Biologia molecolare e bioinformatica
A.A. 2018/2019
Obiettivi formativi
Fornire delle solide basi di Biologia molecolare e di Bioinformatica che permettano agli studenti di affrontare, durante gli studi successivi, i continui sviluppi di una disciplina in rapida espansione. A fianco della trattazione dei processi di replicazione del DNA, trascrizione e traduzione sia in procarioti che eucarioti, una parte finale del corso verrà dedicata ad esempi di regolazione della trascrizione, traduzione e della funzione delle proteine, esecutrici finali del programma genetico di una cellula.
Inoltre, obiettivo del corso è familiarizzare con i principi di alcune metodologie di base di Biologia Molecolare e con l'uso di software 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. Alla parte di biologia molecolare (9 CFU) quindi si affianca una dedicata alla Bioinformatica (3 CFU) che si prefigge di fornire allo studente le conoscenze bioinformatiche di base necessarie per: interpretare i dati biologici associati alle notevole mole di biosequenze attualmente immagazzinate nelle banche dati biologiche; consultare banche dati di biosequenze con strumenti adeguati; adoperare ed interpretare correttamente i risultati di programmi di ricerca di similarità locale e globale.
Inoltre, obiettivo del corso è familiarizzare con i principi di alcune metodologie di base di Biologia Molecolare e con l'uso di software 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. Alla parte di biologia molecolare (9 CFU) quindi si affianca una dedicata alla Bioinformatica (3 CFU) che si prefigge di fornire allo studente le conoscenze bioinformatiche di base necessarie per: interpretare i dati biologici associati alle notevole mole di biosequenze attualmente immagazzinate nelle banche dati biologiche; consultare banche dati di biosequenze con strumenti adeguati; adoperare ed interpretare correttamente i risultati di programmi di ricerca di similarità locale e globale.
Risultati apprendimento attesi
Non definiti
Periodo: Secondo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento non può essere seguito come corso singolo. Puoi trovare gli insegnamenti disponibili consultando il catalogo corsi singoli.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Programma
Struttura e proprietà chimico-fisiche del DNA: Analisi della composizione, struttura e delle proprietà chimico-fisiche del DNA. Topologia del DNA. Struttura e proprietà chimico-fisiche dell'RNA. Gli RNA: analisi della composizione, struttura e delle proprietà chimico-fisiche. Le varie funzioni degli RNA nella cellula.
Metodologie di Biologia molecolare Parte 1: Enzimi di restrizione. Ibridazione di Southern. Cenni ai microarray. Principi di clonaggio. Vettori di clonaggio. Costruzione di una molecola di DNA ricombinante. Costruzione di librerie genomiche.
Confronto per dimensioni, organizzazione e densità genica fra i principali genomi sequenziati di procarioti e eucarioti. 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: enzimi coinvolti nella replicazione in procarioti e eucarioti. Meccanismo della replicazione del DNA. L'inizio della replicazione: isolamento delle origine di replicazione e loro caratteristiche. Replicazione delle estremità dei cromosomi: i telomeri e le telomerasi. Modelli d'inizio delle replicazione in procarioti e eucarioti. Cenni al controllo sull'entrata in fase S. Le tecniche di sequenziamento rapido del DNA e la PCR.
Meccanismi di riparazione del DNA.
Principali meccanismi di riparazione dei danni al DNA in procarioti ed eucarioti.
Espressione genica
-I meccanismi della trascrizione in procarioti: inizio, allungamento e termine. l'RNA polimerasi batterica. I promotori e la loro struttura. I fattori sigma. La regolazione a livello trascrizionale in procarioti (l'operone Lac). La terminazione della trascrizione rho-dipendente e indipendente.
-I meccanismi della trascrizione in eucarioti: RNA polimerasi I, II e III. Il meccanismo trascrizionale operato dalla RNA polimerasi II. La struttura di un promotore eucariotico. L'apparato trascrizionale basale e gli elementi del "core" promoter. Gli attivatori trascrizionali eucariotici: struttura modulare e funzione. Tecniche di studio degli attivatori trascrizionali.
