Кафедра молекулярной биологии
Пущинского филиала МГУ им. М. В. Ломоносова

ПРОГРАММА КУРСА

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА ПРОКАРИОТ

Направление: 510600 - Биология

Специализация: 51611 - Биохимия и молекулярная биология

Составитель: кандидат биологических наук, доцент
Владимир Николаевич Ксензенко

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

    Генетика - основа современной биологии. Этот факт становится очевидным по мере дифференциации и специализации различных биологических наук. Универсальные законы наследственности и изменчивости справедливы для всех организмов. Бурное развитие генетики в последние годы связано с изучением механизмов сохранения, передачи и реализации генетической информации на молекулярном уровне, что привело к рождению фактически новой дисциплины - молекулярной генетики. Достижения в этой области знаний в свою очередь являются основой для развития целого ряда смежных специальностей, включая молекулярную биологию.

    Данный курс призван дать студентам систематические знания о конкретных механизмах реализации генетической информации у микроорганизмов. В задачи курса входит изучение принципов организации генома прокариот, знакомство с основами и последними достижениями в области репликации, рестрикции и модификации, рекомбинации и репарации генетического материала, транскрипции генов. Полученные знания могут быть успешно использованы для нужд современной биотехнологии.

    Курс "Молекулярная генетика прокариот" является одним из основных для подготовки студентов по указанным специальностям. Он опирается на знания, полученные слушателями в результате изучения курсов "Общая генетика" или "Генетика с основами селекции", а также "Общая биохимия".
Предлагаемый курс может читаться параллельно с курсами "Структурная организация белков и нуклеиновых кислот", "Биосинтез белка" и "Методы генетической инженерии".

Общий объем курса лекций: 24 часа

Форма проверки знаний: экзамен

ПРОГРАММА

  • 1. История возникновения молекулярной генетики. Молекулярные основы наследственности. Доказательство генетической роли нуклеиновых кислот. Основные структурные элементы ДНК и РНК. Первичная структура нуклеиновых кислот. Модель Уотсона-Крика. Альтернативные двуспиральные структуры ДНК. Влияние суперспирализации на структуру двойной спирали. Организация генома прокариот. Современные методы и подходы к изучению геномов (геномика). Бактериальный геном. Плазмиды. Методы картирования. Геном вирусов бактерий.

  • 2. Молекулярные механизмы репликации. Полуконсервативный механизм редупликации ДНК (опыт Мезельсона и Сталя). Понятие репликона. Репликативная "вилка". Типы репликации (модели, предусматривающие образование Q-формы и D-петли, модель "катящегося кольца"). Регуляция репликации хромосомы бактерий. Особенности репликации ДНК у бактериофагов. Клеточный цикл и сегрегация хромосом. Механизмы репликации плазмид. Группы несовместимости плазмид. Механизм биосинтеза ДНК. Роль матрицы, dNTP, образование комплиментарного продукта. "Расплетающие" белки. Инициация синтеза ДНК. Структура и порядок образования праймосомы. Фрагменты Оказаки. Ферменты биосинтеза ДНК. ДНК-полимераза I (фермент Корнберга). Мутации в гене ДНК-полимеразы I. Фрагмент Кленова. Роль ДНК-полимеразы III в репликации. Точность редупликации ДНК и мутантные ДНК-полимеразы. ДНК-полимеразы бактериофагов. ДНК-лигазы. Понятие реплисомы. Современные модели репликации.

  • 3. Пути обмена генетической информации у микроорганизмов. Пол и конъюгация у бактерий. Половой фактор. Организация tra-оперона. Стадии процесса конъюгации. Трансформация. Особенности процесса у разного типа бактерий. Молекулярные механизмы трансдукции. Трансдуцирующие фаги. Картирование хромосом бактерий с использованием систем конъюгации, трансдукции и трансформации. Методы молекулярно-генетического анализа.

  • 4. Молекулярные механизмы возникновения мутаций. Классификация мутаций. Мутации, возникающие в процессе репликации ДНК. Гены - мутаторы. Индуцированный мутагенез. Механизм действия мутагенов (УФ, радиация, аналоги оснований, алкилирующие агенты, азотистая кислота, акридиновые красители и т.д.).

  • 5. Механизмы репарации ДНК. Репарационные системы. Световая репарация. Эксцизионная репарация. Репарация неспаренных оснований. Пострепликативная репарация. Толерантная репарация. SOS - ответ. Механизм работы продуктов гена uvr (UvrA,B,C,D). Гены-мутаторы. Коррекция неспаренных оснований с участием продуктов генов mutH, mutS и mutL. Другие ферменты, участвующие в репарации: N-гликозидазы, апуриновая эндонуклеаза, ферменты рекомбинационного комплекса, ДНК-полимераза I, ДНК-лигаза и пр. Обнаружение новых ДНК-полимераз, участвующих в репарационном процессе (ДНК-полимеразы IV и V). Молекулярный процесс их функционирования, связь с мутационным процессом.

