МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет биологических наук
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ
«МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИАГНОСТИКА И ГЕНОТЕРАПИЯ»
Направление подготовки
Профиль подготовки
Квалификация (степень) выпускника
Форма обучения
020400 «Биология»
Биология
Магистр
Очная
Разработчики:
Вечканов Евгений Михайлович, доцент кафедры биохимии и микробиологии факультета
биологических наук, кандидат биологических наук
Сорокина Ирина Алексеевна, доцент кафедры биохимии и микробиологии факультета
биологических наук, кандидат биологических наук
г. Ростов-на-Дону – 2012 г.
1
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет биологических наук
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИАГНОСТИКА И ГЕНОТЕРАПИЯ
»
Направление подготовки
020400 Биология
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Кафедра биохимии и микробиологии
Курс 2
Семестр 4
Форма обучения очная
Программа разработана Вечканов Евгений Михайлович
доцент кафедры биохимии и
факультета биологических наук
кандидат биологических наук
микробиологии
Сорокина Ирина Алексеевна
доцент кафедры биохимии и
факультета биологических наук
кандидат биологических наук
микробиологии
Рецензент
Шкурат Т.П. зав. кафедры генетики ЮФУ, доктор биологических наук, профессор
г. Ростов-на-Дону – 2012 г.
2
Рекомендована к утверждению
решением
учебнометодической комиссии
факультета биологических наук
протокол заседания № 9 от
«18» сентября 2012 г.
Рассмотрена и рекомендована к
утверждению на заседании кафедры
биохимии и микробиологии
протокол заседания № 13 от
«17» сентября 2012 г.
3
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины Молекулярная диагностика и генотерапия являются:
Формирование системных знаний о молекулярных
основах генодиагностики и
протеомного анализа, используемых в различных областях современной биомедицины.
Формирование фундаментального подхода к практическому применению достижений
молекулярно - генетического анализа в молекулярной медицине.
Формирование на молекулярно – клеточном уровне правильной оценки генетической
причины развития патологического процесса и планирования персонализированного
мониторинга лечения, включая использование технологий генной и клеточной терапии.
2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры
Молекулярная диагностика и генотерапия представляет собой дисциплину,
входящую в учебном плане в вариативную часть блока Б3 – общепрофессиональных
дисциплин магистерской программы «Основы фундаментальной биомедицины». Студенты
обучаются по этой дисциплине в семестре 4.
Изучение материалов курса основано на знаниях, полученных в системе наук,
составляющих
современную
физико
–
химическую
биологию
(органическая
и
биоорганическая химии, физическая и коллоидная химии, биохимия, молекулярная
биология, биофизика), а также клеточной биологии, вирусологии и генетики, различных
разделов ботаники, зоологии и биологии человека, основ биотехнологии и специальных
курсов «Биохимия макромолекул с основами биокатализа», «Геномика», «Избранные главы
биохимии человека», «Биохимия внутри- и межклеточных коммуникаций», «Основы
патологических процессов», «Генетической инженерии».
Требования к входным знаниям:
1. Важнейшие классы основных органических веществ (белков, жиров, углеводов и
нуклеиновых кислот), их строение и основы функционирования;
2. Общие представления о динамической биохимии, понятие метаболизма и его
составляющих;
3. Основные принципы биоэнергетики и биокатализа различных форм живой
материи;
4. Организация клеточных и неклеточных форм жизни;
5. Молекулярных механизмов реакций матричного синтеза;
6. Основы технологии рекомбинантных ДНК и индуцированного мутагенеза.
7. Молекулярные основы иммунологии и иммунопатологии.
4
Молекулярная диагностика и генотерапия являются фундаментом для изучения
специальных
дисциплин
магистерских
программ
«Молекулярная
биотехнология»
«Молекулярная и клеточная биотехнология» «Основы фундаментальной биомедицины».
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины (модуля)
Дисциплина
«Молекулярная диагностика и генотерапия», наряду с другими
предметами, указанными в «Матрице соответствия компетенций, составных частей ООП и
оценочных средств», участвует в формировании у студента следующих компетенций (см.