Maturazione dei pre-mRNA: capping, splicing e poliadenilazione. Meccanismo dello splicing dei pre-mRNA nucleari. Cenni sullo splicing autocatalitico, introni di gruppo I, II e III, le teorie sull'origine degli introni e sul mondo a RNA.
Il sistema di regolazione dei geni GAL di lievito.
Metodologie di Biologia molecolare parte 2: isolamento mRNA poliadenilati e preparazione di cDNA. Costruzione di librerie a cDNA. Northern Blot. Reverse Transcritase PCR.
La sintesi proteica: caratteristiche dei ribosomi. Caratteristiche dei tRNA: struttura secondaria e terziaria dei tRNA. Attivazione degli amminoacidi. Le aminoacil tRNA sintetasi. Il fenomeno del vacillamento.
Modalità d'inizio della sintesi proteica in procarioti ed eucarioti. Le tappe della sintesi proteica in procarioti. La reazione di inizio e di allungamento negli eucarioti. Ruolo delle proteine G nella sintesi proteica. Meccanismo di azione di alcuni antibiotici che inibiscono la sintesi proteica.
Livelli di regolazione dell'esprEssione genica. La regolazione della traduzione, generale o specifica in procarioti e eucarioti. La fosforilazione di eIF2 e il controllo globale della traduzione in eucarioti. Casi di regolazione traduzionale specifica: le proteine ribosomali nei batteri e la ferritina in eucarioti.
Vie di smistamento delle proteine nella cellula eucariote. Segnali di localizzazione delle proteine. Controllo sull'attività e stabilità delle proteine. Cenni alle modificazioni post-traduzionali delle proteine.
Bioinformatica:
Introduzione alla bioinformatica. Sequenziamento genomico, e "next generation sequencing". Annotazione di geni e genomi. La struttura genica: introni, esoni, promotori, splicing alternativi. La struttura degli mRNA maturi eucariotici. Database biologici primari e specializzati. Browser genomici. Definizioni di similarità di sequenza, omologia, ortologia e paralogia. Allineamenti di sequenza locali e globali. Matrici di sostituzione per allineamenti di sequenze (PAM, BLOSUM). Ricerca per similarità in banche dati di sequenze (BLAST). Allineamenti multipli di sequenza.
Metodologie di Biologia molecolare Parte 1: Enzimi di restrizione. Ibridazione di Southern. Cenni ai microarray. Principi di clonaggio. Vettori di clonaggio. Costruzione di una molecola di DNA ricombinante. Costruzione di librerie genomiche.
Confronto per dimensioni, organizzazione e densità genica fra i principali genomi sequenziati di procarioti e eucarioti. 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: enzimi coinvolti nella replicazione in procarioti e eucarioti. Meccanismo della replicazione del DNA. L'inizio della replicazione: isolamento delle origine di replicazione e loro caratteristiche. Replicazione delle estremità dei cromosomi: i telomeri e le telomerasi. Modelli d'inizio delle replicazione in procarioti e eucarioti. Cenni al controllo sull'entrata in fase S. Le tecniche di sequenziamento rapido del DNA e la PCR.
Meccanismi di riparazione del DNA.
Principali meccanismi di riparazione dei danni al DNA in procarioti ed eucarioti.
Espressione genica
-I meccanismi della trascrizione in procarioti: inizio, allungamento e termine. l'RNA polimerasi batterica. I promotori e la loro struttura. I fattori sigma. La regolazione a livello trascrizionale in procarioti (l'operone Lac). La terminazione della trascrizione rho-dipendente e indipendente.
-I meccanismi della trascrizione in eucarioti: RNA polimerasi I, II e III. Il meccanismo trascrizionale operato dalla RNA polimerasi II. La struttura di un promotore eucariotico. L'apparato trascrizionale basale e gli elementi del "core" promoter. Gli attivatori trascrizionali eucariotici: struttura modulare e funzione. Tecniche di studio degli attivatori trascrizionali.
Maturazione dei pre-mRNA: capping, splicing e poliadenilazione. Meccanismo dello splicing dei pre-mRNA nucleari. Cenni sullo splicing autocatalitico, introni di gruppo I, II e III, le teorie sull'origine degli introni e sul mondo a RNA.
