Course Syllabus
Obiettivi
Gli ultimi anni hanno visto una esplosione e una continua evoluzione di diverse tecnologie per la modificazione del genoma di molti organismi, ognuna delle quali ha una grande quantità di applicazioni reali e potenziali future, sia nel settore industriale che in quello della salute. Pertanto la conoscenza di queste tecniche è essenziale per uno studente di questo Corso di Laurea e per gli sbocchi professionali futuri.
Il corso mira a fornire allo studente una visione globale delle tecniche più moderne e più utilizzate e delle loro applicazioni, soprattutto in campo industriale e della ricerca. Verranno analizzati una serie di casi specifici di applicazioni e delle metodologie utilizzate a seconda del problema biologico da affrontare ed i relativi vantaggi/limitazioni. Il corso mira anche a fornire dettagli sperimentali volti a chiarire il funzionamento dei meccanismi di editing genomico.
- Conoscenza e capacità di comprensione: l'insegnamento mira a fornire allo studente delle competenze specifiche e dettagliate sulle tecnologie più moderne utilizzate per modificare il genoma di diverse tipologie di organismi e le effettive applicazioni.
- Capacità di applicare conoscenza e comprensione: obiettivo del'insegnamento è fornire allo studente la capacità di applicare le conoscenze acquisite sia nell'ambito della ricerca di base che in quella applicata, sia in ambito industriale che della salute.
- Autonomia di giudizio: al termine del corso lo studente sarà in grado di elaborare quanto appreso per applicarlo a problematiche biologiche e a valutarne le interconnessioni con altre materie avanzate oggetto di questo corso di studi.
- Abilità comunicative: il corso mira a fornire allo studente un appropriato linguaggio scientifico.
- Capacità di apprendimento: alla fine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di consultare la letteratura sugli argomenti trattati e saprà analizzare, applicare e integrare e collegare le conoscenze acquisite
Contenuti sintetici
L'insegnamento verterà sulla modificazione dei geni e dei genomi, con particolare attenzione ai sistemi di editing genetico più attuali e la loro ottimizzazione, le conseguenze genetiche desiderate e indesiderate.
Saranno inoltre discusse molteplici applicazioni dell’editing genetico rilevanti per le biotecnologie industriali, quali screening genomici funzionali, creazione di animali modello di malattia, biologia sintetica, miglioramento di specie di interesse industriale, produzione di farmaci biologici, sistemi di diagnosi e terapia.
Programma esteso
- Introduzione all'editing genetico classico: la ricombinazione omologa, gene targeting, knock-in, knock-out. Dal lievito all'uomo.
- Le endonucleasi programmabili sito-specifiche: Meganucleasi, nucleasi Zinc-finger (ZFN) e nucleasi TALEN; meccanismo d'azione attraverso la formazione di rotture della doppia elica del DNA; applicazioni (knock-out, knock-in, regolazione trascrizionale). Analisi di articoli scientifici.
- Le endonucleasi guidate da RNA: il sistema CRISPR-Cas. Descrizione del sistema endogeno in batteri e archea.
- Utilizzo del sistema CRISPR-Cas per l’editing genetico: knock-out, knock-in, gene correction, regolazione genica, sistemi di editing inducibili. Analisi delle specifiche proteine Cas piu' utilizzate e loro peculiarità. Esempi di diverse applicazioni dal campo della ricerca a quello pre-clinico mediante analisi di articoli scientifici.
- Sistemi di editing genetico basati sui trasposoni. Trasposoni PiggyBac e SleepingBeauty. Applicazioni e confronto con altri sistemi di editing genetico.
- Screening genomici funzionali basati sulle nuove tecnologie di editing genetico. Applicazioni nel definire le funzioni dei geni e le connessioni genotipo-fenotipo, in particolare nello studio di diverse patologie. Screening di nuovi target e di farmaci. Piattaforme di screening CRISPR-based. Analisi di specifici articoli scientifici.
- Sistemi di editing in organismi di interesse industriale: batteri, lieviti, mammiferi. Miglioramento di batteri e lieviti di interesse industriale: costruzione di circuiti biologici e accenni alla biologia sintetica.
- Editing genetico nella produzione dei farmaci biologici, come vaccini e anticorpi monoclonali.
- Editing genetico nella generazione di animali modello di malattie umane: esempi di animali modello di tumori, malattie metaboliche (diabete), cardiovascolari.
- Editing genetico per il trattamento di malattie umane. Esempi di gene editing in sperimentazione clinica.
Prerequisiti
Conoscenze di base di genetica, di biologia molecolare e di microbiologia industriale.
Propedeucità: nessuna
Modalità didattica
Lezioni frontali in aula, che comprenderanno slides del docente e analisi di specifici articoli scientifici.
