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:

• nauczenie podstawowych mechanizmów funkcjonowaniem pojedynczych komórek i całego ludzkiego organizmu na poziomie molekularnym, ze szczególnym uwzględnieniem procesów związanych z regulacją ekspresji genów

• przedstawienie 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

• zapoznanie z najnowszymi możliwościami terapeutycznymi i diagnostycznymi wykorzystującymi techniki biologii molekularnej w medycynie np. NGS, terapii genowych, CAR-T

• podkreślenie znaczenia biologii molekularnej w nowoczesnej medycynie spersonalizowanej

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:

• nauczenie podstawowych mechanizmów funkcjonowaniem zarówno pojedynczych komórek jak i całego ludzkiego organizmu na poziomie molekularnym, ze szczególnym uwzględnieniem procesów związanych z regulacją ekspresji genów

• przedstawienie 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

• zapoznanie z najnowszymi możliwościami terapeutycznymi i diagnostycznymi wykorzystującymi techniki biologii molekularnej w medycynie np. NGS, terapii genowych, CAR-T

• podkreślenie znaczenia biologii molekularnej w nowoczesnej medycynie spersonalizowanej

• uświadomienie roli GMO w życiu współczesnego człowieka, badaniach biomedycznych i produkcji leków

Kurs zajęć w ramach nauczania przedmiotu „Biologia molekularna” 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. Znaczenie biologii molekularnej dla współczesnej medycyny – diagnostyka molekularna, terapia genowa, medycyna spersonalizowana, biobankowanie – informacje ogólne.

2. Podstawowe informacje dotyczące budowy kwasów nukleinowych. Kierunek wyrażania informacji genetycznej. Upakowanie DNA w jądrze komórkowym i wpływ architektury jądra na ekspresję genów. Organizacja genomów, różnice pomiędzy genomem prokariotycznym i eukariotycznym.

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 (z aktualnymi przykładami). 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 kursu Biologii molekularnej realizowane są w pięciu blokach zajęć laboratoryjnych i obejmują następujące tematy:

1. Izolacja i ocena jakości kwasów nukleinowych

2. Ocena jakości kwasów nukleinowych, PCR, warianty PCR i elektroforeza DNA

3. Enzymy restrykcyjne i elektroforeza kwasów nukleinowych

4. Wybrane techniki molekularne stosowane w badaniach RNA i białek

5. Podstawowe narzędzia bioinformatyczne oraz bazy biomedyczne mające zastosowanie w biologii molekularnej

1. Literatura podstawowa:

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

- Genetyka medyczna i molekularna. red. J. Bal, PWN wyd. IV 2017 lub wyd. V 2023

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

2. Literatura uzupełniająca:

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

- Biologia molekularna nowotworów w praktyce klinicznej, Lauren Pecorino, wyd. Edra Urban & Partner Wydawnictwo Wrocław 2023

- Epigenetyka. John C. Lucchesi, Wydawnictwo Naukowe, PWN, 2021

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

- Biologia molekularna człowieka Richard J. Epstein, Wydawnictwo Czelej, 2006,

- Genetyka medyczna: podręcznik dla studentów red. Gerard Drewa, Tomasz Ferenc 2013 (lub nowsze wydania)

- 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 prowadzącego zajęcia (linki do artykułów podawane są w trakcie wykładów/ćwiczeń)

W zakresie wiedzy absolwent zna i rozumie:

• BM1 funkcje nukleotydów w komórce, struktury I- i II-rzędową DNA i RNA oraz strukturę chromatyny

• BM2 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

• BM3 wybrane molekularne szlaki przekazywania sygnałów w komórce, a także przykłady zaburzeń w tych procesach prowadzące do rozwoju nowotworów i innych chorób

• BM4 budowę chromosomów i jej wpływ na ekspresję genów;

• BM5 wybrane mechanizmy epigenetyczne i ich wpływ na funkcjonowanie komórek i całego organizmu

• BM6 podstawowe techniki biologii molekularnej i zasady ich działania stosowane do diagnostyki mutacji genowych i chromosomowych odpowiedzialnych za choroby dziedziczne oraz nabyte, w tym nowotworowe;

• BM7 podstawowe kierunki rozwoju terapii wpływających na funkcjonowanie komórek na poziomie molekularnym, a w szczególności możliwości terapii celowanej i genowej w określonych chorobach;

• BM8 korzyści i zagrożenia wynikające z zastosowanie organizmów zmodyfikowanych genetycznie (GMO) w badaniach biomedycznych, farmacji i w terapiach przyszłości (np. zastosowanie iPSC)

• BM9 znaczenie kwasów nukleinowych jako ważnego materiału wykorzystywanego w diagnostyce medycznej oraz podstawowe zasady jego przechowywania i transportu

W zakresie umiejętności absolwent potrafi:

• BM10 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:

• BM11 stałego dokształcania się, mając świadomość własnych ograniczeń i potrzeb edukacyjnych oraz planowania własnej aktywności edukacyjnej

Kryteria oceniania:

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 arytmetyczną oceny z egzaminu i ćwiczeń.

2. Zaliczenie wykładu (egzamin)

- Student może przystąpić do egzaminu dopiero po zaliczeniu ćwiczeń.

- Za aktywność na wykładach osoby uczęszczające na wykłady mogą zbierać punkty, których przyznawanie należy do wyłącznych kompetencji koordynatora przedmiotu. Punkty te są doliczane do egzaminu z zastrzeżeniem, że nie mogą podnieść oceny, jeśli student/ka z egzaminu (przed doliczeniem punktów za aktywność) uzyska liczbę punktów niższą niż 60%.

- 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).

- Za aktywność na ćwiczeniach (zadawanie pytań, udział w dyskusji itp.) osoby uczestniczące w ćwiczeniach mogą zbierać punkty, których przyznawanie należy do wyłącznych kompetencji prowadzącego ćwiczenia. Punkty te są doliczane do kolokwium z ćwiczeń z zastrzeżeniem, że nie mogą podnieść oceny, jeśli student/ka przed doliczeniem punktów za aktywność uzyska liczbę punktów niższą niż 60%.

- Prowadzący ćwiczenia ma możliwość przeprowadzania kolokwiów sprawdzających na bieżąco wiedzę studentów (“wejściówek” i “wyjściówek”). W takim wypadku ocena końcowa z ćwiczeń obliczana jest następująco: ocena z kolokwium końcowego stanowi 50% całej oceny z ćwiczeń a pozostałe 50% to średnia arytmetyczna ocen z kolokwiów przeprowadzanych w trakcie semestru.

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)