Генетическая рекомбинация

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

«УТВЕРЖДАЮ»:

Проректор по учебной работе

_______________________ //

__________ _____________ 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 _____________________________//

«______»___________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 ______________________________//

«______»___________ 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 ________________________//

«______»_____________2011г.

«СОГЛАСОВАНО»:

Зав. методическим отделом УМУ_____________//

«______»_____________2011 г.

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Биологический факультет

Кафедра экологии и генетики

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 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. *****., 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

© Тюменский государственный университет, 2011.

© , 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 инновационной деятельности – ОК 2;

- способен 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;

- понимает современные проблемы биологии и использует фундаментальные биологические представления в сфере профессиональной деятельности для постановки и решения новых задач – ПК 1;

- самостоятельно использует современные компьютерные технологии для решения научно-исследовательских и производственно-технологических задач профессиональной деятельности, для сбора и анализа биологической информации – ПК 13.

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.

Карта компетенций дисциплины

Компетенции	Формулировка компетенции	Результаты обучения в целом	Результаты обучения по уровням освоения материала	Виды занятий (лекции, практические, семинарские, лабораторные)	Оценочные средства (тесты, творческие работы, проекты и др.)
минимальный	базовый	повышенный
ОК-2	способен к инновационной деятельности	Знает:	Базовые принципы инновационной деятельности	Сущность инновационных методов исследования генетической рекомбинации	Теоретические основы инновационных методов исследования генетической рекомбинации	Самостоятельная работа	Зачет
Умеет:	Демонстрировать представления о базовых принципах инновационной деятельности	Демонстрировать представления о сущности инновационных методов исследования генетической рекомбинации	Демонстрировать знания теоретические основ инновационных методов исследования генетической рекомбинации	Семинарские занятия	Ответ на семинаре
Владеет:	Мотивацией к инновационной деятельности	Способностью к обучению инновационным методам исследования генетической рекомбинации	Способностью использовать инновационный подход в решении задач в области исследования генетической рекомбинации	Практические занятия	Творческое задание
ОК-6	способен 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	Знает:	Об информационных технологиях в области изучения генетической рекомбинации	Сущность основных информационных технологий в области изучения генетической рекомбинации	Конкретные особенности использования отдельных информационных технологий в области изучения генетической рекомбинации	Самостоятельная работа	Зачет
Умеет:	Демонстрировать представления об использовании информационных технологий в области изучения генетической рекомбинации	Демонстрировать представления о сущности основных информационных технологий в области изучения генетической рекомбинации	Демонстрировать представления о конкретных особенностях использования отдельных информационных технологий в области изучения генетической рекомбинации	Семинарские занятия	Ответ на семинаре
Владеет:	Мотивацией к использованию информационных технологий в области изучения генетической рекомбинации	Способностью использовать информационные технологии в области изучения генетической рекомбинации	Базовыми навыками использования информационных технологий в области изучения генетической рекомбинации	Практические занятия	Творческое задание
ПК-1	понимает современные проблемы биологии и использует фундаментальные биологические представления в сфере профессиональной деятельности для постановки и решения новых задач	Знает:	О современных проблемах в исследовании генетической рекомбинации	Сущность современных проблем в исследовании генетической рекомбинации	Возможные пути решения современных проблем в исследовании генетической рекомбинации	Самостоятельная работа	Зачет
Умеет:	Демонстрировать представления о современных проблемах в исследовании генетической рекомбинации	Демонстрировать представления о сущности современных проблем в исследовании генетической рекомбинации	Демонстрировать представления о возможных путях решения современных проблем в исследовании генетической рекомбинации	Семинарские занятия	Ответ на семинаре
Владеет:	Мотивацией к использованию в профессиональной деятельности фундаментальных представлений о генетической рекомбинации	Способностью использовать в профессиональной деятельности фундаментальных представлений о генетической рекомбинации	Базовыми навыками использования в профессиональной деятельности фундаментальных представлений о генетической рекомбинации	Практические занятия	Творческое задание
ПК-13	самостоятельно использует современные компьютерные технологии для решения научно-исследовательских и производственно-технологических задач профессиональной деятельности, для сбора и анализа биологической информации	Знает:	О современных компьютерных технологиях в области изучения генетической рекомбинации	Сущность современных компьютерных технологий в области изучения генетической рекомбинации	Конкретные особенности использования отдельных современных компьютерных технологий в области изучения генетической рекомбинации	Самостоятельная работа	Зачет
Умеет:	Демонстрировать представления об использовании современных компьютерных технологий в области изучения генетической рекомбинации	Демонстрировать представления о сущности современных компьютерных технологий в области изучения генетической рекомбинации	Демонстрировать представления о конкретных особенностях использования отдельных современных компьютерных технологий в области изучения генетической рекомбинации	Семинарские занятия	Ответ на семинаре
Владеет:	Мотивацией к использованию современных компьютерных технологий в области изучения генетической рекомбинации	Способностью использовать современные компьютерные технологии в области изучения генетической рекомбинации	Базовыми навыками использования современных компьютерных технологий в области изучения генетической рекомбинации	Практические занятия	Творческое задание

