МИНОБРНАУКИ РОССИИ

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Новосибирский национальный исследовательский государственный университет»
(Новосибирский государственный университет, НГУ)
Факультет Естественных Наук
«УТВЕРЖДАЮ»
Декан факультета естественных наук
проф. В.А.Резников
_______________________
«_____»__________________2012___ г.
Программа по курсу дисциплины
«Генетика развития»
Направление подготовки
020201.65 Биология
Уровень подготовки
Специалист
форма обучения
очная
Новосибирск 2012
1. Организационно-методический раздел.
1.1. Генетика развития
Курс реализуется в рамках подготовки специалистов по направлению 020201 «Биология»
(уровень подготовки - специалист). Относится к циклу Общепрофессиональных
дисциплин в качестве дисциплины по выбору (ОПД.В.2).
1.2. Цели и задачи курса.
Основной целью освоения дисциплины является формирование у студентов
современного представления по проблемам биологии развития, включая феноменальные
достижения в области биотехнологии.
Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса:

изучить детально процессы нормального развития, гены развития, экспрессию
генов в развитии, эмбриональные и клеточные дифференцировки дрозофилы и
мыши, как модельных объектов;

изучить современное состояние исследований в области эмбриональных
стволовых и тканевых стволовых клеток;

изучить технологии манипуляции с генами и эмбрионами: трансгенез,
направленные мутации на генном и хромосомном уровнях
1.3. Требования к уровню освоения содержания курса (дисциплины).
По окончании изучения указанной дисциплины студент должен:

знать и представлять роль эпигенетической регуляции в развитии;

знать классификацию генов развития и их роль.

уметь ориентироваться в современных технологиях манипулирования с генами,
хромосомами и эмбрионами;
 уметь ориентироваться в сущности методов: анализ мутантов, мозаики,
материнские эффекты, анализ экспрессии генов на уровне транскрипции и
трансляции; манипуляции с генами и эмбрионами, генетическая модификация
генома как инструмент анализа функций генов эукариотического генома.

владеть категориями и понятиями, применяемыми при работе со стволовыми
клетками;

владеть полным представлением о неменделевской генетике;

