EVOLUZIONE MOLECOLARE

Crediti: 
3
Settore scientifico disciplinare: 
GENETICA (BIO/18)
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Il primo importante obiettivo formativo del corso é capire come la evoluzione degli organismi possa anche essere spiegata attraverso dati molecolari.
Il secondo importante obiettivo del corso é la capacità di entrare in banche dati di sequenze di DNA e proteine e di selezionare i dati necessari per un particolare problema biologico.
Il terzo importante obiettivo del corso é la capacità di analizzare tali dati e di interpretare i risultati.

Prerequisiti

E' gradita una buona conoscenza di materie propedeutiche quali Genetica, Matematica e Chimica.
E' gradita una buona conoscenza della lingua Inglese

Contenuti dell'insegnamento

Lo scopo del corso è di fornire agli studenti una visione evolutiva dei processi biologici a livello molecolare. La disponibilità di una quantità enorme di dati di tipo molecolare, generati negli ultimi decenni, ci permette un gran numero di analisi. Possono essere studi su larga scala (per esempio la analisi dei genomi) o studi su argomenti di nicchia (per esempio l’origine di nuovi geni in virus attraverso il fenomeno di “overprinting”). Il corso fornisce agli studenti sia le capacità tecniche di entrare nelle banche dati, sia la capacità di estrapolare informazione biologica “ad hoc”, per poi analizzarla in risposta a una varietà di quesiti e di ipotesi. Il corso consta, in buona parte, di lezioni teoriche. Sono necessarie per capire i temi più importanti dell’evoluzione molecolare. E’ comunque integrato da esercitazioni al computer. Particolare attenzione è dedicata ad alcuni particolar casi studio. Essi comprendono sia analisi di notevoli quantità di dati (genomi eucariotici) che analisi di piccole quantità di dati (una famiglia di proteine, piccoli genomi virali).

Programma esteso

Meccanismi molecolari alla base dei processi evolutivi
Geni omologhi: ortologhi e paraloghi
Evoluzione divergente e convergente
L’orologio molecolare
Famiglie geniche e coevoluzione
Distanza genetica fra sequenze nucleotidiche codificanti proteine
Costruzione di alberi filogenetici e metodi statistici per valutarne la attendibilità
Uso degli alberi filogenetici per ricostruire la genealogia dei geni sovrapposti di virus

Organizzazione e evoluzione del genoma
Genomi procariotici (Escherichia coli, Methanococcus jannaschii, Mycoplasma genitalium)
Genomi eucariotici (Saccharomyces cerevisiae, Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, Arabidopsis thaliana)
Il genoma di Homo sapiens
Polimorfismi a singolo nucleotide
Genomica comparativa di organismi eucaristici
Metodi predittivi per la analisi di genomi: analisi delle Open Reading Frames (ORFs), approcci intrinseci e estrinseci per la identificazione di sequenze codificanti

Banche dati biologiche
Banche dati di sequenze nucleotidiche e proteiche. Banche dati di polimorfismi e mutazioni. Banche dati mitocondriali
Banche dati di espressione genica
Risorse di rete

Allineamento di sequenze di acidi nucleici e proteine
Similarità di sequenze e algoritmi di allineamento
Selezione naturale e neutrale da analisi delle sostituzioni nucleotidiche sinonime e non sinonime
Matrici di sostituzioni aminoacidiche
Allineamento multiplo di sequenze aminoacidiche e costruzione di profili di proprietà strutturali
Ricerca di similarità in banche dati
Risorse di rete

Ricerca di motivi funzionali in sequenze di acidi nucleici e proteine
Identificazione di promotori trascrizionali con algoritmo di ricerca di segnali
Predizione dei siti di giunzione fra esoni e introni
Uso differenziale dei codoni sinonimi in geni codificanti proteine di procarioti e eucarioti
Ricostruzione della genealogia dei geni sovrapposti di virus da frequenze di codoni sinonimi
Ricerca di sequenze segnale in proteine

Casi studio di evoluzione molecolare
Adattamento a livello molecolare: la analisi comparativa fra le sequenze aminoacidiche dell’enzima glutamato-deidrogenasi da batteri termofili e mesofili evidenzia regioni implicate nell’acquisizione della stabilità termica

Ricostruzione di migrazioni preistoriche di Homo sapiens: la analisi di sequenza del genoma di un virus simbionte (poliomavirus JC) di uomo suggerisce una doppia uscita dall’Africa dei nostri antenati

Una curiosa modalità di evoluzione: la genesi dei geni sovrapposti pol/S del virus dell’epatite B è riconducibile a un meccanismo di “modular evolution”

La bioinformatica nell’analisi dei genomi: accurata identificazione di geni tRNA in eucarioti con un algoritmo di ricerca di segnali

I codoni sinonimi per un dato amino acido non sono uguali fra di loro: l’uso differenziale dei codoni sinonimi in Saccharomyces cerevisiae è correlato a una maggiore efficienza di traduzione mRNA-proteina

Bibliografia

Dan Graur & Wen-Hsiung Li - Fundamentals of molecular evolution - Sinauer Associates, Sunderland, MA

Arthur M. Lesk - Introduzione alla Bioinformatica - McGraw-Hill

Metodi didattici

Lezioni frontali, allo scopo di rendere chiaro agli studenti il "perché" e il "come" dei principali temi di evoluzione molecolare. Il corso é anche integrato da esercitazioni al computer.

Modalità verifica apprendimento

La verifica dell'apprendimento é basata su una prova orale. La possibilità che lo studente proponga un proprio tema di studio é fortemente incoraggiata. Particolare attenzione é rivolta alla qualità del linguaggio scientifico mostrata dallo studente.

Altre informazioni

Un aspetto importante del corso riguarda la capacità di cercare, nella gran mole di dati di sequenze di DNA e proteine, i dettagli più fini di determinati argomenti di evoluzione molecolare.