8 de abril: On the chimeric nature, thermophilic origin, and phylogenetic placement of the Thermotogales.
Zhaxybayeva, O., Swithers, K. S., Lapierre, P., Fournier, G. P., Bickhart, D. M., DeBoy, R. T., Nelson, K. E., et al. (2009). On the chimeric nature, thermophilic origin, and phylogenetic placement of the Thermotogales. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 106(14), 5865–70. doi:10.1073/pnas.0901260106
Since publication of the first Thermotogales genome, Thermotoga maritima strain MSB8, single- and multi-gene analyses have disagreed on the phylogenetic position of this order of Bacteria. Here we present the genome sequences of 4 additional members of the Thermotogales (Tt. petrophila, Tt. lettingae, Thermosipho melanesiensis, and Fervidobacterium nodosum) and a comprehensive comparative analysis including the original T. maritima genome. While ribosomal protein genes strongly place Thermotogales as a sister group to Aquificales, the majority of genes with sufficient phylogenetic signal show affinities to Archaea and Firmicutes, especially Clostridia. Indeed, on the basis of the majority of genes in their genomes (including genes that are also found in Aquificales), Thermotogales should be considered members of the Firmicutes. This result highlights the conflict between the taxonomic goal of assigning every species to a unique position in an inclusive Linnaean hierarchy and the evolutionary goal of understanding phylogenesis in the presence of pervasive horizontal gene transfer (HGT) within prokaryotes. Amino acid compositions of reconstructed ancestral sequences from 423 gene families suggest an origin of this gene pool even more thermophilic than extant members of this order, followed by adaptation to lower growth temperatures within the Thermotogales.
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En este trabajo se realizó la secuenciación de cuatro miembros de los Thermotogales (Tt. petrophila, Tt. Letitngae, Thermosipho malenasiensis y Fervidobacterium nodosum) para posteriormente llevar a cabo un análisis comparativo junto con Thermotoga marítima. Una de las principales motivaciones para llevar a cabo este trabajo es la controversia que existe respecto a la clasificación de los Thermotogales pues las secuencias de los genes ribosomales colocan a éstos como un grupo hermano de los Aquificales, mientras que al emplear otros genes, éste grupo presenta una mayor afinidad hacia Archeas y los Firimicutes, en particular, Clostridia.
Por trabajos anteriores se había sugerido que aproximadamente el 24% de los genes de Tt. marítima fueron adquiridos mediante eventos de transferencia horizontal, presentando la mayoría de ellos (21%) afinidad por los Firimicutes.
Al analizar una colección de 1,115 familias génicas presentes en al menos 4 de los 5 genomas analizados, se encontró una señal bastante congruente con la estructura del árbol generada a partir del gen 16S rRNA, esta misma topología además se obtuvo al comparar dos métodos de reconstrucción independientes. Cuando se compararon estos 5 genomas se encontró un total de 944 genes compartidos entre ellos, el denominado genoma core, el cual abarca entre el 46%-54% de los genes codificantes para proteínas de los genomas. En lo que respecta a los genes únicos, la proporción varía entre el 10% y 32% de los genomas.
Como se mencionó anteriormente la historia de los genomas de los Thermotogales parece incluir diversos eventos de transferencia horizontal, uno de los ejemplos mencionados es el operón de la oxidoreductasa NAD(P)H, el cual se encuentra compartido entre arqueas y Thermotogales. Un ejemplo opuesto a éste anterior es el caso de la RuBisCo, ya que únicamente se encuentra presente en Tt. lettingae. En lo que respecta a la proporción de genes compartido entre los Thermotogales y otros grupos filogenéticos se encontró que entre el 7.7% y 11% de los genes tienen una asociación con Archea, mientras que para Firimicutes este porcentaje es de 42.3-48.2%.
Como parte de este trabajo también se realizó una filogenia a partir de la concatenación de 29 proteínas ribosomales, encontrándose que bajo este esquema un fuerte soporte para el origen monofilético de los Thermotogales y un posicionamiento de los Aquificales como grupo hermano.
