18 de Febrero: Prokaryotic taxonomy and phylogeny in the genomic era: advancements and challenges ahead.
Genus–differentia definition (Photo credit: Wikipedia)
Konstantinidis, K. T., & Tiedje, J. M. (2007). Prokaryotic taxonomy and phylogeny in the genomic era: advancements and challenges ahead. Current opinion in microbiology, 10(5), 504–9. doi:10.1016/j.mib.2007.08.006
Advancing prokaryotic taxonomy constitutes a contemporary academic challenge as well as practical necessity. Genome sequencing has greatly facilitated the evaluation of the current taxonomic system and the development of simpler, more portable and accurate, sequence-based alternatives to substitute for the traditional cumbersome methods. Studies based on the former genome-enabled methods reveal that existing taxonomic designations, including the species level, correspond frequently to a continuum of genetic diversity as opposed to natural groupings (e.g. biological species). Improving such artificial and often ambiguous taxonomic designations, however, will require larger genomic datasets and more carefully designed sampling of natural populations. Only then can the promise for a superior genome-based taxonomy materialize.
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Está muy interesante este artículo pues trata la importancia del gen 16S RNA ribosomal para la taxonomía de los procariontes. Se discute qué tanto sigue siendo un buen marcador dado que ya se tienen muchos genomas y se pueden comparar entre sí para ver las diferencias dentro de las especies y su efecto a niveles taxonómicos superiores. Me parece muy bueno que se reconozca que la transferencia horizontal también se puede dar entre genes del metabolismo básico, todavía existe el sesgo de pensar que por ser esenciales no pueden viajar entre especies, de echo creo que no tendría por qué no ser así, sino al contrario favorecerse. Sobre este asunto mencionan que especies cercanas serían más propensas dado que hay observaciones sobre una mayor especificidad de los vectores y las barreras genéticas se reducen cuando se habla de recombinación homóloga. Desde luego, creo que hace falta investigar el grado de transferencia horizontal (HGT) y la importancia de la misma, no sólo de genes accesorios o ajenos al núcleo genómico, aunque ésta sea difícil detectarla cuando nos referimos a especies cercanas. Sobre la gráfica 1 a diferencia de lo que dicen los autores lo que veo es que usando aminoácidos se tiene menor variación del valor de identidad de las proteínas dado su correspondiente nivel de divergencia del gen del 16S ribosomal, comparado con el porcentaje de genes compartidos. Esto evidencia que el contenido de genes es más variable y conservaría menos una señal filogenética, tanto a nivel de especies y dentro de éstas como a niveles taxonómicos superiores. De aquí, pasamos a algo muy interesante que son los valores genómicos del ANI (identidad promedio de nucleótidos) que correlacionan muy bien con los valores de hibridación del 70% (nivel de especies) que han sido la piedra angular de la taxonomía bacteriana, lo cual favorece el enfoque de la taxonomía genómica junto con los análisis de MLSA (multilocus), y de usar unos cuantos genes (más que uno sólo siempre es mejor, para captar la divergencia ecológica, fisiológica y adaptativa) para elaborar filogenias robustas y predictivas tan solo usando algunas técnicas de secuenciación masiva.
Actualmente uno de los principales criterios empleados para la clasificación taxonómica en bacterias es el uso del gen 16s rRNA, sin embargo al estar basado en un solo gen, se vuelve un sistema incompleto, además que como es de esperarse de un gen considerado core, no nos da mucha información sobre la historia natural del organismo.
Distintos estudios han mostrado que las filogenias basadas en el gen 16s rRNA tienen la resolución suficiente para trabajar a un nivel de género o mayor, pero cuando se pretende trabajar a nivel de especies éste gen ofrece una resolución limitada, y es mejor emplear otra aproximación como puede ser un análisis de genomas completos o de MLSA, éste último al incluir entre 6 y 8 genes, mencionan los autores que es un buen compromiso entre los dos métodos.
Una de las razones por las cuales el 16s rRNA es y probablemente seguirá siendo la primera o más común aproximación en un análisis taxonómico es la gran cantidad de información con la cual se cuenta, pues al momento del análisis los autores mencionan que en las bases de datos se contaba con >400,000 genes (2007), número que hoy en día debe estar bastante arriba de ese estimado.
