• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Геномика и протеомика

2022/2023
Учебный год
RUS
Обучение ведется на русском языке
4
Кредиты
Статус:
Курс по выбору
Когда читается:
4-й курс, 1, 2 модуль

Программа дисциплины

Аннотация

Геномика и протеомика - это раздел генетики (геномика), посвященный изучению целых геномов живых организмов и принципов кодирования белков и область молекулярной биологии (протеомика), посвящённая идентификации и количественному анализу белков (иными словами, высокопроизводительному исследованию белков). Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает требования к образовательным результатам и результатам обучения студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности. Программа предназначена для преподавателей, ведущих дисциплину «Геномика и протеомика», учебных ассистентов и студентов направления подготовки 06.03.01 Биология, обучающихся по образовательной программе «Клеточная и молекулярная биотехнология». Программа учебной дисциплины разработана в соответствии с: Образовательным стандартом НИУ ВШЭ по направлению 06.03.01 Биология; Образовательной программой «Клеточная и молекулярная биотехнология» и объединенным учебным планом по образовательной программе «Клеточная и молекулярная биотехнология». Данная учебная дисциплина включена в раздел «Профессиональный цикл» Учебного плана 06.03.01 Биология и относится к части Дисциплины по выбору. Осваивается на 4 курсе в 1-2 модуле. Изучение данной дисциплины базируется на результатах освоения дисциплины «Органической химии», «Биохимия», «Иммунология», «Генетика». Основные положения дисциплины «Геномика и протеомика» будут использоваться при прохождении практик на 4 курсе образовательной программы «Клеточная и молекулярная биотехнология».
Цель освоения дисциплины

Цель освоения дисциплины

  • Ознакомление студентов с концептуальными основами геномики как современной комплексной фундаментальной дисциплины об организации, структуре и функционировании геномов; путей формирования и эволюции протеомов.
  • Формирование общего молекулярного мировоззрения на основе знания о механизмах построения геномов разного уровня сложности.
  • Освоение навыков геноинформационного анализа; ознакомление с универсальными принципами построения и функционирования геномов и протеомов.
Планируемые результаты обучения

