Роль эпигенетических механизмов в развитии эндогенных заболеваний

УТВЕРЖДАЮ

Первый заместитель Министра образования

Республики Беларусь

 

________________ В.А. Богуш

 

____ _________ 2017 г.

 

Регистрационный № УД- / уч.

Эпигенетика

Учебная программа

для высших учебных заведений по специальностям:

1-31 01 01 Биология (по направлениям);

1-33 01 01 Биоэкология

 

СОГЛАСОВАНО   Председатель Учебно-методического объединения по естественно-научному образованию   _______________ А.Л. Толстик   ____ __________ 2017 г.     Председатель Учебно-методического объединения по экологическому образованию ________________ В.И. Дунай   ____ __________ 2017 г.

СОГЛАСОВАНО Начальник Управления высшего образования Министерства образования Республики Беларусь ________________ С.И. Романюк   ____ __________ 2017 г.   Проректор по научно-методической работе Государственного учреждения образования «Республиканский институт высшей школы» ________________И.В. Титович   ____ ___________ 2017 г.   Эксперт-нормоконтролер ________________   ____ ___________ 2017 г.

 

 

Минск 2017

Составители:

 

Романовская Татьяна Владимировна, доцент кафедры генетики Белорусского государственного университета, кандидат биологических наук, доцент.

 

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

 

РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ:

 

Кафедрой генетики Белорусского государственного университета

(протокол № от 2017 г.);

 

Научно-методическим советом Белорусского государственного университета

(протокол № от 2017 г.);

 

Научно-методическим советом по специальности 1-31 01 01 Биология

Учебно-методического объединения по естественнонаучному образованию

(протокол № от 16 2017 г.)

 

Научно-методическим советом по специальностям 1-33 01 01 Биоэкология, 1-33 80 01 Экология и 1-33 01 02 Геоэкология Учебно-методического объединения по экологическому образованию

(протокол № от 2017 г.)

 

Ответственный за редакцию: Романовская Татьяна Владимировна

 

Ответственный за выпуск: Романовская Татьяна Владимировна

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Типовая учебная программа по учебной дисциплине «Эпигенетика» составлена в соответствии с требованиями образовательных стандартов высшего образования первой ступени по специальностям 1-31 01 01 «Биология» (по направлениям) и 1-33 01 01 «Биоэкология».

Эпигенетика является молодой и при этом одной из важнейших областей биологической науки, объясняющей широкий круг феноменов в мире живых организмов, их развития, изменчивости и наследственности.

Понятие «эпигенетика» было введено в 40-е годы XX века британским ученым Конрадом Уоддигтоном. Этим термином он предложил обозначить область науки, которая бы объясняла, каким образом из взаимодействия генов и среды рождаются фенотипы живых организмов. Начиная с конца 60-х годов появились первые данные, объясняющие молекулярные механизмы, на которых основаны эпигенетические феномены. К таким феноменам, в частности, относится регуляция внутриклеточных процессов, индивидуальное развитие многоклеточного организма, фенотипическая пластичность, изменения, протекающие в организме в процессе старения, а также при развитии разнообразных заболеваний эндогенного происхождения, в частности, онкологических, сердечно-сосудистых, психических и нейродегенеративных заболеваний, гормональных нарушений и др. Таким образом, эпигенетика имеет не только фундаментальное значение, позволяя лучше понимать механизмы биологических процессов, но и содержит существенные прикладные аспекты, связанные, в первую очередь с проблемами медицины и улучшения качества жизни человека. Начиная с конца XX в. эпигенетика претерпевает ускоренное развитие в связи с появлением в естественнонаучной практике новых методов и накопления широкого массива экспериментальных данных.

Целью преподавания курса «Эпигенетика» является формирование у студентов представления о разнообразных эпигенетических феноменах, представленных в живой природе и о механизмах, которыми эти феномены обусловлены.

Курс «Эпигенетика» связан со многими дисциплинами, в частности «Цитология и гистология», «Биология индивидуального развития», «Физиология человека и животных», «Физиология и биохимия растений», «Экология», «Генетика», «Эволюционная биология» и др.

