ECTS - University of Pisa
Corso Integrato di Biologia e Genetica
CORE CURRICULUM
MODULO DI BIOLOGIA
Biologia della cellula
Biologia degli acidi nucleici
MODULO DI GENETICA
Genetica formale e post-mendeliana
Mutazioni
Genetica quantitativa e di popolazioni
Integrated course of Biology and Genetics
CORE CURRICULUM
BIOLOGY MODULE
Cell biology
• Characteristics of life, origin of life on Earth, classification of the living.
• Bacteria, Archaea and Eukarya: properties, strategies and evolution.
• Viruses as endocellular parasites.
• The chemical components of the cell.
• Composition, structure and functions of cell membranes.
• Diffusion and transport through the membrane.
• Communication between cells and signal transduction mechanisms.
• The intracellular compartments and the sorting of proteins.
• Vesicular traffic. The pathways of endocytosis and secretion. Intracellular digestion.
• The mitochondria, structure, origin and functions.
• The cytoskeleton and cell motility.
• The cycle and cell division: mitosis.
• Control of the cell cycle.
• Differentiation and cell death.
• Asexual and sexual reproduction, life cycles.
• The meiotic division.
• Origin and development of germ cells.
• Fertilization.
Nucleic acid biology
• Discovery and genetic role of DNA.
• The structure of chromatin and chromosomes, the karyotype.
• Organization and evolution of genomes.
• DNA replication.
• DNA repair and recombination mechanisms.
• The flow of genetic information.
• The structure of the gene in prokaryotes and eukaryotes.
• The different types of RNA, synthesis and maturation mechanisms.
• The ribosome and protein synthesis.
• The genetic code.
• The regulation of gene expression in prokaryotes.
• The regulation of gene expression in eukaryotes.
GENETICS MODULE
Formal and post-Mendelian genetics
• Genotypic and phenotypic variability: genes and environment.
• Basic mechanisms of heredity: Mendel's experiments and their chromosomal and molecular interpretation.
• Chi-square analysis and case influence on genetic data.
• Incomplete dominance, codominance, multiple alleles.
• Gene interaction, epistasis, modifying genes, lethal genes, atypical Mendelian relationships.
• Pleiotropy, position effect. Temperature and nutritional effects, penetrance and expressiveness.
• Gene anticipation. Genomic imprinting.
• Determination of sex and sex chromosomes.
• Characters limited or influenced by gender. Gene dosage compensation.
• Associated genes and crossing-over.
• Three-point crossing. Association maps, interference.
• Cytoplasmic inheritance. Mitochondrial genome.
Mutations
• Mutations. Classification and training mechanisms.
• Structural chromosomal mutations.
• Numerical chromosomal mutations.
• Extranuclear inheritance. Mitochondrial genome.
Quantitative and population genetics
• Polygenic and multifactorial characters. Additive alleles as the basis for continuous variation.
• Statistical methods for studying continuous characters.
• The heritability.
• Phenotypic variability, polymorphic characters.
• Genetic structure of a population, genotypic and allelic frequencies.
• Hardy-Weinberg's law and its applications.
• Natural selection, mutation, migration, genetic drift and crossbreeding: effects on allele frequencies.
• Evolutionary genetics.
Durante il corso verranno svolte esercitazioni nelle quali gli studenti affronteranno problemi di genetica sui meccanismi di trasmissione dei caratteri, mappatura genica, genetica quantitativa e di popolazione
Durante il corso verranno svolte prove settimanali di autovalutazione
during the course genetic excercize will be solved in classroom. Each week an autoevaluation test will be performed.
Alla fine del corso lo studente avrà acquisito una conoscenza approfondita sull'origine, classificazione, organizzazione strutturale e funzionale della cellula, controllo del ciclo cellulare e regolazione dell'espressione genica. Inoltre, avrà conoscenza dei meccanismi di gametogenesi e fecondazione, riproduzione asessuata e sessuata, meccanismi di trasmissione dei caratteri ereditari sia attraverso l'analisi mendeliana che post-mendeliana, meccanismi di determinalzione del sesso, eredità dei caratteri citoplasmatici, interazione genica, genetica quantitativa, componenti della varianza fenotipica e genetica di popolazione con particolare riferimento ai meccanismi di micro e macroevoluzione. Infine lo studente avrà anche acquisito conoscenze sulle mutazioni e sul loro ruolo motore nella generazione della variabilità genetica.
The student who successfully completes the course will be able to demonstrate advanced knowledge of cellular organization and function. He or she will be also able to demonstrate a solid knowledge of mendelian, molecular and population genetics. Moreover, the student will be aware of basic mechanisms of gene expression regulation as well as cell cycle regulation.
Conoscenza generale della struttura delle macromolecole che compongono la cellula.
general knowledge on biological macromolecules
Il corso si svolgerà attraverso lezioni frontali a distanza utilizzando il portale Microsoft Teams, mediante l'ausilio di slides e/o filmati che lo studente troverà a disposizione sul portale elearning.
