Syllabus del corso
Obiettivi
Il corso fornisce le basi teoriche e metodologiche della genetica di popolazione umana, dell’evoluzione molecolare e della medicina evolutiva. Al termine del corso lo studente sarà in grado di:
• comprendere i processi evolutivi che hanno modellato la variabilità genetica umana;
• interpretare la storia demografica delle popolazioni umane e i fenomeni di migrazione e admixture;
• riconoscere i principali meccanismi di selezione naturale e i metodi utilizzati per identificarli nei dati genomici
• applicare i concetti di evoluzione molecolare e genomica comparativa all’interpretazione di varianti genetiche e malattie umane
• comprendere il ruolo dei conflitti genetici e degli elementi trasponibili nell’evoluzione e nella patologia umana;
• analizzare i processi evolutivi dei virus e la loro rilevanza biomedica, con particolare attenzione all’adattamento all’ospite e alle malattie infettive.
Contenuti sintetici
- Basi di genetica di popolazione — Hardy-Weinberg, inbreeding, storia demografica umana (Out of Africa e migrazioni), admixture con ominidi arcaici, variabilità genetica delle popolazioni umane.
- Selezione naturale — Tipi di selezione (purificatrice, bilanciante, positiva, sweep, poligenica), metodi molecolari per rilevarla, esempi adattativi (lattasi, malaria) e loro impatto in medicina.
- Evoluzione molecolare — Teoria neutrale, genomica comparativa, indici di conservazione (PhyloP, GERP) usati in clinica, test dN/dS per selezione positiva.
- Conflitti genetici — Drive meiotico, imprinting, interazioni ospite-patogeno, selezione sessuale, “selfish spermatogonial selection”.
- Elementi trasponibili — origine, ruolo patogenetico, domesticazione (placentazione, immunità) e contributo alla plasticità genomica. Silenziamento nella linea germinale e rilevanza per la fertilità.
- Evoluzione virale — Filogenomica, filogeografia, zoonosi e adattamento all'ospite. Storia ae caratteristiche genetiche del vaccino antivaioloso di Jenner (1796)
Programma esteso
- Genetica di popolazione umana. Concetti di base di genetica di popolazione (pool genico, frequenza allelica e genotipica, equilibrio di Hardy-Weinberg, deriva genetica, flusso genico, selezione naturale). Accoppiamento non casuale, con attenzione a tratti fenotipici (BMI) e patologici (disturbi neuropsichiatrici). Storia demografica umana (origine africana, uscita dall'Africa, colli di bottiglia, espansioni demografiche, effetti fondatore). Admixture con ominidi arcaici e “adaptive introgression”, migrazione Yamnaya. Variabilità genetica delle popolazioni umane. Database di variabilità genetica (1000 Genomes, gnomAD).
- Genetica di popolazione umana. Tipi di selezione naturale: purificatrice, bilanciante, positiva, hard sweep, soft sweep, adattamento poligenico. Metodi molecolari per identificarla (EHH, iHS e ricostruzione della storia degli aplotipi mediante haplotype networks). Esempi di adattamento a fattori ambientali e rilevanza per la medicina evolutiva (es. tolleranza al lattosio, resistenza alla malaria e ad altri patogeni, adattamento all’altitudine, malattia renale e resistenza ai tripanosomi).
- Evoluzione molecolare. Meccanismi di base e genomica comparativa (ortologhi, paraloghi, omologhi, allineamento multiplo). Indici di conservazione (PhyloP, GERP) e loro utilizzo in genetica medica. Selezione positiva, metodi di identificazione (dN/dS), rilevanza biomedica (Red Queen dynamics). Perdita di funzione come adattamento (CMAH e mancanza di Neu5Gc nella specie umana).
- Conflitti genetici. Conflitti intragenomici (drive meiotico, elementi trasponibili, imprinting genomico) e intergenomici (interazioni ospite-patogeno). Loro rilevanza biomedica e per la fertilità (traslocazioni Robertsoniane e centromere drive). Selezione sessuale nella specie umana. “Selfish spermatogonial selection” e rilevanza per “paternal age effect” (acondroplasia, sindromi di Apert, Costello, Noonan).
- Elementi trasponibili nel genoma umano. Origine evolutiva e caratteristiche molecolari, ruolo patogenetico (mutazioni inserzionali, riarrangiamenti cromosomici, instabilità genomica). Domesticazione: sincitine (proteine envelope di retrovirus endogeni domesticate per la formazione del sinciziotrofoblasto placentare), RAG1/RAG2 (complesso V(D)J ricombinasi derivato da un trasposone della famiglia Transib), altri esempi. Contributo alla plasticità genomica (innovazione regolativa, nuovi enhancer, nuovi promotori). Rilevanza clinica (tumori e plasticità neurale). Loro restrittori e rilevanza per la fertilità (piRNA e proteine PIWI).
- Evoluzione virale: filogenomica e filogeografia (tracciamento epidemie, identificazione varianti, diffusione geografica, percorsi migratori). Struttura di popolazione, salto di specie (zoonosi), adattamento all’ospite. Storia e caratteristiche genetiche del primo vaccino (contro il vaiolo, Jenner 1796).
