МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Факультет биологических наук УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ «МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИАГНОСТИКА И ГЕНОТЕРАПИЯ» Направление подготовки Профиль подготовки Квалификация (степень) выпускника Форма обучения 020400 «Биология» Биология Магистр Очная Разработчики: Вечканов Евгений Михайлович, доцент кафедры биохимии и микробиологии факультета биологических наук, кандидат биологических наук Сорокина Ирина Алексеевна, доцент кафедры биохимии и микробиологии факультета биологических наук, кандидат биологических наук г. Ростов-на-Дону – 2012 г. 1 МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Факультет биологических наук РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ «МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИАГНОСТИКА И ГЕНОТЕРАПИЯ » Направление подготовки 020400 Биология Квалификация (степень) выпускника Магистр Кафедра биохимии и микробиологии Курс 2 Семестр 4 Форма обучения очная Программа разработана Вечканов Евгений Михайлович доцент кафедры биохимии и факультета биологических наук кандидат биологических наук микробиологии Сорокина Ирина Алексеевна доцент кафедры биохимии и факультета биологических наук кандидат биологических наук микробиологии Рецензент Шкурат Т.П. зав. кафедры генетики ЮФУ, доктор биологических наук, профессор г. Ростов-на-Дону – 2012 г. 2 Рекомендована к утверждению решением учебнометодической комиссии факультета биологических наук протокол заседания № 9 от «18» сентября 2012 г. Рассмотрена и рекомендована к утверждению на заседании кафедры биохимии и микробиологии протокол заседания № 13 от «17» сентября 2012 г. 3 1. Цели освоения дисциплины Целями освоения дисциплины Молекулярная диагностика и генотерапия являются: Формирование системных знаний о молекулярных основах генодиагностики и протеомного анализа, используемых в различных областях современной биомедицины. Формирование фундаментального подхода к практическому применению достижений молекулярно - генетического анализа в молекулярной медицине. Формирование на молекулярно – клеточном уровне правильной оценки генетической причины развития патологического процесса и планирования персонализированного мониторинга лечения, включая использование технологий генной и клеточной терапии. 2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры Молекулярная диагностика и генотерапия представляет собой дисциплину, входящую в учебном плане в вариативную часть блока Б3 – общепрофессиональных дисциплин магистерской программы «Основы фундаментальной биомедицины». Студенты обучаются по этой дисциплине в семестре 4. Изучение материалов курса основано на знаниях, полученных в системе наук, составляющих современную физико – химическую биологию (органическая и биоорганическая химии, физическая и коллоидная химии, биохимия, молекулярная биология, биофизика), а также клеточной биологии, вирусологии и генетики, различных разделов ботаники, зоологии и биологии человека, основ биотехнологии и специальных курсов «Биохимия макромолекул с основами биокатализа», «Геномика», «Избранные главы биохимии человека», «Биохимия внутри- и межклеточных коммуникаций», «Основы патологических процессов», «Генетической инженерии». Требования к входным знаниям: 1. Важнейшие классы основных органических веществ (белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот), их строение и основы функционирования; 2. Общие представления о динамической биохимии, понятие метаболизма и его составляющих; 3. Основные принципы биоэнергетики и биокатализа различных форм живой материи; 4. Организация клеточных и неклеточных форм жизни; 5. Молекулярных механизмов реакций матричного синтеза; 6. Основы технологии рекомбинантных ДНК и индуцированного мутагенеза. 7. Молекулярные основы иммунологии и иммунопатологии. 4 Молекулярная диагностика и генотерапия являются фундаментом для изучения специальных дисциплин магистерских программ «Молекулярная биотехнология» «Молекулярная и клеточная биотехнология» «Основы фундаментальной биомедицины». 