Biotechnology for Neuroscience

Neurogenetics: Struttura e funzione di geni e cromosomi. DNA, RNA e proteine (composizione delle proteine, del DNA RNA; trascrizione, splicing e traduzione). La struttura dei geni e del genoma. Variazione genetica. Tipi di mutazioni e polimorfismi. Malattie mendeliane; malattie cromosomiche; genetica delle popolazioni e disturbi complessi.
Neuropathology: Non sono richiesti particolari prerequisiti. Durante il corso verranno ripresi concetti di Patologia Generale applicati alla Neuropatologia

Al fine di contribuire al raggiungimento degli obiettivi del Corso di Studio in Neuroscienze  il presente corso intende fornire le nozioni relative ai meccanismi che caratterizzano e determinano le alterazioni fondamentali dei processi patologici di base e relativi alle  funzioni del sistema nervoso.

La genetica e la genomica stanno rapidamente diventando una parte fondamentale della pratica medica e della salute pubblica. Il modulo prevede uno studio approfondito della genetica medica, partendo dalle variazioni genetiche e dalle alterazioni funzionali del DNA. Verranno studiati i concetti relativi a malattie genetiche dovute ad alterazioni strutturali del genoma quali anomalie cromosomiche, disordini genomici e malattie mendeliane associate a singoli geni. Analizzeremo come le varianti del nostro genoma determinano i disordini genetici e quali sono le basi sottostanti della penetranza incompleta e dell'espressività variabile. Infine, il modulo si propone di fornire esempi pratici e parti interattive durante le lezioni ed è focalizzato sui disturbi che colpiscono il sistema nervoso centrale e periferico. Fornirà gli strumenti necessari (siti web e software di approfondimento) per lo studio di casi di interesse genetico.

CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE
Lo studente al termine dell’insegnamento di Neuropatologia dovrà dimostrare di aver acquisito le nozioni di base relative ai meccanismi che caratterizzano e determinano le alterazioni fondamentali dei processi patologici del sistema nervoso centrale affrontate.

Al superamento dell'esame Di Neurogenetica, lo studente sarà in grado di:

• Identificare e classificare i diversi tipi di malattie genetiche rilevanti per la neurobiologia, inclusi i disordini mendeliani, cromosomici e da espansione di ripetizioni.
• Descrivere e differenziare concetti genetici chiave come penetranza, espressività, inattivazione del cromosoma X e mosaicismo nel contesto dei disordini neurologici umani.
• Spiegare i principi e le applicazioni di varie tecniche molecolari e citogenetiche, inclusi cariotipo, FISH, array-CGH, SNP-array, sequenziamento Sanger e piattaforme di Next-Generation Sequencing (NGS), comprendendone le rispettive risoluzioni.
• Analizzare e interpretare dati di variazione genetica, concentrandosi specificamente sulle Copy Number Variations (CNVs), incluse le loro categorie, la patogenicità e i meccanismi di formazione, collegandole a condizioni neurologiche come la sindrome di Williams-Beuren, la delezione 22q11.2 e i Disturbi dello Spettro Autistico (ASD).
• Applicare standard e linee guida per l'interpretazione delle varianti di sequenza, utilizzando database di popolazione (es. gnomAD) e previsioni funzionali per varianti nonsense e missense.
• Comprendere i meccanismi di patogenicità per specifici disordini genetici, inclusi quelli correlati a geni sensibili alla dose, CNVs reciproche, varianti di splicing e espansioni patogene di ripetizioni di oligonucleotidi a breve tandem, con esempi come l'Omocistinuria, le distrofie di Duchenne/Becker, la sindrome di Rett, la Distrofia Miotonica (DM1) e i disordini da poliglutammine (malattia di Kennedy, corea di Huntington).
• Discutere il ruolo delle CNVs nell'evoluzione del genoma umano e i loro vari meccanismi patogenetici.
• Correlare genotipo e fenotipo in vari disordini neurologici genetici.

