Basics of molecular biology

W ramach niniejszego kursy studenci zapoznają się z podstawowymi mechanizmami funkcjonowania organizmu na poziomie molekularnym, a w szczególności z ciągiem procesów związanych z wyrażaniem informacji genetycznej i ich wpływem na zdrowie człowieka.

Celem przedmiotu jest:

• przedstawienie studentom podstawowych pojęć, mechanizmów i technik biologii molekularnej, które mają zastosowanie w prognozowaniu, diagnostyce i badaniu chorób ze szczególnym uwzględnieniem nowotworów, chorób cywilizacyjnych i uwarunkowanych genetycznie

• przedstawienie najnowszych możliwości terapeutycznych i diagnostycznych wykorzystujących techniki biologii molekularnej w medycynie np. NGS, terapii genowej, CAR-T, szczepionek wykorzystujących kwasy nukleinowe

• wskazanie na rolę biologii molekularnej w medycynie spersonalizowanej

• zapoznania studentów ze specyfiką pobierania i przechowywania kwasów nukleinowych jako materiału diagnostycznego i badawczego w medycynie

W ramach niniejszego kursy studenci zapoznają się z podstawowymi mechanizmami funkcjonowania organizmu na poziomie molekularnym, a w szczególności z ciągiem procesów związanych z wyrażaniem informacji genetycznej i ich wpływem na zdrowie człowieka.

Celem przedmiotu jest:

• przedstawienie studentom podstawowych pojęć, mechanizmów i technik biologii molekularnej, które mają zastosowanie w prognozowaniu, diagnostyce i badaniu chorób ze szczególnym uwzględnieniem nowotworów, chorób cywilizacyjnych i uwarunkowanych genetycznie

• przedstawienie najnowszych możliwości terapeutycznych i diagnostycznych wykorzystujących techniki biologii molekularnej w medycynie np. NGS, terapii genowej, CAR-T, szczepionek wykorzystujących kwasy nukleinowe

• wskazanie na rolę biologii molekularnej w medycynie spersonalizowanej

• zapoznania studentów ze specyfiką pobierania i przechowywania kwasów nukleinowych jako materiału diagnostycznego i badawczego w medycynie

Kurs zajęć w ramach nauczania przedmiotu „Podstawy biologii molekularnej” obejmuje wykłady i ćwiczenia. Omawiając poszczególne mechanizmy molekularne i ich strategie badawcze wykładowca prezentuje liczne przykłady ich zastosowań w praktyce badań naukowych i diagnostycznych.

W ramach wykładów omawiane są następujące zagadnienia:

1. Znaczenie biologii molekularnej w medycynie – wprowadzenie. Związek biologii molekularnej z różnymi gałęziami nauk medycznych. Diagnostyka molekularna, terapia genowa i medycyna spersonalizowana – informacje ogólne. Medycyna spersonalizowana i biobankowanie.

2. Budowa kwasów nukleinowych, kierunek wyrażania informacji genetycznej. Różnice pomiędzy genomem prokariotycznym i eukariotycznym. Upakowanie DNA w jądrze komórkowym i wpływ architektury jądra na ekspresję genów. Genom mitochondrialny. Plazmidy.

3. Replikacja DNA i mechanizmy jej komórkowej kontroli. Zaburzenia replikacji w chorobach, przykłady celowego wpływania na replikację DNA za pomocą farmakoterapii.

4. Transkrypcja i mechanizmy jej komórkowej kontroli. Kod genetyczny. Zaburzenia transkrypcji w chorobach, przykłady celowego wpływania na transkrypcję za pomocą farmakoterapii.

5. Translacja i mechanizmy jej komórkowej kontroli. Zaburzenia translacji w chorobach, przykłady celowego wpływania na translację za pomocą farmakoterapii.

6. Epigenetyczne mechanizmy regulacji ekspresji genów: metylacja DNA, ncRNA, modyfikacje białek histonowych i inne. Zaburzenia mechanizmów epigenetycznych i ich wpływ na zdrowie człowieka. Leki wpływające na epigenom.

7. Zarys biologii molekularnej nowotworów. Przyczyny powstawania nowotworów – związek pomiędzy czynnikami zewnętrznymi i predyspozycjami molekularnymi. Charakterystyczne cechy komórek nowotworowych. Mikroewolucja nowotworów, etapy kancerogenezy. Uszkodzenia w najważniejszych klasach genów prowadzące do powstawania nowotworów: geny naprawy DNA, protoonkogeny, geny supresorowe. Zmiany molekularne związane z angiogenezą, apoptozą, zdolnością do migracji i inwazyjnością.

8. Zastosowanie metod wielkoskalowych w medycynie. Wielkoskalowa analiza w skali genomu i transkryptomu – wybrane metody i przykłady zastosowania w badaniach naukowych i medycynie. Ograniczenia i problemy wykorzystania metod wielkoskalowych w medycynie.