Планируемые результаты обучения

  • Освоение основных источников данных и основ работы с ними.
  • Освоение работы с протеомными данными.
  • Освоение основ взаимодействия белок-белок.
  • Освоение основ взаимодействия белок-ДНК.
  • Приобретения навыков работы со сборкой геномов.
  • Освоение функциональной аннотация генов.
  • Освоение филогенетической классификация белков.
  • Освоение путей эволюции геномов, происхождения генетического полиморфизма и биоразнообразия, роли горизонтального переноса генов.
  • Получение навыков использования SNP в молекулярной диагностике болезней человека.
  • Освоение секвенирования 16S РНК и других маркеров.
  • Знание тотального секвенирования и функциональных интерпретаций.
  • Получение практического навыка прогнозирования и аннотирования взаимодействующих белков на основе масштабного анализа результатов масс-спектрометрических экспериментов, анализа геномных данных и автоматического анализа опубликованных данных.
  • Освоение картирования секвенированных фрагментов на геном.
  • Освоение применения масс-спектрометрии для анализа пост-трансляционных модификаций белков и для характеристики белковых комплексов.
  • Освоение присоединения или отщепления небольших химических групп: гликозилирование, ацетилирование, метилирование, карбоксилирование, фосфорилирование.
  • Практический навык выявления специфических для конкретных заболеваний изменений в протеоме, установление диагностически значимой диспропорции белков в пораженном органе, обнаружение целевых протеинов (мишеней) и создание новых высокоэффективных медикаментозных и диагностических средств.
  • Освоение исследования и моделирования свойств сложных биологических систем, которые нельзя объяснить суммой свойств ее составляющих.
  • Применение теории динамических систем к биологическим системам.
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • Раздел 1. Геномика – наука о геномах. Тема 1. Источники данных.
    Секвенаторы второго поколения: характерные длины прочитанных участков (reads), парноконцевые чтения, характерные длины фрагментов. Пиросеквенирование. Поиск генов в секвенированных последовательностях. Локализация и границы генов, выявление экзонов и интронов, повторяющихся элементов генома, структурных элементов (промоторов, энхансеров, сайленсеров и др.). Базы данных нуклеотидных последовательностей (Nucleotide databases) GenBank, EMBL Nucleotide Sequence Database, UniGene. "Выравнивание" нуклеотидных последовательностей.
  • Раздел 1. Геномика – наука о геномах. Тема 2. Протеомные данные.
    Масс-спектрометрия. Связь с геномами. "Трансляция" нуклеотидной последовательности в аминокислотную. "Выравнивание" аминокислотных последовательностей, поиск белковых "мотивов". Оcновные методы протеомных исследований: масс-спектрометрия, двумерный гель-электрофорез, жидкостная хроматография, аффинные методы. Базы данных аминокислотных последовательностей (Protein databases) Swiss-Prot, NCBI Protein Database.
  • Раздел 1. Геномика – наука о геномах. Тема 3. Белок-белковые взаимодействия.
    Дрожжевые двугибридные системы. Методы фагового дисплея, двугибридных систем и другие аффинные методы, применяемые для изучения белок-белковых взаимодействий. Белковые чипы. Предсказание потенциальных сайтов пост-трансляционных модификаций белков и белок-белковых взаимодействий.
  • Раздел 1. Геномика – наука о генома. Тема 4. Белок-ДНКовые взаимодействия.
    Техники ChIP-Chip и ChIP-Seq. ChIP-Chip как техника, объединяющая иммунопреципитацию хроматина (chromatin immunoprecipitation - ChIP) с технологией ДНК-чипов (microarray technology, DNA-chips). Применение техники для исследования ДНК-белковых взаимодействий in vivo. ChIP-Seq как техника, объединяющая иммунопреципитацию хроматина (ChIP) с масштабным параллельным секвенированием ДНК. Применение для идентификации сайтов связывания белков.
  • Раздел 1. Геномика – наука о геномах. Тема 5. Сборка геномов.
    Вновь секвенированные последовательности нуклеотидов как набор контигов (contig - непрерывная последовательность), объединенных в скаффолды. Скаффолд (scaffold) как последовательность контигов с оценкой расстояния между ними. Упорядочивание контигов в скэффолды по библиотекам с протяженными клонированными фрагментами ДНК.
  • Раздел 1. Геномика – наука о геномах. Тема 6. Сравнительная геномика. Инструменты сравнительной геномики.
    Функциональная аннотация генов: a) по сходству, b) по ко-локализации, c) по филогенетическим образцам (phyletic patterns), d) по ко-регуляции. Характеризация геномов по молекулярной массе, количеству генов и нуклеотидной последовательности. Выявление сходства и различия в организации геномов. Получение сведений об уникальных и гомологичных генах, о степени гомологии. Основные инструменты: a) COGs и KOGs; Homologene и другие базы данных гомологов, b) String, c) SEED. Филогенетическая классификация белков (Clusters of Orthologous Groups of proteins, COGs) как результат сравнения белковых последовательностей по полным геномам представителей важнейших филогенетических групп организмов. Программа HomoloGene как инструмент базы данных National Center for Biotechnology Information (NCBI) для автоматической детекции гомологов. Алгоритм SEED.
  • Раздел 1. Геномика – наука о геномах. Тема 7. Эволюция геномов.
    Методы: a) cортировка перестановками (sorting by reversals) и построение филогенетических деревьев, b) полногеномные дупликации, c) пан-геномы. Гомология, деревья, эволюция. Пути эволюции геномов, происхождение генетического полиморфизма и биоразнообразия, роль горизонтального переноса генов. Эволюционный подход к изучению формирования комплексов генов, отдельных хромосом, стабильности частей генома, процесса расообразования у человека, эволюцией наследственной патологии.
