13 de febrero: Deletional bias and the evolution of bacterial genomes
Mira, A., Ochman, H., & Moran, N. A. (2001). Deletional bias and the evolution of bacterial genomes, 17(10), 589–596. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=PubMed&dopt=Citation&list_uids=11585665
Although bacteria increase their DNA content through horizontal transfer and gene duplication,
Genome Jigsaws (Photo credit: dullhunk)
their genomes remain small and, in particular, lack nonfunctional sequences. This pattern is most readily explained by a pervasive bias towards higher numbers of deletions than insertions. When selection is not strong enough to maintain them, genes are lost in large deletions or inactivated and subsequently eroded. Gene inactivation and loss are particularly apparent in obligate parasites and symbionts, in which dramatic reductions in genome size can result not from selection to lose DNA, but from decreased selection to maintain gene functionality. Here we discuss the evidence showing that deletional bias is a major force that shapes bacterial genomes.
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Resulta interesante el tratar de entender cómo a pesar de todos los fenómenos de transferencia horizontal y duplicación de genes no aumenta de forma vertiginosa el tamaño de los genomas y en algunos casos hay bacterias con genomas pequeños que parecen haber evolucionado de bacterias con genomas grandes. Es importante el entender que la tasa de deleción es mayor que la de inserción en el genoma de bacterias, de manera tal que tiene un papel importante en el modelaje del genoma bacteriano. Los dos mecanismos que intervienen en mantener esta deleción son: deleción larga que involucra la pérdida de fragmentos que contengan 1 o varios genes o bien por la pérdida de función originada por una mutación, generando así un pseudogen que va siendo erosionado hasta ser eliminado. Igualmente, las regiones espaciadoras van disminuyendo de tamaño aunque lentamente. Por esto, se plantea el que la presencia de pseudogenes y el tamaño de los espaciadores puede ser medida del cambio de un estado de vida libre a una parasitario y de la frecuencia de las deleciones.
De las tres hipótesis referidas a que los procesos que originan la reducción del genoma me llamó la atención la que habla sobre porciones importantes del genoma que resultan neutras que posteriormente serán eliminadas. Esta pérdida es posible debido a la pérdida de genes que no se requieren en un hábitat intracelular, además de que este entorno resulta ser relativamente menos adverso que aquel en que se encuentran bacterias de vida libre, por lo que no hay presión para mantener y expresar genes que le darían plasticidad para adaptarse y desarrollarse en un entorno más hostil.
Al comparar los genomas de los eucariontes contra los de procariontes salta a la vista la gran diferencia que existe en sus tamaños. Esta diferencia está dada en buena parte gracias a que los genomas bacterianos presentan una menor proporción del denominado “DNA basura”. Por mucho tiempo se pensó que la diferencia entre los tamaños de genomas bacterianos era el reflejo de una selección para una replicación más rápida del DNA, sin embargo se ha observado que no existe tal relación pues aun dentro de la misma especie podemos encontrar diferencias de tamaño de hasta el 25% como en el caso de E. coli, sin que esto se vea reflejado en las diferentes tasas de crecimiento.
Unos buenos modelos para estudiar las causas de los tamaños reducidos de genoma son aquellos organismos que presentan una reducción extrema en sus genomas tal como es el caso de patógenos o endosimbióntes intracelulares. En estos organismos se han planteado tres hipótesis principales para explicar esta reducción en su tamaño de genoma: la primera propone una selección que está favoreciendo hacia una reducción en el tamaño de los genomas, la segunda nos habla de un incremento en la tasa de deleciones y finalmente está la hipótesis con la que más concuerdo, a cual postula que en este nuevo ambiente al ser más estable una buena parte de los genes van a ser neutros por lo cual muchos genes van a ser eliminados gradualmente, centrándose en aquellos que no son necesarios en este hábitat intracelular como pueden ser por ejemplo los genes para metabolizar nutrientes que puede tomar del huésped.
