Obiettivi formativi
Il corso ha come obiettivo principale la comprensione degli elementi fondamentali della struttura degli acidi nucleici cercando di spiegare, sulla base di tali elementi, le peculiari caratteristiche di stabilità, contenuto informazionale e “leggibilità” del DNA e dell’RNA.
Particolare attenzione verrà rivolta all’interazione tra acidi nucleici e proteine regolative e a diverse forme di reciproco adattamento volte a massimizzare la specificità e la regolabilità di tali interazioni. Specifici esempi in tale ambito riguardano le proteine batteriche implicate nella replicazione e riparazione del DNA, enzimi di modificazione e restrizione, RNA polimerasi e altre proteine trascrizionali, i ribosomi e altri componenti del macchinario nucleo-proteico responsabile della traduzione dell’RNA. Verranno inoltre esaminate le strategie regolative fondamentali operanti nei batteri e nei fagi e le loro possibili implicazioni per il controllo dell'espressione genica in organismi più complessi.
Un altro obiettivo di ordine generale è quello di far comprendere, attraverso esempi teorici e pratici (e.g., DNA polimerasi, DNA ligasi, enzimi di restrizione e modificazione, PCR, sequenziamento enzimatico del DNA, sistemi ospite/vettore e relativi livelli di regolazione), la stretta connessione che esiste tra la Biologia Molecolare "di base" e le sue numerose applicazioni nell'ambito delle "tecnologie del DNA ricombinante".
CONOSCENZA E COMPRENSIONE.
Gli studenti acquisiranno una conoscenza dettagliata a livello molecolare di alcuni importanti processi cellulari (soprattutto inerenti a i meccanismi di controllo dell'espressione genica a livello trascrizionale, post-trascrizionale e traduzionale) oltre ad una buona familiarità con le metodologie molecolari che che ne permettono lo studio sperimentale.
CAPACITA' DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE.
Attraverso l’analisi guidata di esperimenti e strutture che sono risultati cruciali per la comprensione a livello molecolare dei principali processi di trasferimento e gestione dell'informazione biologica, gli studenti acquisiranno le competenze di base necessarie per affrontare lo studio sperimentale di nuovi processi e per la progettazione di esperimenti in ambito biologico-molecolare.
Prerequisiti
Per una fruizione ottimale del corso, gli studenti dovranno avere buone conoscenze di base di Chimica Generale e Organica, e Fisica.
Contenuti dell'insegnamento
ll concetto di “gene” e alcune caratteristiche fondamentali dei geni e del flusso informazionale nei procarioti e negli eucarioti; caratteristiche chimiche e biologiche degli acidi nucleici; la struttura del DNA; la doppia elica e strutture secondarie alternative del DNA; stabilità del DNA in forma B; caratteristiche distintive dell’RNA; struttura terziaria, compattamento e plasticità degli acidi nucleici; elementi di topologia.
Replicazione e ristrutturazione del DNA: schema generale della replicazione; DNA polimerasi I e DNA ligasi: componenti fondamentali del sistema replicativo e importanti strumenti per la tecnologia del DNA ricombinante; DNA polimerasi III e l’assemblaggio del replisoma; fedeltà della replicazione; sistemi replicativi specializzati (metilazione e replicazione bidirezionale del genoma di Escherichia coli; DNA plasmidico, genomi fagici); il problema della terminazione dei repliconi lineari; la ''reazione a catena della polimerasi'' (PCR); replicazione interrotta da dideossinucleotidi e sequenziamemto enzimatico del DNA; restrizione e modificazione del DNA; cenni di mutagenesi chimica, riparazione, ricombinazione e trasposizione del DNA.
Trascrizione genica: schema generale della trascrizione e le diverse fasi del processo; promotori batterici; RNA polimerasi; i fattori sigma e rho; regolazione positiva e negativa della trascrizione: operone lattosio (LacI, Cap), operone triptofano (TrpR) e attenuazione, altri operoni biosintetici e il sistema SOS; modificazioni post-trascrizionali.
Sintesi proteica: schema generale; il codice genetico; struttura e funzione dei tRNA; struttura degli mRNA procariotici; le diverse fasi della traduzione; fedeltà ed energetica della traduzione; struttura del ribosoma; regolazione della sintesi proteica (controllo autogeno) e modificazione post-traduzionale delle proteine.
