13 de Febrero: The Neolithic revolution of bacterial genomes.
Mira, A., Pushker, R., & Rodriguez-Valera, F. (2006). The Neolithic revolution of bacterial genomes. Trends Microbiol, 14(5), 200–206. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=PubMed&dopt=Citation&list_uids=16569502
Homo Heidelbergensis (Photo credit: Robert Goodwin)
Current human activities undoubtedly impact natural ecosystems. However, the influence of Homo sapiens on living organisms must have also occurred in the past. Certain genomic characteristics of prokaryotes can be used to study the impact of ancient human activities on microorganisms. By analyzing DNA sequence similarity features of transposable elements, dramatic genomic changes have been identified in bacteria that are associated with large and stable human communities, agriculture and animal domestication: three features unequivocally linked to the Neolithic revolution. It is hypothesized that bacteria specialized in human-associated niches underwent an intense transformation after the social and demographic changes that took place with the first Neolithic settlements. These genomic changes are absent in related species that are not specialized in humans.
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Los genes parálogos son aquellos que en al menos el 60% de su longitud conservan un mínimo del 30% de su secuencia entre distintos genomas. Este tipo de genes fueron estudiados, incluyendo los elementos de inserción (IS) en 255 genomas de procariontes, esto con la finalidad de asociar la reciente expansión de estos ISs con los humanos o actividades humanas desarrolladas en el Neolítico.
Durante el Neolítico, hace aproximadamente 10,000 años se dio un incremento en el tamaño poblacional de la raza humana como consecuencia de la agricultura y domesticación de animales, lo cual permitió un fuente constante de alimentos. Este incremento en la población humana fue aprovechado por algunas bacterias, principalmente patógenos, para colonizar este nuevo nicho.
Al comparar los genomas de dos especies bacterianas relacionadas, tales como Bordetella pertussis y Bordetella bronchiseptica, se encontró que aquella especie asociada a los humanos presentaba un incremento reciente en el número de ISs. Este patrón se encontró en diversas especies asociadas tanto directamente a humanos como a procesos relacionados al periodo Neolítico como fue la domesticación. El hecho de que la tasa de sustitución entre los ISs de estas bacterias sea prácticamente cero nos sugiere que este evento ha sido relativamente reciente.
Entre las especies que de igual manera han sufrido un incremento notable en el número de elementos IS tenemos por ejemplo a bacterias asociadas a la agricultura como Pseudomonas syringae, un patovar asociado al tomate, a la ganadería como Burkholderi mallei, patógeno de caballos, burros y mulas, o asociadas a procesos como la producción de alimentos como es el caso de Lactococcus lactis, empleada en la producción de quesos.
Si bien el incremento en el numero de ISs es un evento frecuente, también está el caso contrario, la ausencia de este tipo de elementos móviles como sucede en Mycbacterium leprae. En este caso la asociación tiene que ver con el estilo de vida de esta bacteria pues al ser un patógeno intracelular su genoma ha sido sujeto a una presión selectiva distinta a los ejemplos anteriores, y que ha provocado en esta bacteria, una reducción en el tamaño de su genoma.
La reciente especialización de una gama de bacterias parece estar ligada en cierta medida eventos del Neolítico como fueron la agricultura y ganadería, las cuales provocaron un incremento en la población humana. Al abrirse este nuevo nicho, las bacterias colonizadoras sufrieron una expansión en el número de elementos de inserción pues debido a la dinámica de éstos, los genomas adquirieron una mayor plasticidad que favoreció la adaptación y colonización de estos nuevos ambientes.
The Neolithic revolution of bacterial genomes
Las cepas de bacterias que tienen asociaciones especializadas con humanos, han tenido un cambio en su genoma, en la fecha del Neolítico, y en especies de vida libre se encuentra ausente este tipo de cambio. Debido al crecimiento de la población humana, fue un nicho que pudo ser explotado ampliamente por algunas cepas bacterianas ocasionando una reducción de evolución, que es la eliminación de genes. Las secuencias de inserción (IS), aumentan en número, seguido de la restricción al hospedero o su adaptación, la presencia de estos elementos SI influencia la reducción del genoma. Se ha tratado de comprobar por secuencias de similitud de DNA y alineamientos que hay una expansión de SI cuando un cepa está especializada a un hospedero, y se presenta una expansión. Un ejemplo son las Xanthomonas axonopodis que presentan una amplia cantidad SI y están especializadas a su hospedero de árboles cítricos. Todas estas características genéticas ayudarían a darnos una idea de los cambios ecológicos. Considera también el escenario opuesto, si bien M. leprae una bacteria especializada en hospederos humanos no presentara altas proporciones de IS, sino que ha retenido aproximadamente 1000 pseudogenes pareciendo tener una longitud casi normal. Esto puede ser, por la vida intracelular que lleva limita su adquisición de elementos transponibles, ocasionando una baja en la reducción de genes, pues las SI, inactivan genes y sirven como secuencias repetitivas que induce a grandes deleciones. Logrando así un rápida adaptación. El estudio de estas secuencias y elementos génicos proveen una visión del potencial de adaptación que tienen los procariontes en su nichos y grupos hospederos.
