский Л.В, Залкинд
С. Я. и др. История биологии с начала XX века до наших дней /
Сойфер В. Н., Пиле Э.Р., Газенко О.Г., Крушинский Л.В., Залкинд С.Я.. М.,
1975. 345 с.
37
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК ДВФУ
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
по дисциплине «Генетика и молекулярная биология»
Специальность —020101.65 - Химия
г. Владивосток
2012
38
Самостоятельная работа студентов (14 часов)
Самостоятельная работа необходима:
 при проработке материала лекции;
 при подготовке к лабораторным занятиям;
 для углубления и конкретизации базовых знаний, полученных в ходе
аудиторных занятий;
 при подготовке к самостоятельным работам;
 для приобретения знаний, желательных для усвоения.
Самостоятельная
работа
идет,
в
основном,
через
знакомство
с
периодической литературой, с новыми авторскими публикациями в данной
области.
Самостоятельная работа студентов («Молекулярная биология»)– 14 ч
1. Строение хроматина – 1 ч.
2. Взаимодействие ДНК с БАВ – 2 ч
3. Специфический отбор аминокислот в биосинтезе белка – 1 ч
4. Трансляция как способ существования – 2 ч
5. Репарация генетических повреждений – 3 ч
6. Биохимия НК – 1 ч
7. Внутриклеточная регуляция формирования нативной пространственной
структуры белков – 2 ч
8. Структура транспортной РНК. Уровни организации т-РНК – 2 ч
Тематика индивидуальных работ («Генетика»)– 7 часов:
1. Роль отечественных и зарубежных ученых в становлении генетики как
науки. (0.5 часа)
2. Грегор Мендель – основоположник генетики. (0,5 часа)
3. Научные генетические основы селекции по Н.И. Вавилову. (0,5 часа)
4. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. (0,5 часа)
5. Хромосомные болезни человека. (0,5 часа)
39
6. Наследственный полиморфизм человека по группам крови. (0,5 часа)
7. Предпосылки и открытия основных законов генетики их значение для
современной биологии. (0,5 часа)
8. Методика решения генетических задач повышенной сложности. (1 час)
9. Связь генетики с другими биологическими науками. (0,5 часа)
10. Актуальные проблемы современной генетики и пути их решения.
(0,5 часа)
11. Изучение генетики в школе, как одного из основных разделов биологии.
(0,5 часа)
12. Генетическая инженерия. (1 час)
40
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК ДВФУ
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
по дисциплине «Генетика и молекулярная биология»
Специальность - 020101.65 - «Химия»
г. Владивосток
2011
41
Контрольные работы
Раздел «Молекулярная биология»
Вариант 1.
1. Предмет молекулярной биологии. Основные этапы развития.
2. ДНК-зависимые РНК полимеразы бактерий. Субъединичный состав
фермента. Функции субъединиц.
Вариант 2.
1. Молекулы генетического аппарата. Доказательство генетической роли
нуклеиновых кислот.
2. Модель взаимодействия core-фермента и holo-фермента РНК полимеразы
E.coli с промотором.
Вариант 3.
1. Структура ДНК. Компоненты молекулы и соединяющие их химические
связи. Функции ДНК.
2.Процессинг мРНК. Кепирование и полиаденилирование.
Вариант 4.
1. Двойная спираль ДНК. Принципы строения ДНК. Модель УотсонаКрика.
2. Процессинг мРНК. Сплайсинг. Альтернативный сплайсинг.
Вариант 5.
1. Альтернативные формы двойной спирали ДНК.
2. Транскрипция у эукариот. Структура РНК полимераз. Особенности
транскрипции.
Вариант 6.
1. Структура РНК. Отличия между ДНК и РНК. Виды РНК.
42
2. Транскрипция у бактерий. Этапы транскрипции.
Вариант 7.
1. «Центральная догма биологии». Информационные связи между ДНК,
РНК и белками.
2. Инициация транскрипции у бактерий. Роль сигма-фактора. Стадии
инициации транскрипции.
Вариант 8.
1. Генетический код. Свойства генетического кода.
2. Регуляция транскрипции прокариот. Позитивная индукция на примере
lac-оперона E.coli.
Вариант 9.
1. Структура транспортной РНК. Уровни организации тРНК.
2. Трансляция у прокариот. Отличительные особенности.
Вариант 10.
1. Понятие об опероне.
2. Терминация транскрипции у бактерий. Rho-зависимая и Rho- независимая
терминация.
Вариант 11.
1. Структурные особенности эукариотических генов.
2. Регуляция транскрипции прокариот. Негативная индукция на примере
lac-оперона E.coli.
Вариант 12.
1. Структура бактериального промотора.
2. Трансляция у эукариот. Отличительные особенности.
43
Вариант 13.
1. Структура эукариотического генома.
2. Синтез белка в клетке. Предрибосомный этап.
Вариант 14.
1. Структурные особенности прокариотических генов.
2. Синтез белка в клетке. Рибосомный этап.
Вариант 15.
1. Структура матричной РНК. Схема расположения функциональных
участков на мРНК.
2. Уровни компактизации ДНК.
Вариант 16.
1. Рибосомы. Субъединичный состав. Активные центры.
2. Классификация геномов.
Вариант 17.
1. Структура бактериального генома.
2. Классификация генов.
Вариант 18.
1. Структура археального генома.
2. Инициация трансляции у прокариот. Образование 30S инициаторного
