Molecular biology and bioinformatics
A.A. 2024/2025
Obiettivi formativi
L'insegnamento si propone di fornire agli studenti solide conoscenze di base di Biologia molecolare e Bioinformatica, con particolare riferimento ai processi di replicazione del DNA, trascrizione e traduzione sia in procarioti che eucarioti, e ad esempi di regolazione della trascrizione, traduzione e della funzione delle proteine, esecutrici finali del programma genetico di una cellula. Inoltre, obiettivo dell'insegnamento è fornire i principi delle metodologie di base di Biologia Molecolare e dell'uso di software bioinformatici di analisi di sequenze e di interrogazione di banche dati di sequenze, strumenti di fondamentale importanza nell'era del sequenziamento dei genomi e delle analisi post-genomiche.
Risultati apprendimento attesi
Al termine del corso, lo studente acquisirà:
- solide conoscenze di base di biologia molecolare;
- competenze nelle principali metodologie biomolecolari
Inoltre, lo studente acquisirà le conoscenze bioinformatiche di base necessarie per:
- interpretare i dati biologici associati alla notevole mole di biosequenze immagazzinate nelle banche dati biologiche;
- consultare banche dati di acidi nucleici e interi genomi con strumenti bioinformatici costantemente aggiornati;
- adoperare ed interpretare correttamente i risultati di programmi di ricerca di similarità locale e globale.
- solide conoscenze di base di biologia molecolare;
- competenze nelle principali metodologie biomolecolari
Inoltre, lo studente acquisirà le conoscenze bioinformatiche di base necessarie per:
- interpretare i dati biologici associati alla notevole mole di biosequenze immagazzinate nelle banche dati biologiche;
- consultare banche dati di acidi nucleici e interi genomi con strumenti bioinformatici costantemente aggiornati;
- adoperare ed interpretare correttamente i risultati di programmi di ricerca di similarità locale e globale.
Periodo: Secondo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
Unità di Biologia Molecolare
- Introduzione alla Biologia Molecolare
Cos'è
Origine
Esperimenti storici
- Struttura e proprietà delle molecole biologiche
DNA
RNA
Proteine
Carboidrati
Lipidi
Legami chimici
Interazioni molecolari
La struttura del DNA: scoperta, fondamenti e proprietà
- La topologia del DNA
Concetti
Impatto biologico
Struttura e funzione delle topoisomerasi
- Il Genoma
Confronto per dimensioni, organizzazione e densità genica fra i principali genomi sequenziati di procarioti e eucarioti.
Il cromosoma
Organizzazione primaria, secondaria e di ordine superiore della cromatina. Il nucleosoma: composizione e struttura. Il rimodellamento dei nucleosomi e le modificazioni degli istoni.
- La replicazione del DNA in procarioti ed eucarioti
Concetti di base ed esperimenti storici
I mutanti difettivi nella replicazione del DNA
Proteine coinvolte nella replicazione
Origini di replicazione
Meccanismi molecolari della replicazione del DNA: inizio, allungamento, terminazione
Regolazione della replicazione
- Il cromosoma eucariotico: struttura ed elementi funzionali
- Il ciclo cellulare: concetti base
- La segregazione dei cromosomi: concetti base
Mitosi e meiosi
- Trascrizione
Concetti di base
I meccanismi molecolari della trascrizione in procarioti: inizio, allungamento e terminazione.
l'RNA polimerasi batterica.
I promotori e la loro struttura.
I fattori sigma.
La terminazione della trascrizione.
I meccanismi molecolari della trascrizione in eucarioti
RNA polimerasi I, II e III.
Il meccanismo trascrizionale operato dalla RNA polimerasi II: inizio, allungamento e terminazione
La struttura di un promotore eucariotico.
L'apparato trascrizionale basale.
Regolazione della trascrizione
Esempi procariotici
La regolazione del ciclo litico/lisogenico del fago lambda
Esempi eucariotici
Epigenetica
Gli attivatori trascrizionali eucariotici: struttura modulare e funzione
Silenziamento genico
- Processamento del RNA
Modificazioni del RNA
Meccanismi molecolari di maturazione dei pre-mRNA
capping
splicing
poliadenilazione.
Degradazione del RNA
- La sintesi proteica
Concetti di base
Il codice genetico
Caratteristiche dei ribosomi.
Caratteristiche dei tRNA.
Le aminoacil tRNA sintetasi.
Meccanismi di inizio della sintesi proteica in procarioti ed eucarioti.
Il processo di allungamento durante la sintesi proteica
La terminazione della sintesi proteica e il riciclaggio dei ribosomi
Controllo di qualità
La regolazione della traduzione
- Gli RNA regolativi
I piccoli RNA nei batteri
I piccoli RNA negli eucarioti (siRNA, miRNA, rasiRNA): origine e funzione
I lncRNA
- Le modificazioni postraduzionali delle proteine
Chaperones e folding
Modificazioni con lipidi
Modificazioni con carboidrati
Fosforilazione, acetilazione, metilazione
Ubiquitinazione e SUMOlazione
Degradazione delle proteine
- La risposta cellulare ai danni al DNA
Concetti generali
Tipi di danni al DNA
Reversione del danno
Base Excision Repair
Nucleotide Excision Repair
Reverse transcriptase PCR
Riparazione delle rotture a doppio filamento
Sintesi di DNA translesione
Brevi accenni sui meccanismi di checkpoint
- Elementi mobili nel genoma
- Metodologie di Biologia molecolare
Analisi di macromolecole: elettroforesi in gel di agarosio, elettroforesi denaturante in gel di poliacrilamide, analisi di macromolecole mediante centrifugazione su gradiente
Sistemi modello in Biologia Molecolare
Colture cellulari
Estrazione del DNA da cellule batteriche
Enzimi di restrizione.
