CourseMOLECULAR AND CELLULAR BIOLOGY
Code186EE
Credits3
PeriodSemester 1
LanguageItalian
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| EVOLUZIONE E SVILUPPO | BIO/06 | LEZIONI | 24 |
|
Il corso analizza i rapporti e le connessioni tra sviluppo ed evoluzione. In particolare vengono analizzate le modificazioni dello sviluppo che sono importanti per determinare la comparsa delle variazioni e l’evoluzione morfologica.
The course deals with the connections and relationships between development and evolution. In particular, the developmental modifications that are relevant to lead to anatomical changes and to morphological evolution are here considered.
La verifica delle conoscenze consiste in un colloquio orale, secondo le indicazioni date nel campo specifico.
Nel corso del colloquio lo studente dovrà dimostrare di poter esporre in modo chiaro il modo in cui evoluzione e sviluppo sono correlati, fornendo gli esempi adatti e analizzando criticamente le evidenze sperimentali analizzate durante le lezioni.
The assessment of knowledge will be made during an oral examination, according to the indications given in the specific field.
During the examination the student will have to demonstrate his ability to explain the links between evolution and development, and provide the relevant examples to support his argument; he/she should be able to critically analyse the experimental evidences for evo-devo.
Lo studente sarà in grado di elaborare possibili progetti di ricerca nell'ambito della biologia evoluzionistica dello sviluppo o attività divulgative nello stesso settore.
The student will be able to foresee possible research projects within the field of developmental evolutionary biology or educational and dissemination activities in the same field.
Lo studente dovrà dimostrare di saper presentare ipotesi di lavoro in ambito evo-devo e di poter proporre un approccio sperimentale per testare tali ipotesi.
The student should be able to propose working hypotheses in the field of evo-devo and to indicate possible experimental approaches in order to test them.
Lo studente potrà acquisire interesse e sensibilità alle problematiche della evoluzione degli organismi e contribuire alla loro diffusione.
The student will acquire interests and dedication towards the issues dealing with evolution of organisms and provide their dissemination.
L'esame orale di profitto sarà seguito da una breve intervista per verificare questi aspetti.
The oral examination will be followed by a short interview to verify these issues.
Si ritengono utili conoscenze di:
- Anatomia Comparata
- Biologia dello Sviluppo
- Zoologia
- Biologia Molecolare
- Genetica
- Teorie e Processi dell'Evoluzione
Inoltre si ricorda che lo studente è invitato a verificare l'esistenza di eventuali propedeuticità consultando il Regolamento del Corso di studi relativo al proprio anno di immatricolazione. Un esame sostenuto in violazione delle regole di propedeuticità è nullo (Regolamento didattico d’Ateneo, art. 24, comma 3)
Basic knowledge of the following topics will be useful:
- Comparative Anatomy
- Developmental Biology
- Zoology
- Molecular Biology
- Theories and Processes of Evolution
We remind that the student must verify the existence of possible mandatory courses by consulting the Guidelines of the Course of Studies of his/her matriculation year. An examination taken in violation to these Guidelines will be null (Regolamento didattico d'Ateneo, art. 24, comma 3)
- Il corso di articola in lezioni frontali, con ausilio di slide power point
- Le lezioni verranno tenute in lingua italiana
- Verranno eventualmente segnalati siti web e seminari presenti online
- Il materiale didattico (slides, articoli etc.) verrà caricato su elearning come ogni altra comunicazione necessaria per l'organizzazione del corso
- Ricevimenti sono previsti nelle modalità che verranno esplicate a lezione e tramite elearning non appena disponibile l'orario delle lezioni
- Non sono previste prove intermedie
Vengono inoltre segnalate attività seminariali o sul campo cui i ragazzi possono partecipare.
Il docente fornisce il materiale didattico (slides Power Point e altro) al termine di ogni lezione, caricandolo sui portali dedicati ed indica i testi di riferimento.
Ricevimenti sono tenuti in giorni settimanali indicati all'inizio del corso, previo appuntamento concordato per email o telefono.
