ITALIANO

La biologia molecolare è uno strumento essenziale per comprendere le basi molecolari della vita e per approfondire la conoscenza dei meccanismi biologici che regolano la crescita, lo sviluppo, la riproduzione e l'adattamento degli organismi viventi.
Questo campo di ricerca si occupa principalmente dello studio della struttura, della funzione e della regolazione dei componenti molecolari delle cellule, come i nucleotidi, gli acidi nucleici (DNA e RNA), le proteine e le membrane cellulari.

G.Capranico et al.
Biologia Molecolare
Edises

J. D. Watson et al
Biologia Molecolare del Gene
Zanichelli
I file pdf delle diapositive mostrate durante il corso sono disponibili al seguente link:
https://uninadue.sharepoint.com/sites/docenti/NICOLA_ALESSIO_703376/SitePages/Home%20Page.aspx

OBIETTIVI FORMATIVI. Il corso di Biologia Molecolare si propone di fornire agli studenti le conoscenze fondamentali e gli strumenti concettuali necessari per comprendere i meccanismi molecolari che regolano il flusso dell'informazione genetica, l'organizzazione e la funzione del genoma e i principali processi che controllano l'espressione genica, secondo i descrittori di Dublino di seguito articolati.
CONOSCENZA E COMPRENSIONE. Lo studente acquisirà una solida conoscenza della struttura e dell'organizzazione del DNA e dell'RNA, dei meccanismi di replicazione del DNA, trascrizione, maturazione degli RNA e traduzione delle proteine, nonché dei principali meccanismi di regolazione dell'espressione genica nei procarioti e negli eucarioti. Acquisirà inoltre conoscenze sulle modificazioni epigenetiche, sugli RNA non codificanti e sulle principali metodologie di biologia molecolare utilizzate nella ricerca biomedica.
CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE. Lo studente sarà in grado di applicare i principi della biologia molecolare per interpretare i meccanismi che regolano l'espressione genica in condizioni fisiologiche e patologiche, comprendere il funzionamento delle principali tecniche di analisi degli acidi nucleici e dell'espressione genica (PCR, RT-PCR, qPCR, sequenziamento, clonaggio e tecnologie di editing genomico), nonché interpretare dati sperimentali derivanti da studi di biologia molecolare.
AUTONOMIA DI GIUDIZIO. Lo studente svilupperà la capacità di analizzare criticamente dati sperimentali e risultati ottenuti mediante tecniche di biologia molecolare, comprendendone limiti e potenzialità e valutando il loro impiego nella ricerca di base, nella diagnostica molecolare e nella medicina di precisione.
ABILITÀ COMUNICATIVE. Lo studente sarà in grado di utilizzare correttamente la terminologia scientifica della biologia molecolare e di esporre con chiarezza i principali processi molecolari che regolano il funzionamento della cellula, discutendo dati sperimentali e problematiche biologiche con linguaggio appropriato.
CAPACITÀ DI APPRENDERE. Lo studente svilupperà capacità di apprendimento autonome che gli consentiranno di approfondire e aggiornare le proprie conoscenze nel campo della biologia molecolare, anche attraverso la consultazione critica della letteratura scientifica e delle più recenti innovazioni metodologiche e tecnologiche del settore.

Non sono previsti prerequisiti, anche se è necessario aver acquisito conoscenze di base di chimica generale.

Il corso è organizzato in lezioni frontali con supporto informatico (Power Point).

