Syllabus del corso
Obiettivi
Il corso vuole fornire e approfondire gli strumenti biologici e le basi genetiche fondamentali per la comprensione delle malattie genetiche dell’uomo, in un’ottica di medicina genomica.
Contenuti sintetici
Verranno approfondite le basi cellulari e molecolari della genetica umana, si analizzerà, in modo dettagliato, l’organizzazione dei geni e del genoma umano, le sue modificazioni e i meccanismi di riparazione messi in atto dalle cellule. Largo spazio sarà anche dato all’epigenoma, alle sue modificazioni e ai complessi meccanismi di regolazione dell’espressione genica.
A completamento, e a titolo esemplificativo, verranno trattate una serie di patologie inerenti diverse branche della medicina, che sempre più spesso vengono gestite da genetisti.
A supporto, e per una maggiore comprensione del tutto, verranno inoltre analizzate le tecnologie di analisi e modificazione degli acidi nucleici, di next generation sequencing e gli approcci bioinformatici necessari a interpretare i risultati ottenuti con queste metodiche.
Programma esteso
Organizzazione del genoma umano e progetti genoma
-Dalla genetica alla genomica: il progetto genoma umano
-Organizzazione ed evoluzione del genoma umano;
geni codificanti per proteine
geni per RNA non codificanti ed elementi regolatori
l’organizzazione delle famiglie geniche
l’importanza della duplicazione genica
il DNA non codificante altamente ripetuto nel genoma umano
-La distribuzione dei geni nel genoma umano
-Origine della variabilità delle sequenze
-meccanismi di riparazione del DNA
-genomica delle popolazioni e dimensioni della variabilità genetica umana
-l’evoluzione del concetto di gene
Le tecnologie per lo studio e l’analisi del DNA
-Principi delle tecnologie per l’analisi del DNA:
-PCR e PCR quantitativa
-Sequenziamento Sanger
-Arrays
-Next Generation Sequencing (NGS): tecniche di sequenziamento di seconda generazione e terza generazione (long read sequencing)
-Analisi dei dati NGS
Regolazione genetica ed epigenetica dell’espressione genica
-i promotori, enhancer e silencer
-i fattori di trascrizione: legame e specificità
-la regolazione genica durante la maturazione dell’RNA: splicing e editing
-silenziamento genico mediante microRNA
-Modificazioni della cromatina e fattori epigenetici nella regolazione genica
-writer, eraser e reader
-la metilazione del DNA
-ruolo dei long ncRNA nella regolazione epigenetica
-l’imprinting genomico
-l’inattivazione del cromosoma X
-organizzazione del nucleo interfasico
Le Omiche e le nuove tecnologie in biomedicina
-Esempi di applicazioni delle tecnologie NGS
-DNA: WGS, Exome, Deep seq…
-ChIP-Seq
-Analisi di metilazione
-Metagenomica
-RNA: Trascrittomica
-Cenni alle multi-omiche
Variabilità genetica e sue conseguenze
-sostituzioni nucleotidiche patogenetiche e piccole inserzioni e delezioni
-variazione del numero di copie di brevi sequenze ripetute in tandem
-patogenesi indotta da lunghe sequenze ripetute in tandem e da sequenze ripetute intersperse
-basi molecolari delle malattie mitocondriali
-correlazioni tra genotipo e fenotipo e complessità delle malattie monogeniche (gain of function, loss of function, aploinsufficienza, dominante negativo).
