1º GENÉTICA CURSO 2015/2016 Una pieza clave en la evolución Transferencia lateral de genes Gemma Isabel Martínez Redondo 1|Página Índice 1. Introducción .................................................................................................................. 2 2. Mecanismos de transferencia horizontal de genes en bacterias ........................................ 2 2.1. Transformación ....................................................................................................... 2 2.2. Conjugación ............................................................................................................ 3 2.3. Transducción ........................................................................................................... 5 3. HGT. Evolución y simbiosis ............................................................................................. 6 4. Conclusión................................................................................................................... 10 5. Bibliografía .................................................................................................................. 11 2|Página 1. Introducción Es bastante conocido el hecho de que las bacterias son capaces de adquirir los genes de otra bacteria mediante mecanismos de transformación, conjugación y transducción [Figura 1], es decir, mediante transferencia horizontal de genes (HGT) dentro de una misma generación. A continuación, explicaremos cómo funcionan cada uno de estos mecanismos y posteriormente analizaremos casos de HGT en otras especies no bacterianas y cómo la HGT ha contribuido a la evolución. Figura 1: mecanismos de HGT en bacterias. 2. Mecanismos de transferencia horizontal de genes en bacterias. Como ya se ha mencionado, existen tres mecanismos de HTG en bacterias: 2.1. Transformación Es el proceso a través del cual una bacteria adquiere ADN procedente del medio en el que vive. Fue observado por primera vez en 1928 en el experimento de F. Griffith sobre Streptococcus pneumoniae [Figura 2].En este experimento había dos cepas de S. pneumoniae, la cepa S con cápsula Figura 2: experimento de Griffth. y la cepa R sin cápsula, que se inoculaban en ratones para observar su virulencia (la neumonía es mortal en los ratones). Griffith inyectó diferentes cepas en ratones. • Cepa S viva: producía la muerte del ratón. • Cepa R viva: el ratón permanecía con vida. Esto indicaba que lo que causa la virulencia de la bacteria es la cápsula bacteriana, pues las cepas sin cápsula podían ser erradicadas por el sistema inmune del ratón. • Cepas S muertas por calor: el ratón permanecía con vida. • Cepas S muertas por calor y R vivas: el ratón moría y del cuerpo del ratón se extraían cepas R y S vivas. Este último caso mostraba que tenía que existir un principio transformante que convirtiera a las cepas R en S y por lo tanto fueran capaces de infectar al ratón. Sin embargo, la naturaleza de este principio transformante no se averiguó hasta 1944 gracias a un experimento llevado a cabo por Avery, MacLeod y McCarty. Este experimento consistía en extraer diversos componentes de las cepas S lisadas y añadirlos al medio donde se encontraba la cepa R para comprobar qué era lo que las 3|Página transformaba. Primero comprobaron que las bacterias lisadas permitían transformar las R en S. Una vez hecho esto, comenzaron mediante enzimas a degradar diversos componentes para ver cuál de todos al ser eliminado impedía la transformación (este sería el principio transformante). Primero, eliminaron Figura 3: experimento de Avery con proteasas y los glúcidos de la cápsula obteniendo nucleasas. cepas R transformadas. Luego probaron con los lípidos, con el mismo resultado. A continuación añadieron una proteasa que degradaba las proteínas pero las cepas R seguían transformándose. Esto les dejó sólo con los ácidos nucleicos. Añadieron una nucleasa (ARNasa) sin efecto alguno, por lo que el principio transformante debía ser el ADN, y así lo comprobaron al añadir una ADNasa: las cepas R no se convertían en S. [Figura 3]. Así se llegó a la conclusión de que había una transferencia lateral de ADN entre la cepa R y el medio. El mecanismo celular por el que se introducía el ADN al genoma fue descubierto años más tarde. Las bacterias tenían en su pared unas proteínas de unión al ADN y unas nucleasas. Cuando existía ADN en el medio, las proteínas lo reconocían y las nucleasas degradaban una de las cadenas del ADN. La restante se introducía en la célula donde se ligaba a unas proteínas específicas que lo desplazaban hasta el genoma bacteriano. Allí, otras proteínas RecA reconocían una secuencia específica de esa cadena lineal y la introducían en el genoma bacteriano. [Figura 4]. Figura 4: mecanismo de introducción del ADN del medio al genoma bacteriano. 