Obiettivi formativi
Gli obiettivi del corso sono conoscere:
- le caratteristiche strutturali e funzionali del genoma umano e le vie coinvolte nel suo mantenimento ed espressione
- le conoscenze di base della genetica umana, approfondendo anche la genetica mitocondriale: i modelli di trasmissione ereditaria e gli aplogruppi umani, e le conseguenze delle mutazioni nel genoma sulla salute umana
- i progressi della ricerca nell'editing del DNA, la relazione tra la componente genetica del paziente e la risposta ai farmaci e lo sviluppo di potenziali approcci terapeutici
- le principali applicazioni dell'analisi del DNA nel campo forense
- i principali modelli sperimentali utilizzati nella ricerca biomedica
- gli strumenti genetici disponibili per l'analisi funzionale dei geni nei diversi organismi modello
Il corso si propone di:
- comprendere come l'integrazione dei diversi modelli sperimentali in vivo e in vitro fornisca risposte specifiche ai diversi problemi biologici.
- acquisire la capacità di sviluppare e applicare strategie sperimentali per la risoluzione di problemi di genetica e biotecnologie cellulari.
Contenuti dell'insegnamento
Il corso si divide in due sezioni che approfondiscono la genetica molecolare umana e di organismi modello del genoma mitocondriale e del genoma nucleare.
SEZIONE 1 (in lingua inglese)
Parte 1: IL GENOMA MITOCONDRIALE
- Introduzione ai mitocondri
- Il DNA mitocondriale
- Replicazione e riparazione del DNA mitocondriale
- Espressione del DNA mitocondriale
Parte 2: LA GENETICA MITOCONDRIALE
- Eredità materna del genoma mitocondriale, segregazione della linea germinale e eteroplasmia
- Aplotipi del genoma mitocondriale e evoluzione umana
- Disturbi primari dei mitocondri
- Mutazioni del DNA mitocondriale nel cancro e nell'invecchiamento
Parte 3: APPROCCI SPERIMENTALI E SVILUPPO DI TERAPIE
- Sistemi modello per lo studio dei mitocondri
- Il sistema modello del lievito
- Editing del genoma mitocondriale
- Sviluppo di potenziali approcci terapeutici per la disfunzione mitocondriale
SEZIONE 2 (in lingua italiana)
Parte 1: GENETICA MOLECOLARE UMANA
- Il genoma umano, il cariotipo umano
- Mutazioni genomiche e cromosomiche e malattie
- Altre fonti di variabilità: le varianti genetiche
- Patologia molecolare e identificazione di geni malattia
- Malattie monogeniche e modelli di trasmissione ereditaria
- Geni e cancro: oncogeni e oncosoppressori
- Le varianti genetiche nella genetica forense e nella farmacogenetica
Parte 2: ESERCITAZIONI DI LABORATORIO
Analisi di varianti genetiche
Parte 3: GENETICA MOLECOLARE DI SISTEMI MODELLO IN VIVO E IN VITRO PER LA RICERCA BIOMEDICA E BIOTECNOLOGICA
- Il genome editing negli organismi modello
- Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, Danio rerio, Mus musculus
- Drug discovery
- Colture cellulari, iPSCs (Induced pluripotent stem cells)
Programma esteso
SEZIONE 1 (in lingua inglese)
Parte 1: IL GENOMA MITOCONDRIALE
- Introduzione ai mitocondri: struttura, funzione e metabolismo mitocondriale.
- Il DNA mitocondriale: sequenza e struttura del DNA mitocondriale, organizzazione in nucleoidi.
- Replicazione e riparazione del DNA mitocondriale: DNA polimerasi mitocondriali, modelli di replicazione del DNA mitocondriale, mutazioni, riparazione e controllo di qualità del DNA mitocondriale.
- Espressione del DNA mitocondriale: trascrizione, maturazione dell’RNA and traduzione mitocondriale. Regolazione dell’espressione genica.
Parte 2: LA GENETICA MITOCONDRIALE
- Eredità materna del genoma mitocondriale, segregazione della linea germinale e eteroplasmia: controllo del numero di copie del DNA mitocondriale, meccanismi di controllo dell’eridarietà mitocondriale. Omoplasmia vs eteroplasmia.
- Aplotipi del genoma mitocondriale ed evoluzione umana: definizione di aplogruppo, aplogruppi, ambiente e malattie umane, l’Eva mitocondriale, interazioni funzionali del DNA mitocondriale e nucleare
- Disturbi primari dei mitocondri: definizione, caratteristiche cliniche e molecolari, trasmissione, disfunzioni mitocondriali primarie e secondarie.
- Mutazioni del DNA mitocondriale nel cancro e nell'invecchiamento: ruolo del mitocondrio nello sviluppo di tumori, metabolismo e mutazioni mitocondriali in diversi tipi di tumore, teoria “mitohormesis” dell’invecchiamento.
Parte 3: APPROCCI SPERIMENTALI E SVILUPPO DI TERAPIE
- Sistemi modello per lo studio dei mitocondri: vantaggi e svantaggi dei comuni modelli di studio del mitocondrio.
- Il sistema modello del lievito: genetica e matabolsimo del lievito, isolamento e studio di mutanti respiratorio deficienti, manipolazione del DNA mitocondriale.
