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Islas genómicas y evolución bacteriana

29 octubre, 2009

Mycobacterium tuberculosis

Imagen al microscopio electrónico de barrido de Mycobacterium tuberculosis, un microorganismo con una isla genómica de patogenicidad.

Las bacterias han demostrado ser capaces de evolucionar y adaptarse al medio utilizando diversas estrategias, como son las mutaciones, la recombinación o la transferencia horizontal de genes, entre otras. De este modo, se ha podido observar como adquirían resistencia a determinados antibióticos, o la capacidad de degradar nuevos compuestos y utilizarlos como fuente de carbono, o la adquisición de patogenicidad, etc. Los diversos mecanismos evolutivos implicados en la adquisición de estas adaptaciones han sido estudiados en mayor o menor medida, y entre ellos cabe destacar uno que quizás no es tan conocido fuera del ámbito de la microbiología, las islas genómicas, sobre las que intentaré dar algunas pinceladas en este artículo.

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¿Qué son las islas genómicas?
Las islas genómicas son segmentos discretos de ADN presentes en el cromosoma de las bacterias que difieren entre cepas estrechamente relacionadas. Dicho de otro modo, imaginemos que tenemos dos cepas de la bacteria Escherichia coli, una que posee una isla genómica que le confiere resistencia a un antibiótico (cepa A) y otra que no posee dicha isla (cepa B). Ambas son la misma especie, pero se diferencian en ese segmento de ADN (isla genómica) que sólo la cepa A posee y que le confiere una ventaja adaptativa.
Estas islas genómicas presentan también los genes necesarios para dar lugar a la escisión de todo su conjunto de genes, así como aquellos genes implicados en la transferencia de una bacteria a otra y la posterior integración en el nuevo cromosoma bacteriano.
En la actualidad, se han descrito diversas islas genómicas que confieren no sólo resistencia a antibióticos, sino también patogenicidad, rutas de degradación de sacarosa y compuestos aromáticos, resistencia al mercurio, síntesis de sideróforos y otros.
A continuación señalo las características más típicas, aunque no siempre se cumplen todas, de las islas genómicas:

  • Poseen un tamaño de entre 10.000 y 200.000 pares de bases.
  • Poseen diferencias con respecto al resto del cromosoma en el que se encuentren, como puede ser en el contenido de G+C (es decir, varía el porcentaje de guanina más citosina con respecto al resto del cromosoma), en el diferente uso de codones (es decir, varía el porcentaje de los codones que codifican los diferentes aminoácidos con respecto al resto del cromosoma), etc.
  • Suelen estar flanqueadas por dos repeticiones directas (DR) perfectas de 16-20 pares de bases, que actúan como secuencias diana de enzimas capaces de reconocer dichas secuencias y cortarlas, con la consecuente escisión de la isla genómica.
  • Entre los genes que incluyen suelen encontrarse integrasas, proteínas relacionadas con el sistema de conjugación o proteínas de fagos, todas ellas implicadas de un modo u otro en la transferencia de la isla genómica.
  • También pueden incluir transposones o elementos de inserción (IS) implicados en la movilización de la isla genómica entera o bien en la movilización de algunos genes, lo cual modificaría la información presente en dicha isla.
  • Las islas genómicas suelen conferir algún tipo de ventaja adaptativa a la bacteria que la contenga en su cromosoma. En base a dicha ventaja, las islas suelen ser denominadas según la ventaja que confieren: islas de patogenicidad, de simbiosis, metabólicas, de resistencia, etc.
Isla genómica 2

Esquema de una isla genómica, donde se pueden apreciar las repeticiones directas (DR) que flanquean la isla, las secuencias de inserción (IS), la integrasa y los genes contenidos.

