Syllabus del corso
Obiettivi
Fornire le basi essenziali per la comprensione della Genetica, dal punto di vista delle nozioni di base, dei concetti e dei metodi.1. Conoscenza e capacità di comprensione
conoscere le basi della genetica e dei suoi approcci metodologici
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
essere in grado di applicare i concetti come base per i corsi di genetica avanzati
3. Autonomia di giudizio
saper riconoscere e applicare gli approcci di base della genetica alla soluzione di problemi
4. Abilità comunicative
saper spiegare con un linguaggio appropriato gli argomenti trattati
5. Capacità di apprendimento
capire la logica e i metodi genetici di base e saper affrontare con profitto i corsi successivi
Contenuti sintetici
I modulo (Prof. Silvia Nicolis): basi per la comprensione della struttura e funzione dei geni, e la relazione con le leggi e i meccanismi dell’ereditarietà, con l’evoluzione genica, e con i fattori che determinano le frequenze geniche in popolazioni.
II modulo (Prof. Antonella Ronchi): approcci logico/metodologici di base per lo studio delle diverse componenti del genoma. Conseguenze fenotipiche di alterazioni genetiche nel meccanismo di regolazione mediato da miRNA. Elementi trasponibili. Quantitative trait loci. Virus trasformanti a DNA e RNA. Biologia della cellula tumorale. Studio dei meccanismi genetici alla base dello sviluppo nel modello di Drosophila. Genetica del sistema immunitario.
Programma esteso
I MODULO
Geni e DNA. Introduzione alla struttura e replicazione del DNA, trascrizione e traduzione.
Riproduzione cellulare e cromosomi: mitosi e meiosi. Gametogenesi negli organismi diploidi.
Trasmissione dei caratteri e eredità dal punto di vista Mendeliano. Alleli. Dominanza e recessività, dal punto di vista formale (da comparare poi col punto di vista molecolare). Generazione F1 e F2, reincrocio. Assortimento indipendente di coppie di fattori ereditari. Monoibrido, diibrido, triibrido.
Test del chi-quadrato (cenni).
Estensioni dell’analisi mendeliana. Interazioni tra geni. Epistasi. Geni duplicati a funzione simile.
Funzione del gene: errori congeniti del metabolismo umano. Complementazione; test di complementazione. Geni modificatori. Penetranza e espressività.
Alleli multipli. Codominanza. Gruppi sanguigni, sistema AB0.
Concatenazione (linkage), crossing-over e mappe genetiche. Parentali e ricombinanti (versus segregazione indipendente). Frequenza di ricombinazione e distanza di mappa. Incrocio a tre punti. Ordine dei geni: determinazione con l’incrocio a tre punti. Stima della distanza di mappa date le frequenze delle classi fenotipiche in un incrocio a tre punti; stima delle frequenze delle classi fenotipiche data la distanza di mappa. Funzione di Haldane.
Alberi genealogici e eredità nell’uomo. Eredità dominante, recessiva, legata a X (X-linked recessiva, o dominante). Probabilità di patologia genetica a partire da dati di alberi genealogici.
Linkage disequilibrium. Aplotipi in linkage disequilibrium: come si generano.
Concatenazione di mutazioni talassemiche al loro aplotipo di origine. Persistenza ereditaria di lattasi e suo aplotipo. Polimorfismi di restrizione, marcatori polimorfici sul DNA e mappatura di geni-malattia (cenni).
Natura molecolare del gene. Replicazione e trascrizione dei geni. “Gene” da un punto di vista molecolare. Esoni e introni. Splicing. Splicing alternativo; regolazione fisiologica dello splicing. Traduzione. Codice genetico. Traduzione degli mRNA, miRNA, nonsense-mediated decay (cenni).
Mutazione. Mutazioni puntiformi. Mutazioni e codice genetico: mutazioni missenso, nonsenso, frameshift. Mutazioni che causano alterazioni dello Splicing; Splicing patologico.
Come analizzare una sequenza di DNA genomico. ORF, giunzioni introne-esone, sequenze evolutivamente conservate.
Sequenze di DNA codificanti un prodotto (proteine; RNA non codificanti-cenni), e sequenze regolatrici (riconosciute da fattori trascrizionali). Regolazione combinatoria della trascrizione da parte dei fattori trascrizionali. Cenni all’evoluzione degli elementi regolatori.