La valutazione dell'apprendimento avverrà attraverso un colloquio orale durante il quale verranno poste domande riguardanti gli aspetti fondamentali della biologia molecolare. Le domande saranno specifiche e mirate a valutare le conoscenze di base sull'argomento. La valutazione sarà espressa in trentesimi, con un punteggio minimo di 18 e un punteggio massimo di 30/30 con possibilità di lode.
Criteri per l'attribuzione del voto
< 18 – Non superato
Lo studente non dimostra di aver acquisito le conoscenze e le competenze minime previste dagli obiettivi formativi dell'insegnamento. Le conoscenze risultano lacunose e non consentono di comprendere né di applicare correttamente i principali concetti della disciplina.
18–21 – Sufficiente
Lo studente dimostra una conoscenza essenziale degli argomenti fondamentali del corso e una comprensione di base dei principali meccanismi e processi della biologia molecolare. È in grado di applicare le conoscenze acquisite a semplici problemi e utilizza una terminologia scientifica adeguata, seppur con alcune imprecisioni.
22–24 – Discreto
Lo studente possiede una conoscenza soddisfacente dei contenuti del corso e dimostra una buona capacità di comprendere e applicare i principali concetti della disciplina. È in grado di interpretare semplici dati sperimentali e di esporre gli argomenti con sufficiente chiarezza e proprietà di linguaggio.
25–26 – Buono
Lo studente dimostra una solida preparazione, applica correttamente le conoscenze acquisite nell'analisi di problemi biologici e interpreta criticamente dati sperimentali di media complessità. L'esposizione risulta chiara, corretta e supportata da un'adeguata terminologia scientifica.
27–29 – Molto buono
Lo studente dimostra una conoscenza ampia e approfondita degli argomenti trattati, applica con sicurezza i principi della biologia molecolare a contesti diversi, interpreta criticamente dati sperimentali e collega efficacemente i diversi temi dell'insegnamento. L'esposizione è rigorosa, precisa e ben organizzata.
30 – Eccellente
Lo studente dimostra una padronanza completa e approfondita degli argomenti del corso, un'elevata capacità di analisi critica e di integrazione delle conoscenze, applicando con sicurezza i principi della biologia molecolare anche a problematiche complesse. L'esposizione è chiara, rigorosa e scientificamente accurata.
30 e lode
La lode può essere attribuita agli studenti che, oltre a soddisfare pienamente i requisiti per il voto di 30/30, dimostrano particolare capacità critica, autonomia di giudizio, approfondimento degli argomenti, padronanza della terminologia scientifica e capacità di collegare le conoscenze acquisite con temi avanzati della disciplina.

La frequenza alle lezioni è obbligatoria. È consentito un massimo del 25% di assenze rispetto al monte ore complessivo dell'insegnamento.
Il docente è disponibile per il ricevimento degli studenti previo appuntamento da concordare tramite e-mail.

STRUTTURA DEL DNA
Evidenze sperimentali che hanno portato alla scoperta del DNA. Basi puriniche e pirimidiniche. Nucleosidi e nucleotidi. Legame fosfodiestereo e struttura primaria. Struttura secondaria del DNA. Parametri strutturali del DNA B e DNA A.
Proprietà chimico fisiche.

DUPLICAZIONE DEL DNA. Esperimento di Meselson e Stahl. Caratteristiche e funzioni delle DNA polimerasi. Replicazione batterica: Inizio, allungamento e terminazione. Caratteristiche e funzione dei diversi enzimi coinvolti: DNA polimerasi, DNA Girasi, DNA ligase. Replicazione negli eucarioti: Inizio, allungamento e terminazione. Struttura e ruolo delle differenti DNA polimerasi. Meccanismo di azione e ruolo biologico della telomerasi

L’RNA
Differenze tra DNA e RNA. Struttura primaria e secondaria dell’RNA. Tipi di RNA. Caratteristiche generali del processo di trascrizione: Inizio Allungamento e terminazione nei procarioti. Struttura e funzione del promotore procariotico. Caratteristiche delle RNA polimerasi DNA-dipendenti. RNA polimerasi eucariotiche e relativi promotori. Fasi di inizio e allungamento della trascrizione operata dalle RNA polimerasi.

MATURAZIONE DEGLI RNA
Processi di Maturazione del mRNA. Formazione del cappuccio. Poliadenilazione, Splicing e Splicing alternativo. RNA editing. Struttura degli mRNA eucariotici maturi. Il codice genetico. Modifiche post-trascrizionali degli rRNA e tRNA. La degradazione dell’RNA.

PROCESSO DI TRADUZIONE
Il codice genetico e le sue caratteristiche. Struttura e funzioni degli RNA di trasporto. Amminoacilazione del tRNA. I fattori di inizio, elongazione in procarioti ed eucarioti. L’inizio, allungamento e terminazione della traduzione in procarioti ed eucarioti Modifiche post-traduzionali, smistamento e degradazione delle proteine.

MUTAZIONI, DANNO E RIPARO DEL DNA
Mutazioni spontanee e indotte del DNA: cause e conseguenze. Tipi di mutazioni. Mutazioni spontanee: errori della duplicazione, tautomeria delle basi, espansioni di triplette. Mutazioni indotte: agenti chimici, agenti fisici. Agenti chimici: Analoghi di basi, agenti deaminanti, agenti alchilanti e agenti intercalanti. Agenti fisici: radiazioni UV, radiazioni ionizzanti, il calore. Sistemi di Riparo: riparazione diretta, riparazione per escissione di basi e di nucleotidi, riparazione dei mismatch, riparazione per ricombinazione.

REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE GENICA
Caratteristiche generali del processo di Regolazione. Regolazione dell’espressione genica in procarioti: l’esempio degli operoni lattosio dell’operone del triptofano e del switch ciclo litico e lisogeno del batteriofago lambda. Regolazione dell’espressione genica negli eucarioti. Stato della cromatina e sua dinamicità. Controllo delle modificazioni dell’mRNA. Antisenso e regolazione ad opera dei piccoli RNA

Tecnologie biomolecolari avanzate:
Sequenziamento genico. Elettroforesi su gel di Agarosio. PCR Principi generali e applicazioni. RT-PCR, real-time-PCR, Enzimi di restrizione. Tipi di sistemi di restrizione e modificazione. Le basi del clonaggio: Principali tipi di plasmidi. Marcatori selettivi. Vettori virali. Trasformazione chimica e elettroporazione.

Italian

Molecular biology is an essential tool for understanding the molecular foundations of life and for deepening our knowledge of the biological mechanisms that regulate the growth, development, reproduction, and adaptation of living organisms. This field of research primarily deals with the study of the structure, function, and regulation of the molecular components of cells, such as nucleotides, nucleic acids (DNA and RNA), proteins, and cellular membranes.

G.Capranico et al.
Biologia Molecolare
Edises

J. D. Watson et al
Biologia Molecolare del Gene
Zanichelli
Slides of lectures are available in pdf format on the following web site:
https://uninadue.sharepoint.com/sites/docenti/NICOLA_ALESSIO_703376/SitePages/Home%20Page.aspx

LEARNING OBJECTIVES. The Molecular Biology course aims to provide students with the fundamental knowledge and conceptual tools necessary to understand the molecular mechanisms governing the flow of genetic information, the organization and function of the genome, and the principal processes regulating gene expression, in accordance with the Dublin Descriptors outlined below.
KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING. Students will acquire a solid understanding of the structure and organization of DNA and RNA, the mechanisms of DNA replication, transcription, RNA processing, and protein translation, as well as the major mechanisms regulating gene expression in prokaryotic and eukaryotic cells. Students will also gain knowledge of epigenetic modifications, non-coding RNAs, and the principal molecular biology techniques employed in biomedical research.
APPLYING KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING. Students will be able to apply the theoretical principles of molecular biology to interpret the mechanisms regulating gene expression under physiological and pathological conditions, understand the principles underlying the major techniques used for nucleic acid and gene expression analysis (including PCR, RT-PCR, qPCR, DNA sequencing, molecular cloning, and genome editing technologies), and interpret experimental data generated through molecular biology approaches.
MAKING JUDGEMENTS. Students will develop the ability to critically analyze experimental data obtained through molecular biology techniques, recognizing their strengths and limitations, and evaluating their applications in basic research, molecular diagnostics, and precision medicine.
COMMUNICATION SKILLS. Students will be able to use the scientific terminology of molecular biology accurately and appropriately, clearly explain the principal molecular processes governing cellular function, and discuss experimental findings and biological issues using appropriate scientific language.
LEARNING SKILLS. Students will develop independent learning skills that will enable them to expand and update their knowledge in the field of molecular biology through the critical reading of scientific literature and the continuous evaluation of emerging methodologies and technological advances.

There are no prerequisites, although it is necessary to have acquired basic knowledge of general chemistry.

The course is organized in frontal lessons with computer support (Power Point).

The assessment of learning will take place through an oral examination during which questions regarding the fundamental aspects of molecular biology will be asked. The questions will be specific and aimed at assessing basic knowledge on the subject. The student must demonstrate an understanding of key aspects of the structure, function, and regulation of biological macromolecules such as DNA, RNA, and proteins. The student's ability to discuss these topics and establish meaningful connections will also be evaluated. The assessment will be graded on a scale of thirty, with a minimum score of 18 and a maximum score of 30/30 with honors possible.
Grading Criteria
< 18 – Fail
The student does not demonstrate the minimum knowledge and competencies required to achieve the learning objectives of the course. Knowledge is inadequate and does not allow the student to correctly understand or apply the fundamental concepts of molecular biology.
18–21 – Satisfactory
The student demonstrates an essential knowledge of the fundamental topics covered in the course and a basic understanding of the major molecular biology mechanisms and processes. They are able to apply their knowledge to simple problems and use appropriate scientific terminology, although with some inaccuracies.
22–24 – Fair
The student demonstrates a satisfactory knowledge of the course content and is able to understand and apply the main concepts of molecular biology. They can interpret simple experimental data and present the subject matter with adequate clarity and appropriate scientific language.
25–26 – Good
The student demonstrates a solid understanding of the course content, correctly applies acquired knowledge to the analysis of biological problems, and critically interprets experimental data of moderate complexity. The presentation is clear, accurate, and supported by appropriate scientific terminology.
27–29 – Very Good
The student demonstrates a broad and in-depth knowledge of the course topics, confidently applies the principles of molecular biology to different contexts, critically interprets experimental data, and effectively integrates concepts across the discipline. The presentation is rigorous, precise, and well organized.
30 – Excellent
The student demonstrates comprehensive and in-depth mastery of the course content, an excellent ability to critically analyze and integrate knowledge, and confidently applies the principles of molecular biology to complex biological problems. The presentation is clear, rigorous, and scientifically accurate.
30 with Honors
Honors may be awarded to students who, in addition to meeting all the requirements for a grade of 30/30, demonstrate outstanding critical thinking, independent judgment, in-depth understanding of the subject matter, excellent command of scientific terminology, and the ability to integrate and discuss advanced concepts beyond the core course content.

