Alex Mira, Ravindra Pushker and Francisco Rodríguez-Valera
Current human activities undoubtedly impact natural ecosystems. However, the influence of Homo sapiens on living organisms must have also occurred in the past. Certain genomic characteristics of prokaryotes can be used to study the impact of ancient human activities on microorganisms. By analyzing DNA sequence similarity features of transposable elements, dramatic genomic changes have been identified in bacteria that are associated with large and stable human communities, agriculture and animal domestication: three features unequivocally linked to the Neolithic revolution. It is hypothesized that bacteria specialized in human-associated niches underwent an intense transformation after the social and demographic changes that took place with the first Neolithic settlements. These genomic changes are absent in related species that are not specialized in humans.
Lo que los autores de este artículo llaman revolución del Neolítico de los genomas bacterianos es la modificación de genes que lleva a la perdida de funciones por la vía de transposiciones en el genoma. Según la evidencia que presentan los investigadores, este fenómeno se dio a partir de los nuevos nichos ecológicos que surgieron durante el periodo Neolítico, en el que la humanidad desarrolló la agricultura y comenzó la domesticación de animales. A la par de estas nuevas actividades ocurrió la aparición de poblaciones de seres humanos, plantas y animales, relativamente grandes, viviendo en espacios reducidos, lo cual propicio que las bacterias patógenas tuvieran un medio en el cual proliferar.
ReplyDeleteDe este modo, la evolución del genoma de las bacterias se modificó al cambiar la ecología de estas. Pasando de organismos de vida libre, o con un amplio número de hospederos, a organismos especialistas, algunas veces como patógenos y en otras como mutualistas. Así, los genomas bacterianos cambiaron en un sentido diferente al de aquellos microorganismos que continuaron sin especializarse en la explotación de los nuevos nichos creados por las actividades humanas productivas en la Edad de Piedra. De esta manera, se dio la posibilidad de que se insertaran secuencias de DNA en algunos genes, y estos dejaran de ser funcionales. La posible desventaja adaptativa que esto acarrearía no se presentó, ya que tales funciones dejaron de ser importantes para la vida de los nuevos microorganismos especialistas. Por ejemplo, al especializarse en vivir a expensas de un determinado tipo de célula de una cierta especie o un grupo muy cercano, como el caso de los équidos, las bacterias no necesitarían de tener la capacidad de colonizar a especies de diferentes familias de animales, o siquiera ser capaces de vivir fuera de los hospederos durante mucho tiempo, ya que tendrían disponibles a muchos organismos emparentados dentro de los asentamientos agrícolas de los humanos.
En el artículo, los autores presentan los análisis de algunos genomas bacterianos, comparando a los especialistas con sus parientes de vida libre, y claramente se observa que la proporción de transposones en el caso de los primeros es mayor a la de los últimos. Sin embargo, se deja sin explicar cómo es posible que esta evidencia aún se encuentre en el genoma de las bacterias especialistas, ¿cómo es posible que existan secuencias de pseudogenes que pudieron haber dejado de ser funcionales hace 10,000 años, y que no hayan sido eliminadas por la selección natural? Para zanjar esta cuestión, sólo se menciona que el tamaño de las poblaciones y los tiempos generacionales de las bacterias especialistas ligadas a las actividades humanas no se conoce satisfactoriamente, por lo que sólo se sugiere que no se pueden conocer las razones y que el hecho es que la selección natural no ha podido ser un factor que elimine estas secuencias.
La reducción de genomas parece un tema interesante desde una perspectiva epistemológica, al aportar nuevas ideas a problemas antiguos como el de la aparición de organelos como los cloroplastos y las mitocondrias. Por ello, es de extrañar que esta posibilidad no se mencione a lo largo del artículo.
Por otra parte, queda pendiente analizar si este mismo tipo de fenómenos de reducción de genomas y perdida de funciones vinculada a los nichos creados por las actividades humanas también existe en microorganismos eucariontes, o si sólo son comunes en procariontes. Este tema no lo mencionan los autores, pero es previsible que este sesgo sea sólo un artefacto causado por la preferencia de los microbiólogos de estudiar bacterias.
Brenda Toledo Rojas
ReplyDeleteThe Neolithic revolution of bacterial genomes
Los humanos en el pasado fueron también hospederos interesantes para las bacterias, los humanos se concentraron en grandes poblaciones sobre áreas limitadas. Fue por esto que el crecimiento de las poblaciones humanas creó una presión selectiva que favoreció a las bacterias patógenas especializadas en hospederos humanos.