В результате изучения дисциплины обучаемый должен:

знать:

- основные методические подходы для изучения эпигенетических явлений и эпигенетических механизмов;

- механизмы эпигенетической наследственности и изменчивости

- роль эпигенетических механизмов в регуляции внутриклеточных процессов

- роль эпигенетических механизмов в процессах индивидуального развития и старения

- роль эпигенетических механизмов в реализации фенотипической пластичности

- роль эпигенетических механизмов в развитии патологических процессов и состояний

- эволюционное объяснение и эволюционное значение эпигенетических феноменов

уметь:

- выдвигать обоснованные гипотезы для объяснения наблюдаемых биологических явлений и выбирать адекватные методы для проверки этих гипотез;

- применять знания об эпигенетических механизмах и явлениях для планирования и осуществления исследований, направленных на решение разнообразных практических задач в сфере медицины и сельского хозяйства.

Изучение учебной дисциплины «Эпигенетика» должно обеспечить формирование у студента следующих компетенций:

АК-1. Уметь применять базовые научно-теоретические знания для решения теоретических и практических задач.

АК-2. Владеть системным и сравнительным анализом.

АК-4. Уметь работать самостоятельно.

АК-5. Быть способным вырабатывать новые идеи (обладать креативностью).

АК-6. Владеть междисциплинарным подходом при решении проблем.

АК-7. Иметь навыки, связанные с использованием технических устройств, управлением информацией и работой с компьютером.

АК-8. Обладать навыками устной и письменной коммуникации.

АК-9. Уметь учиться, повышать свою квалификацию в течение всей жизни.

ПК-2. Осваивать новые модели, теории, методы исследования, участвовать в разработке новых методических подходов.

ПК-3.Осуществлять поиск и анализ данных по изучаемой проблеме в научной литературе, составлять аналитические обзоры.

 

Программа рассчитана на 156 часов, в том числе аудиторных (в форме лекций) – 36 часов. Распределение по видам занятий: лекции – 36 часов, семинарских и практических занятий – 0 часов, аудиторный контроль управляемой самостоятельной работы – 0 часов.

Форма текущей аттестации по учебной дисциплине – экзамен.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

(дневная форма получения образования)

Номер раздела, темы	Название раздела, темы	Кол-во ауд. часов	Форма контроля знаний
Лекции
1.	Введение в предмет. Классификация эпигенетических механизмов. Разнообразие эпигенетических феноменов		Реферат
2.	Метилирование ДНК и методы его изучения. Эволюционное происхождение.		Реферат
3.	Варианты гистонов. Их разнообразие и происхождение		Реферат
4.	Посттрансляционная модификация гистонов. Методы изучения		Реферат
5.	Роль и разнообразие некодирующих РНК в эпигенетической регуляции		Реферат
6.	Роль эпигенетических механизмов в регуляции репликации, транскрипции и репарации		Реферат
7.	Явление геномного импринтинга. Патологии, связанные с его нарушением		Реферат
8.	Аллельное исключение. Компенсация дозы генов половых хромосом		Реферат
9.	Роль эпигенетических механизмов в транспозиции мобильных элементов и процессах мутагенеза		Реферат
10.	Роль эпигенетических механизмов в процессах дифференцировки клеток, регуляции онтогенеза и регенерации		Реферат
11.	Роль эпигенетических механизмов в процессах старения клеток и организмов		Реферат
12.	Роль эпигенетических механизмов в реализации фенотипической пластичности		Реферат
13.	Роль эпигенетических механизмов в функционировании мозга и формировании долговременной памяти		Реферат
14.	Роль эпигенетических механизмов в развитии гормональных нарушений и заболеваний сердечно-сосудистой системы		Реферат
15.	Роль эпигенетических механизмов в развитии заболеваний иммунной и нервной системы		Реферат
16.	Роль эпигенетических механизмов в малигнизации клеток и развитии онкологических заболеваний		Реферат
17.	Трансгенерационная эпигенетическая наследственность в разных группах живых организмов		Реферат
18.	Межклеточная коммуникация и ее значение эпигенетических явлениях. Эволюционное значение эпигенетических механизмов		Реферат

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА

 

I. ВВЕДЕНИЕ

 

Эпигенетика как наука

История формирования эпигенетики как особой области в системе биологических наук. Разнообразие эпигенетических механизмов. Группа феноменов, объясняемых работой данных механизмов. Место эпигенетики в системе биологических наук, ее фундаментальное и практическое значение.