the course will include lectures (in distance learning modality on Microsoft Team plarform), projection of power point presentation and of some didactic films. all the material is available on the e-learning portal
PROGRAMMA DETTAGLIATO DEL CORSO INTEGRATO DI BIOLOGIA E GENETICA
CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA
CANALE L-Z
1.Introduzione alla organizzazione del corso:
-il corso integrato
-programma del corso
-materiale didattico
-modalità di esame
-test diautovalutazione
2. introduzione allo studio della cellula
2.1 la teoria cellulare
2.2 Organizzazione gerarchica della materia vivente
2.3 tecniche di visualizzazione delle cellule
-microscopia ottica
-microscopia a fluorescenza
-microscopia elettronica a trasmissione ed a scansione
2.4 organismi procarioti ed eucarioti:
-i domini eukarya, bacteria ed archea
-relazioni evolutive tra bacteria ed archea de eukarya e archea
-i 5 regni del dominio eukarya
-meccanismi trofici e loro distribuzione dei 3 domini
2.5 le macromolecole costituenti le cellule:
-proteine: struttura primaria e legame peptidico; struttura secondaria, terziaria e quaternaria;
-gli zuccheri: i mono ed i polisaccaridi
-gli acidi nucleici (DNA ed RNA), struttura del nucleotide, struttura del singolo filamento, legame fosfodiesterico, struttura della doppia elica. Le proprietà fisiche del DNA (Il superavvolgimento, le sequenze palindromiche, la denaturazione/rinaturazione)
-i lipidi: acidi grassi, trigliceridi, fosfolipidi e glicolipidi; gli steroli
3. La struttura delle membrane biologiche
-composizione chimica delle membrane
-struttura del doppio foglietto lipidico
-asimmetria delle membrana e suo ruolo
-la fluidità di membrana ed il suo ruolo
-controllo della fluidità di membrana
-le proteine di membrana: integrali, periferiche e legate a lipidi
-i lipid raft, struttura e funzione
-Il modello a mosaico fluido e la mobilità delle proteine
-il cortex
-elenco generico delle funzioni delle proteine di membrana
-i glucidi di membrana, il glicocalice e la sua funzione
4. all’esterno della cellula
-la matrice extracellulare (cenni)
-la parete batterica dei Gram (+) e Gram (-) (struttura, biosintesi e funzione)
-la parete delle cellule vegetali (organizzazione strutturale, lamella mediana, parete primaria e secondaria, funzione)
-la chitina (cenni)
5.struttura ed organizzazione della cellula eucariotica
5.1 trattazione generale di tutti gli organuli
-dettagli sulla struttura, rappresentazione grafica e riconoscimento al microscopio elettronico.
5.2 il nucleo
-l’involucro nucleare
-I pori nucleari ed il complesso del poro
-la lamina e la matrice nucleare. I rapporti della lamina con il citoscheletro (il complesso LINK). La progeria di Hutchinson Gilford come esempio dell’importanza della lamina nucleare.
-organizzazione della cromatina, gli istoni e le proteine non istoniche
-la condensazione della cromatina, dal filo di perle al cromosoma. La struttura dei cromosomi e il significato dei cromatidi fratelli
-il nucleolo
5.3 il citoscheletro
-il citoscheletro componenti, e funzione generale
-i microtubuli, composizione, nucleazione ed instabilità dinamica.
-i centri di organizzazione dei microtubuli, la tubulina gamma ed il complesso TURC. Struttura del centrosoma.
-le Microtuble associated proteins (MAP). Elenco generale ed approfondimenti sul ruolo e meccanismo di funzionamento delle MAP motrici
-esempi di funzioni svolte dai microtubuli grazie alle proteine motrici e ruolo dei microtubuli nelle strutture statiche (cenni sulla struttura dell’assonema del ciglio)
-i microfilamenti, composizione biochimica (actina G e actina F)
- organizzazione tridimensionale dei filamenti di actina (rete lassa, fasci, ramificazione dendridica)
- le proteine che legano l’actina e le loro funzioni con approfondimenti per profillina, timosina, formina, Arp2/3, tropomiosina, actinina, fimbrina, filamina.
- le funzioni dei microfilamenti e le miosine
- il movimento ameboide
- il caso della motilità intracellulare della listeria
- i filamenti intermedi, esempi vari e richiami al caso della lamina nucleare
6. La cellula procariotica
-differenze con la cellula eucariotica
-ruolo della membrana plasmatica nel trasporto di elettroni
-richiami alla struttura e ruolo della parete batterica
-la capsula ed i biofilms
-il genoma ed i plasmidi
-il mesosoma
-eubacteria ed archea a confronto
7. agenti acellulari infettivi
7.1 cenni sui virus
-concetto di virus come agente infettivo acellulare
-struttura dei virus nudi e rivestiti
-il concetto del mimetismo molecolare nel riconoscimento virus-ospite
-concetto di specificità per l’ospite
-il processo generale di infezione virale e gli esempi di batteriofagi virulenti (Fago T4) e temperati (Fago lambda) per spiegare il ciclo litico e lisogeno
- il ciclo litico, descrione delle fasi e ruolo dei geni precoci, intermedi e tardivi
- il ciclo lisogeno, l’integrazione del profago e la escissione con il fenomeno della trasduzione specializzata
-modalità di ingresso dei virus nelle cellule procariotiche
-ciclo vitale dei virus eucariotici a DNA ed RNA
-concetto di virus oncogeni
-i viroidi degli organismi vegetali (cenni)
7.2 i prioni
-concetto generale ed esempio della proteina PrPc
-il concetto della semina infettiva
8 Le funzioni della membrana plasmatica
8.1 il trasporto di membrana
- concetto di osmosi e gradiente
- meccanismi di trasporto passivo, diffusione semplice e facilitata, il caso del glucosio
- meccanismi di trasporto attivo diretto: pompe di tipo P, V, F ed ABC
- meccanismi di trasporto attivo indiretto. il caso del cotrasporto sodio glucosio
8.2 adesione e giunzioni cellulari
- le molecole di adesione (caderine, ig-CAM, connessine, integrine, selectine, claudine, occludine)
- adesione transitoria (l’esempio del rolling e dell’extravasazione dei leucociti)
- adesione stabile, le giunzioni tra cellule (occludenti, aderenti, comunicanti)
8.3 la trasduzione del segnale
- meccanismi di comunicazione tra cellule (giunzioni comunicanti e segnalazione ligando recettore)
- la segnalazione ligando recettore: il fenomeno della trasduzione del segnale, concetto di secondo messaggero e amplificazione del segnale
- modalità di comunicazione tra cellule (autocrino, justacrino, paracrino, neuronico, endocrino, neurocrino)
-recettori intracellulari e di membrana
- struttura e meccanismo di funzionamento dei recettori intracellulari
- i recettori associati a proteine G: struttura del recettore e delle proteina G trimeriche e loro meccanismo di attivazione/disattivazione.
-Gli effettori delle proteine G.
- La cascata di trasduzione della adenilato ciclasi: esempio del glucagone nel fegato e della adrenalina nel muscolo
- La cascata di trasduzione della fosfolipasi C: gli inositoli di membrana e l’omeostasi del calcio
- i recettori con attività chinasica
- recettori con attività tirosin chinasica e loro meccanismo di trasduzione del segnale: esempio della cascata di Ras.
