baz_vektornye_sistemy - Электронная библиотека БГУ

Белорусский государственный университет
« 17 » декабря
2013 г.
Регистрационный № УД - 199 /баз.
Векторные системы
Учебная программа учреждения высшего образования
по учебной дисциплине для специальности:
1-31 01 03 Микробиология
Минск 2013
2
СОСТАВИТЕЛЬ:
Титок Марина Алексеевна, профессор кафедры микробиологии Белорусского
государственного университета, доктор биологических наук, профессор
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
Кафедра биотехнологии и биоэкологии Учреждения образования «Белорусский
государственный технологический университет»;
Зинченко Анатолий Иванович, заведующий лабораторией молекулярной
биотехнологии
Государственного
научного
учереждения
«Институт
микробиологии Национальной академии наук Беларуси», член-кореспондент
Национальной академии наук Беларуси, доктор биологических наук.
РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ:
Кафедрой микробиологии Белорусского
(протокол № 5 от 17 октября 2013 г.);
государственного
университета
Научно-методическим советом Белорусского государственного университета
(протокол № 2 от 25 ноября 2013 г.);
Научно-методическим советом по биологии, биохимии, микробиологии
Учебно-методического объединения по естественнонаучному образованию
(протокол № 19 от 29 ноября 2013 г.)
Ответственный за редакцию: Марина Алексеевна Титок
Ответственный за выпуск: Марина Алексеевна Титок
3
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Учебная программа по учебной дисциплине «Векторные системы»
составлена в соответствии с требованиями образовательного стандарта
высшего образования первой ступени по специальности 1-31 01 03
«Микробиология».
Создание генно-модифицированных организмов (клеток), обладающих
улучшенными или новыми свойствами невозможно без использования
векторных систем. Векторные молекулы, созданные на основе внехромосомных
генетических элементов про- и эукариотических организмов (плазмиды,
бактериофаги и вирусы), широко применяются для детального изучения
структуры и свойств генетического материала наследственности и для
конструирования биотехнологиически значимых организмов. Знание
принципов, лежащих в основе организации векторных систем, является залогом
успешного их использования для получения новых форм организмов с
измененной наследственной информацией.
Целью настоящего курса является рассмотрение принципов организации
векторных систем, использующихся для молекулярного клонирования
чужеродного генетического материала в клетках про- и эукариотических
организмов.
В соответствии с целью будут решаться задачи учебной дисциплины:
- рассмотреть основные методические подходы, использующиеся при
создании рекомбинантных молекул ДНК;
- проанализировать
особенности
генетической
организации
внехромосомных генетических элементов (плазмид, бактериофагов и вирусов),
использующихся для создания векторных систем;
- рассмотреть особенности организации регуляторных и структурных
участков генов про- и эукариотических организмов;
- рассмотреть принципы создания векторных систем для молекулярного
клонирования;
- рассмотреть методы введения векторных молекул в клетки про- и
эукариотических организмов;
- привести примеры достижений в области генетической инженерии.
Преподавание учебной дисциплины связано с такими курсами как
«Генетика», «Генетика микроорганизмов», «Вирусология» и др., и призвано
подготовить
высококвалифицированных
специалистов
в
области
микробиологического и биотехнологического производства.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать:
- теоретические основы, положенные в генно-инженерную методологию;
- типы репликонов их организацию и основные свойства;
- общие свойства и требования, предъявляемые к векторам;
- принципы взаимоотношений вектор – клетка-хозяин;
4
- особенности
организации
плазмидных
и
фаговых
векторов
грамотрицательных и грамположительных бактерий;
- основные подходы и методы создания специализированных векторов;
- векторы для клонирования в дрожжевых клетках;
- организацию векторов экспрессии в клетках млекопитающих;
- векторы для клонирования в растениях
уметь:
- подобрать систему вектор-хозяин для каждого конкретного случая
решения генноинженерной задачи;
- использовать полученные знания при выборе наиболее пригодных
векторных систем из существующих векторов, либо при конструировании
системы клонирования для новых объектов;
- проанализировать результаты использования тех или иных векторов и
найти причину, если эксперимент по клонированию в данной системе оказался
неудачным.
Программа курса рассчитана на 100 часов, в том числе 46 аудиторных
часов: 26 – лекционных, 20 – лабораторных занятий.
