GENOMICA STRUTTURALE E FUNZIONALE

Al termine dell’insegnamento, lo studente avrà acquisito conoscenze e competenze relative all’organizzazione strutturale e funzionale del genoma eucariotico, alla sua evoluzione e ai principali approcci metodologici utilizzati per lo studio dei cromosomi, della cromatina e delle sequenze genomiche.

Conoscenza e capacità di comprensione
Lo studente sarà in grado di:

• descrivere l’organizzazione strutturale e funzionale del genoma eucariotico e la sua organizzazione nei cromosomi metafasici e nel nucleo interfasico;
• comprendere i principali meccanismi responsabili dell’origine e dell’evoluzione dei geni e dei genomi;
• conoscere l’organizzazione e le proprietà delle principali componenti strutturali dei cromosomi e delle sequenze ripetute;
• comprendere l’organizzazione composizionale dei genomi e le relazioni tra composizione genomica, struttura cromosomica, densità genica, replicazione ed espressione genica;
• conoscere i principi dell’organizzazione tridimensionale della cromatina e le relazioni tra architettura nucleare, regolazione dell’espressione genica e patologie umane;
• conoscere i principi e le principali applicazioni delle metodologie citogenetiche, citogenomiche e genomiche utilizzate per lo studio dei cromosomi e dei genomi.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente sarà in grado di:

• applicare le conoscenze acquisite all’interpretazione dell’organizzazione strutturale e funzionale dei genomi eucariotici;
• riconoscere i cromosomi umani sulla base dei principali sistemi di bandeggio e interpretarne l’organizzazione secondo la nomenclatura citogenetica;
• comprendere e interpretare i risultati ottenuti mediante tecniche di citogenetica classica e molecolare e mediante metodologie di analisi genomica e dell’organizzazione tridimensionale della cromatina;
• correlare alterazioni dell’organizzazione cromosomica e della cromatina con possibili conseguenze sull’espressione genica e sul fenotipo.

Autonomia di giudizio
Lo studente sarà in grado di:

• analizzare criticamente dati e modelli relativi all’organizzazione, alla funzione e all’evoluzione dei genomi;
• valutare l’approccio metodologico più appropriato per lo studio di specifiche caratteristiche cromosomiche o genomiche;
• integrare informazioni derivanti da differenti livelli di analisi, dalla sequenza genomica all’organizzazione cromosomica e nucleare.

Abilità comunicative
Lo studente sarà in grado di:

• descrivere con terminologia scientifica appropriata strutture, processi e metodologie proprie della genomica strutturale e funzionale;
• esporre e discutere in modo chiaro e coerente le relazioni tra organizzazione del genoma, struttura della cromatina, espressione genica ed evoluzione;
• comunicare e interpretare risultati di analisi citogenetiche e genomiche.

Capacità di apprendimento
Lo studente sarà in grado di:

• approfondire autonomamente argomenti di genomica strutturale e funzionale mediante la consultazione di testi specialistici e della letteratura scientifica;
• integrare le conoscenze acquisite con nuovi dati derivanti dall’evoluzione delle tecnologie genomiche e citogenomiche;
• utilizzare le competenze acquisite come base per insegnamenti avanzati e per attività sperimentali e professionali nei settori biologico, biomedico e genomico.

Lezioni frontali coadiuvate da ausili multimediali. Sono previste anche esercitazioni in aula e prove in itinere in forma scritta e orale.

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA: A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. E' possibile rivolgersi anche al referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del dipartimento.

Conoscenze di base previste negli insegnamenti di Citologia, Zoologia, Genetica, Biochimica, Biologia Molecolare dei CdS della classe L13 (Biologia).

Frequenza obbligatoria delle lezioni, in base alle indicazioni previste dal regolamento didattico del CdS.

Il Genoma degli Eucarioti. Visione generale delle dimensioni, del contenuto genico e dell'organizzazione del genoma nucleare e dei genomi degli organelli citoplasmatici. Ipotesi sull’origine dei genomi, sulla loro evoluzione e sulla formazione del genoma degli Eucarioti. Dal Progetto Genoma Umano ai moderni progetti di genomica e pangenomica. Sequenziamento e caratterizzazione del genoma umano. Caratteristiche dei geni degli Eucarioti: Struttura, dimensione e organizzazione genomica e cromosomica. Densità genica e splicing alternativo. I geni in singola copia, i geni in copie multiple e le famiglie geniche. Meccanismi di origine di nuovi geni: duplicazione genica; fusione e fissione genica, retrotrasposizione; comparsa di nuovi geni; geni orfani; trasferimento genico orizzontale; acquisizione e/o domesticazione di geni virali. Diversificazione strutturale e funzionale dei nuovi geni: duplicazione/espansione di esoni, rimescolamento di esoni, splicing alternativo. Pseudogeni processati e non processati. Fissazione dei nuovi geni nelle popolazioni. Innovazioni funzionali e vantaggi evolutivi dei nuovi geni. Geni specifici dell’uomo e dei mammiferi.