En lo que respecta a la adquisición de nuevos genes, como se menciona en el artículo de Pushker (2004), la transferencia horizontal juega un papel relevante, sin embargo, como indican los autores, los genomas bacterianos son relativamente compactos y no se encuentran en una continua expansión. Esto puede deberse en primera instancia a que no todo el material que puede llegar a entrar al genoma va a mantenerse, pues para la bacteria no tiene caso mantener información genética que no le es de utilidad, adicionalmente está la inactivación y eliminación de genes resultado de procesos mutacionales.
Para probar la existencia de una eliminación selectiva de genes, los autores realizaron una comparación entre pseudogenes conocidos y sus contrapartes funcionales en un amplio rango taxonómico de bacterias. Lo que se observó fue que los eventos de deleción son más frecuentes que los de inserción y que globalmente tienen un mayor efecto en el tamaño del genoma.
Finalmente se propone un modelo para explicar la evolución del genoma bacteriano. En este modelo la deriva génica junto con un sesgo en las deleciones provoca una reducción en el tamaño celular, mientras que la selección en las funciones de los genes mantiene el DNA. En el caso de las bacterias con genomas reducidos, y en particular con las intracelulares, adicionalmente a estos factores puede estar influyendo el hecho de que no presentan un gran número de posibilidades para poder adquirir nuevo DNA.
Deletional bias and the evolution of bacterial genomes
Hay una gran diferencia en el tamaño del genoma de eucariontes como el de las bacterias que presentan un tamaño bajo y no hay regiones no codificantes de proteína. Si bien las bacterias adquieren fragmentos génicos a través de THG, y la duplicación de cromosomas ¿Por qué no aumentan su tamaño y se acumulan regiones no codificantes? Aquí es donde ponen en marcha la hipótesis de la parcialidad de delecion que es la principal fuerza que da forma al genoma bacteriano. Esto quiere decir que se da en una tasa más elevada (o mas frecuente) la eliminación de regiones no conservadas que la adquisición de nuevos genes, y cuando los adquieren sino presentan un beneficio serán quitados por presión de selección. En el caso de las bacterias intracelulares no hay un selección a favor de mantener un genoma de tamaño pequeño o no directamente pero si eliminara aquellos genes que si son beneficiosos pero no crean ninguna ventaja en ambiente intracelular como es el caso de Buchnera que ha perdido sus genes de motilidad. Hay dos formas que pueden distinguirse de parcialidad de delación, que se eliminen una amplia cantidad de genes en un evento o que el gen perdiera su función a través de un cambio por mutación y formara pseudogenes, y sea eliminado por pequeños eventos de delecion. Si remueven varios genes en una vez, son fijadas algunas veces dentro de los linajes como se identificó en M. tuberculosis removió 16 marcos de lectura (ORF). Concluyen con la propuesta de un modelo simple donde la evolución de reducción del tamaño del genoma debe ser el resultado de la fuerza de adquisición de DNA/duplicación, y la perdida de DNA ya sea por mutación o deriva génica. Mientras que en las bacterias intracelulares la perdida de DNA es causada por su hospedero, perdiendo la manera de adquirir DNA foráneo, mientras que los que están en vida libre para mayor adquisición de DNA exógeno le dará mayor plasticidad metabólica para la versatilidad de su nicho.
Contrario a lo que pasa con eucariontes, los genomas de bacterias casi no contienen secuencias no codificantes. Al comparar todos los genomas de bacterias secuenciados hasta ahora se tiene que existe una variación de tamaño de aproximadamente un orden de magnitud, lo cual difiere mucho del caso de los eucariontes, que varían en tamaño por cuatro órdenes de magnitud.
