Transferencia genética horizontal

Árbol de la vida actual mostrando transferencias genéticas verticales y horizontales.

La transferencia genética horizontal (TGH) es el movimiento de material genético entre organismos unicelulares y/o pluricelulares, que no es a través de la transmisión vertical (la transmisión del ADN de padres a su descendencia). La TGH es sinónimo de transferencia genética lateral (TGL) y ambos términos son intercambiables. Este movimiento ha demostrado ser un factor importante en la evolución de muchos organismos.

La transferencia genética horizontal es el principal mecanismo responsable de la propagación de la resistencia a los antibióticos en bacterias, y desempeña un papel fundamental en la evolución de cepas capaces de degradar compuestos nuevos, como los pesticidas creados por los humanos. Además, contribuye a la evolución, mantenimientos y la transmisión de factores de virulencia. Esta transferencia genética horizontal normalmente involucra el uso de virus, plásmidos y transposones. A su vez, los virus pueden recibir genes especiales de otros agentes más pequeños conocidos como virus satélite. Los plásmidos y transposones pueden recibir genes especiales de los integrones que son casetes de genes con movilidad. Esto demuestra que hay movimiento masivo de genes inclusive entre las partículas vectoras.

Los genes que son responsables de la resistencia a antibióticos en una especie bacteriana pueden ser transferidos a otras especies mediante diversos mecanismos (e.g. via F-pilus), confiriendo al receptor la capacidad de resistir dichos antibióticos. Este proceso se ha convertido en un importante desafío médico, ya que facilita la rápida diseminación de genes de resistencia entre bacterias patógenas y comensales, reduciendo la eficacia de los tratamientos antimicrobianos disponibles. Como consecuencia, surgen infecciones difíciles de tratar, aumenta la morbilidad y mortalidad asociada, y se incrementa la presión sobre los sistemas de salud pública a nivel global.

La mayoría de los trabajos en genética se han concentrado en la transferencia vertical; sin embargo, ha crecido el reconocimiento de que la transferencia genética horizontal es un fenómeno sumamente significativo entre organismos unicelulares, y probablemente representa la forma dominante de intercambio genético.

En el ámbito experimental, este proceso puede reproducirse de manera controlada mediante la transferencia genética horizontal artificial, una práctica que constituye una forma de ingeniería genética y que permite introducir material genético exógeno en un organismo con fines de investigación o aplicación biotecnológica.

Historia

La transferencia genética horizontal fue descrita por primera vez en Seattle en 1951 en una publicación que demostraba que la transferencia de un gen viral a Corynebacterium diphtheriae creó una forma virulenta de una especie no virulenta, resolviendo casi simultáneamente el acertijo de la difteria (que los pacientes podían estar infectados con la bacteria pero sin presentar ningún síntoma, y después cambiaba repentinamente o nunca), y dando el primer ejemplo para la relevancia del ciclo lisogénico. La transferencia genética inter-bacteriana fue descrita por primera vez en Japón en una publicación de 1959 que demostraba la transferencia de resistencia a antibióticos entre diferentes especies de bacteria. En los mediados de los 80, Syvanen predijo que la transferencia genética lateral existía, tenía significancia biológica, y estaba involucrada en la formación de la historia evolutiva y del inicio de la vida en la Tierra.

Como mencionan Jian, Rivera y Lake (1999): "Estudios de genes y genomas están indicando que ha ocurrido considerable transferencia genética horizontal en procariotes" (véase también Lake y Rivera, 2007). El fenómenos parece tener algún significado para eucariotas unicelulares también. Como menciona Bapteste et al. (2005), "más evidencia sugiere que la transferencia genética también pueda ser un mecanismo evolutivo importante en la evolución protista."

