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3.1: Transferencia horizontal de genes en bacterias - Biología

3.1: Transferencia horizontal de genes en bacterias - Biología


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Objetivos de aprendizaje

Después de completar esta sección, debería poder realizar los siguientes objetivos.

  1. Comparar y contrastar la mutación y la transferencia horizontal de genes como métodos para permitir que las bacterias respondan a presiones selectivas y se adapten a nuevos entornos.
  2. Defina la transferencia horizontal de genes y establezca la forma más común de transferencia horizontal de genes en bacterias.
  3. Describe brevemente los mecanismos de transformación en bacterias.
  4. Describa brevemente los siguientes mecanismos de transferencia horizontal de genes en bacterias:
    1. transducción generalizada
    2. transducción especializada
  5. Describa brevemente los siguientes mecanismos de transferencia horizontal de genes en bacterias:
    1. Transferencia de plásmidos conjugativos, transposones conjugativos y plásmidos movilizables en bacterias Gram-negativas
    2. F+ conjugación
    3. Conjugación de Hfr
  6. Describir los plásmidos R y la importancia de los plásmidos R para la microbiología médica.

Las bacterias pueden responder a presiones selectivas y adaptarse a nuevos entornos adquiriendo nuevos rasgos genéticos como resultado de una mutación, una modificación de la función genética dentro de una bacteria y, como resultado de la transferencia horizontal de genes, la adquisición de nuevos genes de otras bacterias. . La mutación se produce de forma relativamente lenta. La tasa de mutación normal en la naturaleza está en el rango de 10-6 a 10-9 por nucleótido por generación bacteriana, aunque cuando las poblaciones bacterianas están bajo estrés, pueden aumentar en gran medida su tasa de mutación. Además, la mayoría de las mutaciones son perjudiciales para la bacteria. La transferencia horizontal de genes, por otro lado, permite que las bacterias respondan y se adapten a su entorno mucho más rápidamente al adquirir grandes secuencias de ADN de otra bacteria en una sola transferencia.

La transferencia horizontal de genes, también conocida como transferencia lateral de genes, es un proceso en el que un organismo transfiere material genético a otro organismo que no es su descendencia. La habilidad de Bacterias y Arqueas La adaptación a nuevos entornos como parte de la evolución bacteriana resulta con mayor frecuencia de la adquisición de nuevos genes a través de la transferencia horizontal de genes y no de la alteración de las funciones de los genes a través de mutaciones. (Se estima que hasta el 20% del genoma de Escherichia coli se originó a partir de la transferencia horizontal de genes).

La transferencia horizontal de genes puede provocar cambios a gran escala en el genoma bacteriano. Por ejemplo, ciertas bacterias contienen múltiples genes de virulencia llamados islas de patogenicidad que se encuentran en regiones grandes e inestables del genoma bacteriano. Estas islas de patogenicidad pueden transmitirse a otras bacterias mediante transferencia horizontal de genes. Sin embargo, si estos genes transferidos no proporcionan una ventaja selectiva a las bacterias que los adquieren, normalmente se pierden por deleción. De esta manera, el tamaño del genoma de la bacteria puede permanecer aproximadamente del mismo tamaño a lo largo del tiempo.

Hay tres mecanismos de transferencia horizontal de genes en bacterias: transformación, transducción y conjugación. El mecanismo más común para la transmisión horizontal de genes entre bacterias, especialmente de una especie bacteriana donante a diferentes especies receptoras, es la conjugación. Aunque las bacterias pueden adquirir nuevos genes mediante transformación y transducción, esta suele ser una transferencia más rara entre bacterias de la misma especie o especies estrechamente relacionadas.

Transformación

La transformación es una forma de recombinación genética en la que un fragmento de ADN de una bacteria muerta y degradada ingresa a una bacteria receptora competente y se intercambia por un fragmento de ADN del receptor. La transformación normalmente implica sólo una recombinación homóloga, una recombinación de regiones de ADN homólogas que tienen casi las mismas secuencias de nucleótidos. Normalmente, esto implica cepas bacterianas similares o cepas de la misma especie bacteriana.

Algunas bacterias, como Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis, Hemophilus influenzae, Legionella pneomophila, Streptococcus pneumoniae, y Helicobacter pylori tienden a ser naturalmente competentes y transformables. Las bacterias competentes pueden unir mucho más ADN que las bacterias no competentes. Algunos de estos géneros también se someten a autólisis que luego proporciona ADN para la recombinación homóloga. Además, algunas bacterias competentes matan células no competentes para liberar ADN para su transformación.

Durante la transformación, los fragmentos de ADN (generalmente de unos 10 genes de longitud) se liberan de una bacteria degradada muerta y se unen a las proteínas de unión al ADN en la superficie de una bacteria receptora viva competente. Dependiendo de la bacteria, ambas hebras de ADN penetran en el receptor o una nucleasa degrada una hebra del fragmento y la hebra de ADN restante entra en el receptor. Este fragmento de ADN del donante se intercambia luego por una parte del ADN del receptor por medio de proteínas RecA y otras moléculas e implica la rotura y reunión de los segmentos de ADN emparejados como se ve en (Figura ( PageIndex {1} )). La transformación se resume en la Figura ( PageIndex {2} ).

Figura ( PageIndex {2} ): Transformación: Paso 1: Una bacteria donante muere y se degrada Paso 2: Los fragmentos de ADN, típicamente de alrededor de 10 genes de longitud, de la bacteria donante muerta se unen a los transformasomas en la pared celular de una bacteria receptora viva y competente. En este ejemplo, una nucleasa degrada una hebra del fragmento donante y la hebra de ADN restante entra en el receptor. Las proteínas de unión a ADN monocatenarias específicas de la competencia se unen a la cadena de ADN donante para evitar que se degrade en el citoplasma. Paso 4: Las proteínas RecA promueven el intercambio genético entre un fragmento del ADN del donante y el ADN del receptor (consulte la Figura ( PageIndex {1} ) para conocer las funciones de las proteínas RecA). Esto implica la rotura y reunión de segmentos de ADN emparejados. Paso 5: la transformación está completa.

Transducción

La transducción implica la transferencia de un fragmento de ADN de una bacteria a otra por un bacteriófago. Hay dos formas de transducción: transducción generalizada y transducción especializada.

Durante la replicación de bacteriófagos líticos y bacteriófagos templados, en ocasiones, la cápside del fago se ensambla accidentalmente alrededor de un pequeño fragmento de ADN bacteriano. Cuando este bacteriófago, llamado partícula transductora, infecta a otra bacteria, inyecta el fragmento de ADN bacteriano del donante que lleva al receptor, donde posteriormente puede intercambiarse por un fragmento del ADN del receptor mediante recombinación homóloga. La transducción generalizada se resume en la Figura ( PageIndex {3} ).

  • Paso 1: Un bacteriófago se adsorbe a una bacteria susceptible.
  • Paso 2: El genoma del bacteriófago entra en la bacteria. El genoma dirige la maquinaria metabólica de la bacteria para fabricar enzimas y componentes de bacteriófagos. Las enzimas codificadas por bacteriófagos también romperán el cromosoma bacteriano.
  • Paso 3: Ocasionalmente, la cápside de un bacteriófago se ensambla por error alrededor de un fragmento del cromosoma de la bacteria donante o alrededor de un plásmido en lugar de alrededor de un genoma de fago.
  • Paso 4: Los bacteriófagos se liberan a medida que se lisa la bacteria. Tenga en cuenta que un bacteriófago lleva un fragmento del ADN de la bacteria donante en lugar de un genoma de bacteriófago.
  • Paso 5: El bacteriófago que lleva el ADN de la bacteria donante se adsorbe a una bacteria receptora.
  • Paso 6: El bacteriófago inserta el ADN de la bacteria donante que lleva en la bacteria receptora.
  • Paso 7: Se produce una recombinación homóloga y el ADN de la bacteria donante se intercambia por parte del ADN del receptor. (La figura ( PageIndex {1} ) muestra las funciones de las proteínas RecA involucradas en la recombinación homóloga).

La transducción generalizada ocurre en una variedad de bacterias, que incluyen Staphylococcus, Escherichia, Salmonella, y Pseudomonas.

Plásmidos, como el plásmido penicilinasa de Staphylococcus aureus, también se puede transportar de una bacteria a otra mediante transducción generalizada.

Transducción especializada: esto puede ocurrir ocasionalmente durante el ciclo de vida lisogénico de un bacteriófago templado. Durante la inducción espontánea, a veces se puede cambiar una pequeña porción de ADN bacteriano por una porción del genoma del bacteriófago, que permanece en el nucleoide bacteriano. Esta pieza de ADN bacteriano se replica como parte del genoma del bacteriófago y se coloca en la cápside de cada fago. Los bacteriófagos se liberan, se adsorben en las bacterias receptoras e inyectan el complejo ADN de la bacteria donante / ADN del fago en la bacteria receptora donde se inserta en el cromosoma bacteriano (Figura ( PageIndex {4} )).

Conjugación

Recombinación genética en la que hay una transferencia de ADN de una bacteria donante viva a una bacteria receptora viva por contacto de célula a célula. En las bacterias gramnegativas normalmente implica una conjugación o pilus sexual.

La conjugación está codificada por plásmidos o transposones. Se trata de una bacteria donante que contiene un plásmido conjugativo y una célula receptora que no lo contiene. Un plásmido conjugativo es autotransmisible, ya que posee todos los genes necesarios para que ese plásmido se transmita a otra bacteria por conjugación. Genes de conjugación conocidos como tra Los genes permiten que la bacteria forme un par de apareamiento con otro organismo, mientras que oriT Las secuencias (origen de la transferencia) determinan en qué lugar del plásmido se inicia la transferencia de ADN sirviendo como el sitio de inicio de la replicación donde las enzimas de replicación del ADN cortarán el ADN para iniciar la replicación y la transferencia del ADN. Además, los plásmidos movilizables que carecen de tra genes para la auto-transmisibilidad pero poseen la oriT Las secuencias para el inicio de la transferencia de ADN también pueden transferirse por conjugación si la bacteria que las contiene también posee un plásmido conjugativo. los tra Los genes del plásmido conjugativo permiten que se forme un par de apareamiento, mientras que el oriT del plásmido movilizable permite que el ADN se mueva a través del puente conjugativo (Figura ( PageIndex {5} )).

Los transposones ("genes saltarines") son pequeñas piezas de ADN que codifican enzimas que permiten que el transposón se mueva de una ubicación de ADN a otra, ya sea en la misma molécula de ADN o en una molécula diferente. Los transposones se pueden encontrar como parte del cromosoma de una bacteria (transposones conjugativos) o en plásmidos y generalmente tienen entre uno y doce genes de longitud. Un transposón contiene varios genes, como los que codifican la resistencia a los antibióticos u otros rasgos, flanqueados en ambos extremos por secuencias de inserción que codifican una enzima llamada transpoasa. La transpoasa es la enzima que cataliza el corte y sellado del ADN durante la transposición.

Los transposones conjugativos, como los plásmidos conjugativos, portan los genes que permiten que se formen pares de apareamiento para la conjugación. Por tanto, los transposones conjugativos también permiten la transferencia de plásmidos movilizables y transposones no conjugativos a una bacteria receptora durante la conjugación.

Muchos plásmidos conjugativos y transposones conjugativos poseen sistemas de transferencia bastante promiscuos que les permiten transferir ADN no solo a especies similares, sino también a especies no relacionadas. La capacidad de las bacterias para adaptarse a nuevos entornos como parte de la evolución bacteriana resulta con mayor frecuencia de la adquisición de grandes secuencias de ADN de otra bacteria por conjugación.

Una. Mecanismo general de transferencia de plásmidos conjugativos por conjugación en bacterias Gram-negativas

En las bacterias gramnegativas, el primer paso de la conjugación implica un pilus de conjugación (pilus sexual o pilus F) en la bacteria donante que se une a una bacteria receptora que carece de un pilus de conjugación. Normalmente, el pilus de conjugación se retrae o despolimeriza juntando las dos bacterias. Una serie de proteínas de membrana codificadas por el plásmido conjugativo forma un puente y una abertura entre las dos bacterias, ahora llamado par de apareamiento.

Utilizando el modelo de círculo rodante de la replicación del ADN, una nucleasa rompe una hebra del ADN plasmídico en el origen del sitio de transferencia (oriT) del plásmido y esa hebra mellada entra en la bacteria receptora. La otra hebra permanece en la célula donante. Tanto la hebra de plásmido donante como la receptora hacen una copia complementaria de sí mismos. Ambas bacterias poseen ahora el plásmido conjugativo. Este proceso se resume en la Figura ( PageIndex {6} )).

Este es el mecanismo por el cual los plásmidos de resistencia (plásmidos R), que codifican la resistencia a múltiples antibióticos y la formación de pilus de conjugación, se transfieren de una bacteria donante a una receptora. Este es un gran problema en el tratamiento de infecciones gramnegativas oportunistas, como infecciones del tracto urinario, infecciones de heridas, neumonía y septicemia por organismos tales como E. coli, Proteus, Klebsiella, Enterobacter, Serratia, y Pseudomonas, así como con infecciones intestinales por organismos como Salmonela y Shigella.

También hay evidencia de que el pilus de conjugación también puede servir como un canal directo a través del cual se puede transferir ADN monocatenario durante la conjugación.

B. F+ conjugación

Esto da como resultado la transferencia de una F+ plásmido que posee tra genes que codifican solo un pilus de conjugación y la formación de un par de apareamiento de una bacteria donante a una bacteria receptora. Una hebra de la F+ el plásmido se rompe con una nucleasa en el origen de la transferencia (oriT) secuencia que determina en qué lugar del plásmido se inicia la transferencia de ADN sirviendo como el sitio de inicio de la replicación donde las enzimas de replicación del ADN cortarán el ADN para iniciar la replicación y la transferencia del ADN. La hebra mellada entra en la bacteria receptora mientras que la otra hebra de plásmido permanece en el donante. Luego, cada hebra hace una copia complementaria. El destinatario luego se convierte en una F+ macho y puede producir un pilus sexual (ver 7A a 7D).

Además, los plásmidos movilizables que carecen de la tra genes para la auto-transmisibilidad pero poseen la oriT Las secuencias para el inicio de la transferencia de ADN también pueden transferirse por conjugación. los tra genes de la F+ plásmido permite que se forme un par de apareamiento y el oriT Las secuencias del plásmido movilizable permiten que el ADN se mueva a través del puente conjugativo (Figura ( PageIndex {5} )).

C. Conjugación de Hfr (recombinante de alta frecuencia)

La conjugación de Hfr comienza cuando una F+ plásmido con tra los genes que codifican la formación de pares de apareamiento se insertan o integran en el cromosoma para formar una bacteria Hfr. (Un plásmido que puede integrarse en el nucleoide del huésped se llama episome.) Una nucleasa luego rompe una hebra del ADN del donante en el origen de la transferencia (oriT) ubicación de la F insertada+ El plásmido y la hebra mellada del ADN del donante comienzan a entrar en la bacteria receptora. La hebra de ADN restante sin mellas permanece en el donante y hace una copia complementaria de sí misma.

