Genetica e Biologia Molecolare - Genetics and Molecular Biology

ALESSANDRO ROSA

Il corso si propone di fornire conoscenze sulle proprietà fondamentali delle cellule staminali, con particolare attenzione ai meccanismi molecolari che ne regolano le capacità di autorinnovamento e differenziamento. Il corso intende inoltre chiarire le potenzialità della riprogrammazione di cellule somatiche in cellule staminali pluripotenti indotte (iPS), fornendo nozioni sui meccanismi epigenetici alla base del processo di riprogrammazione. Verranno forniti esempi dell’utilizzo delle cellule staminali per la creazione di sistemi modello in vitro di diverse patologie umane e in medicina rigenerativa.
Lo studente è guidato lungo il percorso perché arrivi alla comprensione dei processi che determinano le peculiari capacità delle cellule staminali di dare origine ai diversi tipi cellulari differenziati che compongono gli organi e i tessuti.

Non sono previste attività di laboratorio.

Conoscenza e comprensione
Lo studente:
- Conosce correttamente la terminologia relativa alle cellule staminali;
- Conosce le basi molecolari dei processi biologici che regolano l’autorinnovamento e differenziamento delle cellule staminali;
- Conosce i diversi livelli di regolazione epigenetica del differenziamento delle cellule staminali;
-Conosce le tecniche di base per lo studio delle celle staminali

Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente:
- sa utilizzare correttamente la terminologia relativa alle cellule staminali
- sa distinguere i diversi tipi di cellule staminali, anche in base al potenziale differenziativo
- sa valutare il possibile utilizzo delle cellule staminali come sistemi modello in biologia;
- sa valutare il possibile utilizzo delle cellule staminali in campo applicativo
- è in grado di utilizzare le conoscenze sulle tecniche per lo studio delle cellule staminali per programmare un esperimento in laboratorio.

Al termine del corso, lo studente avrà acquisito una conoscenza approfondita dei principali concetti e processi che regolano la biologia delle cellule staminali, con particolare riguardo al potenziale differenziativo e l'auto-rinnovamento, fino ai meccanismi di riprogrammazione e transdifferenziamento.
Sarà in grado di comprendere in modo critico le basi molecolari che determinano l’identità cellulare e la plasticità, analizzando le dinamiche dei circuiti trascrizionali, epigenetici e post-trascrizionali che governano tali fenomeni. Inoltre, saprà collocare queste conoscenze nel contesto della ricerca di base e biomedica e della medicina rigenerativa, valutando le potenzialità e i limiti delle applicazioni terapeutiche basate su cellule staminali.

Lo studente sarà capace di applicare le conoscenze teoriche acquisite per l’interpretazione di dati e protocolli sperimentali relativi allo studio delle cellule staminali. In particolare, saprà utilizzare e valutare criticamente tecniche di biologia molecolare e approcci sperimentali volti all’analisi della pluripotenza, del differenziamento e della riprogrammazione cellulare. Sarà in grado di riconoscere i fattori che influenzano l’efficienza dei processi di differenziamento e di proporre strategie migliorative, dimostrando una padronanza operativa dei concetti teorici e un approccio metodologico rigoroso.

Dal punto di vista critico, il corso mira a sviluppare nello studente una solida autonomia di giudizio scientifico. Egli sarà in grado di analizzare la letteratura di settore, di confrontare diversi modelli di pluripotenza e riprogrammazione, di discutere le evidenze sperimentali in modo argomentato e di valutare le implicazioni etiche e sociali legate all’uso delle cellule staminali e delle tecnologie di genome editing. L’apprendimento sarà orientato a stimolare la capacità di valutare dati complessi, formulare ipotesi coerenti e progettare percorsi di verifica sperimentale.

Dal punto di vista comunicativo, lo studente svilupperà la capacità di presentare e discutere in modo chiaro e rigoroso concetti, dati e risultati relativi alla biologia delle cellule staminali. Sarà in grado di comunicare utilizzando un linguaggio tecnico appropriato e sapendo adattare la comunicazione al contesto, sia esso accademico o interdisciplinare. Queste abilità comunicative costituiranno una base essenziale per la partecipazione a gruppi di ricerca e a discussioni scientifiche di alto livello.

Infine, il corso contribuirà a potenziare la capacità di apprendimento autonomo dello studente. Egli sarà in grado di aggiornarsi in modo indipendente rispetto alle più recenti acquisizioni della ricerca sulle cellule staminali, di integrare conoscenze provenienti da discipline affini come genetica, epigenetica e biotecnologie, e di elaborare in autonomia un progetto di studio o di ricerca su tematiche emergenti quali la generazione di organoidi, le applicazioni del genome editing o le strategie di medicina rigenerativa personalizzata.

Non sono previste propedeuticità. Lo studente deve tuttavia avere nozioni di base della biologia cellulare e molecolare.

