Рабочая программа подготовки аспирантов по специальности научных работников 03.01.03 – молекулярная биология (стр. 2 )

Общая трудоемкость факультативных дисциплин

(7 кредитов/ 252 часа).

№	Раздел дисциплины	Виды учебной работы аспирантов и трудоемкость (в часах)	Форма контроля и отчетности
Лекции	Семинары	Практ. занятия	Самост. работа
Нанобиотехнология (ФД. А.01)
1.	Место бионанотехнологии в группе наук о Жизни	2			24
2	Нанобиотехнологические частицы и устройства. Нанопорное секвенирование нуклеиновых кислот	2			44
	Всего	4			68	Зачет
Методы клеточной биологии (ФД. А.02)
1.	История, теория и практика культивирования клеток млекопитающих. Оборудование, применяемое в клеточной инженерии. Принципы организации лаборатории клеточных культур.	2			8
2	Типы клеточных культур. Получение, ведение, основные характеристики клеточных линий.	2			8
3	Методы функционального анализа культивируемых клеток.	4	2		10
	Всего	8	2		26	Зачет
Молекулярная систематика прокариот (ФД. А.03)
1.	Современное состояние систематики микроорганизмов. Систематика, филогения, таксономия микроорганизмов	1			8
2.	Организация генома прокариот. Горизонтальный перенос генов.	1			8
3.	Филогения прокариот. Современные молекулярно биологические методы изучения филогении бактерий	1			8
4.	Проблемы систематики прокариот на примере систематики азот-фиксирующих клубеньковых бактерий	1			8
	Всего	4			32	Зачет
Биоэтика (ФД. А.04)
1.	Вирусы как особая форма существования живой материи.	2			34
2.	Вирусы про - и эукариот. Современная таксономия вирусов	2			34
	Всего	4			68	Зачет

4. СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИОННЫХ КУРСОВ

ОСНОВНАЯ ДИСЦИПЛИНА ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ

03.01.03 – Молекулярная биология

Лекция 1. Структура нуклеиновых кислот

Введение. Молекулярная биология как самостоятельная наука, изучающая молекулярные основы жизнедеятельности клетки, и как первая область человеческих знаний, сформированная на нераздельном естествознании, на триединстве физики, химии и биологии. Этапы развития молекулярной биологии.

Состав, первичная (ковалентная) и вторичная структура ДНК.

Нуклеозиды, нуклеотиды: их строение и конформация. Конформация азотистых оснований и фуранозного кольца. Пространственные структуры нуклеотидного звена, реализуемые в полинуклеотидах (C2'-эндо - и C3'-эндо-, син - и анти-конформации). Полинуклеотидная цепь. Предпосылки создания модели молекулы ДНК: рентгеноструктурные данные Астбери, Уилкинса, Фурберга и Франклин, электрохимическое титрование Галланда, вариабельность и закономерности нуклеотидного состава ДНК (правила Чаргаффа), структура фосфодиэфирной связи. Модель ДНК Уотсона и Крика. Параметры и архитектура двойной спирали ДНК. Принцип комплиментарности. Межцепочечные и внутрицепочечные (стэкинг) взаимодействия в ДНК. Полиморфизм ДНК (формы B, A, C, D, E). Неканонические формы ДНК (Z, H, кресты, P). Биологическое значение разных форм ДНК.

Третичная структура ДНК.

Свойства кольцевых ковалентно замкнутых ДНК. Явление суперспирализации ДНК. Топологическая и геометрические характеристики кольцевых замкнутых ДНК: порядок (число) зацеплений, кручение (Tw), райзинг (Wr); связь между ними — формула Уайта. Отрицательная и положительная суперспирализация. Топоизомеразы I и II типа про - и эукариот, свойства, функции и механизм действия. Общность строения и механизма действия топоизомераз I типа (I A и III). Механизм действия топоизомеразы I B. Кристаллическая структура топоизомераз I типа. Строение и свойство топоизомераз II типа. Бактериальные ДНК-гиразы, субъединичный состав, функции субъединиц, механизм действия. Процессивность гиразы. Модель инверсии знака. Общность строения и свойств ДНК-гиразы и топоизомеразы II низших эукариот. Рентгеноструктурный анализ топоизомеразы II дрожжей. Молекулярная модель каталитических реакций топоизомеразы II. Топологические изомеры ДНК. Суперспирализация как способ запасания энергии.

