Mutation rate dynamics in a bacterial population reflect tension between adaptation and genetic load
1. Wielgoss, S. & Barrick, J. Mutation rate dynamics in a bacterial population reflect tension between adaptation and genetic load. PNAS 3, (2013).
Mutations are the ultimate source of heritable variation for evolu- tion. Understanding how mutation rates themselves evolve is thus essential for quantitatively understanding many evolutionary processes. According to theory, mutation rates should be mini- mized for well-adapted populations living in stable environments, whereas hypermutators may evolve if conditions change. How- ever, the long-term fate of hypermutators is unknown. Using a phylogenomic approach, we found that an adapting Escherichia coli population that first evolved a mutT hypermutator phenotype was later invaded by two independent lineages with mutY muta- tions that reduced genome-wide mutation rates. Applying neutral theory to synonymous substitutions, we dated the emergence of these mutations and inferred that the mutT mutation increased the point-mutation rate by∼150-fold, whereas the mutYmutations reduced the rate by ∼40–60%, with a corresponding decrease in the genetic load. Thus, the long-term fate of the hypermutators was governed by the selective advantage arising from a reduced mutation rate as the potential for further adaptation declined.
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En cierta forma este artículo también analiza la funcionalidad de las mutaciones. Se supone que la acumulación de sustituciones sinónimas proporciona una estimación de la tasa de mutación genómica, ya que al ser neutras deberían acumularse a una tasa que depende solo de la tasa de mutación y no de su selección. Sin embargo los organismos difieren en el uso de los codones sinónimos y esta diferencia indica no solo una tendencia mutacional sino una selección de codones preferidos que reflejarían eficiencias en la traducción, rendimiento o ambos.
Para abordar este planteamiento, el estudio estima los efectos de mutT y mutY en un espectro de mutaciones, pero no en función del uso del codon, sino el relación al tamaño efectivo de la población en E. coli (aunque no se sabe bien se ha estimado un valor de 2.5×107). No hay indicación de que la selección sobre el uso del codon tenga un efecto apreciable sobre las tasas de mutación estimadas y las cargas genéticas, en el mismo estudio.
Por otro lado, el desajuste en el contenido de G-C afecta las tasas de mutaciones estimadas. No hubo mucha relación entre las mutaciones y el cambio C:G.
Entre otros de los factores que se analizaron en relación a las mutaciones benéficas, se encontró que ni la demografía ni la selección por cuello de botella, tiene influencia sobre la tasa de mutación que se estimó, debido a que este calculo depende del número de generaciones entre dos genomas secuenciados, pero no del tamaño de población.
Vivir es un balance entre estar suficientemente adaptado a las condiciones actuales y tener suficiente plasticidad como para responder a los cambios ambientales. En este artículo se examina el destino de una variedad de E. coli con una mutación (mutT, una proteína responsable de eliminar errores que involucran nucleótidos oxidados de guanina) que le confiere hipervariabilidadm que se puso a crecer en medio mínimo con glucosa limitada.
Un exceso de mutaciones es nocivo para la integridad estructural del genoma y las bacterias poseen mecanismos de reparación. Estos también pueden mutar, aunque estos cambios no son normalmente beneficiosos, excepto en el caso de que el organismos se encuentre en nuevos ambientes donde las novedades podrían resultar beneficiosas. En el mismo experimento iniciado por R.E. Lenski (más de 20 años de evolución experimental de E. coli), se usó una mutación de mutT detectada previamente. La línea de evolución experimental mostró que las descendientes de los primeros clones revirtieron la inicial tasa de mutación en un porcentaje de aproximadamente 60%. Este fue causado por una mutación adicional (mutY) que revierte parcialmente el efecto de mutT. El efecto total sobre la tasa de mutación del genoma fue evaluado haciendo una equivalencia del número de sustituciones neutrales con la tasa de mutación multiplicada por el número de generaciones y el número de sitios dentro del genoma, con lo cual se obtiene la tasa aproximada de mutación. El fitness relativo de los cambios fue evaluado con pruebas de competencia entre las cepas. La cepa de la cual provenían las clonas poseía una adecuación relativa pequeña respecto al ancestro, pero la aparición de mutT aumentó este valor, mientras que mutY lo disminuyó de nuevo. Los resultados muestran que el beneficio inicial de la mutación se ve contrarrestado por la carga genética que imponen las mutaciones, lo cual hace que las cepas que ya se adaptaron a su ambiente y reducen entonces su tasa de mutación tengan una ventaja.
