Вступительного экзамена по специальности «Молекулярная биология»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ

ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ ГЕНА

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

(ИБГ РАН)

П Р О Г Р А М М А

Вступительного экзамена по специальности «Молекулярная биология»

Утверждена на заседании Ученого Совета ИБГ РАН

Протокол № 1 от 08 февраля 2013 года

Москва 2013

I. Молекула ДНК. Процессы репликации, рекомбинации, репарации, и транскрипции. Регуляция экспрессии генов. Геномика

Структура молекулы ДНК.

Нуклеозиды, нуклеотиды: их строение и конформация. Полинуклеотидная цепь. Физические свойства молекулы ДНК. Кривые плавления и температура плавления ДНК. Конформационные формы ДНК A, В, и Z, их физические параметры. Неканоническая H-форма ДНК. Денатурация и ренатурация ДНК. Hуклеотидные последовательности ДНК, определяющие конформацию ДНК, гибкость или жесткость молекулы. Комплементарные пары оснований Уотсона-Крика и Хугстина. Триплексы.

 

Доказательства генетической функции ДНК. Свойства кольцевых молекул ДНК.

История доказательства генетической функции ДНК. Опыты Эвери, Херши и Чейз. Кольцевые молекулы ДНК и понятие о сверхспирализации ДНК. Параметры сверхспирализованной ДНК и конформационные переходы в сверхспирализованной молекуле ДНК. Топоизомеразы I и II типа про- и эукариот, свойства, функции и механизм действия. ДНК-гираза бактерий.

 

ДНК-полимеразы прокариот.

Полимеразы, участвующие в репликации, характеристика их ферментативных активностей. Точность воспроизведения ДНК. Роль стерических взаимодействий между парами оснований ДНК при репликации. Полимеразы I, II и III E. coli. Субъединицы полимеразы III. Понятие о процессивности ДНК полимераз. Полимеразы, обеспечивающие неточное воспроизведение ДНК ("мутазы").

 

Механизм репликации у прокариот.

Репликация ДНК. Матричный характер репликации. Доказательство полуконсервативного способа репликации ДНК. Вилка репликации, "ведущая" и “отстающая” нити при репликации. Фрагменты Оказаки. Координации синтеза ДНК на комплементарных нитях. Комплекс белков в репликационной вилке. Регуляция инициации репликации у E. соli. Структура участка старта репликации (origin, ori). Структурные переходы ДНК в районе старта репликации. Терминация репликации у бактерий. Расхождение ori хромосом перед делением бактериальной клетки. Особенности регуляции репликации плазмид. Двунаправленния репликация и репликация по типу катящегося кольца.

Репликационная машина эукариот. Старты репликации.

Репликативные ДНК-полимеразы. Праймаза-ДНК-полимераза. Комплекс ORC и инициация репликации. Структура и свойства белков, участвующих в репликации: RPA, хеликаза А, RFC, PCNA. Старты репликации (оri) у дрожжей, их структурно-функциональная организация. Изменчивость сайтов ori у многоклеточных эукариот.

 

Механизм репликации у эукариот.

Фрагменты Оказаки и особенности их “процессинга”. Pепликоны эукариот, изменчивость их размеров. Понятие о стационарных "репликативных фабриках". Ошибки репликации, обусловленные скольжением нитей при репликации. Топология репликации.

 

Координация рeпликации ДНК и клеточного цикла.

Молекулярные механизмы, координирующие клеточный цикл и репликацию ДНК. Понятие о “сверочных точках” (checkpoints). Циклины и протеинкиназы. Протоонкогены, участвующие в регуляции клеточного цикла. Механизмы упаковки ДНК при подготовке к делению клетки. Когезины и конденсины в расхождении и упаковке хромосом.

 

Репликация ДНК в составе хроматина. «Расписание репликации» генов.

Загрузка новых нуклеосом на новосинтезированную ДНК. Наследование паттерна модификаций гистонов.