La conexión bacteriana generalmente se rompe antes de que se complete la transferencia de todo el cromosoma, por lo que el resto del F+ el plásmido rara vez entra en el receptor. Como resultado, hay una transferencia de algo de ADN cromosómico, que puede intercambiarse por una parte del ADN del receptor a través de la recombinación homóloga, pero no la capacidad de formar un pilus de conjugación y pares de apareamiento (ver Figura ( PageIndex {8} ) A hasta 8E).

Ejercicio: Preguntas Think-Pair-Share

  1. Una tensión de vida steotococos neumonia que no puede producir una cápsula se inyecta en ratones y no tiene ningún efecto adverso. Luego, esta cepa se mezcla con un cultivo de steotococos neumonia que cuando estaba vivo era capaz de hacer una cápsula y matar ratones. Después de un período de tiempo, esta mezcla se inyecta en ratones y los mata. En términos de transferencia horizontal de genes, describa qué podría explicar esto.
  2. Una bacteria gramnegativa que era susceptible a la mayoría de los antibióticos comunes de repente se vuelve resistente a varios de ellos. También parece estar extendiendo esta resistencia a otros de su tipo. Describe el mecanismo que probablemente explica esto.

Resumen

  1. La mutación es una modificación de la función genética dentro de una bacteria y, si bien permite que las bacterias se adapten a nuevos entornos, ocurre con relativa lentitud.
  2. La transferencia horizontal de genes permite que las bacterias respondan y se adapten a su entorno mucho más rápidamente al adquirir grandes secuencias de ADN de otra bacteria en una sola transferencia.
  3. La transferencia horizontal de genes es un proceso en el que un organismo transfiere material genético a otro organismo que no es su descendencia.
  4. Los mecanismos de transferencia genética horizontal bacteriana incluyen transformación, transducción y conjugación.
  5. Durante la transformación, un fragmento de ADN de una bacteria muerta y degradada ingresa a una bacteria receptora competente y se intercambia por un fragmento de ADN del receptor. Normalmente, esto implica cepas bacterianas similares o cepas de la misma especie bacteriana.
  6. La transducción implica la transferencia de un fragmento de ADN cromosómico o un plásmido de una bacteria a otra por un bacteriófago.
  7. La conjugación es una transferencia de ADN de una bacteria donante viva a una bacteria receptora viva por contacto de célula a célula. En las bacterias gramnegativas se trata de un pilus de conjugación.
  8. Un plásmido conjugativo es autotransmisible, es decir, posee genes de conjugación conocidos como genes tra que permiten a la bacteria formar un par de apareamiento con otro organismo, y secuencias oriT (origen de transferencia) que determinan en qué parte del plásmido se inicia la transferencia de ADN.
  9. Los plásmidos movilizables que carecen de los genes tra para la auto-transmisibilidad pueden cotransferirse en una bacteria que posea un plásmido conjugativo.
  10. Los transposones ("genes saltarines") son pequeñas piezas de ADN que codifican enzimas que permiten que el transposón se mueva de una ubicación de ADN a otra, ya sea en la misma molécula de ADN o en una molécula diferente.
  11. Los transposones conjugativos llevan los genes que permiten que se formen parejas de apareamiento para la conjugación.
  12. F+ la conjugación es la transferencia de una F+ plásmido que posee genes tra que codifican solo un pilus de conjugación y la formación de un par de apareamiento de una bacteria donante a una bacteria receptora. Los plásmidos movilizables se pueden cotransferir durante F+ conjugación.
  13. Durante la conjugación de Hfr, una F+ El plásmido con genes tra que codifica la formación de pares de apareamiento se inserta en el cromosoma bacteriano para formar una bacteria Hfr. Esto da como resultado una transferencia de algo de ADN cromosómico del donante al receptor, que puede intercambiarse por una parte del ADN del receptor mediante recombinación homóloga.

Transferencia horizontal de genes

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Transferencia horizontal de genes
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& # 8220HGT & # 8221 vuelve a dirigir aquí. Para otros usos, consulte HGT (desambiguación).

La transferencia horizontal de genes (HGT), también transferencia lateral de genes (LGT), es cualquier proceso en el que un organismo transfiere material genético a otra célula que no es su descendencia. Por el contrario, la transferencia vertical se produce cuando un organismo recibe material genético de su antepasado, p. Ej. su padre o una especie de la que evolucionó. La mayor parte del pensamiento en genética se ha centrado en la transferencia vertical más prevalente, pero existe una conciencia reciente de que la transferencia horizontal de genes es un fenómeno significativo. La transferencia de genes horizontal artificial es una forma de ingeniería genética.

Como lo expresaron Jain, Rivera y Lake (1999): "Cada vez más, los estudios de genes y genomas indican que se ha producido una transferencia horizontal considerable entre procariotas". [1] (véase también Lake y Riveral, 2007). [2] El fenómeno parece haber tenido cierta importancia también para los eucariotas unicelulares. Como Bapteste et al. (2005) observan, "evidencia adicional sugiere que la transferencia de genes también podría ser un mecanismo evolutivo importante en la evolución protista". [3]

Existe alguna evidencia de que incluso las plantas y los animales superiores se han visto afectados. El Dr. Mae-Wan Ho, un destacado científico y crítico de la ingeniería genética, escribe: "Si bien la transferencia horizontal de genes es bien conocida entre las bacterias, solo en los últimos 10 años se ha reconocido su aparición entre las plantas y los animales superiores. El alcance de la transferencia horizontal de genes es esencialmente toda la biosfera, con bacterias y virus que sirven como intermediarios para el tráfico de genes y como reservorios para la multiplicación y recombinación de genes (el proceso de hacer nuevas combinaciones de material genético) ". [4] Pero Richardson y Palmer (2007) son más cautelosos: "La transferencia horizontal de genes (HGT) ha jugado un papel importante en la evolución bacteriana y es bastante común en ciertos eucariotas unicelulares. Sin embargo, la prevalencia e importancia de HGT en la evolución de eucariotas multicelulares siguen sin estar claras". [5]

Debido a la creciente cantidad de evidencia que sugiere la importancia de estos fenómenos para la evolución (ver más abajo), biólogos moleculares como Peter Gogarten han descrito la transferencia horizontal de genes como "Un nuevo paradigma para la biología". [6]

También debe tenerse en cuenta que el Dr. Mae-Wan Ho enfatiza el proceso como un factor importante en "Los peligros ocultos de la ingeniería genética", ya que puede permitir que el ADN transgénico peligroso (que está optimizado para la transferencia) se propague de una especie a otra. especies. [4]
Contenido
[esconder]

* 1 Procariotas
* 2 eucariotas
* 3 Teoría evolutiva
o 3.1 Genes
* 4 Véase también
* 5 Fuentes y notas
* 6 Lecturas adicionales

La transferencia horizontal de genes es común entre las bacterias, incluso entre las relacionadas muy lejanamente. Se cree que este proceso es una causa importante de aumento de la resistencia a los medicamentos cuando una célula bacteriana adquiere resistencia, puede transferir rápidamente los genes de resistencia a muchas especies. Las bacterias entéricas parecen intercambiar material genético entre sí dentro del intestino en el que viven. Hay tres mecanismos comunes para la transferencia horizontal de genes:

* Transformación, la alteración genética de una célula resultante de la introducción, captación y expresión de material genético extraño (ADN o ARN). Este proceso es relativamente común en bacterias, pero menos común en eucariotas. La transformación se usa a menudo para insertar genes nuevos en bacterias para experimentos o para aplicaciones industriales o médicas. Véase también biología molecular y biotecnología.
* Transducción, el proceso en el cual el ADN bacteriano se mueve de una bacteria a otra por un virus bacteriano (un bacteriófago, comúnmente llamado fago).
* Conjugación bacteriana, un proceso en el que una célula bacteriana viva transfiere material genético a través del contacto de célula a célula.

El análisis de las secuencias de ADN sugiere que la transferencia horizontal de genes también ha ocurrido dentro de los eucariotas, desde su cloroplasto y genoma mitocondrial hasta su genoma nuclear. Como se establece en la teoría endosimbiótica, los cloroplastos y las mitocondrias probablemente se originaron como endosimbiontes bacterianos de un progenitor de la célula eucariota. [7]

La transferencia horizontal de genes de bacterias a algunos hongos, especialmente la levadura Saccharomyces cerevisiae, ha sido bien documentada. [8]

También hay evidencia reciente de que el escarabajo del frijol adzuki de alguna manera ha adquirido material genético de su endosimbionte (no beneficioso) Wolbachia; sin embargo, esta afirmación es controvertida y la evidencia no es concluyente. [9]

"Las comparaciones de secuencias sugieren una transferencia horizontal reciente de muchos genes entre diversas especies, incluso a través de los límites de los" dominios "filogenéticos. Por lo tanto, la determinación de la historia filogenética de una especie no se puede hacer de manera concluyente determinando árboles evolutivos para genes individuales". [10]

La transferencia horizontal de genes es un factor de confusión potencial al inferir árboles filogenéticos basados ​​en la secuencia de un gen. Por ejemplo, dadas dos bacterias relacionadas lejanamente que han intercambiado un gen, un árbol filogenético que incluya esas especies mostrará que están estrechamente relacionadas porque ese gen es el mismo, aunque la mayoría de los otros genes se han divergido sustancialmente. Por esta razón, a menudo es ideal utilizar otra información para inferir filogenias sólidas, como la presencia o ausencia de genes, o, más comúnmente, incluir una gama tan amplia de genes para el análisis filogenético como sea posible.

Por ejemplo, el gen más común que se utiliza para construir relaciones filogenéticas en procariotas es el gen ARNr 16s, ya que sus secuencias tienden a conservarse entre miembros con distancias filogenéticas cercanas, pero lo suficientemente variables como para medir las diferencias. Sin embargo, en los últimos años también se ha argumentado que los genes de ARNr 16s también pueden transferirse horizontalmente. Aunque esto puede ser poco frecuente, se debe reevaluar la validez de los árboles filogenéticos construidos con ARNr 16s.

El biólogo Gogarten sugiere que "la metáfora original de un árbol ya no se ajusta a los datos de la investigación reciente del genoma", por lo tanto, "los biólogos deberían usar la metáfora de un mosaico para describir las diferentes historias combinadas en genomas individuales y usar la metáfora de una red para visualizar a los ricos intercambio y efectos cooperativos de HGT entre microbios ". [6]

Usando genes únicos como marcadores filogenéticos, es difícil rastrear la filogenia de un organismo en presencia de transferencia horizontal de genes. La combinación del modelo de coalescencia simple de cladogénesis con eventos raros de transferencia de genes horizontales de HGT sugiere que no hubo un último ancestro común que contuviera todos los genes ancestrales a los compartidos entre los tres dominios de la vida. Cada molécula contemporánea tiene su propia historia y se remonta a un cenancestor de molécula individual. Sin embargo, era probable que estos ancestros moleculares estuvieran presentes en diferentes organismos en diferentes momentos ". [11]

Desarraigar el árbol de la vida de W. Ford Doolittle (Scientific American, febrero de 2000, págs. 72-77) [12] contiene una discusión sobre el Último Ancestro Común Universal y los problemas que surgieron con respecto a ese concepto cuando se considera el gen horizontal transferir. El artículo cubre un área amplia: la hipótesis del endosimbionte para eucariotas, el uso de ARN ribosómico de subunidades pequeñas (ARNr SSU) como medida de distancias evolutivas (este fue el campo en el que trabajó Carl Woese cuando formuló el primer "árbol de la vida" moderno, y sus resultados de investigación con SSU rRNA lo llevaron a proponer las Archaea como un tercer dominio de la vida) y otros temas relevantes. De hecho, fue al examinar la nueva visión de la vida en tres dominios que la transferencia horizontal de genes surgió como un tema complicado: Archaeoglobus fulgidus se cita en el artículo (p.76) como una anomalía con respecto a un árbol filogenético basado en la codificación para la enzima HMGCoA reductasa - el organismo en cuestión es un Archaean definido, con todos los lípidos celulares y la maquinaria de transcripción que se espera de un Archaean, pero cuyos genes HMGCoA son en realidad de origen bacteriano. [13]

Nuevamente en la página 76, el artículo continúa con:

"El peso de la evidencia todavía apoya la probabilidad de que las mitocondrias en eucariotas se deriven de células alfa-proteobacterianas y que los cloroplastos provengan de cianobacterias ingeridas, pero ya no es seguro asumir que esas fueron las únicas transferencias de genes laterales que ocurrieron después de que surgieron los primeros eucariotas. . Sólo en eucariotas multicelulares posteriores conocemos restricciones definidas en el intercambio horizontal de genes, como la llegada de células germinales separadas (y protegidas) "[13].

El artículo continúa con:

"Si nunca hubiera habido una transferencia lateral de genes, todos estos árboles genéticos individuales tendrían la misma topología (el mismo orden de ramificación), y los genes ancestrales en la raíz de cada árbol habrían estado presentes en el último ancestro común universal, una sola célula antigua. Pero la transferencia extensa significa que ninguno de los dos es el caso: los árboles genéticos diferirán (aunque muchos tendrán regiones de topología similar) y nunca habría habido una sola célula que pudiera llamarse el último ancestro común universal. [13 ]

"Como ha escrito Woese, 'el ancestro no puede haber sido un organismo en particular, un linaje de un solo organismo. Era comunal, un conglomerado diverso y suelto de células primitivas que evolucionaron como una unidad, y eventualmente se desarrolló hasta una etapa en la que se rompió en varias comunidades distintas, que a su vez se convirtieron en las tres líneas primarias de descendencia (bacterias, arqueas y eucariotas). En otras palabras, las células tempranas, cada una con relativamente pocos genes, diferían en muchos aspectos. Al intercambiar genes libremente, compartían varios de sus talentos con sus contemporáneos. Con el tiempo, esta colección de células eclécticas y cambiantes se fusionó en los tres dominios básicos conocidos hoy en día. Estos dominios se vuelven reconocibles porque gran parte (aunque de ninguna manera toda) de la transferencia de genes que ocurre en estos días ocurre dentro de los dominios. "[13]

Con respecto a cómo la transferencia horizontal de genes afecta la teoría evolutiva (ascendencia común, árbol filogenético universal), Carl Woese dice:

"Lo que elevó la descendencia común al estatus doctrinal casi con certeza fue el descubrimiento mucho más tarde de la universalidad de la bioquímica, que parecía imposible de explicar de otra manera. Pero eso fue antes de la transferencia horizontal de genes (HGT), que podría ofrecer una explicación alternativa para la universalidad de bioquímica, fue reconocida como una parte importante de la dinámica evolutiva. Al cuestionar la doctrina de la descendencia común, uno necesariamente cuestiona el árbol filogenético universal. Esa imagen de árbol convincente reside en lo profundo de nuestra representación de la biología. Pero el árbol no es más que un gráfico dispositivo no es una forma a priori que la naturaleza impone al proceso evolutivo. No se trata de si sus datos son consistentes con un árbol, sino de si la topología del árbol es una forma útil de representar sus datos. , pero el árbol universal no es un árbol ordinario, y su raíz no es una raíz ordinaria. En condiciones de HGT extrema, no hay ningún "árbol" (orgánico). Evoluti on es básicamente reticulado ". [14]

[editar] Genes
Esta lista está incompleta, puede ayudar ampliándola.

