ITALIANO

Il corso prevede lo studio della biologia cellulare, biologia molecolare e la genetica, organizzato in 7 unità didattiche 1. Le basi dell’organizzazione biologica e molecolare della vita (impegno didattico valutato in CFU= 0,75) 2. I meccanismi cellulari di trasmissione e controllo dell’informazione genetica e epigenetica (impegno didattico valutato in CFU= 0,5) 3. Il flusso dell’informazione (impegno didattico valutato in CFU=1,0) 4. I meccanismi cellulari di trasmissione e controllo dei caratteri selvatici e mutati (impegno didattico valutato in CFU=0,75) 5. Le strutture cellulari: biogenesi, morfologia e funzioni (impegno didattico valutato in CFU=1,5) 6. La cellula e l’ambiente, la segnalazione cellulare e la trasduzione del segnale (impegno didattico valutato in CFU= 0,75) 7. Il controllo della proliferazione e della sopravvivenza cellulare (impegno didattico valutato in CFU=0,75)

- Manuale di Biologia e Genetica per il semestre filtro - R. Alessandro, C. Bucci, S. Fasano - ed Edises - Molecole, Cellule e Organismi - P. Bonaldo, C. Brancolini, E. Ginelli, et al. –ed Edises (II Edizione) - Biologia molecolare della cellula - B. Alberts et al. – ed Zanichelli (VII edizione 2025)

Obiettivi Generali del Corso Integrato L’insegnamento di Biologia ha l’obiettivo di fornire agli studenti una preparazione solida e integrata sui fondamenti della biologia, quale base indispensabile per la comprensione dei processi fisiologici e patologici, affrontati nei successivi insegnamenti dell’area biomedica. Obiettivi specifici del Corso Integrato Conoscenza e comprensione Al termine del corso lo studente sarà in grado di: • Descrivere la struttura e la funzione delle principali macromolecole biologiche e comprendere le basi molecolari della materia vivente • Comprendere l’organizzazione e la compartimentalizzazione cellulare, il traffico intracellulare e le interazioni tra cellule e ambiente esterno • Illustrare i meccanismi molecolari e cellulari che regolano l'espressione e la trasmissione dell’informazione genetica ed epigenetica identificando le loro implicazioni nelle patologie ereditarie. Illustrare i fondamenti della comunicazione cellulare e della trasduzione del segnale, con particolare attenzione al controllo della proliferazione, e della morte cellulare, nonché i processi che regolano la mitosi e la meiosi nelle cellule germinali Capacità di applicare conoscenza e comprensione Al termine del corso lo studente sarà in grado di: • Applicare le conoscenze acquisite per comprendere i processi cellulari normali e patologici rilevanti in ambito medico • Interpretare dati sperimentali relativi alla struttura e funzione della cellula e dei suoi vari componenti, alla regolazione genica e ai meccanismi di segnalazione intracellulare e intercellulare • Utilizzare queste conoscenze e gli approcci metodologici acquisiti per i futuri studi in ambito biomedico Autonomia di giudizio Al termine del corso lo studente sarà in grado di: 1. valutare criticamente le informazioni 2. formare opinioni informate 3. prendere decisioni autonome Abilità comunicative: Al termine del corso lo studente sarà in grado di: 1. esprimere in modo chiaro e efficace le proprie informazioni e conoscenze Capacità di apprendimento Al termine del corso lo studente sarà in grado di: 1. apprendere in modo autonomo e continuo 2. aggiornare le proprie competenze e conoscenze

Sono richieste conoscenze di matematica, fisica, chimica e biologia che rispondono alla preparazione promossa dalle istituzioni scolastiche che organizzano attività educative e didattiche coerenti con le Indicazioni nazionali per i licei e con le Linee guida per gli istituti tecnici e per gli istituti professionali.

Didattica online, mediante piattaforma Teams, con uso di diapositive e filmati

La verifica dell'apprendimento si svolgerà come stabilito dal MUR ai sensi dell’Allegato 2 del DM 418/2025. https://www.mur.gov.it/it/atti-e-normativa/decreto-ministeriale-n-418-del-30-05-2025

Docenti del Corso: Prof.ssa Gilda Cobellis; Prof.ssa Rosanna Chianese; Prof. Massimo Venditti; Prof. Paolo Chieffi