Un dato que se me hizo bastante interesante es que se menciona que a pesar de la idea tradicional de que los genes ribosomales no son sujetos a eventos tales como la HGT, Miller et al. (2005) muestran que aun estos genes pueden ser blancos de eventos de recombinación y HGT, sin embargo que a pesar de esto, que tanto este gen como los house-keeping nos proporciones filogenias bastante robustas nos estaría diciendo que estos eventos no son muy frecuentes o no tienen la intensidad para distorsionar su señal.
Como se ha mencionado a lo largo de los tres artículos, la transferencia horizontal de genes es un evento de gran relevancia para entender la gran diversidad que podemos encontrar entre las especies bacterianas; aquí se menciona que en ambientes ricos o con una alta presión selectiva vamos a encontrar niveles más altos de recombinación comparados con aquellos ambientes oligotróficos o menos dinámicos, un análisis de esto lo podemos encontrar en el trabajo de Alcaraz et al. (2010) con Bacillus al comparar el grupo patogénico con el grupo de las especies aisladas de ambientes oligotróficos.
Finalmente llega una pregunta surge al analizar el contenido génico a lo largo de las especies y comparar el genoma core con el pan-genoma, ¿qué proporción de los genes observados pertenece realmente al linaje en cuestión y qué tanto son genes pasajeros? Para poder contestar esta pregunta habría que hacer estudios a largo plazo, aunque desafortunadamente en el laboratorio no encontraríamos las mismas condiciones y presiones a las que la especie se enfrentaría en su ambiente natural y por consiguiente podríamos estar perdiendo la imagen completa de su estrategia para vivir en su nicho particular.
Durante más de 30 años el gen del RNAr 16S ha tenido un gran impacto en el análisis filogenético y en la forma de hacer estudios taxonómicos de procariontes; es tal la importancia de este marcador que es el criterio principal para designar nuevos taxones. Si bien el uso del 16S ha permitido un gran avance se debe tener en mente que éste es un sistema que no toma en cuenta algunos fenómenos de la historia natural de los organismo como la transferencia horizontal, por lo que es necesario tener una mayor comprensión de los mecanismos genéticos que dirigen la diversificación de los organismos. Se han comparado las filogenias obtenidas con 16S con las obtenidas utilizando otros marcadores y se ha visto que, al menos a nivel de género sí hay congruencia entre ambas; a nivel de especies el 16S tiene una resolución limitada por lo que en este nivel se deben usar parámetros derivados de varios genes o del genoma completo.
Lo que este artículo señala puntualmente es que a pesar de que hay un gran avance en la catalogación de la diversidad conocida, el concepto de “especie” no ha sido definido de manera definitiva. Lo que debe mantenerse en mente es que para cada ambiente pueden aplicarse reglas distintas por lo que un solo marco teórico podría ser insuficiente para clasificar a todos los organismos procariontes y también que no necesariamente lo que se aprenda sobre un organismo puede extrapolarse a otros organismos. En el presente mientras no se tenga una mejor apreciación de los patrones de diversidad microbiana el 16S seguirá siendo el marcador más útil e informativo.
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Prokaryotic taxonomy and phylogeny in the genomic era: advancements and challenges ahead Konstantinidis, K. T., & Tiedje, J. M. (2007). Prokaryotic taxonomy and phylogeny in the genomic era: advancements and challenges ahead. Current opinion in microbiology, 10(5), 504–9. doi:10.1016/j.mib.2007.08.006
Si bien en un inicio el uso de la comparación del gen 16S rRNA sirvió para distinguir entre bacterias, arqueas y eucariontes. Esta herramienta es un primer criterio para designar nuevos rangos taxonómicos. Este es un sistema incompleto ya que no necesariamente toma en cuenta la historia natural de los organismos. Para estudiar filogenias genómicas se inclina hacia el estudio de genes concatenados de proteínas conservadas. Para definir especies el 16S rRNA tiene buena resolución a nivel de género y taxones superiores. Los métodos de secuenciación parecen no ser distorsionadas por la THG. Parece que MLSA tiene mejor resolución a nivel de especie que el 16S rRNA ya que tiene mayor correspondencia con el valor de 70% de hibridación DNA-DNA. La onda de este artículo va mas por el lado de encontrar metodologías más robustas que el análisis y comparación de secuencias de 16S rRNA que no esta mostrando tener la resolución adecuada para hacer filogenias, no está representando la historia natural de los organismos pero si puede ser usada para determinar de manera rápida el rango taxonómico a un organismo.
