Syllabus del corso
Obiettivi
Conoscenza e capacità di comprensione
Il corso intende familiarizzare gli studenti con concetti e approcci sperimentali relativi a problematiche genetiche attuali riguardanti il controllo trascrizionale in cellule eucariotiche nello sviluppo e nel differenziamento cellulare, nel normale e in esempi di patologia.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Gli approcci sperimentali, la “costruzione” dell’esperimento e l’interpretazione dei dati saranno oggetto di particolare attenzione; il materiale primario del corso saranno articoli originali.
Autonomia di giudizio
Verrà perseguito lo sviluppo di senso critico riguardo all’interpretazione dei dati sperimentali, e allo sviluppo di connessioni diversificate tra gli argomenti trattati
Abilità comunicative
Si perseguirà la comprensione di come le nuove conoscenze ottenute attraverso il metodo sperimentale vadano presentate, mediante discussione di articoli originali, frequenza a seminari di ricerca, e possibile presentazione e discussione di articoli scientifici da parte degli studenti.
Capacità di apprendere
L’apprendimento sarà mediante il confronto diretto con la ricerca e i suoi risultati, piuttosto che mediante libri di testo.
Contenuti sintetici
Il corso presenterà, attraverso l’illustrazione e l’analisi di lavori scientifici, le problematiche genetiche che riguardano:
- Il controllo della trascrizione in cellule eucariotiche;
- Lo sviluppo embrionale dei vertebrati (sistema emopoietico; muscolo; sistema nervoso; cellule pluripotenti dell’embrione precoce);
- La modificazione mirata del genoma, e il suo utilizzo nei modelli genetici in topo.
Programma esteso
Problematiche genetiche dello sviluppo embrionale e del differenziamento tessuto-specifico
nei vertebrati.
1) Mutazioni mirate nel genoma di topo per lo studio funzionale dei geni.
Transgenesi; gene targeting in cellule staminali embrionali; differenziazione in vitro di cellule staminali; approcci CRISPR/Cas.
2A) Sistema ematopoietico e sua embriogenesi.
Mutanti in geni per fattori trascrizionali e studio del loro ruolo in: programmi differenziativi tessuto-specifici (es. eritroide); scelta del destino cellulare e suoi meccanismi (es. granulocita vs. macrofago; destino linfoide tramite restrizione di scelte alternative); origine e mantenimento di cellule staminali ematopoietiche.
2B) Sistema muscolare e miogenesi.
Un “master gene” può attivare l’intero programma differenziativo muscolare: myoD e i geni miogenici. Topi mutanti per fattori trascrizionali miogenici; azione dei geni nel differenziamento muscolare (determinazione, migrazione, miogenesi), gerarchie di geni regolatori; ridondanza. Geni che controllano le cellule staminali muscolari e cellule satelliti.
2C) Sistema nervoso e sua embriogenesi
Cellule staminali neurali, loro proliferazione e differenziamento neuronale e gliale. Regionalizzazione del tubo neurale. Meccanismi genetici nel differenziamento regione-specifico dei neuroni. L’esempio del midollo spinale: gradienti di molecole segnale e attivazione di combinazioni di fattori trascrizionali. Meccanismi genetici nella specificazione delle aree della corteccia cerebrale. Specificazione genetica dell’identità posizionale: mutanti omeotici. Controllo genetico dello sviluppo orientato degli assoni e della connettività neuronale.
2D) Cellule pluripotenti dell’embrione precoce
Identificazione di geni per fattori trascrizionali che controllano la pluripotenza (capacità di generare tutti i tipi cellulari dell’embrione), e loro meccanismi molecolari d’azione. Fattori di pluripotenza e riprogrammazione genetica di cellule differenziate a cellule staminali pluripotenti (cellule iPS).
3) Meccanismi genetici molecolari del controllo trascrizionale in cellule eucariotiche
Espressione genica differenziale nello sviluppo embrionale e nel differenziamento cellulare: metodi di studio. Livelli di regolazione dell’espressione genica. Identificazione e studio di sequenze regolatrici della trascrizione: metodi ed esempi (interazione proteine regolatrici/DNA; approcci della genomica funzionale, progetto ENCODE; saggi funzionali in animali transgenici).
Combinazione di siti di legame per fattori trascrizionali nella programmazione dell’espressione genica nello sviluppo e nel differenziamento: esempi dalla regolazione dei geni dello sviluppo dell’occhio in specie diverse. Modificazioni covalenti regolative degli istoni e interazioni con i fattori trascrizionali. Enhancers e isolatori. I diversi livelli di organizzazione della regolazione genica in aione: l’esempio dei geni globinici. Talassemie da delezione e sequenze regolatrici ad azione long-range: “locus control region” e suo meccanismi d’azione. Organizzazione spaziale 3-D e compartimentalizzazione nucleare della regolazione genica: “active chromatine hubs”, “transcription factories”. Trascritti intergenici e long noncoding RNAs.
Modificazioni allosteriche nella funzione di fattori trascrizionali: esempi dalla regolazione genica dello sviluppo dell’ipofisi.
Prerequisiti
Solide basi di genetica generale, biologia molecolare e cellulare.
Modalità didattica
Lezioni frontali in classe, con discussione mediante domande degli studenti e discussione di problemi emergenti; 1 cfu circa sarà inoltre devoluto a lavoro interattivo, sotto forma di presentazione, da parte degli studenti, di lavori scientifici originali, e discussione con la classe.
Materiale didattico
Articoli scientifici originali illustrati durante il corso.
