Genomas mínimos y wolbachia

Escrito por Alejandro Pérez García, profesor de la Universidad de Málaga

Uno de los aspectos que más ha intrigado a biólogos moleculares y celulares ha sido la idea o el concepto de "genoma mínimo", en otras palabras, la estimación e identificación del número mínimo de genes suficientes para construir o mantener un organismo con organización celular. Este problema ha sido abordado desde dos aproximaciones diferentes. La primera de ellas se llevó a cabo a mediados de los años 90 cuando los primeros genomas bacterianos comenzaron a estar disponibles; la idea consistía en identificar mediante un análisis computacional los genes que eran compartidos entre taxones diversos. La segunda aproximación perseguía identificar los genes esenciales para el crecimiento de una especie dada mediante mutagénesis con transposones. No obstante, estos experimentos se parecen mucho a algunos ya realizados por la naturaleza. Por ejemplo, hace unos pocos de cientos de millones de años un antepasado de Escherichia coli fue "domesticado" por los áfidos, lo que resultó en la eliminación del 75% del genoma original.

Los patógenos transmitidos por vectores usan a los insectos como lanzaderas para transferir individuos entre la población del hospedador, típicamente sin daño o con uno muy limitado para los tejidos o células del insecto. En contraste a tales acomodaciones esporádicas, algunos insectos han desarrollado relaciones obligadas con bacterias que no implican una transmisión posterior a otros eucariotas. Estas bacterias dependientes de hospedador han sido identificadas en insectos chupadores de floema de plantas o que se alimentan de la sangre de los animales. Las células bacterianas normalmente están contenidas en células especializadas del insecto denominadas bacteriocitos y la infección se transmite verticalmente a través de los huevos a la siguiente generación de insectos. En estos sistemas el papel de los microorganismos es producir compuestos que no están disponibles en la dieta habitual de estos insectos. Así, el floema de las plantas es rico en azúcares pero relativamente deficiente en aminoácidos, vitaminas y lípidos esenciales; es por ello por lo que estos áfidos son dependientes del endosimbionte Buchnera aphidicola que le aporta aminoácidos. De igual manera, la sangre de los vertebrados es escasa en las vitaminas del complejo B y por ello la dieta de insectos como la mosca tsetsé es complementada por endosimbiontes como Wigglesworthia glossinidia que es esencial para la producción de vitaminas.

Las bacterias dependientes de hospedador tienen los genomas más pequeños conocidos en la naturaleza, a menudo de un tamaño inferior a 1 Mb. En una revisión muy interesante, Klasson y Anderson [Trends Microbiol. 12: 37-43 (2004)] con objeto de identificar el conjunto mínimo de genes requeridos para la vida comparan las dotaciones mínimas de genes que se han desarrollado de forma natural en estas bacterias, con las inferidas a través de los análisis computacionales y mutacionales. Los endosimbiontes de áfidos tienen genomas que oscilan entre las 618 y 641 kb y se ha estimado que estas bacterias han divergido de bacterias de vida libre con genomas que oscilarían entre 2 y 2,5 Mb que contendrían entre 1800 y 2500 genes. Se han propuesto dos posibles escenarios que explicarían el proceso de minimización sufrido por estos genomas. Por un lado, se argumenta que este proceso fue continuo, con genes que se fueron perdiendo individualmente a través de un elevado número de pequeñas deleciones. Por otro lado, está la sugerencia de que muchos de estos genes se perdieron de forma simultánea, de manera que a través de unos pocos eventos de deleción se hubieran podido perder múltiples genes. Según las tasas de deleción estimadas para los genomas de los endosimbiontes, esta segunda explicación parece la más plausible, de manera que a partir de procesos de recombinación entre secuencias repetidas pudieron perderse grandes bloques de DNA de forma muy rápida, tras lo cual la tasa de pérdida de genes se redujo gradualmente hasta alcanzar a las estimadas para los genomas de endosimbiontes actuales.

La primera comparación entre los genomas de Haemophilus influenzae y Mycoplasma genitalium sugería que aproximadamente 250 genes estaban conservados entre estas especies filogenéticamente divergentes [Mushegian y Koonin, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93: 10268-10273 (1996)]. Un número similar de genes esenciales se estimó para Mycoplasma tras el análisis de mutantes insercionales [Hutchinson et al, Science 286: 2165-2169 (1999)]. Un análisis computacional posterior que incluía los genomas de M. genitalium y los de los parásitos intracelulares Rickettsia prowazekii y Chlamydia trachomatis sugería que sólo 156 genes estaban conservados entre los genomas bacterianos y que no más de 81 de éstos estaban universalmente conservados [Koonin, Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. 1: 99-116 (2000)]. Los genomas de los endosimbiontes de áfidos secuenciados comparten un total de 426 genes. Estos genes incluyen los genes seleccionados por el huésped para la síntesis de aminoácidos y un núcleo de genes necesarios para la división celular, replicación, transcripción y traducción. Si los genomas de W. glossinidia y B. floridanus se suman a la comparación anterior, el número de genes de endosimbiontes conservados se reduce a 276, de los cuales aproximadamente el 50% (156) están también conservados entre parásitos dependientes de hospedador. Las enzimas más importantes para la célula son aquellas que convierten el mensaje genético en proteínas y aseguran que el DNA sea adecuadamente copiado y transferido a las células hijas. Los endosimbiontes comparten 131 genes dedicados al procesado de la información, 99 de los cuales están conservados en bacterias, de éstos 86 están también presentes en parásitos intracelulares y 62 en todos los genomas secuenciados. La síntesis proteica es la categoría predominante con 99 genes compartidos por los genomas de endosimbiontes. El proceso de replicación aporta 10 genes conservados entre los endosimbiontes y otros genomas bacterianos, mientras que la transcripción depende de 7 genes conservados en endosimbiontes.