Obiettivi formativi specifici descritti per unità didattiche: Unità didattica 1. Le basi dell’organizzazione biologica e molecolare della vita (impegno didattico valutato in CFU= 0,75) Descrivere e interpretare: - L’albero della vita. Gli organismi e la teoria cellulare. Le proprietà fondamentali della materia vivente. La teoria dell’evoluzione di Darwin e il principio One Health. - I virus: Caratteristiche generali. L’acido nucleico, il capside e l’involucro membranoso. Le 6 classi di virus animali. Il ciclo litico e lisogenico di un virus batterico. Il ciclo di un virus animale. Il ciclo di un retrovirus. Modalità di entrata e di uscita di un virus da una cellula animale. Virus oncogeni a DNA e a RNA. - Cenni sulla cellula procariotica: la membrana plasmatica, la parete, la membrana esterna, la capsula, le fimbrie e i pili, i flagelli. I batteri Gram positivi e Gram negativi (la colorazione di Gram). Gli eubatteri e gli archeobatteri. Cenni sui meccanismi di trasferimento genico orizzontali. - La cellula eucariotica. Il sistema delle endomembrane. La generazione del nucleo, l’endosimbiosi per la generazione dei mitocondri. Dagli organismi unicellulari a quelli pluricellulari complessi. - Le basi chimiche della vita: gli atomi e le molecole di interesse biologico. Le molecole polari e non polari. Le proprietà dell’acqua. I legami chimici covalenti e non covalenti. I gruppi funzionali. - Struttura e funzione delle macromolecole biologiche: Gli zuccheri e i carboidrati. I lipidi. I nucleotidi e gli acidi nucleici. Il modello di Watson e Crick e la doppia elica del DNA. Gli RNA: struttura e funzioni. RNA codificanti e non codificanti. Gli amminoacidi, il legame peptidico e le proteine. Cenni sulla struttura delle proteine. Domini proteici e siti attivi. Le principali modificazioni post- traduzionali delle proteine, ad esempio la fosforilazione, l’acetilazione, la glicosilazione e l’aggiunta di lipidi. Cenni sugli enzimi ed il loro funzionamento. - Cenni di metabolismo: i concetti di anabolismo e catabolismo, le reazioni di condensazione e di idrolisi. Unità didattica 2. I meccanismi cellulari di trasmissione e controllo dell’informazione genetica e epigenetica (impegno didattico valutato in CFU=0,5) Descrivere e interpretare: - Il nucleo e il genoma delle cellule eucariotiche: I cromosomi lineari delle cellule eucariotiche. Il cariotipo nell’uomo. La diploidia e i cromosomi omologhi. Organizzazione minimale di un cromosoma eucariotico. Il DNA centromerico e telomerico. - La cromatina: I nucleosomi. L’impaccamento del DNA e le proteine istoniche. L’istone H1 e la fibra di 30 nm. L’eucromatina e l’eterocromatina, la metilazione del DNA. Il rimodellamento della cromatina. Le modificazioni post-traduzionali degli istoni e l’epigenetica (l’esempio dell’acetilazione). Le condensine e il ripiegamento della cromatina. - Il genoma umano: Cenni sull’organizzazione e caratteristiche delle sequenze che lo compongono. Sequenze singole, famiglie geniche (globine, RNA ribosomiali), sequenze ripetute, sequenze ripetute in tandem (minisatelliti, microsatelliti), sequenze ripetute intersperse (LINE, SINE e retrovirus endogeni). Gli elementi mobili del DNA. Unità didattica 3. Il flusso dell’informazione (impegno didattico valutato in CFU=1,0) Descrivere e interpretare: - La replicazione del DNA nei procarioti e negli eucarioti: Il meccanismo semiconservativo. Le origini di replicazione, la formazione del complesso d’inizio e la forcella replicativa. Lo srotolamento del DNA: le DNA elicasi e le topoisomerasi. La primasi e l’innesco della replicazione. Le DNA polimerasi e le attività di correzione degli errori. Il filamento continuo e discontinuo e i frammenti di Okazaki. La rimozione dell’RNA e la DNA ligasi. La funzione dei telomeri e delle telomerasi. I telomeri e la senescenza replicativa. - I geni: Il concetto di gene e l’anatomia del gene procariotico ed eucariotico. Geni policistronici e monocistronici. Promotori ed elementi regolativi in cis. - Cenni sulla trascrizione nei procarioti: Il modello dell’operone Lac. - Il controllo dell’espressione genica negli eucarioti: trascrizionale, post-trascrizionale, traduzionale e post-traduzionale. - La trascrizione negli eucarioti: Le tre RNA polimerasi (I, II, III). I fattori di trascrizione generali. La TATA box. Promotori prossimali e distali (enhancer e silencer). I fattori di trascrizione specifici: l’esempio dei recettori degli ormoni steroidei. Inizio, elongazione e terminazione della trascrizione negli eucarioti. - La maturazione degli RNA: Il capping, la poliadenilazione, lo splicing e lo splicing alternativo. Cenni sullo spliceosoma e gli snRNA. I ribozimi. Editing dell’RNA. La regolazione della stabilità del messaggero (Deadenilazione e decapucciamento, miRNA ed RNA interference). - La sintesi delle proteine: Il meccanismo della traduzione. Gli attori della traduzione, mRNA, rRNA e tRNA. La sintesi degli aminoacil-tRNA. I ribosomi. Sintesi e maturazione degli rRNA e dei tRNA. Il