 

CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE
Lo studente al termine dell'insegnamento dovrà dimostrare di saper applicare le nozioni di base alle patologie del sistema nervoso affrontate.

AUTONOMIA DI GIUDIZIO
Lo Studente al termine dell'insegnamento dovrà dimostrare di essere autonomo nello spiegare i meccanismi alla base delle patologie affrontate

ABILITÀ COMUNICATIVE
Lo studente al termine dell'insegnamento dovrà aver migliorato le sue abilità comunicative arricchendo il proprio lessico di terminologie scientifiche.

CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO
Lo studente al termine dell'insegnamento dovrà dimostrare di aver capito a fondo i meccanismi fisiopatologici del programma affrontato dimostrando di saper spiegare e applicare  i vari meccanismi di base  alle patologie specifiche.

Neuropatologia

Introduzione e definizione di Patologia generale e Neuropatologia

Concetti e meccanismi base di patologia:

-Danno cellulare: Morte per necrosi e apoptosi.

- Infiammazione

-Cenni di immunologia

-Riparazione dei tessuti

- Patologie infiammatorie del SNC

- Malattie cerebrovascolari

- Malattia di Alzheimer

- Depressione e Insonnia

- Dolore Neuropatico

- Malattia di Parkinson

- SLA

- SMA

- Malattie genetiche: Corea di huntington

-Tumori cerebrali

Neurogenetica

Malattie genetiche: strumenti per studiare le malattie genetiche dall'array-CGH al sequenziamento di nuova generazione. Cosa sono i disturbi genomici e la loro rilevanza per i disturbi del neurosviluppo. Le sindromi di Williams-Beuren e di Miller-Dieker. Meccanismi che generano disordini genomici ricorrenti e non ricorrenti. Genetica dei disturbi dello spettro autistico. Meccanismi patogenetici nei disturbi genomici: aploinsufficienza, mutazioni ipomorfiche complesse (sindrome TAR), variabilità fenotipica e penetranza incompleta nella delezione 1q21, modello double hit nella variabilità fenotipica.

Interpretazione delle varianti patogene: sciocchezze, missenso, varianti di splicing (mutazioni canoniche e regolatorie), 5’UTR, 3’UTR. Malattie causate dall'imprinting. Regolatori di giunzione: esaltatori e silenziatori esonici / intronici. L'atrofia muscolare spinale.

L'identificazione dei geni della malattia tramite WES. La sindrome di Miller. Sindrome di Proteo: mosaicismo somatico. Qual è lo scopo dell'identificazione dei geni della malattia? I risultati secondari.

Effetti di posizione: alterazione dei regolatori funzionali dei geni. Isolatori e domini di trascrizione. Sindrome di Lery-Weil (gene SHOX). Aniridia (PAX6) e l'effetto spettatore. TADopatie: domini trascrizionali nel genoma. Cattura della conformazione cromosomica circolare.

Malattie da espansione dei tratti oligonucleotidici. Espansioni con perdita di funzionalità. Malattie associate al gene FMR1: FRAXA, POF, FXTAS. Meccanismi patogenetici e correlazione fenotipo-genotipo. Atassia di Friedreich. Malattie da espansione con effetto tossico dell'RNA. Distrofia miotonica. Espansioni CTG / CCTG in mRNA: meccanismo patogenetico. Malattie da espansione di unità di codifica ripetute. Polialanine e poliglutammine. Ripetere la traduzione non ATG associata (RAN). Unità ripetute trascritte su senso e antisenso. Malattie di espansione di ripetizioni di codifica. Malattie da espansione di polialanina e poliglutammina. Malattia di Huntington. Meccanismi patogenetici nelle malattie da espansione delle poliglutamine. Ripetizioni espresse sui due filamenti di DNA: doppi effetti patogeni. La traduzione non ATG associata alla ripetizione, un nuovo meccanismo per spiegare la patogenesi dell'espansione ripetuta. Meccanismi patogenetici: perdita di funzione; Guadagno di funzione (l'esempio di CMT1A / HNPP). Dominanti negative: osteogenesi imperfetta. Le correlazioni fenotipo genotipo.

