ECTS - University of Pisa
Genetica: Lo studente alla fine della parte semestrale del corso avrà acquisito le conoscenze di base della Genetica.
Lo studente che completa con successo il corso avrà la capacità di definire l'eredità dei tratti mendeliani e dell'eredità sessuale. Inoltre sarà in grado di dimostrare una solida conoscenza delle basi molecolari della variazione genetica, interazioni allele e geniche, mappatura cromosomica eucariotica, mutazioni geniche e cromosomiche e loro effetti fenotipici, genetica delle popolazioni; infine sarà a conoscenza dei metodi di base dell'analisi delle mutazioni geniche e cromosomiche.
Biologia Molecolare. Concetti fondamentali. Biologia molecolare di base. DNA, DNA replication, Chromatin. RNA, Transcription. Protein, Translation.
Molecular Biology. Main topics: Basic molecualr Biology.DNA, DNA replication, Chromatin. RNA, Transcription. Protein, Translation.
Lo studente che completa con successo il corso avra' conoscenze di base di Biologia Molecolare.
The student who successfully completes the course will have basic knowledge of Molecular Biology
Genetics: The student who successfully completes the course will have the ability to define the inheritance of mendelian traits and sex inheritance. Moreover he or she will be able to demonstrate a solid knowledge of molecular basis of genetic variation, allele and gene interactions, eukaryotic chromosome mapping, gene and chromosome mutations and their phenotypic effects, population genetics; lastly he or she will be aware of basic methods of gene and chromosome mutation analysis.
Genetics:
Mediante esame scritto lo studente deve dimostrare la capacità di mettere in pratica ed eseguire con consapevolezza critica le attività illustrate o svolte sotto la guida del docente durante il corso.
Mediante un esame orale (opzionale) puo' raffinare la valutazione dello scritto.
metodi:
Prova scritta finale (che include anche cio' che e' stato effettuato nelle attivita' di esercitazione, per modulo di Genetica)
Prova orale finale (facoltativa)
Biologia Molecolare: prova orale.
Molecular Biology: Oral examination only.
In the written exam the student must demonstrate the ability to put into practice and to execute with critical awareness the activities illustrated or carried out under the guidance of the teacher during the course.
Upon request, an oral examination (optional) could be used to refine the evaluation of the final written exam.
Methods:
Genetica: Lo studente acquisisce la capacità di risolvere i problemi della genetica mendeliana, i geni associati e come mappare i geni nei genomi con i metodi classici degli incroci.
Biologia Molecolare: Lo studente acquisisce conoscenze di base in Biologia Molecolare.
Molecular Biology. The student who successfully completes the course will have basic knowledge of Molecular Biology.
Genetics: The student acquires the ability to solve problems Mendelian genetics, the associated genes, and how to map genes in genomes with the classical methods of crossing species.
Genetica:La verifica delle capacità acquisite avviene tramite la prova di esame con esercizi e domande aperte.
Molecular Biology: The assessment of acquired skills is carried out through the oral examination and and open-ended questions.
The verification of acquired skills is through the test examination with exercises and open questions.
Lo studente acquisirà la mentalità appropriata per analizzare alberi genealogici e progettare studi di semplice genetica mendeliana.
Biologia Molecolare: Lo studente acquisisce basic knoledge of the most important Molecular Biology concepts and basic lab skills.
The student will acquire the appropriate mindset to analyze pedigrees and design of simple Mendelian genetics studies.
I comportamenti acquisiti si verificano tramite prova di esame.
Molecular Biology. The student knowledge will be assessed at the exam.
Learned behaviors occur through examination.
Conoscenze di base necessarie provenienti prevalentemente dai programmi di liceo scientifico circa la biologia, la biologia molecolare (p.es. trascrizione e traduzione) e la chimica.
Basic knowledge mainly from high school scientific programs is required regarding biology, molecular biology (e.g., transcription and translation), and chemistry.
Basic knowledge needed mainly coming from scientific high school programs about biology, molecular biology (eg transcription and translation) and chemistry.
Il portale elearning rimanda al sito personale del docente che verrà usato per visualizzare il materiale didattico e per comunicazioni docente-studenti. Le interazione tra studenti e docente potranno essere costanti durante le lezioni frontali, ricevimenti, tutoraggio e comunicazione con gli studenti tramite email e telefono.