La evolución de los Thermotogales parece estar guiada en buena medida por eventos de transferencia horizontal principalmente con Firimicutes y Archeas, lo cual concuerda con la idea de los genomas bacterianos son moldeados por eventos de transferencia entre distintos linajes. Creo que aquí es importante resaltar la observación que hicieron los autores, en la cual dependiendo del tipo de región o genes que estemos estudiando, podemos obtener filogenias incongruente, y por este motivo es importante conocer no solo en la medida de lo posible la historia evolutiva de nuestro organismo, si no también el tipo de información que pensamos obtener.
En 1999 se publicó la secuencia completa del genoma de la cepa MSB8 de Thermotoga maritima, al tratar de determinar la posición de este organismo en el árbol filogenético, mediante el análisis de genes únicos y múltiples, no se pudo establecer de forma inequívoca su posición en el orden de las bacterias, con este organismo inicio una encrucijada por establecer la filogenia verdadera o posición taxonómica de este organismo hipertermófilo.
Los primeros estudios realizados con este organismo resaltaron la importancia de la transferencia horizontal de genes ya que se encontró que aproximadamente 24% de los genes de Tt. maritima estaban agrupados en su cromosoma y fueron adquiridos por transferencia horizontal a partir de arqueas; 21% mostraban afinidad con los Firmicutes. Las filogenias hechas con RNAr colocan a Thermotoga maritima en la base del árbol bacteriano pero esto no es consistente con lo que de observo al analizar genes que codifican para proteínas por lo que la posición de este organismo y de Aquifex aeolicus (otra bacteria hipertermófila) se ha considerado ambigua.
Actualmente se han aislado al menos 25 especies de termófilas de diversos lugares geotérmicos alrededor del mundo, esta información representa una posibilidad para analizar a profundidad qué impacto tuvo la transferencia horizontal de genes de arqueas u otros grupos en la evolución de estos organismos. El objetivo de este trabajo fue utilizar estas nuevas secuencias para re-evaluar el papel de la transferencia horizontal en Arqueas y Firmicutes en el origen de las Termotogales, abordar el significado de esta mezcla en el posicionamiento del grupo y examinar las propiedades del proteoma ancestral de las Termotogales en base a su composición de aminoácidos y secuencia de proteínas ancestrales.
Se encontró que las 5 muestras analizadas presentaban un tamaño de genoma similar al de Tt. maritima (1.86 Mpb); Tt. lettingae presenta el genoma más grande con 2.14 Mpb. De los 5 genomas solo el de la cepa MSB8 de Tt. maritima y el de Tt. petrophila mostraron sintenia en una gran parte de su genoma con 3 inversiones. El análisis de 1,115 familias génicas (la mayoría de genes de metabolismo y pobremente caracterizados), compartidas por al menos 4 de los 5 genomas arrojó una señal tipo árbol, lo que apoya la relación entre estos genomas, de acuerdo al árbol hecho con el RNAr 16S. el core está compuesto por 944 familias de genes ortólogos que comprenden entre 46 a 54% de los genes codificantes por genoma. El resto son genes compartidos entre algunos de los genomas y otros son genoma-específico (10 a 32%) o forman copias adicionales de genes. Todas estas diferencias podrían corresponder con las diferencias fisiológicas entre las especies, como la capacidad de fermentar carbohidratos distintos o poder crecer en diversos sustratos.
Los genomas de Termotogales analizados en este trabajo son complejos y parecen ser evolutivamente incongruentes. Su composición parece el producto de eventos de transferencia horizontal más que de descendencia vertical. Los resultados obtenidos sugieren que las Termotogales están más asociadas a las Firmicutes que a las Arqueas lo que puede esperarse dado que las Firmicutes cohabitan de manera habitual con las Termotogales en ambientes naturales. Al elaborar un árbol filogénetico utilizando otros marcadores, el orden de las Termotogales se coloca como un grupo hermano a las Acuificales lo que abre la duda de cómo establecer la localización no ambigua de un grupo en un árbol. En el caso de las Termotogales el uso de algunos marcadores da un resultado, que no es consistente cuando se usa un enfoque proteómico.
Dado que la colocación de organismos en un árbol se apoya en una convención (la hipótesis de la complejidad) es necesario que para lograr un árbol de la vida que incluya todo lo vivo se exista una convención similar a la de utilizar algunos marcadores para llevarlo a cabo. Sin embargo el orden de los Termotogales nos muestra claramente que esta clasificación no debe tomarse como una recapitulación de la historia evolutiva.
