ITALIANO

1: STRUTTURA DEGLI ACIDI NUCLEICI
La struttura chimica degli acidi nucleici. La struttura fisica del DNA. La topologia del DNA e e le DNA topoisomerasi. La struttura dell’RNA.

2: IL MANTENIMENTO DEL GENOMA
La struttura del genoma, la cromatina e il nucleosoma. La replicazione del DNA. Le mutazione e i meccanismi di riparo del DNA.

3: L’ESPRESSIONE DEL GENOMA
La trascrizione dell’RNA. Il processamento dell’RNA. La traduzione

4: LA REGOLAZIONE DEL FLUSSO INFORMAZIONALE
La regolazione della trascrizione nei procarioti. La regolazione della trascrizione negli eucarioti. La regolazione della traduzione I piccoli RNA regolatori

Genomi 4, T.A. Brown Edises
Biologia e Genetica, De Leo et al. Edises
Biologia Molecolare Amaldi et al. Zanichelli

Il corso si pone come obiettivo quello di fornire allo studente le conoscenze riguardanti lo studio della struttura, funzione e regolazione delle macromolecole biologiche, quali il DNA, l’RNA e le proteine focalizzando l'attenzione sulle vie biochimiche in cui sono coinvolte. In particolare, verranno affrontati i meccanismi alla base della replicazione e riparazione del DNA e quelli che controllano il flusso dell'informazione genetica dal DNA alle proteine, trascrizione e traduzione, e i relativi meccanismi di regolazione cellulare. In questo modo lo studente sarà in grado di comprendere e conoscere la struttura, la funzione e l'attività delle macromolecole biologiche, e delle vie coinvolte nella regolazione e controllo del flusso dell’informazione biologica.

Non esiste alcuna propedeuticità sebbene è necessario aver acquisito conoscenze di base di chimica generale.

Il corso è organizzato in lezioni frontali con supporto informatico (Power Point) e cartaceo (documenti, lavori scientifici in pdf).

La verifica dell'apprendimento avverrà tramite colloquio orale. Le domande riguarderanno gli aspetti di base e principali della biologia molecolare. Pertanto, i quesiti risulteranno specifici per valutare le conoscenze fondamentali dell’argomento. Lo studente dovrà dimostrare di conoscere gli aspetti chiave della struttura, della funzione e della regolazione delle macromolecole biologiche, come il DNA, l'RNA e le proteine. Verranno analizzate le capacità dello studente di discutere su questi punti e l’abilità nello stabilire possibili connessioni. Il voto si esprima in trentesimi, partendo da un minimo di 18 fino ad un massimo di 30/30 e lode.

