8 de abril: Patterns of gene flow define species of thermophilic Archaea.
Cadillo-Quiroz, H., Didelot, X., Held, N. L., Herrera, A., Darling, A., Reno, M. L., Krause, D. J., et al. (2012). Patterns of gene flow define species of thermophilic Archaea. PLoS biology, 10(2), e1001265. doi:10.1371/journal.pbio.1001265
Despite a growing appreciation of their vast diversity in nature, mechanisms of speciation are poorly understood in Bacteria and Archaea. Here we use high-throughput genome sequencing to identify ongoing speciation in the thermoacidophilic Archaeon Sulfolobus islandicus. Patterns of homologous gene flow among genomes of 12 strains from a single hot spring in Kamchatka, Russia, demonstrate higher levels of gene flow within than between two persistent, coexisting groups, demonstrating that these microorganisms fit the biological species concept. Furthermore, rates of gene flow between two species are decreasing over time in a manner consistent with incipient speciation. Unlike other microorganisms investigated, we do not observe a relationship between genetic divergence and frequency of recombination along a chromosome, or other physical mechanisms that would reduce gene flow between lineages. Each species has its own genetic island encoding unique physiological functions and a unique growth phenotype that may be indicative of ecological specialization. Genetic differentiation between these coexisting groups occurs in large genomic «continents,» indicating the topology of genomic divergence during speciation is not uniform and is not associated with a single locus under strong diversifying selection. These data support a model where species do not require physical barriers to gene flow but are maintained by ecological differentiation.
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En la búsqueda de un mejor entendimiento de los posibles mecanismos que contribuyen en dirigir la divergencia de especies y mantenerlas como tales se aprovecho el aislamiento geográfico de estas aguas termales rusas. Utilizando cepas de la misma especie (Sulfulobus islandicus) se utilizó el análisis de multilocus y se analizó también el genoma completo para identificar el porcentaje de genoma que comparten entre sí. Con ello se pudo apreciar la formación de dos grupos al generar la genealogía clonal y mapeando el patrón de recombinación de fragmentos (divergencia entre ellos).
Se observó que un patrón de recombinación homóloga entre los miembros dentro de cada grupo pero con poca transferencia entre grupos, con poco flujo de genes no homólogos, parece indicar que la divergencia es progresiva y que los miembros del grupo mantienen cohesión. Aunque son cepas relacionadas y que coexisten, mantienen su integridad y parecen ir constituyéndose como dos especies. Entonces, al haber una disminución en la recombinación entre grupos (pero sí dentro de ellos) y con la ausencia de barreras físicas que impidan la recombinación, sin algún indicativo de divergencia reciente, es posible que la especiación sea guiada por la diferenciación ecológica de estas dos posibles especies insipientes. Esto constituye evidencia de especiación simpátrica, procediendo ambos grupos de un mismo ancestro común al habitar un mismo punto geográfico. Es interesante remarcar este asunto de la falta de distancia genética o geográfica ya que es uno de los modelos que se sugiere guían la divergencia es el modelo neutral que considera las barreras como esta guía cuando la selección periódica falta o en la ausencia de especiación ecológica. Así, la diferenciación ecológica entre loci a lo largo de todo el cromosoma o en islas génicas es lo que está contribuyendo de forma importante en esta diferenciación. Lo interesante es que este patrón de diferenciación en arqueas es similar al observado en eucariontes con reproducción sexual. Otro aspecto interesante es que la divergencia no es uniforme a lo largo del genoma, sino que se aprecian regiones más propensas a este cambio que otras.
La cercanía genética de estas cepas y el aislamiento de estas aguas termales vuelven esta propuesta un interesante modelo para comprender los patrones que guían la especiación en ambientes que sean análogos a estas condiciones y que podrían estar hablando de la probable generación de nuevas especies a partir de un ancestro común.
