Молекулярная биология - Российский государственный

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ –
МСХА имени К.А. ТИМИРЯЗЕВА»
(ФГБОУ ВПО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева)
Факультет агрономический
Кафедра генетики и биотехнологии
УТВЕРЖДАЮ:
Проректор по учебной работе
проф. ______________В.Ф.Сторчевой
“____”______________ 2013 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Модуль «Биология клетки»
Модульная дисциплина «Молекулярная биология»
для подготовки бакалавров
по направлению 020400.62 «Биология»
ФГОС ВПО 3-го поколения
Направление 020400.62 «Биология»
Курс 3
Семестр 5
Москва, 2013
Составители: Хрусталева Л. И., д.б.н., профессор, Халилуев М. Р., к.б.н., ст. преподаватель
«__» ___________ 2013 г.
Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплины блока
Б3.Б.3.3 студентам очной формы обучения
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки 020400.62 «Биология», утверждённого приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от «4» февраля 2010 г. № 101
и зарегистрированного в Минюсте РФ «25» февраля 2010 г. № 16504.
Программа обсуждена на заседании кафедры генетики и биотехнологии 17 мая
2012 г. протокол № 6
Заведующий кафедрой генетики и биотехнологии Соловьев А.А., доктор биологических наук, профессор
«__» ___________ 2013 г.
Рецензент, д.в.н., доцент,
заведующий кафедры зоогигиены,
акушерства и ветеринарии
________________
Г.П. Дюльгер
Проверено:
Начальник отдела менеджмента
качества образования
_________________
Л.А. Ефимова
Начальник методического отдела
_________________
Л.М. Сашина
2
Согласовано:
Декан зооинженерного факультета Юлдашбаев Ю.А., доктор с.-х. наук, профессор
«__» ___________ 2013г.
Программа обсуждена на заседании Ученого совета зооинженерного факультета, _______________ протокол № ______
Секретарь ученого совета зооинженерного факультета Боронецкая О.И.,
канд.с.-х. наук
«__» ____________ 2013 г.
Программа принята учебно-методической комиссией по направлению подготовки 020400.62 «Биология» протокол № ___
Председатель учебно-методической комиссии Османян А.К., доктор биологических наук, профессор
«
» ___________ 2013 г.
Заведующий выпускающей кафедрой зоологии Блохин Г.И., доктор с.-х. наук,
профессор
«__» ___________ 2013 г.
Начальник УИТ
_______________М.Ю. Годов
Отдел комплектования ЦНБ
_______________Е.А. Комарова
Копия электронного варианта получена:
Начальник отдела поддержки
дистанционного обучения УИТ
______________ К.И. Ханжиян
3
Содержание
АННОТАЦИЯ ........................................................................................................ 5
1. ЦЕЛИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ .......................................................... 5
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ.............................. 6
3. КОМПЕТЕНЦИИ ОБУЧАЮЩЕГОСЯ, ФОРМИРУЕМЫЕ В
РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ ............................................... 6
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ ................................... 9
4.1 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТРУДОЁМКОСТИ ДИСЦИПЛИНЫ ПО ВИДАМ РАБОТ ПО
СЕМЕСТРАМ ............................................................................................................ 9
4.2 СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ ............................................................................ 9
4.3 ЛАБОРАТОРНЫЕ И СЕМИНАРСКИЕ ЗАНЯТИЯ................................................... 13
4.4 ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ .. 14
4.5 РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКИЕ РАБОТЫ, УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ РАБОТЫ И
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ...................................................................................... 15
5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ .................................................. 166
6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ
УСПЕВАЕМОСТИ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ
ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ ....................................................................... 177
6.1 ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ И
СФОРМИРОВАННОСТИ КОМПЕТЕНЦИЙ ................................................................. 17
6.2 ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЭКЗАМЕНУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ............... 18
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ ................................................................. 20
7.1 ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА ................................................................................ 20
7.2 ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА .................................................................... 20
7.4 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ................................... 21
8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
................................................................................................................................. 21
8.1 ТРЕБОВАНИЯ К АУДИТОРИЯМ (ПОМЕЩЕНИЯМ, МЕСТАМ) ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ
ЗАНЯТИЙ ............................................................................................................... 21
8.2 ТРЕБОВАНИЯ К СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОМУ ОБОРУДОВАНИЮ ......................... 21
9. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ СТУДЕНТАМ ПО ОСВОЕНИЮ
ДИСЦИПЛИНЫ .................................................................................................. 22
ВИДЫ И ФОРМЫ ОТРАБОТКИ ПРОПУЩЕННЫХ ЗАНЯТИЙ ...................................... 22
10. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПРЕПОДАВАТЕЛЯМ ПО
ОРГАНИЗАЦИИ ОБУЧЕНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ .................................. 22
4
Аннотация
Дисциплина «Молекулярная биология» благодаря огромным успехам достигнутыми клеточной биологией, молекулярной генетикой, био- и нанотехнологиями занимает центральное место в биологическом образовании. Дисциплина направлена на приобретение студентами профессиональных знаний и представлений о данной отрасли, которая представляет собой одно из современных
наукоемких и технологичных направлений деятельности человека. Курс базируется на обширных фундаментальных знаниях химии, физики, физиологии,
генетики и высоких технологий. В учебном процессе дисциплина читается на 3
курсе в 5 семестре и ей предшествуют такие основополагающие дисциплины
профиля как «Зоология», «Ботаника», «Генетика», «Цитология», «Биохимия»,
«Физиология», «Микробиология». Знания, получаемые по данной дисциплине,
являются основой для дальнейшего изучения курсов молекулярной генетики и
новейших направлений и методов биотехнологии, спецкурсов по клеточной и
генетической инженерии, экологической биотехнологии.
