МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего
«Новосибирский государственный университет»
Факультет естественных наук
УТВЕРЖДАЮ
_______________________
«_____»__________________201__ г.
Рабочая программа дисциплины
Молекулярная эволюция
Направление подготовки
020400.68 биология
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
Очная
Новосибирск
2014
Аннотация рабочей программы
Дисциплина «Молекулярная эволюция» является частью профессионального цикла, вариативная часть (профильная дисциплина по выбору) ООП по направлению подготовки 020400.68 «Биология» (квалификация (степень) Магистр). Дисциплина реализуется на факультете естественных наук Национального исследовательского университета Новосибирский государственный университет кафедрой информационной биологии ФЕН НГУ.
Содержание дисциплины охватывает весь круг вопросов, связанных с теорией молекулярной эволюции, некоторыми моделями происхождения жизни, методами изучения эволюции макромолекул, некоторыми проблемами молекулярной коэволюции.
Дисциплина нацелена на формирование общекультурных компетенций ОК-1, ОК-2, ОК-6, профессиональных компетенций ПК-1, ПК-2, ПК-3, ПК-5, ПК-6, ПК-10, ПК-12 выпускника.
Преподавание дисциплины предусматривает следующие формы организации учебного процесса: 28 часов лекций, 44 ч. самостоятельной работы студента, 36 ч контроля. Программой дисциплины предусмотрены следующие виды контроля: рубежный контроль в форме устного экзамена. Промежуточный контроль учебной деятельности проводится на каждом занятии в виде устного опроса по материалам предыдущей лекции.
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 академических часов.
1. Цели освоения дисциплины
Основной целью освоения дисциплины является ознакомление студентов с современными взглядами на теорию молекулярной эволюции, некоторыми моделями происхождения жизни, методами изучения эволюции макромолекул, некоторыми проблемами молекулярной коэволюции.
Для достижения поставленной цели выделяются следующие задачи курса:
1. Изучить принципы возникновения и эволюции системы генетического кодирования.
2. Дать представление о способах теоретического анализа эволюции генов и белков.
3. Дать представление о структурной организации и эволюции макромолекул.
4. Изучить принципы возникновения и эволюции геномов.
Данный курс является сугубо теоретической дисциплиной, одной из составных частей теории эволюции. Глобальный вектор эволюции жизни был связан с постоянным увеличением сложности биологической организации на основе многоэтапных генетически детерминированных программ, что увеличивало автономизацию организмов от окружающей среды. Предметом теории молекулярной эволюции является как теоретическое исследование вопроса о происхождении жизни (начиная с моделей гиперциклов М. Эйгена), так и вопросы появления на молекулярном уровне новых характеристических признаков, отражающихся в конечном счете на морфологическом уровне.
Расшифровка в последнее время большого количества геномов про - и эукариот выявили отсутствие корреляций между сложностью биологической организации, размерами геномов и количеством содержащихся в них генов. В связи с этим был поставлен ключевой вопрос теории эволюции о генетических механизмах кодирования биологической сложности. Имеющиеся в настоящее время экспериментальные и теоретические данные свидетельствуют о том, что понимание закономерностей эволюции биологической сложности связано, в первую очередь, с изучением регуляторных генетических систем организмов и всего разнообразия генных сетей, контролирующих молекулярно-биологические, биохимические, физиологические, морфологические, поведенческие и т. п. фенотипические характеристики организмов.
2. Место дисциплины в структуре ООП магистра
Дисциплина «Молекулярная эволюция» входит в вариативную часть профессионального цикла (дисциплина по выбору) ООП по направлению подготовки 020400.68 «Биология».
Дисциплина «Молекулярная эволюция» опирается на следующие дисциплины данной ООП:
· Молекулярная биология (молекулярные механизмы реализации генетической информации, репликации, репарации);
· Теория эволюции;
· Генетика популяций.