Los injertos a una planta de otra pueden transferir cloroplastos (ADN especializado en plantas que puede conducir la fotosíntesis) ADN mitocondrial y el núcleo celular completo conteniendo el genoma para potencialmente hacer una nueva especie Algunos Lepidoptera (e.g. mariposas monarca y gusanos de seda) han sido modificados genéticamente por transferencia genética horizontal del virus de la avispa. Mordidas del insecto Reduviidae (bicho asesino) pueden, a través de un parásito, infectar humanos con la enfermedad trypanosomal de Chagas, que puede insertar su ADN al genoma humano. Se ha sugerido que la transferencia lateral en humanos puede desempeñar un papel importante para el tratamiento del cáncer.

Richardson y Palmer (2007) argumentan que: "La transferencia genética horizontal ha jugado un papel importante en la evolución bacteriana y es bastante común en algunos eucariotas unicelulares. Sin embargo, la prevalencia y la importancia de la TGH en la evolución de eucariotas pluricelulares permanece incierta.."

Debido al incremento en la cantidad de evidencia sugiriendo la importancia de estos fenómenos para la evolución, los biólogos moleculares como Peter Gogarten han descrito la transferencia genética horizontal como "Un nuevo paradigma para la Biología".

Algunos argumentan que puede representar un peligro oculto en la ingeniería genética, ya que puede permitir que el ADN transgénico se propague entre especies.

Mecanismo

Hay varios mecanismos para la transferencia genética horizontal:

Un transposón (gen saltarín) es un segmento móvil de ADN que a veces puede recoger un gen resistente e insertarlo en un plásmido o cromosoma, por tanto induciendo la transferencia genética horizontal de resistencia a antibióticos.

Inferencia

La transferencia genética horizontal es inferida típicamente usando métodos de bioinformática, tanto para identificar firmas de secuencias atípicas (métodos "paramétricos" ) o identificando fuertes discrepancias entre la historia evolutiva de secuencias particulares comparadas a las de sus huéspedes.

Virus

El virus llamado mimivirus infecta a las amebas. Otro virus, llamado Sputnik, también infecta a las amebas, pero no puede reproducirse a menos que mimivirus ya haya infectado la misma célula. "El genoma de Sputnik revela más visión hacia su biología. Aunque 13 de sus genes muestran poco similitud a cualquier otro gen conocido, tres están cercanamente relacionados con genes de mimivirus y mamavirus, quizás canibalizados por el pequeño virus ya que empaca partículas en alguna parte de su historia. Esto sugiere que el virus satélite puede realizar la transferencia genética horizontal entre virus, de manera paralela a la manera en que los bacteriófagos llevan los genes entre las bacterias." La transferencia genética horizontal también se observa en geminivirus en las plantas de tabaco.

Procariotas

La transferencia genética horizontal es común entre las bacterias, incluso entre las que su relación está más distanciada. Este proceso se cree es una causa significativa de la aumentada resistencia a fármacos cuando una célula bacteriana adquiere resistencia, y los genes de resistencia son transferidos a otras especies. Transposición y transferencia genética horizontal, junto con poderosas fuerzas naturales y selectivas han llevado a especies como Staphylococcus aureus a ser resistentes a varios fármacos y otras bacterias patogénicas. Un claro ejemplo que concierne la propagación de exotoxinas es la evolución adaptativa de toxinas Shiga en E. coli a través de la transferencia genética horizontal vía transducción con especies de Shigella. Estrategias para combatir ciertas infecciones bacterianas al marcar estos factores específicos de virulencia y los elementos genéticos móviles han sido propuestos. Por ejemplo, los elementos genéticos transferidos horizontalmente juegan papeles importantes en la virulencia de E. coli, Salmonella, Streptococcus y Clostridium perfringens.

En procariotas, los sistemas de modificación de restricción son conocidos por proporcionar inmunidad contra la transferencia genética horizontal y en estabilizar elementos genéticos móviles. Los genes codificando los sistemas de modificación de restricción han reportado mover entre genomas procariontes dentro de elementos genéticos móviles como plásmidos, profagos, inserción de secuencias/transposones, e integrones. Son una barrera codificada cromosómicamente para los elementos genéticos móviles más que una herramienta de elementos genéticos móviles para infección celular.