Con esto nos damos cuenta que los humanos siempre hemos tenido un fuerte impacto en el ambiente, tanto en el presente como en el pasado. El objetivo delos autores de este artículo consistió en evaluar si ciertas características del genoma de los procariontes podían reflejar el impacto de las actividades humanas sobre las bacterias.
Los autores analizaron la presencia de secuencias de inserción (IS) en el genoma de las bacterias por que estas secuencias móviles aumentan en aquellos organismos que se convierten en patógenos obligados, junto con la tendencia de perder genes.
Cuando los autores analizaron 255 genomas bacterianos, encontraron un grupo de genes de transposasa de elementos móviles con similitud entre 90 y 100%. Interesantemente, el 75% de las especies con más elementos móviles son especies que se encuentran asociadas con humanos y el resto de las especies se encuentran asociadas a organismos simbiontes o son patógenos.
Los autores sugieren a manera de hipótesis que la expansión pudo haber sido en el Neolítico ya que cuentan con diferentes evidencias: 1) La expansión se observa en bacterias asociadas al proceso de domesticación que ocurrió en el Neolítico (animales y plantas) 2) La tasa de sustitución entre elementos es cero 3) La divergencia estimada entre los organismos especializados en humanos y el resto de las especies es consistente con el período neolítico.
Viendo ésta expansión como consecuencia de una fuerte interacción entre las bacterias y los humanos, es evidente que la adaptación de las bacterias a nuestra evolución cultural ha sido muy rápida, lo que es muy interesante, ya que nos habla de una gran plasticidad fenotípica y evolutiva por parte de los procariontes. Es interesante también que el uso de herramientas poderosas como estudiar las secuencias de inserción y secuencias de divergencia puede ayudar a identificar recientes eventos de especializaciones de nicho, no solamente con los humanos, también otros organismos y otras presiones ambientales.
Martha Segura G.
ReplyDeleteEvolución de las interacciones microbianas, 2015-2
15 abril 2015
Ensayo. Mira (2006) The Neolithic revolution of bacterial genomes
Las bacterias tienen la capacidad de asociarse de manera simbiótica con otros organismos, desde otras bacterias como macroorganismos como plantas y animales. Cuando una bacteria se vuelve simbiótica o parásita, se adapta de manera estrecha y especializada a un ambiente o nicho diferente, que implica que algunas funciones que tenía originalmente, no las necesite realizar más. Esto conlleva a una pérdida de funciones que eventualmente se refleja en la pérdida de genes que permitían dichas funciones.
Las secuencias de inserción (IS) son segmentos de DNA bacteriano que se pueden mover de una posición en un cromosoma a una posición diferente en el mismo o en otro cromosoma. El origen de las ISs puede ser por duplicación de genes, y su aumento excesivo suele estar relacionado con una reciente asociación simbiótica o parásita con otro organismo. Un ejemplo es el estudio de Mira (2012), que muestra el análisis de 255 genomas de procariontes (incluyendo ISs) asociados con algunas plantas y animales que desde hace 10000 años, durante el Neolítico, han estado en contacto estrecho con el hombre. Los resultados de este trabajo mostraron una alta similitud de genes parálogos de bacterias asociadas al hombre del Neolítico que indican su reciente formación.
Más allá de la importancia de observar la importancia de una especialización de las bacterias de acuerdo a las necesidades del hombre en un periodo relativamente corto, es importante destacar que la especialización de nichos normalmente involucra expansiones de ISs.
El proceso de expansión de ISs que indica la especialización de una bacteria a un nuevo organismo y la pérdida de información genética, comienza con la duplicación de genes e ISs. Una vez que hay numerosas copias de ISs, estos se pueden mover e insertarse dentro de un gen que se vuelve un pseudogen inactivo. La estimación de los tiempos de divergencia de algunos pseudogenes son muy similares a otros correspondientes al Neolítico, por lo tanto, la hipótesis de una explosión de elementos IS durante la domesticación de algunas plantas y animales por el hombre es correcta y rastreable dentro de un marco histórico relativamente reciente, y no corresponde a escalas de tiempo más amplias como la geológica.
El artículo me pareció interesante, y a mi parecer complementa la revisión de Moran (2014) en su trabajo The tiniest tiny genomes, en el que el autor menciona los eventos que pueden dar cuenta de la reducción del genoma de las bacterias debido a simbiosis o parasitismo e incluye un pequeño apartado sobre la presencia de un alto número de pseudogenes y rearreglos en genes. Haciendo el recuento con los estudios de Mira (2006) y Moran (2014), hay una expansión del genoma de la bacteria debida al aumento de ISs que produce un alto número de pseudogenes y por lo tanto rearreglo de genes antes de que el genoma comience a reducirse hasta llegar a un valor mínimo (depende también de la relación con el hospedero) y estable de número de genes.