- Editing del genoma mitocondriale: tecniche per la manipolazione del DNA mitocondriale in mammiferi (Zn-finger, TALENs, mitoARCUS, deaminasi).
- Sviluppo di potenziali approcci terapeutici per la disfunzione mitocondriale: terapia genica, espressione allotopica di geni mitocondriali, modulazione dell’eteroplasmia, trapianto di mitocondri.
SEZIONE 2 (in lingua italiana)
Parte 1: GENETICA MOLECOLARE UMANA
- Genoma umano: struttura e sequenza del genoma nucleare, nozioni fondamentali su cellule e cromosomi, cariotipo umano.
- Mutazioni genomiche e cromosomiche e malattie: variazioni del numero di cromosomi, alterazioni strutturali dei cromosomi e loro conseguenze.
- Altre fonti di variabilità: variazioni genetiche.
- Patologia molecolare: tipi di alleli mutati, dominanza e recessività dal punto di vista molecolare. Identificazione di geni malattia. Genetica dei tratti multifattoriali.
- Malattie monogeniche e modelli di trasmissione ereditaria: eredità autosomica recessiva, autosomica dominante, X-linked recessiva, X-linked dominante, Y-linked, mitocondriale, complicazioni nell’eredità mendeliana.
- Le variazioni genetiche nella genetica forense e nella farmacogenetica. Genetica forense: Marcatori genetici utilizzati nelle scienze forensi. Determinazione del sesso, origine della specie, profilo individuale. Test di paternità, maternità, familiarità. Interpretazione dei risultati: considerazioni statistiche. Farmacogenetica: Geni coinvolti nella farmacocinetica e farmacodinamica; polimorfismi nei geni che influenzano la disponibilità dei farmaci, polimorfismi nei geni degli enzimi di fase I, di fase II, dei trasportatori e dei recettori. Le applicazioni alla clinica, limitazioni e prospettive.
- Geni e cancro: oncogeni e geni oncosoppressori: funzione, tipo di mutazione, meccanismo di attivazione.
Parte 2: ESERCITAZIONI DI LABORATORIO
Estrazione del DNA genomico, discriminazione delle distribuzioni genotipiche e delle varianti alleliche mediante PCR, digestione con enzimi di restrizione ed elettroforesi su gel di agarosio.
Parte 3: GENETICA MOLECOLARE DI SISTEMI MODELLO IN VIVO E IN VITRO PER LA RICERCA BIOMEDICA E BIOTECNOLOGICA
- Il genome editing negli organismi modello: CRISPRCas9.
- Caenorhabditis elegans: Tecniche di genetica. Analisi funzionale mediante RNAi. Applicazione di “genome-wide screens” nello studio di patologie umane.
- Drosophila melanogaster: Tecniche genetiche. Metodi basati sull’uso degli elementi trasponibili. Ruolo di Drosophila nella drug discovery e come modello nello studio di patologie umane.
- Danio rerio, Zebrafish: Ciclo vitale. Produzione di linee aploidi omozigoti. Silenziamento dell'espressione genica mediante morfolino. Inattivazione genica mediante Zn finger nucleasi, tecnica TALEN e tecnica CRISPR. Zebrafish come modello per lo studio delle patolgie umane.
- Mus musculus: Transgenesi. Inattivazione genica (knock-out). Inserimento genico (knock-in).
- Drug Discovery negli organismi modello.
- Colture cellulari: le colture primarie, le linee stabilizzate, le cellule immortalizzate, iPSCs (Induced pluripotent stem cells).
Bibliografia
- Philip Meneely, Analisi Genetica Avanzata
ED. McGraw-Hill
- T. Strachan, A.P.Read, Genetica molecolare umana, Zanichelli
- Mitochondria I. E. Scheffler. Wiley
- The Human Mitochondrial Genome, G. Gasparre, AM. Porcelli, Elsevier
- Ricci, Previderè, Fattorini, Corradi
-La prova del DNA per la ricerca della verità, Giuffrè Ed
- Articoli originali consigliati
Metodi didattici
Le lezioni combineranno lezioni frontali tradizionali, in cui gli argomenti saranno presentati dal docente, con analisi dei dati e discussione della recente letteratura scientifica rilevante, in cui gli studenti saranno invitati a partecipare attivamente. Agli studenti sarà richiesto di leggere articoli scientifici, che saranno discussi durante la lezione. Tutte le attività nella prima sezione del corso saranno condotte in lingua inglese.
La seconda sezione del corso prevede attività di laboratorio.
Il materiale didattico utilizzato nelle lezioni ed eventuali altre risorse didattiche ritenute utili per la preparazione saranno fornite allo studente attraverso la piattaforma Elly. Per accedere a queste risorse online è necessaria l'iscrizione al corso.
Modalità verifica apprendimento
Le conoscenze acquisite verranno verificate con un’unica prova scritta al termine delle 2 sezioni, che comprenderà: un test a scelta multipla relativamente agli argomenti trattati nella sezione 1 e una prova scritta in cui lo studente dovrà rispondere a due domande a risposta aperta relative agli argomenti trattati nella sezione 2. La prova scritta avrà durata 2.30 ore.
In tale prova sarà valutata la conoscenza e la comprensione dei diversi argomenti presentati e la capacità di comunicare in modo chiaro e con proprietà di linguaggio idee e concetti.
