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La ganancia y pérdida de genes acelera la aparición de nuevas especies de bacterias

La evolución de los genomas de bacterias y arqueas es un proceso muy dinámico, en el que distintos genes se adquieren o se pierden a ritmos comparables, si no superiores, a los ritmos de sustitución de nucleótidos. En consecuencia, los taxones procariotas se caracterizan por poseer un gran conjunto de genes accesorios (genes presentes únicamente en algunas cepas e implicados en la adaptación a ambientes específicos) y un número mucho menor de genes centrales (genes presentes en todos los genomas de un determinado taxón e implicados en funciones esenciales). Cómo los cambios en el repertorio de genes accesorios afectan y son afectados por pequeñas mutaciones en genes centrales, y cómo ambos procesos repercuten en la diversificación de las poblaciones de bacterias y arqueas, son dos preguntas fundamentales en las que confluyen evolución, ecología y genómica microbianas.

En su estudio, el Dr. Iranzo y sus colaboradores analizaron los genomas de 34 grupos de bacterias y arqueas estrechamente relacionadas entre sí y compararon el ritmo de acumulación de mutaciones en genes centrales con el ritmo de ganancia y pérdida de genes accesorios. Su primer descubrimiento fue que la evolución de los genes centrales suele ir retrasada con respecto a la evolución del contenido genómico (es decir, con respecto al proceso de adquisición y pérdida de genes accesorios). Dicho retraso varía en gran medida entre distintos taxones (Figure 1). A continuación, los autores del estudio utilizaron modelos matemáticos para mostrar que el retraso en la evolución de los genes centrales se debe una homogeneización de su secuencia que, a su vez, resulta de procesos de recombinación homóloga entre los miembros de la población microbiana. El modelo explica cómo la recombinación homóloga mantiene la cohesión de una especie a nivel de sus genes centrales al mismo tiempo que permite una gran flexibilidad en el contenido de genes accesorios. Sólo una vez que los genomas quedan aislados por barreras que impiden la recombinación homóloga puede ponerse en marcha el proceso de acumulación de mutaciones en genes centrales que lleva a la divergencia entre genomas y a la generación de nuevas especies. El Dr. Iranzo y sus colaboradores han demostrado que cuanto mayor es la tasa de ganancia y pérdida de genes, más rápido se establecen dichas barreras a la recombinación homóloga. Así, concluyen que el intercambio de genes accesorios promueve la especiación en bacterias y arqueas.

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Figure 1: Sequence evolution in the core genome is delayed with respect to gene content evolution in the accessory genome. The evolution of the Bacillus thuringiensis/anthracis/cereus group of bacteria was studied by building phylogenetic trees based on the sequence alignment of highly conserved core genes (a) or on the comparison of accessory gene gains and losses across genomes (b). (c) Comparison of both trees reveals a delayed onset of sequence evolution (y-axis) with respect to gene content evolution (x-axis), with a delay that varies among different groups of bacteria.


Más allá de su contribución al conocimiento fundamental de la especiación en procariotas, los hallazgos de este estudio tienen importantes implicaciones prácticas en el campo de la evolución molecular. Una de las más destacadas es la demostración de que los relojes moleculares y los árboles filogenéticos inferidos mediante el alineamiento de secuencias de genes altamente conservados son generalmente inconsistentes con aquéllos basados en la comparación del contenido genómico. Los modelos desarrollados por los autores del estudio proporcionan un marco teórico que permite corregir dicha inconsistencia y reconciliar los métodos de inferencia basados en comparaciones de genes y genomas.

Publicación Original:

Iranzo, J., Wolf, Y.I., Koonin, E.V., Sela, I. 2019. Gene gain and loss push prokaryotes beyond the homologous recombination barrier and accelerate genome sequence divergence. Nature Communications 10, 5376. DOI: 10.1038/s41467-019-13429-2

 

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