Principi della regolazione genica. Mutanti di regolazione. Programmi trascrizionali. Mutanti in geni per fattori trascrizionali. Programmi trascrizionali e sviluppo. Fattori trascrizionali e riprogrammazione.
Natura molecolare del gene e patologia molecolare genetica. Organizzazione dei geni sul cromosoma (DNA): una visione moderna. Geni sovrapposti parzialmente. Gene, Locus, definizione da un punto di vista molecolare; sequenze codificanti + elementi regolatori. Mutazioni di elementi regolatori e patologia.
Meccanismi molecolari della recessività e dominanza. Dominanza per aploinsufficienza, o per acquisto di funzione; dominanza negativa. Esempi dalla patologia molecolare genetica umana. Livello di attività genica e malattia. Esempi.
Citogenetica. Cariotipo, bandeggi cromosomici, sonde molecolari e FISH.
Mutazioni cromosomiche. Duplicazioni, delezioni, traslocazioni cromosomiche. Esempi - Emoglobina Lepore. Mutazione Bar. Traslocazioni che attivano oncogéni: Linfoma di Burkitt e Leucemia mieloide cronica, cromosoma Philadelphia e fusioni BCR/ABL; linfoma di Burkitt e myc. Aneuploidie. Sindrome di Down; Sindrome di Down da traslocazione. Ricerca e studio funzionale di geni della regione Down nel topo. Non-disgiunzione e aneuploidie. Imprinting. Variegazione per effetto posizione. Regioni sinteniche in specie diverse (e cenni all’ evoluzione dei genomi). Conseguenze dei riarrangiamenti cromosomici sulla struttura e funzione molecolare del gene. Riarrangiamenti e espressione genica: il locus dei geni beta-globinici.
Inattivazione del cromosoma X. Compensazione di dose. Conteggio, scelta (casuale), inattivazione. X Inactivation Center (XIC). XIST. Traslocazioni e inattivazione dell’X. Traslocazioni X-autosoma. Meccanismi della malattia X-linked (distrofia; X fragile; emofilia).
Genetica delle popolazioni. Popolazione mendeliana. Struttura genetica delle popolazioni: frequenze genotipiche e frequenze alleliche. Legge di Hardy Weinberg. Equilibrio di Hardy-Weinberg. Verifica dell’equilibrio di HW; verifica della panmissia.
Fattori che fanno variare le frequenze geniche: i) Selezione naturale. Diversi tipi di selezione: contro il recessivo omozigote, contro il dominante, contro l’eterozigote, a vantaggio dell’eterozigote (e contro entrambi gli omozigoti). Fitness. Selezione naturale e evoluzione. Mutazione. Migrazione. Deriva genetica. Inbreeding.
II MODULO
Tecniche di base per lo studio del materiale genetico: clonagio e sequenziamento del genoma. Costruzione di librerie genomiche e di cDNA. Analisi funzionale (overespressione e silenziamento) dei geni. Studio delle sequenze regolative.
Analisi funzionali dei microRNA e conseguenze fenotipiche di mutazioni nel loro controllo (esempi).
Elementi trasponibili: evidenze genetiche che hanno portato alla loro scoperta. Conseguenze per l’organismo del loro spostamento nel genoma dell’ospite. Significato evolutivo
Caratteri quantitativi: base genetica. Esempi
Virus a DNA e Retrovirus. Ciclo biologico. Virus trasformanti
Genetica della cellula tumorale: oncogeni, oncosoppressori, geni che controllano la stabilità genomica.
Basi genetiche dello sviluppo: il modello di D. melanogaster. Definizione progresiva dell’asse antero-posteriore. Geni omeotici
Genetica molecolare del sistema immunitario: ricombinazione somatica, variazione del sito di giunzione, ipermutazione somatica. Caratteristiche dei geni del sistema maggiore di istocompatibilità (mhc).
Prerequisiti
Conoscenze di base di biologia della cellula e di chimica biologica; utili anche basi di zoologia e botanica.
Modalità didattica
lezioni frontali in classe (durante le quali sono sollecitate e benvenute le domande e il confronto su problemi con gli studenti); sono previsti 4-5 esercitazioni interattive in classe, con la risoluzione di problemi di genetica affini ai problemi d'esame.
Materiale didattico
Tasto base: Genetica
Autori vari, edito da G. Binelli e D. Ghisotti
EdiSES, 2017 (nuova edizione in preparazione)
Altri testi di utile consultazione saranno indicati a lezione
Le diapositive del corso (rese disponibili su E-learning)
Periodo di erogazione dell'insegnamento
I Modulo: primo semestre
II Modulo : secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame si compone di una parte scritta e una parte orale.