3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины (модуля) Дисциплина «Молекулярная диагностика и генотерапия», наряду с другими предметами, указанными в «Матрице соответствия компетенций, составных частей ООП и оценочных средств», участвует в формировании у студента следующих компетенций (см. таблица формируемых компетенций): Таблица формируемых компетенций Общекультурные компетенции (общенаучные, инструментальные, социальноличностные) Профессиональные компетенции (общепрофессиональные, пофессиональноспециализированные) ОК-1 ПК-2 ОК-2 ПК-3 ОК-3 ПК-4 ОК-6 ПК-6 ПК-9 ПК-10 ПК-11 ПК-12 ПК-13 ПК-15 ПК-16 В результате освоения дисциплины студент должен: Знать: 1. Основные направления изучения нуклеиновых кислот и белков; 2. Методологию ДНК-диагностики; 3. Основы протеомного анализа; 4. Молекулярные механизмы и методологию направленного мутагенеза; 5. Молекулярные и клеточные основы генетической рекомбинации; 6. Методологические основы молекулярно медицины; 5 7. Достижения генной и клеточной терапии и перспективы их развития. Уметь: Характеризовать 1. молекулярные основы наследственности, технологии рекомбинантных ДНК, анатомию, экспрессию и регуляцию активности генов; 2. Прогнозировать результат влияния направленных индуцированных воздействий на молекулярно – генетическую организацию генов и функционирование продуктов их экспрессии; 3. Определять степень прогностической значимости нарушений структуры генов или регуляции синтеза белка в возникновении и развитии заболеваний различной этиологии. Владеть: 1. Правилами планирования эксперимента в области молекулярной диагностики, генной и клеточной терапии; 2. Экспериментальными основами молекулярной и клеточной биологии; 3. Принципами (или технологиями) прогнозирования и анализа ожидаемого результата в ходе молекулярно – генетического эксперимента. 4. Структура и содержание дисциплины (модуля) Общая трудоемкость модуля дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 часов, 18 лекционных часов, 36 часа практических занятий, СРС 54 часов, форма отчетности – зачет. Структура дисциплины № модуля 1 Наименование модуля 2 Содержание модуля • 3 Тема 1. Количественные и качественные методы исследования белков-маркеров. 1 2 Белки-маркеры в современной клинической диагностике Молекулярногенетические методы в диагностике наследственных Тема 2. Клиническое применение методов исследования белков-маркеров: белкимаркеры в кардиологии, белки-маркеры в акушерстве и гинекологии, белки-маркеры дегенеративных заболеваний НС. Тема 3. Клиническое применение методов исследования белков-маркеров: диагностическое значение апоптических белков, белки-маркеры в онкологии. Тема 4. Основные современные молекулярно-генетические методы диагностики. Тема 5. Клиническое применение молекулярно-генетических методов Форма текущего контроля • 4 УО-1 – собеседование • ПР-4реферат с докладомУО-1 – собеседование ПР-4- реферат с докладомУО-1 – собеседование ПР-4- реферат с докладомУО-1 – собеседование ПР-4- реферат с докладомУО-1 – собеседование 6 и онкологических заболеваний диагностики: молекулярно-генетический анализ предрасположенности к некоторым мультифакториальным заболеваниям, молекулярно-генетическая диагностика в онкологии. Тема 6. Клиническое применение молекулярно-генетических методов диагностики: диагностика некоторых наследственных и врожденных заболеваний. ПР-4- реферат с докладом- УО-1 – собеседование ПР-4- реферат с докладомУО-1 – собеседование ПР-4- реферат с докладомУО-1 – собеседование ПР-4- реферат с докладомУО-1 – собеседование ПР-4- реферат с докладом- Тема 7. Генотерапия: объекты, технологии и технологические подходы, достижения, проблемы и перспективы развития 3 Тема 8. Генотерапия в лечении инфекционных заболеваний. Генетические манипуляции в трансплантологии. Генотерапия Тема 9. Генные технологии в иммунотерапии. Генная терапия наследственных и приобретенных генетических нарушений у человека. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Модуль 1. Белки-маркеры в современной клинической диагностике Количественные и качественные методы исследования белков-маркеров. Клиническое применение методов исследования белков-маркеров: белки-маркеры в кардиологии, белки-маркеры в акушерстве и гинекологии, белки-маркеры дегенеративных заболеваний НС. Клиническое применение методов исследования белков-маркеров: диагностическое значение апоптических белков, белки-маркеры в онкологии. Модуль 2. Молекулярно-генетические методы в диагностике наследственных и онкологических заболеваний Основные современные молекулярно-генетические методы диагностики. Клиническое применение молекулярно-генетических методов диагностики: молекулярногенетический анализ предрасположенности заболеваниям, молекулярно-генетическая к некоторым диагностика в мультифакториальным онкологии. Клиническое применение молекулярно-генетических методов диагностики: диагностика некоторых наследственных и врожденных заболеваний. Модуль 3. Генотерапия Введение в генную терапию. Определение генотерапии как области молекулярной биомедицины. Основные цели и задачи генотерапии человека. Историческая справка развития технологий рекомбинантных ДНК человека и становления генной медицины. Начальный период развития генотерапии. Эксперименты 7 Cline (1980). Появление комплементационной генотерапии. Объекты генотерапии. Генетические дефекты моногенных (муковисцидоз, фенилкетонурия, мышечная дистрофия Дюмшена, Хорея Гентингтона, гемофилия А и В), полигенных (атеросклероз, онкопатологии, артриты) патологий и заболевания вирусной природы (ВИЧ, герпес, онковирусы, вирус папилломы и др.). Современный этап в развитии генной медицины. Разработка новых средств «доставки» генетического материала. Принципы технологии генотерапии. Методы и методические подходы генотерапии, характеристика основных групп. Классификации генотерапевтических подходов и виды генной терапии. Соматическая и фетальная генотерапия. Способы введения генетических конструкций. Системная и локальная генотерапия. Способы достижения лечебного эффекта генными терапевтическими средствами: корректировка (замена) и подавление «больного» или сверхактивного гена. Общие этапы проведения генной коррекции: замена дефектного гена или подавление экспрессионной сверхактивности. Схема генно - терапевтического лечения наследственного дефицита трансаминазы (ТКИД). Технологические аспекты генной терапии. Основные понятия технологии рекомбинантных ДНК. История и предпосылки возникновения генетической инженерии. Работы П.Берга (1974). Теоретические основы генетической инженерии. Ферменты генетической инженерии. Ферменты рестрикции и синтеза ДНК. Основные типы рестрикции. Рестриктазы: классификация, номенклатура, характеристика продуктов рестрикции. Понятие «липких» концов фрагментов ДНК. Объединение фрагментов ДНК: основные проблемы и способы их решения. Линкерная, адапторная и коннекторная технологии объединения фрагментов ДНК. Общая характеристика векторных систем. Основные свойства векторных систем. Классификация векторных систем. Векторы молекулярного клонирования на основе плазмид, фагов, вирусов. Гибридные векторные системы. Свойства фагмид, космид и фазмид. Недостатки и преимущества использования. Способы получения генов. Специфика использования химико – ферментативного способа. Метод обратной транскрипции (метод получения кДНК): этапы, ферменты, преимущества. Метод «дробовика» и его фундаментальное значение. Понятие «библиотеки» («банка») генов. Создание геномной библиотеки. Типы банков генов (фаговые, бактериальные). Shot-gan – эксперимент. Скрининг банка генов. Методы скрининга геномных библиотек. Понятие с 8 гибридизации и молекулярных зондов. Значение репортерных групп в структуре зонда. Зонды – инструмент для изучения структуры генома, диагностики и скрининга библиотек. Типы молекулярных зондов. Виды молекулярной гибридизации. Сущность и практическое значение радиоизотопной in situ, прямой флуоресцентной (DFISH ) и непрямой (FISH) гибридизации, дот- и блот-гибридизация. Типы блотингов. Порядок процедуры. Саузернблотинг. Этапы проведения генной коррекции. 