Obiettivi formativi
Lo scopo del corso è di fornire allo studente conoscenze avanzate nel campo della genetica di popolazioni, conoscenze che possano essere utili in temi quali la stima della diversità genetica e la conservazione di popolazioni appartenenti a specie minacciate o a rischio di estinzione. La capacità di comprensione è stimolata da una stretta interazione fra docente e discente nell’analisi di un problema (nel saper formulare con chiarezza un quesito), nella scelta del metodo di analisi più adeguato nel dare ad esso risposta, e nella valutazione dei risultati. Particolare cura è rivolta alla dettagliata descrizione di lavori scientifici pioneristici, corredata da un aggiornamento a studi più avanzati tramite la ricerca di materiale bibliografico in banche dati. Da una parte il corso fa affidamento a due testi di riferimento, rispettivamente di genetica di popolazioni umane e di genetica della conservazione. Nello stesso tempo, il corso è un continuo stimolo all’approfondimento dei temi via via trattati, tramite un costante riferimento alla letteratura scientifica e ai metodi di analisi. La dettagliata descrizione matematica dei metodi statistici multivariati presentati nel corso ha lo scopo di far comprendere allo studente che la statistica, elemento fondante in genetica di popolazioni, è in primo luogo una scelta di percorso, del percorso razionale più adatto all’analisi dei dati raccolti sul campo.
Prerequisiti
Buona conoscenza di genetica, matemarica e statistica
Contenuti dell'insegnamento
Il corso di Genetica di popolazioni (6 cfu) spiega l’origine e il significato della legge, o equilibrio, di Hardy-Weinberg, come fondamento della materia. Una volta evidenziati alcuni casi interessanti di deviazioni dall’equilibrio di Hardy-Weinberg, il corso descrive con dovizia di particolari gli effetti operati dai principali agenti evolutivi, sia individualmente che cooperativamente, nel processo di cambiamento delle frequenze alleliche nel corso delle generazioni. Gli agenti evolutivi presi in esame sono i seguenti: mutazione, selezione naturale, flusso genico, deriva genetica, e inincrocio. Particolare attenzione è rivolta non solo alle popolazioni umane, per le quali è disponibile un’ampia letteratura, ma anche a popolazioni animali. In particolare, popolazioni animali appartenenti a specie minacciate o a rischio di estinzione. Una parte rilevante del corso, infatti, include la genetica della conservazione. Essa include la genetica evolutiva di popolazioni naturali, la stima della diversità genetica in specie a rischio di estinzione, gli effetti della ridotta dimensione della popolazione sulla variabilità genetica, il rapporto fra genetica e estinzione, la risoluzione delle ambiguità tassonomiche con analisi genetica, e l’impiego di tecniche genetiche in questioni forensi legate alla protezione di specie a rischio. Il corso è arricchito da un’accurata descrizione matematica dei seguenti metodi di statistica multivariata: la funzione discriminante lineare e quadratica, l’analisi delle componenti principali, l’analisi delle corrispondenze, la regressione multipla lineare e la correlazione canonica. La descrizione di ogni metodo è accompagnata da una serie di casi-studio tratti dalla letteratura scientifica e riguardanti sia la genetica di popolazioni che la genetica della conservazione.
Programma esteso
Origine della legge di Hardy-Weinberg e relativi assunti.
Calcolo delle frequenze alleliche in popolazioni per geni autosomici e legati al sesso. Verifica statistica dell’equilibrio di Hardy-Weinberg.
Linkage disequilibrium
Deviazione dall’equilibrio di Hardy-Weinberg nei geni per il complesso di istocompatibilità (geni HLA-1 e HLA-2)
Stima della variabilità genetica fra popolazioni e all’interno di popolazioni (indice di fissazione di Wright).
Scomposizione della varianza genetica nelle sue componenti da marcatori genetici classici e molecolari.
L’allele delta-32 al locus genico CCR5 (gene recettore delle citochine) e resistenza all’infezione da HIV-1. Distribuzione dell’allele delta-32 nel mondo; età dell’allele da teoria della coalescenza e da DNA antico; identificazione del probabile agente selettivo.
L’allele delta-508 al locus genico fibrosi cistica. Vantaggio dell’eterozigote nei riguardi dell’infezione da Salmonella typhi.
ID: Conoscenza e capacità di comprensione
ID: Autonomia di giudizio
ID: Capacità di apprendere
Il concetto di giudizio integrato in statistica multivariata: la analisi discriminante lineare di Ronald Fisher (descrizione del metodo in ogni sua fase di calcolo).
