Università degli Studi di Roma "Tor Vergata"

Le basi molecolari di eredità, variabilità ed evoluzione
Genetica Mendeliana - Divisione Cellulare ed eredità cromosomica
Interazione fra geni - Associazione genetica e mappatura negli eucarioti
Analisi genetica e mappatura di batteri - La struttura e la replicazione del DNA
Trascrizione, Traduzione. Regolazione dell’espressione genica nei batteri
Regolazione dell’espressione genica negli eucarioti - Mutazioni geniche, riparazione del DNA - Tecnologia del DNA ricombinante

GENETICA un approccio molecolare, Russell mylab; GENETICA, Principi di Analisi formale Griffith Zanichelli,

1. Aminoacidi e proteine
2. Struttura e funzione delle proteine
3. Gli enzimi
4. Carboidrati, lipidi e acidi nucleici
5. Membrane biologiche e segnalazione
6. Bioenergetica
7. Glicolisi, gluconeogenesi e via dei pentoso fosfati
8. Metabolismo mitocondriale
· Ciclo degli acidi tricarbossilici
· Ossidazione degli aminoacidi
· Catabolismo degli acidi grassi
· Fosforilazione ossidativa
9. Regolazione e integrazione metabolica
10. Sintesi delle biomelecole

Testi consigliati:
Introduzione alla Biochimica di Lehninger, David L. Nelson e Micheal M. Cox
oppure
I Principi di Biochimica di Lehninger, David L. Nelson e Micheal M. Cox

Modelli e metodi probabilistici: distribuzioni di probabilità discrete e continue. Tecniche di simulazione stocastica. Principi dell’inferenza statistica: stima puntuale e per intervallo, verifica d’ipotesi. Cenni ai modelli per sequenze (di nucleotidi, proteine,...). Il software statistico R.

Statistical Methods in Bioinformatics 2nd ed., Ewens & Grant, Springer 2005
Statistics Using R with Biological Examples di K. Seefeld 2007
Statistica medica, Martin Bland, Ed. Apogeo

Banche dati di acidi nucleici, proteine, letteratura. Metodi esaustivi ed euristici di allineamento e ricerca di biosequenze in banche dati. Matrici di sostituzione. Allineamenti multipli e profili. Motivi funzionali. Ricerca geni e promotori in genomi. Browser genomici. Annotazione funzionale di geni e genomi. Confronto e classificazione di strutture proteiche. Previsione struttura secondaria e terziaria: modelling per omologia, threading, metodi ab initio. Metodi computazionali per l'inferenza delle interazioni molecolari. Metodi integrati. Reti di interazioni proteiche. Banche dati di Interazioni, pathways, malattie genetiche, SNPs. Ontologie in biologia. Text mining. Esercitazioni pratiche

Bioinformatica, Pascarella e Paiardini. ed Zanichelli
ausili didattici: pdf e podcast delle lezioni
link del corso: http://bioinformatica.uniroma2.it/bioinformatica/
link del corso: http://bioinformatica.uniroma2.it/BiologiaMolecolare/
link docente: http://bioinformatica.uniroma2.it/ ~manuela/

CITOLOGIA: Cellula eucariotica. Microscopio ottico ed elettronico. Struttura delle membrane biologiche. Membrana plasmatica e sistema delle membrane endocellulari (REL-RER-Golgi). Endocitosi, esocitosi e caveole. Organuli cellulari: mitocondri (struttura, funzione generale), lisosomi e perossisomi. Citoscheletro statico e dinamico. Comunicazione cellulare. Nucleo: involucro nucleare, cromatina, nucleolo. Ciclo cellulare. Mitosi e Meiosi, differenze essenziali fra le due divisioni.

ISTOLOGIA: Tessuto epiteliale: origine embrionale, epiteli di rivestimento ed epiteli ghiandolari. Tessuti connettivi: origine embrionale e classificazione. Tessuto cartilagineo: pericondrio, accrescimento, tipi di cartilagine. Tessuto osseo: classificazione, periostio, osso compatto e spugnoso. Sangue: cellule del sangue. Cenni su midollo osseo e ematopoiesi. Tessuto muscolare: origine embrionale, fibre muscolari striate, sincizio, meccanismo di contrazione dell'unità funzionale (sarcomero), fibrocellule lisce, fibrocellule del miocardio. Tessuto nervoso: cenni di anatomia e origine embrionale, struttura dei neuroni. Cenni sul sistema circolatorio: sistema venoso e arterioso, struttura della parete di arterie, vene e capillari. Sistema linfatico e linfonodi, funzione (cenni).

