Chimica e tecnologia farmaceutiche

FABIO ALTIERI
SILVIA CHICHIARELLI

Obiettivi generali
Il corso fornisce una panoramica della odierna biologia molecolare e delle tecnologie di base per la manipolazione del DNA. Obiettivo del corso è acquisire la conoscenza dei meccanismi molecolari che permettono il mantenimento, la regolazione e l'espressione del genoma. Queste conoscenze svolgono un ruolo fondamentale nella ricerca e lo sviluppo di nuovi farmaci, e le applicazioni in campo biotecnologico e biomedico.

Obiettivi specifici
1. Conoscenza e capacità di comprensione
Conoscenza della struttura e delle funzioni degli acidi nucleici.
Conoscenza dei meccanismi molecolari di replicazione del DNA, riparazione, trascrizione e sintesi proteica, così come la regolazione di questi processi.
Conoscenza di base delle principali tecniche di manipolazione degli acidi nucleici, espressione delle proteine ricombinanti e generazione di OGM.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Comprensione dei processi molecolari che controllano l’espressione e la regolazione genica, che sono alla base della crescita, la divisione e la differenziazione cellulare, e che sono bersaglio per l’azione e lo sviluppo di agenti farmacologicamente attivi.
Familiarizzare con gli approcci sperimentali utilizzati in biologia molecolare.

3. Autonomia di giudizio
Incentivare i discenti ad un lavoro di sintesi di tutte le competenze e conoscenze acquisite durante il loro percorso accademico e stimolerà il loro senso critico.

4. Abilità comunicative
Descrivere e relazionare in maniera critica i processi studiati.

5. Capacità di apprendimento
Leggere articoli scientifici in ambito biologico molecolare e ottenere una comprensione critica dei loro contenuti.

Obiettivi generali
Il corso fornisce una panoramica della odierna biologia molecolare e delle tecnologie di base per la manipolazione del DNA. Obiettivo del corso è acquisire la conoscenza dei meccanismi molecolari che permettono il mantenimento, la regolazione e l'espressione del genoma. Queste conoscenze svolgono un ruolo fondamentale nella ricerca e lo sviluppo di nuovi farmaci, e le applicazioni in campo biotecnologico e biomedico.

Obiettivi specifici
1. Conoscenza e capacità di comprensione
Conoscenza della struttura e delle funzioni degli acidi nucleici.
Conoscenza dei meccanismi molecolari di replicazione del DNA, riparazione, trascrizione e sintesi proteica, così come la regolazione di questi processi.
Conoscenza di base delle principali tecniche di manipolazione degli acidi nucleici, espressione delle proteine ricombinanti e generazione di OGM.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Comprensione dei processi molecolari che controllano l’espressione e la regolazione genica, che sono alla base della crescita, la divisione e la differenziazione cellulare, e che sono bersaglio per l’azione e lo sviluppo di agenti farmacologicamente attivi.
Familiarizzare con gli approcci sperimentali utilizzati in biologia molecolare.

3. Autonomia di giudizio
Incentivare i discenti ad un lavoro di sintesi di tutte le competenze e conoscenze acquisite durante il loro percorso accademico e stimolerà il loro senso critico.

4. Abilità comunicative
Descrivere e relazionare in maniera critica i processi studiati.

5. Capacità di apprendimento
Leggere articoli scientifici in ambito biologico molecolare e ottenere una comprensione critica dei loro contenuti.

Al fine di comprendere i contenuti della Biologia Molecolare e conseguire gli obiettivi di apprendimento sono fondamentali le conoscenze della chimica organica e della biologia e consigliate quelle della biochimica insegnate nei primi anni del corso di Laurea in CTF.

La struttura degli acidi nucleici La scoperta del DNA: prospettive storiche. Nucleosidi e nucleotidi. La struttura primaria e secondaria del DNA. Le forme alternative della doppia elica A,B, Z.Proprietà del DNA; effetto ipercromico.La struttura terziaria del DNA:superavvolgimento del DNA. Le topoisomerasi. Sequenziamento e sintesi di oligonucleotidi.

L’organizzazione del genoma: dai nucleotidi alla cromatina Il progetto genoma, genomi sequenziati. Genoma procariotico. Struttura e organizzazione del genoma eucariotico, famiglie geniche. Il genoma batterico. I plasmidi. I batteriofagi. Virus a DNA. Il DNA mitocondriale. Genomi a RNA. Struttura della cromatina:il nucleosoma, la fibra da 10 nm, la fibra da 30 nm. Rimodellamento della cromatina. Eucromatina ed eterocromatina.

