La filogenia permite detectar familias génicas relevantes para la colonización bacteriana en ambientes específicos
Conocer los genes que permiten el establecimiento de los microorganismos en el medio ambiente es uno de los principales objetivos de la microbiología moderna con el fin de desarrollar aplicaciones médicas, agrícolas, entre otras. Un factor importante a tomar en cuenta es la genealogía de los miembros de la comunidad, ya que organismos emparentados podrían presentar un genotipo similar por causa de su historia evolutiva compartida y no necesariamente por su interacción con el ambiente. En este estudio, Patrick Bradley y compañía usaron modelos lineales filogenéticos para detectar la asociación entre genotipo y fenotipo tomando en cuenta la ancestría vertical que comparten los microorganismos del intestino humano.
Method overview
El fenotipo de cada organismo (prevalencia y especificidad en un ambiente dado) fue modelado con respecto a la presencia o ausencia de cada gen con base en su pangenoma y las relaciones filogenéticas entre especies. Para validar su método, estos autores compararon su modelo lineal filogenético con un modelo lineal que no incluía información de ancestría. Para ello, probaron la hipótesis de que los genes no estaban asociados con la prevalencia de un organismo de un phylum determinado en el intestino humano y encontraron que el modelo lineal regresaba un alto número de falsos positivos. Posteriormente compararon sus resultados con un índice de señal filogenética y encontraron que el modelo lineal simple identificaba genes cuya frecuencia se podía explicar simplemente por la filogenia, mientras que los modelos filogenéticos identifican genes con una mayor discrepancia entre taxa hermanos.
De entre los genes que se encontraron asociados a la colonización en el intestino humano se encontraron genes de esporulación de Firmicutes y genes de metabolismo del GABA en Bacteroidetes, que podrían estar permitiendo el paso de estos organismos a través del estómago. Para comprobar que su modelo era específico para el intestino humano, usaron datos metagenómicos de otros sitios corporales y encontraron 4,274 genes presentes en genomas asociados directamente al intestino humano. De esta forma pudieron diferenciar genes enriquecidos según la filogenia de los genes a los enriquecidos en el intestino humano específicamente, por ejemplo la carnitina deshidratasa y la ácido biliar 7-alfa deshidratasa en Firmicutes.
Fig 3. Comparison of results from the overall prevalence and body-site specific models for Firmicutes.
Después, compararon sus resultados con un estudio de Wu y compañia (2015) en el cual se obtuvo un listado de genes cuya disrupción generaba desventajas en la competencia de 4 cepas de Bacteroidetes en ratones gnotobióticos. Así se encontraron 79 genes que resultaron importantes en la colonización del intestino en ambos estudios. Finalmente, acotaron sus resultados a muestras asociadas a la enfermedad de Crohn obteniendo 1,841 genes cuya presencia estaba asociada a esta enfermedad. Varios de estos genes presentan anotaciones relacionadas con la conjugación bacteriana y con el sistema de secreción IV, para los cuales existe evidencia experimental que los asocia con la respuesta inflamatoria en el intestino de ratón. Además de estos genes, se encontraron muchos otros con anotación de genes hipotéticos o desconocidos, lo cual abre las puertas para nuevas investigaciones en la colonización del intestino y la enfermedad de Crohn. Este método resultó ser efectivo para encontrar genes relevantes para la colonización de ambientes y condiciones específicas. Por otro lado, no es exclusivo para el intestino y puede ser aplicado en otros ambientes como la rizósfera. Una desventaja de este método es que es necesario tener el pangenoma de las especies de microorganismos presentes en estos ambientes, lo cual podría resultar problemático al analizar ambientes poco estudiados.
Bradley, Patrick H., Stephen Nayfach, and Katherine S. Pollard. «Phylogeny-corrected identification of microbial gene families relevant to human gut colonization.» PLoS computational biology 14.8 (2018): e1006242.
Wu, Meng, et al. «Genetic determinants of in vivo fitness and diet responsiveness in multiple human gut Bacteroides.» Science 350.6256 (2015): aac5992.