La funzione discriminante lineare nella identificazione di portatori di alleli recessivi svantaggiosi (allele anemia falciforme al locus genico beta-globina). Applicazione della funzione discriminante lineare a un problema di censimento di esemplari di specie protetta (Caprimulgus europhaeus).
La distanza generalizzata di Mahalanobis e la funzione discriminante quadratica.
Equilibrio fra selezione contro l’omozigote recessivo e a favore dell’eterozigote al locus beta globina. Studio di una popolazione africana (Yoruba di Nigeria). Cambiamento culturale e evoluzione della emoglobina S.
Statistica multivariata: analisi delle componenti principali (PCA) di Harold Hotelling (descrizione del metodo nelle sue principali fasi di calcolo).
L’analisi PCA nella risoluzione dei rapporti di antica parentela genetica fra 38 popolazioni autoctone umane provenienti dai 5 continenti. Implicazioni con il processo di origine e dispersione di Homo sapiens.
L’analisi PCA nella costruzione di paesaggi genetici: antica storia genetica dell’Italia da marcatori classici e molecolari. L’analisi PCA nella ricostruzione della transizione neolitica in Europa. Confronto fra ricostruzione da marcatori classici e ricostruzione da DNA antico. Evidenze di selezione naturale in popolazioni umane da analisi PCA di dati genomici.
Distanza genetica fra popolazioni e costruzione di alberi filogenetici.
Orologio molecolare e evoluzione dei Primati. Dal classico lavoro di Sarich e Wilson (Science, 1967) agli studi più recenti (orologio molecolare.e evoluzione di Metazoi).
Rapporto fra microevoluzione (variazione di frequenze alleliche) e macroevoluzione (processo incipiente di speciazione simpatrica) nell’insetto parassita Rhagoletis pomonella.
Statistica multivariata: analisi delle corrispondenze (CA) di Jean-Paul Benzécri (descrizione del metodo nelle sue principali fasi di calcolo). Applicazione di CA nell’analisi genetica di popolazioni di razze bovine, per scopi di conservazione.
ID: Conoscenza e capacità di comprensione
ID: Autonomia di giudizio
ID: Capacità di apprendere
Inincrocio. Calcolo del coefficiente di inincrocio e applicazione in alberi genealogici e popolazioni umane. Rapporto fra selezione naturale e inincrocio.
Inincrocio e depressione da inincrocio in mammiferi. L’azione purificante della selezione nella eliminazione degli alleli sfavorevoli: il caso di Elaphurus davidianus (cervo di Padre David).
Il metodo dei letali equivalenti come stima della depressione da inincrocio in popolazioni animali.
Relazione fra inincrocio e estinzione. Evidenze dirette di estinzione dovute a inincrocio e perdita di diversità genetica, da studi in laboratorio e in natura.
Misure della diversità genetica: proporzione di loci genici polimorfici, eterozigosità media e diversità allelica.
Il DNA microsatellite: fine marcatore selettivamente neutrale, della diversità genetica in popolazioni.
Ridotta diversità genetica nelle specie minacciate: il caso del wallaby australiano, Petrogale lateralis.
Impiego del DNA mitocondriale in un problema di conservazione di una specie protetta. Individuazione di casi di caccia illegale e di frode alimentare (DNA forense).
ID: Conoscenza e capacità di comprensione
ID: Autonomia di giudizio
ID: Capacità di apprendere
Esame degli agenti evolutivi implicati nel cambiamento delle frequenze alleliche. Primo agente evolutivo in esame: la mutazione. Numero di nuovi alleli mutanti in una generazione. Destino degli alleli mutanti. Equilibrio fra mutazione e selezione naturale.
Il carico genetico in una popolazione. L’allele recessivo condrodistrofia nel condor della California. Opzioni di gestione della condrodistrofia in una popolazione del condor della California (Gymnogips californianus).
Esame degli agenti evolutivi implicati nel cambiamento delle frequenze alleliche. Secondo agente evolutivo in esame: la deriva genetica.
Deriva genetica in popolazioni di Drosophila melanogaster di laboratorio. Deriva genetica in popolazioni umane: l’allele acromatopsia nell’isola di Pingelap.
Modellistica della deriva genetica da test di simulazione. Effetto della dimensione della popolazione. Dimensione effettiva della popolazione (formula di Wright). Deriva genetica in popolazioni dell’insetto parassita Tribolium castaneum.
