Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://kodomo.fbb.msu.ru/FBB/year_07/term4/MolBiol/MolBiol_FBB_2009.doc Дата изменения: Fri May 29 01:13:59 2009 Дата индексирования: Mon Aug 17 22:48:54 2009 Кодировка: koi8-r

Программа по курсу "Молекулярная биология". ФББ, 2009 г.
Часть А. Устройство генетического материала
1. Структура и функции нуклеиновых кислот.
Доказательства генетической функции ДНК. Опыты Эвери, Херши и Чейз.
Физические свойства молекул нуклеиновых кислот, кооперативность
взаимодействия между цепочками. Химическое строение нуклеиновых кислот.
Сахарофосфатный остов. 5'- и 3'-концы. Уотсон-криковские пары. Отличие РНК
от ДНК (химическая структура и конформация). Строение нуклеотидов.
Конформации фуранозного кольца и гликозидной связи. Фосфодиэфирная связь.
Химические формулы оснований. Химические модификации оснований
(метилирование, гликозилирование, 5-оксиметилцитозин). Метилирование 2'-
гидроксила рибозы. Псевдоуридин. А- и В-формы нуклеиновых кислот, параметры
спиралей. Стэкинг-взаимодействия. Большая и малая бороздки. Специфические
взаимодействия белков с ДНК. Z-ДНК, параметры спирали, особенности
последовательности. Роль Z-ДНК в процессе редактирования РНК. Образование Z-
ДНК, как следствие отрицательной сверхспирализации. Неканонические
взаимодействия. Тройки оснований и квадруплексы. H-ДНК. Хугстиновские и
обратные хугстиновские взаимодействия, тройные спирали ДНК. Особенности
последовательностей ДНК, образующих Н-форму. Топология участков ДНК с Н-
формой. Инициация рекомбинации на участках Н-ДНК. TFO в терапии. G-
квадруплексы. Топология внутримолекулярных и межмолекулярных квадруплексов.
G-квадруплексы в теломерах. Вторичная структура нуклеиновых кислот.
Элементы вторичной структуры: шпильки, симметричные и асимметричные
выпетливания, соединения трех и более спиралей. Третичные взаимодействия.
Псевдоузлы. Канонические (уотсон-криковские) и неканонические («воббл» и
другие) нуклеотидные пары. Пары, соответствующие параллельной и
антипараллельной ориентации цепей РНК. Четырехнуклеотидные петли
(tetraloop) и их рецепторы. Slipped strands, особенности
последовательностей. Механизм увеличения числа тандемных повторов, значение
для патологии. Методы определения вторичной структуры РНК.
Термодинамический подход. Химическая модификация. Ковариационный анализ.
Третичная (пространственная) структура РНК. Коаксиальный стекинг. Топология
ДНК. Кольцевые и линейные молеклы ДНК. Сверхспирализация. Число витков,
как топологический инвариант. Отрицательная и положительная
сверхспирализация. Роль отрицательной сверхспирализации в плавлении ДНК и
образовании неканонических структур. Топоизомеразы. Механизмы действия
топоизомераз. ДНК-гираза бактерий. Топологические проблемы репликации,
катенаны. Роль топоизомераз в репликации. Топоизомеразы первого и второго
типа.
2. Структура хроматина.
Расположение хромосом в интерфазном ядре. Компактизация ДНК. Гетеро- и
эухроматин. Факультативный и конститутивный гетерохроматин. Уровни
структурной организации хроматина в интерфазном ядре. Нуклеосомы.
Гистоновый кор. Строение гистонов. Модификации гистонов (метилирование,
ацетилирование, убиквитинилирование). Влияние модификаций гистонов на
транскрипционную активность. Гистоновый код. Связь модификаций гистонов с
метилированием ДНК. Более высокие уровни организации хроматина. Различные
модели строения 30 nm фибриллы. 100 nm фибрилла. Теломеры и теломераза.
Теломера и теломерные повторы. Теломераза, ее РНК-компонент. Теория
старения в связи с динамикой структуры теломеры. Регуляция длины теломеры.
Теломерная петля.
Часть Б. Репликация
Химия репликации. Проверка корректности встраиваемого нуклеотида.
Полуконсервативность репликации. Опыт, доказывающий полуконсервативный
механизм. Этапы репликации. Однонаправленная и двунаправленная репликация.
Ориджин репликации. Сайт терминации репликации. Репликон.
3. Инициация и контроль репликации
Репликация хромосомы E. coli. Особенности строения OriC: DnaA-сайты, АT-
повторы, GATC-последовательности, сайты связывания архитектурных белков.
Роль белка DnaA в инициации репликации: связывание с OriC, привлечение
белков репликативной вилки (DnaB, DnaC, DnaG). Роль архитектурных белков
(HNS, Fis, IHF) в инициации репликации. Контроль частоты раундов