Actualmente, el definir “como es que surge una especie» en bacterias y archaeas, es un tema controversial, sin embargo se han propuesto dos modelos para tratar de explicar la especiación. El modelo de las barreras a la recombinación en ausencia de selección que explica la persistencia de “clusters” de secuencias, y el modelo de diferenciación ecológica que predice como la coexistencia de estos “clusters” puede resultar en la formación secuencial de barridos selectivos de adaptaciones a diferentes nichos. Los mecanismos anteriores dejan “huellas” en los genomas bacterianos, y por lo tanto, estos últimos pueden ser utilizados como fuente de información para demostrar o sugerir procesos de especiación. Bajo esta idea Cadillo-Quiroz y colaboradores secuenciaron los genomas completos de 12 cepas de Sulfolobus islandicus obtenidas del mismo nicho ecológico, geográficamente aislado (fuente termal del Volcal Mutnovsky: región de Kamchatcka Rusia) con el fin de identificar patrones de especiación. En primer lugar determinaron el tamaño de los genomas y las secuencias genómicas compartidas, infiriendo genealogía clonal con el fin de determinar la frecuencia de recombinación homóloga. Dentro del conjunto de cepas secuenciadas, observaron la presencia de dos grupos diferentes. La pregunta que surgió inmediatamente en el grupo de Cadillo Quiroz fue: ¿Cómo se formaron estos grupos?, ¿Pertenecían al mismo grupo y se diferenciaron con el tiempo?, o se diferenciaron en otro lugar y migraron. Para tratar de responder estas hipótesis observaron cuál de los dos mecanismos propuestos para especiación , se ajustaban a estas cepas. Sin embargo en los genomas no encontraron evidencias de barreras físicas pero si encontraron altos valores de diferenciación entre los grupos (alto Fst), y encontraron que cada especie tiene su propia isla genética que codifica funciones fisiológicas y fenotipo de crecimiento único. En conclusión, este trabajo demuestra la existencia de especiación simpátricaen archeas , y sugieren que el modelo con el cual se pueden estar generando nuevas especies, es la diferenciación ecológica. Es un trabajo sumamente interesante, ya que representa un claro ejemplo de como el saber utilizar la información genómica (genómica comparativa) puede ser crucial para entender y estudiar la especiación en microorganimos.
A través de este artículo se puede notar la dificultad que puede representar el asignar una posición taxonómica o identificar la filogenia de un grupo, ya sea través del uso de secuencias de genes ribosomales o por medio del análisis de varios genes, como es el caso del orden de los Thermotogales. Para comprender su desarrollo evolutivo y el poder vincular a este orden con los grupos con los que está más relacionado filogenéticamente se analizaron 5 genomas entre los cuales se comparten varias familias de genes pero otros, relacionados con metabolismo y con funciones no caracterizadas del todo, no mantienen una relación tan consistente.
Al parecer, los genomas de este orden parecen tener una historia evolutiva compleja y algo complicada de dilucidar. Usando una cantidad robusta de genes para efectuar el análisis comparativo, parece haber transferencia horizontal de genes que se correspondería con una mayor relación con las arqueas y una correlación de genes con respecto a los Firmicutes que se reafirma al utilizar sitios de evolución rápida (con al menos 50% de variación entre aminoácidos), se obtiene también baja relación con Aquificales (sin ser debido a posibles sesgos de información en las bases de datos utilizadas para la comparación de secuencias).
Y aunque la comparación de algunas secuencias de proteínas ribosomales, utilizadas como marcadores filogenéticos, muestra relación entre Aquificales y Thermotogales como taxones hermanos, esto puede ser desestimado puesto que la mayor parte del genoma indica otra dirección. Sin embargo, reafirma la idea de que las relaciones filogenéticas entre taxones puede ser multidimensional ya que muchos linajes pueden contribuir al desarrollo de otro a través de la transferencia horizontal de genes. El rastrear el origen verdadero de éstos puede resultar también todo un conflicto.
Una colección de doce Sulfolobus islandicus fue aislada de una poza de Rusia. Al analizar la secuencia de éstos se encontró un mayor nivel de flujo génico dentro que entre dos grupos coexistentes en este sitio, lo que implicaría que estos microorganismos representan dos especies que se encuentran divergiendo. En ausencia de barreras geográficas, la especiación depende del balance entre el flujo génico que mantiene unido a éstos linajes y la selección. Para microorganismos asexuales existen se han propuesto dos modelos, el primero dice que la coexistencia de los clusters puede ser resultado de barridos selectivos sobre mutaciones adaptativas a distintos nichos, mientras que el segundo modelo se basa en las barreras a la recombinación en ausencia de selección donde habrá formación de clusters cuando los efectos de la recombinación son menor que los de la mutación.