В курсе «Молекулярная биология» подробно рассматриваются следующие темы: Эволюция клетки. Структура и функция основных биополимеров
клетки – нуклеиновых кислот. Технологии рекомбинантных ДНК. Структура и
организация генов в геноме прокариот и эукариот. Геномика эукариот. Составление рестрикционных карт. Клонирующие и эксперессирующие векторы. Методы клонирования ДНК in vivo и in vitro. Получение генно-инженерными методами рекомбинантных белков: вакцин, гомонов, биологически активных веществ. Выделение ДНК из про- и эукариотических клеток. Анализ ДНК с помощью гель-электрофореза. Гибридизация нуклеиновых кислот. Саузерн- и Нозерн-блоттинг. Полимеразная цепная реакция. Сиквенирование геномов. Системы молекулярного маркирования: RFLP, AFLP, SSR, RAPD, ISSR. Генная и
клеточная инженерия растений и животных.
Трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы. Итоговый
контроль знаний по изучению дисциплины является экзамен. Ведущие преподаватели: д.б.н, профессор Хрусталева Л.И., к.б.н., ст. преподаватель Халилуев
М.Р.
1. Цели освоения дисциплины
Цель дисциплины «Молекулярная биология» − формирование научного
мировоззрения о молекулярной биологии, как комплексной дисциплине, объединяющей новейшие знания по молекулярной организации животной и растительной клетки и ДНК-технологиям, а также формирование базовых знаний в
области современной биологии и высоких технологий, необходимых для освоения общепрофессиональных дисциплин.
В задачи дисциплины входят: получение профессиональных навыков
по ДНК-технологиям, созданию молекулярных маркеров, молекулярному
анализу наследуемых структур; получение навыков по работе с высокотехнологичным оборудованием молекулярно-генетических лабораторий; полу5
чение знаний о методах создания трансгенных животных, использованию
биотехнологии как альтернативы в сельском хозяйстве; применение полученных знаний в рациональном использовании природных ресурсов и охране
окружающей среды.
2. Место дисциплины в учебном процессе
Дисциплина «Молекулярная биология» включена в профессиональный цикл
дисциплин базовой части Учебного плана по направлению 020400.62 «Биология». Круг вопросов, изучаемых дисциплиной «Молекулярная биология» соответствует требованиям по направлению подготовки 020400.62 «Биология».
Предшествующими курсами, на которых непосредственно базируется дисциплина «Молекулярная биология» являются «Зоология», «Ботаника», «Генетика», «Цитология», «Биохимия» и «Физиология», «Микробиология».
Дисциплина «Молекулярная биология» является основополагающим курсом для изучения дисциплин: «Молекулярная генетика» и «Биотехнология» а
также для проведения научно-исследовательских работ и прохождения производственной практики.
3.
Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины
Изучение данной учебной дисциплины направлено на формирование у
обучающихся профессиональных компетенций (ПК) представленных в таблице
1.
6
Таблица 1
Требования к результатам освоения учебной дисциплины
№
п/п
Индекс
компетенции
В результате изучения учебной дисциплины обучающиеся должны:
Содержание компетенции
1.
ПК-4
Знать принципы клеточной
организации биологических объектов, биофизических и биохимических основ, мембранных процессов и молекулярных механизмов жизнедеятельности
2.
ПК-5
Демонстрировать современные представления об
основах биотехнологии и
генной инженерии, нанобиотехнологии, молекулярного моделирования
знать
уметь
владеть
Структурнофункцианальную организацию генома растительной, животной и бактериальной клеток. Должен
иметь представление о
современном состоянии
молекулярной биологии,
о новейших методах исследований растительной
и животной клеток.
Социально-этические
проблемы клонирования
животных и использования ГМО.
Основные понятия молекулярной организации
клетки, строении и функции ДНК, закономерности воспроизведения клеток и особенности развития тканей растений и
животных.
Работать с амлификатором, различными типами
центрифуг,
инвертированным
микроскопом,
выделять
нуклеиновые
кислоты из про- и эукариотических клеток, проводить
электрофорез
ДНК, работать с культурой животной и растительной клеток.
Молекулярногенетическими методами изучения растительных и животных клеток. Применять на
практике полученные
при изучении этого
курса навыки.
Ориентироваться в стратегии клонирования генов и получении рекомбинантных белков и вакцин, создании ДНКзондов. Создавать молекулярные маркеры для
паспортизации, селекции
и разведения животных.
Методами работы с
ДНК: выделение, клонирование, гельэлектрофорез, секвенирование. Технологиями
рекомбинантных ДНК.
7
3.
