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Biologia Molecolare e Bioinformatica

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Molecular Biology and Bioinformatics

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Anno accademico 2017/2018

Codice dell'attività didattica
INT0648
Docenti
Prof. Ferdinando DI CUNTO (Titolare del corso)
Prof. Valeria POLI (Titolare del corso)
Prof. Paolo PROVERO (Titolare del corso)
Corso di studi
Laurea Triennale in Biotecnologie
Anno
2° anno
Periodo didattico
Primo semestre
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
9
SSD dell'attività didattica
BIO/11 - biologia molecolare
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'esame
Scritto ed orale
Prerequisiti

La comprensione dei contenuti del corso richiede una buona conoscenza delle seguenti materie: Fisica, Chimica, Biologia Generale, Genetica Generale, Informatica di Base.

In order to understand the contents of the course, students should possess a good knowledge of the following disciplines: Physics, Chemistry, General Biology, General Genetics, Basic Informatics.

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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

Il corso si propone di trasmettere le conoscenze necessarie alla comprensione della struttura e della funzione del materiale genetico, sia nei loro aspetti generali sia nella loro applicazione a problematiche biotecnologiche. Inoltre si 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.
The goal of this course is to give the basic notions necessary to the comprehension of the structure and function of the genetic material, both in their general aspects, and in their application to biotechnological problems. Moreover students are provided with the necessary knowledge and skills to solve biological problems by means of computer programming and the basic techniques of  bioinformatics. At the and of the module the  students will be able to devise computational solutions to biological problems and to understand their complexity.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Gli studenti dovranno dimostrare di aver acquisito una buona conoscenza dei principali meccanismi di controllo dell'espressione genica, sia nei loro aspetti generali sia nella loro applicazione a metodiche di indagine o di produzione biotecnologica. Dovranno inoltre dimostrare di aver acquisiti solide basi sulle metodologie utilizzate per l'analisi della struttura e della funzione dei geni e dei genomi. Dovranno infine dimostrare di avere acquisito una buona conoscenza degli algoritmi su cui si basano i principali programmi bioinformatici utilizzati per l'analisi dei geni e dei genomi.
Students will need to show that they have aquired a good knowledge of the main mechanisms controlling gene expression, both in their general aspects and in what concerns their application to biotechnological methods aimed to the analysis or to the production. Moreover, they will need to demonstrate to have aquired solid bases on the principal methods used to analyze the structure and the function of genes and genomes. Finally, they are expected to aquire a good knowledge of the algorithms underlying the principal bioinformatic programs used for the analysis of genes and genomes.

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Modalità di insegnamento

I tre quarti delle lezioni verrano svolte in forma frontale.  Un quarto delle lezioni verrà svolta sotto forma di esercitazioni, aventi per oggetto l'esplorazione delle risorse integrative bioinformatiche disponibili in rete ed esercizi mirati alla soluzione di problemi pratici.

Three quarters of the lessons will be given in form of frontal lessons. One quarter of the lessons will consist of practical sessions, aimed at the exploration of the bioinformatic integrative resources available on the web and on problem-solving excercises.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

La prova scritta prevede la risposta a domande di tipo teorico e la soluzione di quesiti a carattere applicativo. La prova orale consiste nella discussione della prova scritta e prevede la risposta a domande che possono riguardare qualsiasi argomento trattato nel corso. La valutazione finale è espressa in trentesimi.

The written test implies the response to theoretical questions and the solution of applicative problems. The oral test is based on the discussion of the written test and involves further questions which may concern every argument which has been treated in the lessons. The final score will be given as a fraction of 30

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Attività di supporto

Le esercitazioni di bioinformatica verranno svolte al calcolatore nei laboratori informatici del Centro di Biotecnologie Molecolari.

The bioinformatics practical sessions will take place in the computer rooms of the Molecular Biotechnology Centre

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Programma

Biologia Molecolare

 1. 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)

2. Tecniche per l’analisi della regolazione trascrizionale:

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

 3. 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

4. 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

5. 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

6. Analisi dell’espressione genica

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

7. Produzione di proteine ricombinanti

  • 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

9. Basi molecolari dell’evoluzione

10. Approcci generali all’analisi della funzione genica

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

Molecular Biology

1. The control of gene expression in eukaryotes:

  • Revisiting chromatin structure, nucleosomes
  • Histones acetylation-deacetylation and their regulation, the histone code
  • Nucleosome positioning and chromatin remodeling
  • Control of transcription and DNA looping
  • The core promoter and pre-initiation complex assembly
  • Main features of RNA polymerase II - the CTD
  • General transcription factors (GTF) and basal transcriptional machinery.
  • Specific transcription factors
  • Distinction between transcriptional activators and co-activators. The mediator.
  • Structure of Transcription Factors (DNA binding domain, transcriptional activation domain)
  • Main mechanisms controlling the activity of eukaryotic transcription factors (CREB, JAK-STAT, NF-kB, steroid hormones)
  • Transcriptional synergy; enhanceosome theory.
  • Mechanisms of transcriptional repression
  • DNA methylation and its main functions
  • EPIGENETICS: definition and meaning.
  • Examples of combinatorial control in the development of Drosophila body plan; Feedback Circuits - circadian clocks
  • DNA Methylation and histones modifications during development.
  • Epigenetic modifications, transcription and cancer
  • Methylation and genomic imprinting (Chapter 7, p 489-491)

2. Techniques to study transcriptional regulation:

  • Reporter assays
  • EMSA assays
  • Chromatin immunoprecipitation (ChIP)

3. Mechanisms of post-transcriptional regulation:

  • Coordination between transcription, RNA maturation and transport: the gene expression factory
  • RNA interference and microRNAs: physiological and pathological functions
  • Other-coding RNAs. The long non-coding RNAs.

4. Analysis of gene structure

  • Nucleic acid hybridization
  • Restriction enzymes and DNA ligases
  • Synthetic oligonucleotides
  • Polymarase Chain Reaction
  • Production of labeled probes
  • DNA analysis by Southern blotting
  • DNA and genomic sequencing
  • DNA polymorphisms

5. Gene cloning

  • Cloning of DNA fragments in plasmid and phage vectors
  • Construction of genomic and cDNA libraries
  • Screening of DNA libraries by hybridization
  • Reconstruction of full length transcripts
  • The Human Genome Project and the other genomes

6. Analysis of gene expression

  • Northern and western blotting
  • Reverse-transcription- (RT)-PCR
  • Real time PCR
  • In-situ hybridization
  • Microarrays

 7. Production of recombinant proteins

  • Prokaryotic expression systems
  • Yeasts expression systems
  • Protein expression in insect cells by Baculoviral vectors
  • Expression in mammalian cells: viral and non viral vectors
  • Transgenic animal and plants
  • Conditional expression systems
  • The yeast two hybrid system

 8. Molecular basis of the evolution

 9. General strategies for studying gene function

 Bioinformatics

  1.  Sequence alignement: classification, scoring systems, exact and heuristic algorithms
  2. Reconstruction of phylogenetic trees: rooted and unrooted binary trees, distance-based methods (UPGMA and neighbor joining), parsimony-based methods
  3. Alogorithms for progressive multiple alignment
  4. Positional Weight Matrices and analysis of transcription factor binding sites
  5. Gene expression analysis: class comparison
  6. Gene expression analysis: class discovery
  7. Ontologies and functional annotation of the genome  

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

  • Amaldi, Biologia Molecolare, seconda edizione, Zanichelli
  • Alberts, Biologia Molecolare della callula, quinta 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)


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Ultimo aggiornamento: 06/07/2017 23:22
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