El uso del gen 16S rRNA como cronómetro evolutivo para analizar relaciones filogenéticas tiene en la actualidad gran relevancia como la tuvieron las pruebas bioquímicas en su momento. Todo un hito para poder identificar y caracterizar pero en su momento, también, presentaron limitantes para el análisis. En este caso, el 16S tiene muchas de las cualidades que se esperan de una buena molécula que sirva como cronómetro evolutivo como la presencia universal, transferencia vertical, constancia funcional, buen tamaño, presencia de regiones constantes y de regiones variables, baja tasa de mutación en las regiones variables, etc. Pero aún no se sabe bien el impacto que tenga la transferencia horizontal en este marcador, además de que su resolución a nivel de especie puede ser muy baja. Si bien, es accesible ya que se basa en el análisis de un solo gen (que además es parte del core-genome). Otra ventaja es que las bases de datos para este gen son amplias y mantiene buena correlación con la hibridación DNA-DNA y otras aproximaciones genómicas. Aunque hay cabida para el considerar nuevos métodos y aproximaciones gracias al crecimiento en los genomas secuenciados y a la detección de nuevos marcadores dentro del core-genome o del pan-genome de diferentes géneros para poder acceder a una mejor resolución a nivel de especie. La identidad promedio de nucleótidos de genes conservados entre dos genomas parece ser una buena aproximación pero para ello se requieren las secuencias completas o casi completas y el haber identificado los genes conservados. Para algunas especies resulta difícil tanto por no estar secuenciados sus genomas o en algunos casos hay géneros que sólo cuentan 1 o 2 especies. Además, para géneros con un gran número de especies, el análisis sería más tardado para poder comparar los genes conservados entre ellos.
El análisis de multilcus también resulta atractivo, aunque sólo considere algunos genes (6 a 8) y ayuda a acotar la comparación pero mantener buena resolución, la selección de esos genes es la parte clave para que sean marcadores relevantes para el nivel taxonómico en el cual se tiene interés.
En este artículo hacen notar que el análisis filogenético de la subunidad pequeña ribosomal (16S rRNA) es un análsis incompleto, ya que se basa en un solo gen y no toma en cuenta la historia natural del organismo en estudio. Todos los trabajos que se han hecho para evaluar la validez o el alcance del análisis del 16S rRNA llegan a la conclusión de que es suficientemente comparable con las aproximaciones genómicas para evaluar especies a nivel de género.
Estudios ambientales de genes de 16 rRNA han demostrado la existencia de clados, genes asociados con identidad intragrupo de 93-94%, que representan un nivel de organización importante dentro de la diversidad microbiana. Además, la similitud en el contenido de genes de los clados parece estar relacionada de forma lineal con la distancia evolutiva entre organismos (aquellos con 80-98% de identidad de genes de 16S rRNA), lo que sugiere que los clados agrupan organismos funcionalmente relacionados.
Para el análisis a nivel de especie, el 16S rRNA no ofrece la mejor resolución y a este nivel se recomiendan aproximaciones de genoma completo o de múltiples genomas para obtener una idea más real de la relación entre organismos. Dos de estos métodos son MLSA (Multilocus Sequence Analysis) y ANI (Average Nucleotide Identity). Pero aún con estos métodos no está claro si los microbios son entidades organizadas en grupos genéticos delimitados que permitan su estudio como especies ecológicas.
El estudio del pangenoma puede ser una buena aproximación para el análisis a nivel de especie, pero debe tenerse en cuenta la gran variabilidad de los genomas procariontes, que constantemente adquieren nuevos genes y pierden otros, por lo que es necesario saber qué fracción de los genes es realmente parte del linaje y no una nueva adquisición y hasta qué punto el contenido de genes refleja procesos de adaptación y especiación a diferentes nichos ecológicos. Un ejemplo de la dificultad de incorporar todas estas variables es E. coli, la especie mejor muestreada, que actualmente se ve demasiado heterogénea para considerarse una sola especie.