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Origen evolutivo de las islas genómicas

Las islas genómicas parecen haberse originado múltiples veces a lo largo de la evolución, como pone de manifiesto el hecho de que en algunos casos poseen genes procedentes de fagos (virus que infectan bacterias) y en otros casos, genes procedentes de plásmidos conjugativos (plásmidos con la capacidad de transferirse de una bacteria a otra mediante conjugación). De hecho, es bastante común encontrar en el cromosoma bacteriano profagos con diversos grados de funcionalidad. Para entendernos, un profago es el genoma de un fago incorporado en el cromosoma bacteriano. El genoma de este profago puede ser activado por diversas causas que no vienen al caso e inducir la lisis de la bacteria, pero también puede sufrir mutaciones al igual que el resto del cromosoma bacteriano. De este modo, dicho profago podrá presentar diversos grados de funcionalidad según cuántos y qué genes hayan sufrido mutaciones. Dado que algunos de estos genes de fagos han sido encontrados en islas genómicas, es muy probable que originalmente algunos de dichos genes se cointegraran con otros genes de la bacteria para dar lugar a las susodichas islas genómicas.

Origen islas genómicas

Esquema donde se muestran los diversos tipos de islas genómicas según el origen evolutivo

Lo mismo sucede con los genes implicados en el sistema de transferencia (sistema que permite la transferencia de fragmentos de ADN entre bacterias) de algunas islas genómicas, los cuales se encuentran casi perfectamente conservados con respecto a los que poseen determinados plásmidos, pudiendo asumir por tanto un origen evolutivo común.
No obstante, también se han descrito casos en los que los sistemas de transferencia no están relacionados en absoluto con ningún plásmido y poseen la misma capacidad de escisión, transferencia e integración.
De este modo, cabe proponer, como se decía al inicio, un origen evolutivo múltiple e independiente.

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Contribución de las islas genómicas a la evolución bacteriana
Los estudios llevados a cabo al respecto proponen a las islas genómicas como uno de los sistemas principales en el proceso de transferencia horizontal de genes, y por tanto, en un importante mecanismo implicado en la evolución bacteriana. Esto se debe no únicamente a la ganancia o pérdida de aquellos genes codificados en la isla genómica, sino también a la posibilidad de que la isla genómica transfiera fragmentos del cromosoma de la bacteria hospedadora. Además, se ha comprobado que en multitud de estas islas genómicas se encuentra una amplia variedad de genes que codifican sistemas de transferencia de genes, los cuales están implicados no sólo en la transferencia de la propia isla genómica sino también en la transferencia de fragmentos cromosómicos de forma independiente.
No obstante, la principal característica evolutiva de las islas genómicas viene dada por los genes que incorpora y que confieren nuevas capacidades a las bacterias que las adquieren, con el consiguiente impacto en la evolución de dichas bacterias. Cuando estos genes están implicados en la adquisición de patogenicidad o de biodegradación, las islas genómicas facilitarían la evolución mediante lo que denominan los autores de estos trabajos “saltos cuánticos”. Esto no tiene nada que ver con la física cuántica, sino que se refiere a que la bacteria adquiere “paquetes” discretos de información genética, es decir, todo el conjunto de genes que le permite a la bacteria ser infecciosa o degradar un compuesto aromático como el cresol o el benzoato. Obviamente, la adquisición o pérdida de este tipo de islas genómicas es capaz de alterar drásticamente el curso evolutivo de las bacterias implicadas.
Por último, cabe destacar la existencia de algunos genes en estas islas genómicas con funciones nuevas y/o desconocidas, de los cuales no han podido encontrarse homólogos en otras especies, razón por la cual podrían ser los responsables de conferir determinadas ventajas adaptativas en los organismos hospedadores.

De este modo, cabría concluir que las islas genómicas harían un papel semejante al que hacen los plásmidos conjugativos, pero con ciertas ventajas. Por ejemplo, el hecho de que se encuentre integrada en el cromosoma del hospedador, hace que no necesite estar constantemente replicándose para asegurar su mantenimiento en la célula, además de que sólo es necesaria una copia de la isla genómica por genoma. Todo ello, redunda en un menor coste energético para la célula hospedadora con respecto al coste requerido por un plásmido.

La información que se tiene sobre estas islas genómicas se encuentra en pleno crecimiento gracias a la continua aportación de nuevas secuencias de genomas bacterianos a las bases de datos. El análisis de las nuevas islas genómicas de estos organismos probablemente arroje luz sobre el camino evolutivo seguido por nuestros queridos microorganismos.

