Рабочая программа по генетике микроорганизмов для студентов

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
УЛЬЯНОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ФАКУЛЬТЕТ ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ
Кафедра микробиологии, вирусологии, эпизоотологии и ветеринарно-санитарной экспертизы
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе, доцент
Декан факультета, профессор
__________ М.В. Постнова
«15» сентября 2009 г.
__________ С.Н. Золотухин
«15» сентября 2009 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
ПО ДИСЦИПЛИНЕ ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ
ДЛЯ СТУДЕНТОВ ФАКУЛЬТЕТА ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ
ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 02.02.09.65 «МИКРОБИОЛОГИЯ»
ОЧНАЯ ФОРМА ОБУЧЕНИЯ
Курс…………………………………………
Семестр……………………………………..
Лекции……………………………………...
Лабораторно-практические занятия……...
Самостоятельная работа…………………..
Общая трудоемкость дисциплины………..
4
8
8
8
14
30
ОЧНО-ЗАОЧНАЯ ФОРМА ОБУЧЕНИЯ
Курс…………………………………………
Семестр……………………………………..
Лекции……………………………………...
Лабораторно-практические занятия……...
Самостоятельная работа…………………..
Общая трудоемкость дисциплины………..
Ульяновск – 2009
4
9
8
8
14
30
2
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
ПО ДИСЦИПЛИНЕ ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ
для студентов факультета ветеринарной медицины
по специальности 02.02.09.65 «Микробиология»
Цели и задачи дисциплины
Цель данной дисциплины – подготовить специалиста, будущего микробиолога, владеющего теоретическими
знаниями о законах наследственности и изменчивости, способах передачи генетической информации у
микроорганизмов, а также прикладные аспекты селекционной работы с микроорганизмами, методами генетического
конструирования микроорганизмов для использования в качестве промышленных штаммов.
Осуществление поставленной цели предусматривает решение ряда задач:
1. Изучить особенности микроорганизмов как объектов генетических исследований;
2. Изучить организацию генетического аппарата и жизненные циклы микроорганизмов;
3. Изучить мутации у микроорганизмов;
4. Изучить хромосомные признаки эукариотических микроорганизмов;
5. Изучить формы переноса генетического материала и генетическое картирование у бактерий;
6. Изучить рекомбинацию и генетический анализ у бактериофагов;
7. Изучить процесс слияния протопластов у микроорганизмов;
8. Изучить внехромосомные генетические системы;
9. Изучить мигрирующие генетические элементы микроорганизмов;
10.Изучить генетические аспекты селекции микроорганизмов
3
Согласно требованиям квалификационной характеристики студенты должны знать:
 строение клетки и организация генетического аппарата прокариот и эукариот;
 жизненные циклы классических объектов генетических исследований;
 особенности мутагенеза;
 перенос генетической информации
 у различных групп микроорганизмов;
 особенности селекционной работы с микроорганизмами.
4
Лекции (темы) по генетике микроорганизмов (очная и очно-заочная форма обучения)
№
п/п
1
2
Название и краткое содержание темы
Введение
Место генетики микроорганизмов в системе генетических
дисциплин. Вклад этой отрасли генетики в общую систему
генетических знаний. Особенности микроорганизмов, как
объекта генетических исследований.
Организация генетического аппарата и жизненные
циклы микроорганизмов
Эукариоты. Жизненные циклы классических объектов
генетических исследований: грибов (дрожжей, аспергиллов,
нейроспоры) и зеленых водорослей (хламидомонады).
Прокариоты. Строение клетки и организация генетического
аппарата. Организация генов в хромосоме. Линейные
хромосомы бактерий. Особенности организации клеток и
жизненный
цикл
актиномицетов.
Бактериофаги.
Вирулентные бактериофаги. Их строение и жизненный
цикл на примере Т-четных бактериофагов. Умеренные
бактериофаги (на примере бактериофага ).
Мутации микроорганизмов
Эволюция взглядов на изменчивость микроорганизмов.
Методы
доказательства
мутационной
природы
изменчивости
бактерий.
Виды
изменчивости
микроорганизмов. Мутации микроорганизмов, методы из
выделения используемые в генетических исследованиях.
