Генетический полиморфизм белков и ДНК

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
Проректор по учебной работе
_______________________ /Л.М. Волосникова/
__________ _____________ 2011 г.
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ БЕЛКОВ И ДНК
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 020400.68 - Биология,
магистерская программа – Экологическая генетика,
очной формы обучения
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор (ы) работы _____________________________/О.Н. Жигилева/
«______»___________2011 г.
Рассмотрено на заседании кафедры экологии и генетики (25.03.2011. протокол № 12 )
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем 10 стр.
Зав. кафедрой ______________________________/И.В. Пак/
«______»___________ 2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК биологического факультета (28.03.2011. протокол № 3)
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК ________________________/А.А. Мелентьева/
«______»_____________2011 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Зав. методическим отделом УМУ_____________/С.А. Федорова/
«______»_____________2011 г.
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Биологический факультет
Кафедра экологии и генетики
О.Н. Жигилева
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ БЕЛКОВ И ДНК
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 020400.68 - Биология,
магистерская программа – Экологическая генетика,
очной формы обучения
Тюменский государственный университет
2011
Жигилева О.Н. Генетический полиморфизм белков и ДНК. Учебнометодический комплекс. Рабочая программа для студентов направления
020400.68 - Биология, магистерская программа – Экологическая генетика,
очной формы обучения. Тюмень, 2011, 10 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС
ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю
подготовки.
Рабочая программа дисциплины опубликована на сайте ТюмГУ:
Генетический полиморфизм белков и ДНК [электронный ресурс] / Режим
доступа: http://www.umk3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой экологии и генетики. Утверждено
проректором по учебной работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующая кафедрой экологии и
генетики, д.б.н. Пак Ирина Владимировна
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Жигилева О.Н., 2011.
1. Пояснительная записка.
1.1. Цели и задачи дисциплины
Целью спецкурса является ознакомление студентов с концепцией генетического
полиморфизма. В задачи спецкурса входит формирование у студентов представления о
полиморфизме, как универсальном явлении в живой природе и его биологической роли.
Рассматриваются особенности полиморфизма белков и ДНК, виды генетического
полиморфизма, механизмы его поддержания в природных популяциях. Даются оценки
полиморфизма природных популяций животных, растений, микроорганизмов. Особое
место в программе спецкурса отводится методам изучения генетического полиморфизма.
Один раздел в программе спецкурса посвящен проблеме мониторинга внутривидового
генетического разнообразия.
Учебно-методический комплекс «Генетический полиморфизм белков и ДНК»
соответствует требованиям федерального государственного образовательного стандарта
высшего профессионального образования.
1.2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры
Дисциплина «Генетический полиморфизм белков и ДНК» относится к циклу М3.
Профессиональный цикл: дисциплины по выбору. Она логически и содержательнометодически взаимосвязана с дисциплинами М2. Математического и естественнонаучного
цикла: вариативной частью и М3. Профессионального цикла: базовой и вариативной
частями: биоразнообразие и проблема сохранения генофондов, современные проблемы
биологии и экологии, факторы среды и наследственность человека, генетическая и
эволюционная роль паразитизма, динамика генофондов популяций растений и животных,
динамика генофондов популяций человека. Для успешного освоения дисциплины
необходимы базовые знания по генетике, биохимии и молекулярной биологии,
эволюционным теориям, экологии популяций.
1.3. Компетенции выпускника ООП магистратуры, формируемые в результате
освоения данной ООП ВПО.
В результате освоения ООП магистратуры выпускник должен обладать следующими
компетенциями:
- способен к творчеству (креативность) и системному мышлению (ОК-1);
-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).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
 Знать: основные положения концепции генетического полиморфизма, историю
открытия и значение полиморфизма, виды полиморфизма, методы выявления и
направления использования белковых и ДНК маркеров, механизмы возникновения и
поддержания полиморфизма, значение полиморфизма.
 Уметь: давать количественную оценку генетической изменчивости.
 Владеть: основными методами изучения биохимического и генетического
полиморфизма (электрофорез биомолекул в гелях, полимеразная цепная реакция).
2. Трудоемкость дисциплины.
Семестр 2. Форма промежуточной аттестации - экзамен.
дисциплины составляет 2 зачетных единицы 144 часа.
3.
Общая трудоемкость
Тематический план.
Таблица 1.