La struttura dell’RNA Struttura secondaria e terziaria dell’RNA. Funzioni biologiche dei diversi tipi di RNA. La catalisi da RNA. I ribozimi. Il mondo a RNA.

La replicazione del DNA Replicazione semiconservativa. Meccanismo di replicazione del DNA nei procarioti e nelle cellule eucariotiche: inizio, allungamento termine; proteine ed enzimi coinvolti nella replicazione. Mantenimento dei telomeri: il ruolo della telomerasi nella replicazione del DNA nell’invecchiamento e nel cancro.

I meccanismi di riparazione ricombinazione del DNA Le mutazioni. Le classi generali del danno al DNA. Errori di replicazione, sistemi di riparazione. La ricombinazione omologa; la riparazione sito-specifica e la trasposizione del DNA

La trascrizione nei procarioti I meccanismi della trascrizione .La struttura dei promotori batterici. La struttura della RNA polimerasi batterica. La regolazione dell’operone del lattosio (lac). L’attenuazione trascrizionale dell’operone del triptofano.

La trascrizione negli eucarioti I componenti del macchinario generale della trascrizione. La struttura della RNA polimerasi II. Il meccanismo della trascrizione da parte della RNA polimerasi II. Il quadro generale della regolazione trascrizionale. I fattori di trascrizione. I motivi dei domini che legano il DNA. Controllo dei regolatori trascrizionali; coattivatori e corepressori. L’assemblaggio del complesso di trascrizione. Il modello dell’enhanceosoma.

I processi di modificazione dell’RNA Lo splicing dell’RNA. Gli introni capaci di autosplicing (gruppo I e di gruppo II). Splicing assistito (gruppo III) , spliceosoma. Le modifiche al 5’ e al 3’. Lo splicing alternativo. Editing dell’RNA. Il trasporto dell’mRNA.

La traduzione Il codice genetico. Struttura e assemblaggio dei ribosomi. La biogenesi dei ribosomi. Le amminoacil-tRNA sintetasi. Il caricamento dell’amminoacil-tRNA. L’attività di correzione delle bozze delle amminoacil-tRNA sintetasi. L’inizio della traduzione. Allungamento. Formazione del legame peptidico e traslocazione.Terminazione. La traduzione negli eucarioti. Controllo traduzionale e post-traduzionale.

RNA regolatori: Regolazione genica post-trascrizionale da parte di microRNA. Il turnover dell’RNA nel nucleo e nel citoplasma.

L’epigenetica: Modifiche a carico degli istoni (metilazione e acetilazione). Metilazione del DNA. Isole CpG. Rimodellamento della cromatina. L’imprinting genomico. L’inattivazione del cromosoma X. I trasposoni i retrotrasposoni.

Tecniche di Biologia molecolare: Il Progetto Genoma Umano. Le classi principali di endonucleasi di restrizione. .La tecnologia del DNA ricombinante e il clonaggio molecolare. La reazione a catena della polimerasi (PCR). La produzione di proteine ricombinanti in sistemi batterici, animali e vegetali. Organismi geneticamente modificati (OGM), tecniche di produzione. Oligonucleotidi antisenso, interferenza da RNA (RNAi). Terapie con RNAi. Analisi delle interazioni DNA-proteina. Saggio di immunoprecipitazione della cromatina (ChIP).Analisi delle interazioni proteina-proteina

Cox, Doudn, O’Donnell BIOLOGIA MOLECOLARE Zanichelli
Amaldi, Benedetti, Pesole - Plevani BIOLOGIA MOLECOLARE Casa Editrice Ambrosiana
Watson, Baker, Bell, Gann, Levine, Losick BIOLOGIA MOLECOLARE DEL GENE Zanichelli

Lezioni in aula per un totale di 64 ore secondo l'orario stabilito dal Consiglio del Corso di Studio, di cui 40 erogate dal docente Fabio Altieri.