Результаты освоения дисциплины «Молекулярная эволюция» используются в следующих дисциплинах данной ООП:
· Введение в информационную биологию;
· при подготовке дипломной работы.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Молекулярная эволюция»:
· общекультурные компетенции:
- способен к творчеству (креативность) и системному мышлению (ОК-1),
- 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)
· профессиональные компетенции:
- понимает современные проблемы биологии и использует фундаментальные биологические представления в сфере профессиональной деятельности для постановки и решения новых задач (ПК-1),
- знает и использует основные теории, концепции и принципы в избранной области деятельности, способен к системному мышлению (ПК-2),
- самостоятельно анализирует имеющуюся информацию, выявляет фундаментальные проблемы, ставит задачу и выполняет полевые, лабораторные биологические исследования при решении конкретных задач по специализации с использованием современной аппаратуры и вычислительных средств, демонстрирует ответственность за качество работ и научную достоверность результатов (ПК-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),
- глубоко понимает и творчески использует в научной и производственно-технологической деятельности знания фундаментальных и прикладных разделов специальных дисциплин магистерской программы (ПК-10),
- применяет методические основы проектирования и выполнения полевых и лабораторных биологических и экологических исследований с использованием современной аппаратуры и вычислительных комплексов, генерирует новые идеи и методические решения (ПК-12).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
· Иметь представление о теории молекулярно-генетических систем управления (генных сетей), о биологической молекулярной эволюция. (макро и микро).
· Знать кинетические модели Эйгеновского типа, модели гиперциклов, квазивидов, сайзеров, понимать смысл катастрофы мутационных ошибок.
· Иметь представление о макроэволюции последовательностей биополимеров, методах филогенетического анализа.
· Знать в общих чертах теорию нейтральной эволюции Кимуры и соответствующие математические модели.
· Иметь представление о возможности и режимах молекулярной коэволюции в различных живых системах.
· Иметь представление о роли различных регуляторных контуров в генной сети при разных видах отбора.
4. Структура и содержание дисциплины
Структура дисциплины предусматривает чтение лекций и самостоятельную работу студента. Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 часов.
№ п/п | Раздел дисциплины | Семестр | Неделя семестра | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости Форма промежуточной аттестации |
| ||
Лекция | СРС | семинары | КСР | |||||
1.1 | Молекулярная эволюция (МЭ). Добиологическая МЭ. Биологическая МЭ. Микро - и макроэволюция. | 2 | 1 | 2 | 2 | 3 | Контрольная работа в форме устного опроса перед началом лекции | |
1.2 | Кинетические модели Эйгеновского типа, модели гиперциклов, квазивидов, сайзеров, катастрофы мутационных ошибок | 2 | 2 | 2 | 2 | 3 | Контрольная работа в форме устного опроса перед началом лекции | |
1.3 | Теория нейтральной эволюции Кимуры и соответствующие математические модели. Дилемма Холдейна и эстафетный режим. | 2 | 3 | 2 | 2 | 2 | Контрольная работа в форме устного опроса перед началом лекции | |
1.4 | Связь параметров микро - и макроэволюционного процессов. Скорости макроэволюции и роль многоклеточности | 2 | 4 | 2 | 2 | 2 | Контрольная работа в форме устного опроса перед началом лекции | |
1.5 | Молекулярная эволюция иммунной системы, модели. Коэволюция микро-паразита и макрохозяина. | 2 | 5 | 2 | 2 | 2 | Контрольная работа в форме устного опроса перед началом лекции | |
1.6 | Модели эволюции последовательностей. Оптимальное выравнивание последовательностей. Методы филогенетического анализа. Филогенетический анализ генов и белков. | 2 | 6 | 2 | 2 | 3 | Контрольная работа в форме устного опроса перед началом лекции | |
1.7 | Адаптивный режим эволюции. Сравнительная эволюция белков в геномах разных видов. | 2 | 7 | 2 | 2 | 2 | Контрольная работа в форме устного опроса перед началом лекции | |
1.8 | Марковские модели эволюции белков. Коварионный метод выявления адаптивной эволюции | 2 | 8 | 2 | 2 | 3 | Контрольная работа в форме устного опроса перед началом лекции | |
1.9 | Сложности реконструкции филогении организмов. Современные методы. | 2 | 9-10 | 4 | 4 | 2 | Контрольная работа в форме устного опроса перед началом лекции | |
1.10 | Использование выделенных позиций для филогенетического исследования NGS данных. | 2 | 11 | 2 | 2 | 3 | Контрольная работа в форме устного опроса перед началом лекции | |
1.11 | Роль различных регуляторных контуров в эволюции генных сетей. | 2 | 12 | 2 | 2 | 2 | Контрольная работа в форме устного опроса перед началом лекции | |
1.12 | Эволюция генных сетей. | 2 | 13-14 | 4 | 4 | 8 | Контрольная работа в форме устного опроса перед началом лекции | |
3 | Консультация | |||||||
16 | Экзамен | |||||||
ИТОГО за семестр | 28 | 44 | 36 | |||||
5. Образовательные технологии
Используется традиционная система лекций. Перед лекцией в качестве текущего контроля задается несколько вопросов по прочитанному материалу.