codice genetico, i codoni e gli anticodoni. La ridondanza, la degenerazione, la non ambiguità e l’universalità del codice genetico. I fattori di inizio, di elongazione e di terminazione nella traduzione. - La maturazione delle proteine: L’importanza del corretto ripiegamento delle proteine. Le proteine chaperon. Gli errori di ripiegamento delle proteine. Cenni sui prioni. - Regolazione dell’attività biologica delle proteine: La degradazione delle proteine. Degradazione proteasomica ubiquitina dipendente. Proteine simili all’ubiquitina. Unità didattica 4. I meccanismi cellulari di trasmissione e controllo dei caratteri selvatici e mutati (impegno didattico valutato in CFU= 0,75) Descrivere e interpretare: - Le variazioni del genoma: Sostituzione, inserzione o delezione di nucleotidi. Mutazioni geniche e cromosomiche. Il fenomeno dell’espansione di sequenze ripetute. Cenni sui principali meccanismi di riparazione del DNA nel danno a singolo e doppio filamento. Correlazioni con i fenomeni di invecchiamento cellulare. - Gli alleli: Omozigosi, eterozigosi ed eterozigosi composta. Dominanza e recessività. Genotipo e fenotipo. Le leggi di Mendel. I caratteri singoli, la segregazione, l’assortimento indipendente. Dominanza incompleta e codominanza. Alleli multipli (poliallelia, sistema AB0 dei gruppi sanguigni). La pleiotropia. Epistasi (rapporti mendeliani atipici). Associazione completa e incompleta. Mappe fisiche e genetiche. Gli alberi genealogici. - L’espressione genica modulata dall’ambiente: Il concetto di penetranza ed espressività, caratteri poligenici ed eredità quantitativa. Imprinting genomico. - Cromosomi umani e cariotipo: La tecnica del bandeggio. Cariotipo umano euploide. Alterazioni del cariotipo umano: variazioni del numero dei cromosomi (aneuploidia, poliploidia) e della struttura dei cromosomi (traslocazioni, inversioni, delezioni e inserzioni). L’esempio della trisomia del cromosoma 21. Ereditarietà autosomica (dominante e recessiva), ereditarietà associata al cromosoma X (dominante e recessiva), al cromosoma Y, ereditarietà mitocondriale. Unità didattica 5. Le strutture cellulari: biogenesi, morfologia e funzioni (impegno didattico valutato in CFU=1,5) Descrivere e interpretare: - Le membrane e i loro componenti. Il modello a mosaico fluido. L’importanza del glicocalice. Asimmetria di membrana. - Il trasporto attraverso la membrana plasmatica. Osmosi, diffusione, trasporto passivo. Le proteine canale e i trasportatori. Il trasporto attivo. L’esempio dei trasportatori ABC e della pompa Na/K. Il potenziale di membrana. Il potenziale d’azione. - Lo smistamento delle proteine: I diversi compartimenti cellulari e le loro relazioni topologiche. I segnali di indirizzamento ai compartimenti. Trasporto regolato attraverso i pori nucleari, tramite traslocatori o tramite vescicole. - Il nucleo: L’involucro nucleare. Il nucleolo. I pori nucleari. Le nucleoporine. Il trasporto nucleare. I segnali di localizzazione nucleare e di esportazione nucleare. Il ruolo delle importine, delle esportine, della proteina Ran e di RanGEF e RanGAP. Regolazione dell’importazione nucleare (esempi: recettore degli ormoni steroidei, NfkB, SREBP1). Trasporto degli RNA dal nucleo al citosol. - I mitocondri: struttura e funzioni. Il genoma mitocondriale e le modalità del flusso dell’informazione nei mitocondri. Cenni di energetica: la respirazione cellulare (dalla glicolisi alla catena di trasporto degli elettroni fino alla sintesi di ATP), le molecole che vi partecipano, il bilancio energetico del processo. Il network mitocondriale e le sue dinamiche: fusione, fissione e le proteine regolatorie. Il trasporto ai mitocondri: il segnale di indirizzamento alla matrice mitocondriale, i traslocatori TOM, TIM, SAM e OXA. Il ruolo dell’energia nell’importazione delle proteine alla matrice mitocondriale. L’importazione di proteine alla membrana mitocondriale esterna, alla membrana mitocondriale interna e allo spazio intermembrana. - I perossisomi: struttura e funzioni. Il trasporto ai perossisomi: i segnali e i loro recettori. Le peculiarità del trasporto ai perossisomi. Le perossine e la biogenesi dei perossisomi. L’azione detossificante dei perossisomi. Patologie legate ai perossisomi (sindrome di Zellweger). - La via secretoria: il reticolo endoplasmatico liscio e ruvido, il cis-Golgi network, l’apparato di Golgi e il trans-Golgi network. Il trasporto al reticolo endoplasmatico: la sequenza di indirizzamento, SRP ed il suo recettore, il traslocone, la peptidasi del segnale. Le modificazioni delle proteine neosintetizzate nel reticolo endoplasmatico. La glicosilazione ed il suo ruolo nel ripiegamento delle proteine tramite calnexina e calreticulina. Il controllo di qualità del reticolo endoplasmatico (esempi: calnexina e immunoglobuline). Ruolo delle proteine chaperon durante la traduzione ed il trasporto agli organelli. Le risposte UPR e l’attivazione del sistema ERAD. L’esempio della fibrosi cistica. Secrezione costitutiva e secrezione