владеть информацией об ключевых исследованиях в современной
биотехнологии.
1.4. Формы контроля
Итоговый контроль. Для контроля усвоения дисциплины учебным планом
предусмотрен дифференцированный зачет.
Текущий контроль. Короткий опрос перед каждым занятием по пройденному
накануне материалу.
2. Содержание дисциплины.
2.1. Новизна курса Курс оригинален, включает фундаментальные достижения и
материал из последних публикаций в зарубежной и отечественной литературе.
2.2. Тематический план курса
Название раздела и тем курса
Трудоемкость, часов
Лекции
Раздел 1. Организация генома. Гены развития.
Тема 1. Организация эукариотического генома.
Тема 2. Развитие дрозофилы.
Тема 3. Гены развития.
Тема 4. Гомеозисные гены
Тема 5. Ранее развитие мыши и экспрессия генов в
развитии мыши.
Раздел 2. Дифференциальная активность генов.
Тема 6. Трансгенез животных. Эмбриональные стволовые
клетки.
Тема 7. Технология «генной мишени» и «нокаута генов».
Тема 8. Импринтинг млекопитающих.
Тема 9. Инактивация Х-хромосом.
Тема 10. Клонирование животных.
Тема11.
Репрограммирование
генома
дифференцированных клеток
Тема 12. Современные теории развития.
ИТОГО
2
2
2
4
4
4
2
2
2
2
2
2
30
Контро
ль
Самостоятельная
работа
Всего
часов
2
2
4.5
7
4
1
1
1.5
2
1
2
1
1.5
1
1
1.5
1.5
2
4.5
2
4.5
4.5
6
10
2
46
7
2.3. Содержание разделов и тем.
Общая трудоемкость дисциплины составляет 46 академических часов: 30 лекционных
часов, 10 часов СРС и 4 часа отводится для контроля СРС.
Тема 1. Организация эукариотического генома.
Введение в предмет. Общие понятия: типы развития – мозаичный и
регуляционный, тотипотентность яйца и плюрипотентность эмбрионального генома в
раннем развитии, детерминация как элемент эмбриональной дифференцировки,
морфогенез и его составляющие - гистогенез и органогенез, метаморфоз и рост.
Феногенетика. Задачи генетики развития: время и место действия гена. Методы:
анализ мутантов, мозаики, материнские эффекты, анализ экспрессии генов на уровне
транскрипции и трансляции; манипуляции с генами и эмбрионами, генетическая
модификация генома как инструмент анализа функций генов эукариотического генома.
Основные типы ДНК и компоненты генома: повторы и гены, теломеры и
центромеры, мобильные генетические элементы. Функциональная классификация генов и
роль разных категорий генов в фенотипическом разнообразии дифференцированных
клеток.
Сколько генов и какая доля генома контролирует развитие. Структурные
изменения ДНК в ходе развития и клеточной дифференцировки: перестройки генов,
диминуция хроматина, элиминация хромосом.
Дифференциальная активность генов – современная парадигма развития. Роль
эпигенетической модификации генома в развитии и дифференцировке.
Тема 2. Развитие дрозофилы.
Овогенез и становление позиционной информации в яйце. Оплодотворение.
Характеристика стадий развития: ранний и поздний эмбриогенез, личиночные
стадии развития, куколочная стадия развития, имаго. Тотипотентность яйца и
детерминация клеточной бластодермы. Феномен митотической регионализации
бластодермы. Гинандроморфы и мозаики как инструмент изучения детерминации.
Имагинальные диски и феномен компартментализации.
Трансдетерминация.
Тема 3. Гены развития.
Классификация генов развития: гены материнского эффекта, гены сегментации и
гомеозисные гены.
Роль материнских генов в становлении передне-задней и дорзально-вентральной
осей эмбриона и позиционной информации. Значение экспрессии генов сегментации
группы “gap” в прочтении позиционной информации, созданной материнскими генами.
Молекулярная сегментация синтициальной бластодермы под контролем генов
сегментации группы pair-rule. Парасегменты и становление их границ под контролем
генов wingless, engrailed, fushi-tarazu и др.
Тема 4. Гомеозисные гены комплексов
ANT-C и BX-C, их структура и
организация.
Иерархическая регуляция и взаимодействие генов комплексов ANT-C и BX-C;
анализ компаундов и трансгенных мух. Эволюционный консерватизм гомеозисных генов
и кластерной их организации. Роль гомеозисных генов в становлении осевых координат в
развитии млекопитающих.
Тема 5. Ранее развитие мыши и экспрессия генов в развитии мыши.
Ранее развитие мыши как пример регуляционного типа развития.
Организация яйца и оплодотворение. Деления-дробления, первые признаки
эмбриональной дифференцировки – компактизация и кавитация. Формирование
бластоцисты и первичных экто – и энтодермы и трофэктодермы. Обособление клеток
внутренней массы и выделение зачатка первичных половых клеток. Имплантация,
гаструляция и образование мезодермы.
Тотипотентность в раннем развитии, формирование химер. Асинхронность
дифференцировки и обратимость утраты плюрипотенции. Асинхронность утраты
потенций в развитии млекопитающих, стволовые клетки тканей взрослого животного как
источник регенерации.
Геномное деметилирование ДНК в мужском и женском пронуклеусах, активное и
пассивное деметилирование, метилирование de novo.
Активность генома в первых делениях дробления до стадии бластоцисты.
«Пучковая» (координированная) активация генов. Микрочиповая технология
оценки активности эмбрионального генома на разных стадиях развития. Трансмембранные сигнальные системы регуляции в развитии млекопитающих.
Эволюционный консерватизм этих систем на примере млекопитающих и
дрозофилы.
