РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
Проректор по учебной работе
_______________________ /Волосникова Л.М./
__________ _____________ 2011г.
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 020400.68 – Биология,
магистерская программа – Экологическая генетика, очной формы
обучения
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор работы _____________________________/Трофимов О.В./
«______»___________2011г.
Рассмотрено на заседании кафедры экологии и генетики 25.03.2011 г. протокол №12
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем 9 стр.
Зав. кафедрой ______________________________/Пак И.В./
«______»___________ 2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК биологического факультета 28.03.2011 г. протокол №3
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК ________________________/Мелентьева А.А./
«______»_____________2011г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Зав. методическим отделом УМУ_____________/Федорова С.А./
«______»_____________2011 г.
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Биологический факультет
Кафедра экологии и генетики
О.В. Трофимов
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 020400.68 – Биология, магистерская программа –
Экологическая генетика, очной формы обучения
Тюменский государственный университет
2011
Трофимов О.В. Генетическая рекомбинация: Учебно-методический
комплекс. Рабочая программа для студентов направления 020400.68 –
Биология, магистерская программа – Экологическая генетика, очной формы
обучения. Тюмень, 2011, 9 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС
ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю
подготовки.
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте
ТюмГУ: Генетическая рекомбинация [электронный ресурс] / Режим доступа:
http://www.umk3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой экологии и генетики. Утверждено
проректором по учебной работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой экологии и
генетики Тюменского государственного
университета, д.б.н., профессор Пак
Ирина Владимировна
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Трофимов О.В., 2011.
1. Пояснительная записка
1.1. Цели и задачи дисциплины
Целью дисциплины «Генетическая рекомбинация» является получение
базовых знаний о принципах и механизмах перераспределения генетической
информации на молекулярном уровне.
В процессе изучения дисциплины бакалавры решают следующие
задачи: в систематизированной форме усваивают знания об основных типах
генетической рекомбинации, молекулярных механизмах осуществления
рекомбинации и генетическом контроле данного процесса; формируют
представление об общебиологическом значении генетической рекомбинации.
Учебно-методический комплекс «Генетическая рекомбинация»
соответствует
требованиям
федерального
государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования.
1.2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Генетическая рекомбинация» относится к циклу М.3.
Профессиональный цикл: вариативная часть. Она логически и
содержательно-методически
взаимосвязана
с
дисциплинами
М.3.
Профессионального цикла: базовой частью и вариативной частью:
биоинженерией; молекулярными механизмами стабильности и изменчивости
геномов, основными методами генетической инженерии. Для успешного
освоения дисциплины необходимы базовые знания по химии, физике, общей
и молекулярной генетике, биохимии и молекулярной биологии, владение
компьютерными программами. Для успешного освоения данной дисциплины
необходимо предшествующее изучение следующих модулей:
физики,
химии; микробиологии и вирусологии, генетики и селекции, биохимии и
молекулярной биологии, молекулярной генетики.
1.3. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование
следующих компетенций:
- способен к адаптации и повышению своего научного и культурного
уровня (ОК-3);
-демонстрирует знание основ учения о биосфере, понимание
современных биосферных процессов, способность к их системной оценке,
способность прогнозировать последствия реализации социально значимых
проектов (ПК-5);
-творчески применяет современные компьютерные технологии при
сборе, хранении, обработке, анализе и передаче биологической информации
(ПК-6).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
 Знать: основные механизмы генетической рекомбинации.
 Уметь: демонстрировать базовые представления о явлении
генетической рекомбинации, применять их на практике, критически
анализировать полученную информацию и представлять результаты
исследований.
 Владеть: навыками к научно-исследовательской работе, ведению
дискуссии.
2. Структура и трудоемкость дисциплины
Семестр 2. Форма промежуточной аттестации – экзамен. Общая
трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 144 часов.
3. Тематический план
Таблица 1.
Тематический план
1
1.
2.
3.
2
Введение.
Гомологичная рекомбинация.
Негомологичная рекомбинация.
Итого:
4
3
6
6
15
5
40
46
43
129
3
1-3
4-9
10-15
15
Формы контроля
Часов в интерактивной
форме
Самостоятельная
работа
Тема
Виды учебной
работы и
самостоятельная
работа, в час.