ПК-11
Использовать современные
методы обработки, анализа
и синтеза полевой и лабораторной биологической
информации, знать принципы составления научнотехнических проектов и
отчетов
Основные понятия моле- Владеть методиками выкулярной
организации деления тотальной геномклетки, строении и функ- ной ДНК из растительных
ции ДНК, РНК. Знания и животных клеток, ДНК
процессов
репликации гель-электрофореза. РеДНК, транскрипции РНК стрикции, лигирования и
на ДНК матрице, транс- трансформации ДНК.
ляции белка, репарации и
рекомбинации
ДНК.
Строение генов и контроль экспрессии генов.
Навыками по обработке
и интерпретации результатов с помощью
баз данных BLAST,
NCBI
8
4. Структура и содержание дисциплины
4.1 Распределение трудоёмкости дисциплины по видам работ по семестрам
Общая трудоёмкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы (108
часов), их распределение по видам работ и по семестрам представлено в таблице 2.
Таблица 2
Распределение трудоёмкости дисциплины по видам работ по семестрам
Трудоемкость
зач.
час.
ед.
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины по учебному плану
Аудиторные занятия
Лекции (Л)
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Самостоятельная работа (СРС)
в том числе:
консультации
самоподготовка к текущему контролю знаний (самостоятельное изучение разделов, проработка и повторение
лекционного материала и материала учебных пособий,
подготовка к практическим занятиям)
Подготовка к экзамену
Вид контроля:
3
1,56
0,39
1,44
108
56
14
20
22
52
0,08
3
0,61
22
1,17
27
0,75
Экзамен
4.2 Содержание дисциплины
Таблица 3
Тематический план учебной дисциплины
Наименование разделов и тем
дисциплин (укрупнёно)
Раздел 1. Введение.
Раздел 2. Нуклеиновые кислоты,
генетический код и синтез
макромолекул
Раздел 3. Молекулярная структура
генов и их хромосомная организация
Раздел 4. Структура генома. Геномика
Раздел 5. Технологии рекомбинантных
ДНК
Раздел 6. Молекулярное маркирование,
Всего
Аудиторная
работа
Л
ПЗ
ЛР
Внеаудито
рная
работа СР
3
15
1
3
2
3
6
3
6
1
2
-
3
6
19
1
2
2
5
10
3
2
7
2
2
-
3
9
Наименование разделов и тем
дисциплин (укрупнёно)
ДНК полиморфизм и паспортизация
животных
Раздел 7. Клеточная и генетическая
инженерия растений
Раздел 8. Культура животных клеток
Раздел 9. Правовое регулирование
создания и использования ГМО.
Правовые основы биоэтики.
Консультации
Подготовка к экзамену
Итого по дисциплине
Всего
Аудиторная
работа
Л
ПЗ
ЛР
Внеаудито
рная
работа СР
11
1
4
2
4
6
5
2
1
2
2
-
2
2
3
27
108
14
22
20
3
27
52
Раздел 1. Введение
Молекулярная биология – наука, изучающая макромолекулы, клеточные
процессы, генетический контроль процессов экспрессии генов, метаболизма,
развития и роста организма. Уровни организации живой материи на Земле.
Эволюция клетки. Методы молекулярной биологии. Связь молекулярной биологии с другими науками. История развития мировой и отечественной молекулярной биологии. Клеточная и генетическая инженерия: достижения и перспективы.
Раздел 2. Нуклеиновые кислоты, генетический код и синтез макромолекул
Строение и функции ДНК и РНК. Номенклатура нуклеиновых кислот.
Упаковка ДНК. Нуклеосомная структура. Организация ДНК в структуре хромосомы. Репликация ДНК. Ферменты репликации. Строение ориджина репликации. Этапы репликации. Репликация теломер. Репликон. Процессинг РНК.
Регуляция экспрессии генов. Генетический код. Синтез белка. Типы РНК.
Структура рибосомы. Открытая и закрытая рамка считывания. Протеомика.
Выделение ДНК из про- и эукариотических клеток. Измерение концентрации
ДНК и наличия примесей в образцах с помощью спектрофотометра Нанодроп.
Анализ ДНК с помощью гель-электрофореза. Приготовление агарозного геля и
заливка камер. Условия постановки гель-электрофореза. Подбор концентрации
агарозы в зависимости от размеров анализируемых фрагментов ДНК. Маркеры
размеров ДНК. Визуализации ДНК в ультрафиолете. Протоколирование результатов электрофореза.
10
Раздел 3. Молекулярная структура генов и их хромосомная организация
Ген как единица наследственной информации. Строение прокариотических генов. Строение эукариотических генов. Единичные гены и семейства генов. Протеин кодирующие гены. Тандемно-повторящиеся гены, кодирующие
рРНК, тРНК и гистоны. Кинетика реассоциации ДНК. Эволюция генов. Скорость мутирования единичного гена: методы определения.
Раздел 4. Структура генома. Геномика
Структура генома прокариот и эукариот. Мобильные элементы, строение
и функции. Вирусные и невирусные ретротранспозоны. Микро- и минисателлиты. Строение теломеры и центромеры. Геномика. С-значения парадокс. Различия размеров генома у видов подобных по сложности. Геномы высших эукариот и нефункциональная ДНК. Генетические базы данных.
