BIOINFORMATICA
2016/2017
2017/2018
DM270
ING-INF/06 (BIOINGEGNERIA ELETTRONICA E INFORMATICA)
DIPARTIMENTO DI BIOLOGIA E BIOTECNOLOGIE "LAZZARO SPALLANZANI"
BIOLOGIA SPERIMENTALE ED APPLICATA
Scienze biomediche molecolari
PRIMO SEMESTRE (01/10/2017 - 14/01/2018)
6
48 ore di attività frontale
Italiano
ORALE
PEVERALI ANTONIO FIORENZO (titolare) - 3 CFU
BELTRAME LUCA - 3 CFU
=Conoscenze di biologia molecolare, genetica, biochimica.
=Obiettivi principali del corso sono di fornire allo studente approcci metodologici che:
1- garantiscano una sufficiente autonomia nel settore ;
2- siano utili per una moderna, integrata e interdisciplinare formazione biologica e biotecnologica.
Descrizione sintetica degli argomenti e dei siti web consultati (variazioni al presente sono possibili durante le lezioni).
Per dettagli su programma, tutorato, calendario e modalita’ d’esame, consultare la piattaforma di e-learning riservata agli iscritti all’insegnamento https://elearning2.unipv.it/bio/login/index.php

MODULO I:
1. INTRODUZIONE alla BIOINFORMATICA:
La bioinformatica: strumento per la divulgazione libera della conoscenza per il progresso dell’umanità.
Dai mattoni della vita ad una visione integrata delle scienze della vita.
Accordi internazionali, consorzi, regole e convenzioni.
L’esempio del Progetto genoma: https://www.genome.gov/
Dalla lettura della “Natura” alla deduzione della “Regola”: il Sistema Internazionale IUPAC per gli acidi nucleici e proteine.
http://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/
http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/misc/naseq.html#100

2. STRUMENTI E DATABASE DEDICATI ALLA LETTERATURA SCIENTIFICA E BREVETTI;
Consultazione di database mediante l’impiego di “filtri”, di strumenti di “Ricerca avanzata” e di personalizzazione (MyNCBI) nel portale di NCBI: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/
nel portale di Europe PMC:
https://europepmc.org/
nel portale dedicato ai brevetti: http://www.epo.org/
Cenni a:
-Peer reviewing; Open access journals; parametri bibliometrici.
-Identificativi personali unici digitalizzati.
-Strumenti per la gestione informatica delle referenze bibliografiche e per l’allestimento di documenti scientifici.
-plagio e strumenti informatici di analisi.

3. BANCHE DATI: DNA; GENI; e NOMENCLATURA
Consorzio internazionale dei nucleotidi (http://www.insdc.org/ ),
Annotazione genica: formati GenBank e Fasta
Banche dati (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ ): Nucleotide Database, Reference Sequence (RefSeq), Consensus CDS (CCDS), GenBank, Database of Expressed Sequence Tags (dbEST), Gene,
GeneCards http://www.genecards.org/
Nomenclatura ufficiale dei geni: http://www.genenames.org/
Manipolazione di DNA ricombinante e progettazione di proteine ricombinanti:
http://www.snapgene.com/products/snapgene_viewer/

5. GENOME BROWSER: ENSEMBL, NCBI, UCSC.
Progetto genoma. Sequenziamento e approcci: Top-down vs bottom-up; Mappe fisiche, citogenetiche e genetiche. Coordinate genomiche vs genetiche. Concetto di sintenia. Marcatori molecolari: STS.
Genome Assembly e Processo di aggiornamento di un genoma (Release Number).
https://en.wikipedia.org/wiki/Human_Genome_Project
ENSEMBL browser: http://www.ensembl.org/index.html
NCBI genome browser: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/mapview/
UCSC genome browser: https://genome.ucsc.edu/index.html

6. ESPRESSIONE GENICA
Gene expression in Ensembl http://www.ensembl.org/info/website/tutorials/expression.html
array express https://www.ebi.ac.uk/arrayexpress/
Expression Atlas https://www.ebi.ac.uk/gxa/homeUnigene, EST profile; GEO profiles
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/unigene

7. STRUMENTI E DATABASE PER L’ANALISI DELLE VARIANTI POLIMORFICHE E PATOLOGICHE.
Variabilita’ genetica normale e patologica mediante analisi di SNP, Ins/Del e/o riarrangiamenti citogenetici.
Definizione genetica e molecolare di SNP, definizione di MAF.
Ensembl SNPs and other variants for my gene: http://www.ensembl.org/info/website/tutorials/gene_snps.html
Database of Short Genetic Variations (dbSNP)
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/snp/
Malattie genetiche a trasmissione mendeliana. Malattie rare a base genetica. Relazione genotipo fenotipo.
http://omim.org/
http://www.orpha.net/consor/cgi-bin/index.php
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/medgen/
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/variation/
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21088/
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/dbvar
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/clinvar/
cenni al progetto 1000 Genomes
http://www.1000genomes.org/