Il fago lambda come sistema integrato di regolazione genica in risposta a stimoli ambientali: circuiti regolativi che controllano la scelta lisi/lisogenia; controllo trascrizionale positivo e negativo; antiterminazione; regolazione “antisenso”; instabilità programmata dell'mRNA e regolazione post-trascrizionali.
Programma esteso
ll concetto di “gene” e alcune caratteristiche fondamentali dei geni e del flusso informazionale nei procarioti e negli eucarioti;
caratteristiche chimiche e biologiche degli acidi nucleici;
la struttura del DNA;
la doppia elica e strutture secondarie alternative del DNA;
stabilità del DNA in forma B;
caratteristiche distintive dell’RNA;
struttura terziaria, compattamento e plasticità degli acidi nucleici;
elementi di topologia del DNA. Replicazione e ristrutturazione del DNA: schema generale della replicazione;
DNA polimerasi I e DNA ligasi: componenti fondamentali del sistema replicativo e importanti strumenti per la tecnologia del DNA ricombinante;
DNA polimerasi III e l’assemblaggio del replisoma;
fedeltà della replicazione;
sistemi replicativi specializzati (metilazione e replicazione bidirezionale del genoma di Escherichia coli, DNA plasmidico, genomi fagici);
il problema della terminazione dei repliconi lineari;
la ''reazione a catena della polimerasi'' (PCR);
replicazione interrotta da dideossinucleotidi e sequenziamemto enzimatico del DNA;
tecnologie NGS e "genome editing";
restrizione e modificazione del DNA;
cenni di mutagenesi chimica, riparazione, ricombinazione e trasposizione del DNA.
Trascrizione genica: schema generale della trascrizione e le diverse fasi del processo;
promotori batterici;
RNA polimerasi;
i fattori sigma e rho;
regolazione positiva e negativa della trascrizione: operone lattosio (LacI, CAP), operone triptofano (TrpR) e attenuazione, altri operoni biosintetici e il sistema SOS;
modificazioni post-trascrizionali.
Sintesi proteica: schema generale;
il codice genetico; struttura e funzione dei tRNA;
struttura degli mRNA procariotici;
le diverse fasi della traduzione, fedeltà ed energetica della traduzione;
struttura del ribosoma;
regolazione della sintesi proteica (controllo autogeno) e modificazione post-traduzionale delle proteine. Il fago lambda come sistema integrato di regolazione genica in risposta a stimoli ambientali: circuiti regolativi che controllano la scelta lisi/lisogenia;
controllo trascrizionale positivo e negativo;
antiterminazione;
regolazione “antisenso”;
instabilità programmata dell'mRNA e regolazione post-trascrizionale.
Bibliografia
Watson J.D., Backer T.A., Bell S. P., Gann A., Levine M., Losick R. BIOLOGIA MOLECOLARE DEL GENE Zanichelli, VI edizione
Amaldi, Benedetti, Pesole, Plevani
BIOLOGIA MOLECOLARE
Ed. Ambrosiana.
Ptashne, M. REGOLAZIONE GENICA, Zanichelli (2006)
Metodi didattici
Il corso si basa su lezioni frontali con largo uso di immagini, schemi e risultati sperimentali reali. E’ accompagnato da numerosi esercizi e quiz/prove d'esame relativi ai vari argomenti trattati e da esercitazioni pratiche
Modalità verifica apprendimento
La valutazione dei risultati di apprendimento attesi si basa su una prova scritta costituta da 10 domande, comprensive di almeno 1 esercizio relativo a calcoli e analisi quantitative tipici della routine di un laboratorio di Biologia Molecolare, alcune domande specifiche (incluse domande a risposta multipla) ed almeno 1 domanda di taglio sperimentale relativa alla descrizione (con schemi) di una tecnica/metodica di Biologia Molecolare e alla esemplificazione dei risultati prodotti/attesi in uno specifico ambito di applicazione.
Verranno in questo modo accertate sia le conoscenze relative ai processi Biologico-molecolari illustrati durante il corso, sia la capacità di applicare tali conoscenze alla risoluzione di specifici problemi di tipo sperimentale.
Altre informazioni
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
