Population Genomics of Early Events in the Ecological Differentiation of Bacteria
Population Genomics of Early Events in the Ecological Differentiation of Bacteria
DOI: 10.1126/science.1218198 Science 336, 48 (2012); B. Jesse Shapiro et al.
Genetic exchange is common among bacteria, but its effect on population diversity during ecological differentiation remains controversial. A fundamental question is whether advantageous mutations lead to selection of clonal genomes or, as in sexual eukaryotes, sweep through populations on their own. Here, we show that in two recently diverged populations of ocean bacteria, ecological differentiation has occurred akin to a sexual mechanism: A few genome regions have swept through subpopulations in a habitat-specific manner, accompanied by gradual separation of gene pools as evidenced by increased habitat specificity of the most recent recombinations. These findings reconcile previous, seemingly contradictory empirical observations of the genetic structure of bacterial populations and point to a more unified process of differentiation in bacteria and sexual eukaryotes than previously thought.
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Las bacterias intercambian información genética entre ellas de manera común, en este intercambio pueden transmitirse mutaciones adaptativas o neutrales. Si bien este proceso es ubicuo, se desconoce cómo las mutaciones adaptativas se esparcen en una población bacteriana y como la diferenciación ecológica se ve impactada por esta dispersión. Existe una pregunta fundamental en este campo: ¿Las mutaciones ventajosas conllevan a la selección de genomas clonales o es como en organismos sexuales donde se mueven en las poblaciones?. En este artículo se evaluaron dos poblaciones recientemente divergidas de bacterias oceánicas del género Vibrio.
Los autores proponen un escenario evolutivo basado en tres líneas de evidencia, la primera es que la divergencia genética entre poblaciones ecológicas está restringida a algunos loci en una o ambas poblaciones, lo que habla acerca de que el proceso está restringido a algunas regiones del genoma. La segunda evidencia es que sólo uno de los 2 cromosomas se han esparcido en parte de una población. La última línea de evidencia parte de que al analizar los eventos de recombinación en todo el genoma de ambos Vibrios, los eventos de recombinación más recientes son específicos a una población pero los eventos más ancestrales son comunes a ambos, lo que refuerza la idea de que estas poblaciones están siguiendo trayectorias evolutivas diferentes. Los genes de adquisición reciente corresponden a genes flexibles para hábitats específicos y se puede apreciar poca divergencia genética entre ambos organismos.
Los resultados obtenidos en este trabajo permiten predecir que, al menos en este par de Vibrios, si se mantiene la tendencia en la alta tasa de recombinación intra población la recombinación disminuirá gradualmente con la consecuente divergencia en las secuencias, lo que a su vez ocasionaría la formación de grupos genéticos diferentes.
¿Cuáles son los mecanismos por los cuales se lleva a cabo diferenciación ecológica? Desde el punto de vista de Cohan, hay muy poca recombinación entre las poblaciones bacterianas, y por lo mismo es improbable que la recombinación desorganice la integridad de las adaptaciones específicas de cada población, y por lo tanto, propone que la selección periódica, por medio de barridos selectivos, es la responsable de permitir la diferenciación ecológica. Aunado a esto, está documentado que la recombinación génica es una fuerza que mantiene homogéneas las poblaciones evitando o retrasando su diversificación, la cual ocurre en un periodo de tiempo muy grande, en este caso se puede mencionar ejemplo de E.coli y S. entérica, especies que tardaron en divergir ~70 millones de años, evidenciando la fuerza de la recombinación en mantener unidas a las poblaciones [Retchless y Lawrence 2007] Potra parte, Shapiro y colaboradores, indican que la recombinación es la fuerza que permite a las poblaciones diferenciarse. En su artículo publicado en Science, estos últimos autores sugieren que los ecotipos pueden surgir incluso en poblaciones en donde no ha habido barridos selectivos, contradiciendo la postura de Cohan. En este reporte se enfocan a estudiar a nivel genómico 20 cepas provenientes de dos poblaciones de Vibrios marinos, previamente estudiadas en [Hunt et al., 2008]. Estudiaron la población de estos vibrios que se encuentran en estado muy temprano de especialización con muy poca divergencia. En este trabajo obtienen cinco evidencias claras para generalizar que la recombinación es importante para la diferenciación ecológica. En primer lugar observan que la diferenciación entre poblaciones se restringe a pocos lugares en el core-genoma, siendo que además observaron que solo el 1% del core-genoma describe adecuadamente la evolución de las 20 cepas estudiadas. La segunda evidencia la obtuvieron al observar incongruencias en las filogenias de regiones cromosómicas, por lo cual dedujeron que existían fragmentos genómicos que podían eliminarse a través de las poblaciones de manera ecológicamente diferencial. Por otra parte observaron que en los genomas existíann zonas de mayor variación dentro de los mismos grupos, que entre ellos, lo que indica que estos grupos están recombinando entre ellos mismos y no entre ellos. Además, encontraron genes y alelos específicos que indican presiones selectivas asociadas con especialización a diferentes micronichos, y finalmente, observan genomas mosaico, que con diferentes bloques genómicos soportan diferentes gilogenias, lo cual sugiere recombinación frecuente de y una población ancestral ecológicamente uniforme.