regolata. - Il traffico vescicolare: Formazione delle vescicole. Le proteine di rivestimento ed i loro ruoli. L’attracco, l’ormeggio e la fusione di vescicole ai compartimenti bersaglio. Ruolo di NSF, SNAPs, SNARE e RAB. Il ruolo dei fosfoinositidi. - L’endocitosi: Endocitosi in fase fluida e mediata da recettori. Endocitosi della transferrina, delle LDL e dell’EGF: differenze e peculiarità. Endosomi precoci di smistamento e di riciclo, endosomi tardivi, corpi multivescicolari e lisosomi. Il trasporto ai lisosomi e il mannosio-6-fosfato. Disfunzioni lisosomali e malattie di accumulo. L’endocitosi nelle cellule polarizzate. La transcitosi (esempio delle immunoglobuline). La fagocitosi e le sue funzioni. - L’autofagia: macroautofagia, microautofagia e autofagia mediata da chaperon molecolari. L’esempio della mitofagia. Conseguenze delle alterazioni della via autofagica. - Il citoscheletro. I microtubuli: Struttura e funzione dei microtubuli. Formazione, allungamento e accorciamento dei microtubuli. Il ruolo del GTP nella stabilità dei microtubuli. Il centrosoma e il complesso yTuRC. Proteine MAP motrici e non motrici. Le dineine e le chinesine. Esempi di alterazioni nelle dineine citoplasmatiche. Le ciglia e i flagelli. - I microfilamenti: Struttura e funzioni dei microfilamenti di actina. Il processo di polimerizzazione dell’actina: il ruolo dell’ATP e il complesso Arp2/3. Le proteine accessorie dell’actina. Le proteine di collegamento: l’esempio della distrofina. Le miosine. Il sarcomero. Regolazione del citoscheletro di actina tramite proteine della famiglia Rho (Rho, Rac e CDC42). La migrazione cellulare, l’esempio della polarizzazione e chemiotassi dei neutrofili. - I filamenti intermedi: Polimerizzazione, struttura e funzioni. Le cheratine e la lamina nucleare. I legami tra diversi elementi del citoscheletro. Le connessioni tra nucleoscheletro e citoscheletro. Unità didattica 6. La cellula e l’ambiente, la segnalazione cellulare e la trasduzione del segnale (impegno didattico valutato in CFU= 0,75) Descrivere e interpretare: - La matrice extracellulare: struttura e funzioni. Degradazione della matrice extracellulare. Ancoraggio alla matrice tramite le integrine. La meccanotrasduzione e le connessioni con il citoscheletro. L’esempio della fibronectina. - La comunicazione tra cellule: Il riconoscimento tra cellule e la formazione dei tessuti (caderine e CAM). I diversi tipi di giunzioni cellulari: giunzioni occludenti, giunzioni aderenti, desmosomi ed emidesmosomi, giunzioni comunicanti. - La segnalazione cellulare da contatto, autocrina, paracrina, endocrina e sinaptica. La trasduzione del segnale: elementi costitutivi e cascate regolative. I recettori di superficie e i recettori intracellulari. L’esempio dell’ossido nitrico e gli ormoni lipidici. I recettori accoppiati a canali ionici. - I recettori accoppiati a proteine G. Le proteine G monomeriche e trimeriche nella trasduzione del segnale. Le proteine regolatorie: GEF e GAP. Secondi messaggeri e amplificazione del segnale. Desensitizzazione recettoriale, l’esempio della visione. - I recettori dotati di attività enzimatica: i recettori tirosin-chinasici, la via Ras-MAP chinasi. Gli oncogeni e la trasduzione del segnale. Segnalazione del recettore per l'insulina e del recettore per l’EGF. La segnalazione dei fosfoinositidi. Unità didattica 7. Il controllo della proliferazione e della sopravvivenza cellulare (impegno didattico valutato in CFU=0,75) Descrivere e interpretare: - Il ciclo cellulare: Le fasi e i punti di controllo. Le cicline e le chinasi dipendenti da ciclina e la loro modulazione. Le fasi della mitosi. L’ingresso in mitosi. La condensazione dei cromosomi. - La formazione del fuso mitotico: i microtubuli astrali, del cinetocore e interpolari. I meccanoenzimi della mitosi, il disassemblaggio della lamina nucleare e la dinamica degli organelli intracellulari. Il complesso NDC80. Il movimento dei cromosomi e del fuso mitotico. - Il completamento della mitosi: Il complesso APC/C o ciclosoma. La degradazione delle cicline e della securina. La separazione dei cromatidi fratelli. La citodieresi. La mitosi asimmetrica. - L’entrata in fase S: il ruolo dei fattori di crescita. La ciclina D-Cdk4/6. Fosforilazione di Rb e attivazione di E2F. Rb nel retinoblastoma. Gli inibitori del complesso ciclina-CDK. Il danno al DNA e l’attivazione di p53 per l’induzione del riparo o dell’apoptosi. Proto-oncogeni, oncogeni e geni oncosoppressori. - Cenni sulle cellule germinali. Meccanismo molecolare della meiosi e sue conseguenze genetiche. Il crossing over. Le differenze tra mitosi e meiosi. Cause di aneuploidia. La meiosi nella gametogenesi umana maschile e femminile. Il concetto della cellula staminale. - La morte cellulare: necrosi e apoptosi. La via apoptotica intrinseca ed estrinseca. Le caspasi iniziatrici ed esecutrici. La MOMP, il citocromo C e l’apoptosoma. Le proteine pro- e anti- apoptotiche (la famiglia di BCL2). I recettori di morte e le vie di segnalazione.

