10 семестр
Модуль 3. Организация генома митохондрий.
Митохондрии как относительно автономные органеллы. Митохондрионный геном позвоночных животных и его отличие от ядерного генома. Малое число тРНК в митохондриях. Процесс функционирования митохондрий – непрерывный диалог между двумя геномами. Копии митохондриальных генов в ядерном геноме. Процесс “редактирования” РНК в митохондриях. Феномен перекрывания генов в митохондриях. Митохондриальный геном человека. Митохондрии и процесс старения, связь митохондрий с апоптозом. Дефекты митохондриальных генов (геномов) и митохондриальные болезни. Митохондриальные кардиопатии, энцефалопатии и миопатии. Упрощённая трактовка открытия Алана Вильсона, показавшего дивергентность геномов митохондрий у представителей разных этносов от одной предковой формы.
Модуль 4. Канцерогенез
Онкогенные вирусы. ДНК-содержащие вирусы (вирус полиомы и SV40). Аденовирусы. Вирусы группы герпеса. Гепаднавирусы. Большой (опухолевый) антиген (Т-антиген). Связь Т-антигена с ДНК клетки-хозяина. РНК-содержащие вирусы. Ретровирусы типа С (вирусы саркомы и лейкоза грызунов, вирусы саркомы и лейкоза птиц, вирусы Т-клеточного лейкоза человека типа I и II). Ретровирусы типа В (Вирус рака молочной железы мышей).
Трансформация клеток как важный этап канцерогенеза (малигнизации клеток). Открытие онкогенов. Вирусные онкогены. Структура вируса саркомы Рауса (гены gag, pol, env, src). Онкоген-src и его продукт тирозиновая протеинкиназа. Плейотропный эффект вирусов при трансформации. Активация протеинкиназы С через фосфатидилинозитольный механизм. Онкогены (v-onc) других ретровирусов и их свойства. Сокращённые названия онкогенов: 1. Онкоген abl – вирус Абельсона (лейкоз мыши). 2. Онкоген erb-B – вирус эритробластоза птиц. 3. Онкоген fes – вирус саркомы кошек. 4. Онкоген fos – вирус саркомы грузунов. 5. Онкоген myc – вирус миелоцитомы кур. 6. Онкоген sis – вирус саркомы шерстистых обезьян. Понятие о протоонкогенах (клеточных онкогенах – c-onc). Происхождение вирусных онкогенов. Безонкогенные ретровирусы (например, вирусы лейкозов птиц). Механизмы превращения клеточных протоонкогенов в онкогены. Активация (изменение характера) транскрипции. Механизмы активации. Провирусы. Интеграция ретровируса (двухцепочечной кДНК ретровируса) подобно транспозону в геном клетки-хозяина. Специальные последовательности, называемые длинными концевыми повторами, играющие важную роль в процессе интеграции провируса. Вставка промотора и вставка энхансера – обычные механизмы для вирусного канцрогенеза. Хромосмные транслокации (транспозиции) как возможные механизмы активации потерциальных клеточных онкогенов Например, “Филадельфийская хромосома” при хроническом миелоидном лейкозе или реципроктная транслокация при лимфоме Бёркитта. Амплификация некоторых клеточных протоонкогенов, приводящая к увеличению количества их продуктов и трансформации. Точечные мутации, например, в онкогене ras, приводящие к замене одной аминокислоты, в частности, в положении 12 белка p21 или в других положениях. Изменение конформации белка и уменьшение его GTP-азной активности. Изменение активности протоонкогенов – причина или следствие трансформации? Мутации как компоненты стадии инициации канцероенеза. Свойство онкогенов и механизмы их действия.
Гены-супрессоры опухолей (антионкогены). Их участие в ключевых процессах регуляции деления клеток и связь с процессами канцерогенеза.
Аутокринная и паракринная регуляция. Протоонкогены и полипептидные факторы роста. Онкоген v-sis и -цепь фактора роста из кровяных пластинок. Рецепторы факторов роста и протоонкогены на примере протоонкогена erb-B, кодирующего неполную форму рецептора фактора роста эпидермиса (ФРЭ). Появление “несанкционированного” митогенного сигнала и трансформация клетки. Трансформирующие факторы роста (TGF- и TGF-). Полифункциональность в действии TGF, зависимость действия от типа клеток. Трансмембранная передача сигнала. Внутриклеточные сигнальные пути. Протеинкиназы. Онкогены и протеинкиназы. Киназ-киназные пути передачи митогенных сигналов и онкогены. Транскриция генов раннего пролиферативного ответа. Онкогены и гены раннего пролиферативного ответа.