A partir de la secuencia de los aislados se encontró que comparten aproximadamente el 86% de su secuencia. Como se mencionó anteriormente se pudieron definir dos grupos, rojo y azul, entre los cuales se encontró una menor frecuencia de eventos de recombinación que dentro de ellos. Para buscar evidencia de eventos de recombinación no homóloga entre estas poblaciones, se mapeó la variación en el contenido del genoma con lo cual identificaron 48 segmentos mayores de 5 kb presentes en solo algunas de las 12 cepas.
Al estudiar estos dos grupos de Sulfolobus surge la interrogante de cómo distinguir si las diferencias observadas se deben a un evento de divergencia o si lo que observamos es una convergencia evolutiva. Para contestar esto los autores analizaron la distribución de los eventos de recombinación entre estos grupos, encontrando que los eventos de recombinación presentan un decremento, lo que nos estaría indicando que los grupos se encuentran divergiendo.
Otro de los factores importantes a considerar para la divergencia entre especies es la presencia o ausencia de barreras al flujo génico, en este caso, la recombinación, no encontrándose relación alguna entre la divergencia y la frecuencia de recombinación. Una de las secuencias más entre los genomas comparados es la correspondiente a la subunidad larga de la proteína S-layer, donde ésta parece tener origen en un evento de transferencia horizontal en el grupo azul.
El análisis de genomas de múltiples cepas de S. islandicus coexistentes en la misma poza permitió la identificación de un evento de especiación que se está dando en este momento. Un factor interesante aquí es que la fuerza que está guiando esta especiación no es una falta de recombinación, sino una diferenciación ecológica entre distintos loci a lo largo del genoma.
De 12 genomas de S. islandicus determinados por secuenciación de de alto rendimiento (High-throghput genome secquence) del Volcan Mutnovsky en Rusia, se formaron dos grupos basados en el numero de recombinación homologa. Estos dos grupos coexistentes – a criterio del autor- se ajusta al concepto biológico de especie. Se mapeo el contenido dentro de la filogenia central para probar si hay evidencia de flujo de genes no homólogos de todas las cepas y se demostró un bajo nivel de no homología entre los grupos. A demás se determinó un decremento en el flujo genético entre los grupos estudiando las distribuciones de los eventos de recombinación entre dos especies a través de la coalescencia de tiempo, indicando que los grupos divergen progresivamente de manera que es consistente con la especiación en curso. Se investigaron posibles barreras de recombinación, considerando la divergencia neutral, analizando regiones del cromosoma de alta divergencia y baja frecuencia de recombinación y así definir que no hay correlación entre la divergencia genética y la frecuencia de recombinación, esta falta de correlación es consistente con los mecanismos de recombinación reportados en otras Sulfoboulos. A través de la distribución de las enzimas metil-transferasas se indicó que este no es un sistema que pudiera ser considerado como barrera. La recombinación en cambio sí es limitada por una estructura física llamada pili, previene la agregación y conjugación a través de las especies simpátricas. Se notó una baja frecuencia de recombinación facilitando la selección por divergencia. Se examinaron diferentes genotipos y fenotipos entre los grupos para identificar posibles loci bajo selección diferencial que pudiera casar diferenciación ecológica: los grupos has divergido recientemente. Por último, para determinar si las diferencias del contenido génico entre los grupos pudieran ser responsables de la diferenciación ecológica, se identificaron regiones contiguas donde más de la mitad de los genes son exclusivamente por el grupo.
Estos dos grupos, podrían actuar como especies, que co-existen de manera simpátrica que parecen estar asociados al contenido genético para cada especie que tiene su propia isla genética y su propio fenotipo (especialización ecológica). Estas dos especies son soportadas precisamente por diferenciación ecológica.