Семинарские
(практические)
занятия
недели семестра
№
6
1
2
2
5
7
ответ на семинаре
ответ на семинаре
ответ на семинаре
Таблица 2.
Планирование самостоятельной работы студентов
№
1
Модули и темы
Введение
Гомологичная
рекомбинация
3
Негомологичная
рекомбинация
ИТОГО:
2
Виды СРС
обязательные
дополнительные
Изучение отдельных тем
Чтение специализи(ответы на семинаре).
рованной литературы.
Изучение отдельных тем
Чтение специализи(ответы на семинаре).
рованной литературы.
Изучение отдельных тем
Чтение специализи(ответы на семинаре).
рованной литературы.
4. Разделы
дисциплины
и
междисциплинарные
обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№
п/п
Наименование обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
1.
Основные методы генетической
инженерии
Молекулярные механизмы
стабильности и изменчивости геномов
2.
Неделя
семестра
1-3
Объем
часов
40
4-9
46
10-15
43
15
129
связи
с
Темы дисциплины, необходимые для
изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
2
3
+
+
+
+
+
5. Содержание дисциплины
1.Введение
Определение
генетической
рекомбинации.
Классификация
рекомбинационных явлений: рекомбинация хромосом и других репликонов
при клеточных делениях, рекомбинация у РНК-содержащих вирусов:
гомологичная и негомологичная, рекомбинация между молекулами ДНК:
гомологичная (общая) рекомбинация, сайт-специфическая рекомбинация,
транспозиции, незаконная рекомбинация. Биологическое значение
генетической рекомбинации.
2. Гомологичная рекомбинация
Классификация типов гомологичной рекомбинации: аллельная,
эктопическая и гомеологичная; реципрокная (кроссинговер) и нереципрокная
(генная конверсия). Реципрокная рекомбинация. Ранние представления о
природе кроссинговера: гипотезы «разрыв и соединение» и «выборочное
копирование». Опыты Мезельсона по доказательству механизма «разрыв и
соединение». Генетический контроль гомологичной рекомбинации у
бактериофагов. Ферменты, участвующие в рекомьинации: эндо- и
экзонуклеазы, ДНК-полимераза, ДНК-лигаза, UvsX, SSB и другие белки.
Процессы вытеснения цепи, образования D-петли, миграции ветвления,
коррекции гетеродуплекса. Основные модели гомологичной рекомбинации.
Модель Холлидея. Модель Мезельсона-Рэдинга. Модель Жостака.
Рекомбинация при конъюгации у E. coli. Механизмы интеграции донорной
ДНК в хромосому реципиентной клетки. Генетический контроль
гомологичной рекомбинации у E.coli. Гены, участвующие в рекомбинации, и
их продукты: recA, recB, recC, recD, recE, recF, recG, recJ, recO, recR, ruvA,
ruvB, ruvC и др. Схема кроссинговера у E.coli с участием RecBCD-нуклеазы и
белка RecA. Особенности кроссинговера у эукариот. Мейотический
кроссинговер. Генетический контроль мейотической рекомбинации.
Митотический кроссинговер: соотношение между реципрокной и
нереципрокной рекомбинацией. Горячие точки рекомбинации у эукариот.
Конверсия
гена.
Нереципрокность
внутригенной
рекомбинации.
Генетический контроль и пути коррекции гетеродуплексов у E.coli. Системы
репарации неспаренных оснований с образованием и застройкой
протяженных брешей в гетеродуплексе. Система MutHLS, ее характеристика.
Системы коррекции неспаренных оснований у E.coli с формированием и
застройкой коротких брешей. Конверсия гена у эукариот. Полярность
конверсии, ее причины. Протяженность участка конверсии. Митотическая
аллельная генная конверсия. Эктопическая мейотическая и митотическая
конверсия. Генетический контроль конверсии гена у экариот. Соотношение
между процессами кроссинговера и конверсии в различных генетических
системах.
3. Негомологичная рекомбинация
Сайт-специфическая
рекомбинация.
Распространение
сайтспецифической рекомбинации у прокариот и эукариот. Сайт-специфические
топоизомеразы I как ключевые белки сайт-специфической рекомбинации у
бактериофагов, бактерий и дрожжей. Семейства сайт-специфических
топоизомераз I: интегразы и резолвазы. Сайт-специфическая рекомбинация
при интеграции и эксцизии фага λ. Схема Кемпбела. Структура сайтов attP и
attB. Сайт-специфические инверсии ДНК у бактериофагов, бактерий (система
Din) и дрожжей. Инвертазы как представители семейства резолваз.
