Estructura y dinámica de genomas bacterianos

David Romero


Programa de Genética Molecular de Plásmidos Bacterianos, Centro de Investigación sobre Fijación de Nitrógeno, Universidad Nacional Autónoma de México. dromero@cifn.unam.mx

…y es tan juguetón y travieso que el otro día descubrí que ha hecho -frente al ataque de los antibióticos- ¡bacterias mutantes! Jaime Sabines

Introducción

Una de las características más interesantes que posee el trabajo científico es su flexibilidad para abandonar marcos conceptuales restrictivos a la luz de información más completa. Hasta finales de la década de los ochenta, el genoma bacteriano se pensaba que estaba constituido por una sola molécula de ADN circular de gran tamaño (de algunos miles de Kb), en donde residían todos los genes necesarios para una supervivencia autónoma. Por analogía con los eucariontes, esta molécula se denominaba cromosoma, y su ploidía se consideraba como de entre uno y tres en número de copias.

Si bien desde 1964 se conocía la existencia de otros replicones en el genoma bacteriano, llamados plásmidos, la mayoría de los reportados eran pequeños en relación al cromosoma (menores a 50 Kb). Dentro de genes que suelen portar los plásmidos, se encuentran genes que confieren a la bacteria la capacidad de ocupar nichos ecológicos nuevos (como genes para resistencia a antibióticos, degradación de compuestos aromáticos o la capacidad de fijar nitrógeno) o genes necesarios para la replicación y transferencia (por ejemplo conjugativa) del propio plásmido (Top y col., 2000). Así, los plásmidos eran considerados como componentes dispensables del genoma bacteriano.

Las investigaciones realizadas durante la década de los noventa han llevado a un viraje muy radical en nuestra comprensión del genoma procarionte. Estas investigaciones estuvieron motivadas por el reconocimiento de la existencia de una asombrosa diversidad en los procariontes, la gran mayoría de ellos aún por describirse (Dykhuizen, 1998). Para éste fin, el avance de las metodologías de la biología molecular ha jugado un papel preponderante, extendiendo las estrategias de análisis genético a una amplia variedad de procariontes (Holloway, 1993). Una aplicación, particularmente útil, es la electroforesis en campo pulsátil (o PFGE, por pulsed field gel electrophoresis), la cual permite la separación de cromosomas completos, así como una determinación de su conformación (Fonstein y Haselkorn, 1995; Römling y col., 1997; Cole y Saint-Girons, 1999). El otro hito metodológico ha sido el avance y automatización de las técnicas para secuenciación de ADN, la cual ha permitido ya la secuenciación de 30 genomas procariónticos completos .

El ritmo de secuenciación de genomas procariónticos ha sido vertiginoso y no parece menguar (véase Fraser y col., 2000); para información adicional, consulte las páginas correspondientes a la revista Nature (http://www.nature.com/genomics/), The Sanger Centre (http://www.sanger.ac.uk/Projects/Microbes/), The Institute for Genome Research (http://www.tigr.org/tdb/index.shtml). y el National Center for Biotechnology Information (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Entrez/Genome/main_genomes.html).

Los cromosomas procariontes son sumamente diversos en tamaño y geometría

La aplicación de las metodologías mencionadas ha permitido conocer el tamaño y forma del genoma de más de un centenar de especies procariontes (Casjens, 1998; Cole y Saint-Girons, 1999). La primera novedad que aportan estos estudios es relativa al tamaño del genoma, el cual oscila, dependiendo de la especie de que se trate, entre 560 Kb y 9500 Kb. En lo general, los procariontes "especialistas" (aquellos que ocupan un nicho muy restringido) tienden a tener un tamaño pequeño de genoma (promedio 1900 Kb, 72 especies analizadas, Shimkets, 1997). Por el contrario, procariontes "generalistas" (con capacidades metabólicas amplias y pocos requerimientos por compuestos orgánicos en su medio de cultivo) tienden a tener genomas más grandes (promedio 4900 Kb, 69 especies analizadas, Shimkets, 1997). Esta correlación, sin embargo, no es perfecta, dado que la distribución de tamaños translapa extensamente entre estas dos categorías.