- attivazione di vie multiple di segnalazione, il caso del recettore della insulina
- confronto tra l’attività dell’insulina e del glucagone
- i recettori con attività serina/treonina chinasica: il caso del TGF beta.
- spegnimento del segnale e meccanismi di desensitizzazione
9. organizzazione del genoma
- definizione di genoma
- paradosso del valore c e g
- il concetto di gene
- definizione di LOCUS
- il flusso della informazione genica
- il numero di geni non correla con le dimensioni del genoma
- struttura del gene procariotico e concetto degli operoni
- struttura del gene eucariotico, concetto di esoni ed introni
- ruolo degli introni.
- classificazione dei geni sulla base del numero di copie
- varianti alleliche, concetto e meccanismi di generazione
- concetto di diploidia ed il cariotipo
- genotipo
- fenotipo
- concetto di dominanza completa ed incompleta
- analisi dei meccanismi che determinano il fenomeno della dominanza
- classificazione del DNA sulla base del livello di ripetitivita’ e organizzazione delle ripetizioni (DNA moderatamente ripetuto e altamente ripetuto).
- Concetto e meccanismo di traslocazione di trasposoni e retrotrasposoni
- polimorfismi dei mini e microsatelliti in genetica forense
10. La replicazione e la riparazione del DNA
- concetto di replicazione semiconservativa
- le origini di replicazione
- fase di pre-inizio: apertura della bolla, ruolo delle elicasi delle single strand binding proteins e delle topoisomerasi
- le caratteristiche delle DNA polimerasi
- fase di inzio: la sintesi dell’innesco ad RNA
- fase di allungamento: la sintesi del filamento anticipato e di quello ritardato, la rimozione degli inneschi e la attività della ligasi
- fase di terminazione: la decatenazione nei procarioti, la sintesi dei telomeri negli eucarioti
- il ruolo dei telomeri e loro organizzazione strutturale
- danno spontaneo al DNA: tautomeri, espansione di triplette, reazioni di idrolisi
- danno indotto al DNA da agenti chimici: analoghi delle basi, modificatori, intercalanti
- danno indotto al DNA da agenti fisici: raggi UV, raggi X
- meccanismi di riparazione del danno error free: fotoriattivazione, BER, NER
- meccanismi di riparazione del danno error prone: NHEJ, SDSA, HR
11. la divisione cellulare mitotica
- le fasi della mitosi
- assemblamento del fuso
- trasporto dei cromosomi alle estremità (+) dei microtubuli
- separazione dei cromatidi fratelli
- il meccanismo della citodieresi
12. la trascrizione
- Il flusso della informazione genica
- il concetto della trascrizione
- le fasi della trascrizione
- meccanismo di trascrizione nei procarioti: struttura del promotore, struttura della RNA polimerasi, il fattore sigma ed il concetto dell’inizio abortivo, meccanismo di terminazione rho dipendente e rho indipendente
- meccanismo di trascrizione negli eucarioti: le diverse RNA polimersi, gli elementi in cis, struttura dei promotori della POL II, i fattori trascrizionali generali e l’assemblamento del complesso di pre-inizio della POL II, l’evasione dal promotore della POL II e la fase di terminazione della POL II
13. la maturazione
- Differenze tra procarioti ed eucarioti
- la maturazione dell’mRNA: il cappuccio al 5’, la coda di poli-A lo splicing
- i tipi di introni
- assemblamento dello splicesoma e processo di splicing
14.la traduzione
14.1 il codice genetico
- caratteristiche del codice genetico (universalità, degenerazione, non ambiguità)
14.2 la traduzione
- i ribosomi
- la biosintesi dei ribosomi ed il nucleolo
- i tRNA ed i tRNA isoaccettori
- le amminoacil tRNA sintetasi
- l’assemblamento del complesso traduzionale nei procarioti
- l’assemblamento del complesso traduzionale negli eucarioti
- fase di allungamento
- fase di terminazione
- i poliribosomi
- le ragioni della degenerazione
- le modificazioni post-traduzionali
14.3 lo smistamento delle proteine
- i segnali di localizzazione
- l’ingresso nel RER, la N-glicosilazione, il controllo di qualità
- l’importazione nel nucleo
15. Le mutazioni puntiformi
- Introduzione alle mutazioni
- classificazione delle mutazioni (somatiche/germinali; puntiformi/cromosomiche)
- classificazione delle mutazioni puntiformi in base a: posizione, effetto sul prodotto proteico, effetto sul fenotipo
- meccanismi di controllo della qualità dei messaggeri
16. Il mitocondrio
- struttura del mitocondrio: le sue membrane ed i suoi compartimenti
- il genoma mitocondriale ed il fenomeno della eteroplasmia
- struttura del network mitocondriale
- meccanismi di fusione e fissione
- ruolo della fissione e fusione nel mantenimento della omogeneità genetica e nel controllo della qualità mitocondriale
- compartimentalizzazione intramitocondriale
- meccanismi di importo nel mitocondrio delle proteine codificate da geni nucleari
17. il metabolismo cellulare
- Metabolismo autotrofo, eterotrofo e chemioautotrofo
- Reazioni anaboliche e cataboliche
- Reazioni cataboliche, reazioni di ossidoriduzione, concetto di elettronegatività
- l’ossidazione del glucosio
- concetto di respirazione incontrollata o controllata
- i trasportatori degli elettroni
- le deidrogenasi
- le tappe della respirazione cellulare: glicolisi, decarbossilazione ossidativa del piruvato, ciclo di krebs.
- La catena di trasporto degli elettroni, struttura dei complessi e generazione del gradiente protonico
- La atp sintetasi e il meccanismo della fosforilazione ossidativa
- Il concetto di accoppiamento/disaccoppiamento
- La fermentazione in anaerobiosi
18. origine della vita sulla terra
-la teoria del brodo primordiale e del mondo ad RNA
-la teoria delle sorgenti idrotermali sottomarine
-evoluzione della cellula eucariotica: l’ipotesi della serie di eventi simbiotici di Lynn Margulis; l’ipotesi dell’idrogeno e della sintrofia di Martin e Muller
-evoluzione del sistema endomembranoso
-l’origine degli organismi autotrofi
-il trasferimento genico orizzontale
19. i meccanismi riproduttivi/meiosi, gametogenesi e fecondazione
19.1 i meccanismi riproduttivi
- il concetto di riproduzione
- riproduzione asessuata: varie modalità
- partenogenesi
- riproduzione sessuata ed i gameti
- caratteristiche e confronto dei vantaggi e svantaggi tra le modalità riproduttive.