Los autores concluyen que hasta no tener un panorama más completo de la diversidad microbiana, el sistema de análisis de 16S rRNA sigue siendo una buena aproximación.
Este artículo es una revisión de los métodos de taxonomía y filogenia de procariontes en la actual era de la genómica. Desde que se inventó la filogenia por 16S, ésta ha constituido una de las herramientas más importantes para saber sobre las relaciones de estos organismos, que son muchos y muy variados; de hecho, el criterio principal para separar un grupo de otros es que este gen sea lo suficientemente diferente. Otras formas de hacer la filogenia usando datos genómicos es usar matrices de identidad de genes conservados u ortólogos y matrices booleanas. De la comparación de estos métodos con las filogenias de 16S se ha visto que ésta última es suficiente para elucidar posiciones taxonómicas por arriba del nivel de género, pues sus resultados coinciden con las filogenias hechas con métodos con más resolución. Cuando los autores mencionan que una filogenia real es posible, apoyo esta cuestión porque, aunque no descarto la posibilidad de intercambios genéticos de instrucciones de un orden más alto (ej. de operones enteros, para arriba, llegando a ser posible incluso intercambiarse información al nivel de organismo, en simbiosis), estos por fuerza deben de ser eventos raros, que no modifiquen las conclusiones generales del cambio a nivel de las secuencias más conservadas, como precisamente 16S.
Me parece interesante la opinión de que arriba del nivel del género la concepción de una bacteria u otro organismo procarionte como una entidad discreta es difusa. También me parece relevante que los organismos que coevolucionan con otros parecen ser entidades más discretas y definibles, porque me indica que hay una fuerza real de las interacciones ecológicas para definir taxones en el tiempo. Esto, sumado al hecho de que los organismos con ecologías más discretas comparten más genes, me hace pensar que una filogenia debería reflejar los ambientes y las funciones ecológicas que un organismo tiene, y no sólo la historia evolutiva.
Se hace una revisión de los avances y los retos que representa el utilizar el core y pan-genoma y diferentes parámetros para evaluar la relación entre organismos. En general con estos acercamientos se puede tener una mayor robustez para poder discernir entre cepas de la misma especie y por lo tanto hacer diferencias taxonómicas. La taxonomía y los análisis filogenéticos están basados en el gen 16S, sin embargo, el hecho de estar basados en un solo gen, (que no toma en cuenta la historia natural de los organismos), tiene implicaciones que hacen reconsiderar el seguir utilizando este método como método taxonómico y filogenético. Los autores mencionan que el desarrollo de acercamientos basados -en el genoma- que se han utilizado para evaluar la robustez de las filogenias del 16S indican que éstas últimas, son suficientemente congruentes para evaluar el nivel de ”género” pero ofrecen una limitada resolución a nivel de especie . Sin embargo, el gran número de genes catalogados del 16S en las bases de datos, suponen que las filogenias ribosomales continuarán sirviendo como columna vertebral de la taxonomía, al menos hasta que los costos de secuenciación genómica sean cada vez más asequibles y se aumenten el número de genomas completos, de lo cual indudablemente dependerá el mejoramiento de los métodos taxonómicos. En este sentido los autores mencionan que es probablemente imposible reconstruir exactamente una filogenia real, incluso si todas las secuencias genómicas están disponibles, por lo que sugiere una filogenia consenso. Por otra parte, para el caso de el nivel de “especie”, existen diferentes parámetros más precisos y que ofrecen mejor resolución, como por ejemplo el promedio de identidad de nucleótidos (ANI) de todos los genes conservados entre dos genomas , el cual puede ser un sustituto del método tradicional de hibridación DNA-DNA. Por otra parte se retoma el hecho de que el concepto de especie sigue sin definirse, por ello, los autores mencionan que se pueden aplicar diferentes reglas en diferentes ambientes o en diferentes gropos microbianos y por lo tanto es improbable que se pueda hacer una clasificación adecuada de los organismos procariontes con una sola filogenia. El autor apunta a que será conveniente una taxonomía basada en el genoma, lo cual facilitará un colocación filogenética exacta de cualquier organismo recién aislado contra las cepas utilizando medidas estandarizadas genómicas de relación como ANI, la cua ofrece una perspectiva de la relación genética y del potencial ecológico de los organismos.