 

Neuropathology

Introduction and definition of general pathology and neuropathology

Concepts and basic mechanisms of pathology:

Cell damage: Death by necrosis and apoptosis.

- Inflammation

-Hints of immunology

-Tissue repair

- Inflammatory disorders of the CNS

- Cerebrovascular diseases

- Alzheimer's disease

- Depressiona and Insomnia

- Neuropathic pain

- Parkinson's disease

- SLA

- SMA

- Genetic diseases: Huntington's chorea

- Brain tumors

Neurogenetics

Genetic diseases: tools to study genetic disorders from array-CGH to next generation sequencing. What are genomic disorders and their relevance for neurodevelopment disorders. The Williams-Beuren syndrome and Miller-Dieker syndromes. Mechanisms generating recurrent and non-recurring genomic disorders. Genetics of Autism spectrum disorders. Pathogenetic mechanisms in genomic disorders: haploinsufficiency, complex hypomorphic mutations (TAR syndrome), phenotypic variability and incomplete penetrance in the 1q21 deletion, the double hit model in phenotypic variability.

Interpretation of pathogenic variants: nonsense, missense, splicing variants (canonical and regulatory mutations), 5’UTR, 3’UTR. Diseases caused by imprinting. Splicing regulators: enhancers and exonic / intronic silencers. The Spinal muscular atrophy.

The identification of disease genes through WES. Miller's syndrome. Proteus syndrome: somatic mosaicism. What is the purpose of identifying the disease genes? The secondary findings.

Position effects: alteration of functional regulators of genes. Insulators and transcription domains. Lery-Weil syndrome (SHOX gene). Aniridia (PAX6) and the spectator effect. TADopathies: transcriptional domains in the genome. Circular chromosome conformation capture.

Expansion diseases of oligonucleotide traits. Expansions with loss of function. Diseases associated with the FMR1 gene: FRAXA, POF, FXTAS. Pathogenetic mechanisms and genotype phenotype correlation. Sherman's paradox. Friedreich's ataxia. Expansion diseases with toxic effect of RNA. Myotonic dystrophy. CTG / CCTG expansions in mRNA: pathogenetic mechanism. Expansion diseases of repeated coding units. Polyalanines and polyglutamine. Repeat associated non-ATG translation (RAN). Repeated units transcribed on sense and antisense. Expansion diseases of coding repeats. Polyalanine and polyglutamine expansion diseases. Huntington disease. Pathogenetic mechanisms in polyglutamine expansion diseases. Repeats expressed on the two strands of DNA: double pathogenic effects. The Repeat Associated non-ATG translation, a new mechanism to explain the pathogenesis of repeat expansion.

Pathogenetic mechanisms: loss of function; Gain of function (the example of CMT1A / HNPP). Negative dominants: imperfecta osteogenesis. The phenotype genotype correlations.

Le lezioni verranno erogate in presenza o a distanza negli stessi orari previsti in modalità sincrona se richiesta dagli studenti.

https://unito.webex.com/meet/elena.tamagno

https://unito.webex.com/meet/michela.guglielmotto

https://unito.webex.com/meet/alfredo.brusco

All'inizio di ogni lezione gli studenti potranno chiedere chiarimenti rispetto alle lezioni passate in modo da chiarire ogni dubbio. Durante le lezioni si faranno domande e collegamenti per capire se gli Studenti hanno correttamente appreso. Non sono previste verifiche durante il corso. L’esame sarà in forma orale. Verranno fatte almeno due domande su argomenti trattati a lezione. Il voto finale rappresenterà la media matematica dei voti ottenuti dai due moduli.

Patologia Generale ed Elementi di Fisiopatologia
Author: Parola M Edition: II/2020
Publisher: Edises

Human Molecular Genetics - 5th Edition - Tom Strachan and Andrew Read, Garland Sciences, 2018. 

Diapositive con note e revisioni di letteratura fornite dal docente.