репликации: роль метилирования ДНК, роль GATC-сайтов. Репликация плазмид.
Инициация репликации плазмиды ColE1. Роль РНКII в инициации репликации.
Альтернативные структуры РНКII, влияние РНКI в выборе структуры РНКII.
Различия в репликации плазмид и хромосом: сопряженность репликации хромосом
с клеточным циклом. Многокопийные и низкокопийные плазмиды. Репликация у
эукариот. Множественность ориджинов. Ориджины Saccaromyces cerevisiae:
понятие об ARS (autonomously replicating sequence) и ORC (origin-
recognition complex).
4. Элонгация и терминация репликации
Вилка репликации, направление синтеза. Лидирующая и отстающая цепь.
Координация синтеза ДНК на комплементарных нитях. Модель Альбертса.
Фрагменты Оказаки. Ферменты: полимераза, праймаза, лигаза, хеликаза,
топоизомераза, ssb-белки. Разнообразие ДНК-зависимых-ДНК-полимераз про- и
эукариот и их функции (кратко). Полимеразы, принимающие участие в
репликации (про-, эу-). Роль Pol I и Pol III в репликации прокариот. 5'-3'
и 3'-5' экзонуклеазные активности. Удаление затравки (праймера) у про- и
эукариот. Субъединичная структура Pol III прокариот, функции отдельных
субъединиц. Процессивность ДНК-полимераз. Зажим (sliding clamp) и грузчик
(clamp loader). Точность воспроизведения ДНК, 3'-5'-экзонуклеазная
активность. Полимеразы ("мутазы"), обеспечивающие неточное воспроизведение
ДНК. Репликативные ДНК-полимеразы эукариот. Особенности удаления праймеров
у эукариот. Множественность ориджинов. Проблема репликации линейного
незамкнутого фрагмента ДНК. Терминация репликации. Образование катенанов и
кольцевых димеров. Роль топоизомераз класса II и белкового комплекса XerCD.
5. Мобильные генетические элементы без РНК-стадии в жизненном цикле
Определение мобильного элемента. Принцип эгоистичной ДНК. Общие принципы
организации геномный копий транспозонов. Мобильные элементы бактерий: IS-
элементы, бактериальные транспозоны - структура, кодируемые белки, механизм
репликативной и нерепликативной транспозиции, функции транспозазы и
резольвазы. Tn3, Tn5, Tn9 и Tn10. ДНК-транспозоны эукариот: автономные и
неавтономные мобильные элементы, Ac/Ds кукурузы, P-элемент дрозофилы,
гибридный дисгенез. Влияние транспозонов на активность генов.
Часть В. Транскрипция у прокариот.
Стадии транскрипционного цикла. Опероны, полицистронные матрицы. Сопряжение
транскрипции с трансляцией. РНК-полимераза. РНК-полимераза - основной
фермент транскрипции. Структура РНК-полимеразы: главный компонент и сигма-
фактор. Главный компонент: бета, бета-штрих, и альфа-субъединицы. Сигма-
фактор: доменная структура, функции.
6. Инициация и регуляция транскрипции. Цис- и транс-регуляция транскрипции.
Понятие о факторах транскрипции. Механизмы активации факторов транскрипции:
взаимодействие с лигандом, ковалентная модификация (фосфорилирование).
Факторы транскрипции: активаторы и репрессоры. Механизмы действия
активаторов: взаимодействие с альфа-субъединицей, взаимодействие с сигма-
фактором, изменение конформации промотора. Механизмы репрессии: стерическое
препятствие посадке сигма-фактора, запетливание ДНК. Примеры положительной
и отрицательной обратной связи. Роль кооперативного связывания факторов
транскрипции: биологический смысл палиндромов и повторов. Лактозный оперон.
CRP-белок (CAP). Репрессор лактозного оперона. Регуляция экспрессии
триптофанового оперона. Регуляция экспрессии генов профага лямбда. Лизис и
лизогения. Белки Cro и cI - регуляторы стадий жизненного цикла фага.
Связывание cI и Cro с операторными участками, различие в степени афинности,
роль кооперативного связывания.
7. Элонгация транскрипции. Этапы начала элонгации: отделение сигма-фактора,
первая транслокация фермента вдоль матрицы, стабилизация транскрипционного
комплекса. Состав транскпипционного комплекса: главный компонент РНК-
полимеразы, ДНК, растущая цепь РНК. Движение РНК-полимеразы по матрице.
События в ходе элонгации: пауза, арест элонгации, элонгации в случае
присутствия тиминовых димеров.
8. Терминация транскрипции. Rho-независимая терминация, роль вторичной
структуры (шпильки) и polyU-участка. Rho-зависимая терминация. Аттенюация:
терминация как регуляторный механизм. Механизм аттенюации на примере
аттенюатора триптофанового оперона, роль альтернативных вторичных структур.
"Рибопереключатели" (РНК-переключатели, riboswitches).
Часть Г. Транскрипция у эукариот