Dettaglio delle lezioni:

Struttura DNA, RNA e genomi (8 ore)
La struttura del DNA. La struttura dell'RNA. I genomi. La cromatina

Replicazione del DNA (8 ore)
La replicazione del DNA (procarioti ed eucarioti). Ciclo cellulare e regolazione. Replicazione telomeri

Danni al DNA e meccanismi di riparo (8 ore)
Danni a carico del DNA. Meccanismi di riparo del DNA (BER, NER, MMR). Riparo delle interruzioni di elica (SSB e DSB). Cenni farmaci anti-cancro

Ricombinazione (4 ore)
Meccanismi di ricombinazione: Omologa e sito-specifica. Trasposoni

Trascrizione del DNA (10 ore)
La trascrizione nei procarioti: RNA polimerasi, struttura e meccanismo di reazione. Promotori e terminatori. Meccanismi di regolazione (operoni lac e trp). Attenuazione. Motivi strutturali nelle proteine che legano il DNA
La trascrizione negli eucarioti: RNA polimerasi I, II e III. Promotori, fattori di trascrizione e fasi della trascrizione. Regolazione della trascrizione

Modifiche a carico dell’RNA (4 ore)
Modifiche a carico di rRNA, tRNA e mRNA. Splicing autocatalitico e assistito. Lo splicing intronico, meccanismo e regolazione. Splicing alternativo. Altre forme di modifica (RNA editing)

Sintesi e degradazione delle proteine (10 ore)
Sintesi proteica: attivazione tRNA, ribosoma, fattori di traduzione, fasi di inizio. allungamento e termine. Differenze tra procarioti ed eucarioti. Regolazione della sintesi proteica. Degradazione proteasomiale. RNA interference e micro RNA.

Tecniche di biologia molecolare (6 ore)
DNA ricombinante, enzimi restrizione e vettori, clonaggio e selezione dei cloni. Proteine ricombinanti. Sintesi e sequenziamento del DNA. La PCR: applicazioni cliniche, cenni tecnologiche e forensi. Crispr/Cas principi e genome editing.

Organismi Geneticamente Modificati (OGM) (4 ore)
Principi generali. OGM animali e vegetali. Tecniche di trasformazione (microiniezione, trasferimento nucleare e metodi biologici). Applicazioni

Ripasso e consolidamento (2 ore)

Sebbene facoltativa il docente consiglia una frequenza attiva per il raggiungimento degli obiettivi formativi del corso.

Colloquio alla fine del corso per appurare l’acquisita conoscenza della biologia molecolare di base. Per superare l'esame lo studente deve dimostrare di avere almeno acquisito una conoscenza sufficiente della struttura degli acidi nucleic e dei processi cellulari che li vedono coinvolti (replicazione, trascrizione e traduzione). Per conseguire punteggi superiori al minimo lo studente deve dimostrare un grado di conoscenza maggiore di tutti gli argomenti trattati nel corso ed essere in grado di collegarli in modo logico, coerente e con proprietà di linguaggio.

Struttura del DNA:
Descrivi la struttura del DNA secondo il modello di Watson e Crick e spiega il ruolo dei legami idrogeno e delle interazioni idrofobiche nella stabilità della doppia elica.

Replicazione del DNA:
Quali sono le principali differenze tra la replicazione del DNA nei procarioti e negli eucarioti?

Enzimi della replicazione:
Qual è la funzione dell’elicasi, della primasi e della DNA polimerasi durante la replicazione?

Telomerasi:
Spiega il meccanismo d’azione della telomerasi e la sua importanza nelle cellule germinali e tumorali.

Trascrizione:
Descrivi i passaggi principali della trascrizione nei procarioti, indicando il ruolo della RNA polimerasi e delle sequenze promotrici.

Splicing:
Che cosa si intende per splicing dell’mRNA e qual è la funzione degli snRNP (small nuclear ribonucleoproteins) nel processo?

Codice genetico:
Indica le caratteristiche principali del codice genetico e spiega cosa si intende per “degenerazione” del codice.

Traduzione:
Riassumi le fasi della traduzione dell’mRNA in una proteina negli eucarioti (inizio, allungamento, terminazione).

Regolazione genica nei procarioti:
Descrivi il funzionamento dell’operone lac di E. coli e spiega come viene regolata l’espressione dei geni in risposta alla presenza o assenza di lattosio e glucosio.

Epigenetica:
Che cosa si intende per metilazione del DNA e quali effetti ha sull’espressione genica?

Tecniche di biologia molecolare:
Spiega in cosa consiste la PCR (Polymerase Chain Reaction) e a cosa serve nel laboratorio di biologia molecolare.

• le lezioni sono organizzate come da presentazioni ppt presenti sulla pagine e-learning del corso