8. PROTEINE, STRUTTURE ed ENZIMI
Proteine, enzimi, strutture 3-D, interazioni proteiche
http://www.uniprot.org/
http://www.ebi.ac.uk/interpro/
http://www.ebi.ac.uk/enzymeportal/
http://www.brenda-enzymes.info/
http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do
cenni a interazione DNA-proteine ed epigenoma. Cenni al progetto ENCODE. Ricerca nel genoma di: promotori, CpG island, modificazioni epigenetiche di istoni, siti di ipersensibilita’ alla DNasi, siti di legame DNA-proteine, insulators mediante l' UCSC e l' ENSEMBL genome browser.

9. ALLINEAMENTO DI SEQUENZE.
Descrizione di algoritmi BLAST per allineamenti tra sequenze nucleotidiche; tra sequenze proteiche; tra sequenze nucleotidiche e proteiche e viceversa. Allineamenti multipli di sequenze;
Significato dei parametri di allineamento: “word size”, “expect threshold”, “Match/Mismatch scores”, “Gap cost”.
http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi
http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/tcoffee/

10. INTERAZIONI PROTEICHE, METABOLISMI e PATHWAYS
Definizione ed analisi di pathways e metabolismi.
Ricerca di interattori tra proteine e proteine-piccole molecole.
http://www.genome.jp/kegg/pathway.html
http://www.reactome.org/
http://string-db.org/newstring_cgi/show_input_page.pl?UserId=bfrMLUg_TgzQ&sessionId=JRVOp7Hh7JFy&input_page_type=single_identifier
http://stitch.embl.de/

10. PICCOLE MOLECOLE, FARMACI, TOSSICOLOGIA - SMALL MOLECULES
Siti dedicati a piccole molecole con attivita’ biologica, composti chimici ed effetti sul vivente:
http://toxnet.nlm.nih.gov/newtoxnet/toxnetallsearch.html
https://www.ebi.ac.uk/chembl/index.php/compound/results
https://www.ebi.ac.uk/chebi/
http://www.drugbank.ca/
https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/
CAS number. Material Safety Data Sheet. Descrizione di alcuni Pittogrammi sulla sicurezza
http://www.sigmaaldrich.com/help-welcome.html
http://www.sigmaaldrich.com/help-welcome/hazard-and-precautionary-statements.html#pictogram

MODULO 2:
1. ANALISI DI SEQUENZA SU GRANDE SCALA
L'allineamento multiplo di sequenze.
Strumenti avanzati per l'analisi di sequenza: la piattaforma Galaxy.
Ricavare dati di sequenza da banche dati con Galaxy.
Identificazione di regioni genomiche di interesse biologico con Galaxy.
Annotazione di regioni genomiche con Galaxy.

SITI DI RIFERIMENTO
Galaxy - https://usegalaxy.org
Galaxy Training - https://galaxyproject.github.io/training-material/
BLAST Quick Start - https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK1734/

2. USO MASSIVO DI BANCHE DATI BIOINFORMATICHE
Introduzione all'accesso in batch per le risorse bioinformatiche.
Annotazione di geni e proteine: BioMart e MyGene.info.
Metodi per l'accesso a banche dati tramite Jupyter (https://jupyter.org)
Consultazione programmatica delle banche dati NCBI: EUtils.
Accesso programmatico a RefSeq e PubMed, ed Ensembl.

SITI DI RIFERIMENTO

Jupyter - https://jupyter.org
Biomart - https://www.biomart.org/
MyGene - https://mygene.info
EUtils - https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK25500/
Bioservices - https://bioservices.readthedocs.io

3. ANNOTAZIONE FUNZIONALE
I metodi di annotazione funzionale.
Annotazione funzionale con database di pathway.
Risorse per l'annotazione funzionale.
Cenni di systems biology.

SITI DI RIFERIMENTO

DAVID - https://david.ncifcrf.gov/
KEGG - https://kegg.jp
Reactome - https://reactome.org
Bioservices - https://bioservices.readthedocs.io
Gene Expression Atlas - https://www.ebi.ac.uk/gxa/home
Le lezioni interattive si svolgeranno in aule informatiche dotate di postazioni per gli studenti e/o servite da dispositivi per la consultazione della rete internet con strumenti personali. Durante le lezioni e il tutorato, gli studenti iscritti all’insegnamento potranno effettuare esercitazioni e quiz test di autovalutazione dell'apprendimento sulla piattaforma di e-learning di UniPV – KIRO:
https://elearning2.unipv.it/bio/login/index.php
In generale, ogni sito web consultato è dotato di un link ad una sessione dedicata all’apprendimento dello strumento stesso:
Vedere i link “HELP” o “GETTING HELP” o “EDUCATION” “TRAINING AND TUTORIALS” o demo su You Tube di ciascun sito per chiarimenti o spiegazioni. Alcuni esempi sono:
-NCBI Training and Tutorials;
-NCBI Handbook,
-NCBI shelves;
-EBI training online;
-GenEnsembl help,
-Uniprot documentations and tutorials;
-UCSC genome bioinformatics help.

