Medmol  
Fibao Una perspectiva molecular en medicina
TEMAS
Genomica Bacteriana
Bookmark and Share
Fecha de Publicación: 6-4-2009 Última actualización : 6-4-2009
Resumen
Gracias al avance en técnicas de secuenciación y las herramientas de análisis de genomas, la genómica comparativa está cambiando el panorama del mundo procariota. Uno de estos cambios es la constatación de la importancia que el moviloma (conjunto de elementos móviles de un genoma) y el fenómeno de la transmisión horizontal de genes han tenido y tienen en la evolución de los organismos procariotas. Estos y otros factores ofrecen una visión donde el “espacio” de genomas procariotas está mucho más conectado de lo que se suponía, lo que hace necesario el desarrollo de un nuevo marco conceptual y nuevas herramientas para el estudio de la evolución de procariotas.
Concepto
Esquema del incremento de complejidad en los mecanismos evolutivos de procariotas
Gracias al análisis comparativo de cientos de genomas de bacterias y docenas de genomas de arqueas se han concluido varias generalizaciones de los principios de organización de genomas y evolución de procariotas.

A pesar de la gran variedad de estilos de vida, así como de la complejidad metabólica y genómica, las bacterias y arqueas muestran unos principios arquitectónicos comunes.

Representando gráficamente el tamaño de los genomas frente al número de especies, las bacterias muestran una distribución bimodal con un pico mayor de 2 Mb y un segundo pico más pequeño de 5Mb. Esta distribución sugiere la existencia de dos clases de bacterias, las de genomas largos y pequeños. Las arqueas, sin embargo, muestran un solo pico en 2Mb. Al representar el tamaño de los genes de bacterias y arqueas se observa una distribución similar entre 0,8 a 1,2 kb por gen. La mayoría de bacterias y arqueas, poseen regiones intergénicas muy cortas o nulas.


Una de las generalizaciones obtenidas con la genómica comparativa de procariotas es la conservación evolutiva de las secuencias de proteínas. El 80% de los genes en procariotas son parte de algún grupo de ortólogos (COGs, “Clusters of Orthologous Groups”). Dos genes son ortólogos cuando provienen de un gen ancestral común. Frente a esta definición teórica en la práctica dos genes se consideran ortólogos si tiene una secuencia similar y una función molecular parecida. Se han desarrollado diversas aproximaciones para definir grupos de ortólogos. La última iniciativa ha sido el proyecto eggNog que cuenta actualmente con una colección de COGs en una base de datos que incluye genes de 312 bacterias y 26 arqueas.

Al representar la distribución de estos grupos de ortólogos entre las distintas especias, los resultados muestran tres clases de COGs según su distribución: Un núcleo de 70 COGs presentes en casi todos los organismos, un segundo grupo de 5700 COGs con una presencia intermedia y un tercer grupo en el que se incluyen la gran mayoría de los COGs, 24000, que están presentes en pocos organismos.

Existen genes que no muestran similitud con las secuencias disponibles. Estos genes se denominan ORFans y constituyen el 10-15% de los genes de procariotas. Parece plausible que una principal fracción de estos genes deriva de un pool genético de bacteriófagos, ya que recientes estimaciones sugieren que la diversidad de las secuencias de fagos es grande y está sin explorar.


El concepto de operón es el paradigma de la expresión de la regulación génica y de la transducción de señales en procariotas. El concepto de operón ha ido evolucionando a través de varios descubrimientos hacia la noción de regulón, conjunto de genes que comparten la misma señal reguladora en cis y son regulados por la misma proteína reguladora.

Mediante el análisis comparativo de genomas se ha visto la extrema plasticidad evolutiva de estas estructuras. Un regulador transcripcional global, como LexA, puede estar amplia y altamente conservado en diversas bacterias, pero la composición de genes del regulón LexA es altamente variable. La plasticidad de los regulones parece ir en paralelo con la variabilidad de la arquitectura de los genomas lo que apoya la idea de que la regulación de la expresión génica y la arquitectura del genoma están estrechamente relacionadas en la evolución de arqueas y bacterias. Como contraste de la variabilidad y plasticidad de los regulones, hay una unidad patente en la arquitectura y en estructura de las proteínas reguladoras en arqueas y bacterias.

Análisis de bacterias con grandes genomas muestran la presencia de homólogos de proteínas eucariotas implicadas en las redes de transducción de señales y en varias rutas de muerte celular programada de plantas y animales. Esto podría indicar que al menos alguna de las complejas redes de señalización de eucariotas tienen sus equivalentes y predecesores evolutivos en bacterias. Mediante estudios de genómica comparativa se han detectado una gran variedad de sistemas de transducción de señales en bacterias y arqueas que parecen ser el reflejo del estilo de vida del organismo. En este sentido una de las esperanzas de la genómica comparativa es la de hallar conjuntos de genes que sean necesarios y suficientes para soportar distintos estos estilos de vida.