A nivel de especie, es difícil también el trazar reglas absolutas con respecto a tamaño de genoma. Si bien algunas especies, como Borrelia burgdorferi, muestran solo pequeñas variaciones en el tamaño de su genoma (910-925 Kb, Casjens, 1998; Cole y Saint-Girons, 1999) otras muestran variaciones mucho más significativas, como son Clostridium perfringens (3070-3650 Kb, Cole y Saint-Girons, 1999), Clostridium beijerinckii (4150-6700 Kb, Casjens, 1998), Pseudomonas aeruginosa (5900-6600 Kb, Casjens, 1998; Cole y Saint-Girons, 1999) y Escherichia coli (4600-5300 Kb, Berthorsson y Ochman, 1995).

No solamente el tamaño del genoma es variable entre procariontes: también lo es su geometría. Si bien la mayoría de los cromosomas muestra una geometría circular, algunas especies presentan cromosomas lineales. Inicialmente descubiertos en Borrelia burgdorferi, se han encontrado también en 14 especies adicionales del género Borrelia, cuatro especies del género Streptomyces, en Rhodococcus facians (revisado en Casjens, 1998; Cole y Saint-Girons, 1999), así como en tres especies del género Agrobacterium (Jumas-Bilak y col., 1998) y, probablemente, en algunas especies del género Azospirillum (Martin-Didonet y col., 2000).

El hallazgo de replicones lineales en procariontes ha atraído un profundo interés, no solamente para describir la diversidad de especies en donde pueden encontrarse, sino para analizar sus mecanismos de replicación y dinámica genómica (Chen, 1996). La presencia de replicones lineales en tantos grupos filogenéticamente diversos sugiere que éstos se han generado varias veces de manera independiente. Sin embargo, esto no significa que estos grupos se hayan especializado solamente para la replicación de moléculas lineales. Por ejemplo, Borrelia burgdorferi, además de mantener un cromosoma y varios plásmidos lineales, también posee plásmidos circulares (Casjens y col., 2000). La coexistencia en la misma célula de replicones circulares y lineales se presenta también en Agrobacterium, Azospirillum y Streptomyces. Aún Escherichia coli, en donde el cromosoma y la virtual totalidad de sus plásmidos son circulares, puede mantener al profago N15, el cual es lineal (Rybchin y Svarchevsky, 1999).

Para el caso de Streptomyces lividans, procesos naturales de rearreglo genómico (ver más adelante) pueden provocar la circularización del cromosoma lineal. Tanto en el caso de cepas con circularizaciones naturales, como aquellas seleccionadas por estrategias genéticas, los derivados pueden crecer normalmente en condiciones de laboratorio, mostrando aún otros eventos de rearreglo genómico característicos de este organismo (Lin y Chen, 1997). Esto sugiere que la preferencia por replicones lineales en estos organismos es más bien una alternativa de organización del genoma. Sin embargo, faltan aún estudios que comparen la adaptación de derivadas con cromosomas circulares vs. lineales.

La distinción entre plásmidos y cromosomas es cada vez más difícil

Otra creencia que se ha derrumbado en la última década es referente a la existencia de un solo cromosoma por especie procarionte. El número de cromosomas circulares es de dos en Vibrio cholerae (Heidelberg y col., 2000), Deinococcus radiodurans (White y col., 1999), Ochrobactrum anthropi (Jumas-Bilak y col., 1998), Leptospira interrogans, Rhodobacter sphaeroides y en seis especies de Brucella (Casjens, 1998; Cole y Saint-Girons, 1999), dos a tres para diferentes aislados de Azospirillum brasilense (Caballero-Mellado y col., 1999), tres para la arqueobacteria Halobacterium sp. NRC1 (Ng y col., 2000) y para Rhizobium meliloti (F. Galibert, comunicación personal) y de dos a cuatro para diferentes aislados de Burkholderia (Pseudomonas) cepacia (Casjens, 1998; Cole y Saint-Girons, 1999). Algunas especies de Agrobacterium contienen un cromosoma circular y uno lineal (Jumas-Bilak y col., 1998), mientras que Paracoccus denitrificans contiene tres cromosomas de geometría no determinada (Bendich y Drlica, 2000).