  • Раздел 1. Геномика – наука о геномах. Тема 8. SNP (точечные нуклеотидные полиморфизмы).
    Однонуклеотидный полимор-физм (Single nucleotide polymorphism) в геномах представителей одного вида или между гомологичными участками гомологичных хромосом индивида. Спейсеры генов рибосомальной РНК как объекты SNP-анализа: прямая зависимость между степенью полиморфизма и филогенетическим расстоянием между организмами. Использование SNP в молекулярной диагностике болезней человека.
  • Раздел 1. Геномика – наука о геномах. Тема 9. Метагеномика.
    Секвенирование 16S РНК и других маркеров. Тотальное секвенирование и функциональные интерпретации. Метагеном – генетический материал, получаемый напрямую из образцов среды: c учетом некультивируемых микроорганизмов, наряду с культивируемыми. Метагеномика как «геномика окружающей среды» или «эко геномика».
  • Раздел 2. Протеомика – наука о белках. Тема 10. Негеномные (постгеномные) данные.
    Bэб-ориентированный автоматизированный мета-анализ данных о сотнях транскриптов (или белков) в ходе одного эксперимента. Прогнозирование и аннотирование взаимодействующих белков на основе масштабного анализа результатов масс-спектрометрических экспериментов, анализа геномных данных и автоматического анализа опубликованных данных.
  • Раздел 2. Протеомика – наука о белках. Тема 11. Транскриптомика.
    Картирование секвенированных фрагментов на геном. Фильтрация. Оценка уровней экспрессии генов и уровней включения экзонов. Основные методы транскриптомики: ДНК-микрочипы, количественная ПЦР (ПЦР в реальном времени), РНК-интерференция, методы SAGE, ESI, дифференциального дисплея, RNAPol-CHiP. Компьютерная обработка экспериментальных данных в транскриптомике.
  • Раздел 2. Протеомика – наука о белках. Тема 12. Протеомика. Пост-трансляционные модификации белков. Протеом человека.
    Аннотация протеомов по масс-спектрометрическим данным. Геном – чертеж, протеом – работающие молекулярные машины. Методы протеомных исследований: двумерный электрофорез, жидкостная хроматография (FPLC, HPLC), масс-спектрометрия (фингерпринтинг молекулярных масс пептидов и тандемная масс-спектрометрия). Применение масс-спектрометрии для анализа пост-трансляционных модификаций белков и для характеристики белковых комплексов. Трансляция ―in silico‖. Протеолиз ―in silico‖. Построение карт взаимодействия между белками в клетке. Ограниченный протеолиз, белковый сплайсинг, образование дисульфидных связей. Присоединение или отщепление небольших химических групп: гликозилирование, ацетилирование, метилирование, карбоксилирование, фосфорилирование. Присоединение других белков и пептидов: убиквитинилирование, сумоилирование. Протеом человека – продолжение программы Геном человека. Human Proteome Organization (HUРO). Официальный старт программы в 2010 г., у России – 18 хромосома. Протеом и петидом. Цели программы: выявление специфических для конкретных заболеваний изменений в протеоме, установление диагностически значимой диспропорции белков в пораженном органе, обнаружение целевых протеинов (мишеней) и создание новых высокоэффективных медикаментозных и диагностических средств.
  • Раздел 2. Протеомика – наука о белках. Тема 13. Системная биология.
    Сети и модели. Графовый подход. Свойства (природных) графов: a) диаметр, b) распределение степеней вершин, c) коэффициент кластеризации. Особенные элементы: a) hubs, центральные вершины, b) графовые мотивы (graphlets). Исследование и моделирование свойств сложных биологических систем, которые нельзя объяснить суммой свойств ее составляющих. Применение теории динамических систем к биологическим системам.
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий Устный опрос_Тема 1-3
  • неблокирующий Устный опрос_Тема 4
  • неблокирующий Устный опрос_Тема 5-11
  • неблокирующий Устный опрос_Тема 12
  • неблокирующий Реферат Тема 13
  • неблокирующий Экзамен
    Билет на экзамене состоит из 2 устных вопросов из разных тем и одного теста с вариантами ответов.
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (2 модуль)
    0.1 * Реферат Тема 13 + 0.1 * Устный опрос_Тема 1-3 + 0.1 * Устный опрос_Тема 12 + 0.1 * Устный опрос_Тема 4 + 0.1 * Устный опрос_Тема 5-11 + 0.5 * Экзамен
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • Молекулярная биология : учебник / В.В. Иванищев. — М. : РИОР : ИНФРА-М, 2019. — (Высшее образование). — 225 с. — DOI: https://doi.org/10.12737/1731-9 - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/1019421
  • Субботина, Т.Н. Молекулярная биология и генная инженерия : практикум / Т.Н. Субботина, П.А. Николаева, А.Е. Харсекина. - Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2018. - 60 с. - ISBN 978-5-7638-3857-2. - Текст : электронный. - URL: https://new.znanium.com/catalog/product/1032111 - Текст : электронный. - URL: http://znanium.com/catalog/product/1032111

Рекомендуемая дополнительная литература

  • Гончарова Ю.К. - Молекулярное маркирование в селекции растений на примере риса. Монография - Русайнс - 2018 - 201с. - ISBN: 978-5-4365-2849-6 - Текст электронный // ЭБС BOOKRU - URL: https://book.ru/book/931176
  • Прошкина Е. Н., Юранева И. Н., Москалев А. А. - МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ: СТРЕСС-РЕАКЦИИ КЛЕТКИ. Учебное пособие для вузов - М.:Издательство Юрайт - 2019 - 101с. - ISBN: 978-5-534-08502-0 - Текст электронный // ЭБС ЮРАЙТ - URL: https://urait.ru/book/molekulyarnaya-biologiya-stress-reakcii-kletki-441651