REGOLAZIONE GENICA EUCARIOTICA E CHEMOGENOMICA
cod. 1005172

Anno accademico 2013/14
2° anno di corso - Primo semestre
Docente
Settore scientifico disciplinare
Biologia molecolare (BIO/11)
Field
Discipline biologiche
Tipologia attività formativa
Caratterizzante
42 ore
di attività frontali
6 crediti
sede: PARMA
insegnamento
in - - -

Obiettivi formativi

L’obiettivo principale del corso è quello di fornire conoscenze avanzate sui meccanismi che controllano l'espressione dei geni eucariotici a livello trascrizionale e post-trascrizionale, tenendo conto dei risultati recentemente prodotti dall’analisi genomica. Tale obiettivo viene perseguito attraverso la formulazione di un quadro concettuale unitario che mette in evidenza l'esistenza di grandi strategie regolative comuni sia ai procarioti che agli eucarioti e a fasi differenti del processo di trasferimento dell'informazione genetica (trascrizione, splicing e altri eventi post-trascrizionali, modificazione/degradazione controllata e localizzazione subcellulare delle proteine, trasduzione dei segnali a livello nucleare). Verranno presi in considerazione sia gli aspetti teorici che sperimentali del controllo della espressione genica e le sue applicazioni/implicazioni in ambito biomedico e della diagnostica molecolare. Un obiettivo correlato, per quanto riguarda la parte di Chemogenomica, è di fornire informazioni di base e specifici esempi di applicazione in uno dei settori più avanzati della ricerca post-genomica, con particolare riferimento al “drug discovery” e alla “systems biology”, ed altre applicazioni delle biotecnologie in ambito (bio)farmaceutico.

CONOSCENZA E COMPRENSIONE.
Gli studenti potranno acquisire una conoscenza approfondita di alcuni dei più importanti processi molecolari e cellulari di elaborazione dell’informazione genomica eucariotica e delle relative applicazioni, soprattutto in ambito bio-medico, con particolare riferimento alle strategie sperimentali post-genomiche utilizzate per la scoperta e la caratterizzazione funzionale di composti bio-attivi (“Chemogenomica”).

CAPACITA' DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE.
Attraverso l’analisi guidata di esperimenti cruciali per la comprensione a livello molecolare di alcuni dei processi sopra descritti, gli studenti acquisiranno le competenze di base necessarie per lo studio sperimentale dei processi biologici di trasferimento ed elaborazione dell’informazione genetica a livello molecolare e per lo sfruttamento della genomica come piattaforma di riferimento per la caratterizzazione funzionale di molecole bioattive e per l’individuazione di nuovi composti.

Prerequisiti

Conoscenze di base di chimica, biochimica, biologia molecolare e genetica.

Contenuti dell'insegnamento

Struttura dei genomi eucariotici.

Strategie regolative basate su ''reclutamento regolato''.

Le RNA polimerasi e i regolatori trascrizionali eucariotici.

Cromatina e nucleosomi.

Enhancer e modalità di controllo degli attivatori trascrizionali.

Altri processi basati su ''reclutamento regolato''.

Il mondo dei “non-coding RNAs”.

Finalità e campi di applicazione della chemogenomica.

Chemogenomica su base trascrittomica, proteomica e fenomica.

Composti bioattivi di derivazione biologico-molecolare: aptameri nucleotidici e peptidici.

Tecnologie chemogenomiche in lievito.

Programma esteso

Struttura dei genomi eucariotici: sequenze ripetute e duplicazione genica, elementi (retro)trasponibili, unità trascrizionali semplici e complesse, famiglie multigeniche, sequenze regolatrici ed
espressione genica differenziale.

Strategie regolative basate su ''reclutamento regolato'' (esempi paradigmatici derivati da sistemi batterici); esperimenti di bypass dell'attivatore e tecnologia del ''doppio ibrido''; “squelching” o soppressione abusiva; “transcription factor decoys”; reclutamento regolato e cooperatività; altre forme di regolazione genica (modificazione della RNA polimerasi, modificazione del DNA).

Le RNA polimerasi e i regolatori trascrizionali eucariotici. Fattori di trascrizione generali (GTF); formazione del complesso di pre-inizio; il ''mediatore''; (co)attivatori e (co)repressori trascrizionali; l'attivatore Gal4 di Saccharomyces cerevisiae; i regolatori negativi Gal80 e Mig1; gli altri sistemi trascrizionali eucariotici (RNA pol. I e RNA pol. III); eventi “post-inizio” (capping, splicing, poliadenilazione); Spliceosoma, elementi ESE, ESS, ISS e la regolazione dello splicing.