Прогрессия опухолей. Клеточная гетерогенность в опухолях. Гетерогенность опухолевых клонов. Иммортализация. Изменение поведения и свойств трансформированных клеток в ряду клеточных поколений. Нестабильность генома. Хромосомная нестабильность и увеличение числа аномальных кариотипов. Появление тенденции к инвазии и метастазированию. Активация дополнительных онкогенов. Селективное преимущество быстро растущих клеток и клеток иммортализованных. Потеря признаков дифференцировки, свойственных нормальным клеткам, и появление опухолевых маркёров. Маскировка последующими изменениями иницальных событий трансформации.
Метастазирование. Поверхность нормальной и метастазирующей клетки. Нарушение межклеточных взаимодействий. Гены адгезии и гены прогрессии метастазирования. Факторы метастазирования. Молекулярные механизмы метастазирования. Инвазия и эпителиально-мезенхимный переход. Подвижность и “модернизация” внеклеточного матрикса. Стромальные взаимодействия. Органоспецифические метастазы. Интегрированная модель метастаза. Метастатическая диссеминация.
Модуль 5. Молекулярные механизмы старения
Введение в проблему. Старение как непреложный закон онтогенетического развития организмов. Общие закономерности старения. Три главных вопроса, на которые должна ответить любая теория старения.
Наследственное сокращение продолжительности жизни. Болезни преждевременного старения (прогерии). Синдром Хатчинсона-Джилберта (детская прогерия); клинические проявления и генетический механизм его развития. Синдром Вернера (прогерия взрослых); роль белков ламинов в развитии заболевания. Репродуктивное поведение и эволюция продолжительности жизни. Генетическая программа развития и репродуктивное поведение. Влияние числа родов, ранних и поздних родов, числа детей в семьях на продолжительность жизни родителей. Влияние гетерозиготности и гомозиготности геномов разных видов на продолжительность жизни. Высокая гомозиготность генома человека – основа его долгожительства.
Гены гибели и долголетия у беспозвоночных (Caenorhabditis elegans – элегантная нематода как модельный организм, её генетика и биологические особенности). Гены элегантной нематоды, определяющие продолжительность жизни: age-1, fer-15, “часовые гены” (clk1, -2, -3), daf2, daf23, spe-26. Общий рецепторный путь инсулина в нематоды и человека. Плодовая мушка Drosophila melenogaster – идеальная модель для изучения генетических компонентов долголетия. Получение мутантов, различающихся по продуктивности и продолжительности жизни. SOD – мутанты, мутанты по гену фактора элонгации EF-1a. Трансгенные животные в изучении механизмов старения. Онкоген ras и продолжительность жизни дрожжевых клеток. Ген klotho – “ген судьбы” и его мутации. Активность мембранной гликозидазы и продолжительность жизни мышей. Антиоксиданты и торможение спонтанного канцерогенеза у животных. О6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза и спонтанные опухоли.
Кандидантные гены смерти и долголетия у человека. Ген bcl-2 – блокатор апоптоза и токсического эффекта гидроксильных радикалов, реакции цепного перекисного окисления липидов. Роль гена bcl-2 в развитии нейродегенеративных заболеваний. Ген р53 – антионкоген, препятствующий бесконтрольному росту клеток и способствующий удалению нефункциональных клеток. Мутации в гене р53 и онкологические заболевания. Гены аполипротеина Е (Apo E – полиморфизм) и их роль в развитии возрастных изменений у человека. Ассоциация некоторых изоформ Apo E с высоким уровнем холестерина в крови, склонностью к сосудистым заболеваниям (ИБС, инфаркт, инсульт), болезнью Альцгеймера и другими нейродегенеративными патологиями. Полигенная система главного комплекса гистосовместимости как фактор долголетия. Наиболее часто встречающиеся аллели HLA у столетних людей.
Роль специфических хромосом в старении. Эпигеномная модификация ДНК и старение, роль метилирования ДНК по 5-положению цитозина (механизмы метилирования, специфические ферменты и геномный импринтинг). Возрастное деметилирование и старение, связь с опухолевой трансформацией. Гликозилирование белков и ДНК и процессы старения. Неферментативное гликозилирование. Гликозилирование долгоживущих белков – коллагена, кристаллинов и гемоглобина (роль в развитии патологических процессов в сосудистой стенке, мезангиальном матриксе почек, в хрусталике глаза при катаракте).
Изучение биологии организмов, у которых смерть наступает без явных признаков биологического старения, на примере голого землекопа.
2. Методика реализации самостоятельной работы по изучению теоретического курса
Самостоятельное изучение теоретического курса планируется по разделам курса, представленным в таблице 2, где отражено содержание и количество часов на освоение материала. Самостоятельное изучение теоретического материала планируется по модулям курса (2 – 5).