Variabilità genetica del sistema immunitario
- concetto di immunità innata ed acquisita
- struttura e funzione degli anticorpi e dei T Cell Receptors
- ricombinazione somatica: meccanismi molecolari
- modificazioni dopo incontro con antigene
Approcci genetici per lo studio delle malattie multifattoriali
-Definizione di malattie multifattoriali e valutazione della componente genetica
-Studi di linkage parametrici e non parametrici
-Genomewide association studies
-Esempi di malattie multifattoriali: malattia celiaca, IBDs, diabete
Cellule staminali e differenziamento
- Il differenziamento cellulare
- Meccanismi molecolari alla base dello sviluppo embrionale
- Cellule staminali e cellule staminali pluripotenti indotte (iPS)
-Organismi modello: vantaggi e svantaggi
-Topi transgenici
-Esempi di differenziamento e sviluppo: sistema nervoso, epitelio intestinale, tessuti connettivi, cellule muscolari, sistema ematopoietico
Terapia genica
-Terapia genica in vivo e ex vivo
-Vettori virali e non virali per terapia genica: vantaggi e svantaggi
-Terapia genica dell’ADA-SCID e della anemia falciforme/talassemia come storie di successo
-Terapia genica nei tumori: esempio della terapia CAR-T
-Terapia genica nelle genodermatosi
-Terapia genica e cellulare nelle malattie degenerative: approcci al trattamento delle distrofie muscolari
-Terapia genica nel trattamento dell’HIV
-CRISPR-Cas9 e applicazioni in trial clinici
Citogenomica
-Tecniche di bandeggio e tecniche avanzate per lo studio delle aberrazioni citogenetiche e del genoma
-l'ibridazione in situ fluorescente (FISH) e sue evoluzioni
-array CGH
-Optical Genome Mapping
Meccanismi alla base di aberrazioni cromosomiche
-sindromi cromosomiche e disordini genomici
-dupliconi
-sindromi da microdelezione e da microduplicazione
Diagnosi prenatale-test non invasivi e invasivi
-NIPT
-villocentesi
-amniocentesi
-mosaicismo
-UPD e implicazioni sulle patologie da difetti di imprinting
-Citogenetica del cancro
Tecniche diagnostiche molecolari in genetica medica
-Simulazione di analisi dell’esoma e interpretazione delle varianti geniche
-Medicina di precisione: la genetica al servizio dei protocolli clinici
-Predisposizione ai tumori, focus su leucemia linfoblastica acuta
-La genetica medica: consulenza e test diagnostici
-Malattie a trasmissione non-mendeliana: espansione di triplette
Casi clinici
Prerequisiti
Solide basi di Biologia generale e molecolare e di genetica generale
Modalità didattica
6 CFU didattica frontale
1 CFU esercitazioni in aula
Materiale didattico
Testi consigliati:
Genetica umana e medica di Neri e Genuardi, Edra, 5 ed
Genetica & Genomica nelle scienze mediche, T. Strachan, A. Lucassen, Zanichelli 2. ed
Presentazioni delle lezioni,
Articoli scientifici
Periodo di erogazione dell'insegnamento
2° semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L’esame si propone di verificare le conoscenze e le competenze acquisite nei diversi moduli che compongono l’insegnamento ed è costituito da una PROVA SCRITTA.
La prova verte su tutti gli argomenti trattati a lezione e consiste di un test con 28 quiz a scelta multipla e 2 domande a risposta aperta breve. Per i quiz ogni risposta corretta vale 1 punto, la mancata risposta 0 punti, la risposta errata -0,2 punti. Per le domande a risposta aperta breve ogni risposta corretta vale 2 punt1
Un eventuale colloquio orale sarà solo su richiesta dello studente o per necessità di chiarimenti da parte dei docenti
La valutazione finale tiene conto di:
conoscenze dimostrate nel rispondere alle domande poste
capacità di esprimersi in modo chiaro e con linguaggio appropriato
Eventuale partecipazione attiva alle esercitazioni in aula
Orario di ricevimento
Su appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
The course aims to provide and deepen the biological tools and fundamental genetic bases necessary for understanding human genetic diseases, within the framework of genomic medicine.
Contents
The cellular and molecular bases of human genetics will be explored in detail, and the organization of genes and the human genome, its modifications, and the DNA repair mechanisms implemented by cells will be thoroughly analyzed.
Significant emphasis will also be placed on the epigenome, its modifications, and the complex mechanisms regulating gene expression.
To complete the course, and for illustrative purposes, a series of diseases related to different branches of medicine—now increasingly managed by geneticists—will be discussed.
To support and enhance overall understanding, technologies for the analysis and modification of nucleic acids, next-generation sequencing (NGS), and the bioinformatic approaches required to interpret the results obtained using these methodologies will also be examined.