The e-learning portal redirects to the personal website of the instructor, which will be used for accessing teaching materials and facilitating communication between the instructor and students. Interaction between students and the instructor will be continuous during face-to-face lectures, office hours, tutoring sessions, and communication through email and phone
Genetica e Biologia Molecolare:
Attività didattiche:
lezioni frontali (lectures)
preparazione di una relazione orale / scritta (Written essay - Genetics only)
studio individuale (Personal study)
Genetics:
Delivery: face to face
Learning activities:
Argomenti
Genetica:
Introduzione al corso.
Basi, deossinucleosidi, nucleotidi
La chimica del DNA. La regola di Chargaff.
La replicazione del DNA.
Le DNA polimerasi: tipi, processivita’, attivita’ esonucleasica. Appaiamenti non corretti ad opera di forme tautomeriche. L’attivita’ proof-reading.
Organizzazione del DNA eucariotico in nucleosomi, fibra cromatinica, cromosomi.
Telomeri e telomerasi
Uno sguardo di insieme al genoma umano. Differenze tra genoma nucleare e mitocondriale. Mitosi. Fasi G1, S, G2, M. Interfase. Cromosomici interfasici e metafasici. Divisione cellulare (video).
Le fasi della mitosi. Le fasi della meiosi.
Profase della Meiosi I. Il complesso sinaptonemale. La struttura di Holliday. Il DNA eteroduplex.
Rappresentazione molecolare della meiosi. Dare un nome ad ognuno degli elementi dei cromosomi omologhi.
La prima legge di Mendel (Dominanza/recessività e legge della segregazione). Definizione di: gene, locus, allele, cromosoma omologo, linea pura, parentali, ibridi, monoibridi, incrocio monoibrido, allele, allele dominante, “allele wild-type”, “allele mutante”, allele recessivo, eterozigoti, omozigoti, omozigoti dominanti, omozigote recessivo, zigote, genotipo, fenotipo, locus genico, aploinsufficienza, aplosufficienza.
Rappresentazione molecolare della meiosi.
Una complicazione alle leggi di Mendel: eredita’ legata al sesso. Determinazione del sesso nei mammiferi e negli insetti. Incrocio maschio affetto x femmina wild-type; incrocio femmina affetta x maschio wild-type, stato alla F1 e alla F2. Analisi degli alberi genealogici. Esempi di analisi di alberi genealogici per caratteri autosomici recessivi. Caratteri autosomici recessivi: fenilchetonuria, albinismo, fibrosi cistica.
Alberi genealogici per caratteri autosomici dominanti. Nanismo acondroplastico, Sindrome di Marfan.
Corea di Huntington, Esadattilia, Brachidattilia, Piebaldismo. Analisi molecolare per identificazione di mutazioni (Southern Blot, Northern Blot, Western Blot).
Caratteri recessivi legati all’X. Esempi relativi al daltonismo, distrofia muscolare di Duchenne e Emofilia (fattore VIII). Altri esempi: sindrome della femminilizzazione testicolare. Caratteri dominanti legati all’X. Esempi possibili: X-linked vitamin-D resistant hypo-phosphatemia, Sindrome di Rett, Sindrome AICARDI. L’inattivazione del cromosoma X (Lyonizzazione del cromoxoma X). Esempi di inattivazione dell’X: gatte caliche, gatte tartarugate, displasia ectodermica anidrotica.
Calcolo delle probabilita’ semplice. Frequenze osservate, frequenze attese e test del Chi-Quadrato.
Esercizi.
La seconda legge di Mendel. Utilizzo del Quadrato di Punnett o del calcolo delle probabilita’ per prevedere la progenie in F2 di incroci di di-ibridi. Segregazione fenotipica 9:3:3:1.
Esercizi dimostrativi
Le basi cromosomiche dell’assortimento indipendente. Sintesi di linee pure e la virescenza degli ibridi. Eredita’ extranucleare. Eteroplasmia.
Patologie legate al DNA mitocondriale. Caratteri a penetranza e/o espressivita’ variabile. Esercizi di genetica mendeliana semplice
(eredità a singolo gene)
Interazioni tra alleli di un singolo locus (serie alleliche). Meccanismi della dominanza completa (aplosufficienza, aploinsufficienza, dominanza negativa, guadagno di funzione). Esempio della osteogenei imperfetta. Dominanza incompleta. Codominanza. Esempio del sistema di gruppi sanguigni ABO.
Serie alleliche. Alleli letali e relativa segregazione del carattere. Esempio di carattere quantitativo specificato da più loci (Quantitative trait loci). Caratteri distribuiti “a campana” per serie alleliche o per interazione tra loci (esempio di modello additivo dell’altezza).
Interazione di più loci appartenenti ad una medesima catena metabolica. Il lavoro di Beadle e Tatum. Ipotesi un gene=un enzima. Schema sperimentale dei mutanti di Neurospora crassa (da Beadle e Tatum).