El mecanismo principal por el cual una bacteria obtiene genes nuevos es la transferencia lateral. Las bacterias no almacenan todos estos genes nuevos sin antes inactivar otros y deshacerse de ese DNA, así se explica que sus genomas no tiendan a expandirse por la adquisición constante de nuevos genes. Esta tendencia a la pérdida de DNA puede ser de dos tipos: 1) un solo evento de deleción elimina secuencias largas de DNA o 2) un gen primero pierde su función quedando como pseudogen y eventualmente es eliminado por deleciones subsecuentes. Para evaluar si existe esta tendencia a perder DNA es necesario comparar los posibles pseudogenes con homólogos funcionales; como los pseudogenes no sufren presión selectiva, su perfil de mutaciones refleja la frecuencia de diferentes tipos de mutaciones.
En este articulo se desarrolla una propuesta para entender como se moldean los genomas bacterianos. La primer pregunta que se aborda es ¿Cuáles son las fuentes de variación en los genomas bacterianos? Y se dice que a pesar de que la duplicación parece ser algo común en bacterias, la transferencia horizontal de genes (THG) es la principal fuente de variación.
Entonces al ser la THG un proceso continuo que estaría introduciendo nuevos genes ¿Por qué los genomas bacterianos son compactos? La primera alternativa es que se inactiven y pierdan genes con el paso del tiempo, convirtiéndose en genomas moldeados a partir de la perdida de DNA, donde la mutación tendría mayor peso. Para esta opción existen dos caminos, el primero se trata de mutaciones grandes donde se perdería gran cantidad de información en pocos pasos y el segundo sería un escenario de mutaciones puntuales que van degenerando los genes llegando hasta los pseudogenes para finalmente ser eliminados. Sin embargo, para que esto ocurra se necesitaría de una población pequeña, para que otras fuerzas como la deriva puedan actuar y no tendrían que estar bajo presiones de selección.
¿Qué tan importantes son las deleciones sobre las inserciones? Para contestar esta pregunta se compararon algunos pseudogenes con sus pares funcionales y demostraron que las deleciones son más frecuentes que las inserciones y tienen mayor efecto en el tamaño del genoma.
Así los autores plantean que el genoma bacteriano se moldea según el balance entre las deleciones, la deriva génica y la selección sobre los genes funcionales. El incremento en el tamaño del genoma dependerá del DNA que se adquiera de fuera, pero solo se mantendrán si resultan benéficos.
Deletional bias and the evolution of bacterial genomes
En este artículo se discute principalmente la importancia las deleciones en la evolución de los genomas bacterianos, ya que a pesar de que a lo largo del transcurso de la evolución, están presentes eventos de tranferencia horizontal y duplicación en los genomas, el número de genes se mantiene prácticamente pequeño y de algún modo podríamos llamarle estable, esto se debe a que hay un equilibrio entre la adquisición de genes ya que éstos solamente se van a mantener si le confieren a la bacteria algún beneficio, mientras que para los casos en donde las bacterias tiene sus nichos en hospederos determinados se ha visto que han perdido muchas de las vías necesarias para incorporar DNA exógeno, lo que lleva a que estos genomas sean reducidos comparados con las bacterias de vida libre.
De igual manera, la pérdida de DNA ya sea por la deleción de grandes loci o de unas pocas bases, se vuelve relevante, no obstante, las deleciones de pocas pares de bases se vuelve más relevante, debido a que en ocaciones la pérdida de mucho material genético le resulta letal a las bacterias, mientras que las las pequeñas deleciones remueven DNA de manera gradual, pudiéndose fijar en el transcurso de la evolución.
Cuando uno observa los patrones de contenido de ADN y genes en organismos procariontes, en general ve que éstos son más pequeños y carecen en general de secuencias no funcionales, es decir, la gran mayoría de su ADN codifica para algo, en contraste con los genomas de eucariontes que están llenos de intrones y pseudogenes. En contraste con el artículo de Pushker, Mira y Rodríguez, en éste artículo se postula a la transferencia horizontal de genes como la fuente más importante de nuevos elementos genéticos, y los autores se basan en tres hechos para sostener esto; que en ciertas especies de bacterias cercanas filogenéticamente el arreglo de los genes es diferente entre sí, que los tamaños de los genomas en ciertas especies varían y que las bacterias con genomas chicos provienen de bacterias con genomas grandes. Esto les hace decir que la transferencia horizontal es el mecanismo más importante. Sin embargo, esto levanta la siguiente pregunta ¿Porqué no hay un exceso de genes si las bacterias constantemente están adquiriendo nuevos?