Мутации грибов, водорослей и бактерий. Мутации
Рекомендуемая
литература
Кол-во
часов
ТСО
Форма
контроля
1
Мультимедио
презентация
Опрос на
ЛПЗ
1, 4,
9, 11
2
Мультимедио
презентация
Опрос на
ЛПЗ
1, 4,
9, 11,
12, 13
5
3
бактериофагов. Обратные мутации. Различия в частотах
разных типов мутаций и их причины. Понятие о
мутационных
системах
и
мутационном
анализе.
Популяционная изменчивость бактерий. Популяционные
изменения в относительно постоянных и меняющихся
условиях среды: на твердых и в жидких средах.
Популяционное давление и факторы, влияющие на скорость
популяционных изменений. Популяционные изменения
патогенных бактерий in vivo.
Гибридологический анализ хромосомных признаков у
эукариотических микроорганизмов
Анализ мейотического расщепления (на примере грибов).
Методы получения гибридов и отбора рекомбинантов.
Генетический анализ при изучении случайной выборки
спор. Тетрадный анализ при неупорядоченных и
упорядоченных
тетрадах.
Анализ
закономерностей
наследования
признаков
при
моногибридном
и
дигибридном
скрещиваниях,
анализ
сцепленного
наследования признаков у дрожжей. Способы выражения
расстояний на генетической карте при тетрадном анализе.
Конверсия гена.
Анализ митотического расщепления (на примере
мицелиальных грибов). Парасексуальный цикл и его этапы.
Гетерокариозис у грибов. Лабораторные методы получения
гетерокарионов, их свойства. Гетерозиготные диплоиды,
метод их получения, свойства. Митотическое расщепление
гетерозиготных диплоидов и его механизмы. Методы
картирования при митотическом анализе на примере
аспергиллов. Митотические карты. Парасексуальный цикл.
2
Мультимедио
презентация
Опрос на
ЛПЗ
1, 4,
5, 11
6
4
Формы переноса генетического материала и
генетическое картирование у бактерий
Трансформация. Природа трансформирующего фактора.
Особенности переноса генетического материала при
трансформации.
Генетическое
картирование.
Трансформация
у
грамположительных
и
грамотрицательных бактерий. Спонтанная трансформация.
Трансфекция. Лизогения и трансдукция. Явление
лизогении: лизогенные бактерии и их свойства, иммунитет.
Профаг, его функции в клетке, механизм интеграции в
хромосому и исключение.
Специфическая трансдукция: ее особенности и механизмы.
Использование
специфической
трансдукции
при
генетическом анализе у бактерий. Общая трансдукция: ее
особенности и механизмы. Возможности генетического
картирования
при
неспецифической
трансдукции.
Абортивная трансдукция. Трансдукция у разных видов
бактерий.
Конъюгация. Половая дифференцировка у кишечной
палочки (свойства F-, F+ и Hfr - штаммов). Сексдукция.
Перенос хромосомы при конъюгации. Мерозиготы. Частота
переноса и частота включения маркеров. Методы
картирования хромосомы при конъюгации. Конъюгация у
различных видов бактерий.
Перенос генетического материала и генетическое
картирование у актиномицетов. Получение гибридных
клонов, коньюгация актиномицетов; конъюгативные
плазмиды. Использование гетероклонов и рекомбинантов
для генетического анализа. Половые типы актиномицетов.
2
Мультимедио
презентация
Опрос на
ЛПЗ
1, 4,
8, 11
7
5
Рекомбинация и генетический анализ у бактериофагов
Вирулентные бактериофаги (на примере Т-четных фагов).
Вегетативный фонд фаговых геномов в бактериальной
клетке и особенности скрещивания бактериофагов.
Гетерозиготы Т-четных фагов; их свойства и молекулярная
структура. Генетический анализ у Т-четных фагов.
Умеренные бактериофаги (на примере ). Гетерозиготы.
Методы генетического анализа вегетативного фага и
профага. Генетичеcкие карты: циклическая и линейная.
Генетические аспекты селекции микроорганизмов
Микроорганизмы, используемые в селекционной работе.
Особенности микроорганизмов как объектов селекционной
работы. Основные направления и методы селекции
микроорганизмов:
использование
естественной
изменчивости;
искусственный
отбор;
возможности
использования гибридизации; генная инженерия.
Итого
2
9
Мультимедио
презентация
Опрос на
ЛПЗ
1, 3, 4, 6,
10, 12
8
Лабораторно-практические занятия по генетике микроорганизмов (очная и очно-заочная форма обучения)
№
п/п
1
2
3
Название и краткое содержание темы
Лабораторно-практические занятия
Летальное и мутагенное действие УФЛ на клетки
Escherichia coli
Подготовка и стерилизация посуды и сред. Посев бактерий
в МПБ и их выращивание.
Приготовление суспензии клеток бактерий. Облучение,
приготовление разведений и посев бактерий на МПА и
селективные среды. Инкубация посевов.
Подсчет колоний, выросших на МПА и селективных
средах. Оформление результатов.
Конъюгация у Escherichia coli. Картирование генома по
градиенту передачи маркеров
Приготовление и стерилизация сред, растворов и посуды.
Подготовка
бактериальных
культур,
вводимых
в
скрещивание.
Проведение скрещивания, приготовление разведений и
посевы на селективные среды и МПА. Инкубация
засеянных чашек.
Подсчет колоний на чашках и оформление результатов.
Семинарские занятия
Подведение итогов семинарских занятий
Контрольная работа по тематике лекционных и
лабораторно-практических занятий.
Итого:
Кол-во
часов
ТСО,
материалы,
оборудование
Форма
контроля
4
Центрифуга;
источник
УФЛ,
секундомер;
термостат на
37С; счетчик
колоний;
селективные
среды, посуда.
Опрос на
занятии
4
Центрифуга;
счетчик
колоний;
селективные
среды, посуда.
Опрос на
занятии
1
9
Рекомендуемая
литература
1, 4,
9, 13
1, 4, 5
9
Темы для самостоятельной работы
№
п/п
1
2
3
Название и краткое содержание темы
Слияние протопластов у микроорганизмов – метод создания гибридных штаммов
Получение, слияние и реверсия протопластов, частоты этих событий. Процесс формирования
гибридов при слиянии протопластов. Особенности гибридов, полученных путем слияния
протопластов и перспективы их использования.
Внехромосомные генетические элементы
Цитоплазматические системы эукариот. Мутации генов хлоропластов хламидомонады и
митохондрий дрожжей и методы их выделения. Генетические карты хлоропластов и метод их
построения (на примере хламидомонады). Генетические методы картирования митохондриального
генома (на примере дрожжей-сахаромицетов). Бактериальные плазмиды, их классификация и
фенотипические признаки. Репликация плазмид. Взаимодействие плазмидных репликонов в
бактериальной клетке: исключение вхождения и несовместимость, рекомбинация. Интеграция
плазмид в хромосому. Использование плазмид при генетическом анализе у бактерий. Методы
генетического анализа плазмидной ДНК. Трансформация плазмидной ДНК. Плазмиды
актиномицетов. Плазмиды дрожжей-сахаромицетов. Плазмиды мицелиальных грибов.
Мигрирующие генетические элементы микроорганизмов
Инсерционные последовательности (Is) и транспозоны (Tn) бактерий. Механизмы транспозиции.
Генетические эффекты, вызываемые внедрением в геном мигрирующих элементов. Интегроны.
Конъюгативные транспозоны. Возможные механизмы возникновения Tn. Мигрирующие элементы и
естественный отбор. Роль Tn в эволюции бактерий.
Бактериофаг Mu. Строение вириона и генома, упаковка фага. Цикл развития. Механизм интеграции
в бактериальный геном. Последствия интеграции Mu в геном бактерий. Мигрирующие элементы
дрожжей. ТуI элемент, его структура и способ внедрения в ДНК-мишень. Генетические эффекты,
вызываемые внедрением в геном Ту I. Система определения типа спаривания у дрожжей (a---).