La complementazione genica. Tra linee pure e studio dei gruppi di complementazione in vitro. Complementazione nelle famiglie e nelle linee cellulari.
Gruppi di complementazione.
Altre modalità di interazione tra loci distinti.
Prevedere la progenie sapendo il meccanismo di azione.
Esempio del serpente corallo (pattern di colorazione a due pigmenti). Esempio di fiore a petalo blu/petalo bianco.
L’epistasi recessiva (esempio di fiore a petalo bianco, magenta, blu).
Ancora esempi di epistasi recessiva. Pigmentazione del manto del labrador.
L’epistasi dominante.Esempio della Digitalis purpurea. Colorazione degli occhi nell’uomo:
Divertitevi con questo link:
http://www.athro.com/evo/gen/genefr2.html
Nella stessa via metabolica della Fenilchetonuria blocchi selettivi possono provocare fenotipi specifici. Quadro metabolico dell feniclhetonuria, albinismo, cretinismo, tirosinosi e alcaptonuria. In onore di Arcibald Garrod che studiò “ gli errori congeniti del metabolismo”.
La soppressione. Prevedere il tipo di segregazione quando un mutante soppressore produce un fenotipo o quando non lo produce.
Principi di genetica batterica. La trasformazione. La coniugazione batterica. Il fattore F di fertilita’. I ceppi Hfr.
Esperimenti di coniugazione interrotta per definire l’ordine (in minuti) dei geni sul cromosoma di E. coli.
Ceppi Hfr differenti e ordinamento dei geni sul cromosoma batterico. Utilizzo della coniugazione per misurare le frequenze di ricombinazione tra geni contigui sul cromosoma procariota. I plasmidi F’. Diploidi parziali batterici. Meccanismi di formazione dei plasmidi F’.
Ricombinazione tra ceppi fagici differenti.
La trasduzione generalizzata e specializzata. Induzione zigotica. Formazione del genoma fagico lambda-delta.
Differenza nella segregazione (alla F2) di due loci quando sono indipendenti o quando sono “in linkage” (associati). Test del chi-quadro per indicare associazione o indipendenza. Uso del test-cross per svelare gli individui originati da gameti con combinazioni “parentali” o “ricombinanti”. Fase gametica, aplotipo, alleli in “cis” e alleli in “trans” (o in “repulsione”).
Chiasmi e crossing-over. Definizione di unita’ di mappa genetica. Unita’ di mappa genetica: centiMorgan, o percentuale di ricombinazione. Relazione tra distanza genetica e distanza fisica nel genoma umano. Calcolo della distanza di mappa genetica tra due loci. Mappatura dei cromosomici eucarioti tramite la ricombinazione: mappatura a due loci concatenati. Esercizi sulla mappatura a due loci. Predire la progenie attesa incrociando due diibridi con loci a distanza di mappa 30cM.
L’incrocio a tre punti (tre loci concatenati). Stabilire l’ordine e la distanza di mappa genetica di loci in linkage. Esercizi sull’incrocio a tre punti. Calcolo del coefficiente di coincidenza e interferenza.
Uno sguardo ravvicinato alla ricombinazione meiotica: il DNA eteroduplex e la struttura di Holliday.
Principi di Genetica di Popolazione: La legge di Hardy-Weinberg.
La legge di Hardy-Weinberg. Esercizi.
La deriva genetica.
La regolazione genica procariota.
- L’operone lac (lattosio).
Esercizi sui diploidi parziali.
Esercizi sui diploidi parziali.
- L’operone arabinosio.
L’attenuazione nell’operone triptofano.
La regolazione genica eucariota:
- Il regulone galattosio, le sequenze UAS,
le proteine Gal4, Gal80, TBP.
-l’effetto combinatorio dei fattori di trascrizione. Mating type in S.cerevisiae. Histone acetyl transferases (HAT). Histone deacetylases (HDAC). Histone methyl transferases (HMT), histone demethylases (LSD1).
-gli enhancere, il controllo dell’espressione genica, il rimodellamento della cromatina. La proteina Tup1. Il complesso SWI/SNF.
-memoria epigenetica (Isole CpG, imprinting,
-l’effetto di posizione (con particolare riferimento agli studi di Muller sui cromosomi politenici in Drosophila)
Gli effetti delle mutazioni geniche.
Anatomia di un gene eucariotico.
Le sequenze rilevanti per i geni codificanti per proteine. Lo splicing. Mutazioni nelle regioni critiche dello splicing.