Энхансеры для сайт-специфических инверсий. Белок Fis E.coli. Модель
рекомбинации, осуществляемой резолвазами. Транспозиции мобильных
генетических элементов. IS-элементы, транспозоны, фаг Мu. Структура
мобильных элементов. Транспозаза. Участие белков клетки-хозяина в
транспозиции. Репликативная транспозиция. Молекулярная модель Шапиро.
Генетический контроль и молекулярный механизм нерепликативной
транспозиции.
Мобильные
генетические
элементы
эукариот.
Ретротранспозоны типа I у дрожжей, растений и животных, их структура,
генетический контроль и механизм транспозиции, классификация.
Ретротранспозоны типа II: особенности строения, распространение,
механизм транспозиции. Незаконная рекомбинация. Негомологичная
рекомбинация у бактерий, катализируемая ДНК-гиразой. Негомологичная
рекомбинации с участием ДНК-зависимой протеинкиназы у позвоночных.
Роль в репарации двунитевых разрывов, интеграции экзогенной ДНК в
хромосомы и в перестройках иммуноглобулиновых последовательностей
ДНК.
6. Планы семинарских занятий
1. Семинар «Явление генетической рекомбинации»
Обсуждаемые темы:
1. Классификация рекомбинационных явлений.
2. Рекомбинация ДНК и РНК.
3. Биологическое значение генетической рекомбинации.
2. Семинар «Гомологичная рекомбинация»
Обсуждаемые темы:
1. Модели реципрокной рекомбинации.
2. Энзиматические механизмы реципрокной рекомбинации.
3. Модели нереципрокной рекомбинации.
4. Энзиматические механизмы нереципрокной рекомбинации.
3. Семинар «Негомологичная рекомбинация»
Обсуждаемые темы:
1. Сайт-специфическая рекомбинация.
2. Механизмы действия интеграз и резолваз.
3. Транспозиции мобильных генетических элементов.
4. Незаконная рекомбинация.
7. Учебно-методическое
обеспечение
самостоятельной
работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
Вопросы к зачету:
1. Понятие
генетической
рекомбинации.
Типы
рекомбинации.
Биологическое значение рекомбинации.
2. Классификация типов гомологичной рекомбинации: аллельная,
эктопическая и гомеологичная; реципрокная и нереципрокная.
3. Реципрокная рекомбинация. Гипотезы «разрыв и соединение» и
«выборочное копирование». Опыты Мезельсона по доказательству
механизма «разрыв и соединение».
4. Генетический контроль гомологичной рекомбинации у бактериофагов.
Роль эндо- и экзонуклеаз, ДНК-полимеразы, ДНК-лигазы, UvsX, SSB и
других белков. Процессы вытеснения цепи, образования D-петли,
миграции ветвления, коррекции гетеродуплекса.
5. Основные модели гомологичной рекомбинации. Модель Холлидея.
Модель Мезельсона-Рэдинга. Модель Жостака.
6. Рекомбинация при конъюгации у E. coli. Механизмы интеграции
донорной ДНК в хромосому реципиентной клетки.
7. Гомологичной рекомбинация у E.coli. Роль белков recA, recB, recC, recD,
recE, recF, recG, recJ, recO, recR, ruvA, ruvB, ruvC. Схема кроссинговера у
E.coli с участием RecBCD-нуклеазы и белка RecA.
8. Особенности кроссинговера у эукариот. Мейотический кроссинговер.
Генетический контроль мейотической рекомбинации.
9. Митотический кроссинговер: соотношение между реципрокной и
нереципрокной рекомбинацией. Горячие точки рекомбинации у эукариот.
10.Способы коррекции гетеродуплексов у E.coli. Системы прямой репарации.
Системы эксцизионной репарации ДНК. Система MutHLS. SOSрепарация.
11.Конверсия гена у эукариот. Полярность конверсии. Митотическая
аллельная генная конверсия. Эктопическая мейотическая и митотическая
конверсия.
12.Генетический контроль конверсии гена у экариот. Соотношение между
процессами кроссинговера и конверсии в различных генетических
системах.
13.Сайт-специфическая рекомбинация. Распространение сайт-специфической
рекомбинации у прокариот и эукариот.