Физико-химические свойства ДНК.

Чувствительность молекул ДНК к кислотам, щелочам, температуре; гидродинамические и оптические свойства ДНК. Денатурация (плавление) ДНК, кооперативность и обратимость процесса. Кривые плавления и температура плавления ДНК. «Отжиг» — реассоциация (ренатурация) ДНК. Кинетика реассоциации денатурированной ДНК. Кинетические параметры реассоциации геномных ДНК, их зависимость от сложности генома. «Аномалии» кинетики реассоциации ДНК эукариот. Наличие в геноме эукариот последовательностей, повторяющихся в разной степени (сателлитные, умеренно повторяющиеся и уникальные последовательности ДНК).

Макромолекулярная структура РНК.

Первичная, вторичная, третичная структура РНК. Виды РНК, их функции.

Лекция 2. Структурно-функциональная организация бактериальных и эукариотических геномов

Бактериальный геном.

Характеристика геномной ДНК. Компактизация ДНК бактерий. Суперспирализованные петли нуклеоида. ДНК-связывающие белки петель, структура и функции. Роль доменной организации в функционировании бактериального генома.

Геном эукариот.

Структурные элементы генома: полипуриновые и полипиримидиновые блоки, обращённые повторы, сателлитная ДНК, умеренно повторяющиеся и уникальные последовательности. Функции структурных элементов генома. Основные свойства генома эукариот: избыточность, компактность, компартментализация, стабильность и нестабильность. Отличия генома эукариот от генома прокариот.

Структура хроматина. Основные компоненты хроматина (ДНК, гистоны, негистоновые белки, РНК): структура и функции. Уровни компактизации ДНК хроматина. Концепция нуклеосомной организации ДНК в хроматине. Структура 10 нм (нуклеосомной) фибриллы: кор нуклеосомы, нуклеосома; роль гистона Н1 в укладке нуклеосомного филамента. Структура 30 нм фибриллы. Роль отдельных доменов коровых гистонов в её образовании. Модели укладки 30 нм фибриллы. Высшие уровни организации хроматина: доменно-петлевой (60—80 нм) и фибрилла 100—130 нм, интерфазный хроматин, хромосома. Динамика хроматина и регуляция его компактизации. Фазирование нуклеосом. Подвижность (скольжение) нуклеосом. Основные пути формирования высших уровней организации хроматина: посттрансляционные модификации гистонов, гистоновый код, синтез различных форм линкерного гистона Н1 и степень связывания с элементами ядерного матрикса. Необходимость декомпактизации хроматина для протекания матричных процессов. Роль интерферирующих РНК в структурных перестройках хроматина и системном распространении сайленсинга.

Основные подходы для изучения структуры хроматина: биохимический подход, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, ядерный магнитный резонанс.

Пластичность (непостоянство) геномов. Явление транспозиции. Открытие транспозиции у бактерий. Перемещающиеся (мобильные) элементы бактерий (IS, Tn, эписомы, λ-подобные фаги), их характеристика, особенности. Функция транспозазы и резольвазы. Молекулярные механизмы транспозиции (репликативная и нерепликативная транспозиция).

Мобильные элементы эукариот. Ретротранспозоны: ретровирусы и ретропозоны вирусного суперсемейства (Ty-элемент дрожжей, copia D. melanogaster, LINEs млекопитающих); их характеристика; механизм транспозиции. Ретропозоны невирусного суперсемейства SINE: В1, В2, Alu и процессированные псевдогены; их характеристика; механизм транспозиции. Мобильные элементы, ограниченные инвертированными повторами: Р-элемент дрозофилы и Ac-элемент кукурузы; механизм их транспозиции.