Mutazioni nelle regioni regolatrici di enhancer, promotore, 5’UTR, CDS (coding sequence), 3’UTR. Esempi di mutazioni nelle regioni regolatorie.
Biologia Molecolare/Molecular Biology.
Topics:
Genetics:
Introduction to the course.
Bases, deoxynucleosides, nucleotides
DNA chemistry. The Chargaff rule.
DNA replication.
DNA polymerases: types, processivity, exonuclease activity. Unsuitable pairing by tautomeric shapes. The proof-reading activity.
Eukaryotic DNA organization in nucleosomes, chromatin fiber, chromosomes.
Telomeres and telomerase
An overview of the human genome. Differences between the nuclear and mitochondrial genomes. Mitosis. Phases G1, S, G2, M. Interfase. Interphase and metaphasic chromosomes. Cellular division (video).
The phases of mitosis. The phases of meiosis.
Prophase of Meiosis I. The synaptonemal complex. The structure of Holliday. Heteroduplex DNA.
Molecular representation of meiosis. Give a name to each of the elements of the homologous chromosomes.
The first law of Mendel (Dominance / recessivity and the law of segregation). Definition of: gene, locus, allele, homologous chromosome, pure line, parental, hybrid, monohybrid, monohybrid cross, allele, dominant allele, "wild-type allele", "mutant allele", recessive allele, heterozygous, homozygous, dominant homozygotes , recessive homozygote, zygote, genotype, phenotype, gene locus, haploinsufficiency, aplosufficiency.
Molecular representation of meiosis.
A complication to the laws of Mendel: inheritance linked to sex. Determination of sex in mammals and insects. Affected male crossing x wild-type female; female crossing affected x male wild-type, status in F1 and F2. Analysis of family trees. Examples of analysis of family trees for autosomal recessive traits. Autosomal recessive characters: phenylketonuria, albinism, cystic fibrosis.
Family trees for dominant autosomal characters. Acondroplastic dwarfism, Marfan syndrome.
Huntington's disease, Hexadactyly, Brachydactyly, Piebaldism. Molecular analysis for identification of mutations (Southern Blot, Northern Blot, Western Blot).
Recessive characters related to X. Examples related to color blindness, Duchenne muscular dystrophy and hemophilia (factor VIII). Other examples: testicular feminization syndrome. Dominant characters related to X. Possible examples: X-linked vitamin-D resistant hypo-phosphatemia, Rett syndrome, AICARDI syndrome. Inactivation of the X chromosome (Lyonization of chromoxoma X). Examples of X inactivation: calats, tortoiseshell cats, anhydrotic ectodermal dysplasia.
Calculation of simple probabilities. Observed frequencies, expected frequencies and Chi-Square test.
Exercises.
The second law of Mendel. Using the Punnett Square or the probability calculation to predict the F2 offspring of di-hybrid crosses. Phenotypic segregation 9: 3: 3: 1.
Demonstration exercises
The chromosomal bases of the independent assortment. Synthesis of pure lines and the virescence of hybrids. Extranuclear inheritance. Heteroplasmy.
Pathologies related to mitochondrial DNA. Variable penetrance and / or expressivity characters. Simple Mendelian genetics exercises
(single gene inheritance)
Interactions between alleles of a single locus (allelic series). Mechanisms of complete dominance (aplosufficiency, haploinsufficiency, negative dominance, function gain). Example of imperfect osteogenei. Incomplete dominance. Codominance. Example of the ABO blood group system.
Allelic series. Lethal alleles and relative segregation of character. Example of quantitative character specified by several loci (Quantitative trait loci). "Bell-shaped" characters for allelic series or for interaction between loci (example of additive height model).
Interaction of several loci belonging to the same metabolic chain. The work of Beadle and Tatum. One gene hypothesis = an enzyme. Experimental scheme of Neurospora crassa mutants (from Beadle and Tatum).
Gene complementation. Between pure lines and study of in vitro complementation groups. Complementation in families and cell lines.
Complementation groups.
Other modes of interaction between distinct loci.
Predict the progeny knowing the mechanism of action.
Example of the coral snake (two-pigment coloring pattern). Example of a blue petal flower / white petal.
The recessive epistasis (example of a petal-like flower in white, magenta, blue).
Still examples of recessive epistasis. Pigmentation of the labrador coat.
The dominant epistasis.Example of the Digitalis purpurea. Human eye coloration:
Have fun with this link:
http://www.athro.com/evo/gen/genefr2.html
In the same metabolic pathway of phenylketonuria selective blocks can cause specific phenotypes. Metabolic framework of pheniclhetonuria, albinism, cretinism, tyrosine and alkaptonuria. In honor of Arcibald Garrod who studied "the inborn errors of metabolism".