В конце семестра на консультациях основное внимание будет уделяться повторному рассмотрению наиболее сложных вопросов курса “ Современные проблемы биологии ”.
Если при прочтении лекции у студента возникают вопросы, он может проконсультироваться у преподавателя по электронной почте или на периодических очных консультациях.
При самостоятельном изучении теоретического курса студентам необходимо: 1. Самостоятельно изучить темы теоретического курса в соответствии с учебной программой дисциплины.
2. Подготовить устные ответы на контрольные вопросы, приведённые после каждой темы.
Самостоятельная работа выполняется студентами на основе учебно-методических материалов дисциплины, приведённых в библиографическом списке. Самостоятельно изучаемые вопросы курса включаются в экзаменационные билеты.
Темы для самостоятельного изучения преподаватель выдаёт на лекционных занятиях в соответствии с графиком учебного процесса и самостоятельной работы.
Таблица 2
Темы для самостоятельного изучения теоретического материала
.№ п/п
|
№ раздела дисциплины
|
Самостоятельное изучение
теоретического материала по темам (часы)
|
1
|
2
|
3
|
2.
|
Модуль 2. Проект “Геном человека”
|
Проект “Геном человека” (HGP). Заслуги Джеймса Уотсона в реализации проекта. Цена проекта и его участники. Международный консорциум. Частная биотехнологическая компания “Celera genomics” и её проект по геному человека. Роль национальных институтов здоровья (NIH) США.
Подготовительная работа, предшествовавшая проекту. Этические и социальные аспекты проекта “Геном человека”.
История расшифровки геномов различных организмов. Пилотные проекты и модельные организмы (Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Caenorhabditis elegans, Drosophila melenogaster и Mus muscslis) и секвенирование их геномов.
Революция в генетическом картировании. Генетические карты и маркёры. Полиморфизмы длин рестрикционных фрагментов (ПДРФ). Полиморфизм простых повторов. Геномные вариации как основа нового медицинского направления – фармакогеномики.
Геномика и её роль в лечении инфекционных заболеваний. Геномы, их структура и размеры у микроорганизмов, вызывающих заболевания. Понятие бактериальной патогенности. Свойства токсинов. Причина облигатности некоторых патогенных агентов – отсутствие генов, необходимых для осуществления важнейших метаболических реакций. Примеры отсутствия метаболических реакций и путей, приводящих к облигатному внутриклеточному росту. Понятие об антибиотиках. Биохимические мишени для антибиотиков. Откуда появляются новые инфекционные болезни? Идентификация возбудителей болезней. Новые подходы к вакцинированию. Геномика и разработка новых антибактериальных препаратов.
Проект “1000 геномов”.
(5 ч)
|
|
Модуль 3. Организация генома митохондрий
|
Митохондрии. Общая внутренняя морфология и разнообразие форм. Ультраструктура митохондрий. Митохондриальные мембраны. Формирование крист. Функции митохондрий. Понятие о хондриоме. Авторепродукция митохондрии.
Митохондриальные геномы различных организмов. Особенности строения генома митохондрий жгутикового простейшего Reclinomonas. Особенности геномов митохондрий у высших растений. Множественность форм существования кольцевой митохондрионной ДНК у растений (на примере кукурузы).
(11 ч)
|
|
Модуль 4 Канцерогенез.
|
1. Общие характеристики опухолевых клеток и их отличительные особенности от нормальных клеток. Изменение морфологии. Изменение биохимических процессов (скорости гликолиза, секреции протеаз). Неконтролируемый или слабо контролируемый рост. Инвазивность. Способность перемещаться с током крови или лимфы и давать эктопические очаги роста (инвазивность). Особенности при культивировании в системе in vitro: снижение зависимости от факторов роста, от субстрата и от плотности клеток (увеличение плотности при культивировании). Утрата контактного торможения движения. Различия между клетками злокачественных и доброкачественных опухолей.
2. Возможные причины возникновения опухолей. Радиационные механизмы. Химические канцерогены. Прямые канцерогены. Проканцерогены и метаболическая активация. Промежуточные и конечные канцерогены. Механизмы действия канцерогенов. Ковалентное связывание с ДНК и её повреждения. Связывание с белками. Мутагены и индуцируемые ими мутации. Стадии процесса канцерогенеза. Инициация и промотирование. Опухолевые промоторы (12-щ-тетрадеканоилфорбол-13-ацетат, ТФА). Протеинкиназа С как рецептор ТФА. Трансформация и фосфорилирование регуляторных белков.