Функции мобильных элементов генома. Возможная роль в эволюции.

Молекулярно-биологические методы анализа генома. Принципы молекулярно-биологических подходов, положивших начало молекулярной биологии гена: электрофорез ПАА и агарозном гелях, в пульсирующем электрическом поле; молекулярная гибридизация, блот-гибридизация, энзиматическое введение метки в ДНК, рестрикционное картирование и секвенирование ДНК (метод Максама и Гилберта, метод Сэнгера, секвенирование с использованием микрочиповых технологий, пиросеквенирование и полони-секвенирование, секвенирование с помощью нанопор), молекулярное клонирование, амплификация ДНК in vitro — ПЦР. Решаемые этими подходами задачи. Создание банков данных нуклеотидных последовательностей геномов разных организмов. Возникновение геномики, биоинформатики, функциональной геномики (транскриптомики, протеомики) и сопровождающих их технологий.

Лекция 3. Молекулярные механизмы копирования полинуклеотидов

Репликация ДНК.

Матричный характер репликации. Доказательство полуконсервативного способа репликации ДНК. Одно - и двунаправленная репликация. Контролирующие элементы репликации.

Репликация ДНК у прокариот. Ориджин репликации E. coli, структура и функции. Ферментативный аппарат и вспомогательные белки репликации. ДНК-полимеразы прокариот (I, II, III), структура, функции, полимеразная и экзонуклеазные активности этих ферментов. Особенности строения ДНК-полимеразы I (полимеразный и экзонуклеазные домены); организация полимеразного домена. Механизм полимеризации дочерней цепи и участие в этом основных доменов, субдоменов ДНК-полимеразы I и канала между ними. Особенности строения ДНК-полимеразы III. ДНК-полимераза III — асимметричный мультисубъединичный комплекс. Кор фермента, g-комплекс и холофермент. Функции отдельных субъединиц. Вилка репликации. Модель «петля Корнберга». Праймосома и реплисома, их состав. Особые свойства геликаз. Свойства белка Dna A как инициатора репликации; роль метилирования ДНК в инициации репликации. Механизм действия ферментов и их субъединиц в вилке репликации. Процессивность ДНК-полимеразы III, факторы процессивности. Терминация репликации у бактерий: последовательности ter и белок TUS, их роль в терминации. Особенности регуляции репликации у E. coli и плазмиды ColE1. Топологические проблемы репликации. Роль негативной суперспирализации ДНК и топоизомераз в репликации.

Особенности репликации ДНК у эукариот. Полирепликонный характер репликации. ДНК-полимеразы эукариот (a, b, g, d, e, x), их компартментализация, структура, свойства, функции. Субъединичный состав полимеразы a (полимераза a/праймаза). Полимеразные и экзонуклеазные свойства полимераз d и e. Процессивность полимераз a, d, e. Ориджины репликации у эукариот: ARS и другие ориджины. Комплекс ORC и инициация репликации. Структура и свойства белков, участвующих в репликации: RPA, геликаза А, RFC, PCNA. Автономные 5'®3'-экзонуклеазы и корректазы (3'®5'-экзонуклеазы). Топология репликации. Теломеры эукариотических хромосом. Теломераза, композиция (субъединичный состав) теломеразного комплекса, характеристика РНК и белковых субъединиц. Каталитическая субъединица теломеразы — обратная транскриптаза (TERT). Механизм действия теломеразы. Репрессия теломеразы и старение клеток в культуре (предел Хейфлика). Точность процесса репликации.

Репарация ДНК.