Раздел 5. Технологии рекомбинантных ДНК
Гибридизация нуклеиновых кислот. Рестрицирующие нуклеазы. Саузерни Нозерн блоттинг. Получение рекомбинантных молекул ДНК. Клонирующие
и эксперессирующие векторы. Методы клонирования ДНК in vivo и in vitro (полимеразная цепная реакция – ПЦР). Области применения ПЦР: диагностика
инфекционных заболеваний и микробиологического загрязнения продовольствия, маркирование генов животных, выявления генетических заболеваний,
паспортизации животных. Секвенирование ДНК. Продукция биологически активных веществ в бактериях, дрожжах культурах клеток насекомых и позвоночных. Микробиологический синтез белков на основе рекомбинантных клеток
суперпродуцентов.
Раздел 6. Молекулярное маркирование, ДНК полиморфизм и паспортизация
животных.
Системы молекулярного маркирования: RFLP, AFLP, SSR, RAPD, ISSR.
Рестрицирующие нуклеазы (рестриктазы). Типы рестриктаз. Сайты рестрикции.
Биологическая роль систем рестрикции. Использование рестрикции для клонирования и создания молекулярных маркеров. Физическое картирование с помощью рестриктаз. Полимеразная цепная реакция и дизайн праймеров. Молекулярное маркирование хозяйственно ценных генов животных. ДНКпаспортизация животных.
Раздел 7. Клеточная и генетическая инженерия растений
Метод культуры растительных тканей. Понятие тотипотентности растительной клетки. Пионерские работы по культивированию изолированных рас11
тительных органов и тканей (работы Г. Хаберландта, К. Гебеля, Е. Ханнига, В.
Котте, Дж. Роббинса). Основоположники современного метода культивирования изолированных органов и тканей (Ф. Уайт, Р. Готре, Ф. Скуг, К. Миллер,
Ж. Морель, Т. Мурасиге). Каллусная ткань, ее свойства и способы получения и
культивирования. Морфогенетические процессы в культуре in vitro. Метод клонального микроразмножения. Метод слияния протопластов. Криоконсервация
растительных тканей. Получение гаплоидных и дигаплоидных растений. Методы генетической трансформации растений.
Раздел 8. Культура клеток животных
Научные основы для разработки методов культивирования клеток in vitro. Преимущества метода и ограничения. Строение и состав животной клетки. Клеточный цикл и цикл роста. Плотность культуры и контактное торможение. Зависимость от прикрепления и рост в суспензии. Адгезия. Запрограммированная
гибель клеток – апоптоз. Получение тканевой первичной культуры. Типы культивируемых клеток. Субкультивирование первичной культуры. Использование
культуры клеток в науке и практике. Гибридомы. Получение моноклональных
антител. Питательные среды для культивирования и условия выращивания. Работа в ламинаре. Автоклавирование. Устройство инвертированного микроскопа. Приготовление питательных сред и субкультивирование. Анализ роста клеток с использованием инвертированного микроскопа.
Раздел 9. Правовое регулирование создания и использования ГМО. Правовые основы биоэтики.
История создания международной и отечественной системы регулирования генетически модифицированных организмов (ГМО). Сравнительный
анализ систем государственного регулирования генно-инженерной деятельности в США, ЕС и РФ. Разрешенные ГМ культуры в РФ. Государственное
регулирование оборота ГМ культур в США и ЕС. Практика регулирования
рынка продукции биотехнологического сельского хозяйства в РФ. Процедура
регистрации генетически модифицированных источников (ГМИ) пищи и
кормов в РФ. Система управления рисками при высвобождении ГМО в
окружающую среду в РФ. Требования к полевым участкам для проведения
испытаний генетически модифицированных растений. Нормативные документы. Оценка безопасности ГМО и методы их идентификации.
Биоэтика: понятие и значение. Формирование биоэтики как науки. Основные проблемы биоэтики. Международные организации и правовое регулирование биоэтических проблем. Страсбургским симпозиумом по биоэтике
(1990). Всеобщая декларация о геноме человека и правах человека (ЮНЕСКО,1997); Всеобщая декларация о биоэтике и правах человека (ЮНЕСКО,
12
2005); Декларация о клонировании человека (ООН, 2005). Этические проблемы генных технологий: клонирование и трансплантация органов.
4.3 Лабораторные и семинарские занятия
Таблица 4
Содержание лабораторного практикума, семинарских занятий и
контрольных мероприятий
№ и название лабораторных,
практических и семинарских
занятий
Вид
контрольного
мероприятия
Колво
часов
№
п/п
№ раздела
1
3
Раздел 1. Введение
Семинар № 1. Организация молекуОпрос
лярно-биологической лаборатории.
Инструктаж по технике безопасности
Раздел 2. Нуклеиновые кислоты, генетический код и синтез макромолекул
Семинар № 2. Нуклеиновые кислоПисьменная конты. Типы, строение и функции
трольная работа
Лабораторная работа № 1. ВыделеЗащита лаборание геномной ДНК из растительной
торной работы
клетки
Лабораторная работа № 2.