Existe evidencia de transferencia horizontal histórica de los siguientes genes:

* Licopeno ciclasa para la biosíntesis de carotenoides, entre Chlorobi y Cyanobacteria. [15]

* Retrovirus endógeno
* Línea germinal
* HeLa
* Integron
* Provirus
* Retrotransposón
* Rizoma (filosofía)
* Organismo genéticamente modificado

1. ^ Lake, James A. y Maria C. Riveral (1999). "Transferencia horizontal de genes entre genomas: la hipótesis de la complejidad". PNAS (Actas de la Academia Nacional de Ciencias) 96: 7: págs. 3801-3806. Consultado el 18 de marzo de 2007.
2. ^ Lake, James A. y Maria C. Riveral (2004). "El anillo de la vida proporciona pruebas de un origen de fusión del genoma de eucariotas". Naturaleza 431 [1]. Consultado el 16 de marzo de 2007.
3. ^ Bapteste et al. (2005). "¿Las filogenias de genes ortólogos realmente apoyan el pensamiento del árbol?". Biología evolutiva de BMC 5:33. Consultado el 18 de marzo de 2007.
4. ^ a b sfsu.edu Dr. Mae-Wan Ho
5. ↑ Richardson, Aaron O. y Jeffrey D. Palmer (enero de 2007). "Transferencia horizontal de genes en plantas". Journal of Experimental Botany 58: págs. 1-9 [2]. Consultado el 18 de marzo de 2007.
6. ^ a b Gogarten, Peter (2000). "Transferencia horizontal de genes: un nuevo paradigma para la biología". Conferencia del Centro Esalen de Teoría e Investigación. Consultado el 18 de marzo de 2007.
7. ^ Jeffrey L. Blanchard y Michael Lynch (2000), "Genes orgánulos: ¿por qué terminan en el núcleo?", Trends in Genetics, 16 (7), págs. 315-320. (Analiza las teorías sobre cómo se transfieren los genes de las mitocondrias y del cloroplasto al núcleo, y también qué pasos debe seguir un gen para completar este proceso). [3]
8. ^ Salón C, Brachat S, Dietrich FS. "Contribución de la transferencia horizontal de genes a la evolución de Saccharomyces cerevisiae". Eukaryot Cell 4 de junio de 2005 (6): 1102-15. [4] El artículo sostiene que se ha producido una transferencia horizontal de ADN bacteriano a Saccharomyces cerevisiae.
9. ^ Natsuko Kondo, Naruo Nikoh, Nobuyuki Ijichi, Masakazu Shimada y Takema Fukatsu (2002) "Fragmento del genoma del endosimbionte de Wolbachia transferido al cromosoma X del insecto huésped", Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los EE. UU., 99 (22) : 14280-14285 ". [5] (Artículo completo gratuito) Este artículo sostiene que el ADN de Wolbachia se encuentra en el genoma del escarabajo azuki (una especie de gorgojo del frijol.
10. ^ okstate.edu
11. ^ Papel de cladogénesis
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* Retrotransferencia o captura de genes: una característica de los plásmidos conjugativos, con importancia ecológica y evolutiva.
* Resultados de la investigación sobre la transferencia horizontal de genes ¿Pueden los microorganismos absorber transgenes de plantas modificadas genéticamente y propagarse de esta manera?

[esconder]
v & # 8226 d & # 8226 e
Genética: recombinación genética

Conjugación bacteriana - Cruce cromosómico - Conversión de genes - Gen de fusión - Transferencia horizontal de genes - Intercambio de cromátidas hermanas - Transducción - Transfección - Transformación
Obtenido de "http://en.wikipedia.org/wiki/Horizontal_gene_transfer"

Categorías: Listas incompletas | Genética | Biología de poblaciones microbianas
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Introducción

Los policétidos comprenden una gran clase de productos naturales sintetizados por organismos no relacionados, como bacterias, protistas, plantas, hongos y animales. Estos compuestos se encuentran a menudo en organismos que viven en asociaciones mutualistas, como bacterias simbióticas de hongos, insectos y esponjas [1] & # x02013 [4], u hongos formadores de líquenes [5].De hecho, los hongos liquenizados, que mantienen asociaciones obligatorias con socios fotosintéticos de cianobacterias o algas, se caracterizan por una morfología vegetativa sofisticada y un rico metabolismo de policétidos [6], [7]. Sorprendentemente, sólo alrededor del 10 & # x00025 de los compuestos en la simbiosis de líquenes ocurren en otros hongos o en plantas vasculares [8]. El metabolismo secundario único de los hongos liquenizados ejemplifica algunos de los problemas predominantes en la investigación de productos naturales: ¿Cómo evolucionó la gran diversidad de compuestos? ¿Qué procesos iniciaron la radiación explosiva de metabolitos secundarios en algunos linajes? Para abordar estos problemas, empleamos métodos filogenéticos comparativos en un conjunto de genes involucrados en la biosíntesis de extrolitos de policétidos en bacterias, así como en hongos liquenizados y no liquenizados.

Las policétido sintasas (PKS), entre otras enzimas, están involucradas en la biosíntesis de policétidos. Las PKS son enzimas multifuncionales, que están relacionadas con las sintasas de ácidos grasos (FAS) [9], [10]. PKS y FAS condensan pequeñas unidades de carbono para formar la columna vertebral de carbono del policétido. La variación estructural se crea mediante el uso de diferentes unidades de inicio y sustratos de extensión de cadena [11], reacciones de reducción variable en algunos o todos los grupos ceto [10] y adaptación posterior a PKS del producto PKS [12]. Las bacterias y los hongos suelen albergar un grupo de PKS que consta de un único complejo proteico que lleva todos los sitios catalíticos (PKS de tipo I). Estos PKS suelen estar implicados en la biosíntesis de policétidos aromáticos [13]. Los dominios de las PKS de tipo I se pueden utilizar de forma reiterativa. Un módulo mínimo transporta dominios de cetosintasa (KS), aciltransferasa (AT) y proteína transportadora de acilo (ACP) para realizar un ciclo de elongación de cadena. Los dominios adicionales opcionales responsables de los pasos de reducción sucesivos son la cetoreductasa (KR), la deshidratasa (DH) y la enoil reductasa (ER). Las regiones génicas más conservadas en la PKS de tipo I son los dominios KS y AT, que se utilizan con frecuencia para inferir la evolución de los genes PKS [14] & # x02013 [21]. La ubicación filogenética del KS puede predecir algunas de las propiedades del PKS, como las funciones reductoras o no reductoras [16], [22], [23].

El movimiento horizontal de material genético entre organismos distantes, la transferencia horizontal de genes (HGT), ha jugado un papel importante en la evolución de procariotas [24] y eucariotas [25], [26]. La transferencia de genes entre reinos también se ha demostrado en hongos [27], [28]. Si bien la mayoría de los genes PKS en los genomas fúngicos probablemente se originaron a partir de la duplicación de genes y la subsecuente subfuncionalización de genes individuales [16], un creciente cuerpo de evidencia sugiere que HGT también ha influido en la evolución de esta familia de genes. Se ha sugerido que la co-regulación de la expresión es uno de los factores causales de la agrupación de genes biosintéticos en hongos [29], [30]. Este agrupamiento facilita la transferencia y ha sido uno de los argumentos a favor de la HGT de genes biosintéticos [31]. Otros argumentos incluyen la ubicación de genes biosintéticos en regiones del genoma que son particularmente propensas a recombinarse, como los extremos teloméricos de los cromosomas [30], y la proximidad a elementos genéticos móviles [32], [33]. El grupo de penicilina, que se encuentra en muchas bacterias y algunos hongos, se ha citado como un ejemplo del gen biosintético HGT. Se encontró evidencia tentativa de este evento en el uso de codones en el grupo de penicilina fúngica, que es más parecido al de procariotas [34], y en estimaciones de reloj molecular en una filogenia de grupo de penicilina, lo que sugiere que con respecto al tiempo de divergencia entre bacterias y hongos, el grupo parece mucho más cercano de lo esperado a los genes bacterianos [35].

En el estudio actual inferimos la historia evolutiva de un clado de genes PKS de tipo I de hongos que está estrechamente relacionado con los PKS bacterianos. Los productos genéticos de las PKS en este clado son pequeños compuestos aromáticos monocíclicos o policíclicos, que son precursores de antibióticos fúngicos, como la patulina [36], y micotoxinas que contaminan los alimentos ampliamente, como la ocratoxina [37]. Dado que la sintasa de ácido 6-metilsalicílico (6-MSAS) fue la primera PKS de este grupo en ser caracterizada [36], denominamos a este clado & # x0201c6-MSAS-tipo PKS & # x0201d. Los productos genéticos de las PKS bacterianas estrechamente relacionadas incluyen restos aromáticos de antibióticos potentes, como la avilamicina [38] y la caliqueamicina [39]. Dado que las PKS de acción iterativa son raras en las bacterias, este grupo se denomina a veces PKS & # x0201cfúngica & # x0201d tipo I en las bacterias [40]. La HGT se suele invocar como la explicación más probable de la ubicación filogenética del clado 6-MSAS [15], [16], [21]. Sin embargo, estudios anteriores basaron esta conclusión únicamente en la topología de los árboles, y la dirección de la transferencia entre reinos siguió siendo difícil de alcanzar. Kroken y col. (2003) encontraron un clado de genes PKS de hongos anidados dentro de secuencias bacterianas y postularon una HGT de bacterias a hongos, mientras que Jenke-Kodama et al. (2005) interpretaron la ubicación de genes bacterianos dentro de grupos de secuencias de hongos como evidencia de HGT en la dirección opuesta.

Una razón adicional de nuestro interés en este clado es la aparición de secuencias de hongos liquenizados [41]. Si bien ninguno de los genes PKS que se encuentran en los líquenes se ha caracterizado funcionalmente todavía, es posible que los genes de tipo 6-MSAS estén involucrados en la formación de compuestos de líquenes. Los depsidos y depsidonas característicos de los líquenes, que resultan del acoplamiento de dos o más policétidos monocíclicos (por ejemplo, ácido orselínico), podrían sintetizarse mediante un PKS de tipo 6-MSAS (Daniele Armaleo, comunicación personal). Esto se puede deducir de la similitud estructural de las moléculas y la arquitectura de los genes: el 6-MSAS se diferencia del ácido orselínico solo en una reducción (Fig. 1). Los dominios ceto reductasa (KR) y deshidratasa (DH) responsables de esta modificación podrían faltar o ser disfuncionales en el micobionto PKS, lo que resultaría en la síntesis de ácido orselínico. Además, estudios filogenéticos anteriores han demostrado que una PKS bacteriana o de ácido seínico (aviM, <"type": "entrez-protein", "attrs": <"text": "AAK83194", "term_id": "15077467", "term_text ":" AAK83194 ">> AAK83194) está estrechamente relacionado con los hongos PKS de tipo 6-MSAS [16].

El objetivo de este estudio fue establecer el origen filogenético del enigmático gen biosintético de hongos PKS tipo 6-MSAS en un marco filogenético comparativo. Nuestros resultados brindan apoyo estadístico a la hipótesis de que esta PKS se transfirió de una fuente actinobacteriana a hongos ascomicetos durante un evento de HGT antiguo. Divulgamos el hallazgo de genes PKS de tipo 6-MSAS en una variedad de hongos formadores de líquenes y especulamos sobre el posible papel de los simbiontes de líquenes en la evolución de este gen.


Materiales y métodos

Muestreo de taxón

Datos genómicos de Bartonella y otros organismos bacterianos relacionados con este estudio se descargaron del Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI) GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/, consultado por última vez el 15 de agosto de 2014) o del sitio web de la Bartonella Group Sequencing Project, Broad Institute of Harvard y Massachusetts Institute of Technology (http://www.broadinstitute.org/, último acceso el 15 de agosto de 2014). Bartonella Las especies se agruparon en cuatro linajes (L1 & # x02013L4) más B. tamiae y B. australis, siguiendo la taxonomía actual (Engel et al. 2011 Pulliainen y Dehio 2012 Guy et al. 2013). A los efectos de este estudio, nos referiremos a todas las bartonellae excepto B. tamiae como eubartonellae. Esto se basa en el reconocimiento de que B. tamiae ha sido descrito como claramente distinto de todos los demás linajes de bartonellae actualmente conocidos (Kosoy et al. 2008 Guy et al. 2013). Un total de 28 Bartonella especies fueron examinadas en este estudio (tabla 1).

Análisis de distribución de hits de BLAST de Bartonella Genomas & # x02014 Pantalla de descubrimiento inicial

El análisis de descubrimiento inicial de supuestos eventos de HGT en las vías metabólicas fue asistido por una tubería automatizada (disponible en el Laboratorio Dittmar: https://github.com/DittmarLab/HGTector, consultado por última vez el 15 de agosto de 2014). Esta tubería se basa en un método computacional de detección rápida, exhaustiva y en todo el genoma de HGT, que presenta el análisis sistemático de los patrones de distribución de hits de BLAST combinados con categorías evolutivas jerárquicas definidas a priori (Zhu et al. 2014). Lote BLASTP de Bartonella genes que codifican proteínas se realizaron contra toda la base de datos NCBI nr (mi valor de corte = 1 & # x000d7 10 & # x02212 5, otros parámetros permanecen predeterminados). Genes que tienen menos de un umbral estadísticamente relevante del número esperado de aciertos basado en parientes cercanos conocidos de Bartonella, pero mientras tanto muestran múltiples éxitos principales de organismos taxonómicamente distantes (grupos que no son Rhizobiales), se consideraron candidatos de genes derivados de HGT y fueron sujetos a análisis filogenéticos adicionales (ver más abajo) (ver Zhu et al. 2014 para detalles sobre la tubería ). Se prestó especial atención a los genes involucrados en el metabolismo intermedio central central y la formación de la pared celular, que han sido identificados en estudios previos sobre el metabolismo bacteriano (Zientz et al. 2004).

Análisis filogenéticos y validación de genes transferidos horizontalmente

Se emplearon análisis filogenéticos para validar las supuestas historias horizontales y verticales de los genes identificados en la pantalla de descubrimiento inicial. Patrones filogenéticos que anidan un Bartonella gen dentro de un clado de genes homólogos de un grupo de donantes candidatos, o como un grupo hermano fuertemente apoyado de un grupo de donantes candidatos, se consideraron evidencia significativa que apoya la transferencia horizontal de este donante en particular a Bartonella (Koonin et al. 2001 Nelson-Sathi et al. 2012 Husnik et al. 2013 Schonknecht et al. 2013). Las secuencias de nucleótidos de los genes metabólicos de interés (es decir, la vía de los fosfolípidos) se extrajeron de Bartonella genomas así como genomas de organismos seleccionados que representan el grupo donante putativo y sus grupos hermanos. Las secuencias se alinearon en MAFFT versión 7 (Katoh y Standley 2013), utilizando el algoritmo L-INS-i. El programa MAFFT fue llamado desde el panel & # x0201cTranslational Align & # x0201d de Geneious 6.1 (Biomatters 2013). Los bordes de alineación se recortaron manualmente, si era necesario. Las filogenias de familias de un solo gen se reconstruyeron basándose en alineaciones de secuencias de nucleótidos y aminoácidos (para verificar la congruencia) en un marco estadístico de Monte Carlo (MCMC) de la cadena Bayesiana de Markov utilizando MrBayes 3.2 (Ronquist et al. 2012), así como un Método de máxima verosimilitud (ML) implementado en RAxML 7.7 (Stamatakis 2006). Las ejecuciones Bayesian MCMC tenían una longitud de cadena de 20 millones de generaciones, con la frecuencia de muestreo establecida en 1,000. Los modelos óptimos de sustitución de nucleótidos para las tres posiciones de codones se calcularon en PartitionFinder 1.1 (Lanfear et al. 2012). Se realizaron tres ejecuciones independientes para cada conjunto de datos para garantizar la coherencia entre las ejecuciones. Los archivos de seguimiento se analizaron en Tracer 1.5 (Drummond y Rambaut 2007) para verificar la convergencia a fin de determinar un valor de quemado adecuado para cada análisis. Se construyó un árbol de consenso a partir del espacio de árbol retenido, y las probabilidades posteriores se informan por clado. El ML se ejecutó implementando el modelo GTR + G (para todas las posiciones de los codones) y se realizó un análisis de arranque para medir el soporte del clado.