The suppression. Predict the type of segregation when a mutant suppressor produces a phenotype or when it does not produce it.
Principles of bacterial genetics. The transformation. Bacterial conjugation. F fertility factor. The Hfr strains.
Interrupted conjugation experiments to define the order (in minutes) of genes on the E. coli chromosome.
Different Hfr strains and ordering of genes on the bacterial chromosome. Use of conjugation to measure recombination frequencies between contiguous genes on the prokaryotic chromosome. Plasmids F ’. Bacterial partial diploids. Plasmid formation mechanisms F ’.
Recombination between different phage strains.
Generalized and specialized transduction. Zygotic induction. Formation of the lambda-delta phage genome.
Difference in the segregation (at F2) of two loci when they are independent or when they are "in linkage" (associated). Chi-square test to indicate association or independence. Use of the test-cross to reveal the individuals originating from gametes with "parental" or "recombinant" combinations. Gametic phase, haplotype, allis in "cis" and alleles in "trans" (or in "repulsion").
Chiasmus and crossing-over. Definition of genetic map unit. Genetic map unit: centiMorgan, or percentage of recombination. Relationship between genetic distance and physical distance in the human genome. Calculation of the genetic map distance between two loci. Eukaryotic chromosomal mapping through recombination: mapping to two concatenated loci. Exercises on mapping to two loci. Predict the expected offspring by crossing two dihybrid hybrids with 30cM distance map loci.
The three-point intersection (three concatenated loci). Establishing the order and distance of genetic map of loci in linkage. Three-point crossover exercises. Calculation of the coincidence and interference coefficient.
A closer look at meiotic recombination: the heteroduplex DNA and the Holliday structure.
Principles of Population Genetics: The Hardy-Weinberg law.
The law of Hardy-Weinberg. Exercises.
Genetic drift.
Prokaryotic gene regulation.
- The lac (lactose) operon.
Partial diploid exercises.
Partial diploid exercises.
- Arabinio operon.
The attenuation in the tryptophan operon.
Eukaryotic gene regulation:
- The galactose regulon, the UAS sequences,
the Gal4, Gal80, TBP proteins.
- the combinatorial effect of transcription factors. Mating type in S.cerevisiae. Histone acetyl transferases (HAT). Histone deacetylases (HDAC). Histone methyl transferases (HMT), histone demethylases (LSD1).
- the enhancers, the control of gene expression, the chromatin remodeling. The Tup1 protein. The SWI / SNF complex.
-epigenetic memory (CpG Islands, imprinting,
-the effect of position (with particular reference to Muller's studies on polytene chromosomes in Drosophila)
The effects of gene mutations.
Anatomy of a eukaryotic gene.
Sequences relevant for protein-coding genes. Splicing. Mutations in critical splicing regions.
Mutations in the regulatory regions of enhancer, promoter, 5'UTR, CDS (coding sequence), 3'UTR. Examples of mutations in regulatory regions.
Libri di testo consigliati:
Genetica:
"Genetica. Principi di analisi formale", by Anthony Griffiths (Zanichelli)
“Eserciziario di Genetica con guida alla soluzione” PICCIN. Ghisotti-Ferrari
Molecular Biology:
Molecular Biology of the Cell, seventh edition (Norton)
Reference books:
Genetics:
"Genetica. Principi di analisi formale", by Anthony Griffiths (Zanichelli)
“Eserciziario di Genetica con guida alla soluzione” PICCIN. Ghisotti-Ferrari
Genetics:
All slides will be shared through a shared folder.
Molecular Biology:
All slides will be shared through a shared folder.
Biologia cellulare/genetica:
E' prevista una prova scritta congiunta durata di tre ore. E' data facoltà di sostenere anche una prova orale.
Questa puo' essere sostenuta in qualsiasi momento dopo la correzione della prova scritta. Per accedere alla prova orale basta prendere un appuntamento inviando una posta elettronica.
Biologia Molecolare: esame orale.
Molecular Biology: Oral Examination.
Cell Biology/Genetics:
A written 3-hours joint test is required. It is also possible to take an oral test. his can be sustained at any time after the correction of the written test To access the oral exam, just make an appointment by sending an e-mail.
Molecular Biology: 1 laboratory
www.ceraselab.org
Presidente: Andrea Cerase
Membri docenti: Prof. Cosmeri Rizzato/Vittoria Raffa//Irene Perotti
Supplenti: prof. Marco Onorati/Chiara Gabellini