Защита лабораВыделение геномной ДНК из житорной работы
вотной клетки
Лабораторная работа № 3. ГельЗащита лабораэлектрофорез ДНК
торной работы
Раздел 3.Молекулярная структура генов и их хромосомная организация
Опрос
2
4
Cеминар № 3. Кинетика реассоциации ДНК
Раздел 4. Структура генома. Геномика
Семинар № 4. Мобильные элементы, строение и функции.
Раздел 5. Технологии рекомбинантных ДНК
Лабораторная работа №4. Клонирование ДНК in vitro и in vivo
Опрос
2
Защита лабораторной работы
6
Защита лабораторной работы
2
Защита лабораторной работы
2
2
5
Лабораторная работа № 5 Постановка полимеразной цепной реакции
Лабораторная работа № 6 Анализ
ПЦР продуктов с помощью гель
электрофореза
Семинар № 5 Секвенирование ДНК
2
3
2
2
2
Опрос
2
Семинар № 6. Практическое применение технологий рекомбинант-
Опрос. Письменная контрольная
3
13
№ и название лабораторных,
практических и семинарских
занятий
ных ДНК
Вид
контрольного
мероприятия
работа
№
п/п
№ раздела
6
Раздел 6. Молекулярное маркирование, ДНК полиморфизм и паспортизация животных.
Семинар № 7 Молекулярное маркирование хозяйственно ценных генов
животных. ДНК-паспортизация животных.
Опрос. Письменная контрольная
работа
7
Раздел 7. Клеточная и генетическая инженерия растений
8
Лабораторная работа № 7. Введение
растительного материала (на примере семян томата) в культуру in
vitro
Семинар № 8. Методы генетической трансформации растений.
Направления генетической трансформации и современное состояние
генетически-модифицированных
растений в мире.
Раздел 8. Культура клеток животных
Защита лабораторной работы
Семинар № 9. Нормативные документы. Оценка безопасности ГМО
и методы их идентификации.
2
2
Защита лабораторной работы
4
Лабораторная работа № 9 СубкульЗащита лаборативирование животных клеток.
торной работы
Анализ роста клеток с использованием инвертированного микроскопа.
Раздел 9. Правовое регулирование создания и использования ГМО. Правовые основы биоэтики.
9
Колво
часов
2
Опрос
Всего
2
42
4.4 Перечень вопросов для самостоятельного изучения дисциплины
Вопросы, предлагаемые студентам для самостоятельного изучения представлены в таблице 5.
Таблица 5
Перечень вопросов для самостоятельного изучения дисциплины
№
п/п
№ раздела
1
Раздел 2.
Перечень рассматриваемых вопросов для
самостоятельного изучения
Белковый комплекс репликационной вилки. Ре-
Кол-во
часов
3
14
№
п/п
№ раздела
2
Раздел 3.
3
4
Раздел 4.
Раздел 5.
5
Раздел 6.
6
Раздел 7.
7
Раздел 8
8
Раздел 9.
9
Разделы
1-9
Перечень рассматриваемых вопросов для
самостоятельного изучения
Кол-во
часов
пликон. Процессинг РНК. Регуляция экспрессии
генов. Организация ДНК в структуре хромосомы.
Рестрикционный анализ геномов. Гибридизация
нуклеиновых кислот.
Ген как единица наследственной информации.
Скорость мутирования единичного гена.
Генетические базы данных.
Области применения ПЦР: диагностика инфекционных заболеваний и микробиологического загрязнения продовольствия, маркирование генов
животных, выявления генетических заболеваний,
паспортизации животных.
Биологическая роль систем рестрикции. Использование рестрикции для клонирования и создания
молекулярных маркеров.
Строение и состав растительной клетки. Питательные среды для культивирования растительных клеток и тканей, их состав. Факторы, влияющие на морфогенетические процессы в условиях
in vitro. Применение эмбриосохранения в селекции. Криоконсервация растительного материала.
Строение и состав животной клетки.
Нормативные документы. Всеобщая декларация о
геноме человека и правах человека (ЮНЕСКО,1997); Всеобщая декларация о биоэтике и
правах человека (ЮНЕСКО, 2005); Декларация о
клонировании человека (ООН, 2005).
Подготовка к экзамену, консультация.
3
3
2
3
4
2
2
30
Всего
52
4.5 Расчётно-графические работы, учебно-исследовательские работы и
контрольные вопросы
В рамках изучения дисциплины предусмотрено выполнение трех расчетно-графических работ по спектрометрии ДНК, электрофорезу в агарозном геле
и анализу плотности и роста животных клеток с использованием инвертированного микроскопа, а так же проведение следующих учебноисследовательских работ: выделение ДНК из растительной и животной клеток,
клонирование ДНК in vitro и выделение плазмидной ДНК, проведение полимеразной цепной реакции.
15
Конрольные вопросы:
1) Подчиняется ли РНК правилу комплементарности Чаргаффа?
2) Как проходит синтез отстающей цепи ДНК?
3) В каком месте начинается и заканчивается синтез ДНК?
4) Какова скорость движения репликативных вилок у прокариот и эукариот?
5) В чем проявляется экзонуклеазная активность ДНК-полимеразы?
6) Как организованы гены, кодирующие рРНК и гистоны?
7) Что означает С-генома парадокс?
