Курс включает в себя изучение основных механизмов передачи наследственной информации в живой клетке в свете центральной догмы молекулярной биологии – репликации, транскрипции и трансляции. Кроме того, рассматриваются особенности протекания этих процессов и основные способы их регуляции у про- и эукариот. Акцент делается на применение полученных знаний в практической биоинформатике.
Первая часть курса посвящена изучению структуры и функций нуклеиновых кислот как физических носителей наследственной информации.
Рассматривается структура и свойства нуклеотидов, ДНК и РНК, их основные формы, вводятся понятия «комплементарность», «полярность» и «антипараллельность». Описываются свойства генетического кода. Вводятся понятия «ген», «открытая рамка считывания» и «геном». Рассматривается типичная структура оперона прокариот и экзон-интронная структура эукариотических генов, а также биологическая роль альтернативного сплайсинга. Дается сравнительное описание вирусных, прокариотических и эукариотических геномов. Дается обзор общей структуры генома человека. Делается акцент на разнообразии некодирующей ДНК человека. Рассматривается функциональное значение интронов, псевдогенов, сателлитных повторов (микро-, мини- и макро) и транспозонов. Уделяется внимание ретротраспозонам с LTR и без них (LINE и SINE), а также механизму ретротранспозиции.
Вторая часть курса обобщает историю исследования и современные представления о репликации и репарации ДНК.
Рассматривается история открытия полуконсервативного механизма репликации ДНК, вводятся понятия «лидирующая» и «отстающая» цепи, «фрагменты Оказаки», «ориджин». Подробно изучаются события, происходящие в репликационной вилке и основные ферменты репликации. Дается сравнительная характеристика точности и процессивности прокариотических и эукариотических ДНК-полимераз, рассматриваются особенности репликации про- и эукариотических геномов. Обсуждается проблема недорепликации концов в линейных геномах и работа теломеразы.
Изучаются основные виды мутаций – генные, геномные и хромосомные, их причины, рассматриваются примеры заболеваний, вызванных разными видами мутаций (муковисцидоз, хорея Хантингтона, синдромы Лежена, Дауна, Кляйнфельтера, Шершевского-Тернера). Описываются основные подходы к диагностике наследственных мутаций — ПЦР и секвенирование (рассматриваются принципы методов). Дается обзор основных видов репарационных процессов — прямая репарация, основные механизмы репарации одноцепочечных повреждений ДНК (BER, NER, MMR), основные механизмы репарации двуцепочечных разрывов в ДНК: гомологичная рекомбинация и негомологичное сшивание концов.
В третьей части курса рассматриваются механизмы реализации наследственной информации – транскрипция и трансляция.
Изучаются основные стадии транскрипции — инициация, элонгация, терминация, а также структурные особенности промоторов. Обсуждаются особенности транскрипции у эу– и прокариот, функционирование оперонов и разнообразие механизмов регуляции их работы. Рассматривается процессинг (созревание) эукариотических РНК: кэпирование, полиаденилирование и основные механизмы сплайсинга, а также альтернативный сплайсинг и его биологическое значение.
Дается обзор механизмов регуляции транскрипции у эукариот с помощью транскрипционных факторов, энхансеров, сайленсеров и инсуляторов. Отдельное внимание уделяется принципам эпигенетической регуляции транскрипции: метилированию ДНК и модификациям гистонов.
Подробно рассматривается многообразие регуляторных РНК и их функции: РНК-переключатели, микроРНК (miRNA), малые интерферирующие РНК (siRNA/shRNA), PiwiРНК. Изучается явление РНК интерференции, ее основные механизмы, биологическая роль и практическое применение для нокдауна. Также рассматриваются длинные некодирующие РНК (lncRNA), их функции, инактивация Х-хромосомы lncRNA Xist.
Изучается механизм биосинтеза белка на рибосомах как конечной стадии реализации наследственной информации, рассматриваются особенности прокариотической и эукариотической трансляции. Описываются структурные особенности эукариотических мРНК, их биологическое значение, а также структура и функциональные участки тРНК. Описывается структура рибосом и механизм трансляции на них полипептидной цепи. Рассматриваются основные стадии трансляции: инициация, элонгация и терминация. Уделяется внимание описанию фолдинга полипептидов, роли шаперонов и глутатиона.
Обсуждается регуляция времени жизни, контроль качества и механизмы деградации РНК и белков. Рассматривается регуляция времени жизни РНК, описывается принцип работы системы nonsense-mediated decay (NMD). Изучаются основные посттрансляционные модификации белков и и их функциональное значение. Рассматриваются механизмы деградации белков – лизосомальной (аутофагия) и протеасомной (описывается структура протеасомы и механизм ее работы, роль убиквитинилирования в протеасомной деградации белка).
Преподаватели
- Людмила Зиновкина