Biotechnology for Neuroscience

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.
• Introdurre i principali concetti alla base dell'analisi computazionale di dati omici high-throughput, ed in particolare
  • Dati trascrittomici: class comparison, class discovery e analisi di arricchimento
  • Dati ChIP-seq e siti di legame dei fattori di trascrizione
  • Epigenomica e conformazione del genoma 3D
  • Omica di singola cella
  • Interpretazione delle varianti genetiche

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.

• 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 computazionale di dati omici high-throughput
  • Dati trascrittomici: class comparison, class discovery e analisi di arricchimento
  • Dati ChIP-seq e siti di legame dei fattori di trascrizione
  • Epigenomica e conformazione del genoma 3D
  • Omica di singola cella
  • Interpretazione delle varianti genetiche

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.

Nel caso fosse necessaria l'erogazione online, le lezioni verranno trasmesse in streaming nella room Webex dei docenti:

Ferdinando Di Cunto, https://unito.webex.com/meet/ferdinando.dicunto

Paolo Provero, https://unito.webex.com/meet/paolo.provero

Davide Marnetto, https://unito.webex.com/meet/davide.marnetto

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.

Esercitazioni di analisi dati in aula informatica e sessioni di discussione

- 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