Effetti del fenomeno “collo di bottiglia” (bottleneck) in Drosophila melanogaster, da analisi della diversità genetica di loci di DNA microsatellite. Effetto del “collo di bottiglia” in una popolazione del gheppio delle Mauritius (Falco punctatus) e relative conseguenze genetiche. Effetti della depressione da inincrocio in una popolazione piccola e isolata: il caso del lupo grigio dell’isola Royale. Recupero genetico di una popolazione di Vipera berus prossima all’estinzione. Equilibrio fra mutazione e deriva genetica.
Esame degli agenti evolutivi implicati nel cambiamento delle frequenze alleliche. Terzo agente evolutivo in esame: la selezione naturale.
Selezione naturale al locus genico acetil-colinesterasi (ACE) in popolazioni di Anopheles. Effetti della selezione al locus genico LCT (persistenza dell’attività dell’enzima lattasi in età adulta) e evoluzione della dieta in popolazioni umane. Il gruppo sanguigno Duffy e la malaria in popolazioni africane. Effetti della selezione in popolazioni ad alta quota (Ande e Tibet).
Simulazione di selezione naturale. Fitness assoluta e relativa. Selezione contro l’omozigote recessivo. Selezione contro l’allele dominante. Selezione contro l’eterozigote. Selezione a favore dell’eterozigote. Selezione bilanciante e malaria in popolazioni africane. Selezione naturale in Biston betularia. Il fenomeno del melanismo industriale descritto dal cambiamento nelle frequenze alleliche.
Selezione e mutazione. Selezione contro una mutazione. Selezione e deriva genetica. Selezione naturale su caratteri quantitativi a eredità poligenica: selezione direzionale, selezione stabilizzante e selezione distruttiva. Effetti della selezione sull’evoluzione del colore della pelle in uomo.
ID: Conoscenza e capacità di comprensione
ID: Autonomia di giudizio
ID: Capacità di apprendere
Esame degli agenti evolutivi implicati nel cambiamento delle frequenze alleliche. Quarto agente evolutivo in esame: la migrazione, o flusso genico.
Test di simulazione del flusso genico fra popolazioni: modello unidirezionale e bidirezionale. Migrazione strutturata per clan. Altitudine e struttura della popolazione a Jujuy (Argentina). Stima del flusso genico da matrice di migrazione. Flusso genico fra uomo arcaico (Neanderthal) e Uomo Moderno.
Riduzione del flusso genico in popolazioni naturali dovuta a frammentazione. Impatto della frammentazione dell’habitat nella metapopolazione della specie in pericolo picchio boreale (Picoides borealis).
Risoluzione delle ambiguità tassonomiche e definizione delle unità di gestione. Risoluzione di ambiguità tassonomiche da analisi genetica. Depressione da esoincrocio. Stima dell’introgressione dal cane alla specie in pericolo lupo etiopico da analisi delle frequenze alleliche di DNA microsatellite.
Statistica multivariata: la regressione lineare multipla (descrizione del metodo in ogni sua fase di calcolo).
Studio di regressione lineare multipla nella stima della diversità genetica in popolazioni “overfished”.
Statistica multivariata: la correlazione canonica, la correlazione fra gruppi o canoni di variabili (descrizione delle principali fasi di calcolo).
Studio di correlazione canonica fra un gruppo di variabili sulla qualità dell’aria e un gruppo di variabili sulla qualità della salute.
Uno studio di genetica della conservazione in Italia: Estinzione, ibridazione e sovrapopolamento: dati genetici e la gestione del cinghiale (Sus scrofa) in Italia.
ID: Conoscenza e capacità di comprensione
ID: Autonomia di giudizio
ID: Capacità di apprendere
Bibliografia
Relethford, J.R. Genetica delle popolazioni umane", Casa Editrice Ambrosiana
Frankham R., Ballou J.D., Briscole D.A. Fondamenti di genetica della conservazione. Zanichelli
Le immagini proiettate a lezione sono disponibili in piattaforma Elly.
Metodi didattici
La modalità di insegnamento consiste in lezioni frontali.
Modalità verifica apprendimento
La modalità di verifica dell'apprendimento consiste in una prova orale della durata di 45 minuti. Allo studente é richiesto di esprimere con proprietà di linguaggio un argomento di genetica di popolazioni, un argomento di genetica della conservazione, e di descrivere un metodo statistico multivariato con relative applicazioni. Allo studente é data la possibilità di scegliere liberamente un articolo scientifico e di presentarlo con la massima accuratezza.
Altre informazioni
E’ gradita una buona conoscenza della lingua inglese
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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