¿Cómo se segregan estos replicones? ¿Qué ventaja hay en este modo alternativo de organización? Para analizar estas preguntas, se ha estudiado a Bacillus subtilis (un solo cromosoma circular). En un segmento de éste cromosoma se insertaron el origen de replicación y genes implicados en segregación (ambos provenientes de un plásmido); el segmento resultante se escindió del cromosoma principal empleando recombinación homóloga (ver más adelante). Esto dio lugar a una cepa de B. subtilis con dos cromosomas, la cual puede multiplicarse de manera similar a la cepa progenitora (Itaya y Tanaka, 1997). Dado que ambos replicones son esenciales, al perturbar por técnicas genéticas la segregación de uno de ellos, los únicos derivados sobrevivientes son aquellos en los que el replicón alterado se integra en el otro (Itaya y Tanaka, 1999).

Estos resultados mostraron que el genoma procarionte puede estar compuesto por más de un replicón estable y esencial para el organismo. El concepto de multirreplicones no es en sí nuevo, habiéndose introducido al conocer la existencia de plásmidos. La distinción entre plásmidos y cromosomas estaba basada en el pequeño tamaño de éstos (1 a 2 % del genoma) y su aparente dispensabilidad para el crecimiento del organismo. Esta distinción comenzó a borrarse con el descubrimiento de múltiples plásmidos en Rhizobium y otras α-proteobacterias, cuyo tamaño oscila entre 100 y 2000 Kb, representando del 25 al 50% del genoma (García-de los Santos y col., 1996; Moreno 1999). En otras bacterias, como en Borrelia burgdorferi, si bien el tamaño de los plásmidos es menor (entre 10 y 50 Kb) su número (siendo 12 plásmidos lineales y 9 circulares) representa un 40% del genoma (Casjens et al., 2000). En ambos casos, la dispensabilidad de estos elementos es dudosa. Para el caso de B. burgdorferi, varios de estos plásmidos portan genes para lipoproteínas; en el caso de Rhizobium el hallazgo de genes para lipopolisacáridos y otras funciones metabólicas en plásmidos, así como el severo efecto que provoca la pérdida de ellos, han llevado a la proposición de que los plásmidos, lejos de ser dispensables, forman parte de un complejo funcionalmente armónico con el cromosoma (García de los Santos y col., 1996).

Actualmente, la distinción entre plásmidos y cromosomas se basa únicamente en la existencia de genes esenciales en el replicón de interés, sin contrapartes en otros replicones de la célula. Esto ha llevado a la situación de que replicones originalmente clasificados como plásmidos en Halobacterium y Rhizobium meliloti, por mencionar algunos casos, hayan sido reclasificados como cromosomas al descubrirse genes esenciales en ellos (Ng y col., 2000; F. Galibert, comunicación personal). En otros casos, como en Vibrio cholerae, se ha sugerido que uno de los dos cromosomas muestra características semejantes a un plásmido de α-proteobacterias, el cual ha "capturado" genes esenciales (Heidelberg y col., 2000). Este proceso de "captura" podría haber ocurrido por una gran variedad de mecanismos comunes en procariontes. Esto pone en relieve que esta definición es casuística y temporal. Independientemente de la definición que se adopte, es claro que el genoma procarionte es, en muchos casos, una estructura con multirreplicones funcionando de manera integral.

La ploidía en procariontes puede variar en rangos amplios

Por mucho tiempo se ha considerado a los procariontes como organismos con una ploidía baja (1 a 3), siendo frecuentemente haploides funcionales. El renovado interés en caracterizar una gama más amplia de procariontes ha provisto ejemplos que vulneran esta aparente norma. Como se ve en la tabla 1, la ploidía de diferentes procariontes varía de un modo dependiente de la fase de cultivo, siendo en la mayoría de los casos superior a la haploide. El ejemplo más sorprendente es Epulopiscium fishelsoni, en donde su ploidía puede variar de uno a 2000, dependiendo del tipo celular (Bresler y col., 1998). Esta variación en ploidía supera a la observada en cualquier organismo, aún los eucariontes (Bendich y Drlica, 2000). E. fishelsoni esel procarionte más grande identificado (500 por 52 μM), presentando además un modo de división semejante a la esporulación, característica compartida con Metabacterium polyspora (Angert y Losick, 1998).