комплекса.
Раздел «Генетика»
Вариант 1.
1.Генетика наука о наследственности и изменчивости.
2.Методы изучения генетики: гибридологический, генеалогический,
цитогенетический,
математический,
популяционно-статистический,
молекулярно-генетический.
Вариант 2.
1.История генетики. Основные этапы развития генетики: от Менделя
до наших дней. Основные разделы современной генетики.
44
2.Бесполое размножение. Особенности бесполого размножения прокариот и
эукариот. Клеточный цикл. Митоз как механизм бесполого размножения.
Вариант 3.
1.Половое
размножение.
Мейоз
и
его
типы.
Фазы
мейоза.
Генетическое значение мейоза.
2.Гаметогенез: овогенез и сперматогенез у животных. Гаметогенез у
растений.
Вариант 4.
1.Нерегулярные
типы
полового
размножения,
особенности
наследования.
2.Моногибридное скрещивание. Первый и второй закон Г. Менделя.
Цитологические
основы
расщепления.
Понятие
доминантности
и
рецессивности, аллелизма, гомо- и гетерозиготности. Ген, генотип, фенотип.
Вариант 5.
1.Дигибридное
скрещивание.
Третий
закон
Г.
Менделя.
Комбинационная изменчивость и её значение.
2.Тригибридное скрещивание. Расщепление по фенотипу и генотипу.
Принцип дискретности генотипа.
Вариант 6.
1.Типы взаимодействия аллельных генов. Реципрокное, возвратное,
анализирующее скрещивание и их значение.
2.Наследование
при
взаимодействии
неаллельных
генов:
комплементарность, эпистаз, полимерия, плейотропия и модифицирующее
действие генов.
Вариант 7.
1.Определение
пола.
Типы
хромосомного
определения
пола.
Балансовая теория определения пола. Половой хроматин.
2.Наследование признаков сцепленных полов. Соотношение полов в
природе и значение.
Вариант 8.
45
1.Закон сцепления генов Т. Моргана. Расщепление у гибридов при
сцепленном наследовании. Кросинговер и его значение.
2.Локализация гена. Генетические карты растений, животных и
микроорганизмов.
Гибридизация
соматических
клеток
как
метод
локализации генов у человека и животных.
Вариант 9.
1.Основные положения хромосомной теории наследственности.
2.Цитоплазматическая наследственность. Особенности наследования
через пластиды, митохондрии. Ц. М. С. и её значение
Вариант 10.
1.Организация генетического материала у прокариот и эукариот.
Пространственная организация хромосом у эукариот.
2.Изменчивость.
Классификация
изменчивости.
Комбинационная
изменчивость, механизмы ее возникновения и значение.
Вариант 11.
1.Классификация мутаций. Значение мутационной изменчивости.
Генные мутации. Причины и механизмы их возникновения, значение.
2.Множественный аллелизм. Механизмы возникновения, значение и
применение.
Вариант 12.
1.Генные мутации. Причины и механизмы их возникновения,
значение.
2.Геномные мутации. Полиплоидия. Возникновение и характеристика
полиплоидов. Работа Г. Д. Карпеченко. Система новых видов.
Вариант 13.
1.Автополиплоидия.
Получение.
Расщепление
по
генотипу
и
фенотипу. Значение полиплоидии в селекции и эволюции.
2.Хромосомные
перестройки.
Внутри-
и
межхромосомные
перестройки. Поведение в мейозе. Фенотипическое проявление и значение
эволюции.
46
Вариант 14.
1.Анеуплоидия. Механизмы возникновения, особенности мейоза и
образования гамет у анеуплоидов. Жизнеспособность и плодовитость у
анеуплоидов.
2.Спонтанный и индуцированный мутагенез. Закон гомологических
рядов в наследственной изменчивости Н. И. Вавилова, его значение для
понимания эволюции и практической селекции.
Вариант 15.
1.Модификационная
изменчивость.
Норма
реакции
генотипа.
Значение модификационной изменчивости в эволюции.
2.Эволюция представлений о гене. Анализ структуры гена у
бактериофага Т-4. Современное представление об аллелизме.
Вариант 16.
1.Генетическая организация ДНК. Генетический код и его свойства.
2.Развитие представлений о гене от Г. Менделя, Т. Моргана до наших
дней.
47
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК ДВФУ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
по дисциплине «Генетика и молекулярная биология»
Специальность —020101.65 - Химия
г. Владивосток
2011
48
а) основная литература:
1. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика / Издательство:
Сибирское университетское издательство. 2006. - 479 c.
2. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия / Учебно-справочное пособие.
Издательство: Сибирское университетское издательство, 2004 г.- 496с.:
ил.
3. Николаева А.Я. Биологическая химия: Учебник. - -3-е изд., перераб. и
доп. – М.:ООО «Медицинское информационное агентство», - 2007. – 568
с.: ил.
4. Биоорганическая химия: Учебное пособие / Д.Г. Кнорре, Т.С. Годовикова,
С.Д. Мызина, О.С. Федорова; Новосиб.гос. ун-т, Новосибирск, 2011. 480
с.
5. Мастюкова Е.М. Основы генетики. Клинико-генетические основы
коррекционной педагогики и специальной психологии: Учеб. пособ. для
студ. пед. Вузов / Мастюкова Е.М., Московкина А.Г.; под ред.
Селиверстова В.И., Пузанова Б.П. М.- 2005. 367с.