Химические изменения (повреждения), возникающие в ДНК. Многообразие систем репарации: прямая реактивация, фотореактивация, эксцизионная репарация, индуцируемая репарация, SOS-репарация, репарация неспаренных нуклеотидов. Молекулярные механизмы репарации и их энзимология. Репаросома про - и эукариот.

Ферментативная рестрикция и модификация ДНК.

Явление рестрикции. Метилазы — специфические модификаторы ДНК. Открытие рестрицирующих эндонуклеаз (рестриктаз). Номенклатура и классификация ферментов рестрикции и модификации, принципы классификации. Прототипы, изошизомеры. Строение рестриктаз-метилаз I, II и III класса, возможные механизмы действия ферментов. Распространение систем рестрикции-модификации, их биологическая роль. Рестриктазы — незаменимые инструменты экспериментальной молекулярной биологии.

Обратная транскрипция.

Обратная транскрипция — РНК-зависимый синтез ДНК. Открытие обратной транскрипции. Особенности генома ретровирусов (на примере вируса саркомы птиц и ВИЧ). Гены и продукты их экспрессии, роль в обратной транскрипции и репродукции вирусов. РНК-зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза): субъединичный состав, структура, функции субъединиц и доменов, входящих в них. Этапы обратной транскрипции. Специфичность праймера. Полифункциональные свойства обратной транскриптазы. Образование провирусной ДНК, особенности её строения, проникновение в ядро и механизмы интеграции в геном хозяйской клетки. Транскрипция провирусной ДНК. Промоторы, энхансеры, терминаторы транскрипции. Сплайсинг образующихся транскриптов. Регуляция транскрипции. Трансформирующее начало ретровирусов. Роль вирусных онкогенов в трансформации клетки, доказательства. Вирусные и клеточные онкогены, сходство и различия. Продукты вирусных и клеточных онкогенов (онкобелки), особенности структуры, функции и механизмы действия некоторых представителей (Src, Erb, Sis, Ras, Myc, Fos, Jun). Гипотезы злокачественной трансформации клеток: заражение высокоонкогенными вирусами, активация протоонкогенов в результате инсерций, транслокаций и амплификации, мутагенез клеточных регуляторных генов.

Транскрипция.

Транскрипция — первый этап реализации генетической информации (экспрессии генов). Матричный характер транскрипции (ферментативный синтез РНК на матрице ДНК). Механизм полимеризации цепи РНК-транскрипта. ДНК-зависимые РНК-полимеразы эубактерий, архей, бактериофагов и эукариот, их сравнительная характеристика. Характеристика основных типов РНК (мРНК, рРНК, тРНК, мяРНК). Общая характеристика процесса транскрипции. Основные этапы транскрипции (преинициация, инициация, элонгация и терминация). Закрытый и открытый комплексы РНК-полимеразы с матрицей. Строение транскрипционного «пузырька». Понятие промотора, коровый (минимальный) промотор. «Сила» промотора. Базальная и активированная транскрипция.

Транскрипция у прокариот. Строение промотора прокариот (на примере E. coli): последовательности –10 (Прибнов-бокс) и –35. Сила консенсусного и природных промоторов E. coli. Строение РНК-полимеразы эубактерий: коровый фермент (a2bb') и холофермент (a2bb's). Ингибиторы РНК-полимеразы — рифампицин и стрептолидигин. Роль a-, b - и b'-субъединиц РНК-полимеразы в транскрипции; участие шаперонина (w-субъединицы) в сборке холофермента РНК-полимеразы. Мажорные и минорные s-субъединицы. Роль s-субъединиц в узнавании различных промоторов холоферментом РНК-полимеразы. Сборка транскрипционного комплекса на промоторе, формирование транскрипционного «пузырька» (преинициация), инициация, элонгация и терминация. Факторы элонгации транскрипции E. coli (Gre A и Gre B). Особенности структуры терминаторов транскрипции, факторы терминации транскрипции (r-фактор, Nus-факторы); r-зависимая и r-независимая терминация