1) Introduzione e contesto (8 ore)
- Cellule staminali adulte ed embrionali; potenziale differenziativo; nicchia staminale; esempi di cellule staminali adulte; epigenetica.
- Tecniche di biologia molecolare per lo studio delle cellule staminali.

2) Basi molecolari di pluripotenza (20 ore)
- Origine delle cellule staminali embrionali; circuiti regolativi nella formazione della blastocisti di mammifero.
- Regolazione della pluripotenza: vie di segnalazione, stati "naive" e "primed" di pluripotenza, circuiti regolativi trascrizionali e post-trascrizionali, controllo epigenetico della pluripotenza, regolazione da parte di microRNA e lncRNA.
- Basi molecolari del differenziamento delle cellule staminali pluripotenti; esempi di differenziamento per generare tipi di cellule per terapia e ricerca; strategie per migliorare l'efficienza del differenziamento.
- Cellule staminali pluripotenti nella ricerca di base e nella medicina rigenerativa.

3) riprogrammazione cellulare e transdifferenziamento (20 ore)
- Dal trasferimento nucleare alle cellule iPS;
- Meccanismi molecolari di riprogrammazione; modelli deterministici e stocastici; fasi iniziali, intermedie e tardive nella riprogrammazione; memoria epigenetica.
- cellule iPS paziente-specifiche paziente; applicazioni di riprogrammazione nella ricerca di base e nella medicina rigenerativa; tecniche di "genome editing" per correggere le mutazioni; generazione di organoidi in vitro.
- Transdifferenziamento: metodi e applicazioni; basi epigenetiche del transdifferenziamento; esempi di transdifferenziamento per ottenere cellule di interesse terapeutico (muscoli, neuroni).

Articoli scientifici di riferimento e altro materiale didattico verranno indicati a lezione. Il docente metterà anche a disposizione le presentazioni powerpoint delle lezioni sulla piattaforma Elearning di Sapienza.

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Il corso si svolge attraverso una serie di lezioni frontali e seminariali.

La frequenza è facoltativa ma fortemente raccomandata

Modalità di valutazione: unica prova orale da svolgersi dopo il termine dell'insegnamento. L'obiettivo della prova è la verifica delle conoscenze acquisite, coerentemente con gli obiettivi formativi. Le domande saranno aperte e con risposta aperta. La durata della prova orale sarà all'incirca di 30 minuti. I seguenti elementi verranno presi in esame ai fini della valutazione: acquisizione delle conoscenze e capacità di ragionamento autonomo. Tali aspetti concorrono in egual misura alla formulazione del giudizio finale.

- Fasi del processo di riprogrammazione
- Regolazione della pluripotenza e del differenziamento da parte di RNA non codificanti
- Fattori di trascrizione coinvolti nel mantenimento della pluripotenza
- Domini bivalenti della cromatina

• Lezioni 1-3. Introduzione al corso. Cenni storici. Proprietà fondamentali delle cellule staminali. Cellule staminali adulte; nicchia staminale. Esempi di cellule staminali adulte: cellule satelliti; staminali della cornea; staminali intestinali.


• Lezioni 4-9. Tecniche per lo studio delle cellule staminali; potenziale differenziativo delle cellule staminali. Cellule staminali embrionali di topo: origine embrionale e caratteristiche fondamantali, derivazione, potenziale staminale, test di pluripotenza, pathways di segnalazione. Cellule staminali embrionali umane: derivazione, potenziale staminale, pathways di segnalazione. Stati di pluripotenza naive e primed.


• Lezioni 10-13. Fattori trascrizionali associati alla pluripotenza; circuito regolativo trascrizionale "core". Domini bivalenti della cromatina; fattori epigenetici di pluripotenza. Ciclo cellulare nelle staminali embrionali; ESCC miRNA. RNA non codificanti che regolano la pluripotenza e il differenziamento (miRNA; lncRNA). 


• Lezioni 14-15. Differenziamento delle cellule staminali embrionali: principi e applicazioni.


• Lezioni 16-21. Dal trasferimento nucleare alla riprogrammazione con fattori definiti. Generazione di cellule iPS tramite espressione ectopica di fattori di riprogrammazione nel topo e nell'uomo. Meccanismi cellulari e molecolari della riprogrammazione: modello deterministico/elitario e stocastico; fasi precoci, intermedie e tardive del processo di riprogrammazione; fase stocastica e deterministica del processo di riprogrammazione; Applicazioni delle cellule iPS umane in medicina rigenerativa e nel "disease modeling". Sfide e opportunità.


• Lezione 22. Il transdifferenziamento: cenni storici; basi molecolari e cellulari; applicazioni.


• Seminari di approfondimento 1-2. Cellule satelliti: nicchia; ruolo dei microRNA; divisioni simmetriche e asimmetriche; quiescenza; pathway di Notch. Cellule staminali ematopoietiche.