В интерактивной форме требованием ФГОС для предусмотрены 12 ч занятий. Занятия проходят в компьютерном классе в форме лекций (6*2ч, лекции №1, 2, 6, 7, 8, 10), где каждый обучающийся имеет доступ к сети интернет. При проведении лекций интерактивная форма позволяет более наглядно донести до студентов особенности и возможности интернет-ресурсов.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
Формой текущего контроля при прохождении дисциплины «Молекулярная эволюция» является контроль посещаемости лекционных занятий, ответы на вопросы по пройденному материалу.
Для того чтобы быть допущенным к экзамену, студент должен выполнить следующее:
- в ходе прохождения дисциплины посетить не менее 50 % занятий;
- ответить на вопросы по пройденному материалу (в начале каждого лекционного занятия).
Примеры вопросов для текущего контроля:
1. МГСУ (генные сети). Биологическая молекулярная эволюция. (макро и микро). Кинетические модели Эйгеновского типа. Гиперцикл. Сайзер.
2. Квазивиды.
3. Катастрофа мутационных ошибок.
4. Теория нейтральной эволюции Кимуры. Детерминированные модели динамики популяций
5. Теория нейтральной эволюции Кимуры. Стохастические модели динамики популяций
6. Связь параметров микроэволюционного и макроэволюционного процессов.
7. Генетический груз и дилемма Холдейна. Скорость макроэволюции и роль многоклеточности.
8. Внутренние причины прогрессивной эволюции иммунной системы.
9. Вирусная инфекция как фактор прогрессивной дивергенции иммунной системы в ходе эволюции
10. Роль отрицательного регуляторного контура при разных видах отбора.
11. Что такое эволюционное расстояние? В чем отличие модели нуклеотидных замен Кимуры от модели Джукса-Кантора? Классификация аминокислотных замен в белках. Особенности модели эволюции аминокислотных последовательностей Дайхоф. Что такое мутабильность аминокислоты? Каким образом матрицы сходства аминокислот (матрица весов сравнения аминокислот) связаны с матрицами скоростей замен? Что такое филогенетическое дерево? Какие существуют методы построения филогенетических деревьев? Метод расстояний на примере UPGMA и его недостатки.
12. Какие существуют режимы отбора? Чем характерна фиксация нейтральных замен? Каково соотношение по приспособленности мутаций в белках согласно Кимуре? Что такое гипотеза молекулярных часов? Что такое синонимические и несинонимические замены? Каким образом оценить тип отбора для двух выровненных последовательностей?
13. Опишите биологические предпосылки и математические основы одного из методов анализа режимов эволюции белок-кодирующих генов (на выбор – метода, использующего информацию о белке или метода не учитывающего такую информацию).
14. Опишите основные этапы работы алгоритма реконструкции филогенетического дерева методом максимального правдоподобия или алгоритма реконструкции филогенетического дерева Байесовским методом (на выбор).
15. Опишите основные трудности при эволюционном анализе данных, получаемых методами высокопроизводительного секвенирования, меры описывающие качество данных высокопроизводительного секвенирования и подходы к детекции полиморфных состояний в геноме, секвенированном методами высокопроизводительного секвенирования.
16. Закон гомологических рядов Вавилова. В чем разница между гомологичными и гомологическими признаками? Принцип необратимости эволюции Долло. Каким образом эволюция генных сетей позволяет объяснить исключения из него? Объясните, в каких случаях отбор по моногенному признаку действительно можно рассматривать как отбор по одному гену, а в каких случаях – это удобное упрощение?
17. Обнейтраливание мутаций в генных сетях. Каким образом в эволюции генных сетей может обходиться дилемма Холдейна? Конвергентная и дивергентная эволюция в генных сетях. Покажите, как в ходе эволюции может формироваться вырожденность генной сети по отношению к признаку. Что такое стресс (определение по Селье)? Как генные сети стресса могут влиять на эволюцию?
