Corso di Laurea in Biotecnologie

BIOLOGIA MOLECOLARE E BIOINFORMATICA

Molecular Biology and Bioinformatics

Anno accademico 2023/2024

Sommario insegnamento

• Obiettivi formativi
• Risultati dell'apprendimento attesi
• Programma
• Modalità di insegnamento
• Modalità di verifica dell'apprendimento
• Attività di supporto
• Testi consigliati e bibliografia
• Moduli didattici
• Orario lezioni
• Strumenti didattici
• Scheda del corso

Obiettivi formativi

Biologia Molecolare: Il corso si propone di trasmettere le conoscenze necessarie alla comprensione della struttura e della funzione del materiale genetico, sia nei loro aspetti generali, che a livello delle tecniche sperimentali usate nonchè della loro applicazione a problematiche biotecnologiche. Particolare attenzione verrà dedicata ai meccanismi epigenetici della regolazione dell'espressione genica.

Modulo di Bioinformatica:  intende fornire agli studenti le conoscenze utili allo sviluppo della soluzione a problemi biologici mediante l’applicazione di tecniche di programmazione e l’utilizzo di tecniche classiche della bioinformatica. Lo scopo principale di questo modulo è di rendere lo studente capace di studiare soluzioni informatiche a problemi di ambito biologico e di capire la complessità di queste.

Risultati dell'apprendimento attesi

Biologia Molecolare: Acquisizione di solide basi sulle metodologie utilizzate per l'analisi della struttura e della funzione dei geni e dei genomi e sulle loro applicazioni sperimentali e biotecnologiche, e  di una buona conoscenza e approfondita comprensione dei meccanismi di controllo dell'espressione genica trascrizionali e post-trascrizionali.

Bioinformatica: acquisizione di una buona conoscenza degli algoritmi su cui si basano i principali programmi bioinformatici utilizzati per l'analisi dei geni e dei genomi.

Programma

Biologia Molecolare

Analisi della struttura dei geni

• Ibridazione degli acidi nucleici
• Enzimi di restrizione e DNA ligasi
• Oligonucleotidi sintetici
• Polymarase Chain Reaction
• Produzione di sonde marcate
• Analisi del DNA mediante Southern blot
• Sequenziamento del DNA; sequenziamento genomico
• Polimorfismi del DNA

Il clonaggio dei geni

• Vettori plasmidici e fagici, clonaggio di frammenti di DNA
• Costruzione di library genomiche e di cDNA
• Screening di DNA libraries mediante ibridazione
• Ricostruzione di trascritti completi.
• Il progetto Genoma Umano e gli altri progetti genoma

Analisi dell’espressione genica

• Northern e western blotting
• Reverse-transcription- (RT)-PCR
• Real time PCR
• Ibridizzazione in situ
• Microarrays

Il controllo dell’espressione genica negli eucarioti:

• Ripasso della struttura della cromatina, i nucleosomi
•  Acetilazione-deacet. degli istoni e loro regolazione, codice istonico
• Posizionamento degli istoni e rimodellamento della cromatina
• Controllo della trascrizione e ripiegamento del DNA
• Il promotore essenziale e l’assemblamento del complesso di pre-inizio
• Caratteristiche principali dell’RNA Polimerasi II – il CTD
• Fattori di trascrizione generali (GTF) e macchinario trascrizionale basale.
• Fattori di trascrizione specifici
• Distinzione tra attivatori e co-attivatori trascrizionali. Il Mediatore.
• Struttura modulare dei fattori di trascrizione (domini di legame al DNA, domini di attivazione della trascrizione)
• Principali meccanismi di controllo dell’attività dei fattori trascrizionali EUCARIOTICI (CREB, JAK-STAT, NF-kB, ormini steroidei)
• La sinergia trascrizionale; la teoria dell’enhanceosoma.
• Meccanismi di repressione trascrizionale
• La metilazione del DNA e sue principali funzioni
• EPIGENETICA: definizione e significato.
• Esempi di controllo combinatoriale nello sviluppo del piano corporeo di Drosophila; Circuiti regolatori a feedback – orologi circadiani
• Regolazione della metilazione e delle modificazioni degli istoni durante lo sviluppo.
• Modificazioni epigenetiche, trascrizione aberrante e cancro
• La metilazione e l’imprinting genomico (Cap 7, pag 489-491)