El crecimiento y expansión de la población humana durante el Neolítico significó presión selectiva sobre las especies patógenas en busca de huéspedes y este fenómeno fue probablemente el primer escalón en la historia de las enfermedades humanas.
Una característica importante de los genomas de organismos que han especializado su nicho es la pérdida de genes; los llamados elementos móviles como las secuencias de inserción aumentan después de un proceso de restricción de huésped e influyen sobre la reducción del genoma. Dadas estas observaciones, se puede considerar a las secuencias de inserción como indicadores de restricción de huésped o adaptación a uno nuevo.
En el trabajo se analizaron genes parálogos de 255 genomas. 69 de 89 bacterias en las que más del 75% de los genes parálogos corresponden a secuencias de inserción son especies asociadas a humanos. Este tipo de secuencias no sólo inactivan genes sino que aumentan la tasa de rearreglo del genoma. Proponen que durante el Neolítico ocurrió una expansión de elementos móviles cuando los ancestros de especies patógenas restringieron sus candidatos a huéspedes a uno, el humano.
¿Cuándo ocurrió la expansión de secuencias de inserción? Una aproximación es estudiar genes que han sido inactivados, asumiendo que dejaron de funcionar en el momento de la inserción, la fecha se puede estimar analizando la divergencia de marcos de lectura abiertos truncados. Una vez identificados se seleccionan aquellos que tienen un homólogo funcional en especies cercanas y la divergencia estimada se tiene que comparar con algo, en este caso con la de genes interrumpidos por inserción en Yersinia pestis, que es una de las pocas especies para las que se tiene calculado el tiempo de diversificación.
El análisis de este tipo de información revela que las bacterias sufrieron la revolución del Neolítico presionadas por los humanos, teniendo que especializarse a ese nicho, como queda demostrado con la presencia de secuencias de inserción expandidas en sus genomas; y no menos impresionante es la velocidad con la que lo hiceron. Los autores proponen el estudio de la divergencia de las secuencias de inserción para detectar eventos de especialización y el análisis del tipo de genes inactivados como indicador de la naturaleza del cambio ambiental al que tuvo que adaptarse el bicho en cuestión.
Los seres humanos hemos tenido un gran impacto sobre los ecosistemas, si bien este impacto es más evidente en la actualidad con el cambio climático también se puede hipotetizar que debió suceder en el pasado. En este artículo los autores quisieron evaluar si ciertas características del genoma de los procariontes podían mostrar el impacto de las actividades humanas sobre los microorganismos. Para abordar esto lo que hicieron fue evaluar la presencia de elementos móviles ya que se sabe que estos aumentan cuando el organismo se vuelve un patógeno obligado, por lo que un número mayor de estas secuencias de inserción podría ser indicativo de una adaptación reciente en el organismo.
Al analizar los genomas totalmente secuenciados de 255 procariontes se encontraron 2 grupos de genes, unos con similitud entre 40 y 60% y otros entre 90 y 100%. En este segundo grupo se observó que la mayoría de ellos correspondían a genes de transposasa de elementos móviles. De manera interesante, el 75% de las especies con este incremento en elementos móviles son especies que se asocian únicamente con humanos y el 25% restante a simbiontes o patógenos. Existen 3 evidencias que permiten establecer que el momento en que ocurrió la expansión fue en el Neolítico; la primera es que las expansiones también se observan en bacterias asociadas al proceso de domesticación ocurrido en el neolítico. La segunda, que la taza de substitución entre los elementos es cero, lo que es consistente con un solo evento reciente y la tercera en la que la divergencia estimada entre los organismos especializados en humanos y los generalistas es consistente con el Neolítico.
Este trabajo plantea perspectivas interesantes: el poder correlacionar la expansión en los elementos móviles con la especialización de los organismos abre la puerta a investigar si existen mecanismos similares en hongos o parásitos unicelulares así como identificar otras especializaciones que no necesariamente están relacionadas con los humanos.