Al realizar el análisis molecular de secuencias en poblaciones microbianas se pueden encontrar agrupamientos discretos que sugieren una relación estrecha entre linajes que coexisten pero son distintos, estos agrupamientos son considerados como especies, sobre todo cuando son ecológicamente distintos. La pregunta es entonces: ¿Cuáles son los mecanismos involucrados en la formación y mantenimiento de estos agrupamientos?. Se sabe que cuando no existen barreras geográficas la especiación depende del balance entre el flujo de genes y la selección.
Existen para los microorganismos asexuales 2 modelos teóricos y contrapuestos que tratan de explicar cómo se da este proceso: el primero le da énfasis a la selección como la que dirige la especialización ecológica y predice que aquellos agrupamientos que de manera persistente coexisten pueden resultar de mutaciones adaptativas secuenciales y selectivas para diferentes nichos y se mantienen unidos por la fuerza cohesiva de la deriva genética. Un segundo modelo (neutral) coloca el énfasis sobre las barreras que existen para la recombincación sin que la selección esté implicada; demuestra que los agrupamientos se formarán si los efectos de la recombinación son menores que los de la mutación.
El objetivo de este artículo era abordar la pregunta fundamental de si el flujo de genes entre microorganismos clonales es lo suficientemente rápido para dar coherencia y prevenir la especiación entre linajes coexistentes. Para evaluar esto los autores se enfocaron en la arquea Sulfolobus islandicus obtenida de una poza geotermal, la ventaja de este organismo es que se encuentra aislado físicamente, lo que es de gran utilidad al realizar el análisis de los datos. Se aislaron 97 cepas de 8 pozas diferentes, de estas 10 fueron secuenciadas de novo por shotgun con una cobertura entre 8-20X, 6 cepas (M.16.02, M.16.22, M.16.23, M.16.40, M.16.43, and M.16.47) se secuenciaron una segunda vez utilizando secuenciación apareada de 454 lo que incrementó la cobertura hasta 28-51X. Los genomas se ensamblaron en 3 etapas para lograr el mejor ensamblaje posible y disminuir al máximo los artefactos.
Se encontró que los genomas tienen un tamaño promedio de 2.64Mb, de los cuales el 86% es común a todas las cepas. Al realizar el análisis de secuencias de locus múltiple (MLSA) se encontró que una genealogía clonal y se estimó que la sustitución en los nucleótidos fue dada con mayor probabilidad por recombinación que por mutación con un cociente entre 1.8 y 13. Utilizando ClonalOrigin se encontraron fragmentos entre genomas donadores y receptores: el número de eventos de recombinación homóloga fue mayor dentro de 2 grupos que entre ellos, este patrón de mayor flujo dentro de un grupo que entre dos grupos que coexisten en el mismo hábitat se ajusta al concepto biológico de especie. Basándose en esta observación se dividieron a las cepas en 2 grupos: azul y rojo, con la existencia de 2 cepas intermedias casi idénticas que pueden recibir fragmentos con mayor frecuencia del grupo azul que del rojo y sirven como donadoras con menor frecuencia para ambos grupos.
Al evaluar la divergencia entre todos los genomas se encontró que ésta no sucede de manera uniforme en todo el genoma porque existen regiones genómicas que son más propensas a diferenciarse entre especies. Dada la ausencia de barreras ecológicas para la recombinación que puedan asociarse con la distancia genética es muy probable que el mecanismo de especiación sea la diferenciación ecológica entre loci en regiones muy diferenciadas del cromosoma o en algunas islas genómicas, esto prevendría la exclusión competititva que resulta en la extinción de una o varias especies.
Si bien deben realizarse más estudios que aborden los patrones genómicos de diferenciación entre especies en organismos modelos de los dominios Arquea y Eucaria, los resultados obtenidos en este artículo sugieren un proceso genómico unificado para la especiación entre estos 2 dominios e incluso en el árbol de la vida.