Principi di clonaggio.
Vettori di clonaggio.
Costruzione di una molecola di DNA ricombinante.
Trasformazione cellulare
Librerie genomiche e di cDNA.
Isolamento mRNA poliadenilati e preparazione di cDNA.
Ibridazione di Southern
Approcci immunologici
La PCR
Modificazioni dei geni: sostituzione genica, gene tagging, mutagenesi, genome editing
Misurazione dell'espressione genica: Northern Blot, reverse transcriptase PCR e PCR quantitativa.
Studio delle interazioni proteina-proteina: doppio ibrido e approcci biochimici
Studio delle interazioni proteina-DNA
Unità di Bioinformatica
- Prospettiva storica e lo scopo della bioinformatica
- Approcci sperimentali e computazionale per sequenziamento di geni e genomi
- Introduzione a sequenze di riferimento, coordinati genomici e convenzioni associati.
- Annotazione strutturali e funzionali di geni, il gene ontology
- Splicing e splicing alternativi di trascritti eucariotici
- Omologia, similarità ed allineamento
- BLAST, allineamento locale vs globale
- Practical session, BLAST e Genbank
- Practical session, Genome Browsers
- Practical session, filogenesi
- Analisi della trascrizione su scala larga
- Metodi per studiare la regolazione di trascrizione sulscala larga
- Rappresentazione di dati su scala larga, Heatmaps e approcci statistici di base
- Introduzione alla Biologia Molecolare
Cos'è
Origine
Esperimenti storici
- Struttura e proprietà delle molecole biologiche
DNA
RNA
Proteine
Carboidrati
Lipidi
Legami chimici
Interazioni molecolari
La struttura del DNA: scoperta, fondamenti e proprietà
- La topologia del DNA
Concetti
Impatto biologico
Struttura e funzione delle topoisomerasi
- Il Genoma
Confronto per dimensioni, organizzazione e densità genica fra i principali genomi sequenziati di procarioti e eucarioti.
Il cromosoma
Organizzazione primaria, secondaria e di ordine superiore della cromatina. Il nucleosoma: composizione e struttura. Il rimodellamento dei nucleosomi e le modificazioni degli istoni.
- La replicazione del DNA in procarioti ed eucarioti
Concetti di base ed esperimenti storici
I mutanti difettivi nella replicazione del DNA
Proteine coinvolte nella replicazione
Origini di replicazione
Meccanismi molecolari della replicazione del DNA: inizio, allungamento, terminazione
Regolazione della replicazione
- Il cromosoma eucariotico: struttura ed elementi funzionali
- Il ciclo cellulare: concetti base
- La segregazione dei cromosomi: concetti base
Mitosi e meiosi
- Trascrizione
Concetti di base
I meccanismi molecolari della trascrizione in procarioti: inizio, allungamento e terminazione.
l'RNA polimerasi batterica.
I promotori e la loro struttura.
I fattori sigma.
La terminazione della trascrizione.
I meccanismi molecolari della trascrizione in eucarioti
RNA polimerasi I, II e III.
Il meccanismo trascrizionale operato dalla RNA polimerasi II: inizio, allungamento e terminazione
La struttura di un promotore eucariotico.
L'apparato trascrizionale basale.
Regolazione della trascrizione
Esempi procariotici
La regolazione del ciclo litico/lisogenico del fago lambda
Esempi eucariotici
Epigenetica
Gli attivatori trascrizionali eucariotici: struttura modulare e funzione
Silenziamento genico
- Processamento del RNA
Modificazioni del RNA
Meccanismi molecolari di maturazione dei pre-mRNA
capping
splicing
poliadenilazione.
Degradazione del RNA
- La sintesi proteica
Concetti di base
Il codice genetico
Caratteristiche dei ribosomi.
Caratteristiche dei tRNA.
Le aminoacil tRNA sintetasi.
Meccanismi di inizio della sintesi proteica in procarioti ed eucarioti.