EMBRIOLOGIA: Differenziamento e morfogenesi in Vertebrati; Tecniche istologiche e biomolecolari: ibridazione in situ dell'RNA e Immunoistochimica; Le basi cellulari della morfogenesi; La costituzione degli assi corporei e i meccanismi di teratogenesi; Impegno e differenziamento cellulare; Localizzazione citoplasmatica dei determinanti delle cellule germinali; Oogenesi e spermatogenesi; Vitellogenesi; Il ciclo mestruale; La fecondazione in echinodermi e vertebrati; Segmentazione embrionale (echinodermi, anfibi, pesci, uccelli, mammiferi); Specificita' regionale dell'induzione; La gastrulazione (echinodermi, anfibi, pesci, uccelli, mammiferi); Formazione dell'embrione di mammifero; Placenta e annessi embrionali; I meccanismi della neurulazione.

BIOLOGIA MOLECOLARE DELLA CELLULA, Alberts B. et al, Zanichelli, ultima Ed.
Testi alternativi o integrativi verranno comunicati all’inizio delle lezioni.

Introduzione alla biologia sintetica, principali problemi, esempi applicativi. Ingegneria metabolica, genomi minimi e la "cellula minima". Studio delle dinamiche sub-cellulari mediante tecniche di microscopia laser confocale.

Articoli recenti su argomenti trattati su "didattica web.

Scoperta della struttura a doppia elica. Strutture alternative del DNA (A, B, Z) e superstrutture. 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 proc. ed euc.; 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; imprinting genetico.
Processamento dell'RNA. Maturazione dei trascritti nei procarioti e 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. Regolazione della stabilità degli mRNA. Controllo qualità dell'mRNA ("non sense mediated decay" e "non stop mediated decay").
Regolazioni complesse e controlli globali: Regolazione dei cicli virali: ciclo litico e ciclo lisogeno del fago lambda. Regolazione genica a livello trascrizionale, post-trascrizionale e traduzionale. Modificazioni e regolazioni post-traduzionali di proteine. Controllo del ciclo, della crescita e della proliferazione cellulare negli eucarioti; oncogeni e cancro.
Tecniche di Biologia molecolare: Proprietà chimico-fisiche del DNA. Proprietà idrodinamiche e metodi di ultracentrifugazione: gradienti di CsCl e gradienti di saccarosio; spettrofotometria degli acidi nucleici; spettro di assorbimento; denaturazione e riassociazione della doppia elica; ibridazione DNA-RNA. Enzimi di restrizione e costruzione di mappe di restrizione; elettroforesi degli acidi nucleici. Clonaggio di sequenze di DNA: vettori di clonaggio; preparazione del DNA da clonare; formazione delle molecole ricombinanti; reinserimento in vivo delle molecole ricombinanti; metodi di selezione. Genoteche e banche di DNA. Mutagenesi sito-specifica. Metodi di sequenziamento del DNA. Esercitazioni di laboratorio.

Bioinformatica, Pascarella e Paiardini. ed Zanichelli
Biologia Molecolare, Amaldi et al, ed Zanichelli

Il Linguaggio di Programmazione Ruby:
Variabili, Stringhe, l'espressione IF, Cicli, Vettori, Files, Funzioni, Classi, Matrici
Analisi delle sequenze in Ruby:
Identita' e similarita' di sequenze, Allineamenti di sequenze, Allineamenti locali e globali, Matrici di sostituzione, Alberi di sequenze, Allineamenti Multipli.

Programming Ruby (2nd edition): The Pragmatic Programmers' Guide
by Dave Thomas, with Chad Fowler and Andy Hunt

Il sistema operativo Linux e i programmi per visualizzare e manipolare le macromolecole. Caratteristiche conformazionali delle proteine e degli acidi nucleici. Definizione delle strutture secondarie e dei principali domini strutturali delle proteine. Le banche dati delle macromolecole. Metodi per la predizione della struttura secondaria delle proteine e dell’RNA. Metodi per la ricerca della similarità strutturale delle proteine. Modellazione per omologia, metodi di Fold recognition, Threading e metodi ab initio. Introduzione al drug design, come si progetta un farmaco. Introduzione alle metodologie di docking ed al virtual screening. La meccanica molecolare e la dinamica e molecolare classica. Metodi di campionamento conformazionale avanzati. Applicazioni della dinamica molecolare classica in biologia. I programmi di dinamica molecolare classica.

Il corso prevede 8 esercitazioni pratiche: 1) I comandi del sistema operativo Linux; 2) Uso del programma di grafica molecolare PYMOL; 3) Uso del programma di grafica molecolare CHIMERA; 4) Ricerca nella banca dati PDB; 5) Modellazione per omologia attraverso il programma SwissPDBviewer; 6) Docking proteina-proteina con il programma HEX; 7) Docking proteina-ligando con il programma AutoDock; 8) Uso del programma di dinamica molecolare classica GROMACS.