Class attendance is mandatory. Students are allowed a maximum of 25% absences of the total scheduled teaching hours.
The instructor is available to meet with students by appointment, to be arranged via email.

Experiments by Avery, Griffith, Hershey e Chase.
Nucleic Acids.
Structure and properties of nucleotides the nucleotides are made of bases, sugars and phosphates characteristic. Phosphodiester bond combine nucleotide units in nucleic acids. The nucleotide bases influence the three-dimensional structure of nucleic acids. Other roles of nucleotides in cells.
DNA structure.
DNA molecules have a typical base composition. Usually DNA is a double helix right-handed. The DNA helix shows different shapes. Physical characteristics of the DNA molecule: denaturation and renaturation.
RNA structure
RNA molecules have a typical base composition. RNA World: mRNA, tRNA, rRNA, small RNA and other RNA.
DNA replication.
Experiment by Meselson and Stahl. General features of DNA duplication. Replication in bacteria. The structure and the biological role of the different prokaryotic DNA polymerases. Exonuclease activity of DNA polymerase III: proofreading. Replication in eukaryotes. The structure and the biological role of the different eukaryotic DNA polymerases. Proliferating cell nuclear antigen (PCNA) link between duplication and cell cycle. Telomere and telomerase: the problem of extremities in the eukaryotic genome.
Mutations and mechanisms of DNA repair.
Types of mutations. Spontaneous mutations: duplication errors, Keto–enol tautomerism, Trinucleotide Repeat Expansion. Induced mutations: chemical agents, physical agents. Chemical agents: base analogues, deaminating agents, alkylating agents and intercalating agents. Physical agents: UV radiation, ionizing radiation, heat. Repair Systems: direct repair, nucleotide excision repair and base excision repair, mismatch repair, recombination repair. SOS mechanism.
RNA transcription.
General characteristics of the transcription. The structure of the prokaryotic promoter. Transcription in bacteria. Structural Biology of Bacterial RNA Polymerase and the key rule of sigma factors. Intrinsic terminators and the rho protein. RNA maturation in bacteria. Transcription in eukaryotes. Characteristics and structure of eukaryotic RNA polymerases: comparison between eukaryotic promoters. The transcription pre-initiation complex (PIC) and the role of general transcription factors in eukaryotes.
Maturation and modifications of the messenger RNA: signal sequences, capping, splicing and alternative splicing, self-splicing and polyadenylation. Editing
Maturation of ribosomal RNA and transfer. Post-transcriptional modifications of rRNA and tRNA. RNA degradation.
Protein
The stages of protein biosynthesis: the genetic code and its characteristics, role of tRNA, aminoacyl-tRNA synthetase, start factors, elongation and release in prokaryotes and eukaryotes. Inhibitors of protein synthesis. Post-translational modifications (protein folding, proteolytic cutting, chemical modification and splicing of inteins), sorting and degradation of proteins (the ubiquitin-proteasome system). Regulation of gene expression
Regulation of gene expression in prokaryotes: lactose and tryptophan operons.
Regulation of gene expression in eukaryotes: the example of antisense RNA and the mechanism of RNA interference (siRNA).

Advanced biomolecular technologies:
Gene sequencing. Agarose gel electrophoresis. PCR General principles and applications. RT-PCR, real-time-PCR, restriction enzymes. Types of restriction and modification systems. The basics of cloning: Main types of plasmids. Selective markers. Viral vectors. Chemical transformation and electroporation.