МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГАОУ ВО "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет"

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
ФГАОУ ВО "Новосибирский национальный
исследовательский государственный университет"
Факультет естественных наук
УТВЕРЖДАЮ
Декан ФЕН НГУ, профессор
_______________Резников В.А.
«29» августа 2014 г.
Рабочая программа дисциплины
Статистическая геномика
Направление подготовки
Биология 020400
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
Очная
Новосибирск 2014
Аннотация рабочей программы
Дисциплина «Статистическая геномика» является частью ООП по
направлению подготовки «020400 Биология», Магистратура. Дисциплина реализуется
на факультете естественных наук Национального исследовательского университета
Новосибирский государственный университет кафедрой цитологии и генетики ФЕН
НГУ для магистрантов 1 курса.
Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с явлениями
наследственности и изменчивости у человека на всех уровнях его организации и
существования: молекулярном, клеточном, организменном и популяционном.
Дисциплина нацелена на формирование общекультурных компетенций ОК-1,
ОК-2, ОК-3, ОК-6, профессиональных компетенций ПК-1, ПК-2, ПК-3, ПК-6, ПК-13
выпускника.
Преподавание дисциплины предусматривает следующие формы организации
учебного процесса: 20 ч. - лекции, 10 ч. – лабораторные работы, 6 ч. – контроль, 36 ч. самостоятельная работа студента, в том числе интерактивных консультаций - 15 ч..
Промежуточный контроль в виде упражнений и вопросов, рубежный контроль в форме экзамена.
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетную единицу, 108
академических часов.
1. Цели освоения дисциплины
Дисциплина «Cтатистическая геномика» предназначена для студентов-биологов 1го курса магистратуры. Курс включает лекции и практические занятия в
компьютерном классе.
Основной целью освоения дисциплины является ознакомление студентов с
современными компьютерными и теоретическими методами статистической
геномики и генетического картирования сложных признаков в аутбредных
популяциях. Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса:

Определить специфику генетического анализа в аутбредных популяциях;

Дать обзор современных методов генетического картирования, обратив особое
внимание на их ограничения и особенности интерпретации результатов;

Охарактеризовать основные направления исследований в области
статистической геномики;

Проиллюстрировать различные методические подходы на примере анализа
моделированных и реальных данных.
2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры.
Дисциплина «Cтатистическая геномика» опирается на следующие дисциплины
бакалавриата:

«Генетика» (весь круг вопросов, связанных с явлением наследственности и
изменчивости)

«Цитология» (механизмы митоза и мейоза, структуры и функции хромосом,
структурной организации клеточных процессов);

«Молекулярная биология» (молекулярные механизмы реализации
генетической информации, репликации, репарации);

«Эволюционное учение» (механизмы возникновения полиморфизма и
факторы, формирующие изменчивость в популяциях);

«Биометрия», «Теория вероятности и математическая статистика»
(случайные величины, моменты распределений, тестирование гипотез, ошибки
первого и второго рода)
Результаты освоения дисциплины «Cтатистическая геномика» используются при
выполнении магистерской квалификационной работы и в дисциплине
 «Статистические методы генетического анализа признаков человека».
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
«Cтатистическая геномика»:
Общекультурные компетенции:
способность к творчеству (креативность) и системному мышлению (ОК-1);
способность к инновационной деятельности (ОК-2);
способность к адаптации и повышению своего научного и культурного уровня
(ОК-3);
способность самостоятельно приобретать с помощью информационных
технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том
числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности
(ОК-6).
Профессиональные компетенции:
понимание современных проблемы биологии и использование фундаментальных
биологических представлений в сфере профессиональной деятельности для постановки
и решения новых задач (ПК-1);
знание и использование основных теорий, концепции и принципов в избранной
области деятельности, способность к системному мышлению (ПК-2);
самостоятельно
анализирует
имеющуюся
информацию,
выявляет
фундаментальные проблемы, ставит задачу и выполняет полевые, лабораторные
биологические исследования при решении конкретных задач по специализации с
использованием современной аппаратуры и вычислительных средств, демонстрирует
ответственность за качество работ и научную достоверность результатов (ПК-3);
творчески применяет современные компьютерные технологии при сборе,
хранении, обработке, анализе и передаче биологической информации (ПК-6);
самостоятельно использует современные компьютерные технологии для решения
научно-исследовательских
и
производственно-технологических
задач
профессиональной деятельности, для сбора и анализа биологической информации (ПК13).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