14.Характеристика сайт-специфических топоизомераз I. Семейства сайтспецифических топоизомераз I: интегразы и резолвазы.
15.Сайт-специфическая рекомбинация при интеграции и эксцизии фага λ.
Схема Кемпбела. Структура сайтов attP и attB.
16.Сайт-специфические инверсии ДНК у бактериофагов, бактерий и
дрожжей.
Инвертазы.
Модель
рекомбинации,
осуществляемой
резолвазами.
17.Транспозиции мобильных генетических элементов. Структура мобильных
элементов: IS-элементы, транспозоны, фаг Мu.
18.Транспозиции мобильных генетических элементов. Транспозаза. Участие
белков клетки-хозяина в транспозиции.
19.Репликативная
транспозиция.
Молекулярная
модель
Шапиро.
Генетический контроль и молекулярный механизм нерепликативной
транспозиции.
20.Мобильные генетические элементы эукариот. Ретротранспозоны типа I у
дрожжей, растений и животных, их структура, генетический контроль и
механизм транспозиции, классификация.
21.Мобильные генетические элементы эукариот. Ретротранспозоны типа II:
особенности строения, распространение, механизм транспозиции.
22.Незаконная рекомбинация. Негомологичная рекомбинация у бактерий,
катализируемая ДНК-гиразой. Негомологичная рекомбинации с участием
ДНК-зависимой протеинкиназы у позвоночных.
8. Образовательные технологии
Мультимедийные средства обучения (презентации и видеофильмы по
темам: механизмы общей рекомбинации, разрешение структуры Холлидея,
механизмы интеграции и транспозиции), проблемные и исследовательские
методы, специализированные программы.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
9.1. Основная литература:
1. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и
применение. – М.: Мир, 2002. – 585 с.
2. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. – Новосибирск:
Сибирское университетское издательство, 2007. – 480 с.
3. Патрушев Л.И. Искусственные генетические системы. Т.1. Генная и
белковая инженерия. – М.: Наука, 2004. – 530 с.
4. Патрушев Л.И. Экспрессия генов. – М.: Наука, 2000. – 830 с.
5. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия. – Новосибирск: Сибирское
университетское издательство, 2004. – 496 с.
9.2. Дополнительная литература:
1. Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. В 3 т. – М.: Мир, 1987 –295 с.
2. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж.
Молекулярная биология клетки: В 3-х т. – М.: Мир, 1994. – 517 с.
3. Льюин Б. Гены. – М.: Мир, 1987. – 544 с.
4. Сингер М., Берг П. Гены и геномы: В 2-х т. – М.: Мир, 1998. – 373 с.
9.3. Программное обеспечение и интернет-ресурсы:
1. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?db=pubmed
2. http://highwire.stanford.edu/
3. http://molbiol.ru/
10.Технические средства и материально-техническое обеспечение
дисциплины
Дисциплина
обеспечена
компьютерными
презентациями,
составленными автором, видеофильмами. На факультете имеется для
проведения занятий 3 мультимедийные аудитории, есть специализированные
лаборатории: центр микроскопии (№408), оснащенный электронным
микроскопом LSM 510-мета, фазово-контрастным микроскопом Axioimager
А1;
лаборатория
молекулярной
генетики
(№309),
оснащенная
высокоэффективным жидкостным хроматографом, оборудованием для
проведения ПЦР и протеомных исследований; лаборатория популяционной
генетики (№111), оснащенная приборами для проведения электрофореза и
цитогенетических исследований.
Дополнения и изменения к рабочей программе на 2014 / 2015 учебный год
В рабочую программу вносятся следующие изменения:
11. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля).
11.1 Основная литература:
1. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции: учебник для студентов вузов. –
СПб.: Н-Л, 2010. – 720 с. Гриф УМО
2. Никольский В. И. Генетика: учебное пособие для студентов вузов. – М.: Академия,
2010. – 256 с. Гриф УМО
3. Льюин Б. Гены. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. – 896 с.
11.2 Дополнительная литература:
1. Браун Т.А. Геномы. Руководство по молекулярной генетике. – 2011. – 944 с.
2. Клаг У.С., Каммингс М.Р. Основы генетики. М.: Техносфера, 2009. - 896 с.
Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры экологии и генетики
« 27 » января 2015 г, протокол № 11
Заведующий кафедрой
Пак И.В.