Lavori di gruppo su articoli scientifici e presentazioni orali in aula da parte degli studenti.
L'insegnamento verrà tenuto in lingua italiana.
Materiale didattico
Slides, nonografie e articoli scientifici reperibili sulla piattaforma e-learning dell'insegnamento.
Il materiale didattico è prevalentemente in inglese.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
PRIMO semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Verrà svolto un esame ORALE a partire dal termine del corso.
Non sono previste prove in itinere.
L'esame sarà un colloquio riguardante gli argomenti svolti a lezione e valuterà :
a) le conoscenze di base acquisite su tutto il programma, principalmente attraverso domande chiuse
b) le capacità di analizzare criticamente degli articoli scientifici e di riflettere autonomamente
c) la comprensione di specifiche tecniche sperimentali
Orario di ricevimento
su appuntamento, previa richiesta per mail al docente
Sustainable Development Goals
Aims
In the last years, we are witnesses of an explosion of genome editing techniques which are continuously improving and finding important applications, both in the industrial and in the health field. Knowledge of these topics is essential for our students and for their future work.
This course aims at teaching in details specific, up-to-date and widely used techniques for genome editing and their applications. Specific cases of applications to address different biological questions will be analyzed in detail. Technical and experimental details will be addressed as well, in order to help the student to understand genome editing techniques.
- Knowledge and understanding: at the end of this course students will be aware of the several different techniques for genome editing and of the applications that they can be used for, including their limitations.
- Applying knowledge and understanding: by analysing different cases and applications to both industrial and research processes, students will gain the ability to choose the most suitable technique for a specific biological problem.
- Making judgment: the student will be able to elaborate what he has learned and to apply it to several biological problems; moreover, she/he will be able to interconnect the new knowledge with others offered in this master degree course.
- Communication skills: at the end of the course the student will be able to express himself with appropriate scientific language properties.
- Learning skills: students will be autonomous and they will be able to look for, to apply, to integrate and to connect the acquired knowledge.
Contents
The course is focused on the most important and up-to-date systems widely used for genome editing approaches. Deep analyses of their pros and cons, applications (industry and/or research), limitations (including consequences for genome stability), future applications and optimizations will be discussed.
An important part of the course is focused on genome editing applications, both in the industrial field (e.g. manipulation of microorganisms for better production, biological drugs production and synthetic biology), as well as in the health field, (e.g. genomic screenings, animal models of specific diseases, diagnosis and therapy approaches).
Detailed program
- An introduction to Genome Editing : homologous recombination, gene targeting, knock-in, knock-out.
- Site-specific nucleases : Meganucleases, Zinc-finger nucleases (ZFN) and TALEN nucleases; mechanism of action through DNA double-strand breaks formation and repair; applications (knock-out, knock-in, transcriptional regulation). Analysis of specific scientific papers.
- CRISPR-Cas: RNA-guided specific nucleases. The original system in bacteria and archea.
- CRISPR-Cas for genome editing: knock-out, knock-in, base editing and gene correction, regulation of gene expression, inducible CRISPR-Cas systems. Considerations about different Cas proteins widely used so far. Direct examples of several different application from basic research to pre-clinical studies through the anlaysis of scientific papers.
- CRISPR-Cas for genome editing: applications, versatility, limitations, future perspectives. Analysis of scientific papers.
- Transposons-based genome editing. PiggyBac and Sleeping Beauty transposons. Applications and pros/cons.
- Genomic screening and genes function assesment by genome editing. Application to the understanding of pathogenesis processes and to the identification of new targets. CRISPR-based genome-wide screening. Analysis of specific scientific papers.
- Genome editing in organisms and industrial applications: bacteria, yeast, mammals. Industrial applications for microorganisms improvement : biological pathways reconstitution and synthetic biology
- Genome editing and biological drugs: e.g. vaccines and monoclonal antibodies production
- Genome editing for generation of animal models of diseases : some examples about cancer, metabolic and cardiovascular diseases.
- Genome editing for therapeutic applications. Recent examples about clinical trials
Prerequisites
Genetics, molecular biology and industrial microbiology theoretical bases.
Prerequisites: none
Teaching form
Frontal teaching : slides and analysis of scientific papers.
Different group work on scientific papers and subsequent oral presentations by the students.
Teaching laguage: italian
Textbook and teaching resource
Slides, review articles and research articles available at the e-learning web page.
Teaching resources are mainly in english.
Semester
FIRST semester
Assessment method
ORAL EXAM at the end of the course.
No intermediate evaluations/partial exams.
The exam will assess, by questions and discussions, all the topics addressed during the course and in detail:
a) basic knowledge
b) understanding and critical reading of scientific papers
c) knowledge of specific technical methods
Office hours
make an appointment with the professor by e-mail
Sustainable Development Goals
Staff
-
Diego Bonetti