En este artículo quieren evaluar cuáles son las mutaciones que sufren poblaciones de Escherichia coli cuando son sometidas a más de 41.5° de temperatura, para esto utilizaron 115 poblaciones y las pusieron a crecer por un periodo de 2000 generaciones, ya que es el tiempo en donde se han visto mayores cambios en las mutaciones.
El resultado fue que encontraron 1331 mutaciones las cuales se localizaron en aproximadamente 600 lugares diferentes del genoma, una ves teniendo este dado, analizaron en donde se encontraban, si eran mutaciones puntuales, inserciones, deleciones, duplicaciones, etc.
Sin embargo, pese a haber mapeado en muchos lugares diferentes, el efecto de muchas mutaciones benéficas no es del todo visible, no obstante, se demostró que hay una co-ocurrencia de las mutaciones, las cuales llegaron a ser las más importantes para soportar los cambios de temperatura, estas mutaciones, terminaron siendo parte de las vías involucradas con la RNA polimerasa y el factor Rho.
Suguiendo el experimento a largo plazo de Lenski (50,000 generaciones 12 poblaciones/12 frascos) Wielgoss y colaboradores, buscaron identificar las bases moleculares del aumento o la disminución de la tasa de mutación. En este trabajo re-secuenciaron el genoma de 22 clonas de una de las 12 poblaciones en diferentes tiempos, y reconstruyeron las relaciones filogenéticas de estas mutaciones. Debido a que conocían el número exacto de generaciones en un momento particular de la población, y que contaban con la ventaja de tener las secuencias genómicas de las clonas, pudieron determinar el número, tipo y lugar de todas las mutaciones ocurridas, comparándolas con el genoma del ancestro. Por lo tanto pudieron monitorear la tasa de mutación en diferentes puntos, y por lo tanto conocer la dinámica mutacional. Tomando en cuenta que habían obtenido en esta población un fenotipo mutador (mutT) el cual se estableció alrededor de la generación 25000 y del cual observaron una posterior reducción en la tasa de mutación, decidieron investigar las causas de dicha reducción. Tal y como lo muestran en sus resultados, encontraron que dos linajes independientes los cuales cargan mutT y mutY, disminuyen sus tasas de mutacion de manera similar, lo cual es una fuerte indicación de evolución paralela, Así como también encuentran dos mutaciones mutY que aparecieron independientemente en dos linajes diferentes, con diferentes «backgrounds» y en diferentes tiempos: mutY temprana y tardía (mutY-E y mutY-L respectivamente). Los autores mencionan que la tensión entre potencial evolutivo y carga genética, son los responsables de llevar a cabo estos cambios. Mientras que no se pudieron definir los efectos exactos de las mutaciones mutY, por reportes anteriores, los autores conocían el fenotipo de la doble mutante de mutT-mutY: cambio en el espectro mutacional, y disminución de la tasas de mutacion. Es decir, la interacción entre los fenotipos MutY y MutT, estaba previamente documentada, sin embargo en este artículo demuestran que el espectro mutacional y las tasas de mutación cambian tal y se predice para las dobles mutantes. Los autores sugieren que mutY es el mecanismo molecular para la reducción de la tasa mutacional.
La velocidad en que se dan las mutaciones es de gran valor para entender los mecanismos que impulsan la evolución. Las poblaciones en ambientes estables tenderán a mantenerse estables con una baja tasa de mutación pues están bien adaptados a su nicho, sin embargo, si el ambiente está sujeto a grandes fluctuaciones, los organismos hipermutantes tendrán ventaja puesto que esto incrementa las posibilidades de adquirir alguna ventaja por medio de mutaciones benéficas. Sin embargo, poco se sabe sobre lo que ocurre con las mutantes hipervariables a largo plazo. La hipótesis sugerida del estudio de las mutantes mutT de E. coli es que una vez que la población hipermutante se ha adaptado al nuevo nicho, tendrá un nuevo cambio que disminuirá la tasa de mutación.