таблица формируемых компетенций):
Таблица формируемых компетенций
Общекультурные компетенции
(общенаучные,
инструментальные, социальноличностные)
Профессиональные компетенции
(общепрофессиональные,
пофессиональноспециализированные)
ОК-1
ПК-2
ОК-2
ПК-3
ОК-3
ПК-4
ОК-6
ПК-6
ПК-9
ПК-10
ПК-11
ПК-12
ПК-13
ПК-15
ПК-16
В результате освоения дисциплины студент должен:
Знать:
1. Основные направления изучения нуклеиновых кислот и белков;
2. Методологию ДНК-диагностики;
3. Основы протеомного анализа;
4. Молекулярные механизмы и методологию направленного мутагенеза;
5. Молекулярные и клеточные основы генетической рекомбинации;
6. Методологические основы молекулярно медицины;
5
7. Достижения генной и клеточной терапии и перспективы их развития.
Уметь:
Характеризовать
1.
молекулярные
основы
наследственности,
технологии
рекомбинантных ДНК, анатомию, экспрессию и регуляцию активности генов;
2. Прогнозировать результат влияния направленных индуцированных воздействий
на молекулярно – генетическую организацию генов и функционирование продуктов их
экспрессии;
3. Определять степень прогностической значимости нарушений структуры генов
или регуляции синтеза белка в возникновении и развитии заболеваний различной
этиологии.
Владеть:
1. Правилами планирования эксперимента в области молекулярной диагностики,
генной и клеточной терапии;
2. Экспериментальными основами молекулярной и клеточной биологии;
3. Принципами (или технологиями) прогнозирования
и анализа ожидаемого
результата в ходе молекулярно – генетического эксперимента.
4. Структура и содержание дисциплины (модуля)
Общая трудоемкость модуля дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 часов,
18 лекционных часов, 36 часа практических занятий, СРС 54 часов, форма отчетности –
зачет.
Структура дисциплины
№
модуля
1
Наименование
модуля
2
Содержание модуля
•
3
Тема 1. Количественные и качественные
методы исследования белков-маркеров.
1
2
Белки-маркеры в
современной
клинической
диагностике
Молекулярногенетические
методы в
диагностике
наследственных
Тема 2. Клиническое применение методов
исследования белков-маркеров: белкимаркеры в кардиологии, белки-маркеры в
акушерстве и гинекологии, белки-маркеры
дегенеративных заболеваний НС.
Тема 3. Клиническое применение методов
исследования белков-маркеров:
диагностическое значение апоптических
белков, белки-маркеры в онкологии.
Тема 4. Основные современные
молекулярно-генетические методы
диагностики.
Тема 5. Клиническое применение
молекулярно-генетических методов
Форма текущего
контроля
•
4
УО-1 –
собеседование
•
ПР-4реферат с докладомУО-1 –
собеседование
ПР-4- реферат с
докладомУО-1 –
собеседование
ПР-4- реферат с
докладомУО-1 –
собеседование
ПР-4- реферат с
докладомУО-1 –
собеседование
6
и
онкологических
заболеваний
диагностики: молекулярно-генетический
анализ предрасположенности к некоторым
мультифакториальным заболеваниям,
молекулярно-генетическая диагностика в
онкологии.
Тема 6. Клиническое применение
молекулярно-генетических методов
диагностики: диагностика некоторых
наследственных и врожденных
заболеваний.
ПР-4- реферат с
докладом-
УО-1 –
собеседование
ПР-4- реферат с
докладомУО-1 –
собеседование
ПР-4- реферат с
докладомУО-1 –
собеседование
ПР-4- реферат с
докладомУО-1 –
собеседование
ПР-4- реферат с
докладом-
Тема 7. Генотерапия: объекты, технологии
и технологические подходы, достижения,
проблемы и перспективы развития
3
Тема 8. Генотерапия в лечении
инфекционных заболеваний. Генетические
манипуляции в трансплантологии.
Генотерапия
Тема 9. Генные технологии в
иммунотерапии. Генная терапия
наследственных и приобретенных
генетических нарушений у человека.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Модуль 1. Белки-маркеры в современной клинической диагностике
Количественные
и
качественные
методы
исследования
белков-маркеров.
Клиническое применение методов исследования белков-маркеров: белки-маркеры в
кардиологии, белки-маркеры в акушерстве и гинекологии, белки-маркеры дегенеративных
заболеваний НС.
Клиническое применение методов исследования белков-маркеров: диагностическое
значение апоптических белков, белки-маркеры в онкологии.