Independientemente de la ploidía que exhiban, todos los procariontes (al igual que los eucariontes) requieren compactar su ADN. A pesar de que los procariontes carecen de membrana nuclear, compactan su genoma en un área relativamente pequeña de la célula, conocida como nucleoide (Woldringh y Odijk, 1999). Recientemente se estimó que la concentración de ADN en el nucleoide es de 65 mg/ml, similar a la observada en el núcleo eucarióntico en interfase (Woldringh y van Driel, 1999). Si bien estas concentraciones son menores a las observadas en el núcleo eucarióntico en metafase (estimadas en 180 mg/ml), ocurren formas más extremas de compactación del nucleoide en respuesta a condiciones que provocan daño moderado en el genoma (Levin-Zaidman y col., 2000).

Estos datos muestran que algunas características que se creían exclusivas del genoma de los eucariontes, como presencia de replicones múltiples, cromosomas lineales, ploidía elevada y un alto grado de compactación de su genoma, también se encuentran en procariontes (Bendich y Drlica, 2000; Woldringh y van Driel, 1999).

Los procariontes poseen una porción importante de su genoma como secuencias repetidas

El estudio de la incidencia de secuencias repetidas en genomas procariónticos ha avanzado lentamente, debido a un prejuicio generalizado referente a su escasez. La visión más popular era que la mayor parte de las secuencias repetidas en genomas procariónticos eran las secuencias de inserción (IS) y otros elementos transponibles (Merlin y col., 2000). A pesar de reportes persistentes a lo largo de los años acerca de la existencia de repeticiones de segmentos génicos o aún genes completos en genomas procariontes (ver Romero y Palacios, 1997), éstos casos eran considerados como excepciones, más que una regla general.

El advenimiento de los estudios de ciencias genómicas en organismos procariónticos ha permitido la determinación no ambigua del número y tipo de secuencias repetidas en estos organismos. A través del uso de diferentes estrategias computacionales, se ha podido identificar una gran variación en la abundancia de secuencias repetidas largas (> 300 pares de bases), las cuales pudieran participar como sustratos para recombinación homóloga. Estos análisis han mostrado que la proporción de secuencias repetidas en los genomas procarióticos secuenciados puede variar desde el 0.5% hasta el 12% del genoma (Rocha y col., 1999; Romero y col., 1999). Como era de esperarse, las IS constituyen una fracción importante, más no única, de las secuencias repetidas. En muchos genomas, la duplicación exacta de genes o fragmentos de ellos ha jugado un papel importante (Coissac y col., 1997). En retrospectiva, hubiera sido más sorprendente que esto no hubiera ocurrido en los procariontes. En una vasta mayoría de los organismos, la duplicación génica seguida por divergencia ha sido un mecanismo primordial para la generación de nuevas funciones. El reconocimiento de estas secuencias como componentes abundantes de genomas procarióticos, así como su papel en diferentes eventos de plasticidad genómica, han renovado el interés en ellas.

Variando estructura por interacción entre elementos endógenos: transposición y recombinación

Es difícil imaginar una forma de "ingeniería genética natural" más versátil que la que han permitido los elementos transponibles, como las IS y transposones (Merlin y col., 2000). Presentes en todos los procariontes en número de copias variable, su actividad permite su propio incremento en número de copias, activación de genes (a través de promotores incluídos en el propio elemento) e inactivación de genes. Adicionalmente, si dos IS del mismo tipo flanquean un segmento del genoma, éste puede ahora multiplicarse como una sola unidad (transposón). Ciertamente, este último mecanismo ha sido muy relevante en la formación de duplicaciones génicas. Aunque una consideración detallada de los mecanismos de transposición escapa a los propósitos de este trabajo, baste mencionar que existen dos modos de transposición: replicativa y no replicativa (o conservativa). En la transposición replicativa (Fig. 1), una copia del elemento, generada por replicación transpone a una nueva localización genómica, dejando el elemento transponible en el sitio original. En la transposición no replicativa (Fig. 2), el propio elemento transpone a una copia diferente del genoma, dejando un corte en doble cadena en el sitio original. Ambos mecanismos entrañan un incremento en el número de copias del elemento transponible: la principal diferencia es que la transposición no replicativa implica el riesgo de pérdida de una copia del genoma (salvo reparación). Independientemente del mecanismo empleado por un elemento transponible dado, estos suelen transponer a localizaciones con poca o nula similitud en secuencia (Merlin y col., 2000).