Frontal lectures make use of Power Point presentations
Lectures will be given in Italian
Websites and seminars relevant to the course topics will be recommended to the students
The teacher provides the Power Point presentations and other relevant material to the students (usually at the end of each lecture) and recommends reference textbooks.
Receptions of students are held upon email or phone appointment at fixed days during the week, that are communicated at the beginning of the course
There will be no intermediate assessment tests or examinations
Introduzione al corso. Cenni storici sull'evoluzionismo e suoi rapporti con l'embriologia e la biologia dello sviluppo. Una nuova sintesi tra biologia dello sviluppo e biologia evoluzionistica e la nascita dell'"evo-devo". Programmi genetici e regolazione dello sviluppo: fattori di trascrizione ed enhancers. Dai geni materni ai geni omeotici. Conservazione del "toolkit" molecolare per lo sviluppo.
La Drosophila come chiave per la comprensione dello sviluppo: richiami sul controllo molecolare dello sviluppo embrionale.I geni omeotici e l'identità segmentale in Drosophila: mutazioni omeotiche per perdita e guadagno di funzione. Conservazione evolutiva dei geni Hox nei vertebrati e del loro ruolo nel patterning anteroposteriore. I geni anteriori otd, ems di Drosophila ed i loro ortologhi nei vertebrati (Otx e Emx): conservazione funzionale tra Otd e Otx. Conservazione evolutiva dei geni del patterning nei metazoi: esempi in Emicordati, Aracnidi, Onicofori. Conservazione di altri sistemi genici coinvolti in vari aspetti dello sviluppo: engrailed, wingless/Wnt, eyeless/Pax6, Distal-less (e altri).
Concetto di "developmental repatterning". Modificazioni dell'azione e dell'espressione genica: eterotipia, eterotopia, eterotrofia, eterometria, modificazioni epigenetiche (aspetti generali). Discipline e metodologie coinvolte nello studio dell'evoluzione.
Richiamo sui principali metodi di studio dello sviluppo. Il sequenziamento dei genomi, l'annotazione genomica, gli strumenti bioinformatici per l'analisi genomica, l'RNA seq (cenni). Il sistema GAL4-UAS per l'espressione ectopica di geni in Drosophila.
I geni omeotici e regolazione dell'identità segmentale negli artropodi. Modificazioni del pattern di azione di geni omeotici (eterotopia) e modificazioni delle appendici nei crostacei: l'esempio di Ubx. Parhyale hawaiensis come sistema modello per i crostacei. Studio funzionale dei geni Hox in Parhyale. Identificazione di un dominio QAQA-poliA, assente in altri Artropodi (eterotipia), importante per la soppressione delle appendici nell'addome degli insetti.
Evoluzione dei patterns di pigmentazione in Drosophila. Regolazione del gene yellow in diverse specie di Drosophila e formazione di una macchia alare. Comparsa casuale di enhancers distinti consentono la regolazione di yellow da parte di "master regulator genes" per la formazione dei diversi patterns di pigmentazione delle ali in distinte linee evolutive di Drosophila. Regolazione evolutiva della pigmentazione addominale in Drosophila.
Ipotesi sull’origine delle ali negli artropodi: origine tergale, pleurale o doppia? Recenti evidenze molecolari. Diversificazione della morfologia alare negli insetti. Azione differenziale di Ubx su geni bersaglio coinvolti nello sviluppo delle ali: evidenza di regolazione differenziale in Drosophila e Tribolium. Potenzialità dello sviluppo alare in altri segmenti toracici ed addominali. Un terzo paio di ali "criptiche" nei Rincoti Membracidi?. Le corna di coleotteri come possibili derivazioni di ali protoraciche; esperimenti di RNA interference in Ontophagus per l'analisi dello sviluppo di corna protoraciche dei coleotteri.