Entre las bacterias sabemos que no es poco común encontrar evidencia de intercambio genético, pero el encontrar el efecto en la población durante la diferenciación no es del todo trivial. En este trabajo se enfocan en analizar dos poblaciones del género Vibrio recientemente divergidas donde la diferenciación ecológica se ha dado relacionada a un mecanismo sexual por el cual algunas regiones del genoma han sufrido barridos dentro de las sub-poblaciones en una forma hábitat-específica, seguido de una separación gradual de la poza génica. Aquí el interés es conocer si la recombinación tiene la fuerza suficiente para permitir una selección gen-específica más que hacia el genoma.
A partir del análisis de los genomas estudiados, se encontró que más que barridos a nivel genoma, son aquellos en regiones del genoma los que están favoreciendo la diferenciación. En el modelo empleado se replantean tres líneas: la mayoría de la divergencia entre poblaciones se encuentra restringida a unos poco loci y que los eventos más recientes de recombinación tienen a ser población específicos.
Como se mencionó, si bien puede haber una falta de barridos selectivos a nivel del genoma, un agrupamiento genotípico estricto surgirá eventualmente como resultado de una recombinación preferencial dentro más que entre hábitats.
Posteriormente los autores se enfocan en un modelo para la diferenciación ecológica en bacterias. Como se había observado una estructura de mosaico en los genomas donde diferentes regiones del genoma daban soporte a diferentes filogenias, era necesario considerar la recombinación. En estos organismos, la adquisición de genes hábitat específicos probablemente juegue un papel en la iniciación de la especiación, lo que en consecuencia reduce el flujo génico entre poblaciones. Otro factor a considerar es el aislamiento genético por una recombinación preferencial, la cual puede verse promovida si la recombinación homóloga entre poblaciones es reducida en la vecindad de los genes hábitat específicos adquiridos.
Finalmente se menciona que sin importar las diferencias en las formas en que los alelos adaptativos son adquiridos, la manera en que éstos se distribuyen dentro de la población podrían estar siguiendo un proceso uniforme tanto en procariontes como eucariontes.
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¿Cuál es el efecto de la HGT sobre la diversidad de poblaciones durante la diferenciación ecológica? ¿Una mutación ventajosa conduce a la selección del genoma clonal que la contiene? El acuerdo general es que hay un balance entre la recombinación y la selección positiva. El artículo pretende probar si la recombinación es lo suficientemente fuerte para seleccionar un gen específico, más que todo el genoma completo; también tiene el objetivo de explorar el efecto sobre la diversidad de las poblaciones.
Es interesante que, en este trabajo, se muestra que la diferenciación de dos poblaciones de bacterias oceánicas que acaban de divergir, ocurre por mecanismos semejantes a los que se presentan en organismos sexuales (simpatría).
Usando dos poblaciones de Vibrio (con hábitats claramente delineados), se muestra que ciertas regiones del genoma (y no el genoma entero)se barren a través de las poblaciones disparando una selección gradual del genoma completo.
Estos mecanismos consisten en que unas pocas regiones del genoma se “barren” a través de subpoblaciones en un hábitat específico; este evento va acompañado de una separación gradual de los pools genéticos (lo cual se refleja en un incremento en la especificidad por cierto hábitat). Esto quiere decir que emergen barreras que impiden el flujo génico (aunque no se conocen estas barreras), estableciéndose un modelo similar al de especiación simpátrica, como ocurre en los organismos eucariotas.