Luisa Sandner
ReplyDeleteThe Neolithic revolution of bacterial genomes
Mira, Pushker y Rodríguez-Valera
Las secuencias de inserción IS son secuencias cortas de DNA que tienen la capacidad de moverse dentro o entre genomas y generalmente constan del gen de la transposasa. En este artículo los autores hipotetizan que la expansión de las IS está correlacionado con la reducción de nichos y genomas y por lo tanto con la especialización de las bacterias. Hay evidencias de que el número de estos elementos móviles aumenta después de procesos de restricción de hospederos. Las ISs pueden inactivar genes innecesarios en el nuevo hospedero o ambiente y establecerse sin dañar la integridad del genoma bacteriano, por lo tanto el número de elementos de ISs podría indicar una adaptación reciente a un nuevo hospedero. Los autores muestran que la expansión reciente de ISs en bacterias está asociada a las actividades humanas del Neolítico tales como agricultura, domesticación y aumento en la densidad poblacional.
Para ello investigaron genes parálogos (% de identidad entre 30 y 60%) y secuencias de inserción (% de identidad entre 90 y 100%) en 255 genomas de bacterias completamente secuenciados. Compararon los datos anteriores entre bacterias asociadas al hombre y bacterias menos especialistas y encontraron que las asociadas al hombre, Bordetella pertussis y Shigella flexneri presentan una reciente expansión de ISs y que las no especializadas al hombre, Bordetella bronchiseptica y E. coli K12 presentan una distribución normal de parálogos en su DNA. Hicieron lo mismo con bacterias asociadas a la actividad humana como por ejemplo con Pseudomonas syringae que es un patógeno del tomate, con Burkholderia mallei un patógeno de los caballo y finalmente con Lactococcus lactis usada para hacer queso y las compararon con las especies hermanas que no están asociadas a ningún hospedero especial y encontraron el mismo fenómeno de expansión de secuencias de inserción.
Para fechar la explosión de los elementos de inserción usaron varios estimadores, las tasas de divergencia del gen 16s rRNA, la tasa de divergencia de los ORFs truncados debido a la inserción de las ISs y las tasas de sustitución de sitios sinónimos de las especies estudiadas. Usaron como referencia de tiempo de divergencia al genoma de Y. pestis. Los resultados con los tres estimadores es que la expansión de las secuencias de inserción sucedió hace varios miles de años y coincide con un tiempo histórico y no geológico, coincidiendo con el neolítico.
La especialización a un ambiente dado, como al hombre o a ambientes relacionados a la actividad humana probablemente hizo que muchos genes dejaran de ser funcionales y permitieron la inserción no letal de ISs, de esta forma las bacterias, igual que el hombre tuvieron una revolución en su genoma durante el neolítico.
En un principio (Edad de Piedra o etapa pre-neolítica) la humanidad se sustentaba un sistema basado en cazadores-recolectores, y bajo este sistema de subsistencia las poblaciones eran demográficamente pequeñas y dispersas. La transición de sociedades de cazadores-recolectores se dio en el periodo Neolítico (aproximadamente hace 10 000 años) en el cual se desarrolla el conocimiento del uso de la agricultura y el pastoreo (ganadería), además, de la nueva forma de producción de instrumentos de caza y trabajo (herramientas de piedra pulimentada, ósea, pulida en vez de tallada), este desarrollo en el conocimiento derivo en una “revolución o evolución social y cultural” en términos de la adecuación de la especie humana, dado que, esta tuvo un incremento en su tamaño poblacional, con tasas de crecimiento del 0.1% anual (actualmente la tasa promedio de crecimiento anual de la población mundial es muy superior a 0.1%, pero hay que considerar que ya han pasado 10 000 años de desarrollo del conocimiento y que los sistemas de producción actuales están altamente tecnificados).
ReplyDeleteLa importancia desde el punto de vista biológico o mejor dicho microbiológico, de la transición de una sociedad basa en la caza-recolección a una de agricultura-ganadería consistió en el incremento de hospederos humanos para los sistemas microbianos, incrementando las poblaciones de microorganismos patógenos en áreas limitadas o más pequeñas lo cual a su vez favoreció la oportunidad de transmisión entre hospederos. El incremento en hospederos humanos en el neolítico genero una presión selectiva favoreciendo que los organismos patógenos se especializaran en sus hospederos humanos originando muy probablemente la emergencia de las enfermedades pandémicas en humanos.