Evoluzione del pattern corporeo dei Serpenti. Modificazione dell'espressione di geni Hox e conversione delle vertebre cervicali in vertebre di tipo toracico nei serpenti. Attivazione dei paraloghi Hox13 e terminazione dell'accrescimento dell'asse anteroposteriore. Attenuazione dell'azione dei geni Hox13 nei serpenti: modificazioni nella regolazione e nell'azione dei geni Hoxd più posteriori portano ad un allungamento dell'asse corporeo negli Squamati.
Un meccanismo "oscillatorio" di espressione genica regola la somitogenesi: il modello "clock and wavefront" per la somitogenesi nei vertebrati. Approccio in vitro allo studio dei meccanismi oscillatori di espressione genica e della loro regolazione da pathway di segnalazione.
Controllo dell'estensione dello sviluppo assiale dei vertebrati. Azione dei geni Cdx e geni Hox nel mantenimento e nella terminazione della somitogenesi. Espressione prolungata di Oct4 nei serpenti e allungamento del tronco.
Perdita degli arti nei serpenti: un enhancer distale di sonic hedgehog è mutato nelle regioni regolatorie dei serpenti. Confronto delle regioni regolatorie di sonic hedgehog nei vari vertebrati ed analisi funzionale dell'attività degli enhancer delle varie specie.
Cellule della cresta neurale e loro sviluppo. Creste neurali craniali e sviluppo cranio-facciale. Sviluppo e caratteri adattativi: il becco dei fringuelli delle Galapagos e l'azione di BMP4 e calmodulina. Polimorfismi genetici legati ad Hmga2, un rimodellatore della cromatina che regola lo sviluppo cranio-facciale. Ruolo di HMGA2 hello sviluppo cranio-facciale di Xenopus. Transizioni morfologiche nello scheletro cranio-facciale: il caso Arcosauri-Uccelli; la soppressione di FGF-signaling nel processo frontonasale rimodula lo sviluppo di pollo ad una facies primitiva di arcosauro.
Asimmetria destra-sinistra e spiralizzazione della conchiglia in Molluschi Gasteropodi: conservazione evolutiva dell'azione molecolare di nodal e Pitx. Meccanismi di duplicazione genica e genomica contribuiscono all'evoluzione morfologica. Il concetto di deep homology.
A short synopsis of evolutionary thoughts and of its relationships with embryology and developmental biology. A new synthesis between developmental biology and evolutionary biology and the birth of "evo-devo". Genetic programmes and the regulation of development: signaling pathways, transcription factors, enhancers, silencers. Conservation of the molecular toolkit for animal development.
Drosophila as a developmental model: molecular control of embryonic development. From maternal to homeotic genes. Homeotic genes and segmental identity in Drosophila: loss-of-function and gain-of-function homeotic mutation. Evolutionary conservation of Hox genes and their role in antero-posterior patterning. Otd and Ems anterior genes of Drosophila and their vertebrate orthologous genes (Otx and Emx). Evolutionary conservation of patterning genes in the Metazoans (Hemichordates, Arachnids, Onychophorans). Genetic systems involved in various developmental processes: engrailed, wingless/Wnt, eyeless/Pax6, distal-less.
The concept of "developmental repatterning". Modification of gene expression and function:heterotypy, heterotopy, heterochrony, heterometry, epigentic modifications. A short overview of the principal methods oin developmental studies. Genome sequencing, genome annotation, bioinformatic tools for genome analysis, RNAseq. The GAL4-UAS system for ectopic gene expression in Drosophila.
Homeotic genes and the segmental identity in Arthropoda. Modification of homeotic pattern of gene expression (heterotopy) and appendage modification in Crustaceans: the example of Ubx. Parhyale hawaiensis as a model system for Crustaceans. Functional studies of Hox genes in Parhyale.Identification of a special QAQA-poliA domain involved in limb suppression within the abdomen of insects.
Evolution of pigmentation patterns in Drosophila. Regulation of the yellow gene in different species of Drosophila and formation of a dark wing spot. Casual appearance of distinct enhancers brings yellow under the control of "master regulator genes" and generate diverse patterns of wing pigmentation in Drosophila species.