Esame scritto. L’esame è suddiviso in due parti (in giorni successivi). La prima parte consiste in cinque problemi da risolvere, su aspetti diversi e complementari della genetica di base (quali mappe genetiche; alberi genealogici; codice genetico; epistasi e interazioni tra geni; genetica delle popolazioni), per le quali esempi specifici di problemi sono stati presentati in classe a titolo di esempio. Viene valutata la capacità di risolvere questi problemi. La seconda parte consiste in domande aperte guidate (un tema generale, con sottotemi suggeriti), relativi a diversi aspetti della genetica. Viene valutata la capacità di sviluppare, per iscritto e eventualmente con schemi e diagrammi se utile, un argomento importante con logica e informazioni necessarie. E’ prevista la possibilità di una discussione orale dello scritto, per gli studenti che lo richiedono.
Esame orale. Si compone di tre domande, di cui una su un argomento a piacere scelto dallo studente.
L'esame scritto può essere considerata una prova "in itinere", nel senso che il voto di esame è unico e è quello finale, dato sulla base di prova scritta (Genetica 1) e prova orale, finale (Genetica 2).
Orario di ricevimento
su appuntamento mediante invio di richiesta ricevimento alla mail silvia.nicolis@unimib.it, antonella.ronchi@unimib.it
Sustainable Development Goals
Aims
To provide the essential bases to the understanding of Genetics, from the point of view of basic notions, concepts and methodology1. Knowledge and understanding
to know the basic concepts of Genetics
2. Applying knowledge and understanding
to use the acquired knowledge in the courses of advanced Genetics
3. Making judgements
to apply the basic principles of Genetics in order to solve Genetics problems
5. Learning skills
to acquire the methodological and scientific skills required in the advanced courses
.
Contents
Part 1 (Prof. Silvia Nicolis): conceptual bases for the understanding of gene structure and function, and their relation with the laws and mechanisms of inheritance, gene evolution, and the factors that determine gene frequencies in populations.
Part 2 (Prof. Antonella Ronchi) methodological approaches for the studies of the different genome components. miRNAs: impact on phenotypes (examples). Transposons. Quantitative trait loci. DNA end RNA tumor viruses. Basic principles of cancer genetics. Genetic control of development in D. melanogaster. Genetics of the immune system.
Detailed program
PART1 Genes and DNA. DNA structure and replication, transcription, transduction.
Cell reproduction and chromosomes: mitosis, meiosis. Gametogenesis in diploid organisms.
Transmission of traits and inheritance from the Mendelian point of view. Alleles. Dominant and recessive inheritance from the formal point of view (to be later compared to the molecular point of view).
F1, F2, test-cross. Indipendent assortment of hereditary “factors”. Monohybrids, dihybrids, trihybrids. Chi-square test.
Extensions of Mendelian analysis. Gene interactions. Epistasis. Duplicated genes with similar functions.
Gene function: congenital errors in human metabolism. Complementation; complementation tests. Modifier genes. Penetrance.
Multiple alleles. Codominance. Blood groups, AB0 system.
Linkage, crossing-over and genetic maps. Parental and recombinant (as compared to independent segregation). Recombination frequency and map distance. Three-point test-cross. Gene order: determination by the three-point test-cross. Estimate of map distance from the phenotypic class frequencies in a three-point testcross. Haldane map function. Restriction fragment length polymorphisms, other polymorphic DNA markers and mapping of disease genes (briefly).
Genealogical trees and mendelian inheritance in man. Dominant, recessive, X-linked inheritance. Estimating genetic disease probability in the conceptus from genealogical tree analysis.
Linkage disequilibrium. Aplotypes in linkage disequilibrium and their origin.
Linkage of thalassemic mutations to their haplotype of origin. Polymorphic DNA markers and mapping of disease genes.
Molecular nature of the gene. DNA: replication and transcription. “Gene” from a molecular point of view. Exons and introns. Splicing. Alternative splicing: physiological regulation of splicing (in brief). Translation. Genetic code. mRNA translation, miRNAs, nonsense-mediated decay (in brief).
Mutation. Point mutations. Mutations and the genetic code: missense, nonsense, frameshift mutations. Mutations that cause slicing abnormalities; pathological splicing.
