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
A questo scopo 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 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
Prerequisiti
vedi le informazioni riportate nel syllabus dell'insegnamento
Modalità didattica
vedi le informazioni riportate nel syllabus dell'insegnamento
Materiale didattico
vedi le informazioni riportate nel syllabus dell'insegnamento
Periodo di erogazione dell'insegnamento
vedi le informazioni riportate nel syllabus dell'insegnamento
Modalità di verifica del profitto e valutazione
vedi le informazioni riportate nel syllabus dell'insegnamento
Orario di ricevimento
vedi le informazioni riportate nel syllabus dell'insegnamento
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 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
Prerequisites
See the information provided in the course syllabus
Teaching form
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Textbook and teaching resource
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Semester
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Assessment method
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Office hours
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