¿Cuáles son las evidencias de esta propuesta? i) la mayor parte de la divergencia genética entre las poblaciones ecológicas esta restringida a pocos loci con poca diversidad; ii) sólo uno de los cromosomas que constituyen el genoma, se ha barrido a través de una población; iii) el evento de recombinación más reciente tendió a ser específico en una población, pero los eventos más antiguos no lo fueron, lo que refleja trayectorias evolutivas independientes, lo que condujo a “clusters” con diferente ecología (modelo ecotípico).
Los genes, y no los genomas, barren a las poblaciones; la diferenciación ecológica esta apoyada por 725 “ecoSNPs” (polimorfismos de un solo nucleótido). Los “clusters” genotípicos emergen como resultado de la recombinación preferencial dentro, y no entre, las poblaciones de los distintos hábitats.
Finalmente se desarrolla un modelo que predice la diferenciación ecológica en las bacterias, es decir, se predice la trayectoria evolutiva independiente de las poblaciones que emergen por el barrido de genes específicos.
Population Genomics of Early Events in the Ecological Differentiation of Bacteria
No queda aún claro cómo afecta la diversidad génica durante la diferenciación ecológica por lo que han resultado muchas incongruencias en los resultados de investigaciones. El modelo de ecotipo apoya la idea de un balance entre la recombinación y la selección positiva, este modelo no provee información de los eventos génicos con adaptación, en procesos tempranos.
Los resultados empíricos por su parte han proporcionado evidencia de que los genes se dispersan vía recombinación (selección de barrido de genes específicos) y la diversidad es reducida en simples loci en medio del ancho del genoma con altos polimorfismos. Y por otra parte la tasa de recombinación homóloga se encuentra bajo selección moderada a partir del genoma. Shapiro y colaboradores realizan un estudios en dos cepas de Vibrio que divergieron recientemente para demostrar que la principales variedades génicas que distingue ecológicamente a las poblaciones están restringidos a pocos loci, y que la poca diversidad es resultado de barridos de regiones confinadas del genoma. Segundo los eventos de recombinación más actuales tienden a ser más específicos dentro de la población pero los eventos más antiguos no lo son, tratando de comprobar que las trayectorias evolutivas de ambas cepas toman caminos diferentes.
Para la primera hipótesis mencionan los resultados de la presencia de eco-SPNs, 725, con una variante en las cepas L y S dan soporte a la idea que la selección de barrido se centra en genes específicos más que en todo el genoma. Por contraste el resto del genoma muestra SNPs que hacen una filogenia de mezcla entre L y S. Puede haber varias formas de responder con el modelo de ecotipo, pero se requieren muchos pasos sucesivos de eventos génicos poco probables. Pero también puede ser mejor explicado estos resultados por la participación de selección de barrido de pocos genes. Debido a su baja diversidad es probable que estos SNPs hayan sido adquiridos mediante recombinación.
Vibrioacea mantiene dos cromosomas, donde eventos de selección de barrido no afecta la diversidad entre uno y el otro, una evidencia de esto es que cada cromosoma tiene distinta filogenia núcleo agrupando a 5 cepas de S manteniendo en el cromosoma dos las 790 SPNs y en el cromosoma uno solo 6 SPNs agrupándolas juntas debido a que la filogenia ésta basada en el cromosoma 1, así que la selección de barrido es independientemente del resto del genoma.
Para mostrar la segunda hipótesis, que tienen trayectorias evolutivas distintas las cepas, parte de que debido a la carente selección de barrido en el genoma, los cluster se forman porque hay preferencia de recombinación dentro de la cepa que entre cepas. El agrupamiento de casa cepa L y S, solo podía ser roto si hubiera un evento de recombinación. Pero esto no pasa cuando aparean la cepa L con divergencias más antiguas, probablemente debido a que contenían cepas L. Esta preferencia de aparearse dentro de la misma cepa también aplica para el genoma accesorio que al parecer es formado por eventos de THG limitado a descendientes clonales.
Este modelo de propuestas predice trayectorias de evolución independientes para las poblaciones que recién emergen impulsadas por barridos específicos de genes. De esta manera las diferencias ecológicas se dirigen por genes específicos más que por selección de barrido en el genoma, seguido por la salida de barreras de flujo de genes.
Para poder tener una mejor comprensión de la evolución y la diversificación de las especies, el entender el papel del intercambio genético es importante, así como poder valorar el balance entre la recombinación (inter e intrapoblacional) y la selección, al igual que identificar si entre las poblaciones hay una asociación o si hay presión selectiva asociada con la especialización a microhabitats.