Organizzazione molecolare della vita –
Acqua: Carboidrati: Lipidi: Proteine: gli amminoacidi ed il legame peptidico, dalla struttura primaria alla terziaria; la struttura quaternaria. Denaturazione e rinaturazione; regolazione dell’attività biologica. Proteine chaperon; ubiquitinazione; proteasoma e proteolisi.
Misfolding delle proteine e patologie correlate.
Acidi nucleici: dal nucleotide al cromosoma metafasico; da Miescher a Chargaff, Wilkins e Franklin; il modello di Watson e Crick; strategie di compattamento del DNA (virus, batteri e cellule eucariotiche); parametri chimico-fisici del DNA; denaturazione e rinaturazione; grandezza e complessità del genoma; interazione DNA-proteine
-Le basi dell’organizzazione biologica-
La classificazione degli organismi viventi: l’albero della vita; principi di sistematica; gli organismi e le cellule; la teoria cellulare; le proprietà fondamentali delle cellule
I procarioti – descrizione morfologica e biochimica, similitudini e differenze. Archea
La cellula eucariotica
La membrana plasmatica: cronologia degli studi sulla composizione della membrana plasmatica; morfologia struttura e funzione (osmosi e diffusione, meccanismi di trasporto passivo e attivo). Giunzioni cellulari e comunicazioni con la matrice cellulare.
Il nucleo: carioteca e pori nucleari, DNA, cromatina, cromosomi, cariotipo, nucleolo.
Gli apparati membranosi: reticolo endoplasmatico liscio e rugoso, apparato del Golgi, lisosomi, perossisomi – morfologia, struttura. Traffico di membrane (NSF, SNAPs, v-SNARE, t-SNARE, Rab).
Patologie lisosomali
I ribosomi:
I mitocondri: principi di energetica; organizzazione e struttura (il genoma mitocondriale, modalità del flusso dell’informazione nei mitocondri), teoria endosimbiontica. Funzioni: la respirazione cellulare (dalla glicolisi alla catena di trasporto degli elettroni fino alla sintesi di ATP), le molecole che vi partecipano, il bilancio energetico del processo.
Patologie mitocondriali
Il citoscheletro: motilità cellulare, proteine motrici
La Duplicazione del DNA: esperimento di Meselson e Stahl, caratteristiche generali del processo, la duplicazione nei procarioti, la duplicazione negli Eucarioti, il problema dei telomeri.
Flusso dell’informazione
-La trascrizione e la maturazione delle molecole di RNA: caratteristiche generali del processo, la trascrizione nei procarioti, la trascrizione negli Eucarioti (RNApol I, II, III), la maturazione del messaggero (capping, metilazione, poliadenilazione, splicing, editing) e dei tRNA e rRNA, il rimodellamento della cromatina, concetto di gene, un mondo a RNA
-La struttura del codice genetico e la traduzione: proprietà e decifrazione del codice (esperimento di Crick e Brenner, di Niremberg e Leder), l’apparato biosintetico, fase ATP-dip della sintesi proteica (o fase di caricamento dell’amminoacido), fase GTP-dip, la selenocisteina e la pirrolisina; folding e misfolding proteico, il proteasoma, genomica, trascrittomica e proteomica.
- La regolazione dell’espressione genica: nei procarioti a livello trascrizionale (operone Lac e triptofano), post-trascrizionale (attenuazione), tradizionale (riboswitch); negli eucarioti a livello trascrizionale (sequenze regolative, metilazione del DNA, acetilazione degli istoni, imprinting), post-trascrizionale e traduzionale/post-traduzionale (micro-RNA). Esempi della complessità dei meccanismi di regolazione negli eucarioti.
Tecniche di biologia molecolare: estrazione del DNA, Southern, northern e western blots, PCR, Arrays.
-Sorting delle proteine: attraverso il poro della carioteca, proteine mitocondriali, del cloroplasto, dei perossisomi; quando una proteina è sintetizzata dai ribosomi adesi alle membrane del reticolo: come una proteina raggiunge la sua destinazione finale; formazione dei lisosomi, endocitosi/esocitosi costitutiva e regolata, mediata da recettori, meccanismi di adesione cellulare
Comunicazione endocrina, paracrina ed autocrina: il concetto di ormone rivisitato; recettori di membrana e nucleari; l’ossido nitrico. La traduzione del segnale: elementi costitutivi, le diverse cascate regolative conosciute; Effetti gnomici e non-genomici. Regolazione della trascrizione.
Virus: caratteristiche generali, morfologia, modalità di infezione
Ciclo cellulare (mitotico e meiotico) e suo controllo: le (cicline/cdk), l’APC e i check-points. La complessità del ciclo cellulare nei mammiferi. Proto-oncogeni, oncogeni e oncosopressori. Il ruolo di p53, apoptosi, anoikis.
-La Riproduzione: agamica, anfigonica e partenogenetica. La riproduzione sessuata: origine delle cellule germinali, differenziamento gonadico, spermatogenesi, ovogenesi. Controllo ormonale durante la gametogenesi maschile e femminile.
La fecondazione
-Differenziamento
Genetica
-Il metodo e le prove sperimentali di Mendel: caratteri singoli e la segregazione; caratteri ed assortimento indipendente; il reincrocio.
Dominanza incompleta e Codominanza. Allelia multiplia (sistema AB0 dei gruppi sanguigni). La pleiotropia. Epistasi (rapporti mendeliani atipici).
Esperienze di Morgan (associazione genica e caratteri legati al sesso): basi biologiche della ricombinazione, associazione completa e incompleta, mappe fisiche e genetiche, il crossing over ineguale
Ambiente e geni: l’espressione genica è modulata dall’ambiente, il concetto di penetranza ed espressività, caratteri poligenici ed eredità quantitativa.
Sesso e geni: la determinazione e il differenziamento sessuale. Inversione sessuale. Ormoni e comportamento
Genetica umana:
cromosomi umani e cariotipo, studio dei caratteri ereditari umani, eredità autosomica (dominante e recessiva), associata al cromosoma X (dominante e recessiva), al cromosoma Y, eredità mitocondriale.
Effetto materno
Le Mutazioni: classificazione, variazione della struttura del DNA (mutazioni puntiformi) in regioni codificanti e non codificanti. Il fenomeno dell’espansione di triplette. Mutazioni spontanee e indotte. Agenti mutageni
Meccanismi di riparazione del DNA. Danni al DNA ed aging.
Variazioni della struttura dei cromosomi e del numero. Esempi osservabili nella specie umana. Cause di aneuploidia. La disomia uniparentale