Молекулярная основа эпигенетических механизмов.

Метилирование ДНК. Особенности процесса метилирования ДНК у разных групп организмов. Методы изучения. Белковые факторы, осуществляющие метилирование и деметилирование ДНК. Симметричное метилирование ДНК в процессе репликации. Эволюционное происхождение системы метилирования ДНК. Влияние метилирования и деметилирование на ремоделирование хроматина (переключение между гетерохроматиновым и эухроматиновым состоянием). Варианты гистонов. Их разнообразие и происхождение. Распределение вариантов гистонов в различных генетических локусах. Посттрансляционная модификация гистонов (метилирование, ацетилирование, фосфорилирование, убиквитинилирование, сумоилирование, аденозинрибозилирование). Методы изучения вариантов гистонов и посттрансляционных модификаций гистонов в составе хроматина. Влияние поттрансляционных модификаций гистонов на ремоделирование хроматина. Роль и разнообразие некодирующих РНК в эпигенетической регуляции. Взаимосвязь различных эпигенетических механизмов.

Роль эпигенетических механизмов в регуляции внутриклеточных процессов

Эпигенетическая регуляция процессов транскрипции и процессинга РНК; репликации и репарации; рекомбинации. Контроль транспозиции мобильных элементов. Роль эпигенетической модификации хроматина в процессах мутагенеза. Эпигенетическая регуляция клеточного цикла. Клеточная память и «принятие решения» на уровне клетки (бимодальность клеточных состояний). Практические подходы для искусственного управления эпигенетическими процессами и стимуляции дифференцировки или дедифференцировки клеток (получение индуцированных плюрипотентных клеток).

Роль эпигенетических механизмов в нормальном развитии и функционировании многоклеточного организма

Онтогенез как генетически заданная программа последовательностей эпигенетических переключений клеток растущего организма. Видоспецифическая, тканеспецифическая, возрастспецифическая маркировка хроматина. Понятие эпигенетического ландшафта. Эпигенетическая основа фенотипической пластичности живых организмов. Причины патологий развития, вызываемых мутациями или воздействием неблагоприятных факторов среды на ранних стадиях онтогенеза. Роль эпигенетических механизмов в функционировании мозга и формировании долговременной памяти.

Литература

 

О с н о в н а я:

 

1. Закиян С.М. и др. Эпигенетика / Отв. ред. С. М. Закиян; В. В. Власов, Е. В. Дементьева. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012, 592 с.

2. Кэри Н. Эпигенетика. Как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности: пер с англ. / Н. Кэри. Ростов н/Д: Феникс, 2012, 349 с.

3. Эллис С.Д. и др. Эпигенетика: пер с англ. / Отв ред. С.Д. Эллис, Т. Дженювейн, Д. Рейнберг. М.: Техносфера, 2010, 496 с.

 

Д о п о л н и т е л ь н а я:

 

1. Шаталкин А.И. «Философия зоологии» Жана Батиста Ламарка: взгляд из XXI века / А.И. Шаталкин. М.: товарищество научных изданий КМК, 2009, 606 с.

2. Шпорк П. Читая между строк ДНК: пер с англ. / П. Шпорк. М.: Ломоносов, 2012, 272 с.

РЕСУРСЫ ИНТЕРНЕТ

1. Проблемы эволюции http://evolbiol.ru/

2. Элементы науки http://elementy.ru/

3. Бимолекула http://biomolecula.ru/

4. What is epigenetics http://www.whatisepigenetics.com/

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ

САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Для организации самостоятельной работы студентов по учебной дисциплине рекомендуется использовать современные информационные технологии: разместить в сетевом доступе комплекс учебных и учебно-методических материалов (программа курса, учебно-методический комплекс, методические указания к лабораторным занятиям, задания в тестовой форме, темы рефератов, список рекомендуемой литературы и информационных ресурсов и др.).