Lo que se aprecia de este estudio a largo plazo es que entre la generación 20 000 y 30 000 surge la población cuya tasa de mutación se incrementa, éstas se corresponden con E. coli con mutación en mutT (por lo cual sus sistema de reparación de DNA se ve dañado, lo cual aumenta las posibilidades de mutación). En generaciones posteriores se aprecia la divergencia de dos ramas (dos mutaciones independientes) que acumularon menos mutaciones con respecto a mutT, mutY-E (aparece en la generación 30 000) y mutY-L (35 000), aunque nunca hubo reversión de esta primera mutación (se mantuvieron como dobles mutantes). Por sí sola la mutación en mutY aumenta también la tasa de mutación (también participa en la reparación de DNA), sin embargo, en el contexto de mutT, mutY disminuye la disminuye.
Igualmente, se evaluó la posibilidad de que la mutación en mutY haya ocurrido al azar y no por adaptación. Ya que el cambio en mutT favorece las transverciones A:T->G:V y mutY surge por este tipo de transversión, resultaba posible que se debiera a un aumento en las probabilidades de que ocurriera esta mutación, sin embargo, esta idea fue descartada a partir de la estimación de la probabilidad de que esto ocurriera, utilizando los datos del tiempo de ramificación y de la tasa de mutación. También se concluye que la aceleración de la evolución adaptativa y la reducción del load genético depende de la adecuación entre la población y el ambiente. Así, para poder tener una mejor comprensión del cambio evolutivo y los mecanismos que lo impulsan es necesario llevar a cabo experimentos de evolución a largo plazo.
Estimaron el
radiode sustituciones dN/dS para estimar la fracción de cambios no sinónimos que son deletereos. Examinaron también factores que podrían confundir en principio el efecto de los radios observados, incluyendo el sesgo de codón y selección, mutación asimétrica para altos contenidos de GC.La tasa de acumulación de sustituciones sinónimas provee un estimado de la tasa de mutación genómica, basadas en que las mutaciones sinónimas se acumulan, pues son neutrales y su estimado depende solo de la tasa de mutación y no la de selección. De acuerdo a un estudio la fuerza de selección para para el uso de un codón óptimo para la mayoría de los 40 genes muy expresados en E. coli, es aproximadamente igual a la inversa de su tamaño de población y la selección es débil en los genes que menos se expresan. Estimaron un tamaño de población de E. coli de aprox 2.5 x 10 7 por lo tanto la fuerza de selección contra sustituciones sinónimas sub-óptimas, fue menor a 10 -6 por generación. Aunque otros estudios con Salmnella typhimurium encontraron que sustituciones sinónimas tenían efectos sobre el fitness, que podrían indicar cambios en los RNAt y por lo tanto estar bajo selección. Pero ninguno de los codones de uso en este trabajo indicaba que estuvieran bajo selección que tuviera un efecto sobre los estimados de la tasa de mutación.
La segunda preocupación de que la mutación asimétrica de GC hubiera sesgado la tasa de mutación, la asimetría se refiere a que la hebra de DNA complementaria tiene diferentes radios de G-C contra A-T. Puede ser causado por la desaminación de C a T para el ADN de cadena sencilla, llevando estos cambios. Sin embargo en los cambios de los genes de mutT, fueron 414, no hubo ninguno de asimetría de GC ni tampoco en mutY-E.
Los cuellos de botella pueden disminuir la fuerza y eficacia de la selección permitiendo que se acumulen mutaciones deletéreas. Sin embargo, el tamaño de su población experimental es de 3 x 10 6 por lo que la fijación de mutaciones deletéreas por pura deriva es muy poco probable, también la selección de mutaciones beneficiosas disminuye el tamaño poblacional muchas mutaciones deletéreas podrían difundirse por autostop y este efecto podría llevar a subestimar la fracción de sustituciones no sinónimas pero la tasa de mutación se estimó a partir de la acumulación de mutaciones neutras porque este cálculo fue en función del número de generaciones entre dos genomas secuenciados, y no en el tamaño de la población
