91399 - EVOLUZIONE DEL GENOMA

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente possiede conoscenze avanzate sulla struttura e l'evoluzione di genomi procariotici ed eucariotici. Si prendono in esame l'origine del codice genetico, l'origine degli eucarioti, i vari elementi che caratterizzano i genomi e i meccanismi alla base della loro evoluzione e vengono trattati ed approfonditi i concetti di funzione e complessità. Vengono inoltre illustrati i principali modelli evolutivi e viene discusso il contributo di selezione naturale, deriva genetica, tasso di mutazione, ricombinazione, robustness e canalization in diversi gruppi di organismi. Una parte del corso viene dedicata all'analisi e discussione di recenti pubblicazioni nel campo della genomica evolutiva da utilizzare come impulso allo sviluppo di idee e progetti di ricerca.

Contenuti

NOTA: Questo è un elenco di massima. Il livello di approfondimento dei contenuti viene stabilito ogni Anno Accademico in concerto con i partecipanti al corso, in base alle loro preferenze e alla numerosità della classe (per lasciare sufficiente spazio alla parte più interattiva del corso).

0. Introduzione

Informazioni generali sul corso: logistica, struttura, definizione del programma, materiale didattico, risorse. Introduzione alla genomica.

1. Evoluzione per duplicazione del DNA

Evoluzione per duplicazione genica. Tipi e meccanismi di duplicazione del DNA. Omologia molecolare. Duplicazione genica e famiglie geniche. Origine ed evoluzione dei geni duplicati: evoluzione divergente, nonfunzionalizzazione, mantenimento della funzione originale, neofunzionalizzazione, subfunzionalizzazione. Evoluzione concertata. Birth-and-death evolution: espansione e contrazione delle famiglie geniche. Poliploidia: poliploidizzazione, autopoliploidia, allopoliploidia, conseguenze della poliploidia, diploidizzazione. Duplicazione del genoma.

2. Evoluzione per molecular tinkering

Exaptation, tinkering. Domini proteici. Proteine multidominio. Ortologia e domain shuffling. Duplicazioni interne ai geni. Corrispondenza esoni-domini. Proteine mosaico. Exon shuffling, mobilità dei domini. Fusione e fissione genica. Aumento dei domini, multidomain gene assembly. Splicing alternativo. Origine de novo dei geni. Gene loss. Molecular tinkering: subottimalità e complessità gratuita.

3. Elementi mobili ed evoluzione

Elementi mobili, elementi trasponibili e trasposizione. Classificazione degli elementi trasponibili. DNA-mediated transposable elements. Retroelements. LINEs and SINEs. Retrosequences. L'ecologia degli elementi trasponibili. Effetti genetici ed evolutivi della trasposizione. Trasferimento genico orizzontale. Trasferimento intracellulare di DNA.

4. Principi di evoluzione molecolare

Evoluzione molecolare, mutazioni, mutazioni puntiformi in sequenze codificanti, noisy synonymous mutations, mutazioni segmentali. Struttura dei geni eucariotici. Tasso di sostituzione, sostituzioni in sequenze codificanti, dN/dS (Ka/Ks), cause della variazione dei tassi di sostituzione, variazioni fra le regioni di un gene, variazioni fra geni. Rilassamento della selezione. Tipi di sostituzioni amminoacidiche, patterns di sostituzione amminoacidica. Cause della variazione dei tassi di sostituzione tra diverse linee evolutive. “Fossili viventi”. Origine ed evoluzione del codice genetico. Codon bias, wobble pairing e tRNA isoaccettori. Selezione sul codon bias.

5. Inferire i processi evolutivi a partire da sequenze di DNA

Alleli in una popolazione, mutazioni, selezione e fitness, coefficiente di selezione, genetica di popolazione molecolare. Modelli di evoluzione molecolare. Hardy-Weinberg Equilibrium. Random sampling, deriva genetica, popolazione di Wright-Fisher, modello di Wright-Fisher della deriva genetica, dimensione della popolazione, census population size, effective population size, fattori che riducono l’effective population size. Teorema di Fisher, fitness landscape. Direct vs linked selection, linkage disequilibrium, hitchhiking e selective sweeps, hard sweeps e soft sweeps, background selection. Epistasi. I meccanismi dell’evoluzione: ipotesi mutazioniste, neutraliste e selezioniste. La teoria neutrale dell’evoluzione molecolare come ipotesi nulla, equivoci sulla teoria neutrale. La teoria quasi-neutrale. Discussioni e controversie sulla teoria neutrale. Metodi genomici per rilevare la selezione naturale.

6. L'origine degli eucarioti

The “Tree of Life” hypothesis. Tree vs network. “Forest of Life”, “Ring of Life”. Componenti verticali ed orizzontali dell'evoluzione dei procarioti. L'origine degli eucarioti: “Archezoa Hypothesis”, “Hydrogen Hypothesis”, “Fateful Encounter Hypothesis”. I progenitori degli eucarioti. Origine degli introni.

