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Oggetto:
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Molecular neurobiology

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Molecular neurobiology

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Academic year 2022/2023

Course ID
NEU0266A
Teachers
Prof. Ferdinando Di Cunto (Lecturer)
Prof. Paolo Provero (Lecturer)
Dott. Davide Marnetto (Lecturer)
Year
1st year
Teaching period
First semester
Type
Distinctive
Credits/Recognition
5
Course disciplinary sector (SSD)
BIO/11 - molecular biology
Delivery
Formal authority
Language
English
Attendance
Obligatory
Type of examination
Written and oral
Type of learning unit
modulo
Modular course
Molecular and cellular neurobiology (NEU0266)
Prerequisites
Good knowledge of basic molecular biology mechanisms and technologies.
Oggetto:

Sommario del corso

Oggetto:

Course objectives


The module aims to deal in detail with the molecular and epigenetic basis of central nervous system functioning. Particular attention will be devoted to the mechanisms that underlie the molecular processes characteristic of neurons and glia, with specific regard to the molecular control of synaptic functionality. In addition, the module aims to deal in depth with the main molecular methods for the analysis and modification of gene expression, at the transcriptional, post-transcriptional, translational and post-translational levels. Finally, the module will provide a practical approach to the most widley used computational tools and databases concerning multi-omics data integration.

Specific objectives of the module will be:

- Guide the student to understand the molecular complexity of neuronal, astrocytic and oligodendrocyte cells, with particular attention to gene expression and epigenetic control programs.
- Analyze the mechanisms that link signal transduction systems to the dynamic modulation of gene expression and their biological role.
- Analyze the role of molecular condensates of proteins and RNA and of the structural mechanisms of local organization in neurons and glial cells, in relation to neuronal differentiation and synaptic functionality.
- Analyze the main molecular analysis and biomarker research approaches, both at a general and single cell level, through the integration of experimental and computational technologies.
- Describe the main strategies for genetic engineering, genome editing and modification of RNA metabolism, both for study purposes and from the perspective of therapeutic applications.
- Guide the student to understand the advantages and limitations of the different experimental approaches, through examples from recent literature.
- Guide the student to the study of the molecular basis of some pathologies of the nervous system, both congenital and acquired.

Il modulo si propone di affrontare in dettaglio le basi molecolari ed epigenetiche del funzionamento del sistema nervoso centrale. Particolare attenzione sarà dedicata ai meccanismi che stanno alla base dei processi molecolari caratteristici dei neuroni e della glia, specialmente  riguardo al controllo molecolare della funzionalità sinaptica. Inoltre, il modulo si propone di approfondire i principali metodi molecolari per l'analisi e la modifica dell'espressione genica, a livello trascrizionale, post-trascrizionale, traslazionale e post-traduzionale. Infine, il modulo fornirà un approccio pratico agli strumenti computazionali e ai database più utilizzati riguardanti l'integrazione di dati multi-omici.

Obiettivi specifici del modulo saranno:

- Guidare lo studente alla comprensione della complessità molecolare delle cellule neuronali, astrocitarie e oligodendrocitarie, con particolare attenzione ai programmi di espressione genica e di controllo epigenetico.
- Analizzare i meccanismi che legano i sistemi di trasduzione del segnale alla modulazione dinamica dell’espressione genica e il loro ruolo biologico.
- Analizzare il ruolo dei condensati molecolari di proteine ed RNA e dei meccanismi struturali di organizzazione locale nei neuroni e nelle cellule gliali, in relazione al differenziamento neuronale e alla funzionalità sinaptica.
- Analizzare i principali approcci di analisi molecolare e di ricerca di biomarcatori, sia a livello generale che di singole cellule, mediante l’integrazione di tecnologie sperimentali e computazionali.
- Descrivere le principali strategie per l’ingegnerizzazione genetica, il genome editing e la modificazione del metabolismo degli RNA, sia a scopo di studio che nella prospettiva di applicazioni terapeutiche.
- Guidare lo studente alla comprensione dei vantaggi e dei limiti dei diversi approcci sperimentali, attraverso esempi dalla recente letteratura.
- Guidare lo studente allo studio delle basi molecolari di alcune patologie del sistema nervoso, sia congenite che acquisite.

Oggetto:

Results of learning outcomes


At the end of the course, the student must demonstrate that she/he:
- understands the molecular complexity of neuronal, astrocytic and oligodendrocyte cells, with particular regard to gene expression and epigenetic control programs.
- has in-depth knowledge of the mechanisms that link signal transduction systems to the dynamic modulation of gene expression and has a good understanding of the role of local organization mechanisms, as well as of protein and RNA condensates, in relation to neuronal differentiation and synaptic functionality.
- has in-depth knowledge of the molecular and computational approaches of neuroscience, both globally and at the level of single cells.
- fully understands the advantages and limitations of different experimental approaches, through examples from the recent literature.