Introduzione alla Struttura delle Proteine. Carl Branden , John Tooze. Ed. Zanichelli.
Bioinformatica, dalla Sequenza alla Struttura delle Proteine. S.Pascarella, A.Paiardini. Ed. Zanichelli.
URL http://structuralbiology.bio.uniroma2.it

CITOLOGIA: Cellula eucariotica. Microscopio ottico ed elettronico. Struttura delle membrane biologiche. Membrana plasmatica e sistema delle membrane endocellulari (REL-RER-Golgi). Endocitosi, esocitosi e caveole. Organuli cellulari: mitocondri (struttura, funzione generale), lisosomi e perossisomi. Citoscheletro statico e dinamico. Comunicazione cellulare. Nucleo: involucro nucleare, cromatina, nucleolo. Ciclo cellulare. Mitosi e Meiosi, differenze essenziali fra le due divisioni.

ISTOLOGIA: Tessuto epiteliale: origine embrionale, epiteli di rivestimento ed epiteli ghiandolari. Tessuti connettivi: origine embrionale e classificazione. Tessuto cartilagineo: pericondrio, accrescimento, tipi di cartilagine. Tessuto osseo: classificazione, periostio, osso compatto e spugnoso. Sangue: cellule del sangue. Cenni su midollo osseo e ematopoiesi. Tessuto muscolare: origine embrionale, fibre muscolari striate, sincizio, meccanismo di contrazione dell'unità funzionale (sarcomero), fibrocellule lisce, fibrocellule del miocardio. Tessuto nervoso: cenni di anatomia e origine embrionale, struttura dei neuroni. Cenni sul sistema circolatorio: sistema venoso e arterioso, struttura della parete di arterie, vene e capillari. Sistema linfatico e linfonodi, funzione (cenni).

EMBRIOLOGIA: Differenziamento e morfogenesi in Vertebrati; Tecniche istologiche e biomolecolari: ibridazione in situ dell'RNA e Immunoistochimica; Le basi cellulari della morfogenesi; La costituzione degli assi corporei e i meccanismi di teratogenesi; Impegno e differenziamento cellulare; Localizzazione citoplasmatica dei determinanti delle cellule germinali; Oogenesi e spermatogenesi; Vitellogenesi; Il ciclo mestruale; La fecondazione in echinodermi e vertebrati; Segmentazione embrionale (echinodermi, anfibi, pesci, uccelli, mammiferi); Specificita' regionale dell'induzione; La gastrulazione (echinodermi, anfibi, pesci, uccelli, mammiferi); Formazione dell'embrione di mammifero; Placenta e annessi embrionali; I meccanismi della neurulazione.

BIOLOGIA MOLECOLARE DELLA CELLULA, Alberts B. et al, Zanichelli, ultima Ed.
Testi alternativi o integrativi verranno comunicati all’inizio delle lezioni.

Introduzione al corso.
Panoramica sulle piattaforme di Next-Generation Sequencing (NGS) e loro utilizzo in microbiologia.
Formati di file frequentemente utilizzati in analisi di dati NGS.
Interrogazioni di databases afferenti all International Nucleotide Sequence Database Collaboration (INSDC).
Manipolazione dei file e conversione fra formati ed estrazione dati tramite script ed interfacce web.
Valutazione della qualità dei risultati di un esperimento NGS.
Approcci analitici di dati NGS di microbiologia: read mapping e assemblaggio de novo.
Annotazione di genomi batterici e di virus procariotici.
Interfacce web utili per la bioinformatica dei microrganismi.
Studio di comunità microbiche.
Studio di evoluzione microbica.

Dispense del corso fornite dal docente

Negli ultimi quindici anni l’approccio della ricerca medica alle problematiche poste dalle patologie più complesse è profondamente cambiato. In particolare, le scoperte inerenti i meccanismi e le molecole coinvolti nel controllo del metabolismo, proliferazione, differenziazione e morte cellulare programmata, ci permettono di comprendere meglio la patogenesi delle malattie. Allo stesso tempo, la scoperta delle alterazioni nella codificazione genica ha portato a sviluppi significativi nella diagnosi e classificazione di molte malattie. Questo scenario in divenire, che in alcuni casi ha già prodotto straordinari risultati terapeutici (ad es. l'uso di anticorpi monoclonali e Tki nel linfoma e nella leucemia mieloide cronica, rispettivamente) evidenzia il crescente impatto della ricerca di laboratorio applicata alla clinica. La disponibilità di nuovi test diagnostici e la caratterizzazione di biomarcatori, permette di sviluppare una terapia su misura in termini di efficacia e di riduzione degli eventi avversi alla somministrazione dei farmaci.
Il corso sarà così articolato:

• Algoritmi e Protocolli diagnostici-terapeutici di modelli di malattia
• I trials clinici nell’era post genomica
• Correlazioni genotipo-fenotipo e validazione/qualificazione di marcatori genomici
• Trattamenti terapeutici personalizzati
• Tecnologie avanzate nella pratica clinica