 

 

РЕЗУЛЬТАТОВ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СТУДЕНТОВ

 

В качестве формы итогового контроля по дисциплине используется экзамен. Оценка учебных достижений студента на экзамене производится по десятибалльной шкале.

Для оценки профессиональных компетенций студентов используется следующий диагностический инструментарий:

– защита подготовленного студентом реферата.

 

УТВЕРЖДАЮ

Первый заместитель Министра образования

Республики Беларусь

 

________________ В.А. Богуш

 

____ _________ 2017 г.

 

Регистрационный № УД- / уч.

Эпигенетика

Учебная программа

для высших учебных заведений по специальностям:

1-31 01 01 Биология (по направлениям);

1-33 01 01 Биоэкология

 

СОГЛАСОВАНО   Председатель Учебно-методического объединения по естественно-научному образованию   _______________ А.Л. Толстик   ____ __________ 2017 г.     Председатель Учебно-методического объединения по экологическому образованию ________________ В.И. Дунай   ____ __________ 2017 г.

СОГЛАСОВАНО Начальник Управления высшего образования Министерства образования Республики Беларусь ________________ С.И. Романюк   ____ __________ 2017 г.   Проректор по научно-методической работе Государственного учреждения образования «Республиканский институт высшей школы» ________________И.В. Титович   ____ ___________ 2017 г.   Эксперт-нормоконтролер ________________   ____ ___________ 2017 г.

 

 

Минск 2017

Составители:

 

Романовская Татьяна Владимировна, доцент кафедры генетики Белорусского государственного университета, кандидат биологических наук, доцент.

 

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

 

РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ:

 

Кафедрой генетики Белорусского государственного университета

(протокол № от 2017 г.);

 

Научно-методическим советом Белорусского государственного университета

(протокол № от 2017 г.);

 

Научно-методическим советом по специальности 1-31 01 01 Биология

Учебно-методического объединения по естественнонаучному образованию

(протокол № от 16 2017 г.)

 

Научно-методическим советом по специальностям 1-33 01 01 Биоэкология, 1-33 80 01 Экология и 1-33 01 02 Геоэкология Учебно-методического объединения по экологическому образованию

(протокол № от 2017 г.)

 

Ответственный за редакцию: Романовская Татьяна Владимировна

 

Ответственный за выпуск: Романовская Татьяна Владимировна

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Типовая учебная программа по учебной дисциплине «Эпигенетика» составлена в соответствии с требованиями образовательных стандартов высшего образования первой ступени по специальностям 1-31 01 01 «Биология» (по направлениям) и 1-33 01 01 «Биоэкология».

Эпигенетика является молодой и при этом одной из важнейших областей биологической науки, объясняющей широкий круг феноменов в мире живых организмов, их развития, изменчивости и наследственности.

Понятие «эпигенетика» было введено в 40-е годы XX века британским ученым Конрадом Уоддигтоном. Этим термином он предложил обозначить область науки, которая бы объясняла, каким образом из взаимодействия генов и среды рождаются фенотипы живых организмов. Начиная с конца 60-х годов появились первые данные, объясняющие молекулярные механизмы, на которых основаны эпигенетические феномены. К таким феноменам, в частности, относится регуляция внутриклеточных процессов, индивидуальное развитие многоклеточного организма, фенотипическая пластичность, изменения, протекающие в организме в процессе старения, а также при развитии разнообразных заболеваний эндогенного происхождения, в частности, онкологических, сердечно-сосудистых, психических и нейродегенеративных заболеваний, гормональных нарушений и др. Таким образом, эпигенетика имеет не только фундаментальное значение, позволяя лучше понимать механизмы биологических процессов, но и содержит существенные прикладные аспекты, связанные, в первую очередь с проблемами медицины и улучшения качества жизни человека. Начиная с конца XX в. эпигенетика претерпевает ускоренное развитие в связи с появлением в естественнонаучной практике новых методов и накопления широкого массива экспериментальных данных.