9. Przyszłość biologii molekularnej w medycynie - terapia genowa. Wprowadzenie do terapii genowej, terapia genowa ex vivo i in vivo. Metody upakowania i dostarczania transgenu do organizmu człowieka. Różne strategie terapeutyczne w terapii genowej – od badań naukowych do praktyki klinicznej. Terapia genowa w leczeniu nowotworów, CAR-T. Ograniczenia i zagrożenia wynikające z zastosowania terapii genowej w medycynie.

10. Zastosowanie GMO w teorii i praktyce. Szanse i zagrożenia związane z GMO. Znaczenie GMO w medycynie.

Ćwiczenia realizowanie w ramach „Podstaw biologii molekularnej” realizowane są w dwóch blokach zajęć praktycznych w laboratorium i obejmują następujące tematy:

1. Izolacja i ocena jakości kwasów nukleinowych

• Część praktyczna:

• izolacja DNA z wymazu błony śluzowej policzka metodą kolumienkową

• ocena ilości i czystości uzyskanego DNA

• Część teoretyczna:

• omówienie różnych metod izolacji DNA (izolacja DNA z wykorzystaniem odczynników organicznych, izolacja DNA metodą wysalania, izolacja na kolumnach ze złożem)

• metody oceny ilości i jakości DNA (metody spektrofotometryczne, ocena jakości DNA na chipach, metody wykorzystujące barwniki fluorescencyjne)

• znaczenie DNA jako materiału diagnostycznego w medycynie, transport i przechowywanie DNA

• Materiały na platformie Moodle (materiał obowiązujący na kolokwium końcowym):

• dodatkowe informacje o różnych metodach izolacji DNA

• podstawy teoretyczne izolacji RNA

• ocena jakości wyizolowanego RNA, przechowywanie RNA

2. PCR, warianty PCR i elektroforeza DNA

• Część praktyczna:

• Namnożenie metodą PCR wybranej sekwencji mikrosatelitarnej DNA

• Elektroforeza agarazowa uzyskanych produktów PCR

• Część teoretyczna:

• Podstawy teoretyczne reakcji PCR: zasada działania, rola składników mieszaniny reakcyjnej, modyfikacja specyficzności i wydajności reakcji

• Wybrane typy reakcji PCR i ich zastosowanie w medycynie: klasyczne PCR, Real-time PCR, Real-time RT-PCR, PCR-RFLP

• Podstawy teoretyczne elektroforezy agarozowej, zastosowanie elektroforezy agarozowej kwasów nukleinowych

• Materiały na platformie Moodle (materiał obowiązujący na kolokwium końcowym):

• dodatkowe informacje o wariantach PCR

• dodatkowe informacje o elektroforezie kwasów nukleinowych, inne metody elektroforezy kwasów nukleinowych:

• elektroforeza w żelach poliakrylamidowych, elektroforeza kapilarna

1. Literatura podstawowa:

• Genomy. T. A. Brown. Wydawnictwo Naukowe, PWN, 2012.

• Genetyka medyczna i molekularna. red. J. Bal, PWN 2017

• Techniki laboratoryjne w biologii molekularnej. Anna Lewandowska, MedPharm Polska, 2018

2. Literatura uzupełniająca:

• Analiza DNA: teoria i praktyka. red. Ryszard Słomski, Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego, 2011

• Biologia molekularna. Krótkie wykłady. P.C. Turner, A.G. McLennan, A.D. Bates, M.R.H. White. Wydawnictwo Naukowe PWN, najnowsze wydanie.

• Biologia molekularna człowieka Richard J. Epstein, Wydawnictwo Czelej, 2006, wyd.1

• Genetyka medyczna: podręcznik dla studentów red. Gerard Drewa, Tomasz Ferenc 2013

• Krótkie wykłady Biologia molekularna, P. Turner A. McLennan A. Bates M. White, PWN 2012

• Połosak J, Kurylowicz A, Roszkowska-Gancarz M, Owczarz M, Puzianowska-Kuznicka M. (2011). Aging is accompanied by a progressive decrease of expression of the WRN gene in human blood mononuclear cells. Journals of Gerontology Series A-Biological Sciences and Medical Sciences, 66:19-25.