2.2. Conjugación Se define conjugación como el proceso mediante el cual una bacteria transfiere ADN a otra bacteria de manera directa, es decir, sin ningún tipo de Figura 5: conjugación con transferencia de plásmido y cromosoma. 4|Página intermediario (virus). Ese ADN puede proceder de un plásmido (ADN extracromosómico) o del cromosoma bacteriano, ya sea total o parcialmente [Figura 5]. Hablaremos de tres casos de conjugación, siendo el primero de ellos el más conocido. a) Factor F o factor de fertilidad: se trata de un episoma, un plásmido que confiere a las bacterias que lo poseen (denominadas F+) la capacidad de formar un pilus sexual con el que transferir ese plásmido a las bacterias vecinas que no lo posean (llamadas F-). Cuando las F- adquieran todo o parte del plásmido se dice que pasan a ser F+ [Figura 6]. Posteriormente, y esto es lo que caracteriza a los episomas pero no a todos los plásmidos, el factor F extracromosómico puede integrarse en el cromosoma bacteriano por un proceso de recombinación. Figura 6: proceso de conjugación a través de un pilus sexual. b) Otras bacterias tienen el factor F integrado en el cromosoma bacteriano [Figura 7]. A esas bacterias se las denomina Hfr y para transferir todo el factor F a otra bacteria, debe transferirle el cromosoma bacteriano completamente. Esto es debido a que el origen de transferencia (Ori T) se encuentra mayoritariamente en el medio del factor. Sin embargo, el proceso de transferencia suele ser de corta duración y las bacterias receptoras no adquieren la totalidad del factor F porque no han adquirido el cromosoma de la bacteria donadora. c) Por último, puede ocurrir que el factor F se encuentre en un plásmido, pero que este plásmido no esté constituido únicamente por ese factor F. Este Figura 7: tipos de conjugación. plásmido es resultado de una separación de un fragmento del cromosoma 5|Página bacteriano y la bacteria que lo posee se denomina F’. El mecanismo de transferencia es intermedio entre los dos anteriores, la bacteria F- tendrá que recibir la totalidad del plásmido para adquirir el factor F, pero la cantidad de ADN extra que también incorpora es mucho menor que la del cromosoma bacteriano. Estos mecanismo de conjugación han sido útiles para la secuenciación del genoma de las bacterias, como por ejemplo el de Escherichia coli. [Figura 8]. Figura 8: mecanismo de secuenciación del genoma utilizando una bacteria Hfr. 2.3. Transducción La transducción es un proceso relacionado con el ciclo lisogénico de los virus, bacteriófagos en este caso. Un bacteriófago introducirá su material genético en una bacteria y éste se introducirá en el cromosoma bacteriano en forma de profago. En un momento dado, este ADN vírico se liberará del cromosoma y comenzará su replicación y transcripción para la formación de nuevos virus. Los virus formados lisarán la bacteria y, ya en el entorno, infectarán a otras bacterias vecinas. Hablamos de transducción cuando en esa liberación del material genético vírico del cromosoma, parte del ADN bacteriano se libera con él. Así, al infectar el virus nuevas bacterias e integrarse en su cromosoma, estas bacterias adquirirán los genes de la bacteria que el virus había infectado. También, podrán adquirir esos genes por recombinación. [Figura 9]. Figura 9: mecanismo de transducción. 6|Página 3. HGT. Evolución y simbiosis. Ya hemos explicado cómo pueden transferirse genes entre bacterias. Sin embargo, se ha visto que la HGT no es exclusiva de bacterias, sino que es un mecanismo de cierta importancia en la evolución de los organismos. Figura 10: esquema de transferencia horizontal de genes entre dominios. [Figura 10]. El caso más claro de evolución relacionada con la HTG es el origen de la célula eucariota. La teoría endosimbiótica de Lynn Margulis explica que la célula eucariota surgió a partir de un antepasado llamado urcariota que entró en simbiosis con una bacteria [Figura 11]. Este es el origen tanto de mitocondrias como cloroplastos y uno de los hechos que avalan esta teoría es el hecho de que poseen su Figura 11: esquema del origen de la célula eucariota. propio genoma. Ahora bien, la mayor parte de las proteínas de mitocondrias y cloroplastos están codificadas por el genoma nuclear. ¿Cómo han llegado al genoma nuclear los genes del genoma del cloroplasto y la mitocondria? Por HGT entre la primitiva eucariota y las bacterias de las que proceden estos orgánulos. A este caso peculiar de HGT se le conoce como transferencia endosimbiótica de genes, y explica por qué la mayoría de proteínas de estos orgánulos están codificadas por el genoma nuclear y por qué el genoma de los orgánulos contiene menor número de genes que el genoma de las bacterias de los que proceden. Figura 12: mecanismos de HGT entre un hospedador y su endosimbionte. 