1. Выбор клеток – мишеней больного; 2. Получение рекомбинантной ДНК (в роли фармацевтического препарата выступает клонированный или искусственно синтезированный ген); 3. Перенос генетической конструкции в клетки-реципиента; 4. Доставка рекомбинантных клеток в организм – реципиент. Способы «доставки» генов в клетки: 1. физические методы (ДНК – «пушка», электропорация); 2. химические (методологии создания искусственных хромосом и/или липосом, копреципитация с фосфатом кальция); 3. биологические. Вирусные векторные системы генной терапии. Характеристика ретровирусов, аденовирусов, герпесвирусов и летинивирусных систем как векторных систем: достоинства, недостатки и преимущества их использования. Преимущества электропорации в переносе генов. Генотерапия в лечении инфекционных заболеваний. специфических свойствах нуклеиновых кислот. Методы, основанные на Антисмысловые нуклеотидные последовательности как инструмент регуляции экспрессии генов. Понятие антисенс – терапии. Схема терапевтического действия антисенсов. Способы доставки антисенсов в клетку – мишень. Использование аутотран-сплантантов. Метод «прямой» инъекции в органы и ткани. Липосомальные технологии. Характеристика «вирусных» средств доставки антисенсов. Примеры использование антисенсов для лечения вирусных заболеваний. Рибозимы: характеристика, механизм действия, опыт применения в лечениивирусных заболеваний, перспективы. Методы, основанные Трансдоминантные негативные на избирательной белки. Свойства продукции и целевого перспективы белка. использования противовирусных клеточных белков. Генные технологии в иммунотерапии. ДНК - вакцины. Основные требования, предъявляемые к вакцинам. Преимущества ДНК-вакцинирования. Применение ДНКвакцинирования в медицинской практике. Генная терапия с использованием суицидных генов. Понятие GPAT – терапии. «Суицидные» векторы и возможность их применения. 9 Генная терапия опухолевых заболеваний. Различные методические подходы в достижении терапевтического эффекта. Успехи молекулярной медицины в диангостике и лечении онкопатологий. Генетические манипуляции в трансплантологии. Перспективные гены – объекты исследования в трансплантологии. Степень полиморфизма и консерватизм генного локуса основного комплекса гистосовместимости. Перспективы избирательного контроля в трансплантологии. Иммунносупрессивные цитокины. Блокада экспрессии генов, участвующих в отторжении трансплантанта. Перспективы пересадки органов животных человеку. Ксенотрансплантация и генетическая инженерия. Генная терапия наследственных и приобретенных генетических нарушений у человека. Мутационная и вариационные изменчивости. Роль эпигенетической изменчивости. Биоэтика и клонирование людей. Основные проблемы генотерапии человека. Трудности «доставки» генов. Проблемы клеточной биологии. 5. Образовательные технологии В ходе освоения дисциплины Молекулярная диагностика и генотерапия учащимся используются следующие виды образовательных технологий: 1. Лекция-визуализация. В ходе лекции студент преобразовывает устную и письменную информацию в визуальную форму, выделяя при этом наиболее значимые и существенные элементы. На лекции используются схемы, рисунки, чертежи, слайдыпрезентации, к подготовке которых привлекаются обучающиеся. Проведение лекции проводится в виде связного развернутого комментирования подготовленных наглядных пособий. 2. Проблемная лекция. В ходе проблемной лекции знания вводятся как «неизвестное», которое необходимо «открыть». Проблемная лекция начинается с вопросов, с постановки проблемы, которую в ходе изложения материала необходимо решить. При этом выдвигаемая проблема не имеет однотипного решения, готовой схемы нет. Данный тип лекции строится таким образом, что деятельность студента по ее усвоению приближается к поисковой, исследовательской. В ходе лекции происходит диалог преподавателя и студентов. 3. Лекция с разбором конкретной ситуации. В ходе лекции конкретная ситуация излагается устно или в виде краткого диафильма, видеозаписи и т. п. Студенты совместно анализируют и обсуждают представленный материал. 