Дифференциальная активность генов.
Тема 6. Трансгенез животных. Эмбриональные стволовые клетки.
Технологии манипулирования с генами, хромосомами и эмбрионами.
Методы получения трансгенных животных с помощью микроинъекций
рекомбинантных ДНК в пронуклеус зигот. Механизмы интеграции чужеродной ДНК,
идентификация трансгенных животных, трансген как облигатный компонент генома
трансгенных животных, особенности наследования трансгенов при интеграции их на
одно-, двух- и четырех клеточной стадиях развития, мозаичность трансгенных животных.
Копийность трансгенов и «эффект положения», эктомическая и мозаичная
экспрессии трансгенов. Инсерционный мутагенез (интеграция трансгена) и его
последствия. Техника поиска функциональных сайтов в промоторах с использованием
генов репортеров.
Особенности трансгенеза у дрозофилы с использованием Р-элементов.
Микроинъкции рекомбинантных ДНК в полярную зону ранних эмбрионов дрозофилы.
Организация Р-элементов и использование их концевых повторов в конструировании
векторов. Идентификация трансгенных мух.
Технология трансгенеза в исследованиях проблем развития.
Технология получения эмбриональных стволовых (ЭС) клеток из клеток
внутренней массы бластоцист млекопитающих, их культивирование и оценка их
плюрипотентности и тотипотентности. Комбинирование ЭС клеток с эмбрионами и
получение химерных животных и потомства с генотипом ЭС клеток. ЭС клетки как
вектор для создания трансгенных животных.
Тема 7. Технология «генной мишени» и «нокаута генов».
Технология «генной мишени» и «нокаута генов». Гомологичная рекомбинация
между экзогенной ДНК (рекомбинантной) и гомологичным сайтом в хромосоме, способы
выявления направленной инсерции трансгена в ген-мишень при трансформации ЭС
клеток с помощью электропорации. Введение трансформированных ЭС клеток в полость
бластоцисты для генерирования химерных мышей с дальнейшим получением от них
потомства с «нокаутными» генами, оценка функции гена в развитии через получение
направленных мутаций («нокаута») в гене-мишене.
Создание линий мышей с желаемыми хромосомными перестройками (делециями,
транслокациями,
дупликациями)
с
использованием
технологи
Cre-LoxP-site.
Направленное ввведение сайтов для рекомбиназы фагов в геном ЭС клеток посредством
гомологичной рекомбинации и дальнейшей их транзиторной трансформации плазмидой с
прокариотической рекомбиназой.
Тема 8. Импринтинг млекопитающих.
Гаметический, хромосомный и генный импринтинг у млекопитающих.
Развитие гиногенетических и андрогенетических эмбрионов, роль материнского и
отцовского геномов в контроле развития различных частей эмбриона:
Гаметический импринтинг у разных видов млекопитающих и человека.
Хромосомный импринтинг в экспериментах с нули- и дисомными генопами по
аутосомам. Фенотипическое проявление мутаций в зависимости от материнского и
отцовского наследования. Молекулярные механизмы импринтинга, понятие о центрах
импринтинга, роль метилирования ДНК в этом явлении. Наследственные заболевания
человека, связанные с мутациями нарушающими импринтинг.
Тема 9. Инактивация Х-хромосом.
Инактивация Х-хромосомы млекопитающих как пример дифференциальной
активности генома на хромосомном уровне.
Организация Х-хромосомы млекопитающих, ее эволюционный консерватизм у
планцентарных и особенности организации у сумчатых и однопроходных.
Компенсация дозы гена и инактивация одной из Х-хромосом как механизм реализации
компенсации. Организация район гомологичного спаривания с У-хромосомой
(псевдоаутосомный). Время инактивации материнской и отцовской Х-хромосом в
доимплантационных эмбрионах, асинхронность инактивации в трофэктодерме и внутренней
клеточной массе. Случайная инактвация родительских Х-хромосом и предпочтительная
инактивация отцовской
Х-хромомосомы. Стабильность инактивации в развитии и
взаимоотношения между двумя клеточными популяциями с активными разными
родительскими Х-хромосомами. Генетические данные о центре инактивации, роль его
аллелей в отклонении от случайной инактивации. Молекулярные механизмы инактивации Ххромосом, роль Xist и Tsx локусов в контроле инактивации. Метилирование ДНК как
ведущий фактор в поддержании неактивного состояния Х-хромосомы.
Тема 10. Клонирование животных.
Клонирование животных с помощью трансплантации ядер диффренцированных
клеток в энуклеированные ооциты. Развитие реконструированных ооцитов, выход
клонированных
животных
и
причины
их
гибели
из-за
несовершенства
репограммирования. Клонированные животные не есть совершенные копии, вследствии
неполного репрограммирования. Зависимость репрограммирования от уровня
диффренцировки соматических клеток – доноров ядер.
Клонированные животные и ЭС клетки как источники получения необходимых для
нужд медицины специализированных клеток: нейроглии, миокардимиоцитов и др.
Перспективы управляемой дифференцировки in vitro.
Тема 11. Репрограммирование генома дифференцированных клеток.
Управляемая in vitro диффренцировка и репрограммирование ЭС клеток и
клонирование животных.
Ростовые
и
транскрипционные
факторы
регулирующие
направление
дифференцировки эмбриональных клеток. Использование потенциала ЭС клеток для
репрограммирования генома дифференцированных клеток, техника получения гибридных
клеток между ЭС клетками и диффренцированными клетками взрослого животного.