Italian

1: STRUCTURE OF NUCLEIC ACIDS
The chemical structure of nucleic acids. The physical structure of DNA. The DNA topology. The structure of RNA.

2: MAINTENANCE OF GENOMA
The structure of the genome, the chromatin and the nucleosome. DNA replication. Mutations and DNA repair mechanisms.

3: THE EXPRESSION OF GENOME
RNA transcription. RNA processing. Translation

4: THE ADJUSTMENT OF THE INFORMATION FLOW
The regulation of transcription in prokaryotes. Regulation of transcription in eukaryotes.

Genomi 4, T.A. Brown Edises
Biologia e Genetica, De Leo et al. Edises
Biologia Molecolare Amaldi et al. Zanichelli

The course aims to provide students with the knowledge concerning the study of the structure, function and regulation of biological macromolecules, such as DNA, RNA and proteins, focusing attention on the biochemical pathways in which they are involved. In particular, the mechanisms underlying DNA replication and repair will be addressed, as well as those that control the flow of genetic information from DNA to proteins, transcription and translation, and the related mechanisms of cell regulation. In this way the student will be able to understand the structure, function and activity of biological macromolecules, and of the routes involved in the regulation and control of the flow of biological information.

There are no prerequisites for this course; however, it is necessary to have acquired basic knowledge of general chemistry.

The course is organized in lectures with computer support (Power Point) and paper (documents, scientific works in pdf).

Evaluation of student proficiency is based on and oral test (viva voce). Questions cover the basic aspects as well as the main aspects of molecular biology. The questions will be as specific to evaluate the basic knowledge of the topic. This means that the student must know the key steps of the structure, function and regulation of biological macromolecules, such as DNA, RNA and proteins. The student should be able to discuss on these topics and be able to connect and analyze the different subjects. The final grade is expressed in 30/30 were 18 represents the minimum and 30 the maximum.