РНК-полимеразы эукариот I, II и III и транскрибируемые ими гены. Этапы
транскрипции.

9. Инициация транскрипции. Базальная транскрипция. Структура промотора
генов, транскрибируемых полимеразой II, компоненты промотора (TATA, Inr,
др.). Факторы базальной транскрипции. Инициация на ТАТА-содержащих
промоторах: белковые факторы (TBP, TAFs, факторы TFII), последовательность
взаимодействий и привлечение полимеразы. ТАТА-несодержащие промоторы.

10. Регуляция транскрипции генов, транскрибируемых полимеразой II. CTD-
домен. Регуляторные области промоторов полимеразы II у эукариот.
Разнообразие GTF. Факультативные факторы транскрипции. Регуляция активности
факторов транскрипции. Комбинаторный принцип в регуляции транскрипции.
Коактиваторы и корепрессоры. Принцип "дальнодействия" в регуляции
транскрипции. Энхансеры, инсуляторы и сайленсеры. Петлевая модель.
Медиаторный комплекс. Метилирование ДНК. CpG-островки. Роль метилирования
ДНК в регуляции транскрипции. Эпигенетическое наследование. Связь между
метилированием ДНК и модификациями гистонов. Ремоделирование хроматина.
Семейства белков-регуляторов транскрипции. Базальные факторы транскрипции и
дополнительные белки-регуляторы. Активаторы, репрессоры, коактиваторы,
корепрессоры. Основные семейства белков регуляторов (по типу ДНК-
связывающего домена) эукариот. Способы активации транскрипционных факторов.
Цинковые пальцы. Взаимодействие иона Zn++ c остатками гистидина и цистеина.
Варианты цинковых пальцев: C2H2, C4 и С6. Взаимодействие цинковых пальцев с
ДНК. Специфичное распознавания гуанина остатками аргинина. Ядерные
рецепторы гормонов: определение, общие структурные особенности.
Глюкокортикоидные и эстрагеновые рецепторы, образование гомодимеров.
Тиреоидные и ретиноидные рецепторы, гетеродимеры. Роль расстояния между
сайтами при взаимодействии гетеродимеров с ДНК. Транскрипционный фактор
GAL4: структура, роль длины линкерного участка в распознавании сайтов
посадки. Гомо- и гетеродимеры, как иллюстрация комбинаторного принципа
регуляции транскрипции у эукариот. Мотив спираль-поворот-спираль (helix-
turn-helix) и гомеодомены. Мотив спираль-петля-спираль (helix-loop-helix).
Димеризация и взаимодействие с ДНК. Пример регуляции с участием HLH белков.
Лейциновая молния и её роль в димеризации. Понятие о передаче сигналов с
рецепторов на поверхности клеток к транскрипционным факторам, сигнальные
каскады.
11. Ретроэлементы в геноме эукариот
Обратная транскриптаза (ревертаза). Классификация мобильных ретроэлементов
эукариот. LINE- и SINE-элементы - структура, жизненный цикл, реакция TPRT.
LTR-содержащие ретротранспозоны, ретровирусы и эндогенные ретровирусы -
структура ДНК-копии и полногеномной РНК, мРНК ретровирусов и кодируемые ими
белки. Схема образования кДНК. Эволюционная роль мобильных элементов,
воздействие на геном. Ретропсевдогены. Другие примеры использования
мобильных элементов клеткой для своих целей.
Часть Д. Процессинг первичного транскрипта.