Hasta que fue posible la comparación de múltiples genomas completos, el proceso de la transferencia horizontal de genes (HGT: Horizontal Gene Transfer) era visto como un proceso marginal que quizás tuviera importancia en determinadas circunstancias tales como la transmisión de la resistencia a antibióticos.

La comparación entre genomas de bacterias próximamente emparentadas muestra una clara evidencia de eventos masivos de transferencia horizontal de genes (HGT). Una de las evidencias más importantes es el descubrimiento de islas de patonegicidad, que consisten largas regiones cromosómicas, de más de 100 kb que agrupan genes relacionados con patogenicidad y virulencia. Estas islas suelen estar localizadas cerca de ARNs de transferencia y suelen contener profagos, lo que sugiere que la inserción de estas islas esta mediada por bacteriófagos.

La idea de que el fenómeno de la HGT tiene un carácter central en la evolución de sistemas funcionales individuales de procariotas está apoyada por los resultados de muchos estudios. Por ejemplo, al estudiar grupos de genes fotosintéticos de cianobacterias y otras bacterias fotosintéticas los análisis filogenéticos sugieren que estos grupos son mosaicos complejos de genes ensamblados vía múltiples eventos de transferencia horizontal de genes. Además, la mayoría de los fagos de cianobacterias portan uno o más genes fotosintéticos, que utilizan presumiblemente para aumentar la maquinaria fotosintética durante la infección. Así, estos bacteriófagos son vehículos especializados para la transferencia horizontal de genes fotosintéticos.

El descubrimiento de agentes de transferencia de genes (GTAs: Gene Transfer Agents) en varios grupos de arqueas y bacterias es de particular importancia. Estos agentes parecen derivar de bacteriofagos específicamente adaptados para servir como agentes de transducción generalizados que empaquetan y transfieren fragmentos aleatorios de cromosomas entre bacterias. Así, parece apropiado ver los agentes de transferencia son como dispositivos especializados para la transferencia horizontal de genes.

En contraste con el fenómeno de transferencia horizontal de genes, bien establecido entre organismos cercanos, su capacidad de atravesar grandes distancias evolutivas y su impacto en la evolución de arqueas y bacterias permanecen como temas de intenso debate. La genómica comparativa está ofreciendo datos que apoyan que la HGT se puede dar entre organismos tan alejados como bacterias y arqueas. Por ejemplo, en bacterias hipertermófilas se ha visto una fracción mayor de proteínas procedentes de arqueas que en bacterias mesófilas.

Una creencia extendida es que los genes implicados en traducción, transcripción y replicación son mucho menos propensos al proceso de HGT que genes operacionales que codifican enzimas metabólicas, sistemas de transporte y otras proteínas. El razonamiento subyacente es que estos genes codifican partes de complejas maquinarias moleculares que están fuertemente co-adaptadas y por tanto no pueden ser desplazadas fácilmente por ortólogos adquiridos de otros organismos. No obstante, hay muchos casos en que los genes informacionales como la aminoacil-tRNA sintetasa y proteínas ribosomales han sufrido eventos de HGT y “limpieza” del código.


Considerando la arquitectura de los genomas y el fenómeno del HGT, la organización de genes bacterianos en operones es beneficiosa para los genes constitutivos, en los que la proximidad permite la co-transferencia horizontal de todos los genes requeridos para un fenotipo seleccionable.

Una parte sustancial del material genético de los procariotas se encuentra catalogado dentro de los elementos para los que la movilidad horizontal es el modo dominante de diseminación. El conjunto de todos los elementos móviles ha sido denominado moviloma. El moviloma consta de bacteriófagos, plásmidos, elementos transponibles y genes que son a menudo asociados con ellos y llegan a ser pasajeros de los elementos móviles. Esto ocurre con los sistemas de restricción-modificación y de toxina-antitoxina. El moviloma esta inextricablemente conectado con el cromosoma principal.

La ubicuidad de la HGT y la importancia del moviloma procariota sugiere una nueva, y extremadamente dinámica imagen del mundo procariota bajo la que el árbol de la vida no representa adecuadamente la evolución de procariotas. Si bien es cierto que hay áreas con una coherencia sustancial con el flujo vertical de genes donde la imagen del árbol es apropiada para representar la filogenia, existen también regiones de este árbol con un intenso flujo horizontal, conectando organismos que no tienen una relación vertical fuerte pero que co-existen en el mismo hábitat como es el caso de las bacterias y arqueas hipertermófilas que conviven a elevadas temperaturas.


Para terminar mencionar que el proceso de asignación de funciones a genes cuando un genoma es secuenciado implica la comparación con otros genomas, la inclusión de genes en grupos pre-existentes de ortólogos y la transferencia de anotación funcional de los genes caracterizados experimentalmente a los no caracterizados. La reunión de información desde múltiples organismos ayuda progresivamente a incrementar la cobertura de anotación. El análisis bioinformático de las secuencias de los genes de una nueva bacteria o arquea secuenciada llega a asignar el 60-70% de los genes codificadores de proteínas a una función específica, y otro 10-15% de los genes recibe una predicción funcional general.
Vínculos externos de interés
Bibliografía