Italian

During the course cell biology, molecular biology and genetic topics will be developped in following 7 Teaching Unit Unit 1. The Foundations of the Biological and Molecular Organization of Life (Teaching commitment evaluated at CFU = 0.75) Unit 2. Cellular Mechanisms of Transmission and Control of Genetic and Epigenetic Information(Teaching commitment evaluated at CFU = 0.5) Unit 3. The Flow of Information (Teaching commitment evaluated at CFU = 1.0) Unit 4. Cellular Mechanisms of Transmission and Control of Wild-Type and Mutated Traits (Teaching commitment evaluated at CFU = 0.75) Unit 5. Cellular Structures: Biogenesis, Morphology, and Functions (Teaching commitment evaluated at CFU = 1.5) Unit 6. The Cell and the Environment: Cell Signaling and Signal Transduction (Teaching commitment evaluated at CFU = 0.75) Unit 7. Control of Cell Proliferation and Survival (Teaching commitment evaluated at CFU = 0.75)

- Manuale di Biologia e Genetica per il semestre filtro - R. Alessandro, C. Bucci, S. Fasano - ed Edises - Molecole, Cellule e Organismi - P. Bonaldo, C. Brancolini, E. Ginelli, et al. –ed Edises (II Edizione) - Biologia molecolare della cellula - B. Alberts et al. – ed Zanichelli (VII edizione 2025)

General Objectives of the Integrated Course The Biology course aims to provide students with a solid and integrated foundation in the fundamentals of biology, which is an essential basis for understanding the physiological and pathological processes addressed in subsequent courses in the biomedical area. Specific Objectives of the Integrated Course Knowledge and Understanding At the end of the course, the student will be able to: • Describe the structure and function of the main biological macromolecules and understand the molecular basis of living matter. • Understand cellular organization and compartmentalization, intracellular trafficking, and interactions between cells and the external environment. • Illustrate the molecular and cellular mechanisms that regulate the expression and transmission of genetic and epigenetic information, identifying their implications in hereditary diseases. Explain the fundamentals of cell communication and signal transduction, with particular attention to the control of cell proliferation and death, as well as the processes that regulate mitosis and meiosis in germ cells. Ability to Apply Knowledge and Understanding At the end of the course, the student will be able to: • Apply the acquired knowledge to understand normal and pathological cellular processes relevant to the medical field. • Interpret experimental data related to the structure and function of the cell and its various components, gene regulation, and intracellular and intercellular signaling mechanisms. • Use this knowledge and the methodological approaches acquired for future studies in the biomedical field. Autonomy of Judgment At the end of the course, the student will be able to: 1. Critically evaluate information. 2. Form informed opinions. 3. Make independent decisions. Communication Skills At the end of the course, the student will be able to: 1. Express information and knowledge clearly and effectively. Learning Skills At the end of the course, the student will be able to: 1. Learn independently and continuously. 2. Update their skills and knowledge.

