Course Syllabus
Obiettivi
L’insegnamento si articola in due moduli e si propone di fornire conoscenze avanzate relative all’organizzazione della cromatina ad alcuni processi coinvolti nel controllo dell’espressione genica. Particolare attenzione verrà rivolta all’aspetto metodologico approfondendo possibili applicazioni nel campo delle biotecnologie.
Conoscenza e capacità di comprensione.
Lo studente conoscerà l’organizzazione della cromatina, i meccanismi molecolari di regolazione epigenetica e sarà in grado di comprendere i meccanismi di controllo dell’espressione genica in eucarioti. Conoscerà e sarà padrone dei metodi di trasformazione di cellule animali e vegetali. Apprenderà, inoltre, l’organizzazione di genomi complessi ed i metodi di analisi degli stessi.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione.
Lo studente sarà in grado di applicare le conoscenze acquisite nei successivi insegnamenti ed in esperienze di laboratorio e di utilizzare la capacità di comprensione ai fini di successive attività di studio e/o di ricerca.
Autonomia di giudizio.
Lo studente sarà in grado di elaborare quanto appreso e saprà riconoscere le situazioni e i problemi in cui le conoscenze apprese possano essere utilizzate.
Abilità comunicative.
Alla fine dell'insegnamento, lo studente saprà descrivere con proprietà di linguaggio e sicurezza di esposizione argomenti inerenti la biologia molecolare e le sue applicazioni.
Capacità di apprendimento.
Alla fine dell'insegnamento, lo studente sarà in grado di consultare la letteratura sugli argomenti trattati e saprà analizzare, applicare, integrare e collegare le conoscenze acquisite con quanto verrà appreso in insegnamenti correlati.
Contenuti sintetici
Analisi dell’espressione genica e identificazione di geni differenzialmente espressi.
Organizzazione della cromatina ed espressione genica.
Tecniche di analisi della cromatina a bassa e alta risoluzione.
Trasformazione di cellule vegetali e piante transgeniche.
Trasformazione di cellule animali, animali transgenici e KO.
Meccanismi di silenziamento genico.
Biologia molecolare degli organelli
Programma esteso
Modulo 1- Prof. Marina Vai
1. Analisi dell’espressione genica e identificazione di geni differenzialmente espressi. RT-PCR competitiva. Real Time PCR (Sybr green e sonde fluorescenti). Curve di melting. Real Time PCR quantitativa (relativa ed assoluta). Microarray a oligonucleotidi e a cDNA (spotting e fotolitografia, marcatura e disegno sperimentale), analisi dei dati (validazione e clustering). Alterazioni trascrizionali e localizzazione cromosomale. Analisi trascrizionali e applicazioni: nelle biotecnologie rosse (microarray-based diagnostic/prognostic tests), nelle biotecnologie verdi (miglioramento fragranza, colore e forma di cultivar di rosa).
2. Organizzazione della cromatina ed espressione genica. Struttura del nucleosoma. Modificazioni della cromatina. Codice istonico. Modificazioni istoniche e trascrizione. Complessi acetilasici (SAGA). Silencing, modello di assemblaggio della cromatina silente in lievito. Organizzazione telomeri lievito e uomo. Alterazioni nel silenziamento genico/nel remodeling della cromatina e patologie. Deacetilasi e cancro. Isole CpG e trascrizione. Metilazione del DNA e patologie (X fragile, sindrome di Rett).
3. Tecniche di analisi della cromatina a bassa e alta risoluzione. MSREs (Methylation-Sensitive Restriction Enzymes). Metodi basati sul trattamento con Bisolfito: Methylation-Specific PCR, Methyl-Light etc. Chromatin Immunoprecipitation (ChIP). ChIP on chips. Methylated DNA
Immunoprecipitation (MeDIP). DNA methylation arrays.
Modulo 2- Prof. Enzo Martegani
1. Trasformazione di cellule vegetali: Plasmidi di “Agrobacterium” e loro uso, metodo biolistico e trasformazione dei cloroplasti. Controllo dell’espressione genica nelle piante, piante transgeniche e loro applicazioni, produzione di proteine ricombinanti e di vaccini.
2. Espressione in eucarioti superiori: Trasformazione di cellule di mammifero, vettori virali e retrovirali. Produzione industriale di proteine ricombinanti con cellule di mammifero. Gene-targeting in mammiferi. Topi knock-out e knock-in e loro applicazioni per ricerca di base e applicata. Modificazioni mirate del genoma, zinc-finger nucleases, TALEN e CRISP-Cas9.
3. Silenziamento genico post-trascrizionale: Oligonucleotidi antisenso, Ribozimi e RNA interferenti. Meccanismi molecolari del silenziamento da RNA interferenti, microRNA e short-hairpin RNA.
4. Biologia molecolare degli organelli: Organizzazione ed espressione del genoma mitocondriale e di cloroplasti. RNA editing. Patologie legate al mitocondrio.
5. Genomica e bioinformatica: Organizzazione del genoma e strategie di sequenziamento. Analisi del genoma umano. Sequenze ripetute (LINE e SINE). Origine ed evoluzione degli introni. Banche dati di acidi nucleici e di proteine.
Prerequisiti
Prerequisiti: nozioni fondamentali di Biologia Molecolare.
Propedeuticità: nessuna.
Modalità didattica
Lezioni frontali. L’insegnamento sarà svolto con l’ausilio di diapositive.