Cromatina e nucleosomi; modificazione fisica e chimica della cromatina; i rimodellatori della cromatina e i modificatori degli istoni (HAT, HDAC, HMT, HDMT); ruoli regolativi della modificazione (acetilazione/deacetilazione; metilazione/demetilazione) delle code istoniche; immunoprecipitazione cromatinica (CHIP); controllo combinatoriale: i regolatori del mating type di Saccharomyces cerevisiae; telomeri ed effetti regolativi ad essi associati; metilazione del DNA; isolatori cromatinici ed altri elementi di controllo di ordine superiore.

Enhancer; modalità di controllo degli attivatori trascrizionali; recettori nucleari; SREBP; Tubby; Notch e APP;
NF-kB; TAT/TAR, Rb e cicline.

Altri processi basati su ''reclutamento regolato'': ubiquitina e degradazione controllata delle proteine; interazione ormone recettore e trasduzione dei segnali a livello nucleare.

Il mondo dei “non-coding RNAs”: miRNA, siRNA, shRNA e “RNA-mediated gene silencing” e altre forme di interferenza da RNA (RITS).

Finalità e campi di applicazione della chemogenomica: applicata a "drug discovery", "target discovery” e studio del meccanismo d’azione, “target validation” e identificazione di effetti “off-target".

Chemogenomica su base trascrittomica, proteomica e fenomica (Syntethic Genetic Arrays, SGA, e Genomic Phenotyping) "; costrutti genici chimerici: promotore omologo/sequenza codificante eterologa (gene reporter), promotore eterologo/proteina regolatrice eterologa/sequenza codificante eterologa (gene reporter) applicati a processi di drug discovery e toxicity profiling; il doppio ibrido e le sue varianti di interesse chemogenomico; screening basati su “growth interference”.

Composti bioattivi di derivazione biologico-molecolare: aptameri nucleotidici e peptidici; composti per target validation (e prototipi di farmaci) basati su proteine/peptidi ricombinanti, aptameri nucleotidici (RNA/DNA) e peptidici. Analisi di specifiche piattaforme (bio)tecnologiche in ambito chemogenomico (SPLINT, Discoverex,
NASCA, Aptanomics ed altre).

Tecnologie chemogenomiche in lievito: microarray e l'approccio del "compendio; meccanismo d'azione, effetti collaterali e nuove possibili applicazioni per farmaci a target/meccanismo d’azione sconosciuto o per "lead compounds" abbandonati in fasi avanzate di sviluppo.

Distruzione genica sistematica in lievito (e silenziamento genico da parte di shRNA in altri organismi), array di mutanti knockout, analisi ''fenomica'' e suo impiego per l’identificazione di nuovi farmaci e/o target farmacologici e per la messa a punto di sistemi di validazione innovativi; la collezione dei mutanti per delezione di lievito: "Genomic phenotyping" di piccole molecole in lievito (HOP, HOP/SGA, HIP, MSP) e impiego di banche dati di genomica/funzionale/interattomica (e.g., SGD) per l'analisi dei dati.

Bibliografia

Lodish H., Kaiser C.A., Bretscher A., Amon A., Berk A., Krieger M., Ploegh H., Scott M.P.
MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELL (Seventh Edition)
Macmillan Higher Education/Freeman and Company Publishers

Watson J.D., Backer T.A., Bell S. P., Gann A., Levine M., Losick R.
BIOLOGIA MOLECOLARE DEL GENE/MOLECULAR BIOLOGY OF THE GENE (Sixth Edition)
Zanichelli/CSHL Press; Pearson/Benjamin Cummings Publishers

Ptashne M., Gann A. "GENI E SEGNALI", Ed. Zanichelli

Rassegne, articoli specialistici in lingua inglese e presentazioni powerpoint di aziende del settore, che verranno messi a disposizione degli studenti in formato elettronico.

Metodi didattici

Il corso è basato principalmente su lezioni frontali, ma prevede anche esercizi, la discussione di articoli scientifici originali e alcuni esempi di analisi dei dati.

Modalità verifica apprendimento

La valutazione dei risultati di apprendimento si basa su una prova orale che prevede anche la discussione di specifici schemi regolativi, esempi applicativi, “case-studies” e strategie di “discovery” presentati nel corso. Verranno così accertate sia le conoscenze biologico-molecolari relative ai processi di trasferimento/elaborazione dell’informazione genetica presi in considerazione nel corso, sia la capacità di applicare tali conoscenze alla risoluzione di problemi di tipo sperimentale.

Altre informazioni

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