- meccanismi di parasessualità nei batteri (trasformazione/coniugazione/ trasduzione)
19.2 la meiosi
- la meiosi concetti generali
- la profase meiotica prima: il crossing over e la conversione genetica
- la metafase e la anafase meiotica prima e l’assortimento indipendente
- la meiosi seconda
- esercitazione sulla meiosi
19.3 la gametogenesi ed i cicli vitali
- gametogenesi maschile
- le protammine
- l’imprinting genetico
-differenze tra gametogenesi maschile e femminile
- i cicli vitali aplonte, diplonte e aplodiplonte
19.4 La fecondazione
- le fasi della fecondazione
- i meccanismi di inibizione della polispermia
20. le mutazioni cromosomiche
- Mutazioni per variazione nella struttura dei cromosomi: inversioni, delezioni, traslocazioni, duplicazioni
- Mutazioni per variazione nel numero dei cromosomi: aneuploidie, poliploidie
-origine delle poliploidie e aneuploidie
21 la genetica Mendeliana:
21.1 gli esperimenti di Gregorio Mendell
- il sistema modello sperimentale
- l'approccio sperimentale
- gli incroci monoibridi
- gli incroci reciproci
- la legge della dominanza, il principio della segregazione
- il quadrato di Punnet.
- spiegazione molecolare del fenotipo forma del seme in pisum sativum.
- Esercizi su incroci monoibridi.
- Gli incroci diibridi
- il principio dell'assortimento indipendente.
21.2 l’indipendenza e l’associazione totale o parziale
21.3 Analisi statistica della ipotesi testata: il test del chi quadrato.
- esercizi su incroci diibridi
21.4 schema e svolgimento di esercizi su caratteri indipendenti
22 Estensione alla analisi mendeliana (parte 1)
22.1 estensione del principio dell'assortimento indipendente:
- Gli esperimenti di Morgan.
- L'ipotesi del crossing-over
- la frequenza di ricombinazione e la mappatura genica
- calcolo della probabilità di un doppio crossing over
22.2 Il metodo della mappatura a 3 punti.
- l'esempio del mais di concatenazione su un autosoma
- il fenomeno della interferenza tra crossing-over
- esercitazioni su mappatura genica ed associazione
23 il ciclo cellulare e la sua regolazione
- il ciclo e le sue fasi
- i punti di transizione
- cicline e proteine chinasi ciclina dipendenti
- gli inibitori delle chinasi ciclina dipendenti
- i fattori di crescita nella transizione G1-S (via di Ras, via di AKT, il TGF beta)
- cdk4-ciclina D, Rb, E2F nella transizione G1-S
- attivazione dei complessi CDK2-ciclina A
- meccanismo di autorizzazione alla replicazione
- attivazione dei complessi CDK1-ciclina B e la transizione G2-M
- le attività del complesso CDK1-ciclina B
- il complesso che promuove l’anafase
- la separazione dei cromatidi fratelli
- trtansizione APC-cdc20 / APC-cdh1
- il controllo da danno al DNA
24 La senescenza e la morte cellulare
-significato evolutivo di senscenza e morte cellulare
-la senescenza cellulare, caratteristiche morfologiche fisiologiche, immunologiche e molecolari
-la apoptosi caratteristiche morfologiche fisiologiche, immunologiche e molecolari
-ruolo della apoptosi nello sviluppo embrionale
-meccanismi molecolari che guidano il processo di morte apoptotica: la via estrinseca e la via intrinseca
-la necrosi
25 il traffico vescicolare
25.1 struttura ed organizzazione funzionale del golgi
- I siti di uscita dal RER (ERES)
- l’ Endoplasmic Reticulum-Golgi Intermediate Compartment (ERGIC)
- organizzazione funzionale del Golgi (CGN-cisterna cis-cisterne mediane- citerna trans-TGN)
- modelli alternativi di origine dell’apparato del Golgi
25.2 i meccansmi si formazione caricamento e fusione delle vescicole
- modalità di raggruppamento delle proteine destinate allo stesso organulo
- meccanismo di formazione delle vescicole
- complessi di rivestimento delle vescicole (COP I; COP II, Clatrina, il retromero)
- le GTPasi nel reclutamento dei complessi di rivestimento
- proteine RAB, proteine di ormeggio, v-SNARe e t-SNAre nella fusione delle vescicole
25.3 il traffico vescicolare dal TGN.
- secrezione costitutiva.
- secrezione regolata.
- vescicole conteneti enzimi lisosomiali.
25.4 l’endocitosi e fagocitosi. E
- ndocitosi generalizzata. endocitosi mediata da recettore.
- la transcitosi.