REFERENCIA:

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  1. 29 octubre, 2009 en 19:08

    ¡Buah! Vaya pasada. Me ha recordado un montón al sistema que poseen algunos retrovirus para integrarse en el genoma: dianas para enzimas que permiten separarse del genoma, dianas para enzimas que le permiten integrarse en el genoma y además los genes que permiten sintetizar ambas enzimas. La leche.

    Incluso plantea algunas incógnicas, ¿estas islas serían entidades replicativas subcelulares (como un virus), serían genes bacterianos, ambos? 😀

    Por otro lado, ¿cuál es el principal mecanismo de dispersión de estas islas genómicas? ¿conjugación?

  2. 29 octubre, 2009 en 19:32

    Wenas. La verdad que sí, que es sorprendente cómo es la naturaleza. Como dices, los mecanismos que poseen recuerdan al de los retrovirus y esto probablemente se deba a que uno de los orígenes evolutivos de estas islas se encuentra en los fagos, los cuales, a su vez, no dejan de ser virus como los retrovirus, pero especializados en infectar bacterias. Si es que, quién no quiera ver la evolución es porque no le da la gana…

    Por otro lado, ¿cuál es el principal mecanismo de dispersión de estas islas genómicas? ¿conjugación?

    Sí, Cnidus, parece que es la conjugación el principal mecanismo. Aunque no lo he detallado en el artículo, algunas de estas islas genómicas no son movilizables, es decir, no poseen genes que les permitan ser transferidas a otra bacteria. Y algunas de estas islas sí son movilizables, precisamente mediante conjugación, gracias a que poseen todos los genes que codifican las proteínas implicadas en la formación del pili conjugativo y demás.
    En cualquier caso, ambos tipos de islas genómicas pueden “saltar” de una bacteria a otra utilizando la maquinaria de algún transposón o bien, cuando el ADN bacteriano queda en el medio tras haberse lisado la bacteria que lo contenía, por transformación de células competentes capaces de incorporar ADN extraño a su citoplasma.
    Realmente apasionante!!!
    Saludos.

  3. 29 octubre, 2009 en 22:20

    Estupendo el artículo, Gonn. Lo primero que se me ha venido a la cabeza es el inmenso potencial en aplicaciones prácticas que podrían tener esos paquetitos genéticos de las islas. Corta aquí y allá y tenemos una secuencia-paquete que podemos integrar en la bacteria hospedadora que deseemos para lograr una nueva función.

    Me imagino que en la práctica no será tan fácil, pero en aquellas islas cuyo origen sea un transposón, si los genes ya han saltado en bloque una vez seguro que están deseando volver a hacerlo. 🙂

    Y lo del múltiple origen evolutivo es muy curioso. Veo que el conjunto de los plásmidos intersecta al de los transposones, y supongo que la historia evolutiva de las islas de esa intersección debe de ser la leche. ¿”plásmido -> isla -> transposón -> isla2″ o algo así?

    Estas bacterias son una pandilla de pecadoras de la pradera. Menuda promiscuidad genética que se traen. 😀

  4. 29 octubre, 2009 en 23:56

    Jajaja, pues sí Rano, son unas golfas estas bacterias 😉

    ¿”plásmido -> isla -> transposón -> isla2″ o algo así?

    Algo así podría ser. La historia va a dar mucho más de sí a medida que se analicen las nuevas islas genómicas encontradas en los microorganismos que se van secuenciando casi a diario.

    Hace un tiempo hablaba con Manuel de lo complicado que se está convirtiendo definir especie a nivel bacteriano. Estas islas genómicas generan más diversidad aún y hace más difícil establecer dicha frontera entre especies.
    Y es que, como decíamos, estas bichas son unas golfas 😉
    Saludos.

  5. 30 octubre, 2009 en 2:22

    Interesantísima entrada, Gonn. Cada vez se encuentran más pruebas de la gran importancia que tiene la transferencia horizontal de genes en el proceso evolutivo, sobrepasando sin duda alguna el propio mundo bacteriano.

    Son otra guerra, pero no puedo evitar pensar en los genes Hox compartidos por tantísimos grupos de metazoos y su interfuncionalidad, algo que ha sido comprobado incuestionablemente, al menos en laboratorio.

