Transferencia Horizontal de genes

Mónica Higuera

Junio 07

• La transferencia horizontal de genes (HGT), también conocida como transferencia lateral de genes (LGT), es un proceso en el que un organismo transfiere material genético a otra célula que no es descendiente.

• Por el contrario, la transferencia vertical ocurre cuando un organismo recibe material genético de sus ancestros, por ejemplo de sus padres o de una especie de la que ha evolucionado

Mecanismos HGT en procariotas

• Es considerado como uno de los mecanismos fundamentales de la evolución procariótica

• Existen tres mecanismos básicos– Conjugación– Transformación– Transducción

Conjugación•Transferencia directa de información genética desde F+ (plásmido conjugativo) a otra aceptora (F-)•Pelo F como canal de paso del material genético. •Las especies de las bacterias donadora y aceptora pueden ser diferentes.•Plásmido F se puede introducir por recombinación en el cromosoma bacteriano dando lugar a una célula Hfr.

Transformación• Captación de material genético libre en el medio por una célula bacteriana

que lo incorpora a su material genético y lo expresa como propio. • Células Competentes (Naturales o Inducidas). • El material puede ser destruido mediante endonucleasas de restricción. • Si el material no se destruye puede:

– replicarse autónomamente si posee un origen de replicación– integrarse por recombinación

– perderse al dividirse la célula.

Transducción• Bacteriofago infecta una célula bacteriana • Los viriones resultantes incluyen en su material genético parte del de la

bacteria. • La transducción puede ser:

– generalizada cuando el fago incluye un fragmento de cualquier parte del genoma de la bacteria

– restringida cuando sólo se incluyen determinadas secuencias• Ciertos fagos son portadores de factores de virulencia (toxina diftérica

Corynebacterium diphteriae.)

Requerimientos para la transferencia•Proximidad del donante de DNA•Estabilidad del DNA en el ambiente•Vector de transmisión•Inserción•Mantenimiento•Estabilización•Selección

Límites/ Prevención de la transferencia• Inestabilidad en el nuevo huesped•Sistemas de restricción•Incompatibilidad en el uso de codones y GC•Splicing y otras señales que provocan una edición del RNA incorrecta

• Genes de resistencia a Antibióticos en plásmidos

• Secuencias de inserción

• Islas de patogenicidad

• Genes de resistencia a toxinas en plásmidos

• Plásmido Ti de Agrobacterium

• Virus y Viroides

HGT: Evolución procariótica

Elementos móviles

E.coli O157:H7 Ejemplo de una nueva “casi especie”

• Contiene 20 potenciales genes en elementos móviles adquiridos mediante HGT

Islas de patogenicidad (PAI)

•Elementos genéticos móviles (>10Kb) que se integran en el genoma o se mantienen en plásmidos asociados a secuencias de tRNA.

•Presentan secuencias repetitivas flanqueantes o diferente uso de G+C y de codones

•Contienen genes codificantes para diferentes funciones: resistencia a antibióticos, adhesinas, toxinas y otros factores de virulencia.

•Codifican por factores relacionados con la movilidad genética: transposasas, integrasas, genes bacteriófagos y orígenes de replicación

•Contribuyen a introducir cambios rápidos en el potencial de virulencia

Formación de las PAI1. Adquisición del gen o genes de virulencia mediante algún mecanismo de HGT

2. Integración, probablement mediada por una integrasa o recombinasa

3. Inmovilización mediante la inactivación o deleción de los ori

4. Expresión de los genes (normalmente la expresión ejerce una selección positiva)

5. Escisión completa de la isla y transferencia a otro organismo

Isla Cag de Helicobacter pylori• Helicobacter pilory: patógeno gástrico causante de gastritis, úlcera y cáncer

•Cag:

•Transferida mediante HGT

•Diferente contenido en G+C

•Flanqueada por DR

•27 ORF

•CagA única proteína efectora

Isla Cag de Helicobacter pylori

• Cag PAI: Forma un sistema de secreción de tipo IV que:

•Induce la expresión de citocinas proinflamatorias como IL-8, que contribuye a la inflamción del estómago

•Cag F: “chaperon like protein”

•17 genes son totalmente necesarios para la translocación de CagA

•14 genes estimulan la síntesis de IL-8 por parte de la célula huesped

CagA de Helicobacter pylori• Cag A

•Interacciona con múltiples proteínas del huesped implicadas en:

•Transducción de señal (Grb-2)

•Citoesqueleto

•Uniones celulares (ZO-1)

• Después de su translocación, CagA es fosforilada por las Src Kinasas y reclutada en la membrana plasmática donde interactúa con las proteínas del huesped provocando:

•Polimerización de la actina

•Elongación celular

•Proliferación anormal de las células gástricas

¿Como se detecta la HGT?• Métodos Filogenéticos

– Incongruencias en los árboles filogenéticos– Mediante patrones de mejores “match” entre

diferentes especies y de distribución de genes

• Métodos Paramétricos– Identificación de regiones del genoma de

composicion inusual – Contenido G+C– Uso diferencial de codones

• La HGT-DB (Garcia-Vallvé et al, 2003) está basada en estos parámetros para la búsqueda de posibles genes tranferidos horizontalmente.

http://www.tinet.org/~debb/HGT/

Métodos de detección de la HGT

El 17% de las ORF de E.Coli K12 ha sido adquirido recientemente (100Myr) de otros organismos con patrones G+C y uso de codones diferentes de otras Enterobacterias

Controversia sobre el papel de la HGT

1. Pros• El genoma eucariota es un mosaico de

secuencias procarióticas con contribución de arqueas y bacterias

• La adquisición de nuevos caracteres mediante HGT se podría considerar la principal respuesta adaptativa en la evolución ya que la respuesta al medio es mucho más rápida que mediante mutaciones en las secuencias preexistentes

• Se ha sugerido que la HGT podría reemplazar los árboles clásicos basados en el rRNA

Controversia sobre el papel de la HGT

2. Contras• HGT estaría sobreestimada

–Uso del BLAST–HGT Anomalías filogenética (alelos adaptativos,

duplicación o deleción de genes)–HGT es frecuente a nivel celular pero no a nivel

poblacional. La fijación de secuencias es inusual

• HGT podría haber sido una gran fuerza evolutiva en las primeas etapas de la evolución pero no en células modernas• El impacto de la HGT sería marginal

¿Podría ser un peligro la HGT por ingeniería genética?

• Generación de nuevos patógenos virales y bacterianos

•Transferencia de genes virales y bacterianos introducidos en plantas transgénicas

•Difusión de genes marcadores con resistencia a antibióticos entre los patógenos

•Inserción secundaria al azar de genes en organismos que interactuan con las plantas de los cultivos transgénicos

•Impacto ecológico debido a la diseminación de genes exóticos introducidos

FIN