Il sistema di regolazione dei geni GAL di lievito.
Metodologie di Biologia molecolare parte 2: isolamento mRNA poliadenilati e preparazione di cDNA. Costruzione di librerie a cDNA. Northern Blot. Reverse Transcritase PCR.
La sintesi proteica: caratteristiche dei ribosomi. Caratteristiche dei tRNA: struttura secondaria e terziaria dei tRNA. Attivazione degli amminoacidi. Le aminoacil tRNA sintetasi. Il fenomeno del vacillamento.
Modalità d'inizio della sintesi proteica in procarioti ed eucarioti. Le tappe della sintesi proteica in procarioti. La reazione di inizio e di allungamento negli eucarioti. Ruolo delle proteine G nella sintesi proteica. Meccanismo di azione di alcuni antibiotici che inibiscono la sintesi proteica.
Livelli di regolazione dell'esprEssione genica. La regolazione della traduzione, generale o specifica in procarioti e eucarioti. La fosforilazione di eIF2 e il controllo globale della traduzione in eucarioti. Casi di regolazione traduzionale specifica: le proteine ribosomali nei batteri e la ferritina in eucarioti.
Vie di smistamento delle proteine nella cellula eucariote. Segnali di localizzazione delle proteine. Controllo sull'attività e stabilità delle proteine. Cenni alle modificazioni post-traduzionali delle proteine.
Bioinformatica:
Introduzione alla bioinformatica. Sequenziamento genomico, e "next generation sequencing". Annotazione di geni e genomi. La struttura genica: introni, esoni, promotori, splicing alternativi. La struttura degli mRNA maturi eucariotici. Database biologici primari e specializzati. Browser genomici. Definizioni di similarità di sequenza, omologia, ortologia e paralogia. Allineamenti di sequenza locali e globali. Matrici di sostituzione per allineamenti di sequenze (PAM, BLOSUM). Ricerca per similarità in banche dati di sequenze (BLAST). Allineamenti multipli di sequenza.
Informazioni sul programma
Il corso si svolge parallelamente al corso "Molecular Biology and Bioinformatics" tenuto in inglese.
Propedeuticità
Genetica, Chimica Biologica
Prerequisiti
Nessun prerequisito
Modalità di esame:
Parte di Biologia molecolare: prima parte scritta e seconda orale oppure intero esame orale
Parte di bioinformatica: scritto con domande aperte
Modalità di esame:
Parte di Biologia molecolare: prima parte scritta e seconda orale oppure intero esame orale
Parte di bioinformatica: scritto con domande aperte
Metodi didattici
Tradizionale ma supportata dall'uso di presentazioni powerpoint, audiovisivi (filmati con commento in inglese e video di tecniche di biologia molecolare), e tutorial su Browser Genomici e Blast per la parte di Bioinformatica. La frequenza è fortemente consigliata
Materiale di riferimento
J.D.Watson, T.Baker, S.P. bell, A.Gann, M.Levine, R.Losick "Biologia molecolare del gene" Settiman eizione - libro multimediale - zZanichelli editore, S.p.A. 2015
- Pascarella S.; Paiardini A. Bioinformatica. Zanichelli Ed.
- Valle G, Helmer-Citterich M, Attimonelli M. e Pesole G. Introduzione alla Bioinformatica. Zanichelli ed. (Bologna, 2003). (fuori stampa, da reperire in Biblioteca)
- Pascarella S.; Paiardini A. Bioinformatica. Zanichelli Ed.
- Valle G, Helmer-Citterich M, Attimonelli M. e Pesole G. Introduzione alla Bioinformatica. Zanichelli ed. (Bologna, 2003). (fuori stampa, da reperire in Biblioteca)
BIO/11 - BIOLOGIA MOLECOLARE - CFU: 12
Lezioni: 96 ore
Docente/i
Ricevimento:
Venerdì 15.00-16.00 previo appuntamento
Beacon Lab, Piano 2, Torre B, Dip. Bioscienze o su MS Teams