Los autores discuten la posible causa de esto y se examinan tres posibilidades (en la caja 2): 1) que la pérdida de genes se haya debido a selección natural en contra de las secuencias no funcionales 2) que se incremente la tasa de deleciones en los genes redundantes, con lo cual estos dejarían de ser funcionales y 3) que la ausencia de presiones de selección los vuelva elementos neutrales. La evidencia que analizan indica que no hay una correlación entre las secuencias intergénicas y el tamaño de los genomas, lo cual no soporta la hipótesis de la selección natural directa en contra, si no que apoya la hipótesis de la pérdida de genes por la ausencia de presiones de selección.
En base a esto los autores concluyen proponiendo un modelo de la evolución del tamaño del genoma de las bacterias dependiente de varias fuerzas en contraposición. Primero, la adquisición de elementos genéticos se debe a duplicaciones y transferencia horizontal, y segundo, la pérdida se debe a deleciones de tamaño variable sobre estos nuevos elementos genéticos, lo cual los deja inservibles.
Los procariontes presentan muy pocas regiones no codificantes en su DNA respecto a los eucariontes. Esta condición puede ser el resultado de una mayor tasa de mutaciones de tipo deleción que de tipo adición en estos organismos. Al menos en bacterias de vida libre, la selección de genes funcionales aunada a este sesgo hacia las deleciones, impediría que se acumularan pseudogenes, explicando así por qué la mayoría de las secuencias en el cromosoma de una bacteria son codificantes. En el caso de bacterias como las endosimbiontes o parásitas, en las que se observa una tendencia hacia la reducción del genoma, la explicación sería que en vez de la selección, fuerzas como la deriva génica se suman a la alta tasa de deleciones reduciendo rápidamente el genoma.
Me parece que el artículo sustenta en los ejemplos muy bien su postura en el importante papel de la deleción en la evolución de los genomas bacterianos, y me parece muy acertado el que exponga que la importancia de esta desviación a este tipo de mutación dependerá del ambiente y el tipo de organismo que se trate.
Las variaciones en el tamaño del genoma de las bacterias se traduce casi directamente en una complejidad bioquímica y fisiológica debido a que la mayoría de las secuencias son regiones proteicas funcionales. La pregunta es, ¿Cuál es la fuente de la variación del tamaño del genoma en las bacterias?
Primero, bacterias relacionadas y con tamaño de genoma similar frecuentemente cuentan con genes complementarios muy diferentes, además de que los arreglos de genes duplicados no son consistente entre diferentes taxa. Análisis filogenéticos han revelado que bacterias con genoma pequeño generalmente derivan de bacterias con un genoma grande.
Sabemos que el mecanismo por el cual las bacterias adquieren nuevos genes es por la transferencia horizontal. Si la transferencia de genes es continua, ¿por qué el genoma es compacto y no siempre se esta expandiendo? Los linajes bacterianos deben de tener una perdida continua de genes y por lo tanto de AND que los conforma. Se ha propuesto que un genoma pequeño es una adaptación para promover eficiencia durante la replicación.
Los procesos de eliminación y la deriva génica hacen que los genomas se contraigan, mientras que la selección de genes funcionales hacen que el genoma mantenga su DNA.
La adquisición y perdida de genes no ocurren a las mismas tasas. Cuando existe un cambio en el estilo de vida de la bacteria inmediatamente aparecen pseudogenes debido a que la selección es menos efectiva en la conservación de genes. Aquellos genomas que contienen una menor cantidad de pseudogenes podría significar que se encuentran en un proceso más avanzado de adaptación. En cualquier punto del tiempo evolutivo de una bacteria, la eliminación de genes parece ser la fuerza que forma los genomas bacterianos.