Students are expected to have knowledge of mathematics, physics, chemistry, and biology consistent with the preparation provided by schools that organize educational activities in line with the National Guidelines for high schools and the Guidelines for technical and vocational institutes.

Online teaching, using the Teams platform, with the use of slides and videos

the learning assessment will be carried out as established by the MUR, pursuant to Annex 2 of Ministerial Decree 418/2025. https://www.mur.gov.it/it/atti-e-normativa/decreto-ministeriale-n-418-del-30-05-2025

Teaching professor: Prof.ssa Gilda Cobellis; Prof.ssa Rosanna Chianese; Prof. Massimo Venditti; Prof. Paolo Chieffi

Specific Learning Objectives Described by Teaching Units Teaching Unit 1. The Foundations of the Biological and Molecular Organization of Life (Teaching commitment evaluated at CFU = 0.75) Describe and interpret: - The Tree of Life. Organisms and the cell theory. The fundamental properties of living matter. Darwin’s theory of evolution and the One Health principle. - Viruses: General characteristics. Nucleic acid, capsid, and membranous envelope. The six classes of animal viruses. The lytic and lysogenic cycles of a bacterial virus. The life cycle of an animal virus. The retrovirus life cycle. Modes of entry and exit of a virus from an animal cell. DNA and RNA oncogenic viruses. - Basics of the prokaryotic cell: plasma membrane, cell wall, outer membrane, capsule, fimbriae and pili, flagella. Gram-positive and Gram-negative bacteria (Gram staining). Eubacteria and Archaebacteria. Overview of horizontal gene transfer mechanisms. - The eukaryotic cell. The endomembrane system. The origin of the nucleus, endosymbiosis and the origin of mitochondria. From unicellular to complex multicellular organisms. - The chemical basis of life: atoms and biologically relevant molecules. Polar and non-polar molecules. Properties of water. Covalent and non-covalent chemical bonds. Functional groups. - Structure and function of biological macromolecules: sugars and carbohydrates, lipids, nucleotides and nucleic acids. Watson and Crick’s model and the DNA double helix. RNAs: structure and functions. Coding and non-coding RNAs. Amino acids, peptide bonds, and proteins. Basics of protein structure. Protein domains and active sites. Major post-translational modifications of proteins, e.g., phosphorylation, acetylation, glycosylation, and lipid addition. Basics of enzymes and how they work. - Basics of metabolism: concepts of anabolism and catabolism; condensation and hydrolysis reactions. Teaching Unit 2. Cellular Mechanisms of Transmission and Control of Genetic and Epigenetic Information(Teaching commitment evaluated at CFU = 0.5) Describe and interpret: - The nucleus and genome of eukaryotic cells: linear chromosomes in eukaryotic cells. The human karyotype. Diploidy and homologous chromosomes. Basic organization of a eukaryotic chromosome. Centromeric and telomeric DNA. - Chromatin: nucleosomes. DNA packaging and histone proteins. Histone H1 and the 30 nm fiber. Euchromatin and heterochromatin, DNA methylation. Chromatin remodeling. Post-translational modifications of histones and epigenetics (example: acetylation). Condensins and chromatin folding. - The human genome: basics of organization and characteristics of its sequences. Single-copy sequences, gene families (globins, ribosomal RNAs), repetitive sequences, tandem repeats (minisatellites, microsatellites), interspersed repeats (LINEs, SINEs, and endogenous retroviruses). Mobile DNA elements. Teaching Unit 3. The Flow of Information (Teaching commitment evaluated at CFU = 1.0) Describe and interpret: - DNA replication in prokaryotes and eukaryotes: the semi-conservative mechanism. Origins of replication, initiation complex formation, and the replication fork. DNA unwinding: DNA helicases and topoisomerases. Primase and replication priming. DNA polymerases and proofreading activities. Leading and lagging strands and Okazaki fragments. RNA removal and DNA ligase. Function of telomeres and telomerase. Telomeres and replicative senescence. - Genes: the concept of a gene and the anatomy of prokaryotic and eukaryotic genes. Polycistronic and monocistronic genes. Promoters and cis-regulatory elements. - Basics of transcription in prokaryotes: the Lac operon model. - Control of gene expression in eukaryotes: transcriptional, post-transcriptional, translational, and post-translational regulation. - Transcription in eukaryotes: the three RNA polymerases (I, II, III). General transcription factors. The TATA box. Proximal and distal promoters (enhancers and silencers). Specific transcription factors: the example of steroid hormone receptors. Initiation, elongation, and termination of eukaryotic transcription. - RNA processing: capping, polyadenylation, splicing, and alternative splicing. Overview of the spliceosome and snRNAs. Ribozymes. RNA editing. Regulation of mRNA stability (deadenylation and decapping, miRNAs, and RNA interference). - Protein synthesis: the translation mechanism. Players in translation: mRNA, rRNA, tRNA. Aminoacyl-tRNA synthesis. Ribosomes. Synthesis and processing of rRNA and tRNA. The genetic code: codons and anticodons, redundancy, degeneracy, non-ambiguity, and universality. Initiation, elongation, and termination factors in translation. - Protein maturation: the importance of proper protein folding. Chaperone proteins. Protein misfolding. Basics of prions. - Regulation of protein biological activity: protein degradation. Ubiquitin-dependent proteasomal degradation. Ubiquitin-like proteins. Teaching Unit 4. Cellular Mechanisms of Transmission and Control of Wild-Type and Mutated Traits (Teaching commitment evaluated at CFU = 0.75) Describe and interpret: - Genome variations: substitution, insertion, or deletion of nucleotides. Gene and chromosomal mutations. The phenomenon of repeat sequence expansion. Basics of main DNA repair mechanisms for single- and double-strand damage. Correlations with cellular aging phenomena. - Alleles: homozygosity, heterozygosity, and compound heterozygosity. Dominance and recessiveness. Genotype and phenotype. Mendel’s laws. Single traits, segregation, independent assortment. Incomplete dominance and codominance. Multiple alleles (e.g., ABO blood groups). Pleiotropy. Epistasis (non-Mendelian ratios). Complete and incomplete linkage. Physical and genetic maps. Pedigrees. - Gene expression modulated by the environment: the concepts of penetrance and expressivity, polygenic traits, and quantitative inheritance. Genomic imprinting. - Human chromosomes and karyotype: banding techniques. Euploid human karyotype. Human karyotype alterations: changes in chromosome number (aneuploidy, polyploidy) and structure (translocations, inversions, deletions, insertions). Example: trisomy 21. Autosomal inheritance (dominant and recessive), X-linked inheritance (dominant and recessive), Y-linked inheritance, mitochondrial inheritance. Teaching Unit 5. Cellular Structures: Biogenesis, Morphology, and Functions (Teaching commitment evaluated at CFU = 1.5) Describe and interpret: - Membranes and their components. The fluid mosaic model. The importance of the glycocalyx. Membrane asymmetry. - Transport across the plasma membrane: osmosis, diffusion, passive transport. Channel proteins and transporters. Active transport. Examples: ABC transporters and the Na⁺/K⁺ pump. Membrane potential. Action potential. - Protein sorting: different cellular compartments and their topological relationships. Targeting signals to compartments. Regulated transport through nuclear pores, translocators, or vesicles. - The nucleus: nuclear envelope. Nucleolus. Nuclear pores. Nucleoporins. Nuclear transport. Nuclear localization and export signals. Role of importins, exportins, Ran protein, RanGEF, and RanGAP. Regulation of nuclear import (examples: steroid hormone receptors, NFkB, SREBP1). RNA transport from nucleus to cytosol. - Mitochondria: structure and functions. Mitochondrial genome and information flow. Basics of energetics: cellular respiration (from glycolysis to the electron transport chain and ATP synthesis), molecules involved, energy balance. Mitochondrial network dynamics: fusion, fission, and regulatory proteins. Mitochondrial import: targeting signals to the matrix, TOM, TIM, SAM, and OXA translocators. The role of energy in importing proteins into the mitochondrial matrix, outer and inner membranes, and intermembrane space. - Peroxisomes: structure and functions. Peroxisomal import: signals and receptors. Unique features of peroxisomal transport. Peroxins and peroxisome biogenesis. Peroxisomal detoxification function. Peroxisome-related diseases (e.g., Zellweger syndrome). - The secretory pathway: smooth and rough endoplasmic reticulum (ER), cis-Golgi network, Golgi apparatus, and trans-Golgi network. ER transport: targeting sequence, SRP and its receptor, translocon, signal peptidase. Modifications of newly synthesized proteins in the ER. Glycosylation and its role in protein