Целью преподавания курса «Эпигенетика» является формирование у студентов представления о разнообразных эпигенетических феноменах, представленных в живой природе и о механизмах, которыми эти феномены обусловлены.

Курс «Эпигенетика» связан со многими дисциплинами, в частности «Цитология и гистология», «Биология индивидуального развития», «Физиология человека и животных», «Физиология и биохимия растений», «Экология», «Генетика», «Эволюционная биология» и др.

В результате изучения дисциплины обучаемый должен:

знать:

- основные методические подходы для изучения эпигенетических явлений и эпигенетических механизмов;

- механизмы эпигенетической наследственности и изменчивости

- роль эпигенетических механизмов в регуляции внутриклеточных процессов

- роль эпигенетических механизмов в процессах индивидуального развития и старения

- роль эпигенетических механизмов в реализации фенотипической пластичности

- роль эпигенетических механизмов в развитии патологических процессов и состояний

- эволюционное объяснение и эволюционное значение эпигенетических феноменов

уметь:

- выдвигать обоснованные гипотезы для объяснения наблюдаемых биологических явлений и выбирать адекватные методы для проверки этих гипотез;

- применять знания об эпигенетических механизмах и явлениях для планирования и осуществления исследований, направленных на решение разнообразных практических задач в сфере медицины и сельского хозяйства.

Изучение учебной дисциплины «Эпигенетика» должно обеспечить формирование у студента следующих компетенций:

АК-1. Уметь применять базовые научно-теоретические знания для решения теоретических и практических задач.

АК-2. Владеть системным и сравнительным анализом.

АК-4. Уметь работать самостоятельно.

АК-5. Быть способным вырабатывать новые идеи (обладать креативностью).

АК-6. Владеть междисциплинарным подходом при решении проблем.

АК-7. Иметь навыки, связанные с использованием технических устройств, управлением информацией и работой с компьютером.

АК-8. Обладать навыками устной и письменной коммуникации.

АК-9. Уметь учиться, повышать свою квалификацию в течение всей жизни.

ПК-2. Осваивать новые модели, теории, методы исследования, участвовать в разработке новых методических подходов.

ПК-3.Осуществлять поиск и анализ данных по изучаемой проблеме в научной литературе, составлять аналитические обзоры.

 

Программа рассчитана на 156 часов, в том числе аудиторных (в форме лекций) – 36 часов. Распределение по видам занятий: лекции – 36 часов, семинарских и практических занятий – 0 часов, аудиторный контроль управляемой самостоятельной работы – 0 часов.

Форма текущей аттестации по учебной дисциплине – экзамен.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

(дневная форма получения образования)

Номер раздела, темы	Название раздела, темы	Кол-во ауд. часов	Форма контроля знаний
Лекции
1.	Введение в предмет. Классификация эпигенетических механизмов. Разнообразие эпигенетических феноменов		Реферат
2.	Метилирование ДНК и методы его изучения. Эволюционное происхождение.		Реферат
3.	Варианты гистонов. Их разнообразие и происхождение		Реферат
4.	Посттрансляционная модификация гистонов. Методы изучения		Реферат
5.	Роль и разнообразие некодирующих РНК в эпигенетической регуляции		Реферат
6.	Роль эпигенетических механизмов в регуляции репликации, транскрипции и репарации		Реферат
7.	Явление геномного импринтинга. Патологии, связанные с его нарушением		Реферат
8.	Аллельное исключение. Компенсация дозы генов половых хромосом		Реферат
9.	Роль эпигенетических механизмов в транспозиции мобильных элементов и процессах мутагенеза		Реферат
10.	Роль эпигенетических механизмов в процессах дифференцировки клеток, регуляции онтогенеза и регенерации		Реферат
11.	Роль эпигенетических механизмов в процессах старения клеток и организмов		Реферат
12.	Роль эпигенетических механизмов в реализации фенотипической пластичности		Реферат
13.	Роль эпигенетических механизмов в функционировании мозга и формировании долговременной памяти		Реферат
14.	Роль эпигенетических механизмов в развитии гормональных нарушений и заболеваний сердечно-сосудистой системы		Реферат
15.	Роль эпигенетических механизмов в развитии заболеваний иммунной и нервной системы		Реферат
16.	Роль эпигенетических механизмов в малигнизации клеток и развитии онкологических заболеваний		Реферат
17.	Трансгенерационная эпигенетическая наследственность в разных группах живых организмов		Реферат
18.	Межклеточная коммуникация и ее значение эпигенетических явлениях. Эволюционное значение эпигенетических механизмов		Реферат