б) дополнительная литература:
1. Щипков В.П. Общая и медицинская генетика: Учеб. пособие для студ.
мед. Вузов / Щипков В.П., Кривошеина Г.Н.. М.: Академия. 2003. 256с.
УМО.
2. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и
применение. Пер. с англ. - -М.: Мир, 2002. – 589 с., ил.
3. Рис Э., Стенберг М. Введение в молекулярную биологию: От клеток к
атомам: Пер. с англ. – М.: Мир, 2002. – 142., ил.
4. Клонирование ДНК (под ред. Д. Гловера). М., “Мир”, 1988.
5. Пузырев В.П., Степанов В.А. Патологическая анатомия генома человека.
Новосибирск, «Наука», 1997
6. Уотсон Дж.,. Туз Дж, Курц Д. Рекомбинантные ДНК. М., “Мир”, 1986.
7. Периодические
научные
журналы:
химия», «Gene».
49
«Биохимия»,
«Биоорганическая
8. Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. М. Мир, 1987. 3 тома.
9. Топорнина Н.А. Генетика человека: Практикум для вузов / Топорнина
Н.А., Стволинская Н.С.. М.. 2001. 96с.
10. Захаров В.Б. , Мамонтов С.Г., Сонин Н.Н. Общая биология. М., Дрофа.
2001.
11.Заяц Р.Г., Рачковская И.В. и др. Общая медицинская генетика. Ростов на
Дону, Феникс. 2002.
12. Шевченко В.А., Топорнина Н.А., Стволинская Н.С. Генетика человека
М., Владос. 2002.
13.Алиханян С.И., Акифьев А.П., Чернин Л.С. Общая генетика. М., Высшая
школа. 1985.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
1. Лукашов В.В. Молекулярная эволюция и филогенетический анализ. - М.:
БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. - 256 с. http://window.edu.ru/resource/318/65318
2. Гаевский Н.А. Знакомство с эволюционной генетикой: Учебнометодическое пособие. - Красноярск: КрасГУ, 2002. - 53 с. http://window.edu.ru/resource/478/26478
50
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК ДВФУ
>
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
по дисциплине «Генетика и молекулярная биология»
Специальность —020101.65 - Химия
г. Владивосток
2011
51
МЕТОДЫ
Молекулярное клонирование.
Цель экспериментов по клонированию это получить клон, группу
идентичных клеток или организмов, несущих чужеродную вставку ДНК, так
называемую рекомбинантную ДНК. Чаще всего такие эксперименты
проводятся по следующей схеме:
1.
Конструирование рекомбинантной молекулы. Для этого из организма –
донора нужных генов – экстрагируют (выделяют) нативную ДНК, затем
подвергают ее гидролизу (ферментативному, механическому и т.д.),
соединяют ее с векторной ДНК с образованием новой рекомбинантной
молекулы (конструкция «клонирующий вектор – встроенная ДНК»).
2.
Введение
конструкции
в
клетку-хозяина
(реципиент)
с
целью
получения клона. Процесс называется трансформацией.
3.
Анализ трансформированных клеток (идентификация и отбор нужных
трансформантов).
4.
Получение специфического белкового продукта, синтезированного
клетками-хозяина.
Инструментарий.
Рестрицирующие
эндонуклеазы.
Высокоспецифичные
бактериальные
ферменты, которые узнают определенные последовательности оснований в
дцДНК и расщепляют обе цепи. В клонировании наиболее часто
используются рестриктазы 2-го типа, которые узнают палиндромные
последовательности из 4 и более нуклеотидов, обладающие симметрией
второго порядка.
Палиндромная последовательность – последовательность – «перевертыш»,
являющаяся идентичной в обеих цепях при прочтении в направлении 5`-3`.
Палиндромные последовательности, которые распознаются РЭ II типа и в
которых происходит расщепление молекулы ДНК, называются сайтами
узнавания.
52
Рестриктазы
расщепляют
цепь
с
образованием
липких
концов
(выступающих 5`- или 3`.) или тупых концов. От длины сайта узнавания
зависит частота его частота встречаемости в молекуле ДНК.
Фермент
сайт узнавания
Характер образуемых концов
HindII
GTPy|PuAC
Тупые концы
EcoRI
G|AATTC
Выступающие концы с 5фосфатной группой
PstI
Выступающие концы с 3-
CTGCA|G
гидроксильной группой
NotI
Выступающие концы с 5-
GC|GGCCGC
фосфатной группой
Название фермента: род микроорганизма обозначается прописной буквой,
вид – двумя строчными, штамм обычно не указывается. Римской цифрой
обозначается порядковый номер данной эндонуклеазы в ряду прочих
рестриктаз, выделенных из данного микроорганизма.
Роль в клетке: защита от чужеродной ДНК, образует с метилазами систему
рестрикции-модификации.
Применение:
молекулярное
физической
карты
ДНК,
клонирование
установление
(ген,
порядка
геном),
построение
следования
сайтов
рестрикции вдоль молекулы (рестрикционная карта).
Лигазы – инструмент для устранения разрыва в сахарофосфатном остове
молекулы (для образования ковалентной связи между 3`-OH и 5`-P
группами концов ДНК цепей). Наиболее часто используется ДНК-лигаза
бактериофага Т4.
Векторы.
В качестве векторов для переноса клонируемой ДНК используются:
плазмиды,
фаги,
вирусы,
бактериальная
дрожжевая искусственная хромосома.
53
искусственная
хромосома,
Обязательные признаки «высококачественного вектора»:

Небольшой размер, длина плазмиды не больше 15 т.п.о.;

Наличие уникального сайта рестрикции, в который может быть
вставлена вставка;

Наличие одного и более селективных генетических маркеров для
идентификации трансформантов.
Плазмидные
векторы.
Плазмиды
–
внехромосомные
автономно
реплицирующиеся кольцевые молекулы ДНК. Содержат сайт начала
репликации (ori). Включают F-плазмиды (конъюгационные), плазмиды
устойчивости, плазмиды деградации, криптические плазмиды (функция
неизвестна).
Размеры
варьируют
от
1
до
500
т.п.о.
Бывают
высококопийными (10-100 копий на клетку) и низкокопийными (1-4).
Фагмиды – небольшие кольцевые плазмиды, имеющие точку начало
репликации фага (f1). Могут продуцировать оцДНК при наличии фагапомошника.. Например, pBluescript.
Бактериофаги – являются природными векторами, которые способны
переносить бактериальную ДНК из одной клетки в другую. У них есть
преимущество перед плазмидами – более эффективная трансформация.
Векторы замещения конструируются из ламда фагов, у которых средняя
часть удаляется и замещается на вставку. Правый и левй фрагменты
необходимы для репликации. Преимущество – способность встраивать до
12-20 кб ДНК, которое используется для конструирования геномных
библиотек.
Космиды – представляют собой векторы для клонирования крупных
фрагментов (до 40 т.п.о.). Сочетают свойства плазмид и фагов. От лямдафага сохранены только cos-сайты, следовательно могут упаковываться в в
фаговую частицу. Реплицироваться могут в бактериальных клетках как
плазмиды, имеют ori.
Трансформация
54
Приготовление компетентных клеток, мембрана которых в ходе тех или
иных процедур становится текучей (проницаемой) для чужеродной ДНК.
Химические способы. Обработка растворами кальция хлорида.
Способы введения: тепловой шок, электропорация.
Идентификация и отбор.
Метод перепечатки (pBR322),
Бело-голубой скрининг
Плазмиды pUC-серии (pUC19). pUC19 основана на pBR322 (40%), где
тетрациклиновый ген удален. Кроме того, она содержат полилинкер –
короткая последовательность с множеством уникальных сайтов рестрикции.
Длина плазмиды составляет 2686 п.о. Имеется ген устойчивости к
ампициллину, а так же регулируемый сегмент гена b-галактозидазы (lacZ`)
лактозного оперона E.coli под контролем гена lacI, кодирующего репрессор.
В
качестве
индуктора
тиогалактопиранозид.
В
используется
присутствии
ИПТГ
ИПТГ
–
изопропил-b-D-
репрессор
не
может
блокировать транскрипцию гена lacZ`, в результате чего продукт этого гена
связывается с белком, кодируемым хромосомной ДНК. Образуется активная
b-галактозидаза,
способная
гидролизовать
субстрат
5-бром-4-хлор-3-
индолил-b-D-галактопиранозид (X-Gal) с образованием продукта синего
цвета. Полилинкер находится в начале lacZ` и не влияет на продукцию
функционального фермента. Если вставки нет – колонии синего цвета, если
вставка есть – колонии белого цвета (прерывание рамки считывания).
Трансформированные клетки при наличии плазмиды могут расти на
питательной среде с ампициллином.
Метод с использованием суицидальных генов.
Челночные векторы – содержат два сайта начала репликации для
репликации в разных хозяевах.
55
Штаммы-реципиенты. Для всех рутинных процедур молекулярного
клонирования широко используют E.coli, но в качестве клеток-хозяев часто
выступают и другие бактерии – Bacillus subtilis и Agrobacterium tumefaciens.
Лабораторные штаммы - в b[ клетках должны отсутствовать гены,
кодирующие рестриктазы. Они должны быть неспособны к общей
рекомбинации.
Создание и скрининг библиотек.
Конструирование геномной библиотеки - процесс разделения геномной
ДНК на фрагменты и введение этих фрагментов в клетки-хозяина.
Библиотека бывает полной и частичной.
Получение набора фрагментов с помощью мелкощепящей рестриктазы
(Sau3A, один разрыв 256 оснований) в условиях частичного гидролиза.
Неполная библиотека генов получается с помощью одной рестриктазы,
полная – при использовании нескольких рестриктаз.
Поиск клонов, несущих искомую последовательность ДНК осуществляется
при использовании следующих методов:

гибридизация
с
меченным
ДНК
зондом
и
последующей
авторадиографией;

иммунологический скрининг;

скрининг по активности белка.
Конструирование кДНК библиотеки. Используется для клонирования
структурных генов эукариот на основе молекул мРНК. Наличие поли(А)хвоста позволяет отделить мРНК от рРНК и тРНК при использовании
целлюлозной колонки с «пришитыми» короткими поли(Т). На мРНК
синтезируют оцДНК с помощью обратной транскриптазы и затем дцДНК с
помощью
фрагмента
Кленова.
Обработка
разрушению мРНК, а нуклеаза S1 – оцДНК.
56
РНКазойН
приводит
к
Методы секвенирования ДНК.
Химический метод (А. Максам и В. Гилберт).
Ферментативный метод (Ф.Сангер) – дидезоксинуклеотидный метод.
Дидезоксинуклеотидный
метод
подразумевает
использование
модифицированных нуклеотидов, лишенных 2-` и 3`-гидроксильных групп
при углеродных атомах пентозы, при включении которых происходит
прерывание новосинтезируемых цепей ДНК.
Полимеразная цепная реакция.
Один из широко используемых методов амплификации ДНК.
В основе метода лежит принцип естественной репликации генетического
материала. С помощью пары синтетических праймеров (олигонуклеотидов)
и фермента Taq-полимеразы происходит воспроизведение специфического
фрагмента ДНК, который в последующих циклах будет служить матрицей
для
синтеза новых нитей
ДНК. Каждый цикл состоит из трех
последовательных стадий: денатурации или плавления двухцепочной ДНК,
отжига праймеров и комплементарного достраивания обеих цепей ДНК. В
результате нескольких десятков таких циклов исходный генетический
материал может быть увеличен до детектируемого уровня, например, с
помощью электрофореза.
Постановка ПЦР состоит из нескольких
этапов:
пробоподготовки,
амплификации и детекции продуктов амплификации.
Метод ПЦР применяется также для выявления спонтанных мутаций,
внесения специфических мутаций, сборки полноразмерных генов из
синтетических
олигонуклеотидов,
секвенирования
опосредованная прогулка).
Широко используется для клонирования ДНК:
Введение сайтов рестрикции,
клонирование в Т-вектор (Т\А cloning),
57
ДНК
(праймер-
RACE (3`- RACE и 5`- RACE) для быстрой амплификации концов кДНК.
RT-PCR
Экспрессия генов, клонированных в прокариотических системах.
При создании вектора для эффективной экспрессии необходимо учесть
следующие условия:
1.
тип промотора и терминатора;
2.
обеспечить прочность связывания мРНК с рибосомой;
3.
число копий клонированного гена и его локализация (в плазмиде или
в хромосоме клетки-хозяина);
4.
конечная локализация синтезируемого продукта;
5.
эффективность трансляции в организме хозяина;
6.
стабильность продукта в хозяйской клетке.
1.
Для эффективной экспрессии любого гена необходимо поставить его
под сильный и регулируемый промотор. За счет высокого сродства к РНКполимеразе
обеспечивается
эффективная
транскрипция
этого
гена.
Регулируемость (индуцибельность) промотора позволяет осуществлять
строгий
контроль
транскрипции
(особенно
важно
для
токсичных
продуктов).

lac - lacUV5 с измененной -10 последовательностью, более
сильный, чем lac-промотор дикого типа;

pL, регулируется термочувствительной мутантной формой
репрессора cI857 бактериофага лямда. Инактивируется при 420С;

trp – активация при удалении триптофана из среды или при
добавлении 3-индолилакриловой кислоты; выключение – при добавлении
триптофана;

T7-промотор бактериофага Т7. Т7 РНК-полимераза встроена в
хромосому в виде профага лямда под контролем lac-промотора. ИПТГиндуцибельный.
58
pET-системы
Химерные или fusion белки.
Задачи:

снизить деградацию чужеродного белка за счет присоединения к
стабильному белку клетки-хозяина;

для секреции белка (сигнальный пептид OmpF);

для выделения белка (His6-tag);

для изучения экспрессии, взаимодействия и локализации белкового
продукта (репортерные гены);

для скрининга (встраивания в поверхностные структуры).
Эукариотические системы для экспрессии генов.
Недостатки бактериальных систем экспрессии эукариотических генов:

нестабильный белок (неправильно уложен, негликозилирован);

неактивный (неправильно уложен, отсутствуют посттрансляционные
изменения).
Посттрансляционные изменения включают:
1.
образование дисульфидных связей (дисульфидизомераза);
2.
протеолитическое расщепление предшественника;
3.
гликозилирование
(О-гликозилирование
по
серину
или
треонину, N- по аспарагину);
4.
модификация белков в составе белка (фосфорилирование,
ацетилирование, сульфатирование и т.д.).
Эукариотические векторы должны удовлетворять следующим требованиям:

эукариотический селективный маркер

эукариотический промотор

эукариотические сайты транскрипции и трансляции

сигнал полиаденилирования мРНК

сайт инициации репликации (для неинтегрируемых плазмид)
59

хромосомный сайт интеграции
Большинство векторов являются челночными – два сайта репликации, два
генетических маркера.
60
Рейтинг-план дисциплины
Генетика и молекулярная биология ___________________
Основная образовательная программа
020101.65-Химия
Школа (реализующая ООП) Школа естественных наук
группа(ы) С8308б, семестр 5,6 2011/2012 учебного года
Исполняющая школа Школа естественных наук
Исполняющая кафедра _биоорганической химии и биотехнологии
Преподаватели _к.м.н., доцент Агеенко Н.В. __
№
1
2
3
I. Соотношение видов учебной деятельности студента, учитываемых в рейтинге по данной дисциплине
Виды учебной деятельности студентов
Весовые коэффициенты, %
Посещаемость
60
Выполнение реферативной работы
12
Контрольная работа
28
Сумма
100
II. Максимально возможные баллы за виды контролируемой учебной деятельности студента
№
Содержание вида контролируемой учебной
деятельности студента
Единица измерения
работы
1
2
3
Посещаемость
Выполнение реферативной работы
Контрольная работа
1 занятие
1 работа
1 задание
Макс. кол-во баллов
за единицу
выполнения работы
20
30
5
III. календарный план контрольных мероприятий по дисциплине с указанием максимального количества
баллов. потенциально доступных студенту
№
1
2
Дата
сентябрь
сентябрь
Название модуля
Ведение в предмет
Форма контроля
Посещение 2 занятий
Контрольная работа (3
задания)
Основные методы генетики
Посещение 2 занятий
Контрольные работы
(3 задания)
Макс. кол-во баллов
40
15
40
15
3
Сентябрьоктябрь
Закономерности наследования
признаков
при внутривидовой гибридизации
Посещение 2 занятий
Контрольная работа (3
задания)
октябрь
Изменчивость наследственного
материала
.
Генные мутации.
Посещение 2 занятий
Контрольная работа (3
задания)
40
15
4
40
15
5
октябрь
Хромосомные перестройки.
Геномные изменения.
Посещение 2 занятий
Контрольная работа (3
задания)
6
ноябрь
Гены и геномы
Посещение 2 занятий
61
40
15
40
Контрольная работа (3
задания)
7
ноябрь
Молекулярная генетика
Популяционная генетика
Посещение 2 занятий
Контрольная работа (3
задания)
8
Ноябрьдекабрь
Генетика микроорганизмов
Посещение 2 занятий
Контрольная работа (3
задания)
30
60
15
40
15
9
10
декабрь
декабрь
Генетика человека
Молекулярно-генетические
методы исследования
Посещение 1 занятия
Контрольная работа (3
задания)
20
Посещение 3 занятий
Контрольная работа (3
задания)
60
150
15
62
Рейтинг-план дисциплины
Генетика и молекулярная биология ___________________
Основная образовательная программа
020101.65-Химия
Школа (реализующая ООП) Школа естественных наук
группа(ы) С8308б, семестр 5,6 2011/2012 учебного года
Исполняющая школа Школа естественных наук
Исполняющая кафедра _биоорганической химии и биотехнологии
Преподаватели _к.м.н., доцент Исаева М.П.
№
1
2
3
I. Соотношение видов учебной деятельности студента, учитываемых в рейтинге по данной дисциплине
Виды учебной деятельности студентов
Весовые коэффициенты, %
Посещаемость
60
Выполнение реферативной работы
12
Контрольная работа
28
Сумма
100
II. Максимально возможные баллы за виды контролируемой учебной деятельности студента
№
Содержание вида контролируемой учебной
деятельности студента
Единица измерения
работы
1
2
3
Посещаемость
Выполнение реферативной работы
Контрольная работа
1 занятие
1 работа
1 задание
Макс. кол-во баллов
за единицу
выполнения работы
20
30
5
III. календарный план контрольных мероприятий по дисциплине с указанием максимального количества
баллов. потенциально доступных студенту
№
1
Дата
март
Название модуля
Введение
2
Мартапрель
Экспрессия генов
3
апрель
Структурно-функциональная
организация генома
4
май
Методы молекулярного
клонирования
Форма контроля
Посещение1 занятия
Контрольная работа (3
задания)
Посещение 5 занятий
Контрольные работы
(3 задания)
Реферативная работа
Посещение 1 занятия
Контрольная работа (3
задания)
Посещение 1 занятия
63
Макс. кол-во баллов
20
15
100
45
30
20
15
20
Маршрутная схема изучения дисциплины, раздел «Генетика»
Часть 1
Преподавате
ль
Кафедра
Институт
Дисциплина
Специальнос
ть
Курс
Модуль
Агеенко Н.В.
Биоорганической химии
и биотехнологии
ИХПЭ
20 -20 учебный год
Семестр
Генетика и молекулярная биология
химия
3
Недели учебного семестра
1
2
3
4
5
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Учебная работа
согласно УМК
Мо
дул
ь1
Ведение в предмет
(3 Те
час ма
а) 1.1
Краткая история генетики. Основные понятия генетики. Актуальные проблемы генетики.
Основные направления генети-ческих исследований. Гипотезы о природе наследственности,
теория зародышевой плазмы, хромосомная теория, строение бактериофага, хими-ческое
строение ДНК.
Лекции
Контрольная работа
Модуль 2
Тема 2.1
Основные
методы
генетики.
(3 часа)
Термин «Генетика».
Наследственность.
Изменчивость.
Структура генетики и
её значение.
Лекция
х
х
х
Генетика как наука о наследственности и изменчивости. Разделы генетики.
х
Тема 2.2
Методы
генетики,
генетический анализ,
гибридологический
анализ. Медицинская
генетика. Евгеника.
Лекция
Контрольная работа
Модуль 3
х
х
Тема 3.1
Закономерно Доминантные и
сти
рецессивные
наследования признаки.
Генетическая
64
признаков
при
внутривидовой
гибридизации. (4 часа)
символика. Первый
закон Менделя.
Второй закон
Менделя. Гомозигота,
гетерозигота. Аллели.
Виды скрещивания.
Третий закон
Менделя. Решетка
Пеннета.
Лекция
х
Тема 3.2
Анализирующее скрещивание.
Типы
домини-рования