Introduction to the Study of Cell and Molecular Biology
Definition of life, The Discovery of Cells, Cell Theory, Basic Properties of Cells, Prokaryotes and Eukaryotes, Eukaryote cell, Viruses. Species concept, the principle of classification.
The molecular organization of life
Water, Carbohydrates, Lipids, Proteins
amino acids and the peptide bond, from the primary to the tertiary structure; the quaternary structure. Denaturation and renaturation; regulation of biological activity. Chaperone proteins; ubiquitination; proteasome and proteolysis.
Protein Misfolding and associated pathologies.
Nucleic acids: from nucleotide to metaphase chromosome;
Miescher, Chargaff, Wilkins e Franklin; Watson and Crick model; DNA packaging (viruses, bacteria, eukariotes);
- Experiments of Avery, Griffith, Hershey and Chase
-Nucleic acids structure: DNA, RNA
-Nucleic acids functions: DNA, RNA
-RNA: ribosomal, transfer, messengers, small RNAs
-DNA replication: Meselson and Sthal
-DNA replication in prokaryotes and eukaryotes
-DNA repair mechanisms
-RNA polymerase in prokaryotes and eukaryotes
-Transcription in prokaryotes and eukaryotes
-mRNA processing: capping, splicing, poly-adenylation
- Protein synthesis
- Genetic code
- Gene expression: regulatory mechanisms
-DNA-protein interaction
The Structure and Function of the Plasma Membrane
A Brief History of Studies on Plasma Membrane Structure
The Chemical Composition of Membranes, The Structure and Functions of Membrane Proteins, Membrane Lipids and Membrane Fluidity, The Dynamic Nature of the Plasma Membrane, The Movement of Substances Across Cell Membranes.
Nuclear compartment: nuclear envelop, nuclear pores, DNA, chromatin, chromosomes, karyotype, nucleolus.
Cytoplasmic Membrane Systems, Membrane Trafficking: Intracellular Compartments and Protein Sorting (NSF, SNAPs, v-SNARE, t-SNARE, Rab).
The Endoplasmic Reticulum, The Golgi Complex, Types of Vesicle Transport and Their Functions, Lysosomes.
Ribosomes
Mitochondria: principles of energetics; organization and structure (the mitochondrial genome, mitochondria DNA), endosymbiotic theory.
Functions: cell respiration (from glycolysis to the electron transport chain up to the synthesis of ATP), the molecules involved in, the energy balance of the process.
The cytoskeleton: cell motility, motor proteins
-Protein Sorting: the fate of a protein synthesized by ribosomes adhering to the membranes of the reticulum: how a protein reaches its final destination; lysosome formation, constitutive and regulated endocytosis / exocytosis, mediated by receptors, cell adhesion mechanisms.
Cell Communication: Endocrine, paracrine and autocrine communication: the concept of hormone revisited; membrane and nuclear receptors; nitric oxide. The translation of the signal: constitutive elements, the different known regulatory cascades; Genomic and non-genomic effects. Transcription regulation.
Cell Signalling and Signal Transduction:
The Basic Elements of Cell Signalling Systems, A Survey of Extracellular Messengers and Their Receptors, Protein-Tyrosine Phosphorylation as a Mechanism for Signal Transduction, G Protein-Coupled Receptors and Their Second Messengers, The Role of Calcium as Intracellular Messenger, Convergence, Divergence, and Cross-Talk Among Different Signalling Pathways. Apoptosis
Virus: morphology and infection cycles
Cell Reproduction
The Cell Cycle control, M Phase: Mitosis and Cytokinesis. The Discovery and
Characterization of MPF, Basic Properties of a Cancer Cell.
Sexual/Asexual Reproduction:
Germ Cells, Meiosis, Meiotic Nondisjunction and Its Consequences, Gametogenesis
-Fertilization
Genetics
-MENDELISM: The Basic Principles of Inheritance
-Extension of Mendelism: codominance, multiple alleles, pleiotrophy, epistasis, gene interaction
-Linkage
-Sex-linked genes (Morgan experiments)
-Genes and environment
-Sex chromosomes and sex determination
-Pedigrees
-Mitochondrial inheritance/maternal effect
-Gene, chromosomal and genomic mutations
Human genetics:
human chromosomes and karyotype, study of human hereditary characteristics, autosomal inheritance (dominant and recessive), associated with the X chromosome (dominant and recessive), with the Y chromosome, mitochondrial inheritance.
Maternal effect
Mutations: classification, variation of DNA structure (point mutations) in coding and non-coding regions. The phenomenon of triplet expansion. Spontaneous and induced mutations. Mutagenic agents
DNA repair mechanisms. Damage to DNA and aging.
Variations in chromosome structure and number. Examples in humans. Causes of aneuploidy. Uniparental disomy