Las células asociadas a estos conjuntos mínimos de genes nunca crecen aisladas en la naturaleza. Hasta la fecha, todas las especies bacterianas con los genomas más pequeños están íntimamente asociadas a células eucarióticas ya sea en forma de endosimbiontes o parásitos. En total, 302 genes de B. aphidicola no pertenecen al grupo de genes conservados entre bacterias. Algunos de estos genes complementarios representan funciones seleccionadas por el huésped tales como las capacidades biosintéticas de aminoácidos, codifican componentes celulares estructurales, funciones bioenergéticas o proteínas hipotéticas. Las diferencias entre los tres genomas de Buchnera residen en 53 pseudogenes y 86 genes que están ausentes en una o más cepas. Los genes defectivos específicos de linaje representan a todas las categorías funcionales, por lo tanto, las fuerzas evolutivas reduccionistas que actúan sobre los genomas de los endosimbiontes parecen afectar a una gran variedad de procesos celulares. Hay unos pocos ejemplos palpables de deterioro génico que parecen ser resultado de los niveles cambiantes de selección que actúan sobre el hospedador. Así, se ha observado que varias especies de Buchnera están en proceso de perder parte de sus capacidades biosintéticas, lo cual es sorprendente porque se piensa que ésa es la razón misma de su existencia. En concreto, genes implicados en la reducción del sulfato y la biosíntesis de cisteína están acumulando mutaciones sin sentido y de desfase del marco de lectura. Esto puede estar asociado a daños en la planta durante el proceso de alimentación del insecto que conduzca a un aumento de niveles de aminoácidos esenciales disponibles en el floema, y como resultado, los genes biosintéticos correspondientes pueden no estar bajo una presión selectiva importante. Algo similar se ha observado en el áfido Diuraphia noxia que ha empezado a acumular mutaciones en genes de biosíntesis de triptófano. B. aphidicola ha ido más allá y los genes de biosíntesis de cisteína y arginina han sido eliminados de su genoma.

Todas estas observaciones han conducido a la formulación de una serie de preguntas como: ¿Existe un conjunto mínimo de genes que explique el rango de tamaño observado de los genomas de los endosimbiontes? ¿Continuarán estos genomas disminuyendo hasta que finalmente se colapsen? ¿Evolucionarán estos endosimbiontes hasta orgánulos especializados con material genético transferido al genoma nuclear como mitocondrias y cloroplastos? La transmisión materna de los endosimbiontes a través de los huevos a la siguiente generación de áfidos establece el escenario para la transferencia de DNA bacteriano al genoma nuclear de sus hospedadores. Dicha transferencia ha sido documentada en Wolbachia, otra bacteria que se hereda maternalmente. Esta observación demuestra que los genes de los endosimbiontes, al igual que los genes de los orgánulos, pueden ser transferidos a los genomas nucleares de sus huéspedes, aunque todavía permanece por determinar si estos genes son expresados y si contribuyen a funciones bacterianas vitales [Kondo et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99: 14280-14285 (2002)]. Sin embargo, es preciso tener en cuenta una notable diferencia entre orgánulos y endosimbiontes, ya que los primeros se multiplican libremente en el citoplasma de todas las células mientras que los segundos están compartimentalizados en células altamente especializadas. Esta localización puede imponer limitaciones especiales a la regulación de la expresión de cualquier gen de localización nuclear y también sobre los sistemas de transporte que mediaran el proceso de comunicación entre el núcleo y los endosimbiontes.

Según lo anteriormente expuesto, los genomas mínimos no representan el contenido genético de ninguna célula de vida libre y, por tanto, no parece posible consensuar una lista de genes candidatos que constituyan la dotación génica mínima óptima, ya que tal mínimo desnudo probablemente no rindiera un fenotipo que sea competitivo bajo condiciones naturales de vida libre. Por lo tanto, para que tenga sentido, las discusiones sobre genomas mínimos tienen que tener en cuenta los genomas ancestrales de los que derivan y los ambientes en los que los genomas mínimos originados sostienen formas de vida competitivas. La idea original del concepto de genoma mínimo era la de definir el grupo de genes más pequeño que sería suficiente para permitir vida celular en las condiciones más favorables imaginables, pero a tenor de lo que hemos aprendido de los genomas de endosimbiontes ¿sigue teniendo esta idea un verdadero interés?