“Расписание репликации” участков хромосомы в клеточном цикле. Молекулярные механизмы, препятствующие новой инициации репликации до завершения клеточного цикла. Случаи локальной амплификация участков ДНК эукариот, ее возможные механизмы.

Ретроэлементы генома.

Классификация ретроэлементов. Различие механизмов перемещения элементов с длинными концевыми повторами (ретротранспозонов и ретровирусов) и LINE-элементов. Ty элементы в геноме дрожжей. Элементы L1 и Alu в геноме человека. Ретротранспозоны и эволюция геномов. Ретрогены, или “процессированные гены” и псевдогены. LINE элементы теломер в геноме дрозофилы. Подвижные интроны дрожжей.

 

Ядерные рецепторы.

Ядерные рецепторы гормонов, их домены, особенности “узнавания” ими регуляторных последователностей ДНК. Глюкокортикоидний и тиреоидный рецепторы, рецептор экдистерона, ретиноевой кислоты и ее метаболитов. Гетеродимеры рецепторов, ответственных за разнообразие физиологических эффектов, индуцированных гормонами. Рецепторы-сироты. Интеграция воздействий стероидных гормонов и митогенных факторов.

 

Гистоновый код.

Химические модификации гистонов: aцетилирование, фосфорилирование, метилирование, убиквитинилирование и АДФ-рибозилирование. Понятие о ”гистоновом коде”. Активный и неактивный хроматин. Механизмы репрессии генов, обусловленные деацетилированием и метилированием гистонов. Белковые домены, осуществляющие мечение гистонов и чтение меток.

 

Сплайсинг мРНК.

Открытие интронов. Типы интронов. Механизмы сплайсинга. Роль малых ядерных РНК и белковых факторов. Сплайсосома. Альтернативный сплайсинг, примеры. Энхансеры сплайсинга. Биологическая роль альтернативного сплайсинга, примеры. Роль белков, связывающихся с РНК-полимеразой на промоторе, в определении специфичности сплайсинга. Механизмы узнавания/обозначения экзонов и интронов. Сплайсинг и его роль в определении специфичности функционирования мРНК в цитоплазме. Транс-сплайсинг, его распространение. “Самосплайсинг”.

 

Процессинг тРНК и рРНК.

Процессинг тРНК и рРНК у про- и эукариот. РНКаза Р как рибозим при процессинге предшественников тРНК. Метилирование рибозы и образование псевдоуридина. Роль малых ядрышковых РНК. Интроны групп 1 и 2. Интроны группы 1 как рибозимы. Редактирование РНК. Типы редактирования. Инсерции уридиловых остатков, дезаминирование урацила и аденина. Редактирование двухцепочечных участков РНК.

Геном прокариот.

Строение прокариотического генома на примере Е. coli. Размеры, кольцевая хромосома, эписомы, F-фактор. Характеристика геномной ДНК. Компактизация ДНК бактерий. Суперспирализованные петли нуклеоида. ДНК-связывающие белки петель, структура и функции. Роль доменной организации в функционировании бактериального генома. Генетические и физические карты, их соответствие, методы построения.

 

Структура геномов эукариот.

Основные свойства генома эукариот: избыточность, компактность, компартментализация и нестабильность. Характерные отличия от прокариотического генома. Основные компоненты эукариотического генома. Кинетика реассоциации ДНК. Уникальные и повторяющиеся нуклеотидные последовательности. Гены, кодирующие белки. Мультигенные семейства. Тканеспецифичные гены и гены «домашнего хозяйства». Псевдогены.

Сравнительная геномика.

Сравнение последовательностей геномов. Ортологи. Паралоги. Ксенологи. Размер генома и парадокс величины С. Гипотеза эгоистической ДНК. Общее количество и распределение генов в геноме. Происхождение и эволюция эукариотического генома. Генные дупликации и «тасующиеся» экзоны. Мультигенные семейства. Филогенетические деревья. Молекулярная систематика. Роль дупликации генов в эволюционном процессе. Механизмы геномных перестроек, увеличения и уменьшения размеров геномов. Горизонтальный и вертикальный перенос генов.