Detailed program
Organization of the Human Genome and Genome Projects
• From genetics to genomics: the Human Genome Project
• Organization and evolution of the human genome
o Protein-coding genes
o Non-coding RNA genes and regulatory elements
o Organization of gene families
o Importance of gene duplication
o Highly repetitive non-coding DNA in the human genome
• Distribution of genes within the human genome
• Origin of sequence variability
• DNA repair mechanisms
• Population genomics and the extent of human genetic variability
• Evolution of the concept of the gene
Technologies for the Study and Analysis of DNA
• Principles of DNA analysis technologies
• PCR and quantitative PCR
• Sanger sequencing
• Arrays
• Next-generation sequencing (NGS): second- and third-generation sequencing techniques (long-read sequencing)
• NGS data analysis
Genetic and Epigenetic Regulation of Gene Expression (RM) (8 hours)
• Promoters, enhancers, and silencers
• Transcription factors: binding and specificity
• Gene regulation during RNA maturation: splicing and editing
• Gene silencing mediated by microRNAs
• Chromatin modifications and epigenetic factors in gene regulation
o Writers, erasers, and readers
o DNA methylation
• Role of long non-coding RNAs in epigenetic regulation
• Genomic imprinting
• X chromosome inactivation
• Organization of the interphase nucleus
Omics and New Technologies in Biomedicine
• Examples of applications of NGS technologies
• DNA-based approaches: whole genome sequencing (WGS), exome sequencing, deep sequencing
• ChIP-Seq
• DNA methylation analysis
• Metagenomics
• RNA-based approaches: transcriptomics
• Introduction to multi-omics approaches
Genetic Variability and Its Consequences
• Pathogenic nucleotide substitutions and small insertions and deletions
• Copy number variation of short tandem repeat sequences
• Pathogenesis induced by long tandem repeat expansions and interspersed repetitive sequences
• Molecular bases of mitochondrial diseases
• Genotype–phenotype correlations and complexity of monogenic diseases (gain of function, loss of function, haploinsufficiency, dominant-negative effects)
Genetic Variability of the Immune System
• Concepts of innate and adaptive immunity
• Structure and function of antibodies and T-cell receptors
• Somatic recombination: molecular mechanisms
• Modifications following antigen encounter
Genetic Approaches to the Study of Multifactorial Diseases
• Definition of multifactorial diseases and assessment of the genetic component
• Parametric and non-parametric linkage studies
• Genome-wide association studies (GWAS)
• Examples of multifactorial diseases: celiac disease, inflammatory bowel diseases (IBDs), diabetes
Stem Cells and Differentiation
• Cellular differentiation
• Molecular mechanisms underlying embryonic development
• Stem cells and induced pluripotent stem cells (iPSCs)
• Model organisms: advantages and limitations
• Transgenic mice
• Examples of differentiation and development: nervous system, intestinal epithelium, connective tissues, muscle cells, hematopoietic system
Gene Therapy
• In vivo and ex vivo gene therapy
• Viral and non-viral vectors for gene therapy: advantages and disadvantages
• Gene therapy for ADA-SCID and sickle cell disease/thalassemia as success stories
• Gene therapy in cancer: the example of CAR-T therapy
• Gene therapy in genodermatoses
• Gene and cell therapy in degenerative diseases: approaches to the treatment of muscular dystrophies
• Gene therapy in the treatment of HIV
• CRISPR-Cas9 and applications in clinical trials
Cytogenomics
• Banding techniques and advanced methods for the study of cytogenetic abnormalities and the genome
• Fluorescence in situ hybridization (FISH) and its developments
• Array comparative genomic hybridization (array CGH)
• Optical Genome Mapping
Mechanisms Underlying Chromosomal Aberrations
• Chromosomal syndromes and genomic disorders
• Segmental duplications
• Microdeletion and microduplication syndromes
Prenatal Diagnosis: Non-Invasive and Invasive Tests
• Non-invasive prenatal testing (NIPT)
• Chorionic villus sampling
• Amniocentesis
• Mosaicism
UPD and Its Implications in Imprinting Disorders
Cancer Cytogenetics
Molecular Diagnostic Techniques in Medical Genetics
• Simulation of exome analysis and interpretation of genetic variants
• Precision medicine: genetics in support of clinical protocols
• Cancer predisposition, with a focus on acute lymphoblastic leukemia
• Medical genetics: genetic counseling and diagnostic testing
• Non-Mendelian inherited diseases: trinucleotide repeat expansions
Clinical Cases
Prerequisites
Strong foundations in general and molecular biology, as well as general genetics
Teaching form
6 CFU of lectures
1 CFU of classroom practical sessions
Textbook and teaching resource
Recommended textbooks:
Human and Medical Genetics by Neri and Genuardi, Edra, 5th edition
Genetics and Genomics in Medical Sciences by T. Strachan and A. Lucassen, Zanichelli, 2nd edition
Lecture presentations
Scientific articles
Semester
2° semester
Assessment method
The exam is designed to assess the knowledge and skills acquired across the different modules that make up the course and consists of a WRITTEN EXAM.
The exam covers all topics addressed during lectures and consists of a test with 28 multiple-choice questions and 2 short open-ended questions. For the quizzes, each correct answer is worth 1 point, an unanswered question 0 points, and an incorrect answer –0.2 points. For the short open-ended questions, each correct answer is worth 2 points.
Any oral examination will be held only at the student’s request or if clarification is deemed necessary by the instructors.
The final evaluation takes into account:
the knowledge demonstrated in answering the questions
the ability to express oneself clearly and using appropriate terminology
any active participation in classroom practical sessions
Office hours
By appointment
Sustainable Development Goals
Staff
-
Emanuele Azzoni
-
Donatella Barisani
-
Cristiana Barone
-
Angela Bentivegna
-
Giovanni Cazzaniga
-
Raffaella Meneveri
-
Maria Cristina Vinci