8) Как можно получить высокий уровень экспрессии вставленного гена?
9) Как бактерии могут быть использованы для получения протеина животного или человека?
10) При каких условиях рестриктаза не подходит для клонирования фрагмента чужеродной ДНК?
11) Как можно выделить определенную последовательность ДНК из геномной ДНК?
12) Будет ли зависить ПЦР продукт от: а) направленности праймеров, б)
сиквенса праймеров, в) температуры плавления праймеров?
13) Как трансгенные мыши могут быть использованы в качестве модели
для изучения заболеваний человека и животных?
14) Будет ли наследоваться ген, если его путем микроинъекции ввести в
ядро соматической клетки?
15) Для получения лекарственных препаратов обязательно ли получение
трансгенного животного или можно ограничиться получением трансгенных органов или тканей?
16) Какие методы используют для введения чужеродной ДНК в эукариотическую клетку?
17) Как долго животная клетка может жить в культуре вне организма?
18) Сколько раз могут делиться клетки введенные в культуру in vitro?
19) Чем отличается нормальная диплоидная клеточная линия от раковой?
20) Что такое клеточная адгезия?
21) Как Вы понимате апоптоз?
22) Чем отличаются трансгенные растения от цисгенных?
23) В чем сходства и отличия каллусных клеток от соматических клеток
растения?
24) Какую систему молекулярного маркирования будете использовать
приналичии ДНК-зонда?
5. Образовательные технологии
Таблица 6
Применение активных и интерактивных образовательных технологий
№
п/п
1.
Тема и форма занятия
Методы исследова-
Л
Наименование используемых активных и интерактивных образовательных технологий
Мастер-класс компании «Карл Цейсс»
Кол-во
часов
2
16
№
п/п
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Тема и форма занятия
ний растительной и
животной клетки
Устройство инвертированного микроскопа
Выделение геномной ДНК из растительной клетки
Выделение геномной ДНК из животной клетки
Метод гельэлектрофореза
Рекомбинантные
ДНК и их практическое применение
Введение растительного материала
в культуру in vitro
Работа с микроинъектором.
Л
Наименование используемых активных и интерактивных образовательных технологий
Мастер-класс компании «Карл Цейсс»
Кол-во
часов
2
ПЗ Разбор и пояснение конкретных ситуаций
2
ПЗ Разбор и пояснение конкретных ситуаций
2
ПЗ Разбор и пояснение конкретных ситуаций
2
ПЗ Разбор и пояснение конкретных ситуаций
3
ПЗ Разбор и пояснение конкретных ситуаций
2
ПЗ Разбор и пояснение конкретных ситуаций
2
Всего: 17
Общее количество часов аудиторных занятий, проведённых с применением активных и интерактивных образовательных технологий составляет 17 часов
(30,4 % от аудиторной трудоёмкости дисциплины).
6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
6.1 Оценочные средства текущего контроля успеваемости и
сформированности компетенций
Виды текущего контроля:
выступление на семинаре (4 балла), 3 выступления - сумма баллов равна 12;
защита лабораторной работы или практического задания – 4 балла, 20 лабораторных работ и 2 практических задания– 88 баллов;
Итого: максимальная сумма баллов равна 100.
В случае пропуска семинаров, невыполнение лабораторных работ и практических заданий во время аудиторных занятий, предусмотренных расписанием, студентам предоставляется возможность отработать занятия во внеучебное
время. В этом случае защита практических работ сопровождается написанием
реферата по соответствующей теме.
Экзамен. Студент получает оценку «Отлично» за экзамен, если выполнены все лабораторные и практические работы, положительно оценены выступления на семинарах по темам курса, и общая сумма баллов выше 95% от мак17
симальной рейтинговой оценки, т.е. выше 95 баллов. Оценка неудовлетворительно соответствует рейтингу меньше 60%, меньше 60 баллов.
Удовлетворительно -61-74 %, 61 –74 балла. Хорошо - 75-85 %, 75-85
баллов. Отлично – 86 -100 %, 86-100 баллов.
Итоговый контроль – Экзамен.
6.2 Примерный перечень вопросов к экзамену по дисциплине
Промежуточная аттестация по итогам освоения дисциплин проводится в
форме зачета.
Перечень теоретических вопросов:
1. Эволюция клетки.
2. Структура нуклеиновых кислот.
3. Синтез ДНК: вилка репликации, «ведущая» и «отстающая» нити при репликации. Фрагменты Оказаки.
4. Комплекс белков в репликационной вилке.
5. Репликоны эукариот. Скорость движения репликативных вилок у прокариот
и эукариот. ДНК-полимеразы эукариот. Экзонуклеазная активность ДНКполимеразы
6. Нуклеосома как единица структурной организации хроматина. Октамер гистонов в составе нуклеосомы. Линкер и линкерный гистон.
7. Механизмы репарации. Основные ферменты, участвующие в репарации.
8. Эксцизионная репарация.
9. Механизм репарации неправильно спаренных нуклеотидов (mismatch репарация). Выбор репарируемой нити ДНК.
10. Скорость мутирования единичного гена. Методы определения.
11.РНК-полимеразы эукариот I, II и III. Участие разных полимераз в транскрипции разных клеточных РНК.