Estudio de entornos genómicos

Para determinar la frecuencia, los componentes y los límites del material genético supuestamente transferido horizontalmente, los entornos genómicos se examinaron manualmente en Geneious 6.1 (Biomatters 2013). Nuestras suposiciones son que múltiples transferencias independientes de un gen probablemente resultarían en diferentes entornos genéticos afectados. Asimismo, si es diferente Bartonella Las especies comparten el mismo entorno genético adyacente al material genético transferido horizontalmente, y los genes transferidos siguen el patrón evolutivo vertical detectado previamente para las bartonellae; presumiblemente, se puede inferir un solo evento HGT ancestral para todas las especies de ese linaje. Los genes supuestamente derivados de HGT y sus elementos genómicos adyacentes se identificaron en los genomas del receptor y del donante y se compararon entre especies y dentro de los linajes. Los resultados de este análisis se mapearon en el Bartonella árbol de especies (ver más abajo).

Análisis de evolución molecular

Se llevaron a cabo análisis de selección para calibrar las presiones selectivas que operan sobre todos los genes en la vía de los fosfolípidos. La selección se evaluó mediante el método ML en el programa Codeml del paquete Análisis filogenético por máxima verosimilitud (PAML) 4.7 (Yang 2007). Como primer paso, se realizó un análisis bajo el modelo de razón única (M0) para estimar un valor global & # x003c9 (dnorte/DS ratio) a lo largo del árbol filogenético. Las presiones selectivas globales se evaluaron utilizando los modelos de sitio (M1a, M2a, M8 y M8a). Tasas evolutivas de ramas de interés particulares (& # x003c91) frente a la relación de fondo (& # x003c90) se calcularon utilizando el modelo de rama (modelo = 2). Las presiones selectivas que operan en subconjuntos de sitios de estas sucursales se calcularon utilizando los modelos de sucursales (modelo A y A1). La significación del cambio del valor de & # x003c9 y la evidencia de selección positiva se evaluó mediante la prueba de razón de verosimilitud. Los sitios positivos se identificaron mediante el análisis Bayes Empirical Bayes (BEB) (Yang et al. 2005).

La estructura terciaria de la proteína GpsA (glicerol-3-fosfato deshidrogenasa dependiente de NAD (P) H) en Coxiella burnetii (Gammaproteobacteria: Legionellales) se utilizó para modelar la posición de los sitios identificados con selección positiva en transferencia horizontal gpsA genes (Seshadri et al. 2003 Minasov et al. 2009).

La posibilidad de que lo adquirido horizontalmente gpsA genes experimentaron una evolución convergente en Bartonella, en relación con sus antepasados. Potenciales estados ancestrales del gpsA los genes anteriores a HGT se reconstruyeron bajo el modelo A en Codeml de PAML (ver arriba). A continuación, la secuencia se comparó con la secuencia de consenso existente Bartonella especies. Un enfoque estadístico introducido recientemente por Parker et al. (2013) se aplicó para identificar las firmas de evolución convergente de gpsA versiones después de la adquisición horizontal. En resumen, este método se basa en la importancia de las diferencias en los soportes de verosimilitud logarítmica por sitio entre un árbol de especies comúnmente aceptado y topologías convergentes alternativas dadas bajo el mismo modelo de sustitución.

Análisis filogenético de Bartonella Especies

Con el fin de mapear con parsimonia los eventos de HGT a la historia evolutiva de las bartonellae, las relaciones filogenéticas entre Bartonella Las especies se infirieron utilizando enfoques filogenéticos y filogenómicos estándar de la siguiente manera:

Análisis filogenómico: Los proteomas de 23 anotados Bartonella Se descargaron los genomas, de los cuales se identificaron grupos ortólogos (OG) utilizando OrthoMCL 2.0 (Li et al.2003) con parámetros predeterminados (BLASTP mi valor de corte = 1 & # x000d7 10 & # x02212 5, porcentaje de corte de coincidencia = 80%, parámetro de inflación MCL = 1,5). Se aislaron OG que tienen exactamente un miembro en todos y cada uno de los genomas, lo que resultó en 516 OG. Los miembros de cada uno de estos OG se alinearon en MAFFT (Katoh y Standley 2013) y se refinaron en Gblocks 0.91b (Castresana 2000) para eliminar las regiones problemáticas. Un modelo de sustitución de aminoácidos óptimo para cada OG se calculó en ProtTest 3.3 (Darriba et al. 2011) utilizando el criterio de información bayesiano. Las 516 alineaciones se concatenaron en un conjunto de datos, en base al cual se reconstruyó un árbol filogenético utilizando el método ML implementado en RAxML (Stamatakis 2006) con 100 réplicas de arranque rápido. Bartonella tamiae se utilizó como un grupo externo, y todas las demás bartonellae se trataron como grupo interno.

Análisis filogenético estándar: No se pudieron incluir cinco especies adicionales en el enfoque anterior, ya que sus proteomas no están disponibles en GenBank. Explorar y confirmar las posiciones filogenéticas de estos Bartonella especies, se realizó un análisis por separado siguiendo los enfoques descritos anteriormente (ver arriba) utilizando seis marcadores genéticos de uso común (Inoue et al.2010 Sato et al.2012 Mullins et al.2013) de 28 Bartonella los genomasB. tamiae incluidos en el grupo) y siete genomas externos, que representan géneros hermanos cercanos de Bartonella (tabla complementaria S1, Material complementario en línea) (Gupta y Mok 2007 Guy et al. 2013).

Genotipado experimental

Para explorar más a fondo la distribución de Bartonella clados con genes metabólicos derivados de HGT en insectos que se alimentan de sangre, analizamos una muestra global de 21 especies de Siphonaptera e Hippoboscoidea para gpsA secuencias (tabla 2). Todas estas muestras habían sido positivas para Bartonella gltA detección del gen y del ARNr 16S mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) en análisis anteriores (Morse et al. 2012, 2013). Se extrajo ADN genómico de cada muestra individual, utilizando el DNeasy Blood & # x00026 Tissue Kit (Qiagen Sciences Inc., Germantown, MD), siguiendo el protocolo de tejido animal. La calidad y las concentraciones de ADN se evaluaron con un espectrómetro NanoDrop (Thermo Fisher Scientific, Wilmington, DE). Bacteriano gpsA La diversidad se evaluó mediante la amplificación de gpsA genes de cada muestra utilizando cebadores específicos y condiciones de reacción: Helicobacter-derivado gpsA (He) (ver resultados) adelante: 5 & # x02032-ATG AAA ATA ACA RTT TTT GGW GGY GG-3 & # x02032, reverso: 5 & # x02032-TTA ATA CCT TCW GCY ACT TCG CC-3 & # x02032 Derivado de enterobacteriales gpsA (Ar / Se) adelante: 5 & # x02032-GGT TCT TAT GGY ACY GCW TTA GC-3 & # x02032, reverso: 5 & # x02032-TAR ATT TGY TCG GYA ATT GGC ATT TC-3 & # x02032. Se realizó una clonación de TA posterior (si aplica) para aislar amplicones. Según estudios previos de la diversidad microbiana de los murciélagos, esperamos que un subconjunto de especies albergue Arsenophonus y organismos similares (ALO) como endosimbiontes (Morse et al. 2013 Duron et al. 2014). En estas especies, nos dirigimos específicamente Arsenophonus-escribe gpsA con fines comparativos. El análisis de secuencia y el análisis filogenético siguieron los protocolos estándar descritos anteriormente.


Transferencia horizontal de genes y evolución de los genomas del colifago de microviridos

HIGO. 1. La región intergénica H-A para los fagos que se agrupan con α3 y φK codifica cinco marcos de lectura abiertos conservados. El gen A * se dejó fuera del mapa del genoma porque, al igual que para α3, existen múltiples sitios de inicio potenciales para este gen.Se proporcionan secuencias de consenso para los sitios de unión a ribosomas y el promotor y se basan únicamente en los nuevos aislados. Las posiciones de los genes se basan en la secuencia de WA13. HIGO. 2. Filogenia de probabilidad máxima a posteriori basada en una alineación completa del genoma. Las probabilidades posteriores se dan por encima de las ramas relevantes. Al menos tres clados distintos son evidentes y están bien respaldados, cada uno de los cuales incluye al menos una de las cepas de laboratorio secuenciadas previamente. El árbol tiene raíces en el punto medio para mayor claridad visual. HIGO. 3. Las filogenias de genes demuestran patrones evolutivos complejos en la evolución del genoma. Los modelos utilizados para los análisis son los siguientes: A, TIM + I + GC, K80 + GD, TrN + I + GF, TrN + I + GG, HKY + GH, GTR + GJ, TrNef + I, según lo seleccionado por DT- ModSel. Tenga en cuenta que los genes A y C están en escalas diferentes que el resto de las filogenias. HIGO. 4. La filogenia de máxima verosimilitud del gen D ubica a los antepasados ​​del grupo similar a α3 y al grupo similar a G4 dentro del grupo similar a φX174. Esto y el ritmo más lento de evolución del gen D sugieren que la encarnación actual del gen D para estos otros grupos surgió en el grupo similar a φX174 y posteriormente se extendió a los otros grupos.

Abstracto

Las bacterias evolucionan rápidamente no solo por mutación y multiplicación rápida, sino también por transferencia de ADN, lo que puede resultar en cepas con mutaciones beneficiosas de más de un padre. La transformación implica la liberación de ADN desnudo seguida de absorción y recombinación. Los procesos de recombinación homóloga y reparación del ADN normalmente lo limitan al ADN de bacterias similares. Sin embargo, si un gen pasa a un plásmido de amplio rango de hospedadores, podría propagarse sin necesidad de recombinación. Existen barreras para ambos procesos, pero reducen, en lugar de prevenir, la adquisición de genes.


MECANISMOS DE TRASLADO HORIZONTAL

Transferencia horizontal de genes y naturaleza de la herencia

La primera descripción de una transferencia horizontal de genes ha sido un gran avance en biología molecular, e incluso puede verse como su experimento fundacional. Al demostrar, en 1928, que las bacterias neumococos no virulentas pueden volverse patógenas simplemente por contacto con bacterias virulentas, incluso bacterias destruidas por el calor, Griffith (1928) demostró que existe un principio termoestable, capaz de modificar la herencia. Este principio se identificaría años más tarde como ADN (Avery et al. 1944). Este descubrimiento, sin embargo, solo pudo tener lugar debido a la notable capacidad de los neumococos para adquirir ADN de forma horizontal. Ahora sabemos que en este experimento, se transfiere un gen responsable de la síntesis de la cápsula de polisacárido de la bacteria y se incorpora en lugar de su contraparte deficiente en cepas no virulentas.

El citoplasma de las bacterias, en el que se encuentra el genoma, se aísla eficazmente del medio externo mediante una o más membranas, dependiendo de los grupos de bacterias. El ADN no puede atravesar pasivamente estos obstáculos. Existen mecanismos específicos que facilitan el acceso del ADN extraño al genoma. Tres de ellos están bien documentados.

La transformación es un mecanismo activo por el cual el ADN libre presente en el medio, típicamente derivado de organismos muertos, es absorbido por el citoplasma. Esto podría ser principalmente con fines nutricionales, pero algunas bacterias son muy selectivas en el tipo de ADN que permiten ingresar a la célula, lo que sugiere que también sirve para favorecer la recombinación con parientes cercanos (Redfield et al. 1997 Szöllősi et al. 2006 Mell y Redfield 2014).

La conjugación es un mecanismo de transmisión unidireccional del ADN de una célula a otra a través de un "pilus sexual" mediante el cual se transporta el ADN. Este mecanismo se ha comparado falsamente con el sexo eucariota. La bacteria donante se describe como masculina, mientras que la bacteria receptora se llama femenina. De hecho, los genes responsables de la conjugación son transportados por plásmidos o bacteriófagos conocidos como "conjugativos", que utilizan la conjugación para asegurar su transmisión (y así transformar a la hembra en macho). A veces, sin embargo, estos elementos conjugativos transportan accidentalmente el ADN del huésped, en cuyo caso pueden promover la transferencia de genes distintos al suyo.

La transducción es un tipo de transferencia que se produce a través de un bacteriófago que transmite el ADN de una célula a otra. Al final de su ciclo de replicación, la célula huésped sufre lisis y el ADN fragmentado del genoma del huésped se empaqueta ocasionalmente dentro de partículas infecciosas. Luego, este ADN se puede inyectar en otro individuo, en lugar del ADN del virus. Algunas especies de bacterias se han apropiado de este mecanismo en su beneficio y han reclutado genes de bacteriófagos para facilitar el intercambio genético. Estas cápsides de fagos defectuosas, presentes, en particular, en muchas α-proteobacterias, se denominan "agentes de transferencia de genes" (GTA) (Lang y Beatty 2007).

Una vez dentro del citoplasma, el ADN tiene varios destinos posibles. Puede ser destruido por los sistemas de degradación del ADN que están presentes en el citoplasma del huésped (enzimas de restricción, ADNasas, etc.) o persistir como entidades replicativas autónomas, como los plásmidos. Finalmente, todo o parte del ADN puede integrarse en el cromosoma del huésped. Esta integración depende de varios factores como el grado de similitud con el ADN genómico del hospedador, en el caso de recombinación homóloga, o la asociación física con otras secuencias capaces de integración como elementos transponibles o genes bacteriófagos. Cuando se produce una recombinación homóloga, la secuencia de ADN extraño reemplaza las secuencias homólogas existentes en el genoma del huésped; esto es lo que sucede en el ejemplo del neumococo. Por el contrario, cuando el ADN se integra en el genoma por otros medios, a menudo simplemente se inserta como un gen completamente nuevo.

Consecuencias evolutivas de la transferencia horizontal

El verdadero papel evolutivo y el impacto que la transferencia horizontal de genes ha tenido en la evolución de la vida solo se reconocieron recientemente con el advenimiento de la secuenciación del genoma. Los mecanismos anteriores tienen una especificidad relativamente baja y, por lo tanto, permiten el movimiento de información genética incluso entre especies distantes, con las correspondientes consecuencias profundas sobre los modos de adaptación y el concepto de especie bacteriana (Ochman et al. 2005).