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
№
раздеНаименование разделов и тем
лов и
тем
1
Введение
2
Технология создания
рекомбинантных молекул ДНК
3
Векторные системы бактерий
4
Векторы
для
клонирования
эукариотических клетках
Всего
Аудиторные часы
ЛабораВсего Лекции торные
занятия
2
2
–
в
10
4
6
24
14
10
10
6
4
46
26
20
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
1. ВВЕДЕНИЕ
Горизонтальный перенос генов в природе как способ образования
организмов с новыми свойствами. Достижения молекулярной биологии,
лежащие в основе создания генно-инженерных конструкций. Основные
свойства молекулы ДНК, обеспечивающие ее стабильное поддержание и
реализацию наследственной информации в ряду поколений.
Молекулярное клонирование как способ изучения структурной и
функциональной организации генетической информации. Понятие
вектора. Отличительные особенности векторных систем, пригодных для
5
молекулярного клонирования. Принципы
модифицированных организмов.
конструирования
генно-
2. ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ РЕКОМБИНАНТНЫХ
МОЛЕКУЛ ДНК
Основные характеристики ферментов, использующихся для создания
рекомбинантных ДНК. Типы и характеристики систем рестрикциимодификации. Рестриктазы II типа как основные инструменты для
создания рекомбинантных ДНК. Другие ферментов генетической
инженерии (лигазы, полимеразы, обратные транскриптазы, нуклеазы,
фосфотазы и некоторые другие). Рестрикция, полимеразная цепная
реакция, химический синтез как способы изоляции генов про- и эукариот.
Основные характеристики векторных систем. Понятие минимального
репликона. Селективные маркеры, полилинкеры. Типы векторных систем
(уни- и бирепликонные, мало и многокопийные). Специализированные
векторные системы (для клонирования промоторов, экспрессии
чужеродного генетического материала и др.) и вектора общего
назначения. Копийность, емкость, структурная и сегрегационная
стабильность.
3. ВЕКТОРНЫЕ СИСТЕМЫ БАКТЕРИЙ
Внехромосомные генетические элементы грамотрицательных и
грамположительных бактерий.
Характерные особенности организации и плазмидных репликонов
(системы инициации репликации, системы распределения плазмид между
дочерними клетками в процессе деления). Репликация плазмид в
соответствии с механизмом тета-типа, «расматывающегося рулона» и Dпетли. Природные репликоны как основа для создания векторных
молекул. Организация, преимущества и недостатки плазмиды
лекарственной устойчивости рSC101 и фактора колициногенности -ColE
при использовании в качестве векторов E.coli. Критерии, используемые
при конструировании плазмидных векторов. Конструирование и
структура «искусственных» векторов. Плазмиды pRSF2124 и pMB9 –
первые искусственные векторы. Создание плазмиды рBR322.
Характеристики рBR322, ее преимущества и недостатки. Вектора серии
pUC, pET, pGMT, особенности организации сферы применения.
Интегративные вектора, предназначенные для введения чужеродного
генетического материала в состав бактериальной хромосомы (на примере
pMUTIN).
Вирулентные фаги. Особенности организации и репликации
нитевидных фагов (M13, fd, fl). Векторные системы на основе
нитевидных фагов. Особенности организации фагмид (например,
pBluesript). Сфера использования векторов, содержащих структурные
элементы нитевидных фагов.
6
Свойства бактериофага лямбда как универсальной системы для
клонирования in vivo и in vitro. Структурно-генетическая организация и
биология фага лямбда. Репликация ДНК бактериофага лямбда.
Молекулярные векторы на основе генома бактериофага лямбда. Векторы
внедрения и векторы замещения. Клонирующая емкость вектора.
Космиды. Фазмиды. Конструирование библиотек и клонотек.
Отличительные особенности плазмид грамположительных бактерий,
использующихся в качестве основы для создания векторных систем.
Недостатки векторов, созданных на основе плазмид реплицирующихся в
соответствии с механизмом «разматывающегося рулона».
Способы введения векторных молекул в клетки грамотрицательных
и грамположительных бактерий (мобилизация, трансформация,
трансфекция, электропорация).
4. ВЕКТОРЫ ДЛЯ КЛОНИРОВАНИЯ В ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ
КЛЕТКАХ
Генетическая организация внехромосомных генетических элементов
дрожжей.
Особенности
организации
векторных
систем
для
молекулярного клонирования в клетках дрожжей (минимальные
репликоны, селективные маркеры). Типы уни- и бирепликонных
векторов. Введение ДНК в дрожжевые клетки
Векторы для клонирования в растениях. Особенности молекулярной
организации Тi-плазмид Agrobacterium tumefaciens. Структура Т-ДНК.