Prokaryotic taxonomy and phylogeny in the genomic era: advancements and challenges ahead.
En este pequeño review nos hablan de la importancia que tiene el marcador rRNA 16S para establecer filogenias dentro de las bacterias, nos muestran de manera esquemática, la precisión con la que podemos llegar a determinar taxonómicamente a nivel de género, sin embargo, nos hacen notar las limitaciones que tiene el uso de este marcador, asi mismo, nos muestran el uso de nuevos parámetros como ANI (promedio de identidad nucleotídica), para poder definir a las especies, lo relevante del paper es que nos muestran un panorama en donde observamos claramente las ventajas del rRNA 16S, pero sobre todo las limitantes que tiene, por tal motivo, las nuevas herramientas de secuenciación, nos proveen de nuevas alternativas para la clasificación de los mircroorganismos.
Los análisis taxonómicos y filogenéticos han ido cambiando a lo largo de la historia de la biología. Actualmente, se realiza una combinación descriptiva de las características fenotípicas y genéticas de los organismos para se clasificados; sin embargo, a pesar de los avances que se han alcanzado hay algunos grupos de organismos que sigue siendo complicado dicho proceso. Uno de estos grupos son los microorganismos. El gen de ARNr 16S fue durante muchos años la fuente de información genética principal que utilizada para su clasificación, pero el análisis de un solo gen no es suficiente para conocer su historia evolutiva y porque puede ser adquirido por eventos de transferencia horizontal. A pesar de esto, el análisis de este gen sigue siendo útil para poder hacer una clasificación por arriba del nivel de especie.
A nivel de especie, el análisis del genoma y de múltiples genes concatenados han proporcionado una mejor resolución. Una de las mejores opciones es el análisis de la identidad promedio nucleotídica (ANI) ya que es muy fácil de hacer y genera resultados similares o con mejor precisión que otros. A pesar de esto, siguen existiendo una gran variedad de dificultades para poder definir una en está clase de organismos. Muy pocos microorganismo han mostrado un comportamiento genético que los define como entidades discretas que corresponderían a una especie ecológicamente coherente.
Hoy en día, la secuenciación del genoma de las diferentes formas de organismos ha permitido comprender con mejor detalle su historia natural. Con cada nuevo genoma de microorganismos que es secuenciado se ha incrementado el número de genes que tienen funciones nuevas o desconocidas que refleja la gran diversidad genética que contienen. Estos genomas han sido clasificados en dos partes en base al tipo de material genético que las conforman (genoma “core” y genoma accesorio), siendo el pangenoma la suma de ambas partes. Esta nueva forma de clasificación de la composición del material genético permite conocer cuales son los genes que definen a cada linaje (o grupo filogenético) y diferenciar del material que tiene funciones adaptativas bajo ciertas condiciones ambientales.
Por esta razón, la genómica es una herramienta muy útil en la identificación y clasificación de los microorganismos; sin embargo, hay ciertos huecos que dificultad el conocimiento de los alcances o capacidades metabólicas y genéticas que los diferencian y que permitiría su clasificación, pero ahora podemos tener información veraz y precisa de la gran diversidad microbiana que existe y que aún falta por explorar.
Prokaryotic taxonomy and phylogeny in the genomic era:
advancements and challenges ahead
Este artículo fue escrito en el 2007, Debido al impactante avance del conocimiento en la taxonomía procariota, y en los resultados de la filogenia, marca los métodos de secuenciación que han sido explotados durante esa década. La técnica más utilizada dentro de estos métodos es la secuenciación de 16SrRNA ¿pero qué tan exacto puede ser la secuenciación de un gen, dentro de un genoma completo? , si bien sirve para estructurar el esqueleto de una filogenia de los procariontes no tiene una buena resolución a nivel de especies, debido a la alta conservación de este tipo de genes, mantengan importantes niveles taxonómicos y diferencias ecológicas como formas idénticas. Siendo un buen método para solo llegar a nivel de género o un nivel más alto. Es difícil con los métodos de secuenciación poder restructurar exactamente la filogenia de los procariotas, muchos de esas dificultades son debida a la carencia de registro fósil, señales filogenéticas inadecuadas, y el efecto confuso que causa la THG sobre la filogenia, aunque estudios han mostrado que en genes funcionales importantes (house-keeping) la THG no parece ser tan frecuente o más bien no distorsiona la señal filogenética. Para nivel de especie propone como parámetro el MLSA o ANI, que junto con la técnica de correlación de DNA-DNA (DDH) pues delimitar bien el nivel de especies teniendo un 70% de re-asociación y un 96 % de ANI. En el caso de MLSA está muy comprometido que de 6 a 8 genes que secuencia a comparación de la secuenciación del genoma completo. Sin embargo con una selección de genes estricta puede generar filogenias robustas y una exacta predicción de valores ANI siendo una ventaja al reducir el costo y tiempo. Por otra parte está la historia evolutiva y su papel que tiene en la estructuración de la genética de las poblaciones, por ejemplo si hay un espacio rico en biomasa y a su vez con una alta presión selectiva como son los biofilms, parece que hay altos niveles de recombinación genética, indicando es puede ser una importante fuerza de cohesión entre poblaciones, pero dependiendo de los distintos ambientes y grupos de microbios es como se hará el marco filogenético. El pan-genoma, número de genes y genes nuevos dentro de la especie para ser infinito algo contrastante con las especies endosimbioticas donde se podría esperar que presentaran más uniformidad. Así que tiene una gran importancia definir las historias evolutivas, pues se cree que microbios que comparten características ecológicamente similares contienen pocas diferencias genéticas, al que se encuentra en un nicho cambiante, que presente una adquisición nueva de genes dentro de su filogenia que podrían presentar una ventaja adaptativa. A pesar de las desventajas que puede ser utilizar el 16SrRNA aún sigue siendo una herramienta útil para presentar un esquema de la estructura de una comunidad natural, aparte de que también propone ANI, (identidad promedio de nucleótidos) para diferenciar entre especies.
Se hace una revisión de los avances y los retos que representa el utilizar el core y pan-genoma y diferentes parámetros para evaluar la relación entre organismos. En general con estos acercamientos se puede tener una mayor robustez para poder discernir entre cepas de la misma especie y por lo tanto hacer diferencias taxonómicas. La taxonomía y los análisis filogenéticos están basados en el gen 16S, sin embargo, el hecho de estar basados en un solo gen, (que no toma en cuenta la historia natural de los organismos), tiene implicaciones que hacen reconsiderar el seguir utilizando este método como método taxonómico y filogenético. Los autores mencionan que el desarrollo de acercamientos basados -en el genoma- que se han utilizado para evaluar la robustez de las filogenias del 16S indican que éstas últimas, son suficientemente congruentes para evaluar el nivel de ”género” pero ofrecen una limitada resolución a nivel de especie . Sin embargo, el gran número de genes catalogados del 16S en las bases de datos, suponen que las filogenias ribosomales continuarán sirviendo como columna vertebral de la taxonomía, al menos hasta que los costos de secuenciación genómica sean cada vez más asequibles y se aumenten el número de genomas completos, de lo cual indudablemente dependerá el mejoramiento de los métodos taxonómicos. En este sentido los autores mencionan que es probablemente imposible reconstruir exactamente una filogenia real, incluso si todas las secuencias genómicas están disponibles, por lo que sugiere una filogenia consenso. Por otra parte, para el caso del nivel de “especie”, existen diferentes parámetros más precisos y que ofrecen mejor resolución, como por ejemplo el promedio de identidad de nucleótidos (ANI) de todos los genes conservados entre dos genomas , el cual puede ser un sustituto del método tradicional de hibridación DNA-DNA. Por otra parte se retoma el hecho de que el concepto de especie sigue sin definirse, por ello, los autores mencionan que se pueden aplicar diferentes reglas en diferentes ambientes o en diferentes gropos microbianos y por lo tanto es improbable que se pueda hacer una clasificación adecuada de los organismos procariontes con una sola filogenia. El autor apunta a que será conveniente una taxonomía basada en el genoma, lo cual facilitará un colocación filogenética exacta de cualquier organismo recién aislado contra las cepas utilizando medidas estandarizadas genómicas de relación como ANI, la cual ofrece una perspectiva de la relación genética y del potencial ecológico de los organismos.
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