Eucariotas

"Las comparaciones en las secuencias sugiere transferencia horizontal reciente de muchos genes entre diversas especies incluyendo a través de las fronteras de los "dominios" filogenéticos. En consecuencia, determinar la historia filogenética de una especie no se puede hacer de manera concluyente determinando árboles evolucionarios para genes sencillos."

Transferencia horizontal de transposones (THT)

La transferencia horizontal de transposones (THT) se refiere al paso de piezas del ADN que están caracterizadas por su habilidad de moverse de un locus a otro entre genomas por otros medios aparte de herencia de padre a descendencia. La transferencia genética horizontal se ha pensando es crucial para la evolución procarionte, pero existe información que sigue aumentando mostrando que la THT es un fenómeno común y bastante esparcido en la evolución eucarionte. Del lado del elemento transponible, a través de transferencia horizontal puede ser visto como una estrategia para escapar una limpieza debido a selección de purificación, decaimiento mutacional y/o mecanicismos de defensa del huésped.

THT puede ocurrir con cualquier tipo de elementos transponibles, pero los transposones de ADN, y los retrotransposones LTR, tienen mayor probabilidad de ser capaces de la THT porque ambos tienen un intermediario de una doble cadena de ADN, estable que se cree es más fuerte que una sola hebra de intermediario de ARN de retrotransposones no-LTR, que pueden ser altamente degradables.

La THT ha sido demostrada que ocurre entre especies y a través de continentes en ambos, plantas y animales. (Ivancevic et al. 2013), aunque algunos elementos transponibles han mostrado mayor éxito en colonizar genomas de ciertas especies sobre otras. Tanto la proximidad espacial como taxonómica ha sido propuesta para favorecer transferencias horizontales de transposones en plantas y animales. No se conoce como la densidad de una población puede afectar la velocidad de los eventos de THT dentro de la población, pero la proximidad cercanas debido a parasitismo y cruza de contaminación debido al acumulamiento han sido propuestos para favorecer THT en plantas y animales. La transferencia exitosa de elementos transponibles requiere la entrega del ADN del donado a la célula huésped (y a la línea de gérmenes para organismos pluricelulares), seguido de la integración al genoma recibidor del huésped. Aunque el mecanismo real del transporte de elementos transponibles de células donadoras a células de huésped no se conoce, está establecido que el ADN desnudo y el ARN pueden circular en fluido corporal. Muchos vectores propuestos incluyen artrópodos, virus, caracol de agua dulce, bacteria endosimbiótica, y bacteria intracelular parasítica. En algunos casos, incluso los elementos transponibles transportan otros elementos transponibles.

Transferencia genética horizontal artificial

Antes de ser transformada, una bacteria es susceptible a antibióticos. Un plásmido puede ser insertado cuando la bacteria está bajo estrés y ser incorporado al ADN bacteriano, creando resistencia a antibióticos. Cuando los plásmidos están preparados son insertados en la célula bacteriana, ya sea haciendo poros en la membrana plasmática con temperaturas extremas y tratamientos químicos o haciéndola semi permeable a través del proceso de electroforesis, en el cual corrientes eléctricas crean los hoyos en las membrana. Después de que las condiciones regresan a la normalidad los hoyos en la membrana se cierran y los plásmidos quedan atrapados dentro de la bacteria donde se vuelven parte del material genético y sus genes se expresan en la bacteria.