Tecniche per l’analisi della regolazione trascrizionale:

• Saggi reporter
• Analisi dei promotori per delezione
• Saggio EMSA
• Saggio di immunoprecipitazione della cromatina (ChIP)

Meccanismi di regolazione post-trascrizionale:

• Coordinamento tra trascrizione, maturazione e trasporto dell’RNA: la fabbrica dell’espressione genica
• L’interferenza dell’RNA e i microRNA: funzioni fisiologiche e patologiche
• Altri RNA codificanti. I long non coding RNAs

Proteine ricombinanti - editing del genoma

• Sistemi di espressione procariotici
• Espressione in lieviti
• Espressione in cellule di mammifero: vettori non virali e virali
• Animali e piante transgenici
• Sistemi di espressione eucariotici inducibili e reprimibili
• Concetti generali sugli organismi geneticamente modificati
• Metodi di mutagenesi
• Il sistema del doppio ibrido in lievito

Bioinformatica

1.  Allineamento di sequenze: classificazione, sistemi di scoring, algoritmi esatti ed euristici
2.  Ricostruzione di alberi filogenetici: alberi binari con e senza radice, metodi basati sulle distanze (UPGMA e neighbor joining), metodi basati sulla parsimonia
3. Algoritmi di allineamento multiplo progressivo 
4. Positional Weight Matrices e analisi di siti di legame di fattori di trascrizione
5. Analisi dell'espressione genica: class comparison
6. Analisi dell'espressione genica: class discovery
7.  Ontologie e annotazione funzionale del genoma

Modalità di insegnamento

La maggior parte delle lezioni verrano svolte in forma frontale.  Una parte verrà svolta sotto forma di esercitazioni, aventi per oggetto sia le tecniche di biologia molecolare che l'esplorazione delle risorse integrative bioinformatiche disponibili in rete, con esercizi mirati alla soluzione di problemi pratici.

Modalità di verifica dell'apprendimento

La prova scritta prevede domande a risposta aperta di tipo teorico e la soluzione di quesiti a carattere applicativo e si svolgerà separatamente per le 2 parti del corso (Bioinformatica o Biologia Molecolare). Il voto conseguito per ciascuna delle due parti non ha scadenza. La prova orale, facoltativa, consiste nella discussione della prova scritta e prevede la risposta a domande che possono riguardare qualsiasi argomento trattato nel corso. Può essere svolta anche solo per una delle parti del corso. La valutazione finale rappresenterà la media ponderata dei voti acquisiti per le 2 parti, espressa in trentesimi.

Attività di supporto

Quando possibile, le esercitazioni di bioinformatica verranno svolte al calcolatore nei laboratori informatici del Centro di Biotecnologie Molecolari, e potranno eventualmente essere impartite da docenti esercitatori in remoto.

• Sotto alcuni dei libri consigliati, utile riferimento per la comprensione di molti degli argomenti trattati. Notare che nessuno dei libri è di per sè sufficiente a coprire esaurientemente il programma, per cui il materiale fornito nelle lezioni sarà necessario al superamento dell'esame.
• Amaldi, Biologia Molecolare, seconda edizione, Zanichelli
• Alberts, Biologia Molecolare della cellula, sesta edizione, Zanichelli
• Weaver, Biologia Molecolare, McGraw Hill
• Dale, Dai geni ai genomi (Edises)
• James Tisdall, Beginning Perl for Bioinformatics, O'Reilly, 2001
• Cynthia Gibas e Per Jambeck, Developing Bioinformatics Computer Skills, O'Reilly, 2001
• Robbe Wunschiers, Computational Biology: Unix/Linux, Data Processing and Programming, Springer, 2004
• NCBI tutorial to the Entrez  system (freely available at the URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query/static/help/entrez_tutorial_BIB.pdf)

Moduli didattici

• Bioinformatica (BIO0223B)
• Biologia Molecolare (BIO0223A)

Orario lezioni

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