12.Инициация транскрипции РНК полимеразой II эукариот.
13.Кепирование, сплайсинг и полиаденилирование транскриптов, синтезируемых полимеразой II.
14.Синтез белка. Генетический код. Открытые и закрытые рамки считывания.
Кодон и антикодон. Строение рибосомы.
15.Рестрицирующие нуклеазы (рестриктазы). Типы рестриктаз. Сайты рестрикции. Биологическая роль систем рестрикции. Использование рестрикции
для клонирования и создания молекулярных маркеров. Физическое картирование с помощью рестриктаз.
18
16.Выделение растительной ДНК. Лизис клеток, состав буфера для экстракции,
депротеинизация и удаление примесей. Преципитация (осаждение) ДНК,
очистка, сушка и растворение.
17.Гибридизация нуклеиновых кислот. Саузерн- и Нозерн-блоттинг.
18.Разделение и анализ фрагментов ДНК в агарозном геле. Параметры определяющие скорость прохождения фрагментов ДНК в агарозном геле. Маркеры
молекулярного веса ДНК (маркеры размеров фрагментов ДНК).
19.Клонирование ДНК in vivo. Методы трансформации плазмидами. Получение
геномной библиотеки с помощью плазмидных векторов. Рекомбинантная
ДНК.
20.Клонирующий и экспрессирующий векторы.
21.Библиотеки кДНК.
22.Полимеразная цепная реакция (ПЦР). Основные принципы ПЦР. Компоненты и этапы ПЦР.
23.Методы секвенирования: секвенирование ДНК по Максаму и Гилберту (метод химической деградации); секвенирование ДНК по Сэнгеру, современные
методы секвенирования: пиросеквенирование и полони-секвенирование.
24.Ученые сделавшие великие открытия в молекулярной биологии (Джеймс
Уотсон, Френсис Крик, Розалин Франклин, Эрвин Чаргафф, Har Gobind
Khorana, Robert William, Holley Marshall, Warren Nirenberg, Kary Mullis, Michael Smith.
25.Молекулярное маркирование: RFLP, RAPD, SSRs, AFLP
26.Биоинформатика. Определение понятия биоинформатика и что в себя включает эта область исследований. Базы данных. NCBI (BLASTp, BLASTn,
BLASTx, TBLASTx). Примеры использования биоинформатики
28. Методы детекции ГМО в образцах растительного происхождения.
29. Биоэтика: понятие и значение. Формирование биоэтики как науки.
30. Международные организации и правовое регулирование биоэтических проблем.
31. Метод культуры растительной ткани in vitro.
32. Культура каллусных тканей.
33. Метод клонального микроразможения. Способы клонального микроразможения.
34. Методы генетической трансформации растений. Преимущества и недостатки.
19
35. Метод получения изолированных протопластов. Соматическая гибридизация и ее использование в селекции.
36. Современное состояние и перспективы развития трасгенных растений в мире.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
7.1. Основная литература
Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж и др. Молекулярная биология клетки. – М.:
Мир, 1994
Хрусталева Л. Биотехнология. Мультимедийные лекции для студентов
зооинженерного факультета. РГАУ-МСХА, 2005.
Молекулярная биология: структура и биосинтез нуклеиновых кислот / Под
ред. А.С.Спирина. – М. Высшая шк. 1990
7.2. Дополнительная литература
Патрушев Л.И. Экспрессия генов. – М.: Наука, 2000.
Уотсон Дж., Туз Дж. и Курц Д. Рекомбинантные ДНК. М.:Мир, 1986.
Глик Б.Р., Пастернак Д. – Молекулярная биотехнология. М. 2002.
Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология. В 3-х томах, 1982, Мир.
Щелкунов С. Н. Генетическая инженерия: Учеб.-справ. пособие . 2-е изд, испр.
и доп. – Новосибирск: Сиб унив. изд-во, 2004.
Фрешин Р. Культура животных клеток. Практическое руководство. М.: БИНОМ, 2011.
Албертс Б. Молекулярная биология клетки. / Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж и др.
М.: Мир, 1994. Т.1-3.
Спиер Р.Е., Адамс Г.Д., Гриффитс Дж.Б. и др. Биотехнология клеток животных. М.: Агропромиздат, 1989. Т. 1, 2.
Фридлянская И.И. Получение моноклональных антител (гибридомная технология). // Методы культивирования клеток. Л.: Наука, 1988. С. 194 - 205.
20
Детекция ГМО. Курс лекций и практических занятий. Центр молекулярной
биотехнологии РГАУ-МСХА. 2007, 86 с.
Методические указания по определению генетически модифицированных источников в образцах растительного происхождения (Учебное пособие для студентов биологических специальностей). Центр молекулярной биотехнологии
РГАУ-МСХА. 2009, 34 с.
Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та: Сиб. Унив. Изд-во, 2002.
7.4 Программное обеспечение и Интернет-ресурсы
Cайт кафедры генетики и биотехнологии www.plantgen.com как источник дополнительных материалов при освоении дисциплины «Сельскохозяйственная
биотехология».