• Kurylowicz A, Owczarz M, Połosak J, Jonas MI, Lisik W, Jonas M, Chmura A, Puzianowska-Kuznicka M. (2016) SIRT1 and SIRT7 expression in adipose tissues of obese and normal-weight individuals is regulated by microRNAs but not by methylation status. International Journal of Obesity, Nov;40(11):1635-1642,

• Owczarz M, Połosak J, Domaszewska-Szostek A, Kołodziej P, Kuryłowicz A, Puzianowska-Kuźnicka M Age-related epigenetic drift deregulates SIRT6 expression and affects its downstream genes in human peripheral blood mononuclear cells Epigenetics 2020 Dec;15(12):1336-1347

• Artykuły w czasopismach naukowych/ witryny internetowe sugerowane przez wykładowcę (linki do artykułów podawane są w trakcie wykładów)

W zakresie wiedzy absolwent zna i rozumie:

• PBM1 funkcje nukleotydów w komórce, struktury I- i II-rzędową DNA i RNA oraz strukturę chromatyny;

• PBM2 funkcje genomu, transkryptomu i proteomu człowieka oraz podstawowe metody stosowane w ich badaniu, procesy replikacji, naprawy i rekombinacji DNA, transkrypcji i translacji oraz degradacji DNA, RNA i białek, a także koncepcję regulacji ekspresji genów;

• PBM3 wybrane molekularne szlaki przekazywania sygnałów w komórce, a także przykłady zaburzeń w tych procesach prowadzące do rozwoju nowotworów i innych chorób

• PBM4 budowę chromosomów i jej wpływ na ekspresję genów;

• PBM5 wybrane mechanizmy epigenetyczne i ich wpływ na funkcjonowanie komórek i całego organizmu

• PBM6 podstawowe techniki biologii molekularnej i zasady ich działania stosowane do diagnostyki mutacji genowych i chromosomowych odpowiedzialnych za choroby dziedziczne oraz nabyte, w tym nowotworowe;

• PBM7 podstawowe kierunki rozwoju terapii wpływających na funkcjonowanie komórek na poziomie molekularnym, a w szczególności możliwości terapii celowanej i genowej w określonych chorobach;

• PBM8 korzyści i zagrożenia wynikające z zastosowanie organizmów zmodyfikowanych genetycznie (GMO) w badaniach biomedycznych, farmacji i w terapiach przyszłości (np. zastosowanie iPSC);

• PBM9 znaczenie kwasów nukleinowych jako ważnego materiału wykorzystywanego w diagnostyce medycznej oraz podstawowe zasady jego przechowywania i transportu

W zakresie umiejętności absolwent potrafi:

• PBM10 posługiwać się podstawowymi metodami i technikami biologii molekularnej, takimi jak izolacja DNA, elektroforeza kwasów nukleinowych oraz PCR

W zakresie kompetencji społecznych absolwent jest gotów do:

• PBM11 stałego dokształcania się, mając świadomość własnych ograniczeń i potrzeb edukacyjnych oraz planowania własnej aktywności edukacyjnej;

Opis nakładu pracy studenta w ECTS:

• udział w wykładach (20 h) i ćwiczeniach (10h) – 1 ECTS

• praca własna studenta (w tym: praca z materiałami na platformie Moodle, przygotowanie do zaliczenia ćwiczeń i egzaminu) 25 h – 1 ECTS

1. Uzyskanie zaliczenia końcowego z przedmiotu:

Warunkiem uzyskania końcowego zaliczenia z przedmiotu jest zaliczenie wykładów (egzamin) i ćwiczeń (kolokwium końcowe), a końcowa ocena z przedmiotu wpisywana do protokołu stanowi średnią ważoną oceny z egzaminu (70%) i ćwiczeń (30%) (wynik średniej ważonej zaokrąglany jest zgodnie z zasadami matematyki do najbliższej oceny akademickiej).

2. Zaliczenie wykładu (egzamin)

Student może przystąpić do egzaminu dopiero po zaliczeniu ćwiczeń.

Otrzymanie pozytywnej oceny z egzaminu uwarunkowane jest uzyskaniem przynajmniej 60% punktów z testu wiedzy wykładowej (test zamknięty, 40 pytań jednokrotnego wyboru).

Student otrzymuje ocenę z egzaminu wg. następujących progów:

• Poniżej 60% niedostateczna (2,0)

• Od 60 % dostateczna (3,0)

• Od 69% dostateczny plus (3,5)

• Od 78% dobry (4,0)

• Od 87% dobry plus (4,5)

• Od 95% bardzo dobry (5,0)

3. Zaliczenie ćwiczeń (kolokwium końcowe)

Otrzymanie pozytywnej oceny z zaliczenia uwarunkowane jest obecnością na wszystkich zajęciach laboratoryjnych, przestrzeganiem przez studenta Regulaminu Pracowni Biologii Molekularnej oraz uzyskaniem przynajmniej 60 % punktów z kolokwium końcowego (test zamknięty, 40 pytań jednokrotnego wyboru).

Przy spełnieniu powyższych warunków student otrzymuje ocenę z zaliczenia wg następujących progów:

• Poniżej 60% niedostateczna (2,0)

• Od 60 % dostateczna (3,0)

• Od 69% dostateczny plus (3,5)

• Od 78% dobry (4,0)

• Od 87% dobry plus (4,5)

• Od 95% bardzo dobry (5,0)

nie dotyczy