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА

 

I. ВВЕДЕНИЕ

 

Эпигенетика как наука

История формирования эпигенетики как особой области в системе биологических наук. Разнообразие эпигенетических механизмов. Группа феноменов, объясняемых работой данных механизмов. Место эпигенетики в системе биологических наук, ее фундаментальное и практическое значение.

Молекулярная основа эпигенетических механизмов.

Метилирование ДНК. Особенности процесса метилирования ДНК у разных групп организмов. Методы изучения. Белковые факторы, осуществляющие метилирование и деметилирование ДНК. Симметричное метилирование ДНК в процессе репликации. Эволюционное происхождение системы метилирования ДНК. Влияние метилирования и деметилирование на ремоделирование хроматина (переключение между гетерохроматиновым и эухроматиновым состоянием). Варианты гистонов. Их разнообразие и происхождение. Распределение вариантов гистонов в различных генетических локусах. Посттрансляционная модификация гистонов (метилирование, ацетилирование, фосфорилирование, убиквитинилирование, сумоилирование, аденозинрибозилирование). Методы изучения вариантов гистонов и посттрансляционных модификаций гистонов в составе хроматина. Влияние поттрансляционных модификаций гистонов на ремоделирование хроматина. Роль и разнообразие некодирующих РНК в эпигенетической регуляции. Взаимосвязь различных эпигенетических механизмов.

Роль эпигенетических механизмов в регуляции внутриклеточных процессов

Эпигенетическая регуляция процессов транскрипции и процессинга РНК; репликации и репарации; рекомбинации. Контроль транспозиции мобильных элементов. Роль эпигенетической модификации хроматина в процессах мутагенеза. Эпигенетическая регуляция клеточного цикла. Клеточная память и «принятие решения» на уровне клетки (бимодальность клеточных состояний). Практические подходы для искусственного управления эпигенетическими процессами и стимуляции дифференцировки или дедифференцировки клеток (получение индуцированных плюрипотентных клеток).

Роль эпигенетических механизмов в нормальном развитии и функционировании многоклеточного организма

Онтогенез как генетически заданная программа последовательностей эпигенетических переключений клеток растущего организма. Видоспецифическая, тканеспецифическая, возрастспецифическая маркировка хроматина. Понятие эпигенетического ландшафта. Эпигенетическая основа фенотипической пластичности живых организмов. Причины патологий развития, вызываемых мутациями или воздействием неблагоприятных факторов среды на ранних стадиях онтогенеза. Роль эпигенетических механизмов в функционировании мозга и формировании долговременной памяти.

Роль эпигенетических механизмов в развитии эндогенных заболеваний

Роль эпигенетических механизмов в развитии гормональных нарушений и заболеваний сердечно-сосудистой системы. Роль эпигенетических механизмов в развитии заболеваний иммунной и нервной системы. Роль эпигенетических механизмов в малигнизации клеток и развитии онкологических заболеваний. Практическая возможность корректировки эпигенетических нарушений при различных заболеваниях.

Трансгенерационная эпигенетическая наследственность

Определение понятия «трансгенерационное эпигенетическое наследование». Механизмы его реализации. Распространенность в различных группах живых организмов. Примеры трансгенерационного эпигенетического наследования признаков у одноклеточных организмов, животных, растений, грибов.

Роль эпигенетических механизмов в эволюции живых организмов

Участие эпигенетических явлений в эволюционных процессах, обусловленное влиянием эпигенетических механизмов на частоту и распределение событий мутагенеза, реализацией фенотипической пластичности и трансгенерационной эпигенетической наследственности.