2.  Структура и трудоемкость дисциплины

Семестр 2. Форма промежуточной аттестации – зачет. Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.

3.  Тематический план

Таблица 1.

Тематический план

№	Тема	недели семестра	Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час.	Часов в интерактивной форме	Формы контроля
Семинарские (практические) занятия	Самостоятельная работа
1	2	3	4	5	6	7
1.	Введение.	1-3	3	21	1	ответ на семинаре
2.	Гомологичная рекомбинация.	4-9	6	36	2	ответ на семинаре
3.	Негомологичная рекомбинация.	10-15	6	36	2	ответ на семинаре
	Итого:	15	15	93	5

Таблица 2.

Планирование самостоятельной работы студентов

№	Модули и темы	Виды СРС	Неделя семестра	Объем часов
обязательные	дополнительные
1	Введение	Изучение отдельных тем (ответы на семинаре).	Чтение специализи-рованной литературы.	1-3	21
2	Гомологичная рекомбинация	Изучение отдельных тем (ответы на семинаре).	Чтение специализи-рованной литературы.	4-9	36
3	Негомологичная рекомбинация	Изучение отдельных тем (ответы на семинаре).	Чтение специализи-рованной литературы.	10-15	36
ИТОГО:	15	93

4.  Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами

№ п/п	Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин	Темы дисциплины, необходимые для изучения обеспечиваемых (последую-щих) дисциплин
1	2	3
1.	Основные методы генетической инженерии	+		+
2.	Молекулярные механизмы стабильности и изменчивости геномов	+	+	+

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 гомологичная; 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 рекомбинации: 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 сайт-специфической 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. SOS-репарация.

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 сайт-специфических 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. , Каммингс генетики: курс лекций. – М.: Техносфера, 2009. – 896 с.

2. , Севастьянова термины молекулярной биологии: учеб. пособие для студ. вузов, обуч. по спец. 032"Биология". – М.: КолосС, 2006. – 188 с.

3. Гены. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. – 896 с.

9.2. Дополнительная литература:

1. Льюис Дж., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: В 5-х т. – М.: Мир, .

2. Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. – М.: Мир, 2002. – 585 с.

3. Жимулев и молекулярная генетика: учеб. пособие для студентов ун-тов, обуч. по напр. 510600 - Биология и биолог. спец. – Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2003. – 479 с.

4. Гены и геномы: В 2-х т. – М.: Мир, 1998.

5. Щелкунов инженерия. – Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2004. – 496 с.

6.3. Программное обеспечение и интернет-ресурсы:

1. http://www. ncbi. nlm. nih. gov/

2. http://highwire. stanford. edu/

3. http://*****/

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 (№ 000), оснащенный электронным микроскопом LSM 510-мета, фазово-контрастным микроскопом Axioimager А1; лаборатория молекулярной генетики (№ 000), оснащенная высокоэффективным жидкостным хроматографом, оборудованием для проведения ПЦР и протеомных исследований; лаборатория популяционной генетики (№ 000), оснащенная приборами для проведения электрофореза и цитогенетических исследований.