Me pareció muy interesante este artículo, nunca había pensado en esa correlación tan estrecha que existe entre humanos y bacterias y como las bacterias se ven afectadas por ello. Lo que me llama la atención es que los autores sugieren que al evaluar qué genes se inactivan por los elementos móviles se podría tener una idea de qué cambio ambiental fue el que sucedió como si la transposición fuera dirigida por el cambio ambiental y no hubiera azar involucrado en el proceso. Sería interesante replantear este estudio agregando los genomas que se han secuenciado desde la fecha de la publicación del artículo (2006).
Me resulta muy atractiva la idea de que la evolución de los procariontes se ha visto vinculada con la evolución de las sociedades humanas que surgen durante el Neolítico. Con la formación de comunidades y la domesticación de plantas y animales los microorganismos encontrar nuevos nichos para los cuales especializarse. Nunca había pensado en ello y me gusta que se haya considerado este camino paralelo entre el desarrollo y evolución de estas bacterias ya que usualmente sólo se piensa en los microorganismos relacionados con los alimentos como aquellos que han acompañado al hombre a lo largo de su historia. Así es que también me resulta muy interesante el que las bacterias al especializarse como parásitos o simbiontes en hábitats relativamente benignos y estables hayan reducidos sus genomas. Parece ser que bajo estas condiciones no requieren tanta plasticidad metabólica como sería necesaria en un ambiente, por ejemplo, como el suelo con condiciones más astringentes.
Me parece que gracias al creciente número de genomas secuenciados y a las nuevas herramientas bioinformáticas es que se pueden tener esta clase de avances al poder efectuar estas comparaciones de secuencias. Y aunque no se tenga el genoma de bacterias estrechamente relacionadas filogenéticamente es posible realizar comparaciones con genomas de otras que guardan cierta relación. De modo que me resulta relevante el distinguir el aumento en el número de ISs en el genoma como un indicativo de la deleción de genes como parte del mecanismo de reducción de genomas por la pérdida de genes que fueran necesarios y la aparición de pseudogenes. Así como el considerar el tamaño y divergencia de las familias de genes como parte del estudio de la evolución de los genomas, el considerar los ISs como parte de esta historia (por ej., al considerar la función de genes homólogos al pseudogen con el IS se puede tener una idea de la actividad perdida y relacionarse, al tener más datos de otras funciones perdidas, cómo fue la especialización). Otra curiosidad me resultó el considerar que si hay ORF truncados por los IS asumiendo la forma de pseudogenes, la medida en que estos sean divergentes dará una idea del cambio evolutivo ya que, finalmente, con una trayectoria histórica mayor éstos serán cada vez más diferentes.
The Neolithic revolution of bacterial genomes
En este review, se habla de la influencia que tuvo y sigue teniendo la actividad humana en la evolución de los genomas bacterianos, haciendo un énfasis claro en el periodo neolítico, partiendo de la comparación de genomas de bacterias del mismo género pero que son huéspedes de organismos relacionados con la actividad humana.
La principal característica de las baceterias asociadas a la actividad humana, es la presencia de un alto número de secuencias de inserción en su genoma, los cuales pueden ser derivarse en procesos de especialización para los nichos determinados, esto debido a la gran plasticidad de la célula procarionte, además se sugiere que a partir de estos hallazgos se pueden entender como eventos de reciente aparición. No obstante, para confirmar estas hipótesis es necesario hacer el análisis de un mayor número de genomas.
En nuestro paso por el mundo, los humanos hemos afectado la existencia de otros organismos como las bacterias. En el neolítico con el advenimiento de la agricultura y la ganadería la población humana creció dramáticamente y los humanos se convirtieron en hospederos interesantes.
Los organismos que se especializan de esta forma (para colonizar un hospedero) tienden a perder genes, sin embargo los elementos como las secuencias de inserción (IS) aumentan considerablemente en número siguiendo las restricciones del hospedero. En este articulo se observaron recientes expansiones en las IS relacionadas con los humanos y sus actividades.
Se estimo la similitud del DNA total con 255 secuencias de procariontes y en un histograma de frecuencia se observaron dos grupos uno de 40-60% de similitud y otro con 90-100% de similitud, en este segundo grupo se encontraron nuevos paralogos y también IS. La mayor parte de las bacterias donde se encontraron nuevos paralogos y los IS son patógenos del humano, invertebrados o paracitos de plantas (Pseudomonas syringae). Se piensa que esta expansión tuvo espacio en el neolítico pues también se observa en bacterias asociadas con la domesticación (algunos animales y plantas), además los tiempos de divergencia coinciden con dicha hipótesis.