La ingeniería genética es esencialmente transferencia genética horizontal, aunque con casetes sintéticos de expresión. El sistema de transposones "Bella durmiente" fue desarrollado como un agente sintético de transferencia genética que fue basado en las habilidades de los transposones Tc1/mariner para invadir genomas de especies extremadamente diversas. Este sistema, ha sido usado para introducir secuencias genéticas en gran variedad de genomas animales. (Véase también terapia génica )

Importancia en la evolución

La transferencia horizontal de genes es un posible factor de confusión al inferir árboles filogenéticos basados en la secuencia de un gen. Por ejemplo, dadas dos bacterias lejanamente relacionadas que han intercambiado un gen, un árbol filogenético que incluya esas especies mostrará que están estrechamente relacionadas porque ese gen es el mismo aunque la mayoría de los demás genes sean diferentes. Por esta razón, a menudo es ideal utilizar otra información para inferir filogenias sólidas, como la presencia o ausencia de genes o, más comúnmente, incluir una gama tan amplia de genes para el análisis filogenético como sea posible.

Por ejemplo, el gen más común que se utiliza para construir relaciones filogenéticas en procariotas es el gen del ARN ribosómico 16S, ya que sus secuencias tienden a conservarse entre miembros con distancias filogenéticas cercanas, pero lo suficientemente variables como para poder medir las diferencias. Sin embargo, en los últimos años también se ha argumentado que los genes de ARNr 16s también pueden transferirse horizontalmente. Aunque esto puede ser poco frecuente, se debe reevaluar la validez de los árboles filogenéticos construidos en base al gen ARNr 16s.

El biólogo Johann Peter Gogarten sugiere que "la metáfora original de un árbol ya no se ajusta a los datos de investigaciones recientes sobre el genoma", por lo que "los biólogos deberían utilizar la metáfora de un mosaico para describir las diferentes historias combinadas en genomas individuales y utilizar la metáfora de una red para visualizar el rico intercambio y los efectos cooperativos de la TGH entre los microbios". Existen varios métodos para inferir dichas redes filogenéticas.

Al utilizar genes individuales como marcadores filogenéticos, es difícil rastrear la filogenia de un organismo en presencia de transferencia horizontal de genes. La combinación del modelo de cladogénesis de coalescencia simple con eventos raros de transferencia horizontal de genes sugiere que no hubo ningún ancestro común más reciente que contuviera todos los genes ancestrales de los compartidos entre los tres dominios de la vida. Cada molécula contemporánea tiene su propia historia y se remonta a un ancestro de molécula individual. Sin embargo, es probable que estos ancestros moleculares estuvieran presentes en diferentes organismos en diferentes momentos.

Por ejemplo, el gen acdS, responsable de la síntesis de la enzima ACC deaminasa que permite a los microorganismos degradar ACC, el precursor del etileno, regulando así los niveles de esta fitohormona y promoviendo el crecimiento vegetal bajo condiciones de estrés. Se utiliza en estudios evolutivos para inferir patrones de transmisión genética entre microorganismos y plantas. Los análisis filogenéticos demuestran que, aunque la transmisión vertical predomina en muchos grupos bacterianos y fúngicos, existen claras incongruencias con los árboles basados en genes conservados (como 16S rRNA) que sugieren transferencia horizontal, incluso entre dominios como bacterias, hongos y otros eucariotas. Estas inferencias requieren evidencia adicional, ya que la sola discrepancia filogenética puede tener otros orígenes (como radiaciones rápidas, convergencia funcional o reordenamientos genómicos); se suelen buscar elementos genéticos vecinos, alta identidad de secuencia y presencia de plásmidos o islas genómicas para apoyar la transferencia horizontal.

Genes

Hay evidencia de transferencia histórica horizontal de los siguientes genes:

  • El gen de la enzima licopeno ciclasa para la biosíntesis de carotenoides, transferido entre Chlorobi y Cyanobacteria.
  • El gen TetO confiere resistencia a la tetraciclina, entre Campylobacter jejuni.
  • Neochrome, gen en algunos helechos que mejora su habilidad de supervivencia en luz tenue. Se cree que se ha adquirido de algas en algún momento durante la era Cretácea.
  • El gen acdS tiene un origen antiguo, probablemente en un ancestro común entre bacterias y eucariotas. Sin embargo, se tiene evidencia de eventos de transferencia horizontal entre bacterias, y entre bacterias y eucariotas.

Véase también

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