Тематический план
1
2
1. История открытия генетического
полиморфизма
2 Виды полиморфизма
3. Полиморфизм белков
4. Полиморфизм ДНК
5. Количественная оценка генетической
изменчивости
6. Уровни генетического полиморфизма
в природных популяциях животных и
растений
7. Значение генетического
полиморфизма
8. Механизмы поддержания
полиморфизма в природных
популяциях
Итого (часов, баллов):
Из них часов в интерактивной форме
Итого
часов
по
теме
Из
них в
интер
актив
ной
форм
е
Формы
контро
ля
7
8
Самостоятельн
ая работа
Виды учебной
работы и
самостоятельная
работа, в час.
Практ. занятия
Тема
недели семестра
№
3
4
5
6
1
1
16
17
2,3
4,5
6,7
8,9
2
2
2
2
16
16
16
16
18
18
18
18
10,
11
2
16
18
12,
13
14,
15
2
16
18
2
17
19
15
15
5
129
144
2
2
3
5
5
зачет
Таблица 2.
Планирование самостоятельной работы студентов
№
темы
1
2
История открытия
генетического
полиморфизма
Виды полиморфизма
3
Полиморфизм белков
4
Полиморфизм ДНК
5
Количественная
оценка генетической
изменчивости
6
7
8
Уровни
генетического
полиморфизма в
природных
популяциях
животных и
растений
Значение
генетического
полиморфизма
Механизмы
поддержания
полиморфизма в
природных
популяциях
ИТОГО:
Виды СРС
обязательные
дополнительные
Подготовка
к Чтение
контрольной
специальной
работе
литературы
Написание
Чтение
реферата
специальной
литературы
Подготовка
к Чтение
контрольной
специальной
работе
литературы
Подготовка
к Чтение
тестированию
специальной
литературы
Написание эссе
Чтение
специальной
литературы
Выполнение
Чтение
электронного
специальной
практикума
литературы
Написание эссе
Подготовка
контрольной
работе
собеседованию
Неделя
семестра
1
Объем
часов
16
2,3
16
4,5
16
6,7
16
8,9
16
10,11
16
12,13
16
14,15
17
Чтение
специальной
литературы
к Чтение
специальной
и литературы
129
4.
Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№
п/п
1.
5.
Наименование
обеспечиваемых
(последующих)
дисциплин
Факторы среды и
наследственность
человека
Темы
дисциплины
необходимые
для
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
2
3
4
5
6
7
+
+
+
Содержание дисциплины.
1. История открытия генетического полиморфизма
изучения
8
Изменчивость растений гороха по цвету и форме семян в опытах Г. Менделя. Создание
концепции генетического полиморфизма Э. Фордом в 1940 г. Изучение полиморфизма по
инверсиям хромосом в природных популяциях дрозофил. Открытие широкого
полиморфизма в природных популяциях и создание концепции «адаптивной нормы».
Создание высокоразрешающих методов гель-электрофореза. Описание аномальных
электрофоретических вариантов гемоглобина у человека – открытие биохимического
полиморфизма. Открытие полиморфизма ДНК в 80-ые гг. ХХ века.
2. Виды полиморфизма
Разнообразие форм наследственной гетерогенности: политипичность, полиморфизм,
полифенизм. Видимый полиморфизм. Изменчивость аллоферментов. Нуклеотидная и
аминокислотная изменчивость. Генетический мономорфизм. Особенности межвидовой
изменчивости полиморфных и мономорфных генов.
3. Полиморфизм белков
Механизм действия гена. Изоферменты и аллоферменты. Типы мутаций и их влияние на
структуру и функции белка. Генетическая изменчивость белков и их функциональная
значимость. Связь между метаболической функцией ферментов и уровнями их
генетического полиморфизма. Методы изучения белкового полиморфизма. Применение
полиморфных белковых маркеров. Протеомика.
4. Полиморфизм ДНК
Рестрикционные ферменты (эндонуклеазы) и их открытие В. Арбером в 1962 г.
Полиморфизм длин рестрикционных фрагментов ДНК (ПДРФ). Фингерпринтинг ДНК.
Полимеразная цепная реакция (ПЦР), ее открытие К. Мюллисом в 1983 г.
Типы полиморфизма ДНК. Полиморфизм ядерной ДНК. Генетические маркеры для
изучения полиморфизма повторяющихся последовательностей ДНК. Особенности
мультилокусных маркеров. Варьирующее число тандемных повторов (VNTRизменчивость). Мини- и микросателлиты: понятие, происхождение, свойства, метод
изучения, применение. RAPD, ISSR и AFLP-маркеры, их использование. Особенности
полиморфизма митохондриальной ДНК, ее строение, свойства, область применения.