Alla fine del corso, lo studente dovrà dimostrare di:
- Comprendere la complessità molecolare delle cellule neuronali, astrocitarie e oligodendrocitarie, con particolare riguardo ai programmi di espressione genica e di controllo epigenetico.
- Aver approfondito i meccanismi che legano i sistemi di trasduzione del segnale alla modulazione dinamica dell’espressione genica e avere una buona comprensione del ruolo dei meccanismi di organizzazione locale e dei condensati di proteine ed RNA, in relazione al differenziamento neuronale e alla funzionalità sinaptica.
- Aver approfondito gli approcci molecolari e computazionali delle neuroscienze, sia a livello globale che a livello di singole cellule.
- Comprendere a fondo i vantaggi e limiti di diversi approcci sperimentali, attraverso esempi dalla recente letteratura.

Oggetto:

Program


- Epigenetic control of neuronal identity and differentiation
- RNA biology in the central nervous system
- Translational control in the central nervous system
- Control of energy metabolism in the central nervous system
- Epigenetic control of neuronal plasticity
- Neurotransmitter metabolism
- Control of proteostasis in neural cells
- Maintenance of genomic stability in neural cells
- Transcriptional and post-transcriptional control of neural oscillators
- Spatial analysis of gene expression
- Omics analysis at the single cell level - scDNA-seq, scRNA-seq, scATAC-seq and their interpretation: dimensional reduction, clustering and reconstruction of temporal trajectories
- Integration of omics data: integration techniques.

- Controllo epigenetico dell’identità neuronale e del differenziamento
- Biologia dell’RNA nel sistema nervoso centrale
- Controllo traduzionale nel sistema nervoso centrale
- Controllo del metabolismo energetico nel sistema nervoso centrale
- Controllo epigenetico della plasticità neuronale
- Metabolismo dei neurotrasmettitori
- Controllo della proteostasi nelle cellule neurali
- Mantenimento della stabilità genomica nelle cellule neurali
- Controllo trascrizionale e post-trascrizionale degli oscillatori neurali
- Analisi spaziale dell’espressione genica
- Analisi omiche a livello di singola cellula - scDNA-seq, scRNA-seq, scATAC-seq e loro interpretazione: riduzione dimensionale, clustering e ricostruzione di traiettorie temporali
- Integrazione di dati omici: tecniche di integrazione.

Oggetto:

Course delivery


Lectures are provided, with slide projection, favoring the understanding and analysis of examples and leaving the more notional parts to personal study. Lectures will use frequent interactions with students and will be interspersed with activities that students can develop independently. In particular, excercise sessions in computer room will be performed, to guide the students to the practical usage of computational resources and databases.
The didactic activities will be aimed at accustoming students to connect different topics, structure hypotheses, develop experimental strategies and identify potential problems.
Exercises and seminars are also planned to facilitate the acquisition of advanced molecular methodologies and multi-omics analysis methodologies.

Si prevedono lezioni frontali, con proiezione di diapositive, privilegiando la comprensione e l’analisi di esempi e lasciando le parti più nozionistiche allo studio personale. Le lezioni frontali utilizzeranno frequenti interazioni con gli studenti e saranno intervallate da attività che gli studenti possono sviluppare autonomamente. In particolare verranno svolte esercitazioni in aula informatica, per guidare gli studenti all'utilizzo pratico delle risorse computazionali e delle banche dati. Le attività didattiche saranno finalizzate ad abituare gli studenti a collegare i diversi argomenti, strutturare ipotesi, elaborare strategie sperimentali e individuare potenziali problemi.
Si prevede inoltre lo svolgimento di esercitazioni ed attività seminariali, per facilitare l’acquisizione delle metodologie molecolari avanzate e delle metodologie di analisi multi-omica.

Oggetto:

Learning assessment methods

During the delivery of the course, students will be challenged with practical problems, to verify personal learning through self-assessment. The final exam will consist of written test with open questions, concerning topics developed during the lessons. Questions will address not only the theoretical knowledge, but also the capability to integrate biological theory, biological technologies and cmputational approaches for the solution of scientific problems in neurobiology. The written test will be followed by an oral discussion, which the students can integrate with a practical assay, focused to application of the acquired computational tools.

Durante l'erogazione del corso, gli studenti saranno confrontati con problemi pratici, per verificare l'apprendimento personale attraverso l'autovalutazione. L'esame finale consisterà in una prova scritta a domande aperte, sugli argomenti sviluppati durante le lezioni. Le domande riguarderanno non solo le conoscenze teoriche, ma anche la capacità di integrare teoria biologica, tecnologie biologiche e approcci computazionali per la soluzione di problemi scientifici in neurobiologia. La prova scritta sarà seguita da una discussione orale, che gli studenti potranno integrare con una prova pratica, focalizzata all'applicazione degli strumenti computazionali acquisiti.

Oggetto:

Support activities

Data analysis exercises in computer room and discussion sessions

Esercitazioni di analisi dati in aula informatica e sessioni di discussione

Suggested readings and bibliography

Oggetto:


- Eric Kandel, Principles of neural science, fifth edition.
Educational materials, additional materials for further study (websites, articles, video clips) and self-assessment exercises will be made available on the Moodle platform

- Eric Kandel, Principles of neural science, fifth edition.
Materiali didattici, materiali aggiuntivi per ulteriori approfondimenti (siti web, articoli, video clips) e esercizi di autovalutazione saranno resi disponibili sulla piattaforma Moodle



Enroll
  • Open
    Enrollment opening date
    29/09/2021 at 12:00
    Oggetto:
    Last update: 05/07/2022 17:01
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