Patterns of Gene Flow Define Species of Thermophilic Archaea
El problema al entender los procesos de especiación en los procariontes, ha sido gran debate en la actualidad. Para poder explicar la presencia de diversidad en clusters de secuencias relacionadas cercanamente, coexistencia, se han propuesto dos modelos que están basados en microrganismos clonales: el primero enfatiza la selección, para direccionar la especialización ecológica, la persistencia de cluster de secuencias es mantenida por barridos de selección de mutaciones adaptativas para diferentes nichos. La diferenciación ecológica, correlaciona con baja tasa de recombinación. El segundo modelo propone que hay barreras para la recombinación en ausencia de selección que explica la persistencia de los clusters. La persistencia de clusters es porque la recombinación es menor que la tasa de mutación, pero cuando la recombinación es mayor a la mutación, esta actuara como fuerza cohesiva de clusters. Alguna de estas barreras puede ser desajuste de reparación de reconocimiento, que reduce la frecuencia de recombinación homóloga entre secuencias divergentes. Para poder vislumbrar si hay barreras de recombinación o es la selección las que dirigen los procesos de especiación, secuenciaron el genoma completo de 12 cepas de Sulfubus islandicus, de un volcán ubicado en Rusia. Las cepas comparten un 86 % del genoma, los eventos de recombinación homóloga fueron altos dentro de dos grupos pero había baja recombinación entre estos dos grupos, este resultado lo asemeja al concepto de especie en eucariontes. Por otra parte si había presencia de HR (recombinación homóloga, por sus siglas en ingles) asumiendo que las barreras no eran del todo completas para el flujo génico. Decidieron mapear si había secuencias de THG no homologas dentro del genoma núcleo, para las poblaciones, encontraron 48 segmentos que no pertenecían al genoma núcleo en solo algunas de las 12 cepas, solo 4 de estos segmentos podían explicarse del intercambio entre cepas de los grupos mencionados. Las distribución de estos 48 segmentos, apoya la hipótesis de que hay un bajo nivel de flujo génico no homologo entre estos dos grupos. Propusieron que el origen de estos dos grupos podría deberse a que están en un proceso de divergencia, o por el contrario evolucionaron de manera independiente y ahora estaba convergiendo probablemente a eventos de migración con introgresión mediante el modelo de coalescencia, determinaron que los eventos de recombinación a partir de los dos grupos disminuía en el tiempo de coalescencia, favoreciendo la hipótesis de divergencia y una posible especiación. Esta observación, demuestra que por bajo flujo génico hay coexistencia e interacción de estos dos grupos de cepas. Sin embargo indagaron de qué manera pudieron haber divergido y cuáles son las fuerzas que los mantienen como grupos independientes. No encuentran una correlación entre la divergencia y la frecuencia de recombinación, sin embargo ubican una diferencia de aminoácidos en alelos del pili entre los dos grupos, lo cual creen pero no está comprobado que pudiera servir como barrera para la THG. Debido a la probable ausencia de barreras, la principal fuerza que podría tener una influencia es la selección diversificadora, trataron de comprobarlo con el test MK los resultados eran congruentes con la divergencia de ambos grupos. Diferentes regiones cromosomicas podrían exhibir distintos patrones de especiación. La coexistencia de las cepas de Sulfubus mediante los análisis génicos realizados dan evidencia de especiación simpátrica.
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Patterns of Gene flow define species of thermophilic Archaea Cadillo-Quiroz et al. (2012). Patterns of gene flow define species of thermophilic Archaea. Plus Biology 10(2) 1-11
Podemos darnos cuenta de la gran diversidad de bacterias y arqueas que hay en el mundo, pero muy poco conocemos acerca de sus mecanismos de especiación. Con la llegada de la era genómica y las nuevas tecnologías de secuenciación es cada vez más sencillo realizar estudios acerca de la especiación, delimitación de concepto de especies procariontes, etc., incluso determinar los mecanismos que actúan en estos procesos y como las bacterias pueden ajustarse al concepto biológico de especie. Hablar de especiación simpátrica es difícil de concebir en bacterias y arqueas, pero en este artículo podemos apreciar que si pueden estos organismos presentar diferenciaciones que culminen con la aparición de barreras reproductivas por diferenciación ecológica.
