L'obiettivo dell'insegnamento è quello di fornire allo studente gli strumenti culturali per affrontare lo studio dell'organizzazione dei genomi e dei meccanismi molecolari e cellulari alla base dell'espressione genica; verranno inoltre trattati i concetti teorici alla base delle più importanti tecniche di Biologia Molecolare e delle loro applicazioni.

The objective of the course is to provide students with the cultural tools to approach the study of the organization of genomes and molecular and cellular mechanisms underlying gene expression; during the course it will explained the theoretical concepts at the base of the most important techniques of molecular biology and their applications.

Dal DNA alle proteine. Il DNA come materiale genetico. Struttura chimica e struttura fisica del DNA. La scoperta della struttura a doppia elica. Strutture alternative del DNA (A, B, Z) e superstrutture (s. cruciformi, superavvolgimento, DNA curvo). Struttura dell'RNA. Codice genetico e sintesi proteica. Decifrazione, proprietà ed evoluzione del codice genetico. I componenti dell'apparato di traduzione: ribosomi, mRNA, tRNA e amminoacil-sintetasi. Meccanismo della traduzione nei procarioti e negli eucaroti: inizio, allungamento e terminazione. Regolazioni generali e specifiche della traduzione.

Organizzazione ed evoluzione di geni, cromosomi, e genomi. Contenuto di DNA e complessità genetica; sequenze uniche, e sequenze ripetute del DNA; regioni codificanti e non codificanti del genoma; la struttura esoni/introni dei geni; origine ed evoluzione degli introni; funzioni degli introni; organizzazione ed evoluzione delle famiglie geniche; sequenze semplici e DNA satelliti; organizzazione e struttura dei cromosomi; centromeri e telomeri; istoni, struttura dei nucleosomi e organizzazione della cromatina.

Replicazione del DNA. Replicazione semiconservativa e progressiva del DNA; repliconi, forche di replicazione ed origini; repliconi unidirezionali e bidirezionali; repliconi ed origini di replicazione dei cromosomi procariotici; repliconi ed origini dei cromosomi eucariotici; modelli topologici della replicazione del DNA; replicazione discontinua e frammenti di Okazaki; DNA polimerasi di procarioti ed eucarioti; apparato enzimatico di replicazione; controllo della replicazione; replicazione della cromatina. Trasposoni procariotici ed eucariotici. Cenni ai meccanismi di riparazione del DNA.

Trascrizione e sua regolazione. RNA polimerasi e promotori procariotici; meccanismo di trascrizione e regolazione nei procarioti; il paradigma dell'Operone Lattosio. RNA polimerasi e promotori eucariotici: Pol I, Pol II e Pol III; regolazione della trascrizione negli eucarioti. Fattori di trascrizione. Terminazione, antiterminazione ed attenuazione della trascrizione. Struttura della cromatina e trascrizione: cromatina attiva e rimodellamento della cromatina. Metilazione del DNA e trascrizione.

Processamento dell'RNA. Maturazione dei trascritti nei procarioti: la maturazione degli mRNA del fago T7, e degli rRNA e tRNA di E.coli; autotaglio dell'RNA. Maturazione dell'RNA negli eucarioti; tagli e modificazioni chimiche degli RNA ribosomali; metilazione e pseudouridilazione dell'RNA; snoRNA e snoRNP. Maturazione degli mRNA eucariotici: struttura dell' M7G-cap e della coda di poli(A), meccanismi enzimatici di "capping" e "poliadenilazione". Meccanismi di "splicing" dell'RNA: introni di tipo I e di tipo II; autosplicing; splicing nucleare e spliceosoma; splicing dei tRNA di lievito. "Editing" dell'RNA.

La tecnologia del DNA ricombinante e il clonaggio molecolare. Clonaggio molecolare;  costruzione di librerie di DNA; screening delle librerie e sonde; librerie di espressione; mappatura di restrizione; il polimorfismo di lunghezza dei frammenti  di restrizione (RFLP), sequenziamento del DNA.

Gli strumenti per l'analisi dell'espressione genica. Saggi di trasfezione transitoria e stabile; geni reporter; mutagenesi in vitro; analisi a livello della trascrizione dei geni: espressione e localizzazione dell'RNA; analisi a livello della traduzione: espressione e localizzazione delle proteine; la tecnologia antisenso; analisi delle interazioni DNA-proteina; analisi delle interazioni proteina-proteina.

Organismi geneticamente modificati: il loro uso nella ricerca di base e applicata. I topi transgenici; modelli di topi con un gene alterato; gene pharming; clonazione mediante trasferimento nucleare; i polimorfismi di singoli nucleotidi.

ENGLISH VERSION

From DNA to proteins. DNA as the genetic material. Chemical structure and physical structure of DNA. The discovery of the double helix structure. Alternative structures of DNA (A, B, Z) and superstructures (cruciform, supercoiled, curved DNA). RNA structure. Genetic code and protein synthesis. Deciphering, properties, and evolution of the genetic code. The components of the translational apparatus: ribosomes, mRNA, tRNA and aminoacyl synthetase. Mechanism of translation in prokaryotes and eukaryotes: initiation, elongation and termination. General regulations and specifications of the translation.

Organization and evolution of genes, chromosomes and genomes. DNA content and complexity of genetic sequences; unique and repeated sequences of DNA; coding and non-coding regions of the genome, the structure of exons/introns of genes, origin and evolution of introns, intron functions, organization and evolution of gene families; simple sequences and satellite DNA; organization and structure of chromosomes, centromeres and telomeres, histones, structure of nucleosomes and chromatin organization.