Итого
Кол-во
часов
4
4
4
12
10
Реализация требований государственного стандарта по специальности 02.02.09.65 «Микробиология» по курсу
«Генетика микроорганизмов»
Содержание требований
Государственного образовательного стандарта
Законы наследственности и изменчивости микроорганизмов
Способы передачи генетической информации у микроорганизмов
Селекционная работа с микроорганизмами
Методы генетического конструирования микроорганизмов для использования в качестве
промышленных штаммов.
Тема (раздел)
1
4
5
4
11
Примерные вопросы к зачету
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Микроорганизмы как объект генетики. Особенности строения прокариотической клетки. Различия систем
обмена генетической информацией у прокариот и высших эукариот.
Стадии процесса трансформации. Природа эклипс-периода. Рекомбинация ДНК при трансформации.
Молекулярные механизмы трансформации.
Различия в структуре и функционировании генетического аппарата бактерий и эукариот. Оперонная
организация генов прокариот; аттеньюация транскрипции; природа полярных мутаций.
Генетический анализ при трансформации. Тест на генетическую сцепленность маркеров. Ограничения
генетического анализа при трансформации.
Геномы микроорганизмов. Структурная организация геномной ДНК вирусов; плазмиды и хромосомы
бактерий. Проблемы репликации линейной ДНК. Общее представление о теломерах.
Биология бактериофагов. Определение числа жизнеспособных фаговых частиц. Одиночный цикл размножения
фага.
Репликация хромосомы и клеточный цикл у бактерий. Генетический контроль процесса деления
бактериальной клетки. Сегрегация копий хромосом по дочерним клеткам.
Умеренные фаги. Лизогения и состояние профага. Зиготная индукция. Интеграция и исключение фаговой
ДНК. Специфическая трансдукция. LFT- и HFT-фаголизаты.
Цикл деления эукариотической клетки. Принцип действия циклинов, регуляторов клеточного цикла. Роль
фосфорилирования белков-мишеней в регуляции различных стадий цикла.
Общая схема регуляции лизогенного и литического путей развития фага λ. Принципы каскадной активации и
переключения генов.
Жизненные циклы микроорганизмов-эукариот; гаплоидный цикл. Неядерная наследственность и
использование особенностей клеточного цикла для ее изучения.
Общая трансдукция. Соотношение вирулентности и трансдуцирующей способности у фагов. Абортивная
трансдукция, значение для генетического анализа.
Основы генетического анализа у эукариотических микроорганизмов. Генетический контроль полового
процесса у низших грибов; типы спаривания у дрожжей, молекулярные механизмы их переключения.
12
14. Коньюгация у бактерий. Половой фактор. Градиент переноса генов и временное картирование. Картирование
генов по частоте рекомбинации.
15. Типы классификации мутаций. Тесты, доказывающие спонтанную природу мутаций.
16. Модель Кэмпбелла и молекулярная природа образования Hfr-штаммов. F-фактор, сексдукция и ее значение для
генетического анализа.
17. Общие представления о причинах и генетическом контроле спонтанного мутагенеза. Ошибки репликации;
горячие точки мутаций.
18. Молекулярно-генетическая организация F-фактора. Оперон tra-генов, регуляция и функционирование.
Коньюгативный перенос F-фактора и хромосомы.
19. Спонтанные изменения и нарушения азотистых оснований. Депуринизация, дезаминирование, окислительные
повреждения.
20. Конъюгативные плазмиды на примере R-факторов. Мобилизуемые плазмиды. Гены mob и их функциональная
гомология tra-генами. Другие плазмиды и их роль в жизнедеятельности бактерий.
21. Индуцированный мутагенез. Мутагенные факторы. Молекулярные механизмы действия аналогов оснований.
22. Транспозиция как генетическое явление; генетические эффекты, связанные с функционированием мобильных
генетических элементов. Структурно-функциональная организация IS-элементов.
23. Основные системы репарации: ДНК-гликозилазы и эксцизионная репарация ДНК, SOS-репарация.
Пострепликативная репарация. Система «mismatch repair».
24. Транспозоны: простые и составные. Структурно-функциональная организация Tn917. Модель репликативной
транспозиции Шапиро. Функции трансполаз и резолваз.