Этапы созревания эукариотических мРНК: кепирование, сплайсинг и
полиаденилирование. Структура кепа. Интроны и экзоны. Консервативные
последовательности на 5' и 3'-границах интрона и в месте разветвления.
Химическая основа сплайсинга - нуклеофильные атаки 2' и 3'-гидроксильных
групп. Структура "лассо". Малые ядерные РНК - характерные особенности.
Поэтапная схема сплайсинга- порядок присоединения и ухода мяРНК.
Регулируемый сплайсинг. Альтернативный сплайсинг. Транс-сплайсинг.
"Самосплайсинг" у про- и эукариот. Полиаденилирование: консервативные
последовательности в пре-мРНК и узнающие их белковые факторы. Координация
транскрипции и всех этапов созревания мРНК. Редактирование РНК. Типы
редактирования.



Часть Е. Трансляция

12. Аппарат трансляции. Морфология рибосом. Подразделение на субчастицы
(субъединицы); Химические реакции, приводящие к образованию пептидной связи
в процессе биосинтеза белка. Активация аминокислоты в реакции с АТФ;
образование аминоациладенилата. Перенос аминоацильного остатка на тРНК.
Аминоацил-тРНК-синтетазы. Эпицикл трансляции: инициация, элонгация и
терминация. Полирибосома. Рабочий элонгационный цикл рибосомы; три основные
этапа цикла. Локализация функциональных центров рибосомы. А, Р и Е участки
связывания тРНК. Полярность считывания матрицы (мРНК) в ходе трансляции.

13. Инициация трансляции, регуляция экспрессии генов на уровне трансляции
Иницияация трансляции у прокариот. Последовательность Шайн-Дальгарно.
Реинициация трансляции. Особенности эукариотических мРНК, роль кэпа и поли-
А-последовательности в инициации. Сканирующая модель и IRES-элементы.
Факторы инициации трансляции: общие для про- и эукариот (IF1/eIF1A,
IF2/eIF5B, IF3/eIF1) и эукариот-специфические (eIF2, eIF3, eIF4A, 4B, 4F,
eIF5). Влияние вторичной структуры мРНК на инициацию трансляции у про- и
эукариот. Общая и мРНК-специфическая регуляция инициации трансляции у
эукариот (фосфорилирование eIF2a, белки 4Е-ВР; регуляция мРНК GCN2,
ферритина и церулоплазмина; регуляция посредством микро(РНК)).

14. Элонгация и терминация трансляции. Элонгационный цикл. Связывание
аминоацил-тРНК. Пептидилтрансферазная реакция. Транслокация. Белковые
факторы, катализирующие связывание аа-тРНК и транслокацию. Структурные
особенности декодирования. Узнавание комплементарных пар с помощью
взаимодействия аденозина с малой бороздкой РНК. Терминация трансляции.
Белковые факторы трансляции. Стоп-кодоны. Сходство в связывании с рибосомой
факторов терминации и комплекса аа-тРНК*EF-Tu*GTP. Процесс "декодирования"
стоп-кодонов. Сходство и отличие от прочтения кодонов, кодирующих
аминокислоты.
15. Процессы, ассоциированные с трансляцией. Трансмембранная транслокация
растущего пептида. Сигнальный пептид. Сигнал-узнающая частица (SRP), ее
нуклеопротеидная природа. Взаимодействие сигнал-узнающей частицы с
сигнальным пептидом, остановка трансляции, взаимодействие с сигнальным
рецептором мембраны эндоплазматического ретикулума. Соскальзывание и сдвиг
рамки при трансляции RF2-мРНК. «Прыжок» при трансляции мРНК гена
топоизомеразы фага Т4. «Прыжок» с домена тРНК на домен мРНК в случае тмРНК
(«транс-трансляция»).