Una de las principales características de los genomas totalmente secuenciados de especies patógenas especializadas en los nichos humanos, es la presencia de procesos de reducción evolutiva, a través de la eliminación de genes. También se ha observado que los componentes génicos como los elementos móviles, por ejemplo, las secuencias de inserción (ISs; por sus siglas en inglés) han incrementado mayormente en número, dado la restricción del hospedero con la consecuente reducción del genoma. Esto es el resultado de la especialización del nicho ya que muchos genes se convierten en obsoletos después de estos procesos, además, los procesos de selección para el mantenimiento de estos genes se ve reducido.
Los elementos o secuencias de inserción pueden inactivar genes innecesarios o redundantes en los ambientes nuevos debido al incremento en el número de copias de estos. Por otro lado, el número de copias de las secuencias de inserción en las bacterias patógenas puede indicar procesos recientes de adaptación o restricción (en este caso la restricción a los hospederos humanos).
Recientemente, se han publicado secuencias genómicas de bacterias que solo pueden replicar dentro de sus hospederos eucarióticos, esto mediante la comparación de las características de las secuencias genómicas entre bacterias asociadas al humano (“restricción al hombre”) y bacterias de vida libre (o estados de vida libre) relacionadas estrechamente. Estas comparaciones indican que hay un cambio evolutivo rápido, inmediatamente después de la restricción con su hospedero. Los cambios típicos observados en estas secuencias incluyen un incremento en la frecuencia de elementos móviles en el genoma, por ejemplo, re-arreglos mediados por recombinación entre los elementos de inserción (ISs), a parición de seudogenes (mediante la inserción de ISs), y deleciones.
En este artículo se estudian los procesos de expansión de los elementos de inserción (y genes parálogos) en bacterias asociadas a las actividades humanas desarrolladas en el Neolítico. Los histogramas de frecuencias de las secuencias de los genes parálogos en diferentes taxas analizados demuestran en la mayoría de los casos dos grupos definidos unos que presentaron 40-60% de similaridad en las secuencias de DNA analizadas y los que presentaron una similaridad del 90-100%.
Alejandra Hernández Terán
ReplyDeleteThe Neolithic revolution of bacterial genomes
Alex Mira, Ravindra Pushker y Francisco Rodríguez-Valera
Hace 10,000 años aproximadamente, en las poblaciones humanas ancestrales comenzaron a ocurrir eventos que marcarían el curso de la vida en la tierra, se desarrollaron actividades como la agricultura y la domesticación de animales, lo cual provocó un aumento poblacional que trajo consigo muchas consecuencias ambientales. Este cambio en las poblaciones humanas, entre otras cosas, permitió la apertura de nuevos nichos que entre otros, fueron aprovechados por microorganismos, principalmente patógenos, colonizando tanto a los humanos como a sus nuevos animales y cultivos.
El artículo se plantea como objetivo indagar en si ciertas características del genoma microbiano podrían mostrar el impacto que las actividades humanas tuvieron sobre estos. La mayoría de los organismos al encontrar un nuevo nicho tienden a la especialización, esta a su vez tiene consecuencias en el genoma, como pérdida de genes que ya no son necesarios por la sustitución de estas funciones al estar dentro de un hospedero; a su vez, las llamadas secuencias de inserción (IS) aumentan considerablemente en número, mediadas por las restricciones del hospedero. Por esto, los autores proponen que el número de ISs en organismos patógenos, juntos con genes parálogos (aquellos que en al menos 60% de su longitud conservan 30% de su secuencia entre diferentes genomas) podría hablarnos del impacto del desarrollo de las actividades humanas en estos microorganismos.
Mediantes técnicas de secuenciación, se analizaron los genes parálogos de 255 genomas, los resultados son impresionantes, ya que descubren que la mayoría de estos representaban bacterias en las que más del 75% de estos genes correspondían a secuencias de inserción asociados a procesos humanos, ganadería principalmente, así como a la producción de alimentos, donde mencionan a Lactococcus lactis, bacteria utilizada en la producción de quesos. Mencionan también que la tasa de sustitución de ISs en estos organismos es de cero, lo cual podría significar que este evento es aparentemente reciente.
Así, resulta sumamente interesante cómo el análisis de este tipo de información puede revelar procesos que ocurrieron miles de años atrás, ellos concluyen que las bacterias al igual que otros organismos sufrieron gran influencia en el Neolítico, obligándose a especializarse en nichos específicos incluyendo al humano, como lo demuestra la presencia de ISs de manera reciente. Además resaltan el hecho de la velocidad a la cual las bacterias han logrado adaptarse a la evolución humana, que ejerce presiones selectivas por los cambios culturales que desarrollan, acentuando el hecho de la gran plasticidad que presentan estos microorganismos.