Полиморфизм ДНК Y-хромосомы, ее свойства, особенности строения, перспективы
использования. Полиморфизм единичного нуклеотидного сайта (SNR) и оценки
изменчивости, получаемые с их использованием. Полиморфизм экспрессирующихся
последовательностей генома (ESTP).
Селективные ограничения ДНК-изменчивости.
5. Количественная оценка генетической изменчивости
Частоты аллелей и генотипов. Закон Харди-Вайнберга. Гетерозиготность.
Полиморфность, критерии полиморфности. Число действительных аллелей. Оценка
разнообразия нуклеотидного и аминокислотного состава. Доля вариабельных
нуклеотидных сайтов и ожидаемая гетерозиготность на уровне нуклеотидов. Индексы
генетического подобия. Измерение генетического расстояния.
Факторы, влияющие на оценки изменчивости: количество изученных локусов,
размер выборки, разрешающая способность метода, подбор локусов. Адекватность оценок
полиморфизма, полученных с использованием метода электрофореза. Соотношение
уровней полиморфизма ДНК и белков.
6. Уровни генетического полиморфизма
в природных популяциях животных и растений
Первые оценки генетического полиморфизма в природных популяциях (Левонтин,
Хабби, 1966). Оценка изменчивости белков крови человека (Гаррис, 1966). Стабильность
оценок генетического полиморфизма природных популяций разных видов организмов.
Новые оценки уровней изменчивости в природных популяциях.
Уровень генетической изменчивости растений. Различия уровней изменчивости
позвоночных и беспозвоночных животных, диплоидных и тетраплоидных видов.
Факторы, определяющие уровень изменчивости вида: особенности эволюции таксона,
способ размножения, изоляция, разнообразие условий среды обитания.
Влияние популяционно-генетических процессов (миграции, дрейф генов, отбор) на
величину изменчивости.
7. Значение генетического полиморфизма
Теория нейтральности биохимического полиморфизма. Концепция адаптивной
значимости полиморфизма белков. Эффект гетерозиса. Генетический гомеостаз.
Генетический груз. Оптимальное генное разнообразие популяции как мера ее
адаптационного оптимума.
8. Механизмы поддержания полиморфизма в природных популяциях
Частотно-зависимый отбор. Отбор в пользу редких генотипов. Ассортативность
скрещивания. Отбор в пользу гетерозигот. Отбор против гетерозигот. Балансирующий
отбор. Роль мутационного процесса в поддержании изменчивости.
6.
Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины.
6.1. Примерная тематика реферативных работ
1. Группы крови человека: история открытия и значение для практики.
2. Биохимический полиморфизм в популяциях человека.
3. Полиморфизм генов гистосовместимости, его значение.
4. Хромосомный полиморфизм: механизмы и значение.
5. Группы крови животных.
6. Биохимический полиморфизм в популяциях сельскохозяйственных растений.
7. Биохимические маркеры продуктивности сельскохозяйственных животных.
8. Использование генетического полиморфизма в программах селекции.
9. Генетический паспорт.
10. Использование генетических полиморфизмов в медицинской генетике.
6.2. Темы для эссе
В чем, по Вашему мнению, заключается биологический смысл генетической
уникальности индивидуума?
К какой из теорий биохимического полиморфизма Вы склоняетесь? Обоснуйте свое
мнение.
6.3. Вопросы для подготовки к собеседованию
1. Открытие полиморфизма в природных популяциях. Концепция «адаптивной
нормы».
2. Открытие биохимического полиморфизма (белков и ДНК).
3. Генетический полиморфизм и мономорфизм. Особенности межвидовой
изменчивости полиморфных и мономорфных генов.
4. Понятие изоферментов и аллоферментов. Генетическая изменчивость белков и их
функциональная значимость.
5. Типы полиморфизма ДНК.
6. Рестрикционные ферменты. Полиморфизм длин рестрикционных фрагментов ДНК
(ПДРФ).
7. Особенности мультилокусных маркеров. RAPD, ISSR и AFLP-маркеры, их
использование.
8. Мини- и микросателлиты: понятие, происхождение, свойства, метод изучения,
применение.