DNA replication. Semiconservative replication and progressive of DNA; replicons, replication forks and origins; unidirectional and bidirectional replicons; replicons and the replication origins of prokaryotic chromosomes; replicons and origins of eukaryotic chromosomes; topological models for DNA replication; discontinuous replication and Okazaki fragments; DNA polymerase of prokaryotes and eukaryotes; enzymatic apparatus of replication; control of replication; replication of chromatin. Prokaryotes and eukaryotes transposons. Outline of major DNA repair mechanisms.

Transcription and its regulation. RNA polymerase and prokaryotic promoters; transcription mechanism and regulation in prokaryotes; the paradigm of lactose operon. RNA polymerase and eukaryotic promoters: Pol I, Pol II and Pol III; transcription and transcription regulation in eukaryotes. Transcription factors. Termination, antitermination and attenuation of transcription. Chromatin structure and transcription: active chromatin and chromatin remodeling. DNA methylation and transcription.

RNA processing. Maturation of transcripts in prokaryotes: mRNA maturation of phage T7, and of E. coli rRNA and tRNA; autocleavage of RNA. RNA Processing in Eukaryotes; modifications of ribosomal RNA; methylation and pseudouridylation of RNA; snoRNA and snoRNP. Maturation of eukaryotic mRNAs: structure of M7G-cap and of poly (A) tail, enzymatic mechanisms of "capping" and "polyadenylation". Mechanisms of RNA splicing: introns of type I and type II; autosplicing; nuclear splicing and spliceosome; splicing of yeast tRNA. RNA editing.

The technology of recombinant DNA and molecular cloning. Molecular cloning; construction of DNA libraries; probes and screening of the libraries; expression libraries; restriction mapping; the length polymorphism of the restriction fragments (RFLP); DNA sequencing.

Tools for Gene expression analysis. Transient and stable transfection assays; reporter genes; in vitro mutagenesis; analysis at the level of gene transcription: RNA expression and localization; analysis at the level of translation: expression and localization of proteins; antisense technology; analysis of the interactions DNA- protein; analysis of protein-protein interactions.

Genetically modified organisms: their use in basic and applied research. The transgenic mice; mice models with an altered gene; gene pharming; cloning by nuclear transfer; the single nucleotide polymorphisms.

Materiale di supporto alla didattica verrà consegnato durante le lezioni.

Material to support teaching will be given in class.

Modalità didattiche

Lezioni frontali. Saranno previste attività pratiche di laboratorio secondo un calendario che verrà pubblicato durante lo svolgimento del corso.

The course will consists in lecturers and lab experiences according to a schedule that will be published during the course.  

Testi di studio

LIBRO DI TESTO

F. Amaldi, P. Benedetti, G. Pesole, P. Plevani. BIOLOGIA MOLECOLARE, CEA, 2011.

B. Lewin, J.E. Krebs, E.S. Goldstein, S.T. Kilpatrick. IL GENE, Zanichelli, 2011.

TESTI DI CONSULTAZIONE 

L. A. Allison. Fondamenti di biologia molecolare, Zanichelli, 2008.

R. F. Weaver. BIOLOGIA MOLECOLARE, McGraw-Hill, 2009. 

J. D. Watson , T. A. Baker, S. P. Bell, A. Gann, M. Levine, R. Losick. BIOLOGIA MOLECOLARE DEL GENE, Zanichelli, 2009.

J. D. Watson, A.A. Caudy, R.M. Myers, J.A. Witkowski. DNA RICOMBINANTE, Zanichelli, 2009.

Modalità di
accertamento

La valutazione finale del percorso formativo verrà effettuata tramite verifica orale. Durante il corso verranno proposti test di autovalutazione agli studenti frequentanti, che saranno utili per la valutazione finale. La valutazione finale terrà conto del livello di conoscenza dei contenuti, nonché delle capacità espositive e di ragionamento dimostrate nella discussione condotta sugli argomenti richiesti. Inoltre per la valutazione dello studente verrà considerata anche la partecipazione attiva alle lezioni. 

The final evaluation of the course will be done through an oral exam. During the course will be offered self-assessment tests to students attending. The final evaluation will be carried out on the preparedness of the student, on his presentation and discussion skills. Moreover, it will also take account of participation in class.

Disabilità e DSA

Le studentesse e gli studenti che hanno registrato la certificazione di disabilità o la certificazione di DSA presso l'Ufficio Inclusione e diritto allo studio, possono chiedere di utilizzare le mappe concettuali (per parole chiave) durante la prova di esame.

A tal fine, è necessario inviare le mappe, due settimane prima dell’appello di esame, alla o al docente del corso, che ne verificherà la coerenza con le indicazioni delle linee guida di ateneo e potrà chiederne la modifica.

Testi di studio

Gli stessi degli studenti frequentanti.

Modalità di
accertamento

Le stesse degli studenti frequentanti.

Disabilità e DSA

Le studentesse e gli studenti che hanno registrato la certificazione di disabilità o la certificazione di DSA presso l'Ufficio Inclusione e diritto allo studio, possono chiedere di utilizzare le mappe concettuali (per parole chiave) durante la prova di esame.

A tal fine, è necessario inviare le mappe, due settimane prima dell’appello di esame, alla o al docente del corso, che ne verificherà la coerenza con le indicazioni delle linee guida di ateneo e potrà chiederne la modifica.