3. Биология и физиологические особенности организмов, у которых не обнаружены опухолевые заболевания (на примере голого землекопа).
4. Опухоли, возникающие в результате трансмиссивной передачи опухолевых клеток от особи к особи (на примере саркомы Стикера у собак).
(12 ч)
|
|
Модуль 5 Молекулярные механизмы старения
|
1. Проявление старения на молекулярном уровне. Проявление старения на субклеточном уровне. Проявление старения на клеточном и тканевом уровнях.
Гипотезы и теории старения. Гипотеза немецкого биолога Августа Вейсмана, высказанная еще в XIX в. о наличии некого механизма старения у животных. Свободно-радикальная теория старения Денхама Хармана (1956 г.) и Эмануэля. Митохондриальная теория как частный случай свободно-радикальной теории. Теория “перекрестных сшивок”. Теория апоптоза. Эффект Леонарда Хейфлика (1961 г). Теломерная теория старения российского ученого А. М. Оловникова, согласно которой ограниченное количество делений клетки связано с механизмом удвоения ДНК. Концы хромосом как буферная зона. Элевационная теория старения В. Дильмана. Понижение чувствительности гипоталамуса к уровню гормонов в крови. Мелатонин и старение. Теория гликозилирования белков. Глюкосепан. Теория повреждения ДНК и репарация. Старение иммунной системы и ограничение продолжительность жизни. TOR-центрическая “квази- программа” старения.
Генетика старения и долгожительства. Популяционная генетика старения. Близнецовый метод оценки долгожительства. Монозиготные и гетерозиготные близнецы. Закономерности наследования долгожительства в ряду поколений (наследование у сибсов). Роль среды обитания, семейных привычек и питания. Анализ долгожительства у приёмных детей. Наследуемость и вариабельность продолжительности жизни у некоторых видов животных (нематоды, плодовые мухи, имбредные мыши). Виды с максимальной видовой и индивидуальной продолжительностью жизни.
Биологические механизмы сдерживания старения при низкокалорийной диете. Биологическая роль гипогликемии. Фармакологические подходы в предупреждении неферментативного гликозилирования. Роль соматических мутаций и репарации ДНК в процессах старения. Повреждения ядерной и митохондриальной ДНК соматических клеток. Накопление с возрастом мутаций в различных органах и тканях – основной фактор, определяющий развитие возрастных патологий, включая рак.
Радиационное и химическое повреждение ДНК при старении. Механизмы репарации ДНК и старение. Долгоживущие и короткоживущие виды животных. “Предел Хайфлика”. Теория маргинотомии А. М. Оловникова (1971г.). Открытие теломеразы. Строение теломеразы, её РНК-овый матричный и каталитический белковый компоненты. Теломеры в структурной организации хромосом. Теломерный повтор и тонкая структура теломер. Теломеризация клеток. Роль теломеразы в канцерогенезе (теломераза и опухоли). Смертные и бессмертные клетки. Процесс иммортализации клеток человека. Каким образом опухолевые клетки преодолевают репрессию теломеразы?
Феномен программированной клеточной гибели, его биологическая роль в процессах роста, морфогенеза и дифференцировки клеток. Отличие апоптоза от травматической гибели клеток – некроза. Апоптоз и продолжительность жизни. Выбор “стратегии” организма – репарация ДНК или остановка пролиферации и апоптоз. Гены, ответственные за включение механизма апоптоза (ключевая роль антионкогена р53 и гена циклинзависимого ингибитора р21). Антиапоптотические гены Bax и Bcl-2. Трансэкспрессия генов антиапоптоза. Блокирование протеолиза. Роль нетранскрипционных механизмов. Мелатонин как геронтопротектор и апоптоз. Стимуляция апоптоза ограничением питания. Апоптоз и нейродегенеративные заболевания, “вторичная смерть” клеток при инфаркте. Феноптоз – запрограммированная смерть организма.
Свободные радикалы в механизмах генерации энергии в клетке. Факторы, защищающие макромолекулы клеток от повреждения свободными радикалами (СОД, глутатионпероксидаза, каталаза, провитамин А, токоферол, аскорбиновая кислота, мочевая кислота и мелатонин, хелатные агенты и синтетические антиоксиданты). Элевационная теория старения В.М. Дильмана. Роль эпифиза в механизмах старения. Инволюция эпифиза при старении. Эпиталамин и мелатонин в гериатрической практике. Ограничение калорийности пищи – мощный фактор антистарения.
(12 ч)
|
При самостоятельном изучении теоретического материала следует обратить внимание на темы, представленные в Модуле 2 “Организация генетического материала“, поскольку вопросы, освещённые в этом модуле, являются наиболее важными в программе подготовки магистров. |
