Filogenesi molecolare ed evoluzione

A.A. 2024/2025
6
Crediti massimi
48
Ore totali
SSD
BIO/11
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
L'insegnamento si propone di contribuire alla formazione di laureati magistrali che abbiano piena comprensione dei fondamenti della biologia evoluzionistica e dei principi e metodi dell'analisi filogenetica, in particolare in riferimento a dati genetici/molecolari. Tali fondamenti verranno declinati sia in chiave teorica, sia in chiave metodologica. Ci si porrà l'obiettivo di chiarire come gli strumenti metodologici rappresentino la traslazione applicativa di conoscenze teoriche, ma anche una nuova fonte di dati, a loro volta di stimolo alla generazione di nuove formulazioni teoriche. I concetti fondamentali della disciplina verranno presentati in chiave storica, dando particolare rilievo
alle principali discussioni, a volte diatribe, che hanno accompagnato lo sviluppo delle diverse aree di ricerca sperimentale e di elaborazione teorica della biologia evoluzionistica.
Risultati apprendimento attesi
Alla fine del corso, lo studente acquisirà: Conoscenza dei concetti di base dell'evoluzione biologica (quali: fitness; selezione naturale; mutazione; omologia; analogia). Conoscenza di specifiche problematiche (quali: bersagli della selezione naturale; altruismo; teoria della neutralità; origine della vita e delle cellule). Conoscenza dei meccanismi evolutivi a livello molecolare. Conoscenza dei principi alla base dei metodi più utilizzati per la ricostruzione di alberi filogenetici e loro applicazione.
Corso singolo

Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.

Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Secondo semestre

Programma
Filogenesi molecolare:

1) L'importanza della filogenesi molecolare nello studio delle relazioni evolutive tra organismi.
2) Concetti di Omologia, Ortologia e Paralogia. Il destino dei geni duplicati. Il ruolo della duplicazione genica nella generazione di novità evolutive.
3) Le modalità della selezione naturale sulle sequenze molecolari, l'impatto del codice genetico, la teoria neutra, gli orologi molecolari.
4) Alberi filogenetici, terminologia, formati dei dati, interpretazione. Alberi radicati e non radicati, outgroup.
5) Allineamento di sequenze omologhe: omologia posizionale, allineamenti di punteggio. Allineamento globale vs locale. Allineamento a coppie e multiplo.
6) Ricerche in database sulla base dell'omologia di sequenza. BLAST, i suoi punti di forza e di debolezza. Il formato dati FASTA.
7) Strumenti comuni per l'allineamento di sequenze multiple (clustal, muscle), allineamento di sequenze codificanti/allineamento di codoni. Mascheramento dell'allineamento della sequenza
8) Saturazione delle sostituzioni, modelli dei processi di sostituzione e correzione delle stime di distanza genetica.
9) Strategie di base di clustering basate sulla distanza (UPGMA, Neighbor Joining).
10) Massima parsimonia e sua applicazione alla filogenesi
11) Approcci probabilistici (Likelihood/filogenesi Bayesiana)
12) Il bootstrap
13) Valutazione critica delle ipotesi filogenetiche.

Evoluzione biologica
1) Argomenti selezionati della storia della biologia evolutiva.
2) Selezione naturale.
3) Gerarchie e bersagli della selezione naturale.
4) L'altruismo in biologia: selezione di gruppo e selezione di parentela. Il ruolo della riproduzione sessuale.
5) Plasticità fenotipica, accomodamento fenotipico, accomodamento genetico.
6) Modificazioni epigenetiche ed ereditarietà epigenetica.
7) La teoria della neutralità dell'evoluzione molecolare.
8) Equilibri punteggiati.
Prerequisiti
Una solida conoscenza di base dei concetti fondamentali della biologia molecolare: replicazione del genoma, trascrizione, traduzione, codice genetico, reazione a catena della polimerasi.
Metodi didattici
Il corso si articola in 2 unità didattiche (Filogenetica Molecolare [4cfu] ed Evoluzione Biologica [2cfu])

L'unità didattica di Filogenetica Molecolare è costituita da 3cfu (24 ore) di didattica frontale e da un cfu (16 ore) di esercitazionI al computer in aula informatica. Le attività, sotto la stretta supervisione dei docenti, comprenderanno l'utilizzo di banche dati pubbliche per il recupero di sequenze per analisi filogenetiche, l'allineamento di sequenze molecolari, la valutazione di allineamenti, l'implementazione di approcci filogenetici, presentati a lezione. Tutti gli approcci pratici utilizzeranno database ad accesso libero e strumenti software liberamente scaricabili che possono essere utilizzati su qualsiasi sistema operativo standard (Windows/MacOS/Linux).

L'unità didattica di Evoluzione Biologica è costituita da 2cfu (16 ore) di didattica frontale. Affronterà specifici argomenti pertinenti con la biologia evoluzionistica, con un taglio seminariale.
Materiale di riferimento
I materiali (capitoli di libri (pdf), articoli pertinenti (pdf), collegamenti a risorse e software) saranno forniti dal docente attraverso il sito Web di Ariel (https://ariel.unimi.it/) e attraverso un gruppo Microsoft Teams dedicato. Si consiglia vivamente agli studenti di iscriversi al gruppo Teams in quanto fornisce una piattaforma molto utile per l'interazione tra gli studenti e con l'insegnante al di fuori della classe e facilita l'insegnante fornendo assistenza nella preparazione del progetto pratico che viene valutato per il Modulo di filogenesi molecolare. Ove possibile, saranno fornite registrazioni video delle lezioni.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
Il voto finale dell'esame deriverà dalla media ponderata (4:2) dei voti ottenuti sulle due unità didattiche.

Per l'unità didattica di Filogenetica Molecolare la valutazione si baserà su una breve relazione preparata dagli studenti. Gli studenti sceglieranno un gene da studiare da un elenco curato dal docente e dovranno preparare un set di dati per esaminare le relazioni filogenetiche tra gruppi di vertebrati, eseguire una serie di strategie di analisi filogenetiche e interpretare e discutere i loro risultati all'interno di un quadro chiaramente definito che deve essere spiegato e chiarito dall'insegnante. I rapporti finali e i set di dati intermedi saranno inviati elettronicamente. Questo lavoro potrà essere svolto individualmente o in gruppi di 2 studenti (che riceveranno voti identici per il loro contributo).

Per l'unità didattica in Evoluzione Biologica la valutazione si baserà su un esame orale. Lo studente potrà preparare un argomento a scelta; l'esame proseguirà con domande relative ad altre parti del programma.
BIO/11 - BIOLOGIA MOLECOLARE - CFU: 6
Lezioni: 48 ore
Docente/i
Ricevimento:
Giovedì(Thursday) 15:00-17:00
Secondo piano torre B
Ricevimento:
Dal lunedì al venerdì su appuntamento o dopo lezione
Via Celoria 26 o in aula lezione
Ricevimento:
Giovedi 14.00 - 17.00
Via Celoria 26, Torre B, Piano 2