Prerequisiti
Come previsto dal Regolamento del Corso di Laurea.
Modalità didattica
Lezioni frontali con momenti di discussione collettiva.
Tutte le lezioni sono svolte in presenza, in modalità erogativa.
La lingua di insegnamento è l'italiano.
Materiale didattico
Diapositive del corso e articoli di riviste scientifiche
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo anno, primo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Descritti nel Syllabus dell'insegnamento generale
Orario di ricevimento
Su appuntamento, scrivendo a manuela.sironi@unimib.it
Sustainable Development Goals
Aims
The course provides the theoretical and methodological foundations of human population genetics, molecular evolution, and evolutionary medicine. Upon completion of the course, students will be able to:
• understand the evolutionary processes that have shaped human genetic diversity;
• interpret the demographic history of human populations and the phenomena of migration and admixture;
• recognize the main mechanisms of natural selection and the methods used to identify them in genomic data;
• apply concepts from molecular evolution and comparative genomics to the interpretation of genetic variants and human diseases;
• understand the role of genetic conflicts and transposable elements in human evolution and disease;
• analyze the evolutionary processes of viruses and their biomedical relevance, with particular emphasis on host adaptation and infectious diseases.
Contents
- Population genetics— Hardy–Weinberg equilibrium, inbreeding, human demographic history (Out of Africa and subsequent migrations), admixture with archaic hominins, and genetic diversity in human populations.
- Natural selection — Types of selection (purifying, balancing, positive, sweeps, polygenic selection), molecular methods for detecting selection, adaptive examples (lactase persistence, malaria resistance) and their medical relevance.
- Molecular evolution — Neutral theory, comparative genomics, conservation indices (PhyloP, GERP) used in clinical genetics, and dN/dS tests for detecting positive selection.
- Genetic conflicts — Meiotic drive, imprinting, host–pathogen interactions, sexual selection, and “selfish spermatogonial selection.”
- Transposable elements — Origin, pathogenic roles, domestication (placentation, immunity), and contribution to genomic plasticity. Germline silencing mechanisms and relevance to fertility.
- Viral evolution — Phylogenomics, phylogeography, zoonoses, and host adaptation. History and genetic characteristics of Jenner’s smallpox vaccine (1796).
Detailed program
- Human population genetics. Basic concepts of population genetics (gene pool, allele and genotype frequencies, Hardy–Weinberg equilibrium, genetic drift, gene flow, natural selection). Non-random mating, with attention to phenotypic traits (BMI) and pathological traits (neuropsychiatric disorders). Human demographic history (African origin, Out of Africa migration, bottlenecks, population expansions, founder effects). Admixture with archaic hominins and adaptive introgression, Yamnaya migration. Genetic variability in human populations. Databases of genetic variation (1000 Genomes, gnomAD).
- Human population genetics. Types of natural selection: purifying, balancing, positive, hard sweep, soft sweep, polygenic adaptation. Molecular methods to detect selection (EHH, iHS, and reconstruction of haplotype history using haplotype networks). Examples of adaptation to environmental factors and relevance to evolutionary medicine (e.g., lactose tolerance, resistance to malaria and other pathogens, high-altitude adaptation, kidney disease and trypanosome resistance).
- Molecular evolution. Basic mechanisms and comparative genomics (orthologs, paralogs, homologs, multiple sequence alignment). Conservation indices (PhyloP, GERP) and their use in medical genetics. Positive selection, methods of detection (dN/dS), biomedical relevance (Red Queen dynamics). Loss of function as adaptation (CMAH and absence of Neu5Gc in the human species).
- Genetic conflicts. Intragenomic conflicts (meiotic drive, transposable elements, genomic imprinting) and intergenomic conflicts (host–pathogen interactions). Their biomedical relevance and impact on fertility (Robertsonian translocations and centromere drive). Sexual selection in humans. “Selfish spermatogonial selection” and relevance for the “paternal age effect” (achondroplasia, Apert, Costello, Noonan syndromes).
- Transposable elements in the human genome. Evolutionary origin and molecular features, pathogenic roles (insertional mutations, chromosomal rearrangements, genomic instability). Domestication: syncytins (envelope proteins of endogenous retroviruses domesticated for formation of the placental syncytiotrophoblast), RAG1/RAG2 (V(D)J recombination machinery derived from a Transib transposon family), and other examples. Contribution to genomic plasticity (regulatory innovation, new enhancers, new promoters). Clinical relevance (cancer and neural plasticity). Their repressors and relevance for fertility (piRNAs and PIWI proteins).
- Viral evolution: phylogenomics and phylogeography (epidemic tracking, variant identification, geographic spread, migratory pathways). Population structure, host switching (zoonoses), host adaptation. History and genetic characteristics of the first vaccine (against smallpox, Jenner 1796).
Prerequisites
As specified in the Degree Programme Regulations.
Teaching form
Face-to-face lectures, complemented by class discussions.
All teaching activities are delivered on campus in lecture format.
The language of instruction is Italian.
Textbook and teaching resource
Slides and scientific journal articles
Semester
Second year, first semester
Assessment method
Described in the course syllabus.
Office hours
By appointment, writing to manuela.sironi@unimib.it