- la fagocitosi ed il processo di opsonizzazione
25.5 la autofagia
- macroautofagia
- microautofagia
- autofagia medianta da chaperones
25.6 il compartimento endosomiale
- l’endosoma precoce
- il processo di acidificazione
- il compartimento di riciclo
- il corpo multivescicolare
- la digestione extracellulare
26 il reticolo endoplasmatico liscio
Funzioni del REL
Ruolo nella sintesi di lipidi
Ruolo nella compartimentalizzazione del calcio (esempio della fibra muscolare scheletrica)
Ruolo nella glicogenolisi
Le fasi della detossificazione da xenobiotici
Gli enzimi di detossificazione e la loro variabilità genetica
La fase I di detossificazione ed i citocromi p450
La fase II, lesempio del paracetamolo
La fase III
Meccanismi che regolano l’espressione degli enzimi di detossificazione
27 i perossisomi
28 l’evoluzione
- dalla teoria creazionistica alla evoluzione delle specie attraverso selezione naturale (Darwin-Wallace)
- mutazioni, selezione ed adattamento
- selezione naturale vs selezione artificiale, il potere dei fattori regolatori
- proiezione di filmati didattici:
OriginSpecies-Theory
natural_selection and adaptation
PoppedSecret
29 la regolazione dell’espressione genica
29.1 il significato della regolazione della espressione genica
-Il concetto della equivalenza dei genomi
-Il diverso concetto della regolazione della espressione genica in eucarioti e procarioti
-Il concetto della regolazione a livello trascrizionale, il controllo negativo ed il controllo positivo
29.2 la regolazione della espressione genica nei procarioti
-il concetto e la struttura dell’operone
-tipi di operoni
29.3 operone lattosio
-struttura dell’operone lattosio
-regolazione negativa dell’operone lattosio
-l’esperienza di Jacob e monod e i diploidi parziali
-il controllo positivo dell’operone lattosio
29.4 l’operone triptofano
-il controllo negativo dell’operone triptofano
-il fenomeno della attenuazione
29.5 la regolazione dell’espressione genica negli eucarioti
-I livelli di regolazione della espressione genica
29.6 accessibilità alla cromatina
-i fattori di rimodellamento della cromatina
-modificazioni post-traduzionali degli istoni, il codice isonico, il mantenimento delle modificazioni
-la metilazione del DNA e meccanismo di mantenimento della metilazione
29.7 l’epigenetica, concetto e ruolo
-la metilazione del DNA nello sviluppo delle api
-il thrifty phenotype
-le paramutazioni e gli epialleli, il caso del locus b1 del mais
29.8 il controllo della efficienza trascrizionale
-gli elemeti di controllo prossimali e distali
-gli attivatori ed i repressori trascizionali
-il ruolo degli isolatori
-il modello combinatorio della espressione genica
29.9 il controllo della maturazione dell’mRNA: lo splicing alternativo
29.10 controllo della emivita dell’mRNA e controllo della efficienza traduzionale
-vie di degradazione degli mRNA
-la coda di poliA e la poliadenilazione citoplasmatica
-elementi regolatori nelle 5’ e 3’UTR: il caso del recettore della trasferrina e della ferritina
29.11 il controllo post-traduzionale
-richiamo alle modificazioni post traduzionali delle proteine e del loro ruolo regolatorio
-l’ubiquitinazione ed il proteasoma
29.12 L’interferenza dell’RNA
-concetto e funzioni generali
-le piccole molecole di RNA interferenti (siRNA, miRNA, piRNA)
29.13 i siRNA
-meccanismo di generazione e funzionamento
-i siRNA primari e secondari, le RdRPs ed il silenzimanto co-trascrizionale, i complessi RITS e ruolo del siRNA nella regolazione epigenetica
-la diffusione dei siRNA nell’organismo
29.14 i miRNA
-meccanismo di generazione e funzionamento
-il concetto di network dei miRNA
29.15 i piRNA
29.16 i long non coding RNA, il caso di X-ist (vedi fenomeno di compensazione del dosaggio
30 La determinazione del sesso
30.1 meccanismi di determinazione del sesso
- il sistema genico, cromosomico ed ambientale
30.2 la determinazione del sesso nei mammiferi
- il ruolo e la struttura e l’evoluzione del cromosoma Y
- la compensazione del dosaggio
30.3 la determinazione del sesso in Drosofila
- meccanismo molecolare della determinazione del sesso
- meccanismo molecolare della compensazione del dosaggio
31 trasmissione dei Caratteri x-linked
- esercitazioni su caratteri x-linked
32 l’eredità citoplasmatica
- eredità in linea materna dei genomi extranucleari: il caso della bella di notte, il caso del clamydomonas
- meccanismi di eliminazione dei genomi mitocondriali del gamete maschile
- meccanismi di controllo dell’eteroplasmia e della qualità mitocondriale a livello somatico e durante l’ovogenesi
- L’effetto materno
33 la allelia multipla, l’esempio del gruppo sanguigno AB0
-aspetti genetici, biochimici ed immunologici
-il fenotipo bombay
34 l’interazione genica
- interferenza semplice
- epistasi
- test di complementazione
- esercitazione su epistasi e complementazione
35 la pleiotropia
- l’esempio di frizzled
36 l’influenza ambientale
-caratteri limitati al sesso
-caratteri influenzati dal sesso
- la penetranza
- l’espressività
- la norma di reazione
37 La genetica quantitativa
- caratteri continui e discontinui
- gli esperimenti di Nillson sul colore della cariosside del grano
- gli istogrammi di frequenza
- la media e la deviazione standard
- studio della distribuzione fenotipica mediante metodiche di genetica quantitativa incrociando popolazioni diverse
- le componenti della varianza fenotipica
- l’ereditabilità e la risposta alla selezione
- esercizi di genetica quantitativa
38 genetica di popolazione
-le frequenze alleliche e genotipiche,
- le condizioni e le conseguenze della legge di Hardy weinberg
- La microevoluzione: la mutazione, la migrazione, la deriva genetica, l'accoppiamento non casuale e la selezione naturale.