Además de las consecuencias locales de la acción de los elementos transponibles, su actividad genera regiones repetidas, las cuales pueden participar en recombinación genética (vea el modelo de Holliday, http://www.wisc.edu/genetics/Holliday/index.html, y el modelo, más actual, que involucra la reparación de rupturas en doble cadena como paso crucial (http://www.molbio.uoregon.edu/home97/pstahl.html)). La recombinación entre secuencias repetidas es un proceso que ocurre con una frecuencia elevada (aproximadamente de dos recombinantes por cada 10 000 células, cuando las secuencias comparten una Kb de similitud) y es capaz de generar alteraciones mayores en la estructura de los genomas.

Por ejemplo, si dos replicones dentro de una célula comparten secuencias repetidas (sean éstas elementos transponibles o genes), pueden recombinar entre sí provocando la unión de los dos replicones o cointegración (Fig. 3), conteniendo dos secuencias repetidas en orientación directa. En cualquier molécula circular con dos secuencias repetidas en orientación directa, la recombinación entre ellas provoca la excisión de una molécula circular. Si la molécula era inicialmente un cointegrado, esto conduce a la separación en los dos replicones originales; por otro lado, si las secuencias repetidas flanquean una región genómica carente de un origen de replicación, esta separación llevará a la pérdida de una región genómica, o deleción (Fig. 4).

Una circunstancia más interesante se presenta si ocurre recombinación en una molécula en proceso de replicación. En estas circunstancias, la recombinación durante la replicación (conocida como entrecruzamiento desigual) provoca la formación de dos moléculas recombinantes, una conteniendo una deleción y la otra una duplicación del segmento flanqueado por repeticiones en orientación directa (Fig. 5; ver Fig. 8 para una manera alternativa). El evento de duplicación es particularmente dinámico, dado que eventos sucesivos de entrecruzamiento desigual pueden conducir a incrementos superiores en número de copias -conocidos como amplificación génica- o regresar a un estado sin duplicación.

Para el caso de secuencias repetidas en orientación inversa dentro de un replicón, la recombinación entre ellas conduce a la inversión de un segmento genómico (Fig. 6). Cabe mencionar que la recombinación entre secuencias repetidas (directas o inversas) no es impedida por la distancia entre ellas, pudiendo ocurrir aún y cuando se encuentren separadas por centenares de kilobases. Por último, estos eventos pueden ocurrir de manera concatenada. Por ejemplo, la escisión de un segmento por recombinación entre repeticiones en orientación directa podría proseguir con la reinserción del segmento en un sitio diferente del genoma, llevando a una translocación (Fig. 7). Desde luego, si este segmento se reintegra en el mismo sitio en una copia generada previamente por replicación, el resultado sería una deleción y una duplicación (Fig. 8 ).

Existen numerosos ejemplos de que estos procesos pueden conducir a rearreglos genómicos, algunos de ellos, como las duplicaciones y amplificaciones, benéficos para las capacidades del organismo (Romero y Palacios, 1997; Roth y col., 1996). A pesar de estos datos, existía mucha resistencia a aceptar el dinamismo en la organización del genoma procarionte. La creencia de la estabilidad evolutiva de los genomas bacterianos se fundaba en el hecho de que los mapas genéticos de Escherichia coli y Salmonella typhimurium se habían mantenido prácticamente colineales, a pesar de haber divergido hace 160 millones de años.

El estudio de genomas bacterianos por técnicas de PFGE y secuenciación completa de genomas han cambiado radicalmente esta visión. Al secuenciarse el genoma de Haemophilus influenzae (la cual se separó de Escherichia coli hace 100 millones de años), no se encontró ninguna evidencia de colinearidad con el mapa de E. coli. De hecho, esta falta de colinearidad es común entre diferentes géneros bacterianos (Casjens, 1998; Romero y col., 1999).

Las comparaciones que muestran colinearidad apreciable son aquellas entre diferentes especies pertenecientes a un mismo género. Sin embargo, en estos casos, la colinearidad es rota por eventos de rearreglo genómico causados por recombinación entre secuencias repetidas, como se ha observado en comparaciones entre Chlamydia trachomatis y Chlamydia pneumoniae (Kalman y col., 1999; Tillier y Collins, 2000), Mycoplasma genitalium y Mycoplasma pneumoniae (Himmelreich y col., 1997), Pyroccocus abyssi y Pyrococcus furiosus (Maeder y col., 1999) y Salmonella typhimurium - Salmonella typhi (empleando PFGE, Liu y Sanderson, 1995).

