BIOLOGIA MOLECOLARE

Anno accademico e docente
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English course description
Anno accademico
2018/2019
Docente
MIRKO PINOTTI
Crediti formativi
9
Periodo didattico
Primo Semestre
SSD
BIO/11

Obiettivi formativi

La biologia molecolare è una disciplina che appartiene alle scienze della vita che studia gli esseri viventi a livello dei meccanismi molecolari alla base della loro fisiologia, concentrandosi sulle interazioni tra le macromolecole, con particolare attenzione a quelle tra proteine ed acidi nucleici (DNA e RNA). I meccanismi che sottendono la fine regolazione del flusso dell’informazione genetica rappresentano uno dei punti più salienti.
L’obiettivo principale del corso consiste nel fornire agli studenti le basi per affrontare lo studio e la comprensione dei meccanismi alla base del controllo dell’espressione genica che agiscono ai diversi livelli, trascrizionale, post-trascrizionale, traduzionale e post-traduzionale. Lo studente è guidato lungo il percorso, perché arrivi alla comprensione della logica molecolare. Le attività di laboratorio avranno il compito di far comprendere agli studenti come le conoscenze di base possono essere utilizzate per investigare gli acidi nucleici e le loro caratteristiche, e come il DNA possa essere manipolato a scopi biotecnologici.
L’obiettivo principale del corso consiste nel fornire agli studenti le basi per affrontare lo studio e la comprensione dei complessi meccanismi molecolari responsabili della struttura, replicazione ed espressione del genoma.

Lo studente è guidato lungo il percorso, perché arrivi alla comprensione della relazione tra la struttura e la funzione delle macromolecole, e delle strategie di regolazione delle loro funzioni nell’ambito del flusso dell’informazione genica. Le attività di laboratorio avranno il compito di far comprendere agli studenti come le conoscenze di base possono essere utilizzate per l’analisi del DNA aprendo scenari sulle tecnologie ricombinanti.

Conoscenza e comprensione
Lo studente:
- Conosce correttamente la terminologia di biologia molecolare;
- Conosce le basi molecolari dei sistemi e dei processi biologici;
- Conosce i meccanismi ed i diversi livelli di controllo dell’espressione genica, e la loro integrazione;
-Conosce le tecniche di base per lo studio degli acidi nucleici

Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente:
- sa utilizzare correttamente la terminologia di biologia molecolare;
- sa valutare il possibile impatto di mutazioni geniche sui diversi processi che regolano l’espressione genica;
- sa orientarsi nella comprensione e nel disegno di approcci di modulazione dell’espressione genica a scopo terapeutico o biotecnologico;
- è in grado di utilizzare le conoscenze sulle tecniche per lo studio degli acidi nucleici per disegnare un esperimento in ricerca.

Prerequisiti

Sebbene non ci siano propedeuticità, lo studente deve avere le conoscenze di base delle scienze esatte (fisica, chimica e matematica), ed una buona conoscenza della biologia cellulare e della biochimica, con particolare attenzione a quella animale, con proprietà di linguaggio e padronanza scientifica.