  • 6. Молекулярные механизмы рекомбинации. Типы генетической рекомбинации. Общая (гомологичная) рекомбинация. Разрыв и воссоединение нитей ДНК. Ассимиляция нитей. Образование гетеродуплексной области. Структуры Холлидея. Генная конверсия. Энзимология процесса рекомбинации. Роль нуклеазы RecB,C. Белок RecA и условия рекомбинации. Функция белков RuvA,B,C. Горячие точки рекомбинации. Схема Дж. Жостака (репарация двунитевого разрыва). Молекулярные механизмы процесса "homing" (возвращения домой). Сайт-специфическая рекомбинация (на модели интеграции хромосомы фага l). Гены, контролирующие интеграцию и эксцизию. Молекулярные механизмы процесса. Структура интасомы. Сайт-специфическая рекомбинация, приводящая к инверсиям участков хромосомы (на примерах инверсии фрагмента G фага Mu и фазовым вариациям у салмонеллы). Биологическая роль инверсий. Механизм работы инвертаз.

  • 7. Нестабильность генома. Мобильные генетические элементы микроорганизмов. IS-элементы и транспозоны бактерий. Инфекционные интроны в генах бактериофагов. Молекулярные механизмы транспозиции. Репликативная и нерепликативная транспозиция. Фаг Mu. Регуляция процесса транспозиции. Изменения генома микроорганизмов, вызываемые транспозируемыми элементами. Механизмы регуляции частоты транспозиции на примерах транспозонов TnA и Tn10. Горизонтальный перенос генов и его роль в эволюции прокариот.

  • 8. Системы рестрикции и модификации ДНК. Роль систем рестрикции и модификации ДНК, индуцируемых клеткой-хозяином. Метилирование ДНК фагов и бактерий. Рестрикция неметилированной ДНК. Классификация систем рестрикции - модификации. Ферменты рестрикции и модификации. Генетические и биохимические данные об их структуре. Специфичность рестриктаз и метилаз. Механизм действия. Антирестриктазные механизмы бактериофагов.

  • 9. Транскрипция и биосинтез РНК. Стадии транскрипции. Структура и функция бактериальной РНК-полимеразы. Сайты инициации транскрипции у бактерий. Структура промоторов. Механизмы узнавания промотора РНК-полимеразой. Системные переключения инициации транскрипции: синтез новых РНК-полимераз (на примере Т7-подобных фагов) и использование альтернативных s-факторов (на примере спорообразования у Bacillus subtilis). Терминация транскрипции. Механизмы антитерминации.

  • 10. Регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции. Классическая схема оперона по Жакобу и Моно. Индукция и репрессия синтеза ферментов на примере лактозного оперона. Катаболитная репрессия как пример позитивной регуляции транскрипции. Явление аттенуации (на модели триптофанового оперона). Организация регуляторной области арабинозного оперона. "Строгий" контроль регуляции генной активности при аминокислотном голодании. Особенности регуляции транскрипции у бактериофагов. Фагоспецифические РНК-полимеразы. Регуляция транскрипции ДНК фага l.

  • 11. Заключение. Использование результатов молекулярно-генетических исследований в решении проблем геносистематики, экологии и биотехнологии микроорганизмов (включая задачи медицинской микробиологии).

    • ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

    1. Сингер М., Берг П. Гены и геномы. М., Мир, 1998, том1, том2.

    2. Рыбчин В.Н. Основы генетической инженерии. СПб, СПбГТУ, 1998, 2-издание, перераб. и дополн., 522 с.

    3. Энциклопедия. Современное естествознание. Том. 2. Общая биология. Под редакцией Ю.П.Алтухова. М., Магистр-Пресс, 2000, 343 с.

    4. Энциклопедия. Современное естествознание. Том. 8. Молекулярные основы биологических процессов. Под редакцией Ю.А.Владимирова. М., Магистр-Пресс, 2000, 407 с.

    5. Агол В.И., Богданов А.А., Гвоздев В.А. и др.; под ред. А.С.Спирина. Молекулярная биология: Структура и биосинтез нуклеиновых кислот. М., Высшая школа, 1990, 352 с.

    6. Льюин Б. Гены. М., Мир, 1987. 465 с. (Имеется on-line версия этого учебника: http://www.genes.net)

    7. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. М., Мир, 1994, том 1, том 2.

    ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

    1. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. М., Высшая школа, 1989, 591 с.

    2. Алиханян С.И., Акифьев А.П., Чернин Л.С. Общая генетика. М., Высшая школа, 1985, 448 с.

    3. Хесин Р.Б. Непостоянство генома. М., Наука, 1984, 472 с.

    4. Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. М., Мир, 1987. том 1, том 2.

    5. Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. М., Мир, 1981. 628 с.