Модуль 2. Молекулярно-генетические методы в диагностике наследственных и
онкологических заболеваний
Основные
современные
молекулярно-генетические
методы
диагностики.
Клиническое применение молекулярно-генетических методов диагностики: молекулярногенетический
анализ
предрасположенности
заболеваниям,
молекулярно-генетическая
к
некоторым
диагностика
в
мультифакториальным
онкологии.
Клиническое
применение молекулярно-генетических методов диагностики: диагностика некоторых
наследственных и врожденных заболеваний.
Модуль 3. Генотерапия
Введение в генную терапию. Определение генотерапии как области молекулярной
биомедицины. Основные цели и задачи генотерапии человека.
Историческая справка развития технологий рекомбинантных ДНК человека и
становления генной медицины. Начальный период развития генотерапии. Эксперименты
7
Cline (1980). Появление комплементационной генотерапии.
Объекты генотерапии. Генетические дефекты моногенных (муковисцидоз,
фенилкетонурия, мышечная дистрофия Дюмшена, Хорея Гентингтона, гемофилия А и В),
полигенных (атеросклероз, онкопатологии, артриты) патологий и заболевания вирусной
природы (ВИЧ, герпес, онковирусы, вирус папилломы и др.). Современный этап в развитии
генной медицины. Разработка новых средств «доставки» генетического материала.
Принципы технологии генотерапии. Методы и методические подходы
генотерапии, характеристика основных групп.
Классификации генотерапевтических подходов и виды генной терапии.
Соматическая и фетальная генотерапия. Способы введения генетических конструкций.
Системная и локальная генотерапия. Способы достижения лечебного эффекта генными
терапевтическими средствами: корректировка (замена) и подавление
«больного» или
сверхактивного гена. Общие этапы проведения генной коррекции: замена дефектного
гена или подавление экспрессионной сверхактивности. Схема генно - терапевтического
лечения наследственного дефицита трансаминазы (ТКИД). Технологические аспекты
генной терапии.
Основные понятия технологии рекомбинантных ДНК.
История и предпосылки возникновения генетической инженерии. Работы П.Берга
(1974). Теоретические основы генетической инженерии.
Ферменты генетической инженерии. Ферменты рестрикции и синтеза ДНК.
Основные типы рестрикции. Рестриктазы: классификация, номенклатура, характеристика
продуктов рестрикции. Понятие «липких» концов фрагментов ДНК.
Объединение фрагментов ДНК: основные проблемы и способы их решения.
Линкерная, адапторная и коннекторная технологии объединения фрагментов ДНК.
Общая характеристика векторных систем. Основные свойства векторных
систем. Классификация векторных систем. Векторы молекулярного клонирования на
основе плазмид, фагов, вирусов.
Гибридные векторные системы. Свойства фагмид, космид и фазмид. Недостатки
и преимущества использования.
Способы
получения
генов.
Специфика
использования
химико
–
ферментативного способа. Метод обратной транскрипции (метод получения кДНК):
этапы, ферменты, преимущества. Метод «дробовика» и его фундаментальное значение.
Понятие «библиотеки» («банка») генов. Создание геномной библиотеки. Типы
банков генов (фаговые, бактериальные). Shot-gan – эксперимент.
Скрининг банка генов.
Методы скрининга геномных библиотек. Понятие с
8
гибридизации и молекулярных зондов. Значение репортерных групп в структуре зонда.
Зонды – инструмент для изучения структуры генома, диагностики и скрининга библиотек.
Типы молекулярных зондов. Виды молекулярной гибридизации. Сущность и практическое
значение радиоизотопной in situ, прямой флуоресцентной (DFISH ) и непрямой (FISH)
гибридизации, дот- и блот-гибридизация. Типы блотингов. Порядок процедуры. Саузернблотинг.
Этапы проведения генной коррекции. 1. Выбор клеток – мишеней больного; 2.
Получение рекомбинантной ДНК (в роли фармацевтического препарата выступает
клонированный или искусственно синтезированный ген); 3. Перенос генетической
конструкции в клетки-реципиента; 4. Доставка рекомбинантных клеток в организм –
реципиент.
Способы «доставки» генов в клетки: 1. физические методы (ДНК – «пушка»,
электропорация); 2. химические (методологии создания искусственных хромосом и/или
липосом, копреципитация с фосфатом кальция); 3. биологические. Вирусные векторные
системы генной терапии. Характеристика ретровирусов, аденовирусов, герпесвирусов и
летинивирусных систем как векторных систем: достоинства, недостатки и преимущества
их использования. Преимущества электропорации в переносе генов.
Генотерапия в лечении инфекционных заболеваний.
специфических
свойствах
нуклеиновых
кислот.
Методы, основанные на
Антисмысловые
нуклеотидные
последовательности как инструмент регуляции экспрессии генов. Понятие антисенс –
терапии. Схема терапевтического действия антисенсов. Способы доставки антисенсов в
клетку – мишень. Использование аутотран-сплантантов. Метод «прямой» инъекции в
органы и ткани. Липосомальные технологии. Характеристика «вирусных» средств
доставки антисенсов.
Примеры использование антисенсов для лечения вирусных заболеваний.
Рибозимы:
характеристика,
механизм
действия,
опыт
применения
в
лечениивирусных заболеваний, перспективы.
Методы,
основанные
Трансдоминантные
негативные
на
избирательной
белки.
Свойства
продукции
и
целевого
перспективы
белка.
использования
противовирусных клеточных белков.
Генные технологии в иммунотерапии. ДНК - вакцины. Основные требования,
предъявляемые к вакцинам. Преимущества ДНК-вакцинирования. Применение ДНКвакцинирования в медицинской практике.
Генная терапия с использованием суицидных генов. Понятие GPAT – терапии.
«Суицидные» векторы и возможность их применения.
9
Генная терапия опухолевых заболеваний. Различные методические подходы в
достижении терапевтического эффекта. Успехи молекулярной медицины в диангостике и
лечении онкопатологий.
Генетические манипуляции в трансплантологии.
Перспективные гены –
объекты исследования в трансплантологии. Степень полиморфизма и консерватизм
генного локуса основного комплекса гистосовместимости. Перспективы избирательного
контроля в трансплантологии. Иммунносупрессивные цитокины. Блокада экспрессии
генов, участвующих в отторжении трансплантанта. Перспективы пересадки органов
животных человеку. Ксенотрансплантация и генетическая инженерия.
Генная терапия наследственных и приобретенных генетических нарушений у
человека.
Мутационная
и
вариационные
изменчивости.
Роль
эпигенетической
изменчивости. Биоэтика и клонирование людей.
Основные проблемы генотерапии человека. Трудности «доставки» генов. Проблемы
клеточной биологии.
5. Образовательные технологии
В ходе освоения дисциплины Молекулярная диагностика и генотерапия учащимся
используются следующие виды образовательных технологий:
1. Лекция-визуализация. В ходе лекции студент преобразовывает устную и
письменную информацию в визуальную форму, выделяя при этом наиболее значимые и
существенные элементы. На лекции используются схемы, рисунки, чертежи, слайдыпрезентации, к подготовке которых привлекаются обучающиеся. Проведение лекции
проводится в виде связного развернутого комментирования подготовленных наглядных
пособий.
2. Проблемная лекция. В ходе проблемной лекции знания вводятся как
«неизвестное», которое необходимо «открыть». Проблемная лекция начинается с вопросов,
с постановки проблемы, которую в ходе изложения материала необходимо решить. При
этом выдвигаемая проблема не имеет однотипного решения, готовой схемы нет. Данный
тип лекции строится таким образом, что деятельность студента по ее усвоению
приближается к поисковой, исследовательской. В ходе лекции происходит диалог
преподавателя и студентов.
3. Лекция с разбором конкретной ситуации. В ходе лекции конкретная ситуация
излагается устно или в виде краткого диафильма, видеозаписи и т. п. Студенты совместно
анализируют и обсуждают представленный материал.
6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
10
аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов
Общие положения
В ходе освоения модуля Белковая инженерия учащимся используются Написание
реферата по предложенной теме с докладом-презентацией (ПР-4)
Список рефератов:
1. Патогенетические эффекты генных мутаций.
2. Косвенная ДНК – диагностика и анализ генеалогического сцепления.
3. Определение генетического риска.
4. Этические и организационные аспекты медико-генетического консультирования.
5. Белковые наночипы: технологии конструирования, принцип действия и перспективы
применения.
