Mutation Rate Inferred From Synonymous Substitutions in a Long-Term Evolution Experiment With Escherichia coli
Mutation Rate Inferred From Synonymous Substitutions in a Long-Term Evolution Experiment With Escherichia coli. Wielgoss, Sébastien; Barrick, Jeffrey E; Tenaillon, Olivier; Cruveiller, Stéphane; Chane-Woon-Ming, Béatrice et al. (2011) G3 (Bethesda, Md.) vol. 1 (3) p. 183-186
ABSTRACT The quantification of spontaneous mutation rates is crucial for a mechanistic understanding of the evolutionary process. In bacteria, traditional estimates using experimental or comparative genetic methods are prone to statistical uncertainty and consequently estimates vary by over one order of magnitude. With the advent of next-generation sequencing, more accurate estimates are now possible. We sequenced 19 Escherichia coli genomes from a 40,000-generation evolution experiment and directly inferred the point-mutation rate based on the accumulation of synonymous substitutions. The resulting estimate was 8.9 · 10211 per base-pair per generation, and there was a significant bias toward increased AT-content. We also compared our results with published genome sequence datasets for other bacterial evolution experiments. Given the power of our approach, our estimate represents the most accurate measure of bacterial base-substitution rates available to date.
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La variación es la fuente de la creatividad de la evolución, y la mutación es la fuente primaria de ésta (aunque se pueda adquirir más tarde en “paquetes” completos por transferencia horizontal de genes y procesos como la transformación, de todos modos los nuevos genes vienen de otros que han tenido cambios puntuales y progresivos). Con la nueva capacidad de realizar estudios de genomas completos ahora se puede estudiar con qué velocidad proceden las tasas de mutación en experimentos de evolución dirigida. En este artículo se reporta la secuenciación de19 muestras de E. coli que fueron dejadas para que evolucionaran, de las cuales se preservaba una muestra cada cierto tiempo, de modo que se obtuvo una secuencia precisa de genomas con los cuales observar dónde y cómo se dieron los cambios. Se registraron los cambios que fueron sustituciones sinónimas, que fueron un total de 52 en los 19 genomas secuenciados; y eliminando los genomas repetidos de la misma población, lo que entiendo que se hace porque estos eventos no tienen una probabilidad independiente, como los demás, se quedaron un total de 35 cambios, lo que equivale a una tasa de mutación de 8.9 x 10-11 mutaciones por par de bases cada generación. Las probabilidades de transición están sesgadas hacia los cambios A:T, lo cual se detectó con una prueba de máximum likelihood para detectar desviaciones de las sustituciones usando un modelo de Poisson como base. En general las conclusiones de este artículo indican que bajo la presunción de la neutralidad, es de esperarse que un genoma de 4.6 x 106 pares de bases cambie un 0.00041% cada generación.
Mutation Rate Inferred From Synonymous Substitutions in a Long-Term Evolution Experiment
With Escherichia coli
La importancia en determinar la tasa de mutación y recombinación en las bacterias es relevante para entender los mecanismos de evolución que hay dentro de este grupo. Muchos trabajos han estimado la tasa de mutaciones sinónimas en cepas clónales de la misma especie. Sin embargo muchas veces no conocen el tamaño del blanco de mutaciones que permitirá correlacionar los resultados con el fenotipo, ni trabajan con secuencias del genoma completo durante los tiempos generacionales. Por esta razón las tasas de mutación reportadas difieren en amplios rangos, específicamente en E. coli.
Este articulo reporta la tasa de mutación de la cepa E. coli REL606, a partir de la re-secuenciación de 19 clonas provenientes de ocho poblaciones, de un experimento evolutivo. Compararon las secuencias con la cepa ancestral usando “pipelines”, SniPer y breseq. Se calculó la tasa de dN/dS para cada clona, se utilizaron house scripts para calcular el número de sitios codificantes de proteínas en el genoma ancestral para conocer la frecuencia de mutaciones sinónimas y para determinar la tasa de mutación utilizaron el método de máxima probabilidad.
El radio de dN/dS fue mayor a uno, por lo que las generaciones están bajo selección positiva, concluyeron que fueron 35 eventos de mutación, estimando la tasa en 8.9 x10 -11 En el genoma completo se asumió neutralidad de sustituciones sinónimas, como marca la teoría de genéticas de poblaciones, y notaron que la tasa de mutación podría diferir entre distintas cepas, especies y condiciones ambientales. La tasa de mutación por base fue calculada para transición-inversión tuvo una relación 1:1.99, siendo las mutaciones de G: C a T:A 15 veces más probables que A:T a G:C, después de tomar en cuenta la composición de la secuencia. Esto implica que la composición de GC dentro de un genoma, influirá en la tasa de mutación, siendo más divergentes aquellas bacterias que tengan un alto contenido de GC.
A partir del experimento de evolución sobre E. coli llevado a cabo por Lenski, se secuenciaron 19 genomas de individuos tomados a las 40,000 generaciones, y sobre ellos e estimó la tasa de mutaciones puntuales en case a la acumulación de sustituciones sinónimas.