How to analyze a genomic DNA sequence. ORF, intron-exon junctions, evolutionary conserved sequences.
DNA sequences encoding a product (protein, or noncoding RNA), and regulatory sequences (recognized by transcription factors). Combinatory regulation of transcription by transcription factors. Evolution of regulatory elements (in brief).
Principles of gene regulation. Regulatory mutations. Transcriptional programs. Development and transcriptional programs. Transcription factors and reprogramming.
Molecular nature of the gene and molecular genetic pathology. Organization of genes on the chromosome: a modern view. Overlapping genes. Gene and locus, a molecular definition: coding + regulatory elements. Mutation of regulatory elements and pathology.
Molecular mechanisms of recessive and dominant inheritance. Dominance by haploinsufficiency; gain of function; negative dominance. Examples from human genetic pathology. Levels of gene activity and genetic disease.
Cytogenetics. Kariotype, chromosome banding, molecular probes and FISH.
Chromosomal mutations. Duplications, deletions, translocations. Examples. Lepore hemoglobin. Bar. Translocations which activate oncogenes: chronic myelogenous leukemia, Philadelphia chromosome and BCR/ABL fusion; Burkitt Lymphoma and myc translocations. Aneuploidies. Down syndrome; translocation Down syndrome. Functional study of genes in the Down syndrome critical region in mouse. Non-disjunction and aneuploidies. Imprinting. Position effect variegation. Synthenic regions in different species (and possible implications for genome evolution-in brief). Consequences of chromosome rearrangements on molecular gene structure and function. Rearrangements and gene expression: the human globin genes.
X chromosome inactivation. Dosage compensation. X chromosome counting, random choice for inactivation, inactivation. X-inactivation center (XIC). XIST. Translocations and X-inactivation. X-autosome translocations. Mechanisms of X-linked disease (dystrophy; fragile X; hemophilia).
Population genetics. Mendelian populations. Genetic structure of populations: genotypic and allelic frequencies. Hardy-Weinberg law and equilibrium. Test of HW equilibrium and random breeding. Factors that change gene frequencies: Natural selection (against homozygous recessives, against dominant, against heterozygotes, in favour of heterozygotes). Fitness. Evolution by natural selection. Mutation. Migration. Genetic drift. Inbreeding.
PART 2
Basic techniques for the study of genetic material: cloning and sequencing of genomes. DNA and cDNA libraries. Functional analysis (overexpression, downregulation and knock out) of genes. How to study regulatory sequences.
Functional analysis of microRNAs. Phenotypic consequences of miRNA deregulation (examples).
Transposable elements: genetic evidences at the basis of their discovery. Examples of different classes of transposons. Consequences of their transposition for the host organism. Their evolutionary role.
Quantitative trait loci: genetic basis and examples.
DNA and RNA tumor viruses
Cancer cell genetics. oncogenes, oncosuppressor genes, genes controlling genome stability.
Developmental genetics. Basic concepts. The model of D. melanogaster.
Molecular genetics of the immune system
Prerequisites
A basic understanding of cell biology and biochemistry; basic knowledge of zoology and botany is also useful.
Teaching form
class lessons; 4-5 sessions of interactive solving of Genetics problems - exercises, similar to those that the students will have to solve for their exam.
Textbook and teaching resource
Textbook:
Genetica
Rditors G. Binelli and D. Ghisotti
EdiSES, 2017
Further useful textbooks will be suggested in class.
The course slides (available on E-learning)
Semester
I Modulo: first semester
II Modulo : II semester
Assessment method
Written exam. The exam consists of two parts (in two successive days). The first part consists of five problems to solve, on different and complementary aspects of Genetics (such as genetic maps; genealogical trees; the genetic code; epistasis and gene interactions; population genetics), for which specific examples have been given in class. The ability to solve these problems will be evaluated. The second part consists of guided open questions (a general theme, with suggested subthemes) relative to different aspects of Genetics. The ability to develop a written exposition of the proposed themes, with their logic and using the necessary information, using written language, together with schemes and drawings if useful, will be evaluated. Students have the possibility to ask for an oral discussion of their written exams.
The oral exam consists of three questions. The first topic of discussion will be chosen by the Student.
The final grades = votation = marks will be one, and given on the basis of the combined performance in the written (Genetica 1) and oral (Genetica 2) parts.
Office hours
By appointment,
please write to silvia.nicolis@unimib.it or antonella.ronchi@unimib.it