различных
аллелей.
Полное,
частичное
доминирование.
Кодоминирование.
Генетический анализ
при взаимодействии
генов.
Комплементарное
действие
генов.
Эпистаз.
Количественные признаки.
Лекция
Контрольная работа
х
х
Мо Те
ду ма
ль 4.1
4
Из
мен
чивос
ть
нас
лед
ств
енног
о
мат
ери
ала
Ген
ны
е
мут
аци
и.
(4
час
а)
Изменчивость наследственного материала.
65
Источник разнообразия всего живого. Виды изменчивости. Нас-ледственная измен-чивость.
Мутационная теория. Мутации. Ген-ные мутации. Дезами-нирование. Типы замен нуклеотидов
(транзиции, трансверсии). Типы мутагенов. Рамка считывания. Делеции. Супрессия. Кодон.
Мутации, вызывающие сдвиг рамки считывания. Причины мутаций.
Лекция
х
Тема 4.2
Типы классификаций
мутаций.
Закон
гомологических рядов
наследственной
изменчивости Н. И.
Вавилова.
Классификация
Мёллера.
Значение
мутаций. Мутации –
Генетическая
изменчивость
–
Эволюция.
Лекция
х
х
Контрольная работа
Модуль 5
Тема 5.1
Хромосомные
перестройки.
Геномные
изменения.
(3часа)
Хромосомные
мутации.
Делеции,
дупликации,
инверсии,
транслокации.
Хромосомы
высших
эукариот.
Генные
и
хромосомные мутации в
соматических клетках
человека и животных.
Транспозиции. Изменения
в
числе
хромосом.
Полиплоидия и ее виды.
Моноплоидные
и
дипоидные
организмы.
Аллополиплоидия.
Лекция
х
Хромосомные перестройки. Геномные изменения. (3 часа)
х
Тема 5.2
Наследственные заболевания.
Молекулярная характеристика
менделирующих
заболеваний. «Гены
предрасположенности»
к
болезням.
Расшифрованные геномы микробов.
Лекция
Контрольная работа
х
х
66
Модуль 6
Тема 6.1
Гены и
геномы
(4 часа)
Структурно-функциональная организация
геномов прокариот и
эукариот. Гены прокариот
и
эукариот.
Молекулярная организация
генов.
Особенности транскрипции
генов
прокариот.
Молекулярная организация
генов эукариот. Особенности
транскрипции генов эукариот.
Регуляторные
промоторные элементы. Энхансеры, сайленсеры, инсуляторы.
Транскрипция
у
прокариот. РНК-полимеразы бактерий.
Гены эукариот классов 1. Гены эукариот
классов 2. Альтернативный
сплайсинг.
Гены эукариот классов 3.
Лекция
х
Тема 6.2
Плазмиды и мобильные
генетические
элементы
бактерий.
Механизм
репликативной транспозиции.
Консервативный
механизм перемещения
транспозонов.
Ретропозоны. Ретротранспозоны.
Лекция
Контрольная работа
Модуль 7
х
х
Тема 7.1
Молекулярная генетика
(2 часа)
Правило
Чаргофа.
Свойства
генетического кода. Вырожденность.
Гипотеза
Популяцион- неоднозначного
ная генетика соответствия.
Центральная
догма
(2 часа)
молекулярной биологии. Транспозируемые
элементы.
Лекция
х
67
Тема 7.2
Типы
популяций.
Генофонд. Гипотезы о
генетической структуре популяций. Метод гель-электрофореза ферментов. Закон
Харди-Вайлберга.
Самооплодотворение.
Дрейф генов. Происхождение домашних
животных.
Лекция
Контрольная работа
Модуль 8
Тема 8.1
Генетика
микроорганизмов
(3 часа)
Организация rенетическоrо аппарата и
жизненные
циклы
микроорганизмов.
Прокариоты,
особенности строения
клетки
и
генетического
аппарата.
Организация
хромосом бактерий.
Репликация
бактериальных хромосом.
Мутации.
Популяционная изменчивость
бактерий.
Трансформация. Генетическое
картирование при трансформации. Трансфекция.
Лизогения и трансдукция.
Конъюгация.
Бактериофаги.
Внехромосомные
генетические системы.
Генетические карты.
Лекция
х
х
х
Тема 8.2
Бактериальные
плазмиды. Механизмы
и генетические эффекты транспозиции.
Строение вириона и
генома бактериофага
Мu.
Генетические
аспекты
селекции
микроорганизмов.
Основные направления
и
методы
селекции
микроорганизмов,
генная
68
инженерия.
Лекция
х
х
Контрольная работа
Модуль 9
Тема 9.1
Генетика
человека
(2 часа)
Генная
инженерия.
Клонирование. Генеалогический
метод.
Близнецовый метод.
Цитогенетический,
онтогенетический,
популяционный
методы исследований.
Геном человека. Лечение генами. Хромосомные болезни.
х
Лекция
Контрольная работа
Модуль 10
х
х
Тема 10.1
Молекулярно Ферменты. Рестрик-генетичестазы: I, II и III типов.
кие методы
Построение
исследования рестрикционных карт.
(6 часов)
ДНК-метилазы. ДНКлигазы. ДНК-зависимая ДНК-полимераза I
Е.со1i. Термостабильные ДНК-зависимые
ДНК-полимеразы.
РНК-зависимые ДНКполимеразы.
Лекция
х
Тема 10.2
Выделение
новых
генов и их экспрессия.
Метод полимеразной
цепной
реакции
(ПЦР). Разновидности
ПЦР: Генетические и
физические
карты
генома. Вектор и его
емкость.
Функциональная
классификация векторов. Принципы адресной доставки трансгенов. Секвенирование.
Лекция
х
Тема 10.3
Клонирование ДНК.
Клонирование фрагментов ДНК. Библиотеки и клонотеки
69
кДНК,
генов
и
нуклеотидных последовательностей.
Методы
скрининга
биб-лиотек и клонотек
ДНК. Гибридизация с
зондами.
Использование ПЦР,
антител и функциональные тесты.
Способы
введения
ДНК
в
клетки.
Компьютерные технологии в генетическом
анализе.
Компьютерное моделирование.
Методы
статистической обработки
результатов
исследования.
Лекция
Контрольная работа
х
х
Маршрутная схема дисциплину, раздел «Молекулярная биология»
Часть 1
Преподаватель Исаева М.П.
Кафедра
Биоорганической
Институт
Дисциплина
2011-2012 учебный год
химии и
биотехнологии
ИХПЭ
Семестр 6
Генетика и молекулярная биология
Специальности ·химия
Курс
Модуль
Недели учебного семестра
5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Учебная работа
согласно УМК
Мо Те
ду ма
ль 1.1
1
Вед
ени
ев
пре
дме
т
Предмет молекулярной биологии. Основные этапы развития. Молекулы генетического аппарата.
Структура нуклеиновых кислот. Компоненты молекул и соединяющие их химические связи.
Альтернативные формы двойной спирали ДНК. Виды РНК.
·Лекции