- Esempi di selezione naturale,
- la selezione sessuale
- La macroevoluzione, ipotesi e modelli
- l'isolamento riproduttivo e la nascita di una nuova specie
-la speciazione del genere Homo
39 la genetica del colore della pelle
- un esempio di interazione genica, pleiotropia, multiallelia, selezione naturale, interazione genotipo ambiente
- i melanociti, la melanina ed il colore della pelle
- Meccanismi genetici alla base della colorazione della pelle
- Proiezione e commento del video "skin color"
DETAILED PROGRAM OF THE BIOLOGY AND GENETICS COURSE
DEGREE IN MEDICINE AND SURGERY
L-Z CHANNEL
1.Introduction to the course
-program
-didactic material
-evaluation of competences
-ongoing tests
-self-evaluation tests
2.1 the cellular theory
2.2 gerarchical organization of life
2.3 techniques of cell imaging
-optic microcsopy
-fluorescence microscopy
-transmission and scansion electron microscopy
2.4 prokaryotes and eukaryotes
-eukarya, bacteria, archea
-evolutive relationship between bacteria and eukarya and between eukarya and archea
-the 5 kingdom of eukarya domain
-tropism in the three domains
2.5 the macromolecules of the cell
-proteins: primary structure and the peptide bond; secondary, tertiary and quaternary structure
-the carbohydrates: mono- and poly-saccharides
-the nucleic acids (DNA and RNA), structure of the nucleotide, structure of the single strand, phosphodiester bond, structure of the double strand,. Physic properties of DNA (supercoiling, palindromic sequences, denaturation renaturation)
-the lipids: fatty acids, triglycerides, phospholipids and glycolipids, sterols
-chemical composition
-structure of the lipid bilayer
-membrane asymmetry and its role
-the control of membrane viscosity
-membrane proteins: integral membrane proteins, peripheric membrane protein and lipid-bound proteins
-the lipid rafts
-fluid mosaic model and protein mobility
-the cortex
-generality on membrane protein function
-the membrane carbohydrates; the glycocalyx
-the extracellular matrix (nods)
-Gram(+) and Gram è-) bacterial wall (structure, biosynthesis and function)
-plant cell wall (structural organization, middle lamella, primary and secondary wall
-the chitin (nods)
5.1 general overview of all the organelles
-structural details, graphic representation and identification under electron microscope
5.2 the nucleus
-nuclear envelope
-nuclear pore and the pore complex
-nuclear lamina and nuclear matrix. Relationship between nuclear lamina and cytoskeleton (the LINK complex). The Hutchinson Gilford progeria, an example of the importance of nuclear lamina
-chromatin organization, the histones and non-histone proteins
-chromatin condensation, from beads on a string to the chromosome. Chromosome structure and the sister chromatids.
-the nucleolus
5.3 the cytoscheleton
- components and general function
- microtubes, composition, nucleation and dynamic instability
- microtube organization centers, gamm-tubulin and TURC complex. The structure of centrosome
- Microtube associated proteins (MAP). General overview and mechanism of action of motor MAPs
-examples of microtubes functions in organelle movement and role of microtubes in static structures (nods about cilium axoneme)
-the microfilaments, biochemical composition (actin G and F)
- tridimensional organization of actin filaments (net, beam, dendritic ramification)
-actin binding proteins and their function with paeticular emphasis on profillin, timosin, formin, Arp2/3, tropomyosin, actinin, fimbrin and filamin
- function of microfilaments and myosin
-ameboid movement
-the case of intracellular mobility of listeria
-intermediate filament, some examples and reference to the nuclear lamin
-differences between eukaryotic and prokaryotic cells
-role of cell membrane in electron transport
-reference to bacterial wall
-bacterial capsule and biofilms
-bacterial genome and the plasmids
-the mesosoma
-comparison between bacteria and archea
7.1 the viruses (nods)
-viruses are acellular infetious agents
-structure of naked and envelope viruses
-the concept of molecular mimicry and host-virus recognition
-the host specificity
-general process of viral infection. Virulent (T4 phage) and temperate (lambda Phage) bacteriophages as examples for lytic and lysogenic cycles.
-lytic cycle, descriprion of the phases, role of early intermediate and late genes
-lysogenic cycle, prophage integration and excision, the specialized transduction
-mechanisms of viral particle intake into procaryotic cells
-life cycle of eukaryotic DNA and RNA viruses
-oncogenic viruses (nods)
-viroids of plant cells (nods)
7.2 the prions
-general concepts and the case of PrPc protein
-the concept of prion replication mechanism
8.1 membrane transport
-concept of osmosis and gradient
-mechanisms of passive transport, diffusion and facilitated diffusion. The case of glucose
-mechanisms of primary active transport, P, V, F and ABC pump
-mechanisms of secondary active transport, the co-transport sodium/glucose
8.2 cell junction and adhesion
-molecules for adhesion (caderin, ig-CAM, connexin, integrin, selectin, cluudin, occludin)
-transitory adhesion (the example of leukocyte rolling and extravasation)
.static adhesion, cellular junctions (occluding, adherent, communicating junctions)
8.3 signal transduction
-mechanisms of communication between cells (GAP junctions and ligand/receptor communication)
-ligand/receptor communication: the phenomenon of signal transduction, the concept of second messenger and signal amplification
- modalities of communication between cells (autocrine, justacrine, paracrine, neuronic, endocrine and neurocrine)
-intracellular and membrane receptors
-structure and mecahnism od action of intracellular receptors
-G protein coupled receptors: structure of receptors and trimeric G proteins and mechanisms of activation/dissactivation
-the effectors of G protein
-the transduction cascade of adenylate cyclase: the example of glucagon in the liver and adrenalin in the muscle
-the transduction cascade of fosfolipase C: membrane inositoles and calcium intracellular homeostasis
-receptors with intrinsic kinase activity
-tyrosine kinase receptors and their mechanisms of transduction: the Ras cascade
-multiple cascade activation: the example of insulin receptor
-comparison between insulin and glucagone action
-serine/threonine kinase receptors: the case of TGF beta
-signal disactivation and mechanisms of desensitization
-definition of genome
-G and C values paradigm
-the concept of gene
-definition of LOCUS
-central dogma of molecular biology
-number of genes did not correlates with genome size
-prokaryotic gene structure and the operons
-eukaryotic gene structure, introns and exons
-role of introns
-gene classification on the basis of gene copy number
-the alleles
-concept of diploidy and the karyotype
-the genotype
-the phenotype
-concept of complete and not-complete dominance
-mechanisms at the basis of allele dominance
-DNA classification on the basis of its repetitiveness and organization of the repetitions
-transposons and retro-transposons
-polymorphisms of mini and micro satellites in forensic genetics
10 DNA replication and repair
-concept of semiconservative duplication
-the replication origins
-preinitiation phase: opening of the replication bubble, role of helicases, single strand binding proteins,and topoisomerases
-initiation phase: the synthesis of RNA primer
-elongation phase: leading and lagging strands, the removal of primers and the ligase enzyme.