Por lo que la velocidad con la que las bacterias se adaptaron a la evolución de la humanidad, habla de la plasticidad que tiene la célula procarionte. El trabajo además contribuye con el uso de IS para identificar divergencias y especialización de nicho.
Aproximadamente hace 10,000 años la llegada de la agricultura y de la caza trajo consigo la mayor revolución social en la historia de la humanidad. Los recursos de comida se volvieron más abundantes y la población humana aumento su población. Desde el punto de vista de los patógenos bacterianos, los humanos se volvieron unos hospederos atractivos. Las poblaciones humanas crearon una presión selectiva que favoreció a los patógenos especializados en hospederos humanos.
Las especies con nichos específicos experimentan un proceso reductivo en donde se eliminas genes. Los elementos móviles tales como los ISs aumentan en numero e influencian la reducción del genoma. Por tanto el numero de ISs en patógenos podría indicar una reciente adaptación a un hospedero o restricción. En el presente articulo muestran una reciente expansión de ISs con genes paralogos en 255 genomas de bacterias asociadas a humanos que se desarrollaron en el Neolitico.
Encontraron dos grupos, uno de ellos con 90-100% de similaridad, la mayoría de los miembros de este grupo contienen genes ISs los cuales corresponden a especies únicamente asociadas a hospederos humanos. Estos resultados indican que cualquier especialización de nicho normalmente involucra una expansión de IS.
Encontraron que la expansión de IS se observan en bacterias asociadas con procesos de domesticación típicos del periodo Neolitico. Además las tasas de sustitución entre los elementos IS es igual a cero, lo cual es consistente con un único evento.
Las tres causas principales de esta transición fueron: la agricultura, la domesticación animal y la formación de comunidades humanas más grandes. Por ejemplo, la agricultura debido a que las cosechas eran abundantes y concentradas en ciertas regiones, representando nichos atractivos para patógenos de plantas.
La expansión de estos elementos podrían servir como pistas de cambios ecológicos, además pueden funcionar como un mecanismo que facilita la adaptación ecológica. Cuando están presentes rápidamente inactivan ciertos genes y elementos regulatorios, sirviendo como secuencias repetitivas que inducen eliminaciones masivas.
La notable velocidad a la cual las bacterias se han adaptado a la evolución cultural de los humanos acentúa la plasticidad evolutiva de las células procariontes. La relativamente nueva ciencia de la genómica comparativa puede proveer una poderosa herramienta para entender la ecología y evolución de los procariontes.
Aquí se muestra de manera muy clara, como el uso de la genómica comparativa puede dar información sobre eventos de especialización a nichos ambientales específicos en bacterias. Específicamente, muestran como las expansiones de elementos móviles en bacterias, están íntimamente relacionadas con humanos, o actividades humanas, que se desarrollaron en el neolítico. ¿Que hicieron? Investigaron genes parálogos incluyendo elementos móviles IS en 255 genomas completamente secuenciados. Posteriormente se estimó la similitud de secuencias, para lo cual llevaron a cabo alineamientos globales y finalmente construyeron histogramas de frecuencia de similitud de secuencia de parálogos. Además realizaron una estimación de la expansión de los elementos IS, estudiando los genes que se inactivaron por la inserción de dichos elementos móviles, es decir la divergencia de ORF truncados. Y se compararon con los genes interrumpidos en Yersinia pestis, la cual es una especie donde se tiene muy bien calculado el tiempo de diversificación. Se calcularon las tasas de sustitución sinónima en genomas completos utilizando también el tiempo de divergencia de Y. pestis como referencia. ¿Que obtuvieron? Observaron que la mayoría de los parálogos tienen el 40-60 % de similitud de secuencia, seguido de un segundo grupo de genes duplicados que presentaban un 90-100% de similitud. En el segundo grupo se observó que la mayoría de los miembros de este grupo son genes de transposasas del tipo IS. Se observó también que 69 de 89 bacterias, en donde más del 75% de los genes parálogos formados recientemente, corresponden a especies que están asociadas únicamente a humanos, siendo que las expansiones de los elementos IS se observan en bacterias asociadas en el proceso de domesticación típico en la transición del neolítico. Estos datos sugieren que la expansión de los elementos móviles pudo haber sido un mecanismo que facilito la adaptación ecológica con el surgimiento de muchos nichos. Los autores mencionan que conforme un nicho cambia, muchos genes se vuelven obsoletos y la presión de selección para preservar sus funciones se reduce dramáticamente. Las transposasas IS, pueden inactivar genes innecesarios o redundantes en el nuevo ambiente, aumentando el número de copias IS. Por lo tanto, el numero de IS en patógenos bacterianos puede indicar adaptación reciente a un hospedero. En conclusión, los autores nos muestran como las bacterias pudieron también llevar a cabo una revolución neolítica, siendo las familias de IS extendidas, los «fosiles» que cargan la huella del pasado.