7. Данные для учета успеваемости студентов в БАРС
Таблица 1. Таблица максимальных баллов по видам учебной деятельности.
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
Семестр | Лекции | Лабораторные занятия | Практические занятия | Самостоятельная работа | Автоматизированное тестирование | Другие виды учебной деятельности | Промежуточная аттестация | Итого |
2 | 140 | 140 | 280 |
Программа оценивания учебной деятельности студента
Оценка учебной деятельности студента в ходе обучения по программе курса в течение 2 семестра осуществляется в форме устного опроса по изученному материалу перед каждой лекцией.
Лекции:
Оценивается посещаемость, посещение каждой лекции оценивается в 10 баллов.
Самостоятельная работа
Для оценки качества усвоения материала лекционных занятий, проводится устный опрос перед началом каждой лекции. Диапазон оценки от 0 до 10 баллов.
Максимально возможная сумма баллов за все виды учебной деятельности студента за 2 семестр по дисциплине «Молекулярная эволюция» составляет 280 баллов.
Итоговая оценка за семестр складывается из суммы баллов, набранных в семестре. Максимальная сумма баллов в семестре составляет 280 баллов.
Для того, чтобы быть допущенным к экзамену студент должен набрать не менее 170 баллов (≈ 60% из 280 баллов). Допуск к экзамену в случае, если 170 баллов не набраны, решается в индивидуальном порядке с преподавателем. Преподаватель может провести дополнительную контрольную работу или устное собеседование по всему курсу. Если студент набирает 60% баллов от максимально возможных, он может сдавать экзамен, если сумма окажется менее 60% баллов, то ему выставляется за экзамен оценка «неудовлетворительно».
Устный экзамен оценивается в 40, 60 или 80 баллов в зависимости от оценки: «удовлетворительно», «хорошо» или «отлично» по пятибалльной шкале. Таким образом, максимально возможная сумма составляет 360 баллов. При сдаче студентом сдает устного экзамена, баллы за экзамен суммируются с баллами, набранными в семестре, и в зачетку выставляется итоговая оценка за семестр:
Таблица 2. Таблица пересчета полученной студентом суммы баллов по дисциплине «Молекулярная эволюция» в итоговую оценку:
290 баллов и более (≥80%) | «отлично» |
250- 289 балла (≥70%) | «хорошо» |
210 – 249 баллов (≥60%) | «удовлетворительно» |
209 и менее баллов (<60%) | «не удовлетворительно» |
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1. , , Шамин теории молекулярной эволюции. Новосибирск: Наука, 1985.
2. Молекулярная эволюция: теория нейтральности. М:"Мир", 1985
3. Гиперцикл: принципы самоорганизации макромолекул. М:"Мир", 1982
4. Nei M. Molecular evolutionary genetics. Columbia University Press. New York Guildford, Surrey 1987
5. Введение в информационную биологию и биоинформатику: В 5 т.: Учебное пособие / Отв. ред. , , . Новосибирск: НГУ, 2012. Т. 2. 250 с., илл.
б) дополнительная литература:
1. Li W. H., Craur D. Fundamentals of molecular evolution. Sinauer Associates, Inc. 1991
2. Gene Regulation and Metabolism. Postgenomic Computational Approaches. J. Collado-Vides and R. Hofestadt, A Bradford Book, The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, London, England, 2002
3. Родин коэволюции. Новосибирск, «Наука», 1991
4. , и др. Генетика / Учебник для вузов. – М.: ИКЦ Академкнига, 2007.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
· Ноутбук, медиа-проектор, экран.
· Программное обеспечение для демонстрации слайд-презентаций.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с OC ВПО, принятыми в ФГАОУ ВО Новосибирский национальный исследовательский государственный университет с учетом рекомендаций ООП ВПО по подготовке магистров по направлению 020400.68 «Биология».
Авторы: , канд. биол. наук, с. н.с., зав. лаб. ИЦиГ СО РАН
___________________
подпись
Программа одобрена на заседании кафедры информационной биологии Факультета естественных наук НГУ 04 августа 2014 года, протокол № 9 (65).
Секретарь кафедры _____________