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
8.1 Требования к аудиториям (помещениям, местам) для проведения занятий
Для проведения занятий по дисциплине «Сельскохозяйственная биотехология» необходимы два типа аудиторий. Для лекционного курса – мультимедийная аудитория, оснащенная проектором, компьютером, системой видео- и
звуковоспроизведения, настенный экран, а также меловой или маркерной доской. Вместимость аудитории определяется количеством студентов, которые
изучают данную дисциплину.
Для проведения лабораторно-практических занятий требуется специализированная аудитория, рассчитанная на 12 человек. В аудитории необходимо
наличие меловой или маркерной доски, раковины с кранами горячей/холодной
воды, вытяжным шкафом, ламинар-бокса, микроволновой печи и электрической плитки.
8.2 Требования к специализированному оборудованию
При выполнении лабораторно-практических занятий в аудитории требуется следующее специализированное оборудование общего пользования:
Водяная баня
Весы лабораторные
pH-метр
Нагревательный столик
Магинитная мешалка
Дистиллятор
Автоклав
Центрифуга
Амплификатор
Камеры, источник питания, УФ- трансиллюминатор для проведения и
21
анализа гельэлектрофореза ДНК.
Инвертированный микроскоп с микроинъектором
Ламинар-бокс
Другие материалы и лабораторная посуда: лабораторные колбы, стаканы
и мерные цилиндры (различных объемов), чашки Петри, матрасики, пинцеты,
пипетки, пробирки, одноразовые наконечники для пипеток, перчатки.
Помимо всего вышеперсчисленного, каждый студент должен быть обеспечен достаточным количеством расходных материалов и реактивов, а именно:
фильтровальная бумага, пробирки эппендорф (0,6 мл, 1,5 мл, 15 мл, 50 мл), одноразовые наконечники для пипеток, перчатки, дистиллированная вода, реактивы для питательных сред, наборы для выделения ДНК, агароза.
9. Методические рекомендации студентам по освоению дисциплины
Учебный процесс по освоению дисциплины «Молекулярная биология»
включает: лекционные, лабораторно-практические занятия, семинары и экскурсии. Все формы проведения занятий являются обязательными. В течении всего
курса рекомендуется пройти тестовые задания.
Перед допуском к работе в молекулярно биологической лаборатории,
необходимо пройти инструктаж по технике безопасности у ответственного лица. В начале каждого занятия следует проверить лабораторное оборудование на
наличие видимых повреждений. В случае, если обнаружены повреждения – сообщить преподавателю данного курса. В конце каждого занятия преподавателем подводятся итог по выполнению практического занятия и дается тема для
изучения на следующее занятие. После каждого ЛПЗ студентом проводится
уборка своего рабочего места.
Самостоятельная работа студентов включает отдельные разделы тем, рассмотренных во время аудиторных занятий, а так же темы, которых нет в лекционном курсе, а также ЛПЗ и на семинарах.
Виды и формы отработки пропущенных занятий
Студент, пропустивший занятия, обязан в установленные кафедрой дни и
время (не позднее окончания зачетной недели) отработать лабораторные или
практические занятия. К отработкам допускается студенты, владеющие теоретическим материалом по выполняемой работе, которые проверяются преподавателем в форме устного опроса. Пропущенные семинарские занятия отрабатываются в виде написания реферата, с последующей защитой его.
10. Методические рекомендации преподавателям по организации обучения
по дисциплине
Наибольшие трудности могут быть связаны с организацией лабораторного практикума. Ниже приведены рекомендации по разделам:
Раздел 2
22
Выделение ДНК из про- и эукариотических клеток. Иметь простой и дешевый протокол выделения, например с использованием щелочного лизиса.
Для выделения ДНК из животной клетки хорошо подходит печень курицы. Не
использовать фенол для очистки ДНК от примесей из-за его токсичности и летучести (испаряется при комнатной температуре).
Электрофорез в агарозном геле. Показывать этапы приготовления геля,
но иметь до начала занятия уже застывший гель и образец ДНК на случай, если
студенты не смогут успешно выделить ДНК, чтобы они имели возможность
увидеть ДНК в УФ-трансиллюминаторе.
Раздел 7
Заранее подготовить ламинар-бокс для работы. Заранее подготовить стерилизованные сосуды для культивирования с агаризованной питательной средой, составленной по прописи Мурасиге-Скуга, без добавления регуляторов роста. В качестве материала для введения в культуру in vitro рекомендуется использовать семена, стерилизация которых не требует длительного времени,
например, семена томата. В качестве стерилизующего агента использовать 20%
водный раствор хлорсодержащего коммерческого отбеливателя АСЕ с добавлением 0,01% детергента Tween 20.
Раздел 8
Иметь хорошо перевиваемую культуру клеток, например HELA.
Иметь для демонстрации уже готовые образцы клеточных линий, фиксированные на стенках матрасика.
В качестве повышающего коэффициента оценки выполнения задания могут быть предложенные обучающимся дополнительные исследования и эксперименты, направленные на совершенствование проведенной работы. На семинарских занятиях необходимо предоставлять возможность выступления каждому студенту группы.
Программу разработали:
Профессор кафедры генетики и биотехнологии, д.б.н. Хрусталева Л.И.; старший преподаватель, к.б.н. Халилуев М.Р.
23