Contenuti del corso

NELLA PRIMA PARTE (10 ore) lo studente apprenderà la struttura degli acidi nucleici e della cromatina. Nel dettaglio:
Struttura e topologia del DNA: caratteristiche chimico-fisiche del DNA, forme B, A e Z, topoisomeri e Topoisomerasi.
La struttura dell’RNA: funzione e conformazioni.
Struttura del Genoma: I nucleosomi e la cromatina. Rimodellamento della cromatina, modifiche delle code istoniche e significato funzionale.
NELLA SECONDA PARTE (20 ore) lo studente apprenderà i meccanismi della replicazione del DNA e di riparazione, inclusa la ricombinazione. Nel dettaglio:
Replicazione del DNA: La DNA polimerasi Procariotiche ed Eucariotiche e Componenti della forca replicativa; modello a trombone e replisoma. Inizio e regolazione della replicazione nei procarioti e negli eucarioti: iniziatori e replicatori. Terminazione della replicazione. Telomerasi.
La PCR. DNA ricombinante: vettori plasmidici e clonaggio.
Mutabilità e riparazione del DNA: riparazione dei mismatch. Danni al DNA. Riparazione diretta, escissione di basi, glicosilasi. Double strand break, non-homologous end-joining, DNA polimerasi translesione.
Ricombinazione omologa. Giunzione di Hollyday e sua risoluzione. Apparati proteici procariotici ed eucariotici.
Ricombinazione conservativa sito-specifica: struttura, recombinasi (sistema Cre loxP).
NELLA TERZA PARTE (20 ore) lo studente apprenderà i meccanismi della trascrizione ed le modificazioni post-trascrizionali, ed alla loro modulazione anche a scopo biotecnologico. Nel dettaglio:
Trascrizione nei procarioti: RNA polimerasi. Sigma 70, Sequenze consenso nel promotore: riconoscimento ed apertura. Allungamento ed Editing. Terminazione.
Trascrizione negli Eucarioti: RNA polimerasi I, II e III e promotori. Trascrizione della RNA pol II, Coda CTD e sua modificazione, Fattori generali di trascrizione, Complesso mediatore. Cap- 7MG, e Poliadenilazione PAP.
Splicing: Chimica della reazione di splicing. Splicing alternativo e trans-splicing. Lo spliceosoma ed il meccanismo. Ruolo di ESE, ESS, ISS, ISE. Esoni self-splicing di tipo I e II. Editing dell’mRNA.
Regolazione trascrizionale nei procarioti: attivatori, repressori ed operoni. Regolazione dell’inizio della trascrizione: operone dei geni Lac. Sigma alternative. Operone per il triptofano.
Regolazione trascrizionale negli eucarioti. Attivatori: domini di legame al DNA e Domini attivatori.
Two hybrid system. Fattori di trascrizione e modificatori della cromatina. Loop, LCR ed isolatori. Integrazione del segnale e controllo combinatorio. Metilazione del DNA ed imprinting.
Analisi dell’RNA, RT-PCR. Geni reporters per lo studio dei promotori. I piccoli RNA regolatori.
NELLA QUARTA PARTE (14 ore) lo studente apprenderà i meccanismi sottesi alla sintesi proteica ed al loro controllo, con cenni sul trafficking delle proteine e sulle modificazioni post-traduzionali.. Nel dettaglio:
La traduzione: codoni d’inizio nei procarioti/eucarioti e loro riconoscimento. Struttura dei tRNA. Le Amminoacil-tRNA sintetasi, attività e determinanti di specificità. I ribosomi. Ciclo ribosomiale.
Inizio della traduzione in procarioti ed eucarioti. Fase di allungamento e terminazione della traduzione. Regolazione della traduzione in procarioti ed eucarioti. Nonsense e nonstop mediated decay.Cenni sul trafficking delle proteine e sulle modificazioni post-traduzionali.
Attività di Laboratorio: PCR, elettroforesi e clonaggio. Lo studente verrà guidato nel disegno di esperimenti e nella interpretazione dei dati.

Metodi didattici

Il corso è strutturato in lezioni teoriche frontali e esercitazioni guidate nel laboratorio di biologia molecolare. In particolare sono previste 76 ore complessive di didattica (9 CFU) di cui 64 ore di lezione e 12 ore di esercitazioni. Le lezioni si svolgono settimanalmente in aula e l’esposizione avviene mediante l’utilizzo di diapositive su power-point e, per la miglior comprensione delle reazioni, anche della lavagna classica. Programmi informatici di modellistica molecolare e video sono utilizzati per spiegare la struttura delle molecole e le loro interazioni. Le ultime 4 ore del Corso sono dedicate al ripasso degli argomenti principali del programma.
Per i laboratori gli studenti vengono divisi in gruppi.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L’obiettivo della prova d’esame è verificare il raggiungimento da parte dello studente degli obiettivi formativi sopra indicati. L’esame è un test scritto composto di 31 domande a risposta chiusa e scelta multipla.
Per superare l’esame (voto 18/30) è necessario rispondere correttamente almeno a 18 quesiti. Rispondendo correttamente a 31 quesiti si otterrà la votazione di 30/30 e lode
La durata dell'intera prova sarà di 45 minuti massimo, maggiorata per gli studenti con Disturbo Specifico di Apprendimento.

Testi di riferimento

Schemi e figure forniti dal docente.

A scelta uno dei seguenti testi:

"Biologia molecolare del gene" di Watson et al, Zanichelli

"Biologia Molecolare" di Cox, Doudna e O’Donnell, Zanichelli