Los operones son grupos de genes bacterianos aledaños que se co-transcriben y cuyos productos están involucrados en un mismo proceso biológico. En la actualidad se conocen varios de estos operones involucrados en la formación de biopelículas (biofilms), que son andamios de exopolisacáridos que protegen a las comunidades de bacterias frente a ciertas condiciones adversas como la desecación, antibióticos, o concentraciones tóxicas de metales pesados.
En este trabajo, Cedoljub Bundalovic-Torma y sus colegas de la universidad de Toronto diseñaron una estrategia para analizar los complejos procesos evolutivos a los que están sujetos los operones como entidades multigénicas. Su método consiste en la identificación de los genes que componen los operones con modelos ocultos de Markov, la predicción de operones por contexto genómico (sintenia), la reconstrucción de árboles de estos genes y finalmente la formación de redes de operones en donde se ilustra el agrupamiento de estos genes, la distancia intergénica entre ellos y los linajes bacterianos en los que se encuentran.
(A) Overview of the main steps of the EPS operon prediction pipeline: 1) De novo construction of reference operon locus HMM models; 2) Sequence homology searches against 1733 fully sequenced bacterial genomes retrieved from NCBI; 3) Prediction of putative EPS operons through genomic-proximity reconstruction of significant locus hits; 4) Definition of clusters defining evolutionary relationships for each EPS locus; 5) Integration of operon and cluster predictions to visualize operon networks. (B) Number of predicted EPS operons and percentages of species summarized by bacterial lifestyle (pathogen, non-pathogen, unknown) and corresponding niche (host-associated, environmental/other, unknown). (C) Percentage of evolutionary events associated with EPS operons: Locus loss (core EPS operon loci not detected by HMM searches); Locus rearrangement (EPS operons featuring locus orderings that differ from the canonical operon for that type–S1 Table); Locus duplication (defined by two loci possessing a significant match to the same EPS HMM within the same operon); Operon duplication, defined as a genome encoding two copies of the same type of EPS system, separated by greater than 10 kb; Locus fusion, loci possessing significant matches to multiple EPS HMMs. (D) A cladogram based on 16S rRNA sequences illustrating the phylogenetic distribution of predicted EPS operons…
De esta forma, los investigadores lograron comparar los operones de linajes bacterianos lejanos. Encontraron que los operones de celulosa muestran linajes específicos por filo que han resultado por acción de la pérdida de genes, rearreglos, y la adquisición de loci accesorios. Además, encontraron rastros de duplicación de operones mediadas por transferencia horizontal de genes.
Asimismo, los autores encontraron diferencias en los operones de biofilm de tipo PNAG entre bacterias Gram positivas y Gram negativas con base en la evolución estructural y funcional de los dominios de acetilación compartidos entre las proteínas PgaB e IcaB. Finalmente, esta estrategia de análisis permitió predecir varios operones de tipo Pel en linajes de bacterias gram positivas.
Phylogenetically clustered operon loci are arranged vertically with respect to the canonical ordering of the pel operon (indicated by grey side bar). As for Fig 4, inset boxes depict selected examples of pel operon clades, illustrating how the network can inform on evolutionary events: (i) Canonical organization of the pel operon, as defined in the Pseudomonas aeruginosa genome.; (ii) Duplication of the pel operon in Nitrosospira multiformis with subsequent evolution through locus gain and loss, as well as rearrangement of pelA; (iii) pelB fission, locus gain and rearrangement in aquatic thermophilic species; (iv) A potentially novel duplicated pel operon identified in Leptospirillum ferrooxidans comprised of divergent pelA and pelF loci; (v) pel operons identified in Gram-positive species including divergent pelD loci involved in regulation through c-di-GMP. Node size indicates the relative number of sequences per phylogenetic cluster; node border colouring represents the taxonomic distribution of loci for a given cluster; grey filled nodes indicate loci predicted by iterative HMM searches; edges connect clusters which co-occur in the same genome(s); edge colour indicates the genomic-proximity of loci clusters.
Bundalovic-Torma C, Whitfield GB, Marmont LS, Howell PL, Parkinson J (2020) A systematic pipeline for classifying bacterial operons reveals the evolutionary landscape of biofilm machineries. PLoS Comput Biol 16(4): e1007721. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007721