Control de Lectura.
Este artículo presenta un análisis comparativo del genoma de algunas especies de Thermotoga, incluyendo T. Maritima, que fue el primer genoma publicado de las Thermotogales, en 1999.
Este análisis permite aclarar la posición filogenética del grupo con un alto valor de soporte (afinidad con Arquea y Firmicutes); de hecho se piensa que debería ser parte de Firmicutes (y no como se pensaba sólo usando genes de proteínas ribosomales, que era un grupo hermano de Aquificales –bajo soporte de consistencia).
Esta conclusión es importante porque resalta el objetivo evolutivo de entender las filogenias en presencia de la penetrante transferencia horizontal de genes (HGT) en los procariotas.
Varios estudios llevados a cabo con varios genes –multigenes studies- reportan convincentemente la ubicación de T. maritima con taxa de bacterias del grupo Firmicutes (concretamente con Clostridia). Esto ha permitido afirmar la ancestría hipertermófila de las bacterias, o incluso de toda la vida, así como la retención de los linajes basales de Thermotogales y Aquificales y sus genes ancestrales que se mantienen sólo en Archaea y, por último, su adaptación a la vida termófila por medio de la importación de genes provenientes de archaeas hipertermófilas.
El análisis de las secuencias que se usan en el estudio ha sido útil para revisar el rol de la HGT entre Archaeas y Firmicutes en el origen de las Thermotogales, y también se ha considerado el significado de este ejemplo de “quimerismo” para proponer el grupo y examinar las propiedades del proteoma ancestral de las Thermotogales investigando la composición de las secuencias de las proteínas ancestrales.
El genoma de Thermotogales tiene una historia evolutiva compleja, cuya composición para ser más un resultado de la HGT.
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Ha habido grandes desacuerdo al agrupar filogeneticamente a los thermotogales, en especifico la cepa T. marítima que más de 24 % de sus genes fueron adquiridos por THG del grupo de las arqueas, y por otra parte también muestra que el 21 % de sus genes la asocian con los firmicute. Varios de multi análisis de secuencia ubican a esta sepa en la base del árbol de las bacterias. Sin embargo, esto no es consistente cuando tomamos genes codificantes de proteínas. Dos recientes trabajos relevantes concluyeron que las Thermotogales mesofilicas han sido descubiertas, el surgimiento que las hipertemofilicas no son un grupo ancestral, y que A. aeolicus a través de análisis de genes sostiene que es una grupo hermano de las T. marítima. Para poder contribuir al esclarecimiento de la filogenia de Thermotogales, en este estudio realizaron análisis del genoma de este linaje aportando 4 secuencias completas (Tt. petrophila RKU-1, Tt. lettingae TMO, Thermosipho melanesiensis BI429, and Fervidobacterium nodosum Rt17-B1) analizaron los eventos de THG a partir de Arqeuas y Firmicutes en el origen de los Thermotogales consideran quimerismo para posicionar al grupo. De los 5 genomas solo Tt. marítima y Tt. Petrophila mostraron sintenia en sus longitudes enteras con tres inversiones. Tt. lettingae tiene poco elementos IS, F. nodosum contiene 12 elementos IS identificados. No hay evidencia de profago directas solo presencia de algunos residuos. En genes que codifican las endonucleasas, esto organismos pueden estar expuestos a infecciones de fagos en su ambiente y algunos de estos elementos son específicos del genoma. Los elementos s están presentes en el 23SrRNA. El análisis de las familias génicas vuelve a relacionar muy cerca a 2 cepas de los 5 genomas. Los 5 genomas compartían 944 familias de genes ortólogas. Del 10-32 % del los 5 genomas son genes únicos, lo que podría ser responsable de caracterizarlas por diferencias fisiológicas entre las especies. Por ejemplo el catabolismo fermentativo parecería uniforme, sin embargo dentro de su genoma se encuentras diferencias en las rutas de toma de carbono y transferencia de electrones. El piruvato por ciertas cepas es convertido a acido tricarboxilico y por otras a piruvato carboxilasa. El operon asociado a membrana y NAD se ha encontrado que los comparten Arqueas y Thermotogales, y es probable que Tt. petrophila y Tt. lettingae lo hayan perdido. Por otra parte Tt. lenttingae tiene el un gen que codifica una