    Todo este asunto de paquetes genéticos mutando y saltando -sean islas, sean genes Hox- me hace reconsiderar seriamente algo que dice Dawkins y que nunca me llegó a convencer: que la unidad de selección es el gen (o quizá el “paquete genético discreto”) y no el individuo.

    De esta forma, aunque de momento sin poder llegar a saber en que porcentaje, la recombinación de unidades genéticas funcionales puede ser un motor evolutivo muy importante, donde la mutación tenga más importancia en ir alterando y adaptando las “cartas”, que luego se barajan para formar distintos organimos.

    Total: todo el rato mezclándose, las muy indecentes 😉

    Saludos.

  6. Paa
    30 octubre, 2009 en 16:48

    Lo siento Rano, eso ya está inventado. Y no debe ser muy dificil porque los estadounidenses lo hacen hasta en garajes, de hecho lo llaman “ciencia de garaje”.
    Por si estais inetresados
    http://www.wired.com/

  7. Paa
    30 octubre, 2009 en 16:50

    Muy bueno Gonn.
    Y respecto a la identificación bacteriana, estoy a punto de dimitir en la tarea y acogerme a la hipótesis de que todos los procariotas son una misma especie con “variantes”

  8. Paa
    30 octubre, 2009 en 16:50
  9. 30 octubre, 2009 en 17:01

    Hombre Paa, tampoco hay que exagerar. Para empezar hay dos grandes grupos entre los procariotas: las bacterias y las arqueas. Se parecen entre sí tanto como un paramecio y un perro salchicha 😀

    Entre las bacterias tenemos los Gram positivos y los Gram negativos. También muy diferentes entre sí. Y así sucesivamente. Que me digas que entre enterobacterias es difícil marcar barreras, vale, pero no creo que una enterobacteria intestinal sea de la misma especie que una bacteria reductora de hierro que vive en fangos anaeróbicos a bajo una columna de suelo de 100 metros.

  10. Paa
    30 octubre, 2009 en 17:26

    Tienes razón, quizá pueda diferenciar dos especies: arqueas y eubacterias XD

    Lo siento, es que estoy trabajando con clostridios que teóricamente viven en intestinos, la mitad de los cuales ni siquiera deberían estar dentro del género Clostridium. Pues esas bacterias tan majas son grampositivos en teoría porque luego se tiñen como quieren en función de diferentes variables. De la bioquímica no me fio, directamente. Sólo me queda secuenciar, y me encuentro con que algunas ni siquiera difieren el preceptivo 3%. Ná, un mal día…

    Para ser sincera, a veces soy de la hipótesis contraria, una que predice que dentro de cada especie bacteriana hemos de buscar un ecotipo para cada uno de sus hábitats.

  11. 30 octubre, 2009 en 17:36

    Bueno, lo del ecotipo no es ninguna tontería. Dada la capacidad de estos organismos de pasarse genes…
    Ya sabrás que el gram no tiene validez taxonómica, pero desde luego marca mucho los grupos. Más allá de la capacidad de ser teñidas de una forma u otra, dicta la presencia de periplasma y membrana externa. Y esa es una diferencia bastante clara.

    Para hacer un análisis taxonómico a nivel de especie tomamos la secuencia del 16 rDNA, más la composición de ácidos grasos de las membranas, más una hibridación DNA-DNA de los genomas. Con estos resultados en la mano podemos hablar seriamente de taxonomía. Lo otro son aproximaciones. Y aún y así, a veces te llevas sorpresas con las muy perras 😀

    Una curiosidad, cuando hablas de secuenciar ¿significa que has secuenciado el genoma por completo o los 16 s rDNA?