En este estudio se utilizaron dos poblaciones de Vibrio (L y S que corresponden a la fracción grande y pequeña de filtrado de agua marina) que al parecer han divergido recientemente. Con ellas se ha pretendido evaluar si la recombinación genética es lo suficientemente fuerte como para permitir la diferenciación de los genes específicos en ciertas regiones más que un barrido selectivo a lo largo del genoma, generando con ello de forma gradual la diferenciación.
Así, el escenario evolutivo propuesto considera: a) que la diferencia entre las poblaciones está localizada en algunos cuantos loci, con poca diversidad, entre una o ambas poblaciones. La mayoría de las diferencias son una serie de bloques en el genoma core, debido a recombinación homóloga dentro de la población. No se forman árboles que relacionen las 20 cepas que puedan describir satisfactoriamente la evolución de más del 1% del genoma core. De tal manera que este patrón puede deberse a un barrido selectivo a lo largo del genoma en una o ambas poblaciones en un periodo ancestral, seguido por eventos de recombinación erosionando la relación clonal.
b) Sólo 1 de los dos cromosomas, el II, muestra mayor variación. Éste ha sido barrido en parte de la población S (algunas cepas), sin afectar la diversidad del cromosoma I. Además, cada cromosoma posee un componente flexible (bloques de DNA no distribuidos universalmente entre la población) y un core.
c) Los eventos de recombinación más recientes tienden a ser específicos para algunas de las poblaciones, los más antiguos parecen involucrar a ambas (siendo probable que el ancestro estuviera asociado a L), por lo que, en efecto, la divergencia entre S y L es reciente y parece ser impulsada por la especialización para el hábitat (diferenciación ecológica). Se sospecha que se ha dado recombinación reciente en el genoma core tanto en L como en S; cepas hermanas (del mismo hábitat) que contribuyen con el intercambio reciente, la localización de bloques de DNA que no son consistentes con su asociación (76 de 93 cepas) dan muestra de ello (recombinación inter-hábitat). Esta tendencia de recombinación dentro del hábitat también se observa en el genoma flexible, pero su cambio es más rápido (interviene también la transferencia horizontal de genes).
Otro artículo que apoya la visión de una rampante recombinación, en este estudio se analizó el genoma de dos poblaciones recientemente divergentes de Vibrio de hábitat marino. Se demuestra (al menos para esta población) que el modelo de ecotipo, bajo condiciones de mucha recombinación, no produce un patrón en donde se borren líneas enteras de clonas de bacterias, si no que la selección ocurre más a nivel de genes, pues estos se mueven más adentro de las poblaciones. El escrito se centra alrededor de 3 líneas de evidencia; 1) Los polimorfismos de un nucleótido relacionados con diferenciación adaptativa en un contexto ecológico (los “ecoSNPS”) son más escasos en contraste con el resto de los SNPS en otras partes del genoma y sin función aparente. 2) Un pedazo del genoma del cromosoma 2 se parece mucho entre una línea y una subpoblación de la otra. Esto sugiere que hubo mezcla por recombinación y que esta secuencia se seleccionó positivamente; 3) la tercera línea de evidencia es que los datos sugieren que dentro de una subpoblación, los grupos de genes pueden cohesionarse por recombinación preferente dentro de esa subpoblación. Los grupos funcionales que más divergen entre los dos tipos de muestras revelan que genes relacionados con la formación de biofilms, la colonización y factores de virulencia ente los patógenos son de los que más presentan polimorfismos . Me parece coherente que la asociación a un hospedero, (finalmente las poblaciones de hospederos se componen de organismos que varían mucho fenotípicamente en su respuesta inmune ) induzca mucho más variación y posiblemente más intercambio de genes y más transformación por ser un ambiente variable en comparación de otros ¿Quizá tanto la vida oceánica y las adaptaciones patogénicas son mucho más impredecibles y por eso en este tipo de estudios es donde más se detecta recombinación y cosas como los agentes de transferencia de genes? (las cápsulas parecidas a virus que teóricamente promueven la recombinación, del artículo de McDaniel et al. 2010 en Science). La última figura pinta un esquema claro de esta imagen de la evolución bacteriana. La recombinación ocurre dentro de las líneas y promueve la aparición de combinaciones de genes muy funcionales que se seleccionan dentro de las subpoblaciones.