9. Особенности полиморфизма митохондриальной ДНК, ее строение, свойства,
область применения.
10. Полиморфизм ДНК Y-хромосомы, ее свойства, особенности строения, перспективы
использования.
11. Частоты аллелей и генотипов. Закон Харди-Вайнберга.
12. Количественная
оценка
генетической
изменчивости.
Гетерозиготность.
Полиморфность, критерии полиморфности. Число действительных аллелей.
13. Доля вариабельных нуклеотидных сайтов и ожидаемая гетерозиготность на уровне
нуклеотидов.
14. Индексы генетического подобия. Измерение генетического расстояния.
15. Факторы, влияющие на оценки изменчивости.
16. Соотношение уровней полиморфизма ДНК и белков.
17. Оценки генетического полиморфизма в популяциях растений, животных и
человека.
18. Факторы, определяющие уровень изменчивости вида.
19. Теория нейтральности биохимического полиморфизма.
20. Концепция адаптивной значимости полиморфизма белков.
21. Механизмы поддержания полиморфизма в природных популяциях.
6.4. Задание для электронного практикума.
Рассчитайте показатели генетической изменчивости предложенной Вам популяции с
использованием специализированной программы (PopGen). Соотнесите уровень ее
изменчивости со средним уровнем полиморфизма таксона. С чем может быть связан
более высокий (более низкий) уровень полиморфизма в изученной популяции?
Дайте оценку ее состояния в текущий момент времени и составьте прогноз на
будущее.
6.5. Задания для контрольных работ, учебно-методическое обеспечение лабораторных
работ приведены в учебно-методическом пособии: Жигилева О.Н., Пак И.В., Ваулин
О.В. Популяционно-генетический анализ: Методы электрофореза белков и
полимеразной цепной реакции в популяционной генетике: Учебно-методическое
пособие для студентов биологического факультета. Тюмень: Издательство
Тюменского государственного университета, 2009. 70 с.
Интерактивные формы: заслушивание и обсуждение докладов и презентаций по
реферативным работам в форме конференции; групповые дискуссии по темам эссе.
7.
Образовательные технологии.
Мультимедийные средства обучения (компьютерные презентации по всем темам),
специализированные
программы,
компьютерное
тестирование,
мастер-классы
специалистов.
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.
8.1. Основная литература:
Алтухов Ю.П. Генетические процессы в популяциях: Учеб. пособие. М.: ИКЦ
«Академкнига», 2003. 431 с.
Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика: Учеб. пособие. Новосибирск: Сиб. унив.
изд-во, 2003. 479 с.
Хедрик Ф. Генетика популяций. М.: Техносфера, 2003. 592 с.
8.
8.2. Дополнительная литература:
Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. Т. 3. М.: Мир, 1988. 331 с.
Алтухов Ю.П. Популяционная генетика рыб. М.: Пищевая промышленность, 1974. – 245 с.
Алтухов Ю.П. Генетические процессы в популяциях. М.: Наука, 1983. 279 с.
Алтухов Ю.П. Балансирующий отбор как фактор поддержания аллозимного
полиморфизма // Ж. общ. биол., 1989. Т. 107, № 3. С. 323-340.
Алтухов Ю.П. Внутривидовое генетическое разнообразие: мониторинг и принципы
сохранения // Генетика, 1995. Т.31, № 10. С. 1333-1357.
Алтухов Ю.П., Дуброва Ю.Е. Биохомический полиморфизм популяций и его
биологическое значение // Усп. совр. биол., 1981. Т. 91, № 3. С. 467-480.
Алтухов Ю.П., Рычков Ю.П. Генетический мономорфизм вида и его биологическое
значение // Ж. общ. биол., 1972. Т. 33, № 3. С. 281-300.
Анализ генома. Методы. / Под ред. К. Дейвиса. М.: Мир, 1990. 246 с.
Вейр Б. Анализ генетических данных. М.: Мир, 1995. 400 с.
Глазго В.И. Биохимическая генетика овец. - Новосибирск: Наука, 1985. – 168 с.
Грант В. Эволюционный процесс. М.: Мир, 1991. 488 с.
Дуброва Ю.Е. Уровни изменчивости структурных генов в популяциях. Новые факты и их
интерпретация // Генетика, 1985. Т. 21, № 3. С. 357-363.
Имашева А.Г. Стрессовые условия среды и генетическая изменчивость в популяциях
животных // Генетика, 1999. – Т. 35, № 4. – С. 421-431.