Принцип создания векторов на основе Тi-плазмид (уни- и бирепликонные
вектора).
Особенности
организации
регуляторных
элементов,
обеспечивающих экспрессию чужеродного материала в клетках растений.
Методы введения векторов в клетки растений. Трансгенные растения,
проблемы, достижения и перспективы.
Особенности организации вирусов и ретровирусов. Организация
вируса SV40, векторные системы, созданные на его основе. Вектора на
основе ретровирусов, особенности организации, сферы использования.
Эспрессионные вектора, особенности организации регуляторных
последовательностей. Селективные маркеры. Введение молекул ДНК в
клетки млекопитающих.
ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Глик Б. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение / Б.
Глик, Дж. Пастернак. М.: Мир, 2002.
2. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия / С. Н. Щелкунов.
Новосибирск: Из-во Сибирского университета, 2004.
7
3. Рыбчин В.Н. Основы генетической инженерии / В. Н. Рыбчин.
Санкт-Петербург: Изд-во СПбГТУ, 2002.
4. Сингер М. Гены и геномы / М. Сингер, П. Берг. М.: Мир, 1998.
5. Современная микробиология: Прокариоты / Под ред. Й. Ленгелера, Г.
Древса, Г. Шлегеля. М.: Мир, 2005.
6. Титок М.А. Плазмиды грамположительных бактерий / Под ред. Ю.К.
Фомичева. Мн: Изд-во БГУ, 2004.
Д о п о л н и т е л ь н а я:
1. Янковский Н.К. Конструирование и анализ клонотек геномов / Н. К.
Янковский. Сер. Биотехнология в сб. «Итоги науки и техники». М.: ВИНИТИ,
1989.
2. Рекомбинантные молекулы: значение для науки и практики / Под ред. Р.
Бирса, Э. Бэсита. М.: Мир, 1980.
3. Новое в клонировании ДНК. Методы / Под ред. Д. Гловера. М.: Мир,
1989.
4. Генная инженерия растений / Д. Драйвер и др. – М.: Мир, 1991
5. Сельскохозяйственная биотехнология: векторные системы молекулярного
клонирования / Под ред. М. Альтхерра, П. Балбаса, Р. Берка.
М.:
Агропромиздат, 1991.
6. Рекомбинантные молекулы: значение для науки и практики / Под ред. Р.
Бирса, Э. Бэсита. М.: Мир, 1980.
7. Плазмиды. Методы. / Под ред. К .Харди. М.: Мир, 1990.
8. Хазипов Н. Генетическая инженерия в ветеринарии / Под ред. Н.
Хазипова. Казань: КВИ, 1991
9. Лихтенштейн К. Генетическая инженерия растений. Клонирование ДНК.
Методы / К. Лихтенштейн, Дж. Дрейпер. Под ред. Д. Гловера. М.: Мир, 1988.
10. Волова Т. Г. Биотехнология / Т. Г. Волова. Новосибирск: Изд-во
Сибирского отделения Российской Академии наук, 1999.
11. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии / В. В. Бирюков.
М.: КолосС, 2004.
12. Новое в клонировании ДНК. Методы / Под ред. Д. Гловера. М.: Мир,
1989.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Для организации самостоятельной работы студентов по учебной
дисциплине следует использовать современные информационные технологии:
разместить в сетевом доступе комплекс учебных и учебно-методических
материалов (программа, методические указания к лабораторным занятиям,
список рекомендуемой литературы и информационных ресурсов, задания в
тестовой форме для самоконтроля и др.).
Эффективность самостоятельной работы студентов проверяется в ходе
8
текущего и итогового контроля знаний. Для общей оценки качества усвоения
студентами учебного материала рекомендуется использование рейтинговой
системы.
ПЕРЕЧЕНЬ РЕКОМЕНДУЕМЫХ СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ
Типовым учебным планом специальности 1-31 01 03 «Микробиология» в
качестве формы итогового контроля по учебной дисциплине рекомендован
экзамен. Оценка учебных достижений студента осуществляется на экзамене и
производится по десятибалльной шкале.
Для текущего контроля качества усвоения знаний студентами можно
использовать следующий диагностический инструментарий:
- защита индивидуальных заданий при выполнении лабораторных работ;
- защита подготовленного студентом реферата;
- проведение коллоквиума;
- устные опросы;
- письменные контрольные работы по отдельным темам курса;
- компьютерное тестирование.