Il processo di allungamento durante la sintesi proteica
La terminazione della sintesi proteica e il riciclaggio dei ribosomi
Controllo di qualità
La regolazione della traduzione
- Gli RNA regolativi
I piccoli RNA nei batteri
I piccoli RNA negli eucarioti (siRNA, miRNA, rasiRNA): origine e funzione
I lncRNA
- Le modificazioni postraduzionali delle proteine
Chaperones e folding
Modificazioni con lipidi
Modificazioni con carboidrati
Fosforilazione, acetilazione, metilazione
Ubiquitinazione e SUMOlazione
Degradazione delle proteine
- La risposta cellulare ai danni al DNA
Concetti generali
Tipi di danni al DNA
Reversione del danno
Base Excision Repair
Nucleotide Excision Repair
Reverse transcriptase PCR
Riparazione delle rotture a doppio filamento
Sintesi di DNA translesione
Brevi accenni sui meccanismi di checkpoint
- Elementi mobili nel genoma
- Metodologie di Biologia molecolare
Analisi di macromolecole: elettroforesi in gel di agarosio, elettroforesi denaturante in gel di poliacrilamide, analisi di macromolecole mediante centrifugazione su gradiente
Sistemi modello in Biologia Molecolare
Colture cellulari
Estrazione del DNA da cellule batteriche
Enzimi di restrizione.
Principi di clonaggio.
Vettori di clonaggio.
Costruzione di una molecola di DNA ricombinante.
Trasformazione cellulare
Librerie genomiche e di cDNA.
Isolamento mRNA poliadenilati e preparazione di cDNA.
Ibridazione di Southern
Approcci immunologici
La PCR
Modificazioni dei geni: sostituzione genica, gene tagging, mutagenesi, genome editing
Misurazione dell'espressione genica: Northern Blot, reverse transcriptase PCR e PCR quantitativa.
Studio delle interazioni proteina-proteina: doppio ibrido e approcci biochimici
Studio delle interazioni proteina-DNA
Unità di Bioinformatica
- Prospettiva storica e lo scopo della bioinformatica
- Approcci sperimentali e computazionale per sequenziamento di geni e genomi
- Introduzione a sequenze di riferimento, coordinati genomici e convenzioni associati.
- Annotazione strutturali e funzionali di geni, il gene ontology
- Splicing e splicing alternativi di trascritti eucariotici
- Omologia, similarità ed allineamento
- BLAST, allineamento locale vs globale
- Practical session, BLAST e Genbank
- Practical session, Genome Browsers
- Practical session, filogenesi
- Analisi della trascrizione su scala larga
- Metodi per studiare la regolazione di trascrizione sulscala larga
- Rappresentazione di dati su scala larga, Heatmaps e approcci statistici di base
Prerequisiti
Lo studente deve possedere concetti base di genetica e biochimica
Metodi didattici
Modalità di erogazione del corso basata su lezioni frontali interattive supportate da materiale proiettato.
Lo studente sarà coinvolto a partecipare attivamente alla discussione per migliorare le proprie capacità critiche, rielaborando i concetti acquisiti e comunicando i concetti in maniera appropriata. L'Unità di Bioinformatica prevede inoltre sessioni pratiche in aula calcolo.
Lo studente sarà coinvolto a partecipare attivamente alla discussione per migliorare le proprie capacità critiche, rielaborando i concetti acquisiti e comunicando i concetti in maniera appropriata. L'Unità di Bioinformatica prevede inoltre sessioni pratiche in aula calcolo.
Materiale di riferimento
Craig N.L., Cohen-Fix O., Green R., Greider C.W., Storz G., Wolberger C. Molecular Biology principles of genome function. 3rd edition Oxford University Press.
Articoli e materiali forniti dal docente sul sito web ARIEL dedicato.
Articoli e materiali forniti dal docente sul sito web ARIEL dedicato.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
La verifica della preparazione degli studenti è prevista per ciascuna delle due unità.
Per la parte di Biologia Molecolare la prova consiste in due compiti parziali scritti, ciascuno dei quali è diviso in due parti. La prima parte è composta da 10 domande a risposta multipla. Il superamento della prima parte consentirà l'accesso alla seconda parte di 2 domande aperte. Chi non sostiene o non passa il primo parziale, dovrà sostenere l'esame completo su tutto il programma, dopo il termine del corso.
Per la parte di Bioinformatica l'esame consiste in una prova scritta strutturata in una parte con 20 domande a risposta multipla e una parte con 4 domande a risposta aperta che avranno un ugual peso (50%) ai fini della valutazione complessiva dell'esame.
La durata totale delle prove per ciascuna unità sarà di 1h 15 min.
Per la parte di Biologia Molecolare la prova consiste in due compiti parziali scritti, ciascuno dei quali è diviso in due parti. La prima parte è composta da 10 domande a risposta multipla. Il superamento della prima parte consentirà l'accesso alla seconda parte di 2 domande aperte. Chi non sostiene o non passa il primo parziale, dovrà sostenere l'esame completo su tutto il programma, dopo il termine del corso.
Per la parte di Bioinformatica l'esame consiste in una prova scritta strutturata in una parte con 20 domande a risposta multipla e una parte con 4 domande a risposta aperta che avranno un ugual peso (50%) ai fini della valutazione complessiva dell'esame.
La durata totale delle prove per ciascuna unità sarà di 1h 15 min.
BIO/11 - BIOLOGIA MOLECOLARE - CFU: 12
Lezioni: 96 ore
Docenti:
Horner David Stephen, Muzi Falconi Marco
Docente/i
Ricevimento:
Giovedi 14.00 - 17.00
Via Celoria 26, Torre B, Piano 2
Ricevimento:
da concordare con il docente