Disciplina Discipline BMM5835
Estudo Crítico de Evolução Molecular em Sistemas Biológicos

Critical Study of Molecular Evolution in Biological Systems

Área de Concentração: 42132

Concentration area: 42132

Criação: 16/02/2018

Creation: 16/02/2018

Ativação: 16/02/2018

Activation: 16/02/2018

Nr. de Créditos: 4

Credits: 4

Carga Horária:

Workload:

Teórica

(por semana)

Theory

(weekly)

Prática

(por semana)

Practice

(weekly)

Estudos

(por semana)

Study

(weekly)

Duração Duration Total Total
4 1 1 10 semanas 10 weeks 60 horas 60 hours

Docente Responsável:

Professor:

Paolo Marinho de Andrade Zanotto

Objetivos:

O curso visa desenvolver uma visão integrada do pensamento evolutivo aplicável a diferentes níveis de organização dos processos biológicos. Visamos desenvolver “tree thinking” via a discussão crítica de conceitos de evolução molecular com ênfase nos distintos níveis de organização: desde o replicons (e.g., origem da vida e mundo de RNA), passando por as malhas regulatórias gênicas, até superorganismos como unidades aninhadas de seleção. Entendendo evolução como a alteração de frequências alélicas no tempo e no espaço, a ferramenta básica de inferência para fins comparativos é a reconstrução filogenética aplicada no contexto do método comparativo (e.g., correção filogenética, filodinâmica, etc.). O aluno deverá, durante o curso, ser apresentado a conceitos fundamentais e também a aplicações exemplificadas em trabalhos científicos importantes na área de evolução molecular e de sistemas. Pretendemos discutir a base molecular de diferentes níveis de organização de sistemas biológicos e para tal, visamos verificar a relação entre complexidade organísmica e a quantidade de informação genética, aspectos dos fundamentos moleculares no controle do fluxo da informação em sistemas biológicos usando redes, incluindo complexidade e redes.

Objectives:

The course aims to develop an integrated vision of evolutionary thinking applicable to different levels of organization of biological processes. We aim to develop “tree thinking” through the critical discussion of concepts of molecular evolution with emphasis on the different levels of organization: from replicons (e.g., the origin of life and RNA world), through regulatory gene networks, to superorganisms such as nested units of selection. The basic inference tool for comparative purposes is phylogenetic reconstruction applied in the context of the comparative method (e.g., phylogenetic correction, phylogodynamics, etc.), understanding evolution as the change of allelic frequencies in time and space. During the course the student should be presented with fundamental concepts and also applications exemplified in important scientific works in the area of molecular evolution and system-biology. We intend to discuss the molecular basis of different levels of organization of biological systems and for this, we aim to verify the relationship between organismic complexity and the amount of genetic information, aspects of molecular foundations in the control of information flow in biological systems using networks, including complexity and networks.

Justificativa:

Apesar do variado escopo de disciplinas oferecidas aos alunos da USP, em genética e evolução, acredita-se que este curso será original por estar voltado não somente ao uso da reconstrução filogenética além de sua dimensão classificatória (sistemática), mas também como ferramenta para entender processos de evolução molecular, de forma integrada usando a biologia comparativa. Ademais depois de termos explorado “tree thinking”, na sequência do curso vamos visitar outros níveis de organização de sistemas biológicos.

Rationale:

Despite the varied scope of disciplines offered to USP students in genetics and evolution, it is believed that this course will be original because it is geared not only to the use of phylogenetic reconstruction beyond its classificatory (systematic) dimension, but also as a tool to understand processes of molecular evolution, in an integrated way using comparative biology. In addition after we have explored "tree thinking", following the course we will visit other levels of organization of biological systems.

Conteúdo:

Parte 1. “Tree thinking” 1. Introdução à evolução molecular 2. Revendo a estrutura gênica e mutação: o gene como unidade de seleção; 3. Evolução de proteínas; 4. Evolução de DNA; 5. O relógio molecular: medindo mudança genética; 6. Revendo conceitos fundamentais de genética populacional: Modelos evolucionários (Neutralidade de Kimura e Seleção Darwiniana); 7. Diversidade genética dentro e entre populações; 8. Reconstrução Filogenética: importância do método comparativo; 9. Métodos de Interferência filogenética e genealógica: Processo e modelo; 10. Aplicações de filogenias moleculares: substituição alélica em epitopos, filodinâmica, migração. 11. Integração entre inferência e experimentos. Parte 2. “Complex networking” 12. Simplicidade e complexidade. 13. Estruturas dissipativas. 14. Autopoiese 15. Redes em sistemas biológicos 16. Base molecular da cognição

Content:

Part 1. "Tree thinking" 1. Introduction to molecular evolution 2. Reviewing gene structure and mutation: the gene as a unit of selection; 3. Evolution of proteins; 4. Evolution of DNA; 5. The molecular clock: measuring genetic change; 6. Reviewing fundamental concepts of population genetics: Evolutionary models (Kimura Neutrality and Darwinian Selection); 7. Genetic diversity within and between populations; 8. Phylogenetic reconstruction: importance of the comparative method; 9. Methods of phylogenetic and genealogical interference: Process and model; 10. Applications of molecular phylogenies: allelic replacement in epitopes, filodynamics, migration. 11. Integration between inference and experiments. Part 2. "Complex networking" 12. Simplicity and complexity. 13. Dissipative structures. 14. Autopoiesis 15. Networks in biological systems 16. Molecular basis of cognition