6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной 10 аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов Общие положения В ходе освоения модуля Белковая инженерия учащимся используются Написание реферата по предложенной теме с докладом-презентацией (ПР-4) Список рефератов: 1. Патогенетические эффекты генных мутаций. 2. Косвенная ДНК – диагностика и анализ генеалогического сцепления. 3. Определение генетического риска. 4. Этические и организационные аспекты медико-генетического консультирования. 5. Белковые наночипы: технологии конструирования, принцип действия и перспективы применения. 1. Экспрессия и получение нейротоксина. 2. Изменение специфичности белка на примере нейротоксина. 3. Получение искусственных белков с заданной биологической активностью. 4. Получение мутантных вариантов цитохрома С, не обладающих апоптозной активностью. 5. Сформулируйте проблемы, которые возникают при генной терапии человека. Какие подходы используют для их преодаления? 7. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля а) основная литература: 1. Введение в молекулярную диагностику. В 2 томах. Т.1 / Под ред. Академика РАН и РАМН М.А. Пальцева.- М.: ОАО «Издательство «Медицина»», 2010.-368 с.: ил. 2. Введение в молекулярную диагностику. В 2 томах. Т.2 / Под ред. Академика РАН и РАМН М.А. Пальцева.- М.: ОАО «Издательство «Медицина»», 2011.-504 с.: ил. 3. Введение в молекулярную медицину. / Под редакцией М.А.Пальцева. – М.:Медицина. – 2004. – стр. 35-190, 237-337. 4. Иллариошкин С.Н. ДНК-диагностика и медико-генетическое консультирование.М.:МИА.- 2004.- стр. 33-113. 5. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение.М.: Мир, 2002. – гл. 8. – стр. 158 – 176. 11 6. Патрушев Л.И. Искусственные генетические системы. - М.: «Наука». 2004. – т.1 Генная и белковая инженерия. – стр. 102 -476. 7. Рыбчин В.Н. Основы генетической инженерии. - СПб.: ГМУ. 2002. – гл. 15. – стр. 440 – 463. 5. Саврилина И., Каркищенко В., Горшкова Ю. Междисциплинарные исследования в медицине. М.: Техносфера, -2007.- стр.15-145, 230-246. б) дополнительная литература 1. Нолтинг Б. Новейшие методы исследования биосистем. . М.: Техносфера, -2005. – стр. 53-63, 163-178, 185-193. 2. Леск А. Введение в биоинформатику. М.: БИНОМ. – 2009 – стр. 56-73, 247-293. 3. Геномика – медицине. /Под ред. Академика РАМН В.И.Иванова и академика РАН Л.Л.Кисилева. – М.: ИКЦ «Академкнига», - 2005 – 392 с. 4. Примроуз С., Тваймен Р. Геномика. Роль в медицине. М.: БИНОМ. – 2008. – стр.3883, 146-223. 5. Ocтepман Л. Хроматография белков и нуклеиновых кислот. - М.: Наука, 1985. – 385 с. 6. Остерман Л. Методы исследования белков и нуклеиновых кислот: электрофорез и ультрацентрифугирование. - М.: Наука, 1983. – 340 с. 7. Пул Ч.П., Оуэнс Ф.Дж. Нанатехнологии. - М.: Техносфера. 2004. – 250 8. Гончаренко. Основы генетической инженерии. – Минск: «Высш. школа». 2005. – 182 с. 9. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетики: учебное пособие. – Новосибирск. 2002. – стр. 156 – 213. 10. Медуницын Н.В. Вакцинология – М.: Наука 2004. – 453 с. в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы 1. Иллюстративные материалы – схемы, таблицы по основным разделам программы. 2. Презентационные материалы по курсу: Молекулярная диагностика и генотерапия. 3. WEB – ресурсы: филогенетические деревья – пакет программ PHYLIP WEB – ресурсы структуры белков и нуклеиновых кислот – SCOP, CATH, DALI. 8. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля) При проведении дисциплины «Молекулярная диагностика и генотерапия» учащиеся обеспечены всей необходимой материально-технической базой: 1. Лекционной аудиторией с мультимедийным презентационным оборудованием для демонстрации презентаций и иллюстративного материала. 2. Аудиторией для семинарских занятий с мультимедийным презентационным 12 оборудованием для демонстрации презентаций и иллюстративного материала Цветные плакаты и схемы. Мультимедийная техника (компьютер - проектор). 13 Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки БИОЛОГИЯ: БИОЛОГИЯ. Автор: к.б.н., доцент Вечканов Е.М. к.б.н., доцент Сорокина И.А. Рецензент: д.б.н., проф. Шкурат Т.П. Программа утверждена на заседании Учёного совета биолого-почвенного факультета от 17 сентября 2012 года, протокол № 13. 14