25. Классификация и анализ мутаций на молекулярном уровне; природа полярных мутаций у прокариот.
26. Модель консервативной транспозиции Берга. Структурно-функциональная организация Tn5. Неравноценность
IS50L и IS50R. Цис-действие транспозазы и гипотеза о происхождении Tn-элементов.
27. Классификация обратных мутаций. Внутригенная и внегенная супрессии и их механизмы.
28. Биология бактериофага Mu. Структурно-функциональная организация вирионной ДНК. Дуализм Mu.
29. Трансформация как генетическое явление. Понятие о компетентности клеток. Искусственные системы
трансформации.
30. Интегроны и коньюкативные транспозоны. Общие представления об их структурно-функциональной
организации и происхождении.
13
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Основная
Гусев, М.В. Микробиология / М.В. Гусев, Л.А. Минеева. – М.: Академия, 2008.
Пиневич, А.В. Микробиология прокариот / А.В. Пиневич. – Спб.: Изд-во Спб ГУ, 2009.
Современная микробиология. Прокариоты / под редакцией Г. Шлегеля [и др.]. Перевод с англ. под редакцией
А.И. Нетрусова, Т.С. Ильиной. – М.: Мир, 2007.
Дополнительная
Айала, Ф. Современная генетика / Ф. Айала, Дж. Кайгер. – М..: Мир, 1987.
Бил, Д. Внеядерная наследственность / Д. Бил, Д. Ноулз. – М..: Мир, 1981.
Жимулев, И.Ф. Общая и молекулярная генетика / И.Ф. Жимулев. – Новосибирск: Сибирское университетское
издание, 2003.
Жуков-Вережников, Н.Н. Генетика бактерий /Н.Н. Жуков-Вережников, А.П. Пехов. – М.: Медгиз, 1963.
Захаров, И.А. Курс генетики микроорганизмов / И.А. Захаров. – Минск: Вышэйшая школа, 1978.
Крылов, В.Н. Геном бактериофагов / В.Н. Крылов, в сб. Организация генома. – М.: Наука, 1989.
Плазмиды. Методы / Под редакцией К.Харди. – М.: Мир, 1990.
Прозоров, А.А. Генетическая трансформация и трансфекция / А.А. Прозоров. – М.: Наука, 1980.
Рыбчин, В.Н. Основы генетической инженерии / В.Н. Рыбчин. – СПб.: Издательство Спб ГТУ, 1999.
Стент, Г. Молекулярная генетика / Г. Стент, Р. Кэлиндар. – М.: Мир, 1981.
Хейс, У. Генетика бактерий и бактериофагов / У. Хейс. – М.: Мир, 1965.
Хесин, Р.Б. Непостоянство генома / Р.Б. Хесин. – М.: Наука, 1984.
14
Программу разработали
__________
С.Н. Золотухин
__________
Е.Н. Ковалева
«2» сентября
Программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры
микробиологии, вирусологии, эпизоотологии и ВСЭ
2009 г.
Программа обсуждена и одобрена методической
комиссией факультета ветеринарной медицины
Протокол № 1 от «3» сентября 2009 года
Протокол № 1 от «15» сентября 2009 года
Зав. кафедрой
Председатель
методической комиссии
Д.А. Васильев
О.А. Липатова
15
ЛИСТ ПЕРЕУТВЕРЖДЕНИЯ
Номер протокола заседания кафедры
№ 1 от 02.09.2010 г.
Номер протокола заседания методической комиссии
№ 1 от 24.09.2010 г.
Программу переутвердили
С.Н. Золотухин
Е.Н. Ковалева
Председатель методической комиссии, доцент ___________________О.А. Липатова.
16
ЛИСТ ИЗМЕНЕНИЙ №2
Изменения
ФГОУ ВПО «Ульяновская
ГСХА» изложить в
следующей редакции ФГБОУ
ВПО «Ульяновская ГСХА»
Основания для изменений
Приказ №
25.05.2011
192
А
Номер протокола
заседания кафедры
от № 1 от 04.09.2011 г.