Forma de Avaliação:

vide observação

Type of Assessment:

on observation

Observação:

Forma de avaliação: Este curso tem como pré-requisito, leitura e redação fluente em inglês, entendimento de genética de microrganismos, genética populacional e estatística básica. A avaliação será feita por meio de ensaios e atividades em sala de aula. A pré-avaliação de ensaio crítico sobre um dos 3 trabalhos é pré-requisito para a aceitação no curso: 1) Social Networks ShapetheTransmission Dynamics ofHepatitis C Virushttp://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0011170 2) Complete Genome Viral PhylogeniesSuggeststheConcertedEvolutionofRegulatory Cores andAccessorySatelliteshttp://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0003500 3) Modularityandevolutionaryconstraints in a baculovirus gene regulatory networkhttps://bmcsystbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/1752-0509-7-87 Observação: As facilidades do LEMB – ICB – USP serão usadas durante o curso para que os alunos possam ter uma idéia da interação entre a parte inferencial (reconstrução filogenética e bioinformática) e experimental (por exemplo: seqüenciamento de DNA para estudos de diversidade genética populacional).

Notes/Remarks:

Form of evaluation: This course has as prerequisite, reading and writing fluent in English, understanding of genetics of microorganisms, population genetics and basic statistics. The evaluation will be done through tests and classroom activities. Pretesting a critical essay on one of the 3 papers is a prerequisite for acceptance in the course: Social Networks Shape the Transmission Dynamics of Hepatitis C Virus http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0011170 Complete Genome Viral Phylogenies Suggests the Concerted Evolution of Regulatory Cores and Accessory Satellites http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0003500 Modularity and evolutionary constraints in a baculovirus gene regulatory network https://bmcsystbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/1752-0509-7-87 Note: The facilities of LEMB - ICB - USP will be used during the course so that students can get an idea of the interaction between the inferential part (phylogenetic and bioinformatic reconstruction) and experimental (for example: DNA sequencing for studies of population genetic diversity).

Bibliografia:

- Fundamentals of Molecular Evolution. Wen-Hsiung Li & Dan Graur. Sinauer Associates, Inc. - Molecular Evolutionary Genetics. Masatoshi Nei Columbia University Press. - Molecular Evolution: A Phylogenetic Approach. Roderic Page e Edward C. Holmes. Blackwell Science. - Molecular Evolution. Wen-Hsiung Li. Sinauer Associates, Inc. - The Comparative Method in Evolutionary Biology. Harvey & Pagel. Oxford University Press - Evolutionary Genomics and Proteomics. Pagel & Pomiankowski. Snauer Associates. -Protocels: Bridging Nonlinving and Living Matter. Edited by Steen Rasmussen, Mark A. Bedau, Liaohai Chen, David Deamer, David C. Krakauer, Norman H. Packard, and Peter F. Stadler. The MIT Press. - Autopoiesis and Cognition: The Realization of the Living. Maturana & Varela. Reidel Publishing Company. - Order out of Chaos: Man’s new Dialogue with Nature. Prigogine & Stengers. BantamBooks - Robust Design: A repertoire of Biological, Ecological, and Engineering Case Studies. Erica Jen, Editor. Santa Fe Institute Studies in the Sciences of Complexity. Oxford University Press. - The Emperor's New Mind. Roger Penrose. Random House. - The Road to Reality: A complete Guide to the Laws of the Universe. Jonathan Cape London - Handbook of Graphs and Networks: From Genomes to the Internet. Bornholdt & Schuster, Editors. Wiley-VCH. - Revisões e papers selecionados.

Bibliography:

- Fundamentals of Molecular Evolution. Wen-Hsiung Li & Dan Graur. Sinauer Associates, Inc. - Molecular Evolutionary Genetics. Masatoshi Nei Columbia University Press. - Molecular Evolution: A Phylogenetic Approach. Roderic Page e Edward C. Holmes. Blackwell Science. - Molecular Evolution. Wen-Hsiung Li. Sinauer Associates, Inc. - The Comparative Method in Evolutionary Biology. Harvey & Pagel. Oxford University Press - Evolutionary Genomics and Proteomics. Pagel & Pomiankowski. Snauer Associates. -Protocels: Bridging Nonlinving and Living Matter. Edited by Steen Rasmussen, Mark A. Bedau, Liaohai Chen, David Deamer, David C. Krakauer, Norman H. Packard, and Peter F. Stadler. The MIT Press. - Autopoiesis and Cognition: The Realization of the Living. Maturana & Varela. Reidel Publishing Company. - Order out of Chaos: Man’s new Dialogue with Nature. Prigogine & Stengers. BantamBooks - Robust Design: A repertoire of Biological, Ecological, and Engineering Case Studies. Erica Jen, Editor. Santa Fe Institute Studies in the Sciences of Complexity. Oxford University Press. - The Emperor's New Mind. Roger Penrose. Random House. - The Road to Reality: A complete Guide to the Laws of the Universe. Jonathan Cape London - Handbook of Graphs and Networks: From Genomes to the Internet. Bornholdt & Schuster, Editors. Wiley-VCH. - Selected papers and reviews.