subunidad homologa de la RuBisCO, que ninguno de los 4 genomas tiene, sugieriendo que este gen tuvo su origen a partir de RLP en las arqueas y fue adquirido por la cepa ancestral de las bacterias por THG. Al hacer los análisis de Blast en estos cinco genomas solo 11 % aproximadamente permacecia afiliado al grupo de las arqueas, y una mayor parte cerca del 48 % se asociaban con los firmicutes específicamente los costridiales esta relación podría deberse a que tanto firmicutes como Thermotogales comparten caracterisitcas fisiológicas pues crecen en temperaturas altas y son heterótrofos, mientras que su grupo hermano, aquifales con autótrofos, tal vez por esta razón habrá más emparejamiento con los costridiales que con los aquifales. En los análisis filogenéticos el sitio que variaban casi el 501 % de aminoácidos usualmente eran agrupados como miembros de los firmivutes y alfaproteobacterias. A través de la búsqueda de su más recient antecesor por medio del gen CvP mostraron que su antecesor tenía genes termophilicos, aunque no queda muy claro ya que los eventos de THG afectan los tiempos de coalescencia. La relación de los firmicutes y los Thermotogales es debido a las HTG pues cohabitan en el mismo lugar. Es difícil ubicar a este grupo dentro de una posición filogenia debido a que los procariontes tienen relaciones multidimensionales matizadas por un relativo número de genes que participan en múltiples linajes.
Control de lectura 35
On the chimeric nature, thermophilic origin, and the phylogenetic placement of the Thermotogales Zhaxybayeva O. et al. (2009). On the chimeric nature, thermophilic origin, and the phylogenetic placement of the Thermotogales. PNAS. 106(14) 5865-5870.
La vida se cree tuvo origen en un caldo hirviente de nutrients, las altas temperaturas y presión eran parte de este ambiente primigenio. Se han cosiderado a la característica de poder vivir a altas temperaturas como caracteres primitivos, sin embargo, tras ardua investigación en grupos de termófilos como Thermotoga se han descubierto organismos Thermotogales mesófilos poniendo en duda su en realidad una de las ramas más profundas de las bacterias son realmente termófilos. Se hizo el análisis genómico con cuatro cepas de Termotogales para ver la ocurrencia de transferencia horizontal de genes a partir de Archaea y Firmicutes y explicar el quimerismo de este grupo de bacterias. No es de sorprenderse que haya transferencia horizontal de genes entre Firmicutes y Termotogales pues conviven en los mismos sitios. Para resolver la posición filogenética de este grupo (o incluso otros grupos) las preguntas que se pueden responder con análisis genético y genómico son muy diferentes entonces a un grupo te lo puede posicionar de maneras diferentes.
La mayoría de los genes analizados en este trabajo (de 5 genomas) parecen derivar de fuentes distintas, las Firmicutes termófilas y las Arqueas, y se espera transferencia horizonal importante entre phyla, ya que estas dos cohabitan naturalmente. La metodología que utilizaron les permitió detectar sólo los casos de HGT que resultaron en remplazo de ortólogos sin tomar en cuenta aquellos cuya transferencia resultó en ganancia de genes. Evaluaron además dos características de las proteínas que pueden ser indicadores de crecimiento óptimo diferencal: sobrerrepresentación de aminoácidos cargados sobre polares y al aplicar los dos métodos encontraron correlaciones lineales entre la estructura de las proteínas y la capacidad de crecimiento de las bacterias. La distribución que encontraron de los picos de CvP sugiere que el proteoma ancestral de las Thermotogales contiene mayormente proteínas termofílicas y este proteoma no es necesariamente producto de un solo genoma ancestral porque la HGT puede afectar el tiempo de coalescencia de genes individuales. Otro aspecto a evaluar en el crecimiento es el contenido de GC del rRNA, con este los autores lograron reconstruir secuencias ancestrales y su análisis sugiere que ese 16S rRNA también perteneció a un termófilo, sin embargo no se puede ubicar a este primer organismo ni ubicar la posición filogenética de los Thermotogales dentro de todas las bacterias.
Desde la primer secuanciacion de Thermotogales, el analisis de genes y multigenes ha discrepado en cuanto a la posicion filogenetica de este orden.
Para este trabajo se analizaron 4 genomas adicionales al primer Thermotogal secuenciado (Tt. maritima): Tt. petrophila, Tt. lettinagae, T. melanesiensis y F. nodosus. Se analizaron comparativamente. Por una lado los genes que codifican para proteínas ribosomales, colocan a los Thermotogales como grupo hermano de los Aquiaficales. Por otro lado, la mayoría de los genes con suficiente señal muestran que son afines a Archea y al grupo de los Firmicutes, en especial al grupo Clostridia.
En este articulo se demostró la existencia de elementos de secuencias de inserción (IS) putativas o fragmentarias en las 5 secuencias analizadas. No se encontraron pro-fagos en ninguno de estos genomas, exepto en dos remanentes detectados en Ts. Melanensiensis. La presencia de palindromas repetidos CRISPR sugiere que estos organismos han estado expuestos a infecciones por fagos en su ambiente. El análisis de las 1115familias de genes compartidas en los 4 o 5 genomas resalta la relación previamente establecida por los16sRNA. La agrupación de los genomas bajo el contenido de GC podría ser un artefacto porpia de la compoción de aminoácidos, para lo cual se aplico un test de composición, donde 73 familias demostraron que no es el caso.
De los 5 genomas que comparten 944 faimlia, los genes ortólogos comprenden entre 46-54% , los genes restantes son compartidos entre algunos de los 5 genomas (únicos por un genoma especifico o formando copias de genes adicionales), del 10 al 32% de los genes son parte de categorías relacionadas con el metabolismo o caracterizadas pobremente. En algunos casos la distribución de estos genes son responsables de las diferencia fisiológicas entre las especies (por ejemplo, el catabolismo fermentativo de los Thermotogales es uniforme). A través de un Blast nr, solo 7.7 -10% de los genes de los Thermotogales aparecen relacionados con Archea, a diferencia del 42- 48% de genes asociados a Firmicutes. Boussau concluye que los Aquificales podrían ser cercanos a Thermotogales.
El conflico a resltar es el existente entre el enfoque taxonómico (asignar cada especie a una posición con jerarquía linneana) y un enfoque evolucionista (entendiendo la transferencia horizontal en procariontes).
En este artículo, hacen el análisis comparativo de los genomas de 4 miembros de los Thermotogales, incluyendo en este estudio a la cepa previamente secuenciada.
Dentro de los resultados, se hace el análisis del pangenoma de los 5 organismos, y se define también el número de genes que conforman al core.
Se llevan a cabo también anális de las proteínas que conforman a estos organismos, para determinar a que grupo de bacterias pertenecen, derivando como parte del estudio que muchos de los genes que conforman a estos organismos son derivados de eventos de transferencia horizontal entre los Thermotogales y los Firmicutes, debido a que cohabitan nichos semejantes.
En este articulo se busca evaluar la importancia de la THG (Tranferencia Horizontal de Genes) dentro de los Thermotogales. La secuenciación del genoma de Thermotoga marítima en 1999 arrojo que el 24% de su genoma había sido adquirido por medio de THG a partir de las Arqueas y 21% de los Firmicutes. Dado el grado de THG la posición filogenética del grupo ha sido muy discutida y en la actualidad se duda de su origen como termófilas ya que se han encontrado miembros mesófilos.
Debido ha esto se utilizaron los genomas disponibles en la red para tratar de dilucidar este problema. Sin embargo ellos encontraron historias evolutivas incongruentes lo cual apoyo la hipótesis de una alta cantidad de THG, parece que los Firmicutes y las Thermotogas comparten ambientes similares por lo que el intercambio de genes era de esperarse aun que dicho comportamiento no ocurre por ejemplo en cianobacterias.
Utilizando la información proteomica se determinó a grandes rasgos las características fisiológicas que tendría el ancestro de los Thermotogales y se observo que este sería termófilo descartando la hipótesis de que la termofilia se hubiera adquirido recientemente por la THG.
En conclusión, se estableció una filogenia utilizando ciertos genes (algunos nada más) y es lo que se utiliza, sin embargo los autores no están de acuerdo pues no necesariamente refleja la historia evolutiva del grupo ya que para ellos el mundo real de los procariontes esta dado por múltiples linajes y genes que tienen relaciones entre ellos (Es decir la THG es muy importante). Sin embargo la visión de la THG como hemos visto depende mucho del organismo particular con el que se trabaje.