Articoli specifici discussi durante le lezioni sono disponibili nel sito di e-learning di UniPV (http://elearning2.unipv.it/bio/ ) nello spazio riservato all'insegnamento di Bioinformatica.
Altri siti ove reperire materiale sono:
- Nucleic Acids Research Database Issue and Molecular Biology Database Collection
https://www.oxfordjournals.org/nar/database/c/
dettagliata collezione di articoli che descrivono “Database” suddivisi per argomenti

- Database resources of the National Center for Biotechnology Information:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/home/learn.shtml

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK3831/

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK143764/
The NCBI Handbook, 2nd edition. Il PDF è scaricabile da questo sito ed è inoltre disponibile nella piattaforma di kiro.

Nel corso dell'insegnamento saranno resi disponibili sulla piattaforma didattica KIRO (Moodle 2.7) di UniPV ( http://elearning2.unipv.it/bio/ ):
- Programma d’esame aggiornato sugli argomenti trattati;
- Elenco dei siti web consultati;
- Esempi di esercitazioni e quiz test di autovalutazione.
- Materiale didattico, articoli, review e altra documentazione.
- Esempi per la presentazione orale di argomenti di carattere biomedico sviluppati con strumenti bioinformatici
La prova d’esame consiste di:
1- QUIZ -TEST sulla piattaforma kiro di UniPV costituito da domande sul programma dell'insegnamento.
2- PRESENTAZIONE ORALE su un argomento biomedico con l'ausilio di strumenti bioinformatici on-line:

1- QUIZ- TEST: verifica delle conoscenze acquisite sugli argomenti dell’insegnamento tramite “quiz conclusivo” sulla piattaforma didattica KIRO (Moodle 2.7) di UniPV (http://elearning2.unipv.it/bio/) da svolgersi in aula informatica dell’Università.
Le domande del quiz verteranno sul programma dell'insegnamento. Lo studente dovra’ avere acquisito conoscenze teoriche e dimestichezza con gli strumenti bioinformatici “on-line” presentati a lezione ed esercitati nel tutorato per ricavare le risposte del quiz.
La durata del quiz conclusivo avrà un tempo massimo di 2 ore, con una media di circa 3-5 minuti a domanda.

2- PRESENTAZIONE ORALE: Il superamento del quiz è propedeutico alla prova orale conclusiva che consiste in una presentazione e discussione di un elaborato su un argomento biomedico/biotecnologico scelto dallo studente. L’elaborato è allestito dallo studente mediante l’impiego di vari strumenti bioinformatici che dovranno essere impiegati on-line e finalizzati ad ottenere informazioni organiche sull'argomento. Elaborati saranno indirizzati ad esempio alla comprensione di basi molecolari di una patologia; relazioni fenotipo-genotipo; analisi di variante/i genica/geniche responsabili o sospette di fenotipi patologici; aspetti molecolari, effetti biologici ed interazioni molecolari di piccole molecole con proteine/enzimi, strutture cellulari ecc mirati alla comprensione di eventuali fenotipi dell’organismo; aspetti molecolari e meccanismi d’azione di molecole di interesse biotecnologico. Per allestire l’elaborato, si consiglia di allestire un documento con aspetti introduttivi e con i link ai siti consultati per facilitare la fluidità della presentazione di 15-20 minuti.

La verifica dell’apprendimento del programma sarà inoltre costantemente monitorata durante le lezioni interattive e il tutorato, mediante esercitazioni in rete e quiz di autovalutazione su Kiro (http://elearning2.unipv.it/bio/).
Le domande dei quiz saranno in formato:
Vero/Falso;
Risposta chiusa multipla;
Risposta breve;
Risposta sequenziale;
Risposta a corrispondenza.

Istruzioni ed informazioni dettagliate su: - modalità di svolgimento dei quiz, incluso il quiz conclusivo; argomenti trattati durante l’insegnamento; esercizi ed esempi di quiz per l’autovalutazione saranno resi disponibili per gli iscritti all’insegnamento sulla piattaforma Kiro (http://elearning2.unipv.it/bio/).
Il Docente è disponibile per chiarimenti e ulteriori informazioni, previa richiesta di colloquio esclusivamente all'indirizzo e-mail dell'università.