Appunti e materiale fornito durante le lezioni

Grazie alla disponibilità di sequenze di interi genomi, sia umani che di microorganismi di varia natura e più in generale di dati "high-throughput" relativi all'espressione genica in una varietà di condizioni sperimentali, all'interazione fisica e/o funzionale tra proteine e ad una varietà di altri processi biologici e bio-patologici, gli ultimi anni vedono un ruolo crescente dell'utilizzo di metodi computazionali e Bioinformatici nell'ambito della Ricerca Biologica e Biomedica.
Crescente è anche il ruolo di banche dati, applicazioni e software liberamente fruibili attraverso Internet da parte della comunità scientifica, che sono ormai diventati strumento di utilizzo quotidiano da parte dei Ricercatori.
Quali geni e proteine sono coinvolti in processi patologici di interesse? Quali epitopi, nel proteoma di un microorganismo, sono in grado di stimolare una risposta protettiva da parte dell'ospite? Quali mutazioni sottendono allo sviluppo di tumori ed alle malattie a carattere ereditario?
A tutte queste domande è oggi possibile rispondere, almeno in parte, utilizzando applicazioni e banche dati liberamente accessibili su Internet. Tali servizi sono spesso interattivi consentendo ai ricercatori l'analisi di dati generati nel proprio laboratorio. Grazie a tali servizi, il ricercatore può classificare, analizzare, condividere i propri dati con la comunità scientifica.
Obiettivo di questo corso è di fornire agli studenti una comprensione approfondita ed operativa della rete Internet e dei relativi protocolli e strumenti di sviluppo, che li metta in condizione di creare applicazioni web originali relative ai loro interessi ed attività di ricerca. La fase applicativa del corso verrà focalizzata sulla creazione di applicazioni web a carattere Immunoinformatico, volte alla predizione di epitopi B e T. Gli algoritmi di predizione utilizzati nei due casi (B e T), significativamente diversi tra loro, forniranno l'occasione per approfondire l'implementazione informatica di procedure di analisi sia di sequenze lineari che di strutture. Potranno dunque essere utilizzate da ogni studente come punto di partenza ed esempio per sviluppare applicazioni proprie nei rispettivi campi di interesse.
Verrà dedicata particolare attenzione e tempo alla verifica della effettiva acquisizione da parte degli studenti, durante il corso, degli skills necessari allo sviluppo di una applicazione web completa, fornendo le basi della programmazione necessarie all'elaborazione di dati biologici. Gli studenti acquisiranno inoltre una ottima conoscenza degli ultimi standard web, quali HTML5, CSS2 e 3, necessari allo sviluppo di front-ends dinamici e moderni.

Libri di testo:

Le basi dello sviluppo di pagine web sono bene illustrate nel testo:

"HTML, XHTML, and CSS, Sixth Edition: Visual QuickStart Guide" di Elisabeth Castro

Al termine di ogni lezione le diapositive utilizzate e eventuale materiale didattico aggiuntivo sono fornite agli studenti attraverso un'apposita cartella web a loro riservata.

Introduzione al corso.
Panoramica sulle piattaforme di Next-Generation Sequencing (NGS) e loro utilizzo in microbiologia.
Formati di file frequentemente utilizzati in analisi di dati NGS.
Interrogazioni di databases afferenti all International Nucleotide Sequence Database Collaboration (INSDC).
Manipolazione dei file e conversione fra formati ed estrazione dati tramite script ed interfacce web.
Valutazione della qualità dei risultati di un esperimento NGS.
Approcci analitici di dati NGS di microbiologia: read mapping e assemblaggio de novo.
Annotazione di genomi batterici e di virus procariotici.
Interfacce web utili per la bioinformatica dei microrganismi.
Studio di comunità microbiche.
Studio di evoluzione microbica.

Dispense del corso fornite dal docente

Programma: Struttura ed organizzazione del proteoma. Cenni sulle tecniche di base per studiare il proteoma cellulare (purificazione di proteine, elettroforesi monodimensionale e 2D, Western blot, immunoprecipitazione, immunoistochimica, sequenziamento con degradazione di Edman, principi di spettrometria di massa). Metodi avanzati per lo studio del proteoma. Modificazioni post-traduzionali delle proteine e loro significato fisio-patologico. Redox proteomica: metodologie per l’identificazione di proteine modificate ossidativamente. Applicazioni della proteomica per lo studio di base di sistemi procariotici ed eucariotici, per l'analisi delle interazioni tra ospite e patogeno e per la comprensione delle basi molecolari delle malattie.

Test in itinere: preparazione di una presentazione powerpoint di crca 20 minuti su un argomento scelto dal docente

Testo: Principles of Proteomics (2nd Edition). Autore Richard Twyman. Edito da Garland Science