  12. 30 octubre, 2009 en 17:58

    Asi me gusta, Paa, que me den ideas para cosas que tengo que hacer cuando me jubile, 😀

    No, fuera de coña, lo dificil es que te salga algo que ademas de ser nuevo sea economicamente rentable. Pero todo es intentarlo, como todo, claro… 😉

  13. Paa
    30 octubre, 2009 en 19:32

    Cuando hablo de secuenciar me refiero al gen que codifica para el rRNA 16S, pero a la secuencia casi completa (casi, porque en algún sitio hay que poner los cebadores 😉 ), de más de 1500 pares de bases. A veces te llevas sorpresillas cuando comparas introduciendo sólo los 500 primeros pb.
    Ójala pudiera acceder a un pirosecuenciador y tener genomas como churros pero por el momento … me tengo que conformar.
    Para una primera aproximación me sirve con el gen 16S, de momento no necesito hibridar porque no pretendo describir nada nuevo, sólo identificar (más-menos) lo que ya se ha descrito, y así y todo tiene su aquel.
    Y respecto a lo del gram, ahora no es criterio taxonómico, pero lo fue y en muchos casos aún lo arrastramos, de hecho hay quien habla de pared grampositiva con reacción a la tinción de gram negativa: la locura, porque ¿cómo vas a estudiar la pared de cada aislado?

  14. 30 octubre, 2009 en 20:13

    Vaya mundo.
    Si por alguna razón algunos de los modernos arbustos evolutivos tienen una retícula en su parte basal 🙂

  15. 30 octubre, 2009 en 21:22

    ¿Acceder a un pirosecuenciador? Bueno, a razón de unos 10.000-15.000 euros el genoma completo si tienes suerte y experiencia en bioinformática. La suerte para tener un genoma con pocas secuencias repetidas, transpososas…. Y lo de la informática, porque igual te caen un montón de “contigs” y te toca ensamblar y anotar. Si en el proyecto que trabajas hay dinero para eso y te interesa te puedo recomendar la persona adecuada.
    ¿Con qué Clostridium trabajas y en qué campo, clínica, ambiental, industrial…?

    Coincido en que para estar seguro con el 16S rDNA hay que trabajar con la secuencia completa (o casi), porque hay regiones extremadamente conservadas, pero otras más variables. Si tomas sólo el extremo 5´te puedes llevar sorpresas como bien dices.

  16. paa
    31 octubre, 2009 en 20:39

    Muchas gracias Manuel, por el momento creo que se nos sale un mucho del marco del proyecto. Aunque se lo comentaré a los jefes…
    Trabajo con Clostridium difficile, aunque estoy encontrando de todo, he ahí el problema. Está orientado a la clínica veterinaria, pero como yo no soy veterinaria intento darle un giro a la ecología. ¿Tienes algún interés en los clostridios? ¿En qué trabajas tú? Me siento emocionada, en mi vida diaria encuentro a muy poca gente que se interese por mi área de trabajo.

    Por cierto, no sé que hice con el comentario que salió, antes que el tuyo, como habrás visto, espero que este vaya en su sitio.

  17. 31 octubre, 2009 en 23:10

    Jajaja, te veo un poco estresada!
    Paciencia y mucha suerte en tu labor 😉
    Saludos.

  18. andrea
    13 junio, 2011 en 5:45

    una pregunta porfavorr… que ventajas adaptativas le confiere la transferencia horizontal de genes a las bacterias porfissssssss

  19. andrea
    13 junio, 2011 en 5:46

    como se pueden detectar y aislar las mutantes ???

  20. 13 junio, 2011 en 21:11

    Andrea, depende del organismo y de los genes que se transfieran. Puede ser muy variado. Por ejemplo hay grupos de genes formando “islas genómicas” catabólicas (nuevas rutas bioquímicas), que confieren capacidad nuevas fuentes de carbono. Otras son islas de patogénesis (fimbrias, toxinas, resistencia a antibióticos, genes de colonización intracelular), que confieren capacidad de colonizar y provocar patogenesis.

    La selección puede ser simple, se diseñan un medio de cultivo que contenga un agente selectivo (algún antibiótico, algún compuesto que ahora pueda degradar, etc) y en otras puede ser más complejo, si no da un fenotipo facilmente seleccionable. Si se conocen los genes que se han podido incorporar mediante análisis genético se puede detectar (PCR y secuenciación del gen), si no se conoce la secuencia del gen habría que recurrir a la secuenciación completa del genoma, cosa que hoy día ya es posible de forma rápida (aunque aún un pelín caro).

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