Metodi di studio dei cromosomi. Le colture di cellule in vitro. Tecniche standard per la preparazione di cromosomi metafasici e prometafasici. La colorazione dei cromosomi e il suo utilizzo nell'analisi di cariotipi ignoti e nei test di genotossicità. I cariotipi dei vertebrati e i microcromosomi di uccelli e rettili (cenni). I bandeggi strutturali G, R, T: tecniche principali e metodi di analisi. Il cariotipo umano e l'identificazione dei singoli cromosomi con bandeggio G. La risoluzione di un cariotipo e la nomenclatura standard. Il Sistema Internazionale per la Nomenclatura in Citogenetica (ISCN). I bandeggi dinamici. L'utilizzo della bromodeossiuridina, i bandeggi di replicazione e i cromosomi prometafasici. Gli scambi tra cromatidi fratelli. L’ibridazione in situ fluorescente: principi generali, metodi di marcatura delle sonde e di rilevazione del segnale. L’ibridazione su cromosomi, su nuclei e su fibre di cromatina. La citogenetica classica e molecolare nella diagnostica in ambito biomedico. Lo studio dei genomi a livello cromosomico nell’era post-genomica. Dalla citogenetica classica alla citogenomica: array-CGH, SNP array e optical genome mapping.

Organizzazione strutturale del genoma eucariotico. Il centromero: le proteine centromeriche, il DNA centromerico e la cromatina centromerica, il dominio di appaiamento e le chromosomal passenger proteins. Il centromero di S. cerevisiae, di S. pombe, di C. elegans e degli eucarioti superiori. Neocentromeri e neocentromerizzazione. Il telomero: la sequenza telomerica e l’accorciamento dei cromosomi, telomerasi e lunghezza dei telomeri, invecchiamento e oncogenesi. Origini di replicazione: confronto tra procarioti ed eucarioti; origine di replicazione di E. coli, ARS di lievito e origini di replicazione negli eucarioti superiori. Il complesso di pre-replicazione. Repliconi e timing di replicazione negli eucarioti superiori, foci di replicazione e loro attivazione sequenziale. Sequenze ripetute e cinetica di riassociazione: le sequenze altamente ripetute e mediamente ripetute. Struttura delle sequenze ripetute. Le sequenze ripetute semplici e le sequenze ripetute complesse. Gli elementi mobili: trasposoni e retrotrasposoni. Le sequenze LINE (famiglia L1) e le sequenze SINE (famiglia Alu). Le sequenze LTR e il loro meccanismo di spostamento. Le sequenze semplici altamente polimorfiche e il loro utilizzo nei protocolli standard per l’analisi genetica in ambito forense.

Organizzazione ed evoluzione composizionale del genoma eucariotico. Le isocore e il gradiente di CsCl per lo studio dei genomi. Il fenotipo genomico. Caratteristiche composizionali del genoma dei vertebrati eterotermi ed omeotermi, degli invertebrati e degli eucarioti unicellulari. L'organizzazione composizionale del genoma delle piante (cenni). La distribuzione composizionale dei geni. L’organizzazione dei genomi in isocore e il modello di Bernardi. Caratteristiche strutturali e funzionali associate alle isocore. Il paleogenoma e il neogenoma. L’evoluzione composizionale dei genomi. Il major compositional shift e il minor compositional shift nei vertebrati. Ipotesi sull'origine delle isocore più ricche in GC. Mappatura composizionale cromosomica (chromosomal compositional mapping). Correlazione tra bande cromosomiche e sequenza genomica. Le isocore e le bande cromosomiche: distribuzione genica, sequenze ripetute, timing di replicazione. I geni costitutivi e i geni tessuto-specifici: distribuzione cromosomica e livello di espressione nelle diverse bande cromosomiche.

Organizzazione funzionale della cromatina nel nucleo interfasico. Territori cromosomici e domini intercromosomici, con riferimento al modello di Cremer. Struttura e funzione degli speckles nucleari. Organizzazione composizionale dei territori cromosomici e correlazione con l’attività trascrizionale, la densità genica e il timing di replicazione. Cromatina trascrizionalmente attiva e inattiva. Eterocromatizzazione come meccanismo di inattivazione genica. Effetto posizione nella modulazione dell’espressione genica e conseguenze dei riarrangiamenti cromosomici, sia neutri sia associati a patologie. La metilazione del DNA e l’imprinting genomico. Centri di controllo dell’imprinting (ICR): caratteristiche e meccanismi di attivazione/inattivazione genica. Le sindromi da disomia uniparentale e le malattie genetiche legate all’imprinting. Analisi delle interazioni tra sequenze genomiche mediante chromatin conformation capture (3C) e metodiche derivate (4C, 5C, Hi-C). Relazioni tra organizzazione composizionale del genoma, compartimenti cromatinici, TADs e LADs. Compartimenti cromatinici A/B e loro correlazione con composizione genomica, densità genica, attività trascrizionale e timing di replicazione. L’inattivazione del cromosoma X e il gene Xist.