folding (calnexin and calreticulin). ER quality control (e.g., calnexin and immunoglobulins). Role of chaperone proteins during translation and organelle targeting. UPR response and ERAD system activation. Example: cystic fibrosis. Constitutive and regulated secretion. - Vesicular trafficking: vesicle formation. Coat proteins and their roles. Docking, tethering, and fusion of vesicles with target compartments. Roles of NSF, SNAPs, SNAREs, and RAB proteins. Phosphoinositides’ role. - Endocytosis: fluid-phase and receptor-mediated endocytosis. Examples: transferrin, LDL, and EGF endocytosis — differences and features. Early sorting and recycling endosomes, late endosomes, multivesicular bodies, and lysosomes. Lysosomal targeting and mannose-6-phosphate. Lysosomal dysfunctions and storage diseases. Endocytosis in polarized cells. Transcytosis (e.g., immunoglobulins). Phagocytosis and its functions. - Autophagy: macroautophagy, microautophagy, and chaperone-mediated autophagy. Example: mitophagy. Consequences of altered autophagy pathways. - The cytoskeleton: Microtubules: structure and function. Assembly, elongation, and shortening. GTP’s role in microtubule stability. Centrosome and γTuRC complex. Motor and non-motor MAPs. Dyneins and kinesins. Examples of cytoplasmic dynein alterations. Cilia and flagella. - Microfilaments: structure and function of actin microfilaments. Actin polymerization: ATP’s role and the Arp2/3 complex. Actin accessory proteins. Linking proteins: example of dystrophin. Myosins. The sarcomere. Regulation of actin cytoskeleton via Rho family proteins (Rho, Rac, CDC42). Cell migration, example: neutrophil polarization and chemotaxis. - Intermediate filaments: polymerization, structure, and function. Keratins and the nuclear lamina. Links between different cytoskeletal elements. Connections between the nucleoskeleton and cytoskeleton. Teaching Unit 6. The Cell and the Environment: Cell Signaling and Signal Transduction (Teaching commitment evaluated at CFU = 0.75) Describe and interpret: - Extracellular matrix: structure and functions. Extracellular matrix degradation. Anchoring to the matrix via integrins. Mechanotransduction and connections with the cytoskeleton. Example: fibronectin. - Cell–cell communication: cell recognition and tissue formation (cadherins and CAMs). Different types of cell junctions: tight junctions, adherens junctions, desmosomes and hemidesmosomes, gap junctions. - Cell signaling: contact-dependent, autocrine, paracrine, endocrine, and synaptic signaling. Signal transduction: core elements and regulatory cascades. Surface and intracellular receptors. Example: nitric oxide and lipid hormones. Ion channel–linked receptors. - G protein–coupled receptors (GPCRs). Monomeric and trimeric G proteins in signal transduction. Regulatory proteins: GEFs and GAPs. Second messengers and signal amplification. Receptor desensitization; example: vision. - Enzyme-linked receptors: receptor tyrosine kinases, Ras-MAP kinase pathway. Oncogenes and signal transduction. Signaling by insulin receptor and EGF receptor. Phosphoinositide signaling. Teaching Unit 7. Control of Cell Proliferation and Survival (Teaching commitment evaluated at CFU = 0.75) Describe and interpret: - The cell cycle: phases and checkpoints. Cyclins and cyclin-dependent kinases (CDKs) and their modulation. Mitosis phases. Entry into mitosis. Chromosome condensation. - Mitotic spindle formation: astral, kinetochore, and interpolar microtubules. Mitotic motor enzymes, disassembly of the nuclear lamina, dynamics of intracellular organelles. NDC80 complex. Chromosome and spindle movement. - Mitosis completion: APC/C or cyclosome complex. Cyclin and securin degradation. Separation of sister chromatids. Cytokinesis. Asymmetric mitosis. - Entry into S phase: role of growth factors. Cyclin D–Cdk4/6. Rb phosphorylation and E2F activation. Rb in retinoblastoma. Cyclin–CDK complex inhibitors. DNA damage and p53 activation for repair or apoptosis. Proto-oncogenes, oncogenes, and tumor suppressor genes. - Basics of germ cells: molecular mechanism of meiosis and its genetic consequences. Crossing over. Differences between mitosis and meiosis. Causes of aneuploidy. Meiosis in human male and female gametogenesis. The concept of the stem cell. - Cell death: necrosis and apoptosis. Intrinsic and extrinsic apoptotic pathways. Initiator and executioner caspases. MOMP, cytochrome c, and the apoptosome. Pro- and anti-apoptotic proteins (BCL2 family). Death receptors and signaling pathways.