-termination phase: deconcatenation in prokaryotes; telomere elongation in eukariotes
-telomere structure and role
-spontaneous DNA damage: tautomers, triplets expansion, hydrolysis reactions
-chemical induced DNA damage: base analogs, base modifiers, DNA intercalators
-physical DNA damage: UV rays, X-rays
-error-free DNA repair mechanisms: photoreactivation, BER, NER
-error-prone DNA repair mechanisms: NHEJ, SDSA, HR
-phases of mitosis
-mitotic spindle assembly
-transport of chromosomes at the plus end of microtubles
-sister chromatids segregation
-cytokinesis
-concept of transcription
-phases of transcription
-transcription in prokariotes: promoter structure, RNA polymerase structure, sigma factor, the abortive initiation, mechanisms of termination rho-dependent and rho-independent
-transcription in eukaryotes: different types of RNA polymerases, cis elements, structure of POLII promoter, general and specific transcription factors, formation of the pre-initiation complex of POLII, promoter evasion of POLII and transcription termination of POLII.
-differences between eukaryotes and prokaryotes
-mRNA maturation: 5’ cap, polyA tail and splicing
-types of introns
-splicesome assembly and splicing process
14.1 the genetic code
-features of the genetic code (universal, redundant, not-ambiguous)
14.2 mechanism of translation
-the ribosomes
-biosinthesys of ribosomes and the nucleolus
-tRNA and iso-acceptor tRNA
-the aminoacyl-tRNA-synthases
-assembly of the translation complex in prokaryotes
-assembly of the translation complex in eukaryotes
-elongation
-termination
-the polyribosomes
-reason for redundancy
-post-translational modifications
14.3 protein sorting
-localization signals
-sorting to the RER, N-glycosylation, the control of protein quality
-sorting to the nucleus
15- point mutations
-introduction to mutations
-classification of mutations (somatic/germinal; point mutation/chromosomal mutations)
- classification of point mutations on the basis of: position; effect on the protein product; effect on the phenotype
- control mechanisms of mRNA quality
16 the mitochondrion
--structure of the mitochondrion: its membranes and its compartments
-mitochondrial genome and mitochondrial heteroplasmy
- the mitochondrial network
-mechanism for mitochondria fission and fusion
-role of fission and fusion in the maintenance of genetic homogeneity and in the control of mitochondrial quality
-intramitochondrial compartmentalization
-sorting of cell nucleus coded proteins to the mitochondria
17 cell metabolism
-autotrophic, heterotrophic and chemoautotrophic metabolism
-anabolic and catabolic reactions
-catabolic reactions, redox reactions, the electronegativity
-glucose oxidation
-controlled and uncontrolled respiration
-the electron transporter
-the dehydrogenases
-phases of cell respiration: glycolysis, oxidative decarboxylation of pyruvate, Krebs’s cycle
-the electron transport chai, structure of the electron transport complexes and formation of the proton gradient
-ATP synthase and the mechanism of oxidative phosphorylation
-the concept of coupling/uncoupling
-fermentation reactions
-primordial broth theory and the RNA word
-submarine hydrothermal spring theory
-eukaryotic cells evolution: the hypothesis of serial symbiosis of Luynn Margulis; the hydrogen and syntropy hypothesis of Martin and Muller
-evolution of endoplasmic system
-origin of autotrophic organisms
-horizontal gene transfer
19.1 the reproductive mechanisms
-the concept of reproduction
-sexual and asexual reproduction: different modalities
-the parthenogenesis
-sexual reproduction and the gametes
-advantages and disadvantages of sexual and asexual reproduction
-parasexual mechanisms in bacteria (transformation, conjugation, specialized transduction)
19.2 the meiosis
- general concepts
-meiosis I prophase: the crossing over and genetic conversion
-meiosis I metaphase and anaphase, the principle of independent assortment
-meiosis II
-exercise on meiosis
19.3 gametogenesis and life cycles
-male gametogenesis
-the protammines
-the genetic imprinting
-differences between male and female gametogenesis
-the life cycles: Haploid, diploid, alternation of generations
19.4 the fertilization
-phases of fertilization
-mechanisms for the inhibition of polyspermy
-chromosome structure mutations: inversions, deletions, translocations, duplications
-chromosome number mutations: aneuploidy, polyploidy
-origin of aneuploidy and polyploidy
21.1 Gregorio Mendel’s experiments
-the model system
-the experimental design
-monohybrid crosses
-reciprocal crosses
-the dominance rule, the principle of segregation
-the Punnet square
-molecular explanation of the seed shape in Pisum Sativum
-exercises on monohybrid crosses
-dihybrid crosses
-the principle of independent assortment
21.2 independent and linked genes, total and partial linking
21.3 statistical analysis of the proposed hypothesis: the c2 test
-exercises on dihybrid crosses
21.4 scheme and execution of exercises on independent characters
22 exceptions to mendelian inheritance rules (part 1)
22.1 exception to the rule of independent assortments
-the Morgan’s experiments
-the hypothesis of crossing-over
-recombination frequency and gene mapping
-probability of a double crossing-over
22.2 the method of three point mapping
- linkage on an autosome, the example of corn
-interference between crossing-overs
-exercises on three point mapping
-cell cycle and its phases
-restriction points
-cyclins and cyclin-dependent kinases
-inhibitors of cyclin-dependent kinases
- growth factors and G1-S transition (the Ras cascade, the AKT cascade, the beta-TGF)
- cdk4-cyclin D, Rb and E2F in G1-S transition
- activation of CDK2-cyclin A
- the mechanism of the authorization to DNA replication
- activation of CDK1-cyclin B and the G2-M transition
- the activities of CDK1-cyclin B complex
- the anaphase promoting complex
- segregation of sister chromatids
- the transition APC-cdc20 / APC-cdh1
- DNA damage-dependent control
- evolutive meaning of cell senescence and death
- cellular senescence, morphological, physiological, immunological and molecular features
- molecular, morphological, immunological and physiological features of apoptosis
- role of apoptosis in embryonic development
- molecular mechanisms of apoptotic cell death: extrinsic and intrinsic cascades
- the necrosis
25.1 structure and functional organization of Golgi apparatus
- the RER exit sites (ERES)
- the Endoplasmic Reticulum-Golgi Intermediate Compartment (ERGIC)