- иметь представление о современных методах генетического картирования в
аутбредных популяциях;

- знать основные принципы анализа и теоретические основы базовых методов
статистической геномики,

- проводить анализ ассоциации данных SNP-генотипирования с помощью
бесплатных программных ресурсов.
4. Структура и содержание дисциплины
Структура дисциплины: 20 ч. лекции, 10 ч. практические, 36 ч. самостоятельная работа
студента. Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.
Данный курс направлен на ознакомление студентов с современным состоянием
проблем статистической геномики, а так же методами анализа, доступными через
бесплатные программные ресурсы. В курсе представлены новейшие методы
теоретического и компьютерного анализа генетических ассоциаций. В ходе обучения
студенты получают навык практической работы с полногеномными данными по SNPгенотипированию, осваивают работу с различными пакетами программ. В результате
лекционных занятий и практической работы в компьютерных классах студенты
получают представление о предмете статистической геномики, что является важным
для более глубокого понимания методов изучения живых систем. Актуальность этого
курса определяется тем, что на современном этапе невозможно получить полное
понимание принципов функционирования организма, не имея информации о
генетической детерминированности различных признаков. В ответ на современные
требования биологии возникла новая область знания – статистическая геномика.
Поэтому подготовка высококвалифицированного специалиста-биолога требует
изучения методов и принципов современного генетического анализа. Актуальность
преподавания такой дисциплины признана в передовых зарубежных вузах. В России
такой курс, насколько нам известно, представлен впервые. Преподавание курса
статистической геномики на кафедрах генетики и информационной биологии ФЕН
НГУ позволит готовить высококлассных специалистов мирового уровня.
№ п/п
Раздел дисциплины
С
е
м
е
с
т
р
Не
де
ля
се
ме
ст
ра
Виды учебной работы,
включая самостоятельную
работу студентов и
Формы текущего
трудоемкость
контроля
(в часах)
успеваемости
(по неделям
Л
Са
Ко
семестра)
Л
аб
Форма
мо
нт
ек ор
За промежуточной
ст.
р.
ц
.
че
аттестации
ра
ра
и
ра
т
(по семестрам)
бо
бот
я
бо
та
та
а
1.
Лекция. Анализ ассоциаций
7
количественных признаков. Регрессия,
корреляция, значимость. Основные
дизайны генетико-эпидемических
исследований. Анализ ассоциации
бинарных признаков. Относительный
риск, отношение шансов, тестирование.
Лабораторная работа. Методы
статического анализа ассоциаций.
Пакет программ R.
1
4
2
7
1
Упражнения
и вопросы
2.
Лекция. Логистическая регрессия.
Закон Харди-Вайнберга. Неравновесие
по сцеплению. Введение в R и анализ
генетических ассоциаций.
Лабораторная работа. Методы
контроля качества генетических
данных. Пакет программ GenABEL.
7
1
4
2
7
1
Упражнения
и вопросы
3.
Лекция. Множественное тестирование 7
и ошибка первого рода. Метод
полногеномного анализа ассоциаций.
Знакомство с пакетом GenABEL,
контроль качества, полногеномный
анализ ассоциаций.
Лабораторная работа. Методы
полногеномного анализа. Пакеты
программ GenABEL, ProbABEL,
MixABEL.
Лекция. Мощность. Геномное
7
покрытие. Популяционная
стратификация. Полногеномный анализ
ассоциаций при сложной
популяционной структуре.
Лабораторная работа. Методы
полногеномного мета-анализа. Пакеты
программ MetABEL.
Лекция. Мета-анализ. Анализ
7
сцепления. Обзор доступных баз
данных (Hapmap, 1000g, dbGAP).
Лабораторная работа. Базы и банки
данных Hapmap, 1000g, dbGAP и
1
4
2
7
1
Упражнения
и вопросы
1
4
2
7
2
Упражнения
и вопросы
1
4
2
6
1
Упражнения
и вопросы
4.
5.
системы доступа к ним.
7
1
20 10 36
6
Экзамен
5. Образовательные технологии
Используется система лекций и лабораторных работ. Много времени отводится
самостоятельной (36 ч) и интерактивной работе в форме консультаций (15 ч). Для
текущего контроля успеваемости студенты выполняют упражнения и отвечают на
вопросы. По итогам курса проводится экзамен.

Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины
6.1. Контрольные вопросы для текущего тестирования:
 Как проводится анализ ассоциаций количественных признаков
 Что такое регрессия
 Что такое корреляция
 Какие существуют основные дизайны генетико-эпидемических исследований
 Как проводится анализ ассоциации бинарных признаков
 Что такое относительный риск
 Что такое отношение шансов
 Что такое и как проводится логистическая регрессия
 Определение закон Харди-Вайнберга
 Рассказать про неравновесие по сцеплению
 Множественное тестирование и ошибка первого рода
 Метод полногеномного анализа ассоциаций (ПГАА)
 Мощность ПГАА
 Геномное покрытие
 Роль популяционной стратификации в ПГАА
 Расскажите про мета-анализ
6.2. Образцы вопросов для экзамена.
Автоматически (с использованием метода Монте-Карло) сгенерированые билеты по
приблизительному шаблону
***** Problem 1 *****
In a sample, the following distribution of genotypes was obtained:
AA AB BB
gt 241 137 22
Questions:
* What is the frequency of 'B' allele?
* What is the distribution expected under HWE?
* Compute the chi-square test for HWE
* Is deviation from HWE significant?
***** Problem 2 *****
Design: random sample from population
Data:
Control
Case
Factor Absent Factor Present
242
57
68
33
Questions:
* Characterize the strength of association between the disease and the
risk factor
* Compute the value of score test for association in this data
* Is association significant? (use p-value < 0.05 as significance
threshold)
***** Problem 3 *****
Data:
Trait Genotype
1
5.8
0
2
4.8
0
3
4.7
1
4
5.4
0
5
5.2
1
6
5.1
1
7
5.3
0
8
5.0
0
9
5.9
0
10
4.8
0
11
5.6
1
Questions:
* What is the variance of the trait?
* What is the variance of the genotype?
* What is covariance between the trait and the genotype?
* What is the coefficient of regression of the trait onto genotype?
* What is correlation between the trait and the genotype?
* Compute the score test for association between the trait and the
genotype
* Is association siginificant (use p-value < 0.05 to claim significance)?
***** Problem 4 *****
Data:
beta
se
Study 1 0.31 0.42
Study 2 -0.24 0.36
Study 3 0.28 0.27
Questions:
* Is association significant in any individual study? Which ones?
* Perform meta-analysis. What is the value of meta-analysis beta?
* What is the value of meta-analysis se?
* What is the value of meta-analysis test statistic?
* Is association significant in meta-analysis (p<0.05)?
Ответа на письменную часть достаточно для получения удовлетворительной оценки.
Для повышения оценки даются дополнительные вопросы из списка, приведенного выше.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
 Бородин, П.М. (2011) «Кошки и гены».
 Лакин, Г.Ф. (1990) «Биометрия»
 Аксенович Т.И., Белоногова Н.М. (2008) «Картирование генов с помощью
неравновесия по сцеплению или аллельных ассоциаций»
 Aulchenko, Y & GenABEL project, The. (2013) The GenABEL tutorial.
 The GenABEL project video tutorials @ http://www.genabel.org/tutorials/video
 Материально-техническое обеспечение дисциплины
1.
Ноутбук, медиа-проектор, экран.
2.
Терминальный класс с компьютерами на каждого студента.
3.
Программное обеспечение для демонстрации слайд-презентаций и выполнения
заданий в терминальном классе.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению подготовки 020400 Биология
(квалификация «Магистр»)
Автор(ы):
Аульченко Юрий Сергеевич,
доктор биологических наук
Программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры цитологии и генетики
ФЕН НГУ
от « 29_» августа 2014 года, протокол № _4___
Секретарь кафедры к.б.н. ______________________ А.Д. Брошков