1. Экспрессия и получение нейротоксина.
2. Изменение специфичности белка на примере нейротоксина.
3. Получение искусственных белков с заданной биологической активностью.
4. Получение мутантных вариантов цитохрома С, не обладающих апоптозной
активностью.
5. Сформулируйте проблемы, которые возникают при генной терапии человека. Какие
подходы используют для их преодаления?
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля
а) основная литература:
1. Введение в молекулярную диагностику. В 2 томах. Т.1 / Под ред. Академика РАН и
РАМН М.А. Пальцева.- М.: ОАО «Издательство «Медицина»», 2010.-368 с.: ил.
2. Введение в молекулярную диагностику. В 2 томах. Т.2 / Под ред. Академика РАН и
РАМН М.А. Пальцева.- М.: ОАО «Издательство «Медицина»», 2011.-504 с.: ил.
3. Введение в молекулярную медицину. / Под редакцией М.А.Пальцева. –
М.:Медицина. – 2004. – стр. 35-190, 237-337.
4. Иллариошкин С.Н. ДНК-диагностика и медико-генетическое консультирование.М.:МИА.- 2004.- стр. 33-113.
5. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение.М.: Мир, 2002. – гл. 8. – стр. 158 – 176.
11
6. Патрушев Л.И. Искусственные генетические системы. - М.: «Наука». 2004. – т.1
Генная и белковая инженерия. – стр. 102 -476.
7. Рыбчин В.Н. Основы генетической инженерии. - СПб.: ГМУ. 2002. – гл. 15. – стр.
440 – 463.
5. Саврилина И., Каркищенко В., Горшкова Ю. Междисциплинарные исследования в
медицине. М.: Техносфера, -2007.- стр.15-145, 230-246.
б) дополнительная литература
1. Нолтинг Б. Новейшие методы исследования биосистем. . М.: Техносфера, -2005. –
стр. 53-63, 163-178, 185-193.
2. Леск А. Введение в биоинформатику. М.: БИНОМ. – 2009 – стр. 56-73, 247-293.
3. Геномика – медицине. /Под ред. Академика РАМН В.И.Иванова и академика РАН
Л.Л.Кисилева. – М.: ИКЦ «Академкнига», - 2005 – 392 с.
4. Примроуз С., Тваймен Р. Геномика. Роль в медицине. М.: БИНОМ. – 2008. – стр.3883, 146-223.
5. Ocтepман Л. Хроматография белков и нуклеиновых кислот. - М.:
Наука,
1985. – 385 с.
6. Остерман Л. Методы исследования белков и нуклеиновых кислот: электрофорез и
ультрацентрифугирование. - М.: Наука, 1983. – 340 с.
7. Пул Ч.П., Оуэнс Ф.Дж. Нанатехнологии. - М.: Техносфера. 2004. – 250
8. Гончаренко. Основы генетической инженерии. – Минск: «Высш. школа». 2005. – 182
с.
9. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетики: учебное пособие. – Новосибирск.
2002. – стр. 156 – 213.
10. Медуницын Н.В. Вакцинология – М.: Наука 2004. – 453 с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
1. Иллюстративные материалы – схемы, таблицы по основным разделам программы.
2. Презентационные материалы по курсу: Молекулярная диагностика и генотерапия.
3. WEB – ресурсы: филогенетические деревья – пакет программ PHYLIP
WEB – ресурсы структуры белков и нуклеиновых кислот – SCOP, CATH, DALI.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля)
При проведении дисциплины «Молекулярная диагностика и генотерапия» учащиеся
обеспечены всей необходимой материально-технической базой:
1. Лекционной аудиторией с мультимедийным презентационным оборудованием для
демонстрации презентаций и иллюстративного материала.
2. Аудиторией для семинарских занятий с мультимедийным презентационным
12
оборудованием для демонстрации презентаций и иллюстративного материала
Цветные плакаты и схемы. Мультимедийная техника (компьютер - проектор).
13
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки БИОЛОГИЯ:
БИОЛОГИЯ.
Автор: к.б.н., доцент Вечканов Е.М.
к.б.н., доцент Сорокина И.А.
Рецензент: д.б.н., проф. Шкурат Т.П.
Программа утверждена на заседании Учёного совета биолого-почвенного факультета
от 17 сентября 2012 года, протокол № 13.
14