Los genomas de las bacterias se caracterizan por ser de tamaño pequeño y tener una densidad alta de genes funcionales. Diversos análisis han mostrado que la transferencia horizontal de genes (THG) y la duplicación genética son procesos relativamente comunes en su evolución; sin embargo, estos se siguen mantienendo compactos.
La adquisición de material genético es un proceso que contribuye a la adaptación y diversificación ecológica en bacterias. A pesar de que este proceso de adquisición de genes es uno de los más importantes en la evolución de sus genomas, estos genes no siempre son mantenidos y en la mayoría de los casos son eliminados ya que podrían no entrar en la regulación y cohesión del genoma que los adquiere.
Esto ha sido analizado a una mayor escala comparando la dinámica de genomas en diferentes bacterias, observando que el número de deleciones es mayor en comparación al número de inserciones; por esta razón, se ha sugerido los genes que podrían contribuir menos en su adecuación son más susceptibles a ser eliminados.
Una explicación evolutiva a esta dinámica es que la selección natural ha favorecido la eliminación de genes duplicados y de material genético no funcional para mantener genomas pequeños, asegurando el espacio intracelular. Esta tendensia hacía la eliminación de genes ha sido ampliamente estudiada en bacterias simbiontes, las cuales pierden una gran cantidad de material genético durante su proceso de especialización con su hospedero. Esto también ha sido observado en bacterias de vida libre, asociado principalmente a la limitación de nuetrientes.
Por lo que, el tamaño y organización del genoma varía entre las bacterias para tratar de sobrellevar los cambios que ocurre en las condiciones ambientales de su ecosistema, a través de un balance entre la adquisición de material genético adaptativo y la exclusión rápida de otros genes.
El artículo se centra en el tema de las deleciones, esto es la pérdida de material genético en los genomas bacterianos. Y tratan de explicar la razón por la que los genomas no crecen indefinidamente como producto de la adquisición de genes ya sea por transferencia horizontal o por duplicaciones. El supuesto es que con el tiempo los genomas aumentarían en tamaño al acumular progresivamente genes, pero eso no sucede e incluso en ciertas especies (Mycoplasma genitalium, Buchnera aphidicola) se han reducido los genomas. Dos observaciones son importantes, la primera que los genomas eucariontes y bacterianos son diferentes en su estructura, en su compactación, y en algunos aspectos de sus mecanismos evolutivos, en los procariontes hay una correlación lineal directa y bastante consistente en donde a mayor tamaño mayor número de genes, lo cual no sucede en eucariontes. Y segundo, que existe una tendencia evolutiva (“sesgo delecional”) que es como una inclinación hacia la pérdida más que a la ganancia de genes. Los autores buscan evidenciar este hecho analizando las inserciones y deleciones observadas en los psudogenes, ya que estos genes (inactivados por mutaciones) no están sujetos a presiones de selección y en teoría evolucionan de forma neutral, es decir al azar van acumulando las mutaciones. Es de esperar entonces, que acumulan de igual forma inserciones y deleciones, sin embargo la observación es que existen mayores deleciones. A mi parecer no es tan clara la explicación del porqué sucede eso, y tampoco es muy sólida su afirmación de que debido a la transferencia horizontal debieran crecer más los genomas, al menos porque pudiera darse que no exista tanta transferencia horizontal, y habría que evaluar realmente con qué frecuencia se da ésta, tal vez investigar sobre el nivel de contacto con otras bacterias, es decir si realmente son ambientes más promiscuos y si dichas bacterias son objeto de transferencia horizontal.
Control de Lectura.
La fig. 1 del artículo nos muestra una “tendencia” entre el tamaño del genoma y el número de genes presentes en los procariotas; se trata de una relación lineal, en la que el número de genes aumenta de forma más o menos proporcional al tamaño del genoma, un comportamiento que no ocurre en los eucariotas.