Программу переутвердили
С.Н. Золотухин
Е.Н. Ковалева
Председатель методической комиссии, доцент ___________________О.А. Липатова.
Номер протокола
заседания
методической
комиссии
№ 1 от 28.09.2011 г.
17
ЛИСТ ИЗМЕНЕНИЙ №3
Изменения
Вирусология / А.В. Пиневич [и
др.].. – Спб.: Изд-во Спб ГУ, 2012.
– 432 с.
ФГБОУ
ВПО
«Ульяновская
ГСХА» изложить в следующей
редакции
ФГБОУ
ВПО
«Ульяновская ГСХА им. П.А.
Столыпина»
Основания для
изменений
Номер протокола
заседания кафедры
Поступление
новой № 1 от 03.09.2012 г.
литературы
в
библиотечный фонд
Приказ
Министерства № 1 от 03.09.2012 г.
сельского хозяйства РФ
№ 126 от 22 февраля 2012
года о переименовании
ВУЗа
Программу переутвердили
С.Н. Золотухин
Е.Н. Ковалева
Председатель методической комиссии, доцент ___________________О.А. Липатова.
Номер протокола
заседания методической
комиссии
№ 1 от 11.09.2012 г.
№ 1 от 11.09.2012 г.
18
ЛИСТ ИЗМЕНЕНИЙ №4
Номер
Номер
протокола
протокола
Изменения
Основание для изменений
заседания
заседания
методической
кафедры
комиссии
Бактериофаги микроорганизмов значимых для Сотрудниками
кафедры
изданы
№ 1 от
№ 1 от
животных, растений и человека. Научное монографии по бактериофагам
4.09.2013г. 27.09.2013г.
издание / Д.А. Васильев [и др.]; под. ред.
Васильева Д.А., Золотухина С.Н. – Ульяновск,
НИИЦМиБ, 2013. – 316 с.
Бактериофаги рода Bacillus / Д.А. Васильев [и
др.]. – Ульяновск, НИИЦМиБ, 2013. – 80 с.
Васильев, Д.А. Листериозные бактериофаги.
Научное издание / Д.А. Васильев, Е.Н.
Ковалева, С.Н. Золотухин. – Ульяновск:
НИИЦМиБ, 2013 – 66 с.
Дополнения в курс лекций и практических
заданий:
Лекция № 1 «Лизогенная конверсия»  2 часа
ЛПЗ № 1 «Методы выделения профага»  2 часа
Были получены новые данные по
№ 1 от
результатам научных исследований, 4.09.2013г.
проводимых
при
финансовой
поддержке государства в лице
Минобрнауки России в рамках
реализации федеральной целевой
программы «Научные и научнопедагогические
кадры
инновационной России» на 2009 –
2013 годы (соглашение № 8267 от
10.08.2012)
№ 1 от
27.09.2013г.
19
Картель, Н.А. Генетика [Электронный ресурс]: База
электронных
учебное пособие/ Картель Н.А., Макеева Е.Н., библиотеки УГСХА
Мезенко А.М.— Электрон. текстовые данные.—
Минск: Белорусская наука, 2011.— 992 c.
Программу переутвердили
С.Н. Золотухин
Е.Н. Ковалева
Председатель методической комиссии
Н.Ю.Терентьева
ресурсов № 1 от № 1 от
04.09.2013 27.09.2013 г.
г.
20
ЛИСТ ПЕРЕУТВЕРЖДЕНИЯ
Номер протокола заседания кафедры
№ 1 от 25.08.2014 г.
Номер протокола заседания методической комиссии
№ 1 от 18.09.2014г.
Программу переутвердили
С.Н. Золотухин
Е.Н. Ковалева
Председатель методической комиссии
Н.Ю.Терентьева
21
ЛИСТ ПЕРЕУТВЕРЖДЕНИЯ
Номер протокола заседания кафедры
№ 1 от 4.09.2015 г.
Номер протокола заседания методической комиссии
№ 1 от 9.09.2015 г.
Программу переутвердили
С.Н. Золотухин
Е.Н. Ковалева
Председатель методической комиссии
Н.Ю.Терентьева