En bacterias las tasas espontáneas de sustitución de bases puede ser estimada por métodos tales como la prueba de fluctuación de Luria-Delbrück o al comparar las secuencias de DNA de linajes con tiempos de divergencia conocidos, sin embargo debido a las distintas suposiciones empleadas en los modelos, no son del todo precisas. Como se ha mencionado anteriormente, el uso de genomas completos ha permitido la generación de nuevas metodologías de análisis, siendo este trabajo un ejemplo de ellos donde los autores se enfocan en 19 clonas que no presentaban una alta tasa de mutación en la fase inicial del experimento.
Al analizar las sustituciones sinónimas en los clones seleccionados, se encontró para 18 de ellos proporciones dN/dS mayores de 1.0, lo cual estaría sugiriendo una selección positiva.
En los genomas analizados se encontró un total de 52 sustituciones sinónimas, sin embargo debido a la historia de las poblaciones, el número final fue de 35. La tasa estimada de mutaciones a partir de las sustituciones observadas fue de 8.9×10-11 por pares de bases por generación, tasa intermedia a las obtenidas con los métodos comparativos y experimentales previos. Las diferencias entre las distintas estimaciones, mencionan los autores que podría estar dada por la falta de precisión en la estimación de la acumulación de eventos de mutación y el tiempo generacional, datos con los cuales se cuenta debido al diseño experimental.
Para la correcta o más precisa estimación de las tasas de mutación, es importante tener en consideración factores tales como el tiempo generacional y/o el número de generaciones en el cual apareció la mutación de interés, así como el posible sesgo que pueda existir entre transiciones y transversiones, pues como se ha observado en algunos trabajos, puede existir un sesgo a partir de la composición del genoma.
Uno de los motores más poderosos de la evolución, es la mutación, por lo tanto el conocer la tasa a la que ocurre este proceso, es de suma importancia para entender los procesos evolutivos. En este trabajo, el grupo de Wielgoss, Lenkski y colaboradores, lograron deducir la tasa de tasa de mutación más precisa determinada para una población de E.coli. A grandes rasgos, secuenciaron el genoma de 19 cepas obtenidas en un experimento controlado de 400,000 generaciones, e infirieron las mutaciones puntuales al comparar los 19 genomas con el de la cepa ancestral (con la que se inició el experimento) y definieron la tasa de mutación como el cociente de las mutaciones sinónimas (25) entre el producto de las mutaciones acumuladas (300,000) por el número de sitios sinónimos (941,000) dando como resultado una tasa de mutación de 8.85 E-11. Los autores mencionan que esta tasa de mutación es la más precisa para E.coli y por otra parte evidencian la ambigüedad de las tasas mutacionales derivadas de estudios experimentales y comparativos anteriores, donde las tasas de mutación variaban en un orden de magnitud. Ahora bien, la razón por la cual pudieron estimar con precisión la tasa de mutación, es porque tenían la gran ventaja de tener un experimento generacional controlado el cual llevaba varios años funcionando, además de que contaban con la cepa inicial la cual pudieron utilizar como referencia y finalmente con la mejora de las técnicas de secuenciación, pudieron secuenciar 19 genomas de 8 poblaciones representativas. Es importante mencionar que los autores enfatizan en que estos datos no se pueden generalizar, ya que las tasas de mutación pueden variar entre cepas y, especies, además de que dependen de las condiciones ambientales en las que se encuentren.
La mutación y la recombinación son las fuerzas generadoras de la variación quien es el combustible para la adaptación, por lo que estimar la tasa de mutación se vuelve importante para la teoría evolutiva cuantitativa. La tasa de mutación ha sido calculada para las bacterias por diferentes métodos y todos arrojan resultados distintos. En este articulo se busco calcular la tasa de mutación utilizando 8 poblaciones provenientes del experimento a largo plazo de Richard Lenski.
Las mutaciones se identificaron comparando con el genoma del ancestro y se estimo la tasa de mutación utilizando máximum likelihood. Se analizaron las sustituciones sinónimas ya que el valor de dN/dS fue mayor a uno en casi todas (lo que habla de selección positiva). Se observaron 35 eventos de mutación, para los que se estimo una tasa de mutación de 8.9 x10 -11 por pares de bases por generación, calculo que es intermedio si se compara con la literatura. Sin embargo los autores argumentan que dada la cantidad de generaciones y el uso de genomas completos, su estimación es mas acertada. También se calculó el espectro de sustituciones en las bases nucleotídicas, encontrando que es mucho más probable cambiar de C:G a T:A que viceversa.
De tal manera que en este articulo se propone una forma para calcular la tasa de mutación partiendo de genomas completos, diferentes poblaciones y con historia generacional.
Para poder comprender mejor el proceso de evolucion, la cuantiutaficación de las mutaciones que ocurren de forma espontánea permitiría obtener más información sobre las posibilidades de divergencia entre cepas de una misma especie que se correspondería, eventualmente, con una mejor adaptación al nicho.