Геном человека.

Общие и характерные особенности организации. Типы сателлитных ДНК. Альфоидные ДНК. Суперсемейство повторов АIu: содержание, строение, транскрипция, происхождение. Суперсемейство повторов Крn I: содержание, строение, транскрипция, происхождение. Генные семейства. Системы глобиновых генов: кластерная организация, особенности функционирования в онтогенезе.

 

II. РНК и биосинтез белков

Структура рибосом.

Локализация рибосом в клетке. Прокариотический и эукариотический типы рибосом; 70S и 80S рибосомы. Подразделение на субчастицы (субъединицы); диссоциация. Функциональные сайты рибосомы: сайты связывания аминоацил-тРНК, пептидил-тРНК и деацилированной тРНК (А-, Р-, Е-сайты); сайты связывания факторов элонгации трансляции (EF-Tu и EF-G), сайт выхода синтезированного белка. Рибосомные белки: разнообразие, разделение, номенклатура, особенности структуры. Самосборка, ее последовательные этапы, независимое формирование РНП-доменов. Основные экспериментальные подходы к изучению топографии рибосомных белков.

 

Образование пептидной связи в процессе биосинтеза белка.

Синтез аминоацил-тРНК. Аминоацил-тРНК-синтетазы. Два класса аминоацил-тРНК-синтетаз, их структурные и функциональные различия. Связывание аминоацил-тРНК с рибосомой, участие фактора элонгации EF1 (EF-Tu). Фактор элонгации EF1В (EF-Ts), его функция.Реакция транспептидации. Пептидил-трансферазный центр большой рибосомной субчастицы; рибозимный катализ. Транслокация. Участие фактора элонгации EF2 (EF-G) c ГТФ. Транслокация как свойство рибосомы, термодинамическая спонтанность транслокации, каталитическая функция EF-G, зависимость конформационного катализа от ГТФ.

 

Терминация трансляции.

Терминирующие кодоны. Белковые факторы терминации прокариот и эукариот; два класса факторов терминации. Узнавание терминирующего кодона фактором терминации 1-го класса в А-участке рибосомы. Индукция гидролиза сложноэфирной связи пептидил-тРНК в пептидил-трансферазном центре. Эвакуация деацилированной тРНК из Р-участка и факторов терминации из А-участка с участием факторов терминации 2-го класса и ГТФ/ГДФ. Фактор освобождения рибосом (RRF, RF4) прокариот.

 

Вторичная структура белка.

Роль водородных связей для формирования вторичной структуры. a-спираль как важнейший элемент регулярной вторичной структуры белка. Основные свойства a-спиралей: формирование дипольного момента, роль боковых радикалов аминокислотных остатков. Виды спиральных структур. b-структура: параллельное и антипараллельное расположение цепей при формировании слоев. Петли, их локализация на поверхности белков. b-шпилька как элемент вторичной структуры белков. Топологические диаграммы.

 

Третичная структура белка.

Стабильность пространственной структуры белка. Формирование третичной структуры белка в процессе синтеза. Гидрофобное ядро. Форма, компактность и динамика молекулы белка. Роль дисульфидных связей в стабилизации третичной структуры некоторых белков и пептидов. Взаимосвязь элементов вторичной структуры в составе белковой глобулы. Консенсусные последовательности аминокислот в предсказании третичной структуры. Понятие структурной классификации белков.

 

Сигнальные каскады клетки.

Представление о передачи внешних сигналов в клетку (ростовые факторы, молекулы адгезии, стероидные гормоны). Каскад MAP-киназ. Фосфоинозитидный путь, PI-3-киназа, киназа Akt. Jak-Stat путь и импорт активатора в ядро. Сигнальные белки TGFb и транскрипционные факторы Smads. Рецептор Notch и его участие в регуляции активности генов. Интеграция действия различных сигнальных путей в клетке.

 

Канцерогенез.