Con este trabajo se relaciona la existencia de secuencias de inserción en los genomas bacterianos (de varias especies) con la evolución humana, en particular con la actividad humana antigua de la época de los primeros asentamientos humanos del Neolítico. La verdad este artículo me recordó al chiste de los grillos (pudiera ser cualquier otro bicho) en donde el investigador le va quitando patas y le grita al grillo «brinca brinca grillo» y al principio medio que puede brincar y una vez se queda sin patas el grillo no brinca más, a pesar de que le ordena el investigador con toda vehemencia «que brinques, te digo!!», para concluir finalmente que los grillos sin patas son sordos. A parte de esa pequeña impresión del artículo, lo que si es interesante es ver cómo un análisis de los genomas completos y de la divergencia de los genes nos puede ilustrar sobre procesos evolutivos muy interesantes como son la expansión de las secuencias de inserción en los genomas y su efecto en la biología de los organismos o en la propia integridad del genoma (ya que las secuencias de inserción son sitios que favorecen mutaciones en el DNA y posibles daños a los genes).
Control de lectura.
El artículo plantea que cuando la humanidad comenzó a constituir grupos sedentarios (gracias a la domesticación de plantas y animales), poblaciones grandes en áreas limitadas, entonces, repentinamente, los humanos se convirtieron en “hospederos atractivos” para las bacterias. Por eso el adjetivo de “revolución” en este artículo. En otras palabras, los asentamientos humanos, seguidos del aumento en los tamaños poblacionales, fueron la presión de selección para ciertas comunidades bacterianas (concretamente de sus patógenos).
El artículo hace una comparación de los genomas (y ciertos eventos ocurridos en ellos) de bacterias asociadas al humano con aquellas que no están especializadas en el humano. Parte del hecho de que cuando una especie se especializa en un nicho (en este caso el humano) sufre un proceso de reducción de su genoma. Por ejemplo, analizan los elementos móviles del genoma conocidos como “secuencias de inserción” (ISs). La hipótesis del artículo es que estos elementos de las bacterias patógenas, podrían estar indicando una reciente adaptación al hospedero. Entonces los autores muestran que la expansión de ISs en las bacterias patógenas del humano esta asociada con el humano o con las actividades del humano que se desarrollaron en el Neolítico.
En general se muestra una alta correspondencia entre los genes parálogos (incluyendo elementos ISs) presentes en las bacterias que están exclusivamente asociadas con el humano, en comparación con aquellas bacterias de vida libre. El mismo tipo de asociación se muestra cuando se comparan patógenos de plantas y animales domesticados.
Además, hay otras bacterias relacionadas con los alimentos (bacterias relacionadas con la fermentación del queso, por ejemplo), que también parecen haber sufrido expansión de los elementos ISs.
En resumen, los autores afirman que los elementos ISs, concretamente el análisis de su divergencia, es útil para identificar eventos de la especialización del nicho de las bacterias. Sin embargo queda abierta la propuesta de que se debe analizar otras especializaciones ambientales en las que el nicho no sea, o esté, necesariamente relacionado con el humano; esto daría más robustez a las afirmaciones del artículo.
Control de lectura 9
The Neolithic revolution of bacterial genomes Mira, A., Pushker, R., & Rodriguez-Valera, F. (2006). The Neolithic revolution of bacterial genomes. Trends Microbiol, 14(5), 200–206.
Resulta asombroso a que grado el ser humano impactó en las formas de vida a las que se ha asociado hasta hoy en día como producto de sus actividades diarias como el comer. Mediante estudios genómicos se puede ver que cuando un organismo se especializa a un hospedero tiende a perder genes mientras aumenta el número de las IS. El cambio de ser bicho de vida libre a vicho asociado a hospedero es grande entonces la bacteria de alguna manera sigue las restricciones que va imponiendo el hospedero para colonizar los nichos que tiene disponibles para sus posibles colonizadores. Los cambios genómicos de las bacterias se remontan al Neolítico, que fue cuando los humanos tuvieron un mayor auge en la agricultura y domesticación de animales y cuando pasaron de ser nómadas a sedentarios. Aquí los términos importantes son la expansión de génica a nivel de IS y la utilización de las mismas para la predicción a la especialización a nuevos nichos. Este artículo de alguna manera engloba los otros dos artículos de Alex Mira.
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