Часть Ж. Мутации и репарация ДНК
16. Механизмы возникновения мутаций. Мутации, классификация мутаций
(геномные, хромосомные, точечные, транзиции, трансверции, миссенс, нонсенс,
инверсии, делеции, дупликации). Супрессорные мутации. Химические мутагены и
промутагены. Сдвиги рамки считывания. Экспансия ДНК. Механизмы крупных
делеций, инверсий и дупликаций.
15. Репарация. Типы повреждений ДНК и вызываемые ими мутации. 3'-5'
экзонуклеазная (proofreading) активность полимераз. Классификация типов
репарации. Прямая репарация: фотореактивация тиминовых димеров, удаление
метильной группы с O6mG. Однонитевые разрывы, лигаза. Репарация неспаренных
оснований (mismatch repair). Роль белков MutS, MutL и MutH, 3'-5' и 3'-5'
экзонуклеаз, хеликазы и Pol III в репарации неспаренных оснований в E.coli.
Механизм обнаружения поврежденной цепи у E.coli. Особенности репарации
неспаренных оснований эукариот. Эксцизионная репарация оснований (BER).
Типы повреждений, репарируемые с помощью BER. Разнообразные гликозилазы.
Образование АП-сайта. Роль гликозилазы, pol I (прокариоты)/pol beta
(эукариоты), АП-эндонуклеазы и лигазы. Эксцизионная репарация нуклеолидов
(NER) и типы репарируемых повреждений. Распознавание повреждения. Белки
UrvA, UrvB и UrvC. Pol I и лигаза. Понятие о репарации, сопряженной с
транскрипцией (transcription-coupled repair) и связь с NER. Репарация
двунитевых разрывов. Негомологичное соединение концов (NHEJ).
Пострепликативная репарация путем рекомбинации. Сравнение NHEJ с репарацией
путем рекомбинации.
Часть Ж. 14. Механизмы и регуляция рекомбинации
Общая (гомологическая) рекомбинация. Инициация рекомбинации при однонитевых
разрывах. Структура Холлидея в модели рекомбинации. Миграция ветви,
гетеродуплексы, "разрешение" структуры Холлидея. Инициация рекомбинации при
двунитевых разрывах ДНК. Функции белка RecA и комплекса RecBCD.
Пресинаптические фибриллы. Мейотическая и соматическая рекомбинация у
эукариот. Эукариотические гомологи RecA, конкуренция с белком RPA за
взаимодейтвие с однонтевой ДНК. Пути рекомбинационных событий у эукариот,
функциональное значение рекомбинации. Сайт-специфическая рекомбинация.
Сериновые и тирозиновые рекомбиназы, олигомерный состав, механизмы
катализа. Cre-белок, интеграза фага лямбда, XerCD. Выбор направления
реакции. Типы хромосомных перестроек, осуществляемых при сайт-специфичной
рекомбинации. Регуляторная роль сайт-специфичной рекомбинации у бактерий.


Часть З. Дополнительные разделы
16. Рибозимы, происхождение жизни, гипотеза РНК-мира. Рибозимы hammerhead и
hairpin, функциональное значение и механизм катализа. Рибосома как рибозим.
Автосплайсируюиеся интроны. Самозарождение жизни. Эксперименты по
пребиотическому синтезу. Пребиотический синтез аминокислот, сахаров и
оснований. Гипотеза А.И. Опарина о первичном возникновении белков и ее
основной недостаток. Гипотеза о первичном возникновении мира РНК. Рибозимы
в качестве РНК-зависимых РНК-полимераз. Гипотеза мира РНК.


17. SOS-ответ у бактерий. Белок LexA - регулятор SOS-ответа. Свойства ДНК-
полимераз, участвующих в SOS-репарации (ДНК-мутазы) у прокариот и эукариот.
Роль белков UmuDС и мутагенной полимеразы IV.