Фенотипические особенности опухолевой клетки. Причины возникновения опухоли, канцерогены. Генетическая нестабильность раковой клетки. Канцерогенез как микроэволюционный процесс. Стволовые опухолевые клетки. Онкогены и гены-супрессоры опухолевого роста. Роль белка p53. Метастазирование. Защита организма от опухолевых клеток.

 

Стволовые клетки.

Понятие о стволовых клетках. Отличительные особенности стволовых клеток, их классификация. Потентность. Ниша стволовой клетки. Индуцированные стволовые клетки, транскрипционные факторы, программирующие индукцию. Эпигенетика стволовых клеток. Индукция дифференцировки в культуре клеток.

Литература

Основная

1) Льюин Б. Гены (перевод 9 изд.). Изд. Бином: Лаборатория знаний, 896 с., 2011.

Jocelyn E. Krebs, Elliott S. Goldstein, Stephen T. Kilpatrick. Lewin's GENES XI. Jones & Bartlett Learning, 940 p., 2012.

2) Harvey Lodish, Arnold Berk, Chris A. Kaiser, Monty Krieger, Anthony Bretscher, Hidde Ploegh, Angelika Amon, Matthew P. Scott. Molecular Cell Biology (7th ed.). W. H. Freeman, 973 p., 2012.

3) Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика (Изд. 4-е). Сибирское университетское издательство, Новосибирск, 479 с., 2007.

4) Спирин А.С. Молекулярная биология. Рибосомы и биосинтез белка. Изд. Академия, 512 с., 2011.

5) Степанов В. М. Молекулярная биология. Структура и функции белков. Изд. МГУ, Наука, 336 c., 2005.

Дополнительная

6) Alexander Gann, James D. Watson, Michael Levine, Stephen P. Bell, Tania A. Baker. Molecular Biology of the Gene (7th ed.). Benjamin-Cummings Publishing Company, 912 p., 2013.

7) Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter. Molecular Biology of the Cell (5th ed.). Garland Science, 1392 p., 2007.

8) Коряков Д.Е., Жимулев И.Ф. Хромосомы. Структура и функции. Издательство СО РАН, Новосибирск, 258 с., 2009.

9) Под ред. С. Дэвида Эллиса, Томаса Дженювейна, Дэнни Рейнберг. Эпигенетика. Техносфера, 496 с., 2010.

Ed. by C. David Allis, Thomas Jenuwein, Danny Reinberg, Marie-Laure Caparros. Epigenetics. Cold Spring Harbor Laboratory Press, 502 p., 2007.

10) Разин С.В., Быстрицкий А.А. Хроматин: упакованный геном. Бином: Лаборатория знаний, 192 с., 2009.

11) Под ред. Б. Льюина, Л. Кассимериса, В. П. Лингаппа, Д. Плоппер. Клетки. Бином: Лаборатория знаний, 952 с., 2011.

Lynne Cassimeris, Vishwanath R. Lingappa, George Plopper. Lewin’s Cells (2^nd Ed.). Jones & Bartlett Learning, 1056 p., 2011.

12) Свердлов Е.Д. Взгляд на жизнь через окно генома. В 3 томах. Наука, 2009.

13) Браун Т.А. Геномы. ИКИ, 944 с., 2011.

T.A. Brown. Genomes 3. Garland Science, 736 p., 2006.

14) Gerald Karp., Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments (7^th Ed.). Wiley, 864 p., 2013.

15) Попов В.В. Геномика с молекулярно-генетическими основами (Изд. 2-е). Либроком, 298 c., 2012.

16) Патрушев Л.И. Экспрессия генов. Наука, 830 с., 2000.

17) Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. КДУ, 524 с., 2012.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ

ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ ГЕНА

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

(ИБГ РАН)

П Р О Г Р А М М А

вступительного экзамена по специальности «Молекулярная биология»

Утверждена на заседании Ученого Совета ИБГ РАН

Протокол № 1 от 08 февраля 2013 года

Москва 2013