Las dos posibilidades presentes son: 1)el test de fluctuación que requiere aplicar condiciones selectivas y requiere conocer el tamaño del blanco de la mutación; y 2)la comparación de secuencias de linajes con tiempos de divergencia conocidos, asumiendo que las mutaciones sinónimas son neutras.
De esta manera, de la secuenciación de 8 poblaciones se infirieron las mutaciones puntuales adquiridas y acumuladas que correpondían a sustituciones sinónimas. De esta manera estimaron un valor de 8.9e-11 por base por generación(ó -10.05 log) que es particular para esta cepa de Escherichia coli. Otro resultado curioso es que se aprecia un aumento en T:A, de modo que se ve en mayor medida el cambio de C:G a T:A en bacterias (relacionado con el uso de codones).
Así mismo, para validar el método propuesto para cuantificar las mutaciones sinónimas espontáneas se aplicó la misma técnica a otras especies con datos de experimentos de evolución a largo plazo disponibles en bases de datos de libre acceso obteniendo buenos resultados y corroborando que cada cepa tendrá su propio grado de mutación. De manera que este método se presenta como una buena alternativa para inferir el tiempo en que ocurren este tipo de mutaciones que contribuyen con la divergencia de linajes dentro de una misma especie, con lo cual se tiene una mejor perspectiva del camino evolutivo que va siguiendo la poblacion.
En este artículo se calcula la tasa de mutación directamente a partir de los genomas secuenciados de Escherichia coli (19 clonas; 40,000 generaciones; 300,000 generaciones acumuladas; 941,000 posibles sitios sinónimos). La ventaja es que a partir de los estudios de evolución experimental y genómica se puede saber exactamente cuántas mutaciones se han adquirido en el tiempo, cuál es el tamaño del genoma y en dónde están los sitios de las mutaciones. Para el cálculo de las tasas de mutación se consideran relevantes sólo las sustituciones sinónimas de acuerdo al modelo de evolución neutral. El resultado principal del trabajo es el cálculo exacto de la tasa de mutación neutral, para lo cual se encontró un total de 52 sustituciones sinónimas que con la corrección por usar pseudorréplicas, dado que son genomas que derivan de una clona, da un total de 35 eventos de mutación. Con todos estos datos a la mano, el cálculo final da una tasa de mutación puntual de 8.9 x 10e-11 mutaciones por sitio por generación con un intervalo de confianza del 95% que va de 5.7 a 13 (es bastante bueno, más exacto comparado con lo antes reportado). También evaluaron la proporción de transiciones y transversiones. Se observó un sesgo hacia las transiciones con magnitud de 14.5 veces más probable C:G a T:A que de A:T a G:C. Esto es relevante para entender los sesgos mutacionales y su posible efecto sobre la composición de nucleótidos en los genomas. Los sitios sinónimos sujetos a evolución neutral hasta cierto punto representan la evolución de fondo que sirven para entender los modelos neutrales de evolución molecular. En realidad son un modelo nulo que si no hay clonas hipermutantes o efectos ambientales que lo modifiquen permite entender los posibles efectos e importancia de los otros procesos evolutivos como la selección casi neutral y selección natural por ejemplo a nivel de los codones y de su uso preferencial.
Quiero corregir una parte, ellos no utilizaron los métodos de Luria-Delbrûck ni la comparación de secuencias de DNA de linajes con tiempo de divergencia aproximadamente conocidos. Ellos utilizaron las secuencias de genomas completos de los aislados de experimentos previos.
La evolución es un proceso que es el resultado de la generación de mutaciones y de la recombinación del material genético. Para cuantificar dichos procesos evolutivos es necesario conocer la tasa de mutación que caracteriza la composición genética de los organismos. En bacterias han sido propuestos diferentes métodos para calcular dicho parámetro; sin embargo, hay variaciones interesantes en los resultados que generan. Un parámetro que se utiliza para estimar la tasa de mutación es cuantificando el número de sustituciones sinónimas. Actualmente, la estimación de la tasa de mutación puede ser más exacta utilizando la información proporcionada por los genomas secuenciados de bacterias que han sido sometidas a evolución experimental. En este caso, secuencian 19 genomas de clones de E. coli que fueron obtenidos de 8 poblaciones que provenían de un estudio de evolución experimental que fueron mantenidos por 40,000 generaciones; dichos clones, se caracterizaban por tener una baja tasa de mutación antes de iniciar dicho estudio. Su análisis mostró un que estos clones se encontraban bajo un proceso de selección positiva. Se estimó un total de 52 sustituciones sinónimas y como estos clones compartían una historia en común, solamente habían ocurrido 35 mutaciones. En la teoría se sabe que la tasa de mutación puede variar entre especies o cepas, la cual va a depender de las condiciones ambientales en las que fueron sometidas a procesos evolutivos. Así también, se observó que se habían generado un mayor número de cambios de G:C a A:T; por lo que en este caso, los cambios en su composición genética están relacionados a la proporción de G:C de su genoma y, dichos cambios pueden ser mejor estudiados en este tipo de estudios de evolución experimental.
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