Desde los primeros naturalistas la pregunta central siempre ha sido ¿Por qué hay tantas especies?, ¿Cómo se generan?. La teoría general propone diferentes maneras para que esto ocurra (especiación simpátrica, alopátrica y parapátrica) basados principalmente en el aislamiento reproductivo. En bacterias estos modelos son difíciles de observar sin embargo artículos como el de Shapio et al. Muestran evidencias de que esto es posible.
Primero, existe una teoría que explica a las especies bacterianas basado en el surgimiento de mutantes que desplazan a los demás miembros de la población por medio de barridos selectivos. Este punto de vista implica baja recombinación así como a todo el genoma.
Los autores de este articulo parten de una población de Vibrios que previamente habían identificado como ecológicamente diferenciados según el tamaño de las partículas suspendidas. Secuenciaron entonces 20 genomas y lo que observaron fue que las diferencias estaban dadas por solo algunos genes en todo el genoma, así como indicios de recombinación entre los miembros de un mismo hábitat y no entre hábitats (aun que también observan rastros de recombinación homologa antiguos entre los dos). Estos resultados los llevan a proponer un modelo donde a partir de una población ancestral recombinante surgen genes específicos para cada hábitat decreciendo así el flujo génico, resultado que si se extrapola con la misma intensidad causara la diversificación total (especiación).
Este trabajo es importante por que contrasta con los modelos antes propuestos (ecotipo clásico) para la especiación en bacterias, en realidad complica el panorama pues la recombinación parece si jugar un papel importante en la diversificación. Por lo que este tipo de trabajos nos dan la pauta (y parece que ahora existen las herramientas) para entender las preguntas de siempre, tal como ¿Cuál es el papel de las diferentes fuerzas evolutivas en las poblaciones?.
Con este trabajo se demuestra que la recombinación es un fenómeno presente y relevante en la divergencia ecológica, a tal grado de que cuando hay selección ésta se evidencia a nivel de genes específicos y no sólo mediante barridos selectivos de todo el genoma, como pudiera esperarse en poblaciones naturales de bacterias clonales. De esta forma y con una notoria recombinación temprana se da la diferenciación genética y ecológica de los genomas bacterianos. En las bacterias este proceso evolutivo ha sido controvertido y los autores analizan que existe un mecanismo sexual, no clonal importante durante la diferenciación ecológica. Cuando ya se separan los grupos se observan conjuntos ecológicamente diferentes, lo que se conoce como teoría de los ecotipos, pero el proceso se ha asociado a los modelos clonales. En este trabajo es interesante que utilizan dos poblaciones de Vibrio cyclitrophicus con diferencias ecológicas recientes (adaptados a la fracción pequeña –S– y a la fracción grande –L– de partículas suspendidas en el zooplancton) para demostrar que la diferenciación ecológica se permite habiendo recombianción. Para esto estimaron el grado y los patrones de recombinación en 13 aislados L y en 7 asilados S, analizando bloques del genoma y reconstruyendo los árboles filogenéticos de éstos. Dado que la identidad del 16S dentro de las poblaciones es de más del 99%, estamos hablando de eventos tempranos de diferenciación ecológica dentro de la especie. Lo que encuentran es que la mayoría de las diferencias se restringen a pequeños parches del genoma (ecoSNPs) y que definen los dos grupos ecológicos L y S. Existen otros sitios en donde se mezclan las historias entre ambos ecotipos, esto es una señal en donde la posible ancestría clonal va borrándose por efecto de la recombinación homóloga. La explicación es que se dieron barridos selectivos a nivel de genes específicos en regiones particulares, dado que por otro lado, dichas regiones (y que definen los ecotipos) presentan menor diversidad al interior del ecotipo, comparado con la diversidad observada para el resto del genoma. Algunas excepciones a este comportamiento se presentan en genes sujetos a selección diversificadora como los del locus RTX/RpoS. Por otro lado, el genoma flexible presenta topologías distintas a las del núcleo y se sugiere que se moldea más por transferencia horizontal. También se observa que los eventos de recombinación más recientes se dan dentro del mismo ecotipo, lo que explicaría la cohesión y posible dinámica dentro los grupos formados. Los resultados en su conjunto sugieren un modelo de especiación simpátrica semejante a lo observado en organismos sexuales eucariontes. Esto le da una relevancia al estudio e invita a encontrar los mecanismos posibles que impiden el flujo génico en los procesos de diferenciación ecológica de las bacterias.
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