Los autores están interesados en entender ¿Cómo es que se forman las especies bacterianas? Para lograr este objetivo se analizaron doce genomas de aislados pertenecientes al genero Sulfolobus aislados de una poza termal en el volcán Mutnovsky.
Utilizando las regiones compartidas entre los genomas se determino la genealogía donde se observo la formación de tres grupos discretos, sin embargo por la claridad de estos solo se trabajo con dos (azul y rojo). El análisis de recombinación (homologa y no homologa) determino que existía poca entre los grupos y mucha dentro de los grupos, sin embargo no se encontró ninguna barrera física aparente.
Se busco descartar la hipótesis de la migración, es decir dos especies que evolucionaron en sitios distintos y ahora están conviviendo o lo contrario, para probar esta hipótesis se realizo un análisis utilizando tiempos de coalescencia y se determino que eran dos especies que estaban divergiendo.
Los análisis de Fst mostraron que la mayor parte del genoma se ha separado, sin embargo se encontraron regiones especificas donde aun existe recombinación. Por lo que el proceso de especiación se esta dando de una manera no uniforme a lo largo del genoma. Este ultimo punto recuerda el articulo de Adam C. Retchless y divergencia de Escherichia y Salmonella.
Por lo que los procesos de especiación si se dan en bacterias y son similares a los descritos para eucariontes (especiación simpátrica en este caso) sin embargo los procesos debido a la recombinación diferencial entre los loci son más complejos y en muchos casos mas lentos que para eucariontes.
Como ya hemos visto, la aparición de nuevas especies se explica con modelos que suponen la aparición periódica de variantes mejor adaptadas que son preservadas por la selección natural, en donde se puede incorporar un bajo nivel de flujo genético que no limita los efectos de esta selección; o mediante modelos que suponen barreras a la diferenciación entre, con lo cual ésta juega el papel de un adhesivo y la manera en que se da la especiación es cuando surgen barreras a la recombinación. En este estudio se examinaron estos dos mecanismos contrapuestos en 12 cepas de Arqueas pertenecientes a la especie Sulfolobus islandicus mediante la secuenciación completa de sus genomas, esto con el fin de detectar secuencias compartidas, posibles elementos obtenidos por transferencia horizontal y para estimar las tasas de flujo genético y de aparición de mutaciones. Los resultados muestran que las secuencias son bastante similares. Usando una herramienta llamada ClonalOrigin, cuyo nombre lo revela, sirve para estimar la frecuencia de recombinación homóloga entre secuencias, se mostró que la mayoría de la tasa de recombinación es alta dentro de las poblaciones y que hay más probabilidad de que ésta se dé adentro de los grupos que entre los grupos, lo que indica que la recombinación se da con más frecuencia adentro de poblaciones que tienen una similitud promedio mayor entre sí que con otras poblaciones con las cuales la similitud promedio es más baja. En la figura 2 se puede observar que hay dos grupos principales de poblaciones dentro de las cuales la tasa de recombinación homóloga es mayor. Para estimar la tasa de recombinación no homóloga (es decir, la que se debe a transferencia horizontal) se compararon los genomas núcleo, hallándose 48 secuencias exógenas, de las cuales sólo 4 podrían resultar de eventos de transferencia entre grupos. Es notable que a pesar de la ausencia de barreras obvias a la recombinación, se están formando dos grupos claramente divergentes. Una explicación que se propone es la especificidad de las enzimas de restricción de cada cepa. Otro resultado relevante es que el cociente de McDonald-Kreitman no revela que haya sustituciones no sinónimas entre poblaciones, aunque hay un número no despreciable de polimorfismos entre las poblaciones más diferenciadas. Quizá lo que está pasando es que hay muchos cambios en muchos loci que están bajo una selección de baja intensidad. Se identificaron cuatro regiones candidatas a ser las que están provocando la diferenciación y dos islas adicionales también con anotación funcional, además de que se identificaron características ecológicas asociadas al crecimiento en medios ricos en nutrientes que difieren entre los dos grupos que podrían ser responsables de la diferenciación. Estos resultados en general indican que la especiación simpátrica es una posibilidad real, aún bajo la ausencia de barreras al flujo genético.
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