Кайданов Л.З. Генетика популяций. – М.: Высш. шк., 1996.- 320 с.
Кимура М. Молекулярная эволюция: теория нейтральности. – М.: Мир, 1985. – 394 с.
Кирпичников В.С. Генетика и селекция рыб. – Л.: Наука, 1987. – 520 с.
Кожевникова Л.К., Тютюнник Н.Н., Унжаков А.Р., Мелдо Х.И. Изоферменты ЛДГ при
сезонных адаптациях хищных пушных зверей // Журн. эвол. биохим. и физиол., 2000. – Т.
36, № 1. – С. 24-29.
Корочкин Л.И., Серов О.А., Пудовкин А.И. и др. Генетика изоферментов. – М.: Наука,
1977. – 278 с.
Левонтин Р. Генетические основы эволюции. – М.: Мир, 1978. – 351 с.
Майр Э. Популяции, виды и эволюция. – М.: Мир, 1974. – 460 с.
Маурер Г. Диск-электрофорез. Теория и практика электрофореза в ПААГ. – М.: Мир,
1971. – 243 с.
Межжерин С.В. Сравнительный анализ аллозимной изменчивости позвоночных животных
// Ж. общ. биол., 1992а. – Т. 53, № 4. – С. 549-556.
Межжерин С.В., Писанец Е.М. Генетическая структура и происхождение тетраплоидной
жабы Bufo danatensis Pizanetz, 1978 (Amphibia, Bufonidae) Средней Азии. Биохимический
полиморфизм и сравнение уровней гетерозиготности диплоидных видов с
тетраплоидными // Генетика, 1995. – Т. 31, № 1. – С. 43-53.
Милишников А.Н., Исаев С.И., Анискин В.М., Варшавский А.А., Малыгин В.М. Высокая
аллозимная изменчивость в популяциях трех видов щетинистых крыс Верхней Амазонии:
связь с экологией и эволюцией // Генетика, 1999. – Т. 35, № 7. – С. 961-968.
Пудовкин А.И. Использование аллозимных данных для оценки генетического сходства //
Биохимичическая и популяционная генетика рыб. – Л.: Инст-т цитол. АН СССР, 1979. – С.
10-17.
Созинов А.А. Полиморфизм белков и его значение в генетике и селекции. – М.: Наука,
1985. – 272 с.
Солбриг О., Солбриг Д. Популяционная биология и эволюция. – М.: Мир, 1982. – 488 с.
Сулей М.Э. Пороги для выживания: поддержание приспособленности и эволюционного
потенциала // Биология охраны природы. – М.: Мир, 1983. – С. 179-183.
8.3. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:
STATISTICA for Windows [Computer program manual]. Tulsa, OK: StatSoft, Inc., 1998.
Felsenstein J. 2000. PHYLIP Phylogeny Inference Package. Version 3.6. Dept. Gen. Univ.
Washington. http://evolution.genetics.washington.edu/phylip.html
Yeh F.C., Yang R., Boyle T. 1999. POPGENE. Version 1.31. Univ. Alberta and Centre Int.
Forestry Res. http://www.ualberta.ca/~fyeh/download.htm
9.
Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины.
Дисциплина обеспечена компьютерными презентациями, составленными автором,
видеофильмами. На факультете имеется для проведения занятий 3 мультимедийные
аудитории; лаборатория молекулярной генетики (№ 309), оснащенная оборудованием для
проведения ПЦР; лаборатория популяционной генетики (№ 111), оснащенная приборами
для проведения электрофореза, компьютерный класс.
Дополнения и изменения к рабочей программе на 2014 / 2015 учебный год
В рабочую программу вносятся следующие изменения:
11. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля).
11.1 Основная литература:
1. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции: учебник для студентов вузов. –
СПб.: Н-Л, 2010. – 720 с. Гриф УМО
2. Никольский В. И. Генетика: учебное пособие для студентов вузов. – М.: Академия,
2010. – 256 с. Гриф УМО
3. Льюин Б. Гены. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. – 896 с.
11.2 Дополнительная литература:
1. Браун Т.А. Геномы. Руководство по молекулярной генетике. – 2011. – 944 с.
2. Клаг У.С., Каммингс М.Р. Основы генетики. М.: Техносфера, 2009. - 896 с.
Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры экологии и генетики
« 27 » января 2015 г, протокол № 11
Заведующий кафедрой
Пак И.В.