70
·Контрольная работа
Модуль 2
Тема 2.1
Экспрессия
генов
Экспрессия
генов.
Генетический
код.
Понятие об опероне.
Структура
бактериальных
промоторов.
ДНКзависимые
РНК
полимеразы.
·Лекция


Тема 2.2
Транскрипция
бактерий.
транскрипции.
Регуляция
транскрипции
прокариот.
·Лекция
у
Этапы

Тема 2.3
Особенности
транскрипции у
эукариот. Три класса
промоторов.
Лекция


Контрольная работа
Тема 2.4
Процессинг мРНК у
прои
эукариот.
Альтернативный
сплайсинг.
Лекция


Контрольная работа
Тема 2.5
Трансляция. Основные
этапы.
Структура
рибосом. Синтез белка
на рибосоме. Структура
тРНК.
Лекция


Контрольная работа

Реферативная работа
Модуль 3
Тема 3.1
СтруктурноСтруктурнофункциональна функциональная
я организация организация генома.
генома
Уровни компактизации
ДНК. Гистоны. Гетерои эухроматин.
Классификация генов.
Особенности
71
организации
Лекция


Контрольная работа
Мо Те
ду ма
ль 4.1
4
Ме
тод
ы
мол
еку
ляр
ног
о
кло
нир
ова
ния
Принципы молекулярного клонирования, репликационные системы, понятие вектора, вставки,
рекомбинантной ДНК.

Лекция

Экзамен
Часть II
Для успешного освоения дисциплины, получения высокой рейтинговой оценки студенту
необходимо:
1. Прослушать лекции – вес в рейтинговой оценке 60%
2. Выполнить реферативную работу – вес в рейтинговой оценке 12%
3. Успешно написать контрольные работы - вес в рейтинговой оценке 28%
РАЗРАБОТАНО:
Ведущий преподаватель
Исаева М.П.
Агеенко Н.В.
72