7|Página Además, esta transferencia ha servido para explicar la filogenia de algunos grupos de organismos fotosintéticos (chromalveolata). Las diatomeas presentan un cloroplasto procedente de un alga roja (por endosimbiosis), pero en su genoma nuclear presentan genes cloroplásticos de un alga verde, lo que evidencia que en algún momento de su historia evolutiva un antepasado de las diatomeas poseía un cloroplasto de un alga verde (probablemente esta diatomea sería el antepasado de todos los chromalveolata) que fue reemplazado por un cloroplasto de un alga roja. Recientemente, ha aumentado el número de estudios relacionados con la HTG en eucariotas y cada vez se descubren más organismos en los que ocurre. Uno de los casos más estudiados es la transferencia génica entre la bacteria Wolbachia pipientis y especies de artrópodos y nematodos (donde ocurre el proceso de partenogénesis) [Figura 13]. Por ejemplo, un estudio del 2007 analizó el genoma de 26 especies de Drosophila y encontró que en 11 de ellas contenían ADN de Wolbachia, desde una Figura 13: Wolbatchia (verde) en los ovarios del mosquito Aedes aegypti. porción pequeña a prácticamente todo el genoma. Esta bacteria, como muestra el estudio anterior, se encuentra muy extendida en insectos. Inicialmente era un parásito que afectaba a la reproducción, pero en muchos casos esta relación ha evolucionado desde parasitismo a mutualismo, pues el insecto se beneficia también de la infección (en el caso de Drosophila existe un aumento en la resistencia frente a ciertos virus de ARN). Como hemos mencionado, Wolbachia afecta a la reproducción en varios aspectos en función de la cepa: disuade la determinación cromosómica del sexo e inicia la partenogénesis, pues causa el crecimiento y desarrollo de los gametos sin fecundación por el esperma ya que puede matar de manera selectiva los gametos que darán machos –que no pueden transmitir Wolbachia a la descendencia. En el caso del cruce entre una hembra no infectada y un macho infectado también puede ejercer una competencia contra el esperma infectado haciéndolo incompatible con el huevo de la hembra sin infectar, lo que provoca la dominancia de unas cepas sobre otras. Pero el caso más conocido y curioso quizá sea el de la babosa marina Elysia chlorotica [Figura 14], un organismo que se alimenta de algas y ha adquirido la capacidad de incorporar los Figura 14: Elysia chlorotica. 8|Página cloroplastos de esas algas a sus células y realizar la fotosíntesis (fenómeno conocido como cleptoplastia). Se ha propuesto que la capacidad de mantener los cloroplastos funcionales en el interior de las células es debido a u na serie de genes adquiridos por HGT de los cloroplastos de las algas (por ejemplo, el gen psbO que codifica para una proteína estabilizadora de manganeso presente en el fotosistema II) y que sin esta transferencia las babosas tendrían que alimentarse con mayor frecuencia. Por el contrario, aunque el caso anterior sea más ilustrativo sobre este proceso de transferencia, recientemente se ha estudiado el caso del tardígrado (conocido comúnmente como oso de agua) [Figura 15]. Este pequeño animal es resistente a la desecación, altas y bajas temperaturas e incluso la radiación del espacio, podría decirse que es prácticamente inmortal. Diversos científicos de todo el mundo están estudiado su genoma con el fin de averiguar qué es lo que le Figura 15: tardígrado visto al microscopio. hace tan especial. En septiembre del año pasado se publicó un artículo en el que se afirmaba haber descubierto que los tardígrados poseían una gran cantidad de ADN procedente de otros organismos (un 17,5% de todo su genoma). Sin embargo, otro grupo de científicos descartó la hipótesis demostrando que la mayor parte del ADN extraño encontrado, pero no su totalidad, era fruto de una contaminación ambiental y estiman la cantidad de ADN transferido horizontalmente mucho menor. Y como último ejemplo de HGT entre procariotas y eucariotas, tenemos el caso de los seres humanos. Al contrario de lo que podría parecer, HGT también ocurre en organismos más complejos que los expuestos anteriormente. Un estudio del año pasado demuestra que más de 100 genes activos del genoma humano tienen procedencia de otros organismos, entre ellos el gen del grupo sanguíneo ABO y otros genes que codifican para enzimas (degradación de ácidos grasos, formación de glucolípidos, respuestas inmunes, antimicrobianas, la respuesta inflamatoria, señalización celular, metabolismo de aminoácidos, modificación de proteínas y actividad antioxidante). El estudio también proporciona el origen de esos genes que incluye a bacterias, protoctistas, hongos y virus. Todos estos ejemplos muestran la HGT desde un procariota a un eucariota, pero se han visto casos donde ocurría el proceso contrario (aunque estos son mucho menos frecuentes). Y también se ha sugerido que este es el mecanismo de evolución de flores y frutos. Al igual que en las simbiosis ya comentadas, se ha propuesto para todas las simbiosis que la HGT puede ser un mecanismo de interacción entre hospedador y simbionte que permite 9|Página al simbionte afectar la morfología, fisiología o comportamiento de su hospedador.1 Se han descrito ya diversos casos (los más destacados son los ya mencionados), pero no se ha podido demostrar la existencia de una interacción entre el ficobionte y micobionte que forman los líquenes [Figura 16] aunque sí se ha visto que cada uno por separado es capaz de recibir genes lateralmente de otros organismos. Figura 16: liquen foliáceo. 1 Esta hipótesis ya fue propuesta en 1982 por Richard Dawkins en su libro “El fenotipo extendido” para describir cómo los parásitos afectaban a sus hospedadores. 10 | P á g i n a 4. Conclusión Como hemos podido ver a lo largo de este trabajo, la transferencia horizontal de genes ha sido de vital importancia para la evolución de la vida pues, sin ella, no hubieran podido aparecer las células eucariotas y nosotros no estaríamos aquí y ahora leyendo estas líneas. Aparte de eso, ha contribuido enormemente a la diversidad bacteriana que existe hoy en día y a la asociación simbiótica entre los organismos, a pesar de no estar comprobada en todos ellos. Con esta nueva información de transmisión genética, las representaciones clásicas de las relaciones filogenéticas entre individuos quedan caóticas, mucho más que la mostrada a continuación [Figura 17], y no se ajustan a la idea clásica de evolución lineal. Figura 17: árbol filogenético con relaciones horizontales entre individuos. Por último, para acabar este trabajo, me gustaría decir que mi idea original era realizar un trabajo sobre el tardígrado y cómo su genoma los hacía tan peculiares, pero eso fue antes de leer el artículo de diciembre que contradecía el de marzo del año pasado ya comentado. Así pues, esta noticia fue como un jarro de agua fría e intenté buscar un nuevo enfoque para mi trabajo; y lo encontré en el sitio más insospechado. Puede que la gente a la que le gusten los cómics haya oído hablar de Venom, el simbionte enemigo de Spiderman. Pues yo, mientras estaba viendo cómo Peter Parker se deshacía de él, me pregunté por qué el simbionte tras abandonar a Spider-man había mantenido sus habilidades y tras investigar un poco, leí que el simbionte había adquirido las capacidades de Peter por transferencia genética y que por el proceso inverso, era capaz de afectar psicológicamente a Peter. Ahí fue cuando comencé a buscar información sobre la HGT que queda reflejada en estas páginas. 11 | P á g i n a 5. Bibliografía Boothbya, Thomas C.; Tenlena, Jennifer R.; Smitha, Frank W.; Wanga, Jeremy R.; Patanella, Kiera A.; Nishimura, Erin Osborne; Tintoria, Sophia C.; Lic, Qing; Jonesa, Corbin D.; Yandellc, Mark; Messinad, David N.; Glasscockd, Jarret; Goldsteina, Bob. (2015): “Evidence for extensive horizontal gene transfer from the draft genome of a tardigrade”. Crisp, Alastair; Boschetti, Chiara; Perry, Malcolm; Tunnacliffe, Alan; Micklem, Gos (2015): “Expression of multiple horizontally acquired genes is a hallmark of both vertebrate and invertebrate genomes”. Degnan, Sandie M. (2014): “Think laterally: horizontal gene transfer from symbiotic microbes may extend the phenotype of marine sessile hosts”. http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2994187/Mystery-alien-genes-Scientistsdiscover-DNA-NOT-ancestors-say-change-think-evolution.html https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Wolbachia_pipientis Koutsovoulos, Georgios; Kumar, Sujai; Laetsch, Dominik R.; Stevens, Lewis; Daub, Jennifer; Conlon, Claire; Maroon, Habib; Thomas, Fran; Aboobake, Aziz; Blaxter, Mark (2015): “The genome of the tardigrade Hypsibius dujardini”. Nei, Masatoshi (2013): Mutation-Driven Evolution. Oxford University Press. Paracer, Surindar; Ahmadjian, Vernon (2000): Symbiosis: An Introduction to Biological Associations. Oxford University Press. Tunji, Monika; Kora, Petra (2013): “Vertical and horizontal gene transfer in lichens”. Weeks, A. R.; Breeuwer, J. A. (2001): “Wolbachia-induced parthenogenesis in a genus of phytophagous mites”. www.wikipedia.org