- functional organization of Golgi (CGN- cis cistern- intermediate cistern- trans cistern – TGN)
- alternative models for Golgi origin
25.2 mechanisms for the formation, loading and fusion of vesicles
- models for protein sorting in vesicle tagged to the same organule
- mechanism of vesicle formation
- the coating complex (COP I; COP II, Clatrin, the retromer complex)
- role of GTPases in recruiting the coating complex
-RAB proteins, anchoring proteins, v-SNARe and t-SNAre in vesicle fusion)
25.3 vesicle trafficking from TGN
- costitutive secretion
- regulated secretion
- vesicle loaded with lysosomal enzymes
25.4 endocytosis and phagocytosis
- general endocytosis. Receptor-mediated endocytosis
- the transcytosis
- phagocytosis and the opsonization
25.5 the autophagy
- macroautophagy
- microautophagy
- chaperon mediated autophagy
25.6 the endosome compartment
- early endosome
- acidification of endosome
- the recycling compartment
- the multivesicular body
- extracellular digestion
- Functions of SEM
- lipid synthesis
- calcium compartimentalization ( the example of musce fiber)
- glycogenolysis
- phases of xenobiotic detoxification
- the enzymes of detoxification and their genetic variability
- detoxification phase I: the p450 cytochromes
- detoxification phase II: the example of paracetamol
- detoxification phase III
- mechanisms that regulate the expression of detoxification enzymes
28 the evolution
- From the creationistic theory to the species evolution through natural selection (Darwin-Wallace)
- mutations, selection and adaptation
- natural vs artificial selection, the power of regulation factors (master genes)
- projection of didactic material:
OriginSpecies-Theory
Natural selection and adaptation
PoppedSecret
29.1 general concepts
- the equivalence of the genomes
- conceptual differences between prokaryotic and eukaryotic gene expression regulation mechanisms
- the transcriptional regulation: the positive and negative control
29.2 gene expression regulation in prokaryotes
- the operon, structure, function
- types of operons
29.3 the lac operon
- structure of lac operon
- negative regulation of lac operon
- experiments of Jacob e Monod and the partial diploids
- positive control of lac operon
29.4 the trp operon
- negative control of trp operon
- the attenuation
29.5 gene expression regulation in eukaryotes
-levels of regulation
29.6 accessibility to chromatin
- chromatin remodeling factors
- post-translational modifications of histones, the histone code, the maintenance of modifications
- DNA methylation and its mechanism of maintenance
29.7 the epigenetics, concept and role
- methylation of DNA in bee development
- the thrifty phenotype
- paramutations and epialleles, the case of locus b1 in corn
29.8 the control of transcriptional efficiency
- proximal and distal control elements
- transcriptional activators and repressors
- the role of isolators
- combinatory model for expression regulation
29.9 control of mRNA maturation: the alternative splicing
29.10 control of mRNA half-life
- mRNA degradation mechanisms
- the poly-A tail and cytoplasmic polyadenylation
- regulatory elements in 5’ and 3’ UTR: the case of transferrin receptor and ferritin
29.11 post-translational control
- recall to post-translational modifications of proteins and their regulative role
- ubiquitination and the proteasome
29.12 RNA interference
- concept and general function
- small interfering RNA molecules (siRNA, miRNA, piRNA)
29.13 the siRNAs
- mechanism of generation and functioning
- primary and secondary siRNAs, the RdRPs and the co-transcriptional silencing. The RITS complex and role of siRNA in epigenetic regulation
- siRNA spreading in the organism
29.14 the miRNAs
- mechanism of generation and functioning
- the miRNA network
29.15 the piRNAs
29.16 the long non-coding RNAs, the case of Xist (please see the chapter on dosage compensation)
30.1 mechanisms of sex determination
- gene system, chromosomic system and environmental system
30.2 sex determination in mammals
- role, structure and evolution of Y chromosome
- dosage compensation strategy
30.3 sex determination in drosophila
- molecular mechanism of sex determination
- dosage compensation strategy
31- X-linked inheritance
- Exercises on X-linked characters
32- cytoplasmic inheritance
- uniparental inheritance of extranuclear genomes: the case of Mirabilis jalapa and the case of Chlamydomonas
- mechanisms for the elimination of mitochondrial genomes in male gametes
- mechanisms for heteroplasmy and mitochondrial quality control during ovogenesys
- the maternal effect
- genetic, biochemical and immunological aspects of AB0 blood group
- the Bombay phenotype
- additive interaction (please see quantitative traits)
- epistasis (recessive, dominant, duplicate recessive, duplicate dominant)
- complementation test
35 pleiotropy
-the case of frizzled gene
- sex-limited traits
- sex-influenced traits
- the penetrance
- the expressiveness
- continuous and discontinuos traits
- Nillson’s experiments on wheat caryopsis colour
- frequency histograms
- mean value and standard deviation
- analysis of phenotype distribution by quantitative genetic approach
- components of phenotypic variance
- hereditability and selection outcome
- exercises of quantitative genetics
- allelic and genotypic frequencies
- The Hardy-Weinberg law, conditions and consequencies
- the microevolution: mutations, migrations, genetic drift, non-random mating, natural selection
-examples of natural selection
- sexual selection
- the macroevolution, hypothesis and models
- reproductive isolation and the born of a new species
39 the genetics of Human skin color
- human skin color trait is an example of gene interaction, pleiotropy, multiple alleles, natural selection, environmental influence
- the melanocytes, the melanin and skin color
- genetic mechanisms at the basis of skin color
- projection of the film “skin color”
BOOKS:
BIOLOGIA
“Molecole, Cellule e Organismi” Ginelli E. Malcovati M. (EDISES)
GENETICA
“Genetica” Pierce (ZANICHELLI)
BOOKS:
BIOLOGY
"Molecules, Cells and Organisms" Ginelli E. Malcovati M. (EDISES)
GENETICS
"Genetics" Pierce (ZANICHELLI)
esame orale a termine del corso con possibilità di svolgimento di alcuni esercizi durante la prova
oral examination at the end of the course
RICEVIMENTO STUDENTI
Il docente riceve su appuntamento preso via e-mail in modalità a distanza sulla piattaforma Microsoft Teams
STUDENT RECEPTION
reserve an appointment by email. reception will by at distance by using the microsoft team platform