En comparación con la descendencia con modificación, la transferencia horizontal de genes ofrece la posibilidad de una adaptación bastante drástica. Sin embargo, lejos de cuestionar el principio de la evolución darwiniana, como se ha sugerido, este modo de evolución subraya la importancia de tener en cuenta diferentes niveles de selección (por ejemplo, genes frente a genomas) para comprender la evolución de los genomas. Muchos genes presentes en los genomas bacterianos provienen de profagos y, por lo tanto, han evolucionado bajo diferentes limitaciones que el resto del genoma. No obstante, los genomas bacterianos han cooptado repetidamente funciones de sus parásitos genómicos (Canchaya et al. 2004 Bobay et al. 2014). Además, se ha sugerido que la organización en operones de genomas bacterianos (es decir, en grupos de genes funcionalmente relacionados y cotranscritos) podría ser el resultado de una necesidad de corregulación, así como una presión de selección de genes que interactúan para realizar una función para permanecer juntos durante las transferencias horizontales. Este modelo se conoce como el "operón egoísta" (Lawrence y Roth 1996 Price et al. 2006). La transferencia horizontal de genes también se ha visto como una barrera para definir especies en procariotas (y, como veremos más adelante, también para el concepto de filogenia procariota). Definida en los animales sobre un criterio de interfertilidad, o en un nivel más molecular, por los límites de recombinación, la especie biológica es un concepto de difícil aplicación a las bacterias.


Resultados y discusión amplificada

Análisis de linajes de donantes en eventos HGT

Para investigar los organismos donantes de HGT de 64 cepas de clamidia, inferimos eventos de transferencia reconciliando cada árbol genético de 1.030 conjuntos de genes homólogos con 2.472 filogenias de especies procarióticas completamente secuenciadas. Tras el procedimiento de identificación y evaluación inicial, detectamos 1.030 eventos de HGT altamente confiables ocurridos entre diferentes especies, incluyendo Clamidia para cada familia de genes. Parecía que HGT se ha producido favorablemente entre especies en el Clamidias phylum, pero también había una serie de genes derivados de organismos fuera del phylum. Estos organismos pertenecen a 59 géneros diferentes, que cubren 12 filos de bacterias y arqueas que incluyen un amplio espectro de estilos de vida (Fig. 1). Numerosos eventos de HGT fueron sometidos a ocurrir entre Clamidia y Proteobacterias, Espiroquetas, mientras que Clamidia apenas recibió genes de organismos en Actinobacterias filo. También se observaron varias tendencias específicas de especies de HGT en cada especie de clamidia. Por ejemplo, varias especies en phylum Firmicutes tal como Bacillus Anthracis CDC 684, Enterococcus faecium Aus 0085, y Staphylococcus aureus subsp. aureus TCH60 transfirió genes solo a C. psittaciy ausencia de HGT para C. muridarum de varios organismos donantes en Bacteroidetes fueron observados (Fig 1).

(A) Esta figura ilustra un patrón global de HGT en 8 Clamidia especies analizadas. El árbol filogenético de 2.472 especies procariotas se construyó con FastTree (ver. 2.9) basándose en la alineación de múltiples secuencias de rRNA 16S. El árbol se visualizó utilizando Interactive Tree of Life Versión 3.4.3 (http://itol.embl.de/) [28]. Cada tira de color del círculo exterior representa un filo diferente de bacterias y arqueas. Los phylums reales del donante están resaltados con un asterisco. De adentro hacia afuera, los gráficos de barras en círculos representan C. aborto, C. caviae, C. felis, C. muridarum, C. pecorum, C. pneumoniae, C. psittaci, y C. trachomatis, respectivamente. Cada gráfico de barras muestra las transferencias de genes del organismo correspondiente en el árbol, y las barras verticales representan el número de eventos de HGT entre los organismos donantes y receptores correspondientes. (B) Mapa de calor que muestra el número de HGT entre Clamidia y especies donantes no clamidiales. Las filas representan todas las especies donantes identificadas (SV ≥ 0,9) Las columnas representan el receptor Clamidia especies. Aquí solo se muestran los eventos HGT con SV ≥ 0,9.

Aunque muchos de los organismos donantes como Neisseria meningitidis y Treponema pedis se sabe que son patógenos para los vertebrados o asociados con el hospedador, existen otras especies donantes que se consideran típicamente como bacterias de vida libre, incluidas Isophaera pallida ATCC 43644, Metilacidiphilum infernorum V4 y Salinispira pacifica L21-RPU1-D2. Primero, para las especies donantes que ocupan nichos muy similares a los Clamidia, se identificaron muchos organismos que residen y causan infecciones en el sistema respiratorio u órganos urogenitales en humanos u otros animales, en los cuales la mayoría de los Clamidia las especies están asociadas. Además, nuestro resultado muestra una ocurrencia de varios HGT con organismos comensales aislados del tracto gastrointestinal (GI) de mamíferos. Por ejemplo, el gen pirofosfoquinasa de ribosa-fosfato se transfirió de Ureaplasma parvum que habitan áreas genitales (SV: 1.0), y Enterococcus faecium Transfirió el gen que codifica la proteína de la familia del transportador ABC a C. psittaci (SV: 1,0). En un estudio anterior, se descubrió que no solo Clamidia Puede infectar eficazmente el tracto GI de todos los huéspedes, incluidos los humanos, pero el tracto GI también puede actuar como reservorio de la infección persistente por clamidia [29, 30]. Se ha informado de que el tracto gastrointestinal también se considera un punto caliente para la HGT entre las bacterias [31].

Además de las bacterias que residen en los sitios del cuerpo humano o animal, observamos una gran proporción de especies donantes ambientales que habitan en hábitats acuáticos o terrestres (Figura 1). Por ejemplo, el gen de la lisil-tRNA sintetasa se transfirió de bacterias acuáticas, Aerófilo caldilinea (SV: 0,97), y el gen que codifica la enzima modificadora de ARNt similar a MiaB se transfirió de Thermanaerovibrio acidaminovorans DSM 6589 en entornos terrestres residentes (SV: 1.0). Los mecanismos por los cuales la transferencia génica de Clamidia que ocurre aún no está claro. En muchos estudios se descubrieron varios fagos necesarios para la transducción y se observaron transferencias de ADN después de la coinfección de múltiples cepas con el huésped [9-11]. ClamidiaEl filo se considera como un grupo de parásitos exitosos que tienen un rango de hospedadores extremadamente amplio y se distribuyen de manera ubicua por naturaleza. Ha habido solo cuatro familias (Parachlamydiaceae, Simkaniaceae, Waddliaceae, y Criblamydiaceae) descubierto dentro del filo que puede crecer en huéspedes naturales como amebas [2]. Sin embargo, se ha informado en muchos estudios que un gran número de secuencias de ARNr de organismos similares a la clamidia se detectan en diversas muestras ambientales, como muestras de suelo, agua, manantiales termales y lodos activados [4, 32, 33]. Nuestros resultados sugieren que Clamidia puede tener incluso más variedad de hospedadores de lo que pensamos y potencialmente intercambiar genes en hospedadores naturales aún desconocidos. También sugiere la hipótesis de que puede existir un nuevo mecanismo de transferencia de genes que permita Clamidia intercambiar genes con organismos de vida libre.

Variación en el efecto de HGT entre especies

El análisis de 64 genomas de clamidia utilizando la base de datos HGTree identificó que se infirió que 701 familias de genes se habían sometido a una o más HGT, con 97 familias de genes transferidas desde fuera de Clamidias. Un examen más detallado de los 701 genes adquiridos por HGT con RAxML y RANGER-DTL 2.0 dio como resultado 548 genes putativos, incluidos 42 genes no originados por clamidia con alta confiabilidad. El porcentaje de genes recibidos fue marcadamente variable entre las especies, siendo más de tres veces mayor en C. felis linaje (30,1% del total de genes), C. aborto linaje (27,4% del total de genes), y C. caviae linaje (27,1% del total de genes) que en C. trachomatis (8.15

9,66%) (Figura 2). La gran variabilidad en el número de genes transferidos entre especies se deriva principalmente de eventos de transferencia intra-filo, por otro lado, la proporción de genes transferidos entre filo se muestra consistentemente baja en todas las cepas. También analizamos la distribución de todas las familias de genes detectadas en las categorías funcionales del COG [26]. Encontramos que los genes de todas las categorías funcionales (metabolismo, almacenamiento y procesamiento de información y procesos celulares y señalización) están sujetos a transferencia (Fig. 3). Por el contrario, en las transferencias inter-phylum, los genes relacionados con el metabolismo y el almacenamiento y procesamiento de información se asignan relativamente alto (31% y 49%, respectivamente), mientras que solo se asigna el 16% de los procesos celulares y genes de señalización (Fig 3). Estos resultados indican que pueden existir barreras genéticas de inter-phylum HGT en genomas de clamidia. Se sabe que la transferencia de genes entre organismos relacionados lejanamente ocurre con menos frecuencia que entre organismos estrechamente relacionados, ya que los mecanismos genéticos y la organización del genoma diferente pueden actuar como limitaciones para inter-phylum HGT [34, 35].

Los diagramas de caja muestran la distribución de la proporción de genes transferidos para organismos en cada Clamidia especies. Cada gráfico muestra la distribución de las proporciones de genes transferidos de organismos fuera de Clamidias phylum (arriba) y proporciones de genes transferidos de Clamidia (Fondo). El eje x indica de 8 Clamidia especies utilizadas en este estudio, y el eje y indica la relación entre el número de genes transferidos y el número de genes totales en cada cepa. La gran variabilidad en el número de genes transferidos entre especies se deriva principalmente de eventos de transferencia intra-filo, por otro lado, la proporción de genes transferidos entre filo se muestra consistentemente baja en todas las cepas.

Las categorías funcionales son según la base de datos del COG [26]. (A) Muestra la distribución de genes recibidos de Clamidia. (B) Muestra la distribución de genes recibidos de organismos distintos a Clamidias filo. Los genes de todas las categorías funcionales (procesos celulares y señalización, almacenamiento y procesamiento de información y metabolismo) están sujetos a transferencia. Por el contrario, en las transferencias entre filo, los genes relacionados con el metabolismo y el almacenamiento y procesamiento de información se asignan relativamente alto (31% y 49%, respectivamente), mientras que solo se asigna el 16% de los procesos celulares y genes de señalización.

Como se mencionó anteriormente, el C. felis y C. aborto El genoma mostró la proporción más alta de genes HGT en todas las especies, con 30,1% y 27,4% del total de genes, respectivamente. C. aborto es la especie divergente más recientemente que es la principal responsable del aborto enzoótico en ovinos y bovinos [36]. Existe una fuerte correlación entre la adaptación y HGT. Se sabe que las bacterias pueden responder al SOS provocado por el estrés ambiental y promover la distribución horizontal de genes esenciales para la supervivencia [37]. En un estudio reciente, se observaron 190 eventos de recombinación en 12 C. trachomatis recombinantes bajo presión de antibióticos [38]. También se ha informado de que las bacterias deficientes en genes de reparación de desajustes han aumentado significativamente la tasa de HGT y la posterior recombinación de esos genes [39]. De esta forma, HGT puede utilizarse para acelerar las tasas de adaptación en nuevos entornos [40], por otro lado, se mantiene en un nivel mínimo [41]. Por lo tanto, una alta proporción de genes HGT de C. aborto puede explicarse como el resultado de la adaptación continua a un nuevo estilo de vida patógeno en la placenta. En contraste, todos los C. trachomatis Los linajes muestran proporciones relativamente bajas, con una media del 9,08% de genes transferidos. La posible explicación de este fenómeno es que C. trachomatis tiene una historia evolutiva muy larga desde su divergencia del otro Clamidia hace aproximadamente 6 millones de años [42], y a diferencia de otros Clamidia que infectan a través de múltiples especies de huéspedes con antecedentes de saltos frecuentes de especies de huéspedes [14, 43], C. trachomatis tiene al ser humano como su anfitrión natural exclusivo. Sin embargo, son patógenos intracelulares adaptados con éxito, infecciones que se encuentran entre las más comunes de todas las infecciones bacterianas humanas, ya que es una de las principales causas de infecciones de transmisión sexual y ceguera en todo el mundo [44, 45]. Desde este punto de vista, se puede plantear la hipótesis de que su estabilidad como patógenos bien adaptados en entornos estáticos durante un largo período les ha llevado a mantener las transferencias de genes a un nivel mínimo. Además, la ausencia de C. trachomatis la infección de los fagos detectados puede tener un impacto en la baja proporción de HGT [11].

El análisis KEGG de las familias de genes transferidos se realizó para investigar las vías que podrían desempeñar un papel importante en Clamidia y probar si los conjuntos de genes transferidos de cada linaje varían a lo largo de las vías funcionales. En nuestro análisis, la variación en el número de conjuntos de genes transferidos entre linajes fue bastante similar a través de las vías, en la mayoría de los linajes, el metabolismo de carbohidratos, nucleótidos y cofactores se intercambió con mayor abundancia (Fig. 4). En un estudio anterior, se observó un intercambio frecuente de genes en el transporte y metabolismo de carbohidratos entre organismos asociados con animales [46]. Sin embargo, encontramos que el efecto de la transferencia intra-filo y la transferencia entre filo en cada vía era diferente (Fig. 5). Por ejemplo, los genes asociados en la ruta de biosíntesis de aminoacil-tRNA se adquirieron horizontalmente principalmente de especies no clamidiales y, curiosamente, la HGT de los genes relacionados con el sistema de secreción de tipo III (T3SS) se produjo casi exclusivamente a nivel intrafilo (Figura 5). El efecto variable sobre las categorías funcionales y las especies sugiere que algunas vías pueden aceptar la introducción de nuevos genes de diferentes filo mejor que otras vías. No todos los genes son permisivos para la transferencia de genes interespecíficos. Los genes que codifican proteínas que forman grandes complejos o genes cuyos productos interactúan con otras partículas muestran menos preferencia por la HGT [47]. Además, la interacción deletérea entre proteínas nativas y adquiridas también pueden ser barreras importantes [47, 48]. También se han reconocido barreras entre ciertas especies para muchas especies de bacterias y arqueas [49].

La figura muestra la variación en el número de conjuntos de genes transferidos a través de las vías de KEGG. Los Boxplots representan el número de genes asociados en la Vía KEGG correspondiente transferidos a cada Clamidia especies. Cada fila denota 8 diferentes Clamidia especies utilizadas en este estudio. El eje y indica el número de genes transferidos contados.

La figura muestra la variación en el número de conjuntos de genes transferidos entre inter-phylum HGT e intra-phylum HGT. Los diagramas de caja muestran el número de genes transferidos a cada Clamidia especies distribuidas a lo largo de las vías de KEGG. Cada fila denota genes HGT inter e intrafilo. El eje y indica el número de genes recibidos para Clamidia especies contadas.