Мозаичное репрограммирование, восстановление теломеразной активности, реактивация
и сайленсинг генов.
Тема 12. Современные теории развития.
3. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
3.1. Примеры вопросов для текущего контроля:
1.
Типы развития – мозаичный и регуляционный.
2.
Тотипотентность яйца и плюрипотентность эмбрионального генома в раннем
развитии. Детерминация как элемент эмбриональной дифференцировки.
3.
Морфогенез и его составляющие - гистогенез и органогенез, метаморфоз и рост.
4.
Феногенетика. Задачи и методы.
5.
Основные типы ДНК и компоненты генома.
6.
Функциональная классификация генов и роль разных категорий генов в
фенотипическом разнообразии дифференцированных клеток.
7.
Сколько генов и какая доля генома контролирует развитие.
8.
Структурные изменения ДНК в ходе развития и клеточной дифференцировки.
Дифференциальная активность генов – современная парадигма развития.
9.
Технологии манипулирования генами, хромосомами и эмбрионами.
10. Методы получения трансгенных животных.
11. Механизмы интеграции чужеродной ДНК.
12. Идентификация трансгенных животных. Наследования трансгенов, копийность
трансгенов и экспрессии трансгенов.
13. Инсерционный мутагенез и его последствия.
14. Техника поиска функциональных сайтов в промоторах с использованием генов
репортеров.
15. Трансгенез у дрозофилы с использованием Р-элементов. Идентификация
трансгенных мух.
16. Технологии получения эмбриональных стволовых (ЭС) клеток. Комбинирование ЭС
клеток с эмбрионами и получение химерных животных.
17. ЭС клетки как вектор для создания трансгенных животных.
18. Технология «генной мишени» и «нокаута генов».
19. Гомологичная рекомбинация между экзогенной ДНК (рекомбинантной) и
гомологичным сайтом в хромосоме.
20. Введение трансформированных ЭС клеток в полость бластоцисты. Оценка функции
гена в развитии через получение направленных мутаций («нокаута») в гене-мишене.
21. Создание линий мышей с желаемыми хромосомными перестройками.
22. Гаметический, хромосомный и генный импринтинг у млекопитающих.
23. Развитие гиногенетических и андрогенетических эмбрионов.
24. Гаметический импринтинг у разных видов млекопитающих и человека.
25. Хромосомный импринтинг.
26. Фенотипическое проявление мутаций в зависимости от материнского и отцовского
наследования.
27. Молекулярные механизмы импринтинга, понятие о центрах импринтинга, роль
метилирования ДНК в этом явлении.
28. Наследственные заболевания человека, связанные с мутациями нарушающими
импринтинг.
29. Инактивация Х-хромосомы млекопитающих как пример дифференциальной активности
генома на хромосомном уровне.
30. Организация Х-хромосомы млекопитающих.
31. Компенсация дозы гена и инактивация одной из Х-хромосом как механизм реализации
компенсации.
32. Организация район гомологичного спаривания с Y-хромосомой (псевдоаутосомный).
33. Время инактивации материнской и отцовской Х-хромосом в доимплантационных
эмбрионах.
34. Генетические данные о центре инактивации.
35. Молекулярные механизмы инактивации Х-хромосом.
36. Метилирование ДНК как ведущий фактор в поддержании неактивного состояния Ххромосомы.
37. Клонирование животных.
38. Развитие реконструированных ооцитов, выход клонированных животных и причины
их гибели.
39. Зависимость репрограммирования от уровня диффренцировки соматических клеток.
Клонированные животные и ЭС клетки как источники получения специализированных
клеток, необходимых для нужд медицины.
40. Управляемая in vitro диффренцировка и репрограммирование ЭС клеток и
клонирование животных.
41. Ростовые
и
транскрипционные
факторы
регулирующие
направление
дифференцировки эмбриональных клеток.
42. Использование потенциала ЭС клеток для репрограммирования генома
дифференцированных клеток.
43. Техника получения гибридных клеток между ЭС клетками и диффренцированными
клетками взрослого животного.
44. Мозаичное репрограммирование, восстановление теломеразной активности,
реактивация и сайленсинг генов.
3.2. Рекомендуемая литература
основная
 Гилберт С. Биология развития.т.1-3, «Мир», Москва, 1993-1998
 Корочкин Л.И. Введение в генетику развития. «Наука», Москва, 1999
 Корочкин Л.И. Биология индивидуального развития. Из-во Московского
университета, Москва, 2002
 Рэфф Р., Кофман Т. Эмбрионы, гены и эволюция. «Мир», Москва, 1986
 Серов О.Л. Гены развития дрозофилы. Интернетный курс, 2002-2003
дополнительная
 Ashburner M. Drosophila. A Laboratory Handbook. Cold Spring Harbor Laboratory Press, New
York, 1989.
 Duboule D., Morata G. Colinearity and functional hierarchy among genes of the homeotic
complexes. Trends in Genetics, v.10, pp 358-364 (1994).
 Foe V.E. Mitotic domains reveal early commitment of cells in Drosophila embryos.Cell, v.107,
pp 1-22 (1989).
 Gehring W.J. Imaginal discs: determination. In: The Genetics and Biology of Drosophila. Eds.
M.Ashburner and T.R.F.Wright. Academic Press, New York. Vol.2c, pp 511-554.
 Fullilove L.S., Jacobson A.G., Turner F.R. Embryonic development: descriptive. In: The Genetics
and Biology of Drosophila. Eds. M.Ashburner and T.R.F.Wright. Academic Press, New York.
Vol.2c, pp 103-228 (1978).
 Hadorn E. Transdetermination. In: The Genetics and Biology of Drosophila. Eds. M.Ashburner
and T.R.F.Wright. Academic Press, New York. Vol.2c, pp 555-617 (1978).








