Biotechnology for Neuroscience

Il modulo si propone di trattare in dettaglio le basi molecolari ed epigenetiche del funzionamento e dello sviluppo e del sistema nervoso centrale, riguardo sia alla componente neuronale che alle diverse popolazioni di cellule gliali. Particolare attenzione verrà dedicata ai meccanismi che governano i processi molecolari caratteristici dei neuroni e della glia, con specifico riguardo al controllo molecolare della funzionalità sinaptica. Inoltre, il modulo si propone di trattare in profondità i principali metodi molecolari per l’analisi e la modificazione dei programmi di espressione genica ed epigenetica, a livello trascrizionale, post trascrizionale, traduzionale e post-traduzionale. Infine, verranno analizzate in profondità le metodiche di analisi computazionale necessari per l’utilizzo delle metodiche di analisi multi-omica più avanzate.

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.

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.
- Aver approfondito 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.
- Comprendere a fondo i vantaggi e limiti di diversi approcci sperimentali, attraverso esempi dalla recente letteratura.
- Comprendere le basi cellulari di alcune patologie del sistema nervoso, sia congenite che acquisite.

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.
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.

Durante l’erogazione del corso verranno proposti test di autovalutazione per la verifica dell’apprendimento personale. La valutazione finale verrà effettuata con una prova scritta a domande aperte, seguita da approfondimento orale.

Esercitazioni di analisi dati in aula informatica e sessioni di discussione

- 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
- Ingegneria genetica avanzata ed editing genomico
- 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.

- 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