Testi di consultazione:
Genetica, II edizione, edito da D. Ghisotti e G. Binelli, EdiSES, capitoli 19 (Genetica dello sviluppo animale) e 17 (Regolazione dell'espressione genica negli eucarioti)
Scott Gilbert, Developmental Biology, Sinauer (trad. Italiana: Biologia dello sviluppo, Zanichelli)(edizione più recente possibile)
Tom Strachan, Andrew Read, Human Molecular Genetics (trad. Italiana: Genetica Molecolare Umana, Zanichelli) (edizione più recente possibile).
Le diapositive mostrate in classe saranno disponibili via elearning.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La valutazione sarà tramite un esame orale, che potrà avere inizio (a discrezione dello studente) con l’esposizione e discussione di un articolo scientifico a scelta (tra vari proposti in anticipo dal docente), seguita da due domande su un diverso aspetto del corso, e discussione relativa. Non sono previste prove in itinere.
Orario di ricevimento
Su appuntamento, silvia.nicolis@unimib.it o concordato a lezione
Sustainable Development Goals
Aims
Knowledge and understanding
The course aims at familiarizing the students with concepts and experimental approaches concerning modern genetics of transcriptional control in eukaryotic cells in development and cellular differentiation, in the normal and in examples of pathology.
Applying knowledge and understanding
Experimental approaches, the construction of experiments and data interpretation will be the object of particular attention; primary material of the course will be represented by original papers.
Making judgements
The development of critical sense will be pursued, in particular regarding the interpretation of experimental data, and the development of diversified connections between the topics discussed in class.
Communication skills
The understanding of how to present new knowledge, obtained by controlled experiments, will be pursued, by the discussion of original papers, by attending research seminars, and by the presentation and discussion of scientific papers by the students.
Learning skills
Learning will be by direct study and analysis of research results, rather than via textbooks.
Contents
The course will present, through the illustration and analysis of scientific papers, genetic problems related to:
- Transcriptional control in eukaryotic cells;
- Vertebrate embryonic development (hematopoietic system; muscle; nervous system; pluripotent cells of the early embryo);
- Targeted modification of the genome, and its use in mouse genetic models.
Detailed program
A genetic point of view on the regulation of embryonic development and tissue-specific differentiation in vertebrates.
1) Targeted mutations in the mouse genome for the study of gene function.
Transgenesis; gene targeting in embryonic stem cells; in vitro differentiation of stem cells; CRISPR/Cas-based approaches.
2A) Hematopoietic system and its embryogenesis.
Mutants in genes encoding transcription factors and study of their roles in: tissue-specific differentiation programs (e.g. erythroid); cell fate choice and its mechanisms (e.g. granulocyte vs. macrophage); lymphoid destiny by restriction of alternative choices; origin and maintenance of hematopoietic stem cells.
2B) Skeletal muscle and myogenesis.
A “master gene” can activate the whole muscle differentiation program: myoD and myogenic genes. Mouse mutants in myogenic factors; action of genes in muscle differentiation (determination, migration, myogenesis); hyerarchies of regulatory genes; redundancy. Genes controlling muscle stem cells and satellite cells.
2C) Nervous system and its embryogenesis
Neural stem cells, proliferation and neuronal/glial differentiation. Regionalization of the neural tube. Genetic mechanisms in the region-specific differentiation of neurons. The spinal cord example: gradients of signaling molecules and activation of combinations of transcription factors. Genetic mechanisms in the specification of functional areas of the cerebral cortex. Genetic specification of positional identity: homeotic mutants. Genetic control of axon outgrowth and neuronal connectivity development.
2D) Pluripotent cells of the early embryo
Identification of genes that control pluripotency (ability to generate all the cell types of the embryo), and their mechanisms of action. Pluripotency factors and reprogramming of differentiated cells to induced pluripotent (iPS) stem cells.
3) Molecular genetic mechanisms of transcriptional control in eukaryotic cells
Differential gene expression in embryonic development and cell differentiation: methods of study. Levels of regulation of gene expression. Identification and study of transcriptional regulatory sequences: methods and examples (interactions between regulatory proteins and DNA; functional genomics approaches, ENCODE project; functional assays in transgenic animals). Combination of binding sites for transcription factors in programming gene expression in development and differentiation: examples from the regulation of eye development genes in different species. Histone modifications and interactions with transcription factors. Enhancers and insulators.
The different levels of gene regulation in action: the globin genes. Thalassemias caused by deletions and long-range-acting regulatory elements: the “locus control region” and its mechanism of action. 3-D spatial organization and nuclear compartimentalization in gene regulation: “active chromatin hubs” and “transcription factories”. Intergenic transcripts and long noncoding RNAs.
Allosteric modifications in transcription factor function: examples from gene regulation in pituitary development.
Prerequisites
A solid background in general genetics, molecular and cellular biology.
Teaching form
Lessons in class, with discussion via questions from the students and discussion of emerging problems; 1 cfu will be devolved to interactive work, with presentations prepared by the students on original scientific papers, and discussion with the class.
Textbook and teaching resource
Scientific papers illustrated during the course.
Scott Gilbert, Developmental Biology, Sinauer (the most recent edition available)
Tom Strachan, Andrew Read, Human Molecular Genetics (the most recent edition available)
Genetica, II edizione, edito da D. Ghisotti e G. Binelli, EdiSES (in Italian), chapters 19 (Genetica dello sviluppo animale) and 17 (Regolazione dell'espressione genica negli eucarioti).
The slides shown during classes are available via elearning.
Semester
First semester
Assessment method
The evaluation will be via an oral examimation, starting (if the student so decides) with the presentation and discussion of a research paper chosen by the student (among a choice supplied in advance by the teacher), followed by two questions on a different aspect of the course, and relative discussion. No intermediate evaluation is scheduled.
Office hours
Meetings can be arranged via email (silvia.nicolis@unimib.it) or personally during class hours
Sustainable Development Goals
Staff
-
Silvia Kirsten Nicolis