Una interrogante que ha surgido para comprender los procesos evolutivos es saber cómo la selección puede afectar la tasa de mutación. En la mayoría de los casos, mutaciones nuevas suelen ser deletéreas o negativas, por lo que los organismos han desarrollado sistemas que les permiten disminuir su tasa de mutación. Sin embargo, cuando llegan a un nuevo ambiente se genera un aumento en la tasa de mutación y en la selección de mutaciones que podrían ser benéficas. En organismos que han pasado por este proceso se han observado defectos genéticos en los sistemas de reparación, desarrollando un genotipo “hipermutante”. Este genotipo puede generar muchas mutaciones benéficas, pero eso no implica que se estén adaptando mejor al ambiente. Dado que el tiempo de aparición de una nueva mutación es más corto que el tiempo que le llevaría a dicho genotipo en fijarse en la población propicia a que no se pierda por procesos estocásticos, sin ningún efecto en la tasa de adecuación de la población. Sin embargo, estos hipermutantes pueden genera descendencia con una gran cantidad de mutaciones deletéreas, dando como resultado una tensión entre su capacidad adaptativa y la carga genética; por lo que estas poblaciones re-evolucionan con una disminución en la tasa de mutación después de que se sitúan mejor en el ambiente. En este estudio realizan un análisis genómico en clonas de E. coli que fueron sometidas a evolución experimental por 20 años para estimar el aumento o disminución de su tasa de mutación a lo largo de los procesos de divergencia entre dichas clonas. Por lo que, después de entre 20,000 o 30, 0000 generaciones se generó la disminución de su tasa de mutación, viéndose reflejado en dinámica del gen mutT. Usando un modelo máxima verosimilitud determinaron los tiempos de aparición de las mutaciones y el efecto que tenían sobre su adecuación. La dinámica evolutiva de su genoma reflejo el efecto que puede tener que en una misma población coexistan diferentes genotipos. Los cambios que fueron apareciendo en mutT a lo largo de su historia filogenética propiciaron la disminución de su tasa de mutación. Así también, por medio de la cuantificación del número de sustituciones sinónimas les fue posible construir la historia y la dinámica de la tasa de mutación; con lo cual, corroboraron que el aumento de mutaciones en este gen y las 2 disminuciones consecutivas de dicha tasa se reflejaron en la dinámica del gen mutY. En este caso, la evolución paralela es común en la adaptación, ya que las mutaciones en mutY aumentarían en frecuencia porque otorgarían una ventaja adaptativa. Por medio de la genética de poblaciones estimaron la carga genética asociada al incremento de la tasa de mutación por medio del radio de sustituciones sinónimas y no-sinónimas. Con lo cual se observó que se habían generado un 20% de sustituciones no-sinónimas; por lo que, era probable que los alelos de mutY que redujeron la carga genética al mismo tiempo otorgaron un beneficio adicional hipotético que propicio su dispersión.
En conclusión, este tipo de procesos van a depender de la interacción de la población con su ambiente, por lo que el incremento en la tasa de mutación podría cambiar durante su adaptación a los cambios ambientales y disminuir una vez que se haya adaptado.
En este artículo se cuantificó el cambio en las tasas de mutación que experimentan las clonas hipermutantes de Escherichia coli durante su evolución a largo plazo. Esto es relevante pues las mutaciones son la base del cambio evolutivo y en particular adquieren importancia cuando se presentan condiciones ambientales cambiantes. Sin embargo, no se sabe bien cuál es el destino de estas clonas hipermutantes a largo plazo una vez que se adaptan al ambiente cambiante pues sus tasas elevadas de mutación son una carga genética que afecta su adecuación a futuro; tal y como lo predice la teoría evolutiva. Para abordar este problema los autores investigan la dinámica de las tasas de mutación en las clonas a partir del surgimiento de los hipermutantes (mutT) y siguen su curso evolutivo hasta la generación 40,000. Lo que observan es la existencia de una reducción de las tasas de mutación en generaciones posteriores debido a mutaciones (mutY-E y mutY-L) que actúan en sentido inverso compensando y reduciendo la tasa de mutación y con la correspondiente disminución de su carga genética. Este es un paso que se vuelve una ventaja evolutiva y al final disminuye la adecuación de las hipermutantes mutT. Lo interesante del trabajo es que se tienen los distintos tiempos generacionales y sus genomas respectivos se estimas las tasas de mutación directamente de la historia evolutiva y de las ramas de los árboles filogenéticos de las secuencias, y se identifica el tipo de mutación involucradas ya que mutT tiene un sesgo de transversiones A:T–>C:G y los antimutantes mutY-E y mutY-L en el otro sentido C:G–>A:T. Además, surgen independientemente con el mismo efecto de disminuir la tasa de mutación que tenía mutT, esto lo demuestran al observar la tasa disminuida de los mutantes dobles que incluyen a mutT y a los genes antimutantes. A nivel de la población se evalúa que hay una disminución en la adecuación de mutT en los experimentos de competencia con las clonas antimutantes, lo que explica que el destino evolutivo es una disminución de las tasas evolutivas con disminución de la carga genética y una mayor frecuencia de mutY.
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