Syllabus del corso
Obiettivi
Negli ultimi anni abbiamo assistito a una vera e propria rivoluzione nelle tecnologie che consentono la modificazione del genoma di molti organismi, che ne ha aumentato enormemente il campo di applicazioni ma anche l'efficienza e la sicurezza. Esistono molteplici sistemi utilizzati e ognuno ha una grande quantità di applicazioni reali e potenziali future, sia nel settore industriale che in quello della salute. Inoltre, tali sistemi sono in continua evoluzione e miglioramento.
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 per il genome editing e delle loro applicazioni in campo industriale, medico e della ricerca di base. 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 organismi a fini industriali e terapeutici (tipologie, meccanismo di funzionamento, limiti, 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 sulle moderne tecniche utilizzate per la modificazione dei geni e dei genomi che hanno rivoluzionato il mondo scientifico : dalle zinc finger nucleasi e le TALEN fino al più attuale sistema CRISPR-Cas e alle sue più raffinate e ingegnose evoluzioni. Verranno analizzati in dettaglio i principi di funzionamento, i vantaggi e le limitazioni, le applicazioni e le prospettive future.
Saranno approfondite molteplici applicazioni dell’editing genetico rilevanti per le biotecnologie industriali, quali screening genomici funzionali, creazione di animali modello di malattia, miglioramento di specie di interesse industriale, produzione di farmaci biologici. Una attenzione particolare verrà dedicata alle applicazioni in corso di sperimentazione come terapia per diverse patologie.
Programma esteso
- Introduzione all'editing genetico classico: la ricombinazione omologa, gene targeting, knock-in, knock-out. Focus sulle tecnologie applicate all'organismo modello lievito e alle cellule di mammifero.
- Le endonucleasi programmabili sito-specifiche e la rivoluzione del genome editing: principi e meccanismi molecolari di funzionamento; ottenimento di knock-out e knock-in, panoramica sulle tecnologie attualmente in uso.
- Meganucleasi, nucleasi Zinc-finger (ZFN) e nucleasi TALEN: principi e meccanismi molecolari di funzionamento, applicazioni, limitazioni. Analisi di articoli scientifici con esempi concreti di applicazioni. Analisi di esempi concreti di utilizzo da parte di industrie farmaceutiche.
- 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 proteine Cas piu' utilizzate e loro peculiarità (Cas9 e Cas12). Esempi di diverse applicazioni dal campo della ricerca a quello pre-clinico mediante analisi di articoli scientifici.
- Evoluzione dei sistemi CRISPR-Cas: Base Editors e Prime Editors. Analisi dei meccanismi molecolari di funzionamento, delle migliorie apportate, dei limiti e delle possibili applicazioni (introduzione o correzione di mutazioni puntiformi). Analisi di articoli scientifici e di esempi concreti di applicazioni industriali.
- 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.
- Sistemi di editing in organismi di interesse industriale: batteri, lieviti, mammiferi. Miglioramento di batteri e lieviti di interesse industriale.
- Editing genetico nella produzione dei farmaci biologici, come gli 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
21 lezioni da 2 ore costituite da:
- una parte in modalità erogativa (Didattica erogativa, DE) focalizzata sulla presentazione-illustrazione di contenuti e concetti generali che fungono da base per la comprensione degli aspetti applicativi
- una parte in modalità interattiva (Didattica interattiva, DI), che prevede interventi didattici integrativi; analisi di alcuni casi esemplificativi (es. articoli scientifici, brevi video) che prevedono brevi interventi effettuati dai corsisti o lavori di gruppo; dimostrazioni aggiuntive e esempi di applicazioni pratiche dei contenuti della parte erogativa (es. interventi di esperti del settore)
Le lezioni si svolgeranno in presenza.
**L'insegnamento verrà tenuto in lingua inglese se risultano iscritti studenti di altre nazionalità (ad esempio studenti Erasmus). **
Materiale didattico
Slides, monografie e articoli scientifici reperibili sulla piattaforma e-learning dell'insegnamento.
Le lezioni vengono videoregistrate.
Il materiale didattico è prevalentemente in inglese.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
SECONDO 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 attraverso domande chiuse :
a) le conoscenze di base acquisite su tutto il programma
b) la comprensione di specifiche tecniche sperimentali
c) la conoscenza di esempi di diverse applicazioni pratiche
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. From yeasts to mammals.
- Site-specific nucleases : how they revolutionize genome editing, working principles, generation of knock-outs and knock-ins, available technologies.
- Meganucleases, Zinc-finger nucleases (ZFN) and TALEN nucleases: detailed analyses about what they are and how they work, their applications and limitations. Analysis of specific scientific papers. Real examples of applications in the pipeline of different pharma companies.
- 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.
- Upgrade of CRISPR-Cas systems: Base editors and Prime editors. Working principles, novelty, applications, limitations.
- Transposons-based genome editing. PiggyBac and Sleeping Beauty transposons. Applications and pros/cons
- Genomic screening and genes function assessment 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
- Genome editing and biological drugs: e.g. 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
21 2-hours lessons composed by:
- a section of delivered didactics (Didattica erogativa, DE) focused on the presentation-illustration of contents and theoretical principles by the lecturer.
- a section of interactive teaching (Didattica Interattiva, DI) including teaching interventions supplementary to delivered didactic activities, analyses of milestone cases that require short interventions by trainees or their teamwork, exploration and discussion of practical applications thanks to seminars from external experts
Didactic activities are conveyed by means of face-to-face lectures
Teaching laguage: italian / english if non italian students are enrolled in this course
Textbook and teaching resource
Slides, review articles and research articles available at the e-learning web page.
Teaching resources are mainly in english.
Lessons will be recorded and available for students
Semester
SECOND semester (March-June)
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 of genome editing systems
c) understanding the meaning of specific scientific approaches
c) knowledge of different examples of real applications
Office hours
make an appointment with the professor by e-mail
Sustainable Development Goals
Staff
-
Diego Bonetti