L'insegnamento verrà tenuto in lingua italiana
Materiale didattico
Slide e articoli scientifici reperibili sulla piattaforma e-learning dell'insegnamento.
Testi consigliati:
- B. Lewin et al. “Il gene” Zanichelli
- R.F. Weaver “Biologia Molecolare” McGraw-Hill.
- J.W. Dale, M. von Schantz “Dai geni ai genomi” EdiSES
- R.J. Reece “Analisi dei geni e genomi” EdiSES
- G. Valle et al. “Introduzione alla Bioinformatica” Zanichelli
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale: discussione di un lavoro scientifico su uno degli argomenti trattati durante il corso valutando la capacità e l'analisi critica di interpretazione dei risultati. Segue un'interrogazione convenzionale sul programma svolto.
Orario di ricevimento
Ricevimento. Su appuntamento telefonico o via e-mail.
Aims
The course is organized in two modules dealing with chromatin organization and some of the processes involved in the control of gene expression. Particular emphasis will be devoted to methods and biotechnological applications.
Knowledge and understanding.
Students will learn chromatin organization and the molecular mechanisms of gene expression and epigenetic regulation in eukaryotic organisms. They will learn the organization of complex genomes, the methods of their analysis and manipulation, as well as, the transformation of animal and plant cells.
Applying knowledge and understanding.
Students will be able to apply the acquired knowledge in other courses and in laboratory experiences and to use the comprehension skill in subsequent studies and/or research activities.
Making judgments.
Students will be able to process what they have learned and be able to recognize situations and
problems in which the acquired knowledge can be used.
Communication skills.
At the end of the course, students will be able to express themselves appropriately in the description of issues related to the molecular biology and its applications by using language properties, as well as, self-confidence.
Learning skills
At the end of the course, students will be able to survey the scientific literature related to the topics covered and will be able to analyze, apply and integrate the acquired knowledge with what learned in related courses.
Contents
Gene expression analysis and differential gene expression identification.
Chromatin organization and gene expression.
Low and high resolution analysis techniques for studying chromatin organization.
Transformation of plant cells and transgenic plants.
Transformation of animal cells, transgenic animals and knock-out.
Mechanisms of silencing (iRNA, ribozymes, etc.).
Molecular biology of mitochondria and chloroplasts.
Detailed program
First module- Prof. Marina Vai
1. Gene expression analysis and differential gene expression identification. Competitive RT-PCR. Real Time PCR (sybr green and fluorescent probes). Melting curves. DNA arrays (oligos and cDNA): analysis and applications to Red Biotechnology (microarray-based diagnostic/prognostic tests) and Green Biotechnology (genomics approach to discover rose scent-related genes).
2. Chromatin organization and gene expression. The nucleosome. Chromatin modifications. The histone code. Histone modifications and transcription. The SAGA complex. Silencing: a model for silent chromatin assembly in yeast. Altered gene silencing/chromatin remodelling and disease. Deacetylases and cancer. CpG islands and transcription. DNA methylation in disease (fragile X, Rett syndrome).
3. Low and high resolution analysis techniques for studying chromatin organization. Methylation-sensitive restriction enzymes. Bisulfite-based methods: Methylation Specific PCR, Methyl-Light. Chromatin Immunoprecipitation (ChIP).ChIP on chips. Methylated DNA immunoprecipitation. DNA methylation arrays.
Second Module- Prof. Enzo Martegani
1. Plant cell transformation. Plasmids of Agrobacterium and their use for plant transformation, biolistic method and transformation of chloroplasts. Gene expression in plants, transgenic plants and their applications.
2. Expression in higher eukaryotes. Transformation of mammalian cells.Viral and retroviral vectors. Recombinant proteins in mammalian cell cultures. Transgenic animals. Knock-out and knock-in in mouse. Genome targeting and modification: use of Zinc-finger nucleases, TALEN and CRISP-Cas9.
3. Gene expression silencing. Antisense oligonucleotides, Ribozymes and interferent RNA. Molecular basis for RNA interference.
4. Molecular biology of organelles. Genomes in mitochondria and chloroplasts. Gene expression in mitochondria. RNA editing. Mitochondrial derived diseases.
5. Genomics and bioinformatics. Organization and sequencing of genomes. The human genome. Repetitive sequences in the genome of higher eukaryotes (LINE and SINE). Origin and evolution of introns. Use of Database of nucleic acids and proteins.
Prerequisites
Background: basic notions of Molecular Biology.
Prerequisites: none
Teaching form
Classroom lectures supported by slides.
Teaching language: italian.
Textbook and teaching resource
Selected scientific papers and slides will be available at the e-learning platform of the course
Recommended textbooks:
- B. Lewin et al. “Il gene” Zanichelli
- R.F. Weaver “Biologia Molecolare” McGraw-Hill.
- J.W. Dale, M. von Schantz “Dai geni ai genomi” EdiSES
- R.J. Reece “Analisi dei geni e genomi” EdiSES
- G. Valle et al. “Introduzione alla Bioinformatica” Zanichelli
Semester
Second semester
Assessment method
Oral examination. Students will be asked to discuss a scientific paper on one of the topics covered during the course, followed by a conventional query on the course content. The ability to appropriately describe the scientific results, as well as their critical analysis will be positively evaluated.
Office hours
Contact. On demand, by telephone or e-mail request to the lecturers.