Illmensee K. Developmental potencies of nuclei from cleavage, preblastoderm, and syncytial
blastoderm transplanted into unfertilized eggs of Drosophila melanogaster. Wilhelm Rouxìs
Archiv,
v.170, pp 267-298 (1972).
Illmensee K. The potentialities oftransplanted early gastrula nuclei of Drosophila melanogaster.
Production of their imago descendants by germ-line transplantation. Wilhelm Rouxìs Archiv,
v.171, pp 331-343 (1973).
Ingham P.W. The molecular genetics of embryonic pattern formation in Drosophila.Nature,
v.335, pp 25-34 (1988).
Mahowald A.P., Hardy P.A. Genetics of Drosophila embryogenesis. Annual Review of Genetics,
v.19, pp 149-177, (1985).
Nusslein-Folhard C.Gradient that organizes embryo development. Scientific American, August,
pp 38-43 (1996).
Spradling A.C. Developmental genetics of oogenesis. In: Development of Drosophila
melanogaster. Ed. Bate Martinez Arias, Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York. pp 170 (1993).
Zalokar M. Transplantation of nuclei in Drosophila melanogaster. Proceedings of National
Academy of Sciences of USA, v.68, pp 1539-1541.
Автор - доктор биол.наук, профессор__________________________О.Л. Серов
Программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры цитологии и генетики ФЕН
НГУ
от « 28_» августа 2012 года, протокол № _4___
Секретарь каф.
А.М.Гусаченко