Evolutionary origins of the wing: tergal vs. pleural vs. combined origin. Recent molecular evidences. Diversification of wing morphology in insects. Ubx differential action on target genes controlling wing genetic programme as seen in Drosophila, butterflies and Tribolium. Potential wing development by other thoracic and abdominal segments. A third pair of "criptic" wings in Membracids. The case of protoracic "horns" in Coleoptera; RNA interference in Ontophagus for the analysis of protoracic wings in Coleoptera.
Evolution of the snake body pattern. Modification of Hox gene expression lead to conversion of cervical and lumbar vertebrae to thoracic vertebrae in snakes. Hox13 paralogs and the termination of axial elongation. Changes in posterior Hox gene regulation and action in snakes underlie increase in body elongation in Squamates.
Regulation of vertebral number: oscillatory genes during somitogenesis. The clock and wavefront model for somitogenesis. Cdx and Hox gene interplay in the control of vertebrate axial extension. Oct4 prolonged action in tailbud maintenance and axial elongation.
Limb loss in snakes: a global ZRS enhancer regulates sonic hedgehog expression and its evolutionary inactivation explains absence of limbs in the snakes. Comparison of sonic hedgehog regulatory sequences in different vertebrates and functional analysis of the ZRS enhancer in the different species.
Cranial neural crest and evolution of craniofacial aspects. Major developmental aspects of neural crest cell development. Development and adaptative characters: the beak of Darwin's finches and the molecular role of BMP4 and calmodulin in their adaptive modification. Genetic polymorphisms linked to the hmga2 gene are associated to variability in beak size in Darwin's finches. Hmga2 role in craniofacial development in Xenopus. Morphological transitions in the craniofacial skeleton: the case of the Archosaurian-Bird transition; the suppression of FGF signaling in the frontonasal process remodulates the chick craniofacial aspect to that of a primitive Archosaurian.
Left-right asymmetry and snail shell chirality: evolutionary conservation of the molecular action of nodal and Pitx genes. Gene and genomic duplications contribute to morphological evolution. The concept of deep homology.
In linea generale, verranno selezionati pdf di articoli scientifici rilevanti per gli argomenti affrontati.
Informazioni utili possono trovarsi sui seguenti testi:
- Carroll, Grenier, Weatherbee. From DNA to Diversity:Molecular Genetics and the Evolution of Animal Design. Blackwell (traduzione Italiana: Dal DNA alla diversità. Evoluzione molecolare del progetto corporeo animale, Zanichelli)
- Arthur. Evolution. A Developmental Approach. Wiley-Blackwell
- Gilbert, Barresi. Developmental Biology. Sinauer
In general, appropriate scientific papers will be selected for the different topics.
Useful informations will be found on the following textbooks:
- Carroll, Grenier, Weatherbee. From DNA to Diversity:Molecular Genetics and the Evolution of Animal Design. Blackwell
- Arthur. Evolution. A Developmental Approach. Wiley-Blackwell
- Gilbert, Barresi. Developmental Biology. Sinauer
Non esistono differenze nei contenuti del corso o nelle modalità di esame per gli studenti che non frequentano. Eventualmente, dietro richiesta, possono essere tenuti ricevimenti per consentire il miglior recupero possibile degli argomenti svolti durante il corso.
There are no differences in the contents of the course or in the examination modalities for the students that do not attend lectures. Possibly, under request, receptions may be held to allow the best possible recovery of the practical aspects that these students were not able to see during the course.
La verifica delle conoscenze consiste in un colloquio orale, che consiste in una discussione di argomenti svolti a lezione.
A titolo puramente indicativo, la durata del colloquio è di circa 30 minuti.
The assessment of acquired knowledge consists in an oral colloquium, consisting in a discussion of topics presented during the lectures.
As a pure indication, the duration of the colloquium is about 30 min.
https://evolution.berkeley.edu
https://pikaia.eu/homepage
https://evolution.berkeley.edu
https://pikaia.eu/homepage