Entonces podemos partir de la pregunta: ¿cuál es la fuente de esta variación en el tamaño de los genomas en las bacterias?
Las bacterias tienen una fuente de genes muy particular que es la transferencia horizontal; sin embargo su genoma no es un genoma expandido. La propuesta es que el proceso de mutación debe estar dirigiendo la evolución estructural de los cromosomas en el sentido de perder segmentos de DNA. Esta tendencia podría ser de dos tipos: deleciones largas que eliminan uno o más genes en un solo evento o, antes de sufrir la deleción, el gen pierde función, se convierte en un pseudogen y finalmente se elimina por una pequeña deleción subsecuente.
¿Cómo se comprueba esta hipótesis? Básicamente comparando los genomas de distintas bacterias y, puntualmente los pseudogenes y las regiones espaciadoras.
Como los pseudogenes no son regiones codificantes, se espera encontrar una frecuencia de distintos tipos de mutaciones (deleciones) en estas regiones.
La fig. 2 muestra que las deleciones son mucho más frecuentes que las inserciones. Sin embargo estas comparaciones no son del todo ilustrativas. Por ese motivo analizan las regiones espaciadoras, que representan una pequeña región erosionada del pseudogen, una región ancestral de estos genes (fig. 3; Tabla 2.). Estas cicatrices son la evidencia de las deleciones.
La perdida de DNA ocurre tanto por deleciones grandes como pequeñas.
El aumento del DNA es función de la duplicación y de la adquisición de DNA exógeno, pero estos eventos son efectivos si los nuevos genes confieren algún beneficio (o si el DNA es “parásito”).
Por último, las diferencias entre las longitudes de los espaciadores y la persistencia de pseudogenes, es un reflejo del tiempo transcurrido, de cambios en el estilo de vida y de la frecuencia de los eventos de deleción. Un cambio en las condiciones de vida, en el que la selección es menos efectiva en preservar la función de un gen, tendrá como consecuencia la aparición de varios pseudogenes.
Control de lectura 7
Deletional bias and the evolution of bacterial genomes Mira, A., Ochman, H., & Moran, N. A. (2001). Deletional bias and the evolution of bacterial genomes, 17(10), 589–596.
El artículo no tiene una introducción como tal. Se va de lleno a exponer los resultados con una previa mención de la teoría que acompaña al análisis de datos. La manera en la que el artículo es llevado a mi me generó un poco de confusión porque no se percibe claramente la delimitación de lo que es el cuerpo del artículo y las cajas y gráficos. Creo que le faltó un poco de orden. Sin embargo las conclusiones a las que llegan en ese momento de la historia de las ciencias genómicas es importante pues se puede notar un patrón. La tendencia es a la reducción del tamaño del genoma en bacterias en estrecha asociación a su hospedero mientras que las entéricas y las de vida libre poseen tamaños genómicos mayores. Hay una relación linear entre el tamaño del genoma y el número de genes, son proporcionales ambas variables, es decir, hay poca redundancia en los genomas procariontes a diferencia de lo que ocurre en eucariontes. Uno podría pensar que un genoma muy grande tarda mucho tiempo en duplicarse pero en realidad parece que no es así, el tiempo de duplicación no depende del tamaño del genoma, ni para bacterias ni organelos, es lo que el artículo sugiere. Al no haber una relación directa entre el tamaño del genoma y la longitud de los espaciadores la reducción del genoma no es el resultado de la selección directa favoreciendo la eliminación de DNA basura. También vieron que la deleción es más frecuente que la inserción teniendo un mayor efecto neto en el tamaño del genoma. Finalmente proponen un modelo de la evolución del genoma bacteriano el cual se me hace muy práctico para entender los procesos que median la adquisición y eliminación de genes. A pesar de lo “de alguna forma desordenado” del artículo, es un buen review a mi parecer porque es un buen intento para resumir los datos de genomas completos hasta ese momento secuenciados. Encuentra patrones y hace generalizaciones.
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