Este artículo es un análisis filogenético de cinco secuencias del grupo de Thermotogales, cuya posición filogenética, desde que se hizo el primer análisis en 1999, ha llamado la atención por ser un organismo cuyo genoma parece estar constituido por muchos genes derivados de transferencia horizontal de genes. Los resultados indican que sólo dos de los cinco genomas tienen una secuencia que sigue un orden similar, teniendo las demás muchos fragmentos de inserción. La filogenia hecha con 16S revela que hay una señal de ancestría compartida entre estos genomas, lo cual se soporta con otras filogenias hechas con otras familias. De todos modos, hasta el 32% de los genes no son ortólogos, y hay cosas interesantes como la presencia de operones del sistema de la ferredoxina oxidoreductasa que son compartidos entre arqueas (Thermococcales) y los Thermotogales. Los análisis con BLAST indican diferentes relaciones entre los Thermotogales y otros grupos; si bien se supone que el grupo más cercano filogenéticamente son los Aquificales, la mayoría de los hits de Blast con los mejores scores los relacionan con los Firmicutes, lo cual probablemente se debe a su función ecológioca: los Firmicutes y los Thermotogales son heterótrofos mientras que los Aquificales son autótrofos. De hecho, la mayoría de los hits con mayor score relacionaban a este grupo con otros que no eran Aquificales, sus supuestos parientes evolutivos más cercanos. Esta evidencia pone en evidencia la importancia de eventos de transferencia horizontal y pone en duda la posición filogenética de los Thermotogales, puesto que ya no es posible ubicarlos inequívocamente en una rama respecto a sus parientes más cercanos o respecto a los Firmicutes, y constituye un interesante ejemplo en contra de la posibilidad de que todos los grupos de procariontes se puedan poner sin dudas en una posición respecto a los demás grupos de bacterias
Este artículo es bastante interesante pues es un ejemplo claro de que las especies en bacterias pueden no estar tan claramente definidas y tener un origen evolutiva difuso con partes del genoma que cuentan historias diferentes. A la fecha, la pregunta sobre la verdadera posición de los Termotogales quedó abierta, todo depende de a qué genes le demos más importancia como marcadores filogenéticos. Los análisis ribosomales han ubicado a los Termotogales como hermanos de los Aquificae y los resultados del trabajo contradicen esa hipótesis. De inicio uno pensaría que los genes y proteínas del metabolismo central (por ej. ribosomales) nos acercan más a comprender la historia evolutiva de los grupos, sin embargo los datos sugieren que en ambientes particulares la selección y adaptación ecológica puede moldear de distintas formas los genomas y tal vez ser más importante y oscurecer a un grado extremo las relaciones filogenéticas. El trabajo presenta los genomas de 4 especies de termotogales (Tt. petrophila, Tt. lettingae, Thermosipho melanesiensis, y Fervidobacterium nodosum) que se suman al genoma de Thermotoga maritima previamente secuenciado en 1999. Este grupo de bacterias presenta dificultades taxonómicas que los autores tratan de abordar a partir de la genómica y con el estudio de sus proteínas (por BLAST incluso corrigiendo posibles sesgos de representatividad de taxa en las bases de datos, y mediante filogenias genómicas) encuentran que se asemejan más al phylum de los Firmicutes, en particular a las Thermoanaerobacterales (dentro de la clase Clostridia). Y es interesante también que el 11% de sus secuencias (ORFs) tienen semejanza con las Arqueas. De tal manera que aún con todo el análisis genómico (contenido de genes, GC, funcional, de posibles transferencias horizontales como la de la RUBISCO, de la composición de aminoácidos o de las rutas metabólicas) y del análisis ribosomal (29 genes concatenados, y con particiones tomando en cuenta la saturación de sitios) se dibujan dos escenarios contradictorios. Finalmente el mensaje que ofrece este estudio es que el grupo de los Termotogales está adaptado a una ambiente particular (termófilos) con claras señales de tener un genoma que se ha construido tomando genes de diferentes fuentes a lo largo de su historia y por tal razón sean un claro ejemplo de bacterias con una dinámica evolutiva muy intensa.
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