HGT de genes relacionados con la virulencia de Clamidia

La evolución bacteriana depende en gran medida de la capacidad de adaptarse y colonizar nichos específicos. Las transferencias de genes de genes relacionados con la virulencia pueden afectar la patogenia de Clamidia son. Por lo tanto, es importante identificar estos eventos para ampliar nuestra comprensión del evento de especiación y la aparición de cepas. A pesar de que Clamidia tienen genomas muy conservados como resultado de la reducción del genoma impuesta por su estilo de vida intracelular [42], hay una región de punto caliente para la variación del genoma que se denomina "zona de plasticidad" y la región codifica factores de virulencia, incluido el complejo de ataque a la membrana / proteína perforina (MACPF), citotoxina y genes relacionados con importantes vías de biosíntesis y recuperación [50]. Se sabe que la presencia o ausencia de estos genes en la región confiere diferente especificidad de nicho a los organismos. Basado en nuestro trabajo, parecía haber varios eventos de HGT en la zona de plasticidad ocurriendo dentro de Clamidia género. Ya que Clamidia interactúan frecuentemente con las membranas durante su infección, el papel de MACPF es importante [51]. Encontramos la transferencia de genes de MACPF de C. aborto S26 / 3 hasta C. felis Fe / C-56 (SV: 1.0) y para C.psittaci M56 (SV: 1.0) por separado. La vía de biosíntesis de triptófano es necesaria para la supervivencia de Clamidia dado que el huésped restringe el crecimiento de clamidias al degradar el triptófano como mecanismo de defensa [52]. Cada Clamidia especie posee diferentes niveles de conjuntos de genes funcionales de la vía de biosíntesis de triptófano [53]. Entre los genes asociados en esta vía, solo TyrP El gen que codifica la proteína de transporte de tirosina / triptófano se transfirió dentro Clamidia género (de C. felis Fe / C-56 hasta C. caviae GPIC SV: 1,0). Sin embargo, la incongruencia filogenética sugirió que TrpC de C. pecorum E58, C. felis Fe / C-56 y C. caviae GPIC podría haber sido transferido desde Coxiella burnetti cepa dugway 5J108-111, otro patógeno intracelular obligado de humanos y animales (SV: 1.0). TrpC codifica indol-3-glicerol fosfato sintasa que es necesaria en el cuarto paso de la ruta de biosíntesis de triptófano. Anteriormente se propuso que Quemadura de coxiellaetti adquirió el operón trp de simkania negevensis, una bacteria perteneciente a la Clamidias phylum [54]. También se observaron supuestas transferencias de genes múltiples dentro del género en la adenosina desaminasa (Agregar) asociado en la vía de biosíntesis de ribonucleótidos de purina (Fig. S1), aunque no se detectaron signos de HGT en GuaAB. La presencia de toxinas / adherencia puede afectar Clamidia patogenia y rango de hospedadores. Estos loci presentes solo en C. trachomatis, C. muridarum, C. pecorum, C. psittaci, C. caviae, y C. felis especies. Es importante determinar si las cepas que poseen el locus han ganado el gen recientemente o si estos genes se pierden por las cepas que no lo poseen [14]. Según nuestro análisis, HGT de tox / adherencia se había producido desde Escherichia coli y Citrobacter rodentinum para C. caviae GPIC (SV: 1,0).

Clamidia muestra un ciclo de desarrollo bifásico único. En todas las etapas de la infección, las interacciones entre los Clamidia y su anfitrión son esenciales, y traslocan diferentes tipos de proteínas efectoras de virulencia en el citoplasma del anfitrión que se utilizan para la manipulación de las funciones celulares del anfitrión [55]. Al igual que los genes de virulencia en la zona de plasticidad, los genes T3SS parecían transferirse principalmente dentro de Clamidia. Entre los genes que codifican componentes estructurales del aparato T3SS, hubo evidencias de HGT intragénero en 5 genes (SctW, SctS, SctR, SctF, y SctP). Entre las proteínas efectoras que se utilizan para la manipulación de la respuesta inmune de la célula huésped, EEA1, Cap1, CPAF, Cucharadita, y pGP6-D parecen tener antecedentes de HGT solo con otros Clamidia.

HGT entre Clamidiaceae ha aparecido en muchos estudios de genómica comparativa en los últimos años [13, 14, 56]. Hemos descubierto, utilizando un método de reconciliación de árboles, que los intercambios de genes relacionados con la virulencia se producen principalmente en Clamidia género. Sugiere que la HGT intragénero puede haber sido un mecanismo importante para la adquisición de factores determinantes de la infección en Clamidia. Este descubrimiento refleja que los genes relacionados con la virulencia circulan entre Clamidia lo que puede facilitar el evento de especiación y la aparición de nuevas cepas. En los patógenos microbianos, los genes de virulencia son determinantes particularmente importantes del rango de tejido y hospedador [57], y la transferencia de esos genes puede proporcionar un beneficio de aptitud al receptor. La adquisición de genes de especies estrechamente relacionadas que ya se han adaptado para satisfacer los requisitos particulares de un nicho similar conferiría aún más ventajas para la adaptación. Será informativo ver si la HGT intragénero es un mecanismo general para la adquisición de tales factores también en otra patogénesis intracelular obligada. En este estudio, descubrimos varias características de la HGT actuando sobre Clamidia evolución del genoma y propuso una expansión de la comprensión actual de Clamidia ecología. Más información sobre el mecanismo HGT de Clamidia vendrá de futuros experimentos de laboratorio.


Artículo de Investigación Original

  • 1 Departamento de Ecología y Biología Evolutiva, Universidad de Yale, New Haven, CT, EE. UU.
  • 2 Gen & # x000D8k-Center for Biosafety, The Science Park, Troms & # x000F8, Noruega
  • 3 Departamento de Farmacia, Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad de Troms & # x000F8, Troms & # x000F8, Noruega

Los enfoques experimentales para identificar eventos de transferencia horizontal de genes (HGT) de ADN no móvil en bacterias se han basado típicamente en la detección de los transformantes iniciales o su descendencia inmediata. Sin embargo, es poco probable que se detecten eventos de HGT raros que ocurren en poblaciones grandes y estructuradas en un período corto de tiempo. Por lo tanto, el modelado genético de poblaciones de la dinámica de crecimiento de los genotipos bacterianos es necesario para tener en cuenta la selección natural y la deriva genética durante el desfase de tiempo y para predecir marcos de tiempo realistas para la detección con un diseño de muestreo dado. Aquí nos basamos en enfoques estadísticos de la teoría genética de poblaciones para construir un marco probabilístico cohesivo para la investigación de HGT de ADN exógeno en bacterias. En particular, se tiene en cuenta la sincronización estocástica de eventos HGT raros. Integrando todos los tiempos de eventos posibles, proporcionamos una ecuación para la probabilidad de detección, dado que HGT realmente ocurrió. Además, identificamos las variables clave que determinan la probabilidad de detectar eventos de HGT en cuatro escenarios de casos diferentes que son representativos de las poblaciones bacterianas en varios entornos. Nuestro análisis teórico proporciona información sobre los aspectos temporales de la diseminación de material genético, como genes de resistencia a antibióticos o transgenes presentes en organismos modificados genéticamente. Debido a las largas escalas de tiempo involucradas y al crecimiento exponencial de bacterias con diferente aptitud, los análisis cuantitativos que incorporan el tiempo de generación bacteriana y los niveles de selección, como el que se presenta aquí, serán un componente necesario de cualquier diseño y análisis experimental futuro de HGT. como ocurre en entornos naturales.


Transferencias horizontales de genes de bacterias a Entamoeba Complejo: una estrategia para fechar eventos a lo largo de la divergencia de especies

La transferencia horizontal de genes ha demostrado ser relevante en la evolución eucariota, ya que se ha encontrado con más frecuencia de lo esperado y se relaciona con la adaptación a ciertos nichos. Se ha propuesto y evaluado una lista relativamente grande de genes transferidos lateralmente para el parásito. Entamoeba histolytica. Los objetivos de este trabajo fueron dilucidar la importancia de la transferencia lateral de genes a lo largo de la historia evolutiva de algunos miembros del género. Entamoeba, mediante la identificación de grupos de donantes y la estimación del tiempo de divergencia de algunos de estos eventos. Para estimar el tiempo de divergencia de algunos de los eventos de transferencia genética horizontal, la datación de algunos Entamoeba especie era necesaria, siguiendo una estrategia de datación indirecta basada en el registro fósil de huéspedes plausibles. La divergencia entre E. histolytica y E. nuttallii probablemente ocurrió hace 5.93 millones de años (Mya) este linaje divergió de E. dispar 9.97 Mya, mientras que el antepasado de este último se separó de E. invadens 68,18 Mya. Estimamos tiempos para 22 transferencias, la más reciente ocurrió 31.45 Mya y la más antigua 253.59 Mya. De hecho, la adquisición de genes a través de la transferencia lateral puede haber desencadenado un período de radiación adaptativa, desempeñando así un papel importante en la evolución de la Entamoeba género.

1. Introducción

Entamoeba El género está formado por amebas morfológicamente similares, la mayoría de ellas son parásitos intestinales que pueden infectar a varios huéspedes [1]. Entamoeba histolytica Es uno de los parásitos protozoarios intestinales más importantes en los seres humanos que causa colitis amebiana. También pueden invadir el hígado provocando un absceso hepático amebiano. Se estima que este parásito causa 70.000 muertes en todo el mundo cada año [2]. Además, el E. dispar especie es morfológicamente casi idéntica a E. histolytica. Sin embargo, hasta el día de hoy, este ha sido considerado como un organismo comensal del intestino humano. Sin embargo, E. dispar Se ha detectado en pacientes con colitis amebiana sintomática y también en el material de abscesos hepáticos amebianos [3]. Muy recientemente, un nuevo linaje de los Entamoeba género se ha detectado en el intestino de macacos rhesus Macaca mulata. Además, se ha propuesto como candidato a revivir el nombre E. nuttallii para este linaje, particularmente por sus características genéticas.

E. nuttallii infecta macacos cautivos y salvajes y es capaz de causar abscesos en el hígado de hámster [4]. La especie de Entamoeba invadens infecta reptiles y causa colitis, abscesos hepáticos y, a veces, muerte aguda. Se ha utilizado como modelo principal de cifrado para Entamoeba especies, ya que el cultivo in vitro de E. dispar pueden exquiste producir los trofozoítos y, posteriormente, estos trofozoítos pueden someterse a enquistamiento in vitro. Reconstrucciones filogenéticas realizadas por Stensvold et al., En 2011, basadas en secuencias del gen de la subunidad pequeña de ARNr, agrupadas E. histolytica y E. nuttallii y, basal al último nodo, ramificó los de E. dispar. Secuencias SSURNA de E. invadens ramificado junto con los de E. ranarum. Ambas secuencias formaron el grupo hermano de un nodo que consta de más de dos tercios de la Entamoeba especies incluidas en el análisis [1].

Es bien sabido que la transferencia de genes horizontal (HGT, o transferencia de genes lateral, LGT), de material genético entre individuos no emparentados, ha jugado un papel importante en la adquisición de genes procarióticos y la evolución del genoma [5, 6]. En los últimos años, se ha reevaluado su importancia en la evolución eucariota ya que se ha encontrado en una frecuencia superior a la esperada y se relaciona con la adaptación a determinados nichos [7]. A pesar de su presencia en organismos multicelulares como los rotíferos Bdelloides [8], es más probable que ocurra en eucariotas unicelulares [9]. Alsmark et al., En 2013, al analizar varios genomas de protozoos encontraron que Alcalde de Leishmania, Entamoeba histolytica, y Trypanosoma brucei tienen el mayor porcentaje de genes adquiridos por transferencia lateral con 0,96, 0,68 y 0,47, respectivamente [10]. Si bien la discrepancia filogenética ha sido el método más confiable para identificar genes transferidos horizontalmente, este último procedimiento ha sido criticado, debido a los siguientes argumentos: se sabe que podría modificarse debido a artefactos metodológicos como la saturación por sustitución o la atracción de ramas largas. . Debido a que solo hay cuatro bases que constituyen los ácidos nucleicos, existe una probabilidad relativamente alta de que dos secuencias de nucleótidos puedan compartir las mismas bases en un sitio aleatorio por mera casualidad. Este fenómeno es causado regularmente por la alta tasa de sustitución molecular presente en el locus, y sus resultados no deseados particulares son la pérdida de información filogenética y la posible gran similitud entre secuencias no relacionadas. En su conjunto, este fenómeno se conoce como saturación por sustitución y es uno de los principales problemas a la hora de analizar datos moleculares [11]. La HGT puede inferirse incorrectamente debido a la saturación de sustitución y debe tenerse en cuenta en cada análisis filogenético.

La estimación del tiempo de divergencia para las especies de protozoos suele ser un esfuerzo desafiante, especialmente en el paso de calibración del nodo. Aunque algunos taxones de protozoos pueden tener registros fósiles, la estrategia más común para calibrar las estimaciones de fechas es la calibración indirecta basada en fósiles de animales o plantas con una hipótesis biológica subyacente específica [12]. De hecho, la calibración de las estimaciones de tiempo realizadas con registros fósiles de protozoos ha demostrado ser poco práctica para los taxones existentes [13]. Aunque se ha sugerido a partir de comparaciones de genes que el tiempo de divergencia entre E. histolytica y E. dispar puede haber ocurrido hace unas décimas de millones de años [14-16], hasta ahora no se ha realizado una investigación exhaustiva sobre el tema.

En la primera anotación del genoma de E. histolytica HM1: IMSS informado por Loftus et al., Se incluyó una lista de 96 candidatos a HGT, muchos de donantes bacterianos [17]. Posteriormente, en 2007, Clark et al. actualizó los análisis y clasificó estos 96 candidatos en diferentes categorías de acuerdo con su consistencia en árboles de arranque de distancia bayesiana y de máxima verosimilitud [18]. De los 96 candidatos originales, 41 se mantuvieron con un fuerte apoyo, 27 se volvieron más débilmente apoyados que antes de que la hipótesis de transferencia lateral de genes de 14 candidatos se debilitara por un mayor muestreo taxonómico. Se encontraron 9 candidatos en otros eucariotas microbianos y, en los 5 casos restantes, verticales. la transferencia de genes es ahora la explicación más simple de la topología observada. La transferencia horizontal de genes sigue siendo la hipótesis más sólida para explicar 68 de las 96 topologías originales [18]. Pero el número de candidatos LGT puede cambiar según la metodología filogenética. Por ejemplo, recientemente, en un estudio de Grant y Katz, en 2014, se concluye que existen 116 genes de Entamoeba de origen bacteriano o arqueal [19]. En laboratorio, Field et al. mostró que la acetil-CoA sintetasa y los genes adh1 de E. histolytica comparten una historia evolutiva común, más relacionada con los procariotas que con otros eucariotas, y sugirió que estos genes se transfirieron temprano [20]. De la mano, Nixon et al. intentó demostrar que los genes para el metabolismo anaeróbico en Giardia y Entamoeba Los géneros se obtuvieron lateralmente, aunque no había suficientes datos disponibles para lograr ese objetivo, los autores rechazaron el fósil amitocondriato y las hipótesis del hidrógeno para explicar la semejanza de estos genes con las secuencias procariotas [21].

El objetivo de este estudio es, principalmente, estimar el tiempo de divergencia entre E. histolytica, E. dispar, y E. invadens y luego fechar los eventos HGT de genes representativos, de los mismos, a través de la evolución de estas especies de Entamoeba. Se tomó un gen representativo de la lista de 68 candidatos mencionados anteriormente y se llevó a cabo un análisis adicional para distinguir diferentes niveles de tasas de saturación en la secuencia de ADN, hipotetizando convergencia o HGT antiguo.

2. Métodos

2.1. Selección de genes y alineaciones de secuencias

Los números de acceso de los 68 candidatos bien respaldados se obtuvieron de la lista de Clark et al., 2007, y luego se buscaron en la base de datos Amoeba DB, http://amoebadb.org/amoeba/ [22], para obtener el amino secuencias ácidas y codificantes.

Los siguientes genes fueron seleccionados para llevar a cabo la Entamoeba Estimaciones del tiempo de divergencia: subunidad RPA2 de ARN polimerasa I dirigida por ADN (EHI_186020), factor de alargamiento 2 (EHI_189490), actina (EHI_131230), cadena gamma de tubulina (EHI_008240) y cadena pesada de clatrina (EHI_201510) ya que son de una sola copia, genes que no fueron obtenidos por HGT.

Cada una de las secuencias de aminoácidos candidatas a HGT se utilizó como una consulta frente a la base de datos de secuencias de referencia de proteínas NCBI (RefSeq) [23] con el algoritmo BLASTp [24], utilizando parámetros predeterminados. Se recopilaron los 50 impactos principales de la explosión para realizar análisis adicionales.

La secuencia de aminoácidos homóloga de E. nuttallii se incluyó en los análisis para calibrar las estimaciones de tiempo de divergencia de HGT. Cada E. histolytica Candidato HGT se utilizó como una consulta contra el E. nuttallii P19 base de datos de traducción de marco de lectura abierta con el algoritmo BLASTp. Solo se recopiló y descartó el resultado principal, si la cobertura de la consulta y / o la identidad eran inferiores al 60%.

Para estimar el tiempo de divergencia de los genes domésticos, las secuencias de E. dispar se descargaron y luego se buscaron los ortólogos correspondientes en la base de datos de traducción del marco de lectura abierto de E. histolytica, E. nuttallii, y E. invadens (disponible en http://amoebadb.org/common/downloads/) utilizando el algoritmo BLASTp, con parámetros predeterminados. Además, se buscaron homólogos del primero en la base de datos de secuencias de aminoácidos de Dictyostelium discoideum (disponible en http://dictybase.org/) [25] también usando una búsqueda BLASTp. Solo se recopiló y descartó el resultado principal si la cobertura de la consulta o la identidad era inferior al 60%.

Cada secuencia de ameba se alineó con su ortólogo amebiano (cuando existía un informe en la base de datos Amoeba DB) y con las secuencias procarióticas encontradas por la búsqueda BLAST. En cada estudio, las secuencias de aminoácidos se alinearon utilizando el programa Clustal W [26] y luego sus secuencias de codones de acuerdo con la alineación de aminoácidos con la secuencia de comandos de Biopython [27]. Las alineaciones de secuencia se inspeccionaron manualmente y se editaron para eliminar sinapomorfias y codones con errores de secuenciación.

2.2. Prueba de saturación de sustitución

Se construyeron matrices de distancia para las alineaciones de nucleótidos. El modelo de sustitución de nucleótidos utilizado fue el de máxima probabilidad compuesta, con una distribución gamma para la variación de la tasa entre sitios. Se incluyeron todas las posiciones de los codones y se eliminaron las posiciones ambiguas para cada par de secuencias. Este análisis se realizó en el software MEGA [28].

Para cada matriz de distancia evolutiva, secuencias con valores de distancia bajos (iguales o inferiores a 0,1 desviaciones estándar) según la E. histolytica Las secuencias se seleccionaron para hacer una alineación de secuencia más corta, incluyendo sólo secuencias estrechamente relacionadas, de acuerdo con las matrices de distancia.

Índices de saturación de sustitución Iss. e Iss.c [12, 29] se calcularon para cada alineación, considerando las tres posiciones de cada codón. Siempre que un alineamiento de secuencia mostró una saturación sustancial después del primer análisis, los índices se calcularon nuevamente, aunque eliminamos la tercera posición de cada codón para evitar la posible saturación de sustitución debido a la degeneración del código genético. En estos ensayos, el valor de significación estadística se estableció en

. Estas pruebas se ejecutaron utilizando el paquete DAMBE [30].

El examen de la topología del árbol fue necesario para decidir si la alineación era filogenéticamente informativa para aquellas alineaciones que mostraban una saturación sustancial al excluir la tercera posición de cada codón.

2.3. Análisis filogenéticos

Con el fin de evaluar la relevancia filogenética de los alineamientos más cortos que presentaban una saturación sustancial al eliminar la tercera posición de cada codón, se introdujeron las pruebas de saturación por sustitución en el programa MrBayes 3.2 [31]. El número de generaciones de MCMC ejecutadas fue de 500.000, excluyendo la tercera posición de cada codón cada 125 generaciones de un árbol que se muestreó. Siempre que un árbol de este último resultó en una topología asimétrica, el candidato HGT se descartó del análisis.

En todos los casos se empleó el modelo de sustitución de nucleótidos GTR + I + G, y el 25% de las muestras de árboles se descartaron como quemado. Se construyó un árbol de consenso a partir de las muestras restantes, y luego se inspeccionó manualmente y se editó con Dendroscope [32].

Las construcciones de árboles de consenso para la designación de grupos de donantes se realizaron utilizando dos enfoques diferentes: máxima verosimilitud y filogenia bayesiana. Se introdujeron 61 alineaciones de secuencia en el programa jModeltest2 [33], con el fin de encontrar el modelo de sustitución de secuencia que mejor se ajustara a la alineación observada. Se utilizaron once esquemas de sustitución, junto con las frecuencias relativas por base, la proporción de sitios invariables y la variación de las tasas de sustitución a lo largo del alineamiento. El árbol base para realizar cada análisis se construyó con el algoritmo BioNJ y el algoritmo de búsqueda NNI. Finalmente, se utilizó el criterio AICc para seleccionar el mejor modelo para cada alineación.

Los árboles de máxima verosimilitud se construyeron para cada alineación mediante el programa PhyML 3 [34]. En cada caso, el árbol base se construyó con BioNJ y se seleccionó el mejor árbol, ya sea de los algoritmos de búsqueda NNI o SPR. Se ejecutaron cien pruebas de arranque por alineación. La misma estrategia se incluyó en la entrada del software PhyML para los candidatos que pasaron las pruebas de saturación, al ignorar la tercera posición de cada codón.

De manera similar, las alineaciones que no presentaron saturación de sustitución en el primer análisis de saturación fueron utilizadas como entrada para construir árboles por el programa MrBayes [31]. Se ejecutaron 1,000,000 de generaciones de MCMC tomando muestras de un árbol cada 200 generaciones. Además, se ejecutaron 1.000.000 de generaciones de MCMC excluyendo la tercera posición de cada codón para los candidatos que no presentaron saturación de sustitución en el segundo análisis de saturación. Se muestreó un árbol cada 200 generaciones. En ambos casos, se utilizó el modelo de sustitución GTR + I + G y se construyó un árbol de consenso después de descartar el 25% de las topologías resultantes como quemado. Para cada uno de los 61 candidatos, los valores de arranque de los nodos coincidentes en los árboles de máxima verosimilitud se agregaron manualmente a la topología resultante de los análisis filogenéticos bayesianos utilizando el programa Dendroscope (Información complementaria, en Material complementario disponible en línea en http: // dx .doi.org / 10.1155 / 2016/3241027).

2.4. Estimaciones del tiempo de divergencia bayesiana

Se realizaron dos conjuntos de estimaciones: primero, Entamoeba El tiempo de divergencia se calculó utilizando un conjunto de cinco genes internos: subunidad RPA2 de la ARN polimerasa I dirigida por ADN, factor de elongación 2, actina, cadena gamma de tubulina y cadena pesada de clatrina. Ortólogos de E. histolytica, E. nuttallii, E. dispar, E. invadens, y D. discoideum fueron incluidos en el conjunto de datos. El árbol de entrada utilizado para el análisis fue el siguiente: ((((E. nuttallii, E. histolytica), E. dispar), E. invadens), D. discoideum).

Luego, las fechas del evento HGT se evaluaron solo con candidatos seleccionados, después de considerar tres criterios: ramificación bien sustentada en las filogenias bayesianas, grupo de donantes asignados al menos a nivel de phylum y la presencia de un ortólogo en E. nuttallii. El conjunto de datos para cada estimación incluyó secuencias contenidas en las alineaciones y utilizadas para las reconstrucciones filogenéticas de (i) E. histolytica, (ii) E. dispar y / o E. invadens, (iii) hasta cuatro secuencias elegidas al azar del grupo hermano resultante de Entamoeba se agrupan en las filogenias bayesianas denominadas "a", "b", "c" y "d", (iv) hasta tres secuencias elegidas al azar del grupo externo resultante en las filogenias bayesianas denominadas "x, "Y" y "z". Además, la secuencia homóloga de E. nuttallii se alineó a simple vista con el resto del conjunto de datos. Un árbol de entrada de usuario común se vería así: (((((E. nuttallii, E. histolytica), E. dispar), E. invadens), ((a, b), (c, d))), ((x, y), z)), aunque las relaciones dentro del grupo hermano (a, b, cyd) pueden variar.

Las estimaciones se realizaron utilizando los programas Estbranches y Multidivtime [35, 36], siguiendo el manual paso a paso de Rutschmann [37]. El nodo entre E. nuttallii y E. histolytica se utilizó para calibrar las estimaciones de divergencia. Ya que E. nuttallii solo se ha aislado en macacos rhesus y E. histolytica se ha encontrado en heces de babuinos salvajes (Papio sp.) [38, 39], asumimos que el E. nuttallii linaje divergente de E. histolytica al mismo tiempo que los linajes de primates Macaca y Papio hizo. La evidencia paleontológica sugiere que esta divergencia ocurrió después de 8 Mya, pero antes de 4 Mya [40, 41]. En consecuencia, el nodo se calibró entre 5,5 y 6,5 millones de años. Para cada alineación, se utilizó el programa Baseml [42] con el modelo F84 + G para estimar las frecuencias de nucleótidos, la relación de tasa de transición / transversión (parámetro κ), y califica la heterogeneidad entre sitios (parámetro de forma α). Luego, el programa Estbranches estimó la probabilidad máxima de las longitudes de las ramas del árbol y la matriz de varianza-covarianza. Finalmente, se realizó un análisis Bayes MCMC con el programa Multidivtime, para aproximar las distribuciones posteriores de las tasas de sustitución y los tiempos de divergencia. Se ejecutaron un total de 5,100,000 generaciones, 100,000 se descartaron como quemado y luego se tomó una muestra cada 100 generaciones.

Para el Entamoeba tiempo de divergencia, los cinco genes domésticos se analizaron simultáneamente, se ejecutaron 5.100.000 generaciones, se descartaron 100.000 como quemaduras y luego se tomó una muestra cada 100 generaciones. Las unidades de tiempo se establecieron en millones de años y se denominaron “hace millones de años” (Mya). Para los parámetros anteriores, seleccionamos 100 unidades de tiempo entre la punta y la raíz del árbol, con una desviación estándar de 50 unidades de tiempo y un valor de tiempo más antiguo de 300. Para cada candidato, la media y la desviación estándar de la distribución anterior para la tasa de evolución molecular en el nodo raíz del grupo se estableció como la mediana de las tasas de evolución proporcionadas por Estbranches. Las estimaciones del tiempo de divergencia se realizaron por triplicado para confirmar resultados similares del análisis entre repeticiones. Los resultados se muestran como Mya ± la desviación estándar proporcionada por Multidivtime.

3. Resultados

3.1. Pruebas de saturación de sustitución

Índices de saturación de sustitución Iss. e Iss.c [12, 28] se calcularon para cada alineación considerando las dos primeras o las tres posiciones de cada codón. El índice Iss. es una medida de entropía de un alineamiento de secuencia de nucleótidos dado. El índice Iss.c es la medida de entropía de un alineamiento de secuencia simulado que comparte el número de secuencias y el número de sitios con el primero, pero tiene una distribución aleatoria de bases de nucleótidos. Por lo tanto, si el Iss. valor se acerca al de Iss.c, es una señal de que la alineación de secuencia tiene una alta saturación de sustitución. Ambos índices se calcularon para cada alineación más corta. Cuando se utilizan los tres sitios de cada codón, 38 alineaciones mostraron una Iss más baja. valores que sus respectivos valores Iss.c, estas diferencias fueron estadísticamente significativas (), lo que implica poca saturación. En 14 casos, las diferencias entre Iss. e Iss.c no fueron estadísticamente significativos. Otros 10 candidatos muestran el mismo comportamiento, y en los 6 casos restantes el valor de Iss. El índice fue superior al Iss.cy, además, las diferencias fueron estadísticamente significativas. En el segundo ensayo, en el que no se incluyeron las primeras 38 secuencias, se ignoró cada tercera posición de cada codón, con el fin de evitar la posible saturación de sustitución observada debido a la degeneración del código genético. En total, 15 alineaciones dieron como resultado una Iss significativamente menor. índice, y otras 4 alineaciones tuvieron un Iss. que sus respectivos Iss.c. Las 11 alineaciones restantes mostraron diferencias no significativas, por lo que se necesitaba la topología del árbol para evaluar su utilidad filogenética. Para ello, se construyeron 11 árboles: 3 de ellos presentaban topología asimétrica y 8 presentaban topología simétrica. Los candidatos HGT respectivos de los 3 árboles asimétricos, junto con los candidatos de las 4 alineaciones cuyos valores Iss.c fueron significativamente más altos en la segunda prueba, fueron descartados permanentemente de la investigación, ya que nuestros resultados denotan fuertemente que estas alineaciones carecen de información filogenética.

3.2. Filogenética bayesiana y grupos de donantes putativos

Los ensayos se llevaron a cabo con los 61 candidatos persistentes, utilizando las alineaciones de secuencias codificantes completas. Los análisis filogenéticos se realizaron con el programa MrBayes [31], se ejecutaron 1.000.000 de generaciones de MCMC muestreando un árbol cada 200 generaciones, utilizando las dos primeras o las tres posiciones de cada codón. Al evaluar los grupos de donantes en los 38 árboles construidos con codones completos, fue posible ubicar un grupo de donantes al menos a nivel de filo (Figura 1), así como en 15 árboles construidos, excluyendo la tercera posición.

Por otro lado, en tres casos diferentes, solo fue posible asignar un grupo de donantes a nivel de dominio porque el grupo hermano del Entamoeba El clúster estaba formado por secuencias que pertenecían a diferentes filos pero del mismo dominio. Se construyeron un total de 61 árboles de consenso (información complementaria). Los taxones donantes no pudieron ser identificados en las cinco topologías restantes, debido a los diferentes dominios incluidos y sin asociación aparente con los genes amebianos. El dominio Archaea fue asignado a solo cuatro de los 61 candidatos analizados, 3 de los cuales pertenecían al filo Euryarchaeota y solo uno se ramificó exclusivamente con secuencias de Methanococcales. La mayor parte de los genes se ramificaron con secuencias bacterianas, de las cuales 12 no tenían una asociación clara con ningún filo. Bacteroidetes fue el grupo de donantes más prevalente con dieciséis genes donados, además, diez de ellos probablemente fueron transferidos del orden Bacteroidales. En 6 árboles el Entamoeba genes ramificados dentro de un grupo más grande con altos valores de probabilidad posterior. Alternativamente, en otros 9 casos, los genes amebianos se separaron de su grupo basal por una gran distancia evolutiva, pero al estar ramificados con su grupo hermano siempre mostraron valores de apoyo altos. El segundo grupo de donantes más abundante fue el filo Firmicutes, aunque solo en 4, de los once candidatos, se pudo designar una orden de donación. Un gen se ramificó fuertemente con secuencias de Bacillales y los otros 3 se ramificaron con Clostridiales. En la mayoría de los casos, la probabilidad posterior de cada nodo entre Entamoeba genes y su grupo hermano estaba cerca de 1.0, con la excepción de la flavoproteína tipo A (EHI_09671), que se agrupó con varios grupos bacterianos a través de una politomía. El filo Proteobacteria fue designado como grupo donante para un total de siete genes, este fue el filo que presentó la mayor diversidad de órdenes: Campylobacterales, Pseudomonadales, Burkholderiales y Enterobacteriales. A pesar de que solo un gen pertenecía a cada orden de donante, cada uno de ellos se agrupaba con alta probabilidad posterior, a excepción de la proteína de ensamblaje del clúster Fe-S (EHI_049620) cuya probabilidad posterior era de 0,7 en el nodo entre el clúster amebiano y las secuencias. de Campylobacterales. Aunque un candidato se ramificó mal (probabilidad posterior: 0,64) con secuencias de Fusobacteria, no fue posible determinar el orden de un donante. En hasta 5 árboles, la secuencia de E. invadens no ramificó con su Entamoeba ortólogo pero con secuencias procarióticas o como grupo basal en su lugar.