7. Conflitti genomici

Selezione multilivello ed eredità asimmetrica, vantaggio replicativo, vantaggio di segregazione, distorsori di segregazione, deriva meiotica, conflitti fra geni citoplasmatici e nucleari. Conflitti genomici ed evoluzione dei cromosomi sessuali. Detour: cooperazione, evoluzione dell’eusocialità, fitness inclusiva e kin selection vs selezione multilivello.

8. Mitonuclear evolution

I mitocondri. Produzione di ATP per chemiosmosi. Limite di complessità dei procarioti, rapporto superficie/volume cellulare e limiti alle dimensioni cellulari, fagocitosi, “the energetics of genome complexity”. Il genoma mitocondriale, endosymbiotic gene transfer. Coevoluzione nucleo-mitocondrio. Perché i mitocondri hanno un genoma? L’ipotesi CoRR. “Mitochondrial Theory of Ageing”, “Division of Labour Hypothesis”. Bottleneck mitocondriale, selezione, deriva. Mitocondri e l’evoluzione del sesso. “The Mother’s Curse”. Mitonuclear speciation. Mitonuclear adaptation.

9. Origine delle innovazioni evolutive

Innovazione metabolica. Innovazione mediante regolazione. Nuove molecole. Network genotipici, self organization e selezione naturale. Una sintesi di neutralismo e selezionismo. Il ruolo della robustness nelle innovazioni.Duplicazioni geniche ed innovazioni. Il ruolo della ricombinazione. Cambiamento ambientale in adattamento ed innovazione. Vincoli evolutivi e spazi genotipici. Plasticità fenotipica ed innovazione.

10. Case studies

Presentazioni degli studenti e discussioni di gruppo.

Testi/Bibliografia

• Dan Graur “Molecular and Genome Evolution”, Sinauer Associates (Parti 1-4, 6).

• Matthew Hahn “Molecular Population Genetics”, Sinauer Associates, Oxford University Press (Parte 5).

• Glenn-Peter Sætre and Mark Ravinet “Evolutionary Genetics: Concepts, Analysis, and Practice”, Oxford University Press (Parte 5).

• Geoffrey Hill “Mitonuclear Ecology”, Oxford University Press (Parte 8).

• Andreas Wagner “The Origins of Evolutionary Innovations”, Oxford University Press (Parte 9).

• Articoli scientifici e materiale online.

Metodi didattici

Il corso prevede una prima parte di lezioni frontali classiche in cui il docente illustrerà concetti, meccanismi e metodi di analisi.

La seconda parte, svolta in modalità “flipped classroom”, sarà dedicata all’esposizione di casi studio, discussione ed approfondimento. In questa fase, ciascuno studente dovrà scegliere un articolo di genomica evolutiva e presentarlo alla classe. Seguirà una discussione, moderata dal docente, il cui scopo è l’approfondimento di alcuni degli argomenti trattati. Questa attività è obbligatoria, ma non è oggetto di valutazione.

Per affrontare al meglio questo insegnamento è fortemente consigliato l’aver seguito i seguenti corsi ed averne assimilato i contenuti:

• 91360 - Genetica di Popolazione ed Evoluzione Molecolare

• 91789 - Evoluzione e Filogenesi (C.I.).

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La modalità d’esame simula il processo di pubblicazione scientifica mediante peer-review.

Ogni studente dovrà scrivere un review paper (in inglese) su un argomento a scelta (che potrà anche essere diverso dall’argomento scelto per la presentazione in aula) e consegnarlo al docente. Il docente fungerà da Editor e sottoporrà ciascun manoscritto ricevuto ad un processo di peer-review svolto da due reviewers (studenti iscritti al corso escluso l’autore). Una volta ricevuti i commenti dei reviewers, il docente aggiungerà le proprie osservazioni e sottoporrà tutto il materiale all’autore che dovrà quindi procedere alla revisione del manoscritto che verrà poi sottoposta al docente per una valutazione finale.

L’attività di peer-review svolta dagli studenti sarà oggetto di valutazione. Ogni studente verrà quindi valutato in base alla scrittura di un articolo e alla peer-review di due articoli di colleghi. È previsto anche un breve colloquio finale. Il punteggio dell’esame verrà calcolato in questo modo:

• Peer-review: 0-4 punti per ciascun articolo (max 8 punti);

• Scrittura e revisione del manoscritto: 0-18 punti;

• Breve colloquio finale: 0-4 punti.

Informazioni dettagliate su criteri di valutazione e tempistiche verranno fornite durante la prima lezione.

Strumenti a supporto della didattica

Slides, articoli scientifici, materiale multimediale online.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Fabrizio Ghiselli