Testo-1: S. Saccone - C. Federico. IL GENOMA DEGLI EUCARIOTI: organizzazione ed evoluzione. EdiSES Edizioni S.r.l., Napoli. [EBOOK], 2024. ISBN: 9788836231829.

Testo-2:  Saccone, S.; Brancato, D.; Bruno, F.; Coniglio, E.; Sturiale, V.; Federico, C. Origin and evolution of genes in Eukaryotes: mechanisms, dynamics, and functional implications. Genes 2025, 16, 702. https://doi.org/10.3390/genes16060702

Prova finale

L'esame finale consiste in una prova preliminare articolata in una parte scritta, comprendente due domande a risposta aperta, e una prova pratica relativa all'identificazione di cromosomi umani. Entrambe le componenti concorrono alla valutazione della prova preliminare. L'esame si conclude con una prova orale, cui si accede previo superamento, con votazione sufficiente, della prova preliminare. Durante il corso saranno effettuate due prove in itinere, articolate, analogamente alla prova preliminare dell'esame finale, in una parte scritta e una prova pratica.

L’esame è finalizzato ad accertare:

1. la conoscenza e la comprensione dei contenuti dell’insegnamento;
2. la capacità di applicare le conoscenze acquisite all’analisi di problematiche relative all’organizzazione strutturale e funzionale del genoma;
3. la capacità di analizzare e collegare criticamente i diversi livelli di organizzazione genomica, dalla sequenza del DNA all’organizzazione cromosomica e nucleare;
4. la capacità di interpretare dati e risultati derivanti dall’applicazione di metodologie citogenetiche, citogenomiche e genomiche;
5. la capacità di esporre gli argomenti in modo chiaro e coerente, utilizzando un’appropriata terminologia scientifica.

La valutazione di tutte le prove consiste in una votazione in trentesimi con voto minimo di 18/30.

 

PROVE IN ITINERE

Le prove in itinere concorrono alla valutazione finale. Ciascuna prova comprende una parte scritta, costituita da due domande a risposta aperta, valutate considerando i seguenti criteri: 1) pertinenza e completezza delle risposte; 2) correttezza dei concetti e delle definizioni; 3) capacità di analisi e di collegamento tra gli argomenti; 4) livello di approfondimento; 5) appropriatezza della terminologia scientifica.

Ciascuna prova in itinere comprende inoltre una prova pratica relativa all'identificazione di cromosomi umani con bandeggio G. La prova pratica concorre alla valutazione complessiva della prova in itinere in funzione del numero di cromosomi identificati correttamente.

Le due domande a risposta aperta della prima prova in itinere riguardano gli argomenti della prima parte del programma svolto; quelle della seconda prova in itinere, finale, riguardano gli argomenti dell'intero corso.

Una valutazione positiva delle prove in itinere consente, nella prima sessione di esami, di sostenere la sola prova orale, utilizzando la valutazione conseguita nelle prove in itinere in sostituzione di quella della prova preliminare dell'esame finale.

Lo studente che abbia conseguito una valutazione negativa nelle prove in itinere, o che ritenga non soddisfacente la valutazione conseguita, deve sostenere l'esame finale sia nella prova preliminare, comprensiva della parte scritta e della prova pratica, sia nella prova orale. In tal caso, non si terrà conto della valutazione conseguita nelle prove in itinere.

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA: A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. E' possibile rivolgersi anche al referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del dipartimento.

Esempi di domande a risposta aperta:

Correlazione tra dimensione del genoma e complessità degli organismi.

I bandeggi dinamici.

La risoluzione di un cariotipo e il sistema ISCN.

Descrivere l’organizzazione del centromero di S. cerevisiae.

La neocentromerizzazione.

Telomeri e invecchiamento cellulare.

Origine ed evoluzione delle sequenze Alu.

Le sonde single-locus nella diagnosi genotipica: caratteristiche e applicabilità.

Caratteristiche composizionali del genoma umano: descrivere il profilo ottenuto mediante gradiente di CsCl.

Isocore ricche in GC: caratteristiche e ipotesi sulla loro origine.

Organizzazione dei cromosomi nel nucleo interfasico.

Organizzazione di uno “speckle”.

Meccanismo di inattivazione allelica: struttura della cromatina e ruolo delle ICR.

Il gene Xist: caratteristiche e funzioni.

Esempio di domande della parte pratica:

Identificare, in una metafase di cromosomi umani con bandeggio G, i cromosomi 3 - 6 - 13 - 15 - 19 - 21