3.3. Estimaciones del tiempo de divergencia

Entamoeba El tiempo de divergencia se calculó con el siguiente conjunto de cinco genes internos: subunidad RPA2 de la ARN polimerasa I dirigida por ADN, factor de alargamiento 2, actina, cadena gamma de tubulina y cadena pesada de clatrina. Ortólogos de E. histolytica, E. nuttallii, E. dispar, E. invadens, y D. discoideum compuso el conjunto de datos.

La tasa mediana de evolución molecular entre los cinco genes amebianos proporcionados por Estbranches fue de 0.02364 sustituciones por sitio por millón de años, que luego se utilizó como la desviación media y estándar de la distribución previa para la tasa de evolución molecular en el nodo raíz del grupo para el programa Multidivtime. Finalmente, las estimaciones para las edades divididas entre estos linajes fueron las siguientes: fecha dividida entre E. nuttallii y E. histolytica, 5,93 ± 0,28 millones de años, entre E. histolytica y E. dispar, 9,97 ± 1,37 millones de años, y entre E. histolytica y E. invadens, 68,18 ± 16,04 millones de años (Figura 3).

Veintidós Entamoeba Los candidatos fueron seleccionados después de considerar tres criterios: ramificación bien sustentada en las filogenias bayesianas, grupo de donantes asignados al menos a nivel de phylum y la presencia de un ortólogo en E. nuttallii. La transferencia más reciente fue la del gen endo-1,4-beta-xilanasa (EHI_096280) de Bacteroidetes fechada 31,45 ± 15,69 Mya. Las transferencias más antiguas ocurrieron 253.59 ± 28.91 Mya cuando el gen tartrato deshidrogenasa (EHI_143560) fue donado por Proteobacteria (Figura 2). La mediana de la evolución molecular de este gen fue de 0,00089 sustituciones por sitio por millón de años, curiosamente, esta tasa es menor que la tasa final de sustituciones de los cinco genes de mantenimiento amebiano, que fue de 0,0014 sustituciones por sitio por millón de años. Esta tasa lenta explica por qué un evento de HGT tan antiguo todavía es detectable y también por qué aún se podría determinar un grupo de donantes para este gen. Esto es interesante porque es posible que algunos otros eventos de HGT se hayan enmascarado debido a tasas de sustitución de nucleótidos más altas y la homogeneización del gen xenolog en el genoma receptor.

sin contrapartes en el genoma de E. invadens.

genes homólogos en el genoma de E. dispar.

Se encontraron varias fechas de transferencia superpuestas, algunas de ellas del mismo grupo donante: alfa-1,2-manosidasa (EHI_009520), manosa-1-fosfato guanililtransferasa (EHI_052810) y fructoquinasa (EHI_054510) de Bacteroidetes que van desde 55,53 Mya a 77,8715 Mya, nicotinato-fosforribosiltransferasa (EHI_023260) y proteína hipotética (EHI_072640) de Bacteroidales en un rango de 94,98 Mya a 164,16 Mya, y proteína de ensamblaje de racimo de Fe-S NifU (EHI_049620) y proteína de la familia de metalo-beta-lactamasas Proteo68560ia. 119,89 millones a 176,9304 millones. Gene synteny en el genoma de E. histolytica y la información del grupo funcional seguía siendo necesaria para definir eventos de transferencia genética horizontal simultáneos.

4. Discusión

En este estudio, la saturación por sustitución de los candidatos del gen HGT bien soportados del genoma de E. histolytica se verificó y se le asignó un grupo de donantes putativos para cada candidato a través de la reconstrucción filogenética. Además, un primer acercamiento a la estimación del tiempo de divergencia de algunas especies de Entamoeba a través de la calibración indirecta de los nodos se presentó, utilizando el registro fósil de sus huéspedes factibles. Finalmente, los eventos de transferencia de genes de algunos candidatos a HGT fueron fechados, revelando pérdidas de genes, transferencias posteriores a la divergencia y una transferencia simultánea de dos genes. Los resultados de la búsqueda de BLAST pudieron proporcionar un vistazo del resultado del análisis, ya que los primeros resultados que dieron como resultado el mayor

-valores (-13 y -16 para EHI_085050 y EHI_156240, respectivamente) pertenecían a candidatos descartados debido a la saturación de sustitución. Además, para los 3 candidatos cuyos resultados principales fueron secuencias de Archaea, el último dominio fue el grupo donante putativo después de inspeccionar las filogenias bayesianas. Es interesante que la mayoría de los Entamoeba Los genes candidatos a HGT tienen pocos parálogos o ninguno en el genoma de las diferentes especies de Entamoeba incluidos en los análisis, mientras que algunos otros tenían al menos 3 parálogos en cada genoma.La primera diversificación puede ser resultado de una evolución neutra en el caso del gen que codifica la proteína de la superfamilia de metalo-beta-lactamasa (EHI_115720), considerando que los antibióticos beta-lactámicos inducen la degradación de la pared celular bacteriana y por lo tanto son inocuos para Entamoeba especie [43]. Por otro lado, dos de los candidatos con las familias de genes más grandes, la proteína hipotética y la aldehído-alcohol deshidrogenasa 2 (EHI_104900 y EHI_160940, resp.), Fueron descartados después de las pruebas de saturación por sustitución. Es probable que estas familias de genes sean resultado de una HGT antigua y hayan perdido información filogenética, por saturación mutacional o se hayan adquirido por descenso vertical y sean similares a secuencias bacterianas, como resultado del mismo mecanismo.

Los procedimientos aquí presentados lograron encontrar grupos de donantes a nivel de orden, incluyendo los siguientes: Bacteroidales, Clostridiales, Spirochaetales, Campylobacterales, Burkholderiales, Bacillales, Flavobacteriales, Methanococcales y Enterobacteriales. La mayoría de los taxones de donantes se pueden encontrar en el intestino de los vertebrados, es bien sabido que los tres filos bacterianos son una parte importante de la microbiota intestinal, pero otros grupos menos abundantes han donado material genético a Entamoeba especies como las arqueas anaeróbicas. Aunque la mayoría de los miembros de la Entamoeba género son organismos parásitos o comensales, linajes de vida libre Entamoeba igual que E. ecuadoriensis [1], y algunos de estos genes xenólogos se han adquirido de grupos de donantes de vida libre.

El filo Bacteroidetes monopoliza las donaciones de genes laterales al Entamoeba especies incluidas en este análisis, y el segundo grupo más abundante es el filo Firmicutes y luego Proteobacteria (Figura 1). Estos resultados contrastan con los reportados anteriormente [44], en los que encontraron 16 candidatos estrechamente relacionados con Proteobacteria, sin embargo, solo encontramos 8. Asimismo, no encontramos rastros de HGT de Actinobacteria. Estas diferencias pueden resultar del aumento del muestreo debido al crecimiento de las bases de datos biológicas y las pruebas de saturación de sustitución. Los resultados consistentes son la frecuencia de LGT de Bacteroidetes, Spirochaetes y Fusobacteria. De hecho, el filo Bacteroidetes se ha encontrado como donante potencial de otros genes transferidos horizontalmente en diferentes organismos, como Ciliates [45] y Dinoflagelados [46], confirmando así la promiscuidad de este taxón.

Varios estudios han destacado la relación ecológica entre E. histolytica y bacterias, específicamente durante la patogénesis [47, 48]. Este estudio respalda la importancia de estas asociaciones ya que pueden aportar innovaciones evolutivas al género y, aunque no se han transferido factores de virulencia, los genes de resistencia a los antibióticos se encuentran entre los 61 candidatos. De hecho, el gen de la proteína de resistencia al antibiótico 5-nitroimidazol (EHI_068430) se ha transferido de Bacteroidales. Como la mayoría de los eventos de HGT ocurrieron hace millones de años, es poco probable que estos genes hayan funcionado como adaptaciones adquiridas contra los antibióticos. Estos genes podrían haber tenido otras funciones, como la degradación de metabolitos secundarios o ninguna función en absoluto, antes de que los antibióticos fueran una presión selectiva en el intestino humano.

Aunque la alineación para la proteína serina acetiltransferasa (EHI_202040) resultó en poca saturación mientras que excluía la tercera posición de cada codón y su filogenia mostraba una topología simétrica, es muy poco probable que un ancestro del Entamoeba género había obtenido esto de arqueas halófilas y probablemente otro grupo de bacterias puede ser el donante.

Dado que la estimación de la edad de los eventos de transferencia genética era uno de los principales objetivos de este estudio, fue necesario aproximar los tiempos de divergencia de las especies de Entamoeba. Para lograr este objetivo, la identificación de E. nuttallii como un linaje separado proporcionó información crucial. El hecho de que E. nuttallii solo ha sido aislado de macacos rhesus y E. histolytica se ha encontrado en las heces de los babuinos salvajes [38, 39] llevó a la suposición de que el E. nuttallii y E. histolytica Los linajes se separaron simultáneamente con sus huéspedes en algún momento entre 4 y 8 Mya según el registro fósil, aunque se ha supuesto que este intervalo es más estrecho [49]. Los resultados de los cálculos de fecha dividida de especies amebianas podrían subestimarse por el hecho de que solo se calibró un nodo, ya que no hay un registro fósil directo de especies de Entamoeba. Aunque otros autores han realizado estudios sobre la edad del filo Amoebozoa en su conjunto utilizando fósiles de animales y plantas, no fue posible utilizar sus resultados debido a las diferencias en la escala de tiempo y la clasificación [13]. Algunas estimaciones de tiempo de divergencia de candidatos a HGT tienen desviaciones estándar superpuestas, lo que es particularmente interesante cuando los grupos de donantes coinciden, porque estos genes podrían haberse transferido al mismo tiempo. Para determinar si estos genes se transfirieron simultáneamente, se tuvieron en cuenta algunas características: edad de transferencia de genes, grupo donante, contexto metabólico y ubicación en el genoma. Se ha sugerido que los genes funcionalmente relacionados podrían estar localizados de cerca, especialmente en los genomas procarióticos [50], y debería esperarse que una transferencia horizontal simultánea de genes daría como resultado uno o más xenólogos colocados cerca uno del otro y funcionalmente relacionados. Dos genes compartían la mayoría de estos atributos: los genes de la manosa-1-fosfato guanililtransferasa (EHI_052810) y la fructoquinasa (EHI_054510) fueron donados por Bacteroidales, probablemente entre 60 y 70 millones de años en el pasado. Ambos genes están involucrados en el metabolismo de la fructosa, manosa, aminoazúcares y nucleótidos azúcares.

La datación de algunas transferencias explicó por qué ciertos genes están ausentes en algunos de los genomas de las especies amebianas, incluidas en este análisis (Figura 3). La transferencia de la endo-1,4-beta-xilanasa (EHI_096280) que ocurre 31.45 ± 15.69 Mya es de hecho más reciente que la divergencia entre el linaje de E. invadens y el antepasado de las otras especies de Entamoeba (68,18 ± 16,04 Mya) por lo que este gen nunca estuvo presente en el genoma del antepasado inmediato de E. invadens. Por el contrario, la secuencia codificante de la proteína de resistencia al 5-nitroimidazol (EHI_068430), que se transfirió antes (99,82 ± 29,94 Mya), se perdió posteriormente por E. invadens. La misma conclusión podría aplicarse al gen que codifica la proteína hipotética (EHI_198610), que se obtuvo 162.08 ± 27.07 Mya de Proteobacteria, que ahora está ausente en el genoma de E. dispar.

E. histolytica permanece como uno de los protistas con el mayor número de genes transferidos lateralmente de origen bacteriano en sus genomas junto con tricomonas vaginalis y Giardia lamblia [9] o junto con Alcalde de Leishmania y Trypanosoma brucei [19]. Esta gran absorción de genes bacterianos, que en general tuvo lugar relativamente temprano en la historia evolutiva de la Entamoeba género, puede haber funcionado como un desencadenante de la evolución adaptativa. La última afirmación puede ser palpable en el caso de los genes que codifican la acetil-CoA sintetasa y la adh1, pero otros genes obtenidos a través de HGT, cuyas funciones se desconocen u oscurecen por anotaciones sesgadas, también pueden haber sido importantes en la evolución de estos organismos. . El antepasado del género Entamoeba, que en nuestro punto de vista, bien podría ser el antepasado de Endolimax, equipado con estos genes recién adquiridos, podría haber intentado explorar nuevos ecosistemas y formas de vida y eventualmente asentarse en el intestino de los vertebrados.

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en competencia.

Expresiones de gratitud

Los autores agradecen el apoyo parcial de Grant no. 79220 del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT). Agradecemos a Valeria Zermeño, Lilia González-Ceron y Rocío Incera la revisión y revisión de la traducción.

Materiales complementarios

La información complementaria consta de archivos de imágenes que muestran los árboles de consenso construidos para esta investigación. Los archivos se nombran con el número de acceso AmoebaDB del candidato de transferencia de genes horizontal que se está probando. Los archivos con el sufijo “_tre_ed.png” son los árboles construidos para evaluar la relevancia filogenética de alineaciones más cortas, estos árboles fueron construidos con el software MrBayes 3.2. Se muestra la probabilidad posterior para cada nodo y la barra muestra el número esperado de sustituciones. Los archivos restantes muestran los árboles de consenso generados para las designaciones de grupos de donantes. Estas son las topologías de consenso devueltas por el programa MrBayes 3.2, mostrando en cada nodo, su probabilidad posterior. Siempre que un árbol construido con Phyml mostraba el mismo nodo, el valor de arranque se agregaba manualmente. La barra muestra el número de sustituciones esperadas. Los archivos de imagen se generaron y editaron utilizando el programa Dendroscope.

Referencias

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Copyright & # xa9 2016 Miguel Romero et al. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo la licencia de atribución de Creative Commons, que permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones en cualquier medio, siempre que el trabajo original se cite correctamente.


Ver el vídeo: Transferencia horizontal en bacterias - 1 (Junio 2022).


Comentarios:

  1. Gasho

    Felicitaciones, tu idea será útil

  2. Skylar

    Creo que se cometen errores. Puedo demostrarlo. Escríbeme en PM, habla.



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