En otros casos, el propio análisis de la secuencia completa de una especie determinada, ha mostrado convincentemente el papel de rearreglos genómicos entre secuencias repetidas. Por ejemplo, para explicar el patrón de pérdidas de genes esenciales en la bacteria intracelular Rickettsia prowazekii (llamado evolución reductiva), se han postulado eventos múltiples de deleción por recombinación entre repeticiones (Andersson y Kurland, 1998). El ensamblaje de uno de los cromosomas de Halobacterium sp. NRC-1 (previamente identificado como plásmido) ha sido explicado por una cascada de rearreglos mediados por secuencias repetidas (Ng y col., 1998).

Aún diferentes aislados de una misma especie presentan rearreglos por recombinación entre secuencias repetidas. Por ejemplo, al comparar los genomas de diferentes aislados de Salmonella typhi por PFGE, se encontró que estos diferían por inversiones mediadas por secuencias repetidas (Liu y Sanderson, 1995). La comparación de las secuencias genómicas completas de dos aislados de Helicobacter pylori mostró diferencias causadas por diferentes rearreglos (Alm y col., 1999). Irónicamente, en diversos aislados de Escherichia coli se ha encontrado evidencia del papel de rearreglos en la evolución del genoma. Por ejemplo, parte de la variación en tamaño del genoma entre diferentes aislados de Escherichia coli se debe a recombinación entre repeticiones (Lan y Reeves, 2000). Recientemente, se siguió la evolución genotípica y fenotípica de Escherichia coli durante 10 000 generaciones. Resultó interesante que podía detectarse variaciones radicales en el genoma antes de observarse variaciones en el fenotipo (Papadopoulos y col., 1999). Dentro de estas variaciones se detectaron eventos de transposición y deleción mediados por repeticiones (Schneider y col., 2000).

El giro conceptual que han provocado estos estudios resulta apasionante. En un lapso relativamente breve hemos pasado de una concepción relativamente estática de los genomas bacterianos a una donde su dinamismo salta a la vista. Es de esperarse que los estudios genómicos en años venideros fortificarán esta visión. Es de esperarse también que estos estudios aclaren la conexión entre el dinamismo del genoma y otros procesos, como la replicación (Tillier y Collins, 2000), así como mayor conocimiento del papel del dinamismo del genoma en la evolución de los procariontes.

Variando estructura por interacción entre elementos exógenos: plásmidos, profagos, CONSTIN y otras formas de transferencia horizontal

Sobrepuesta a la variación genómica que puede lograrse a través de interacción de componentes endógenos, se encuentra la variación adquirida por transferencia de elementos entre bacterias. Este modo de ganancia de información, llamada también transferencia horizontal, asume diferentes formas. Una de éstas, bien conocida, es la transferencia conjugativa de plásmidos entre bacterias, la cual, acoplada con transposición, ha jugado un papel muy importante en el fenómeno de resistencia a los antibióticos. La entrada de plásmidos a una bacteria añade componentes al genoma, no solo por la posibilidad de mantenerse como un replicón autónomo, sino también por su posible integración en otros replicones, por procesos similares al mostrado en la Figura 3. El rango de atributos codificados en plásmidos es muy variado, incluyendo resistencia a antibióticos y otros agentes tóxicos, producción de toxinas, degradación de una amplia gama de compuestos y otros atributos de importancia para interacciones simbióticas y patogénicas (Top y col., 2000).

La entrada de bacteriófagos a la célula y su manutención estable como un profago lisogénico, es otra forma de transferencia horizontal (ver capítulo sobre el bacteriófago lambda). La inserción del profago en otros replicones es muy específica y frecuentemente es catalizada por integrasas codificadas por el propio fago. Algunos fagos portan genes para virulencia en sus genomas, de modo tal que lisogenización con un fago de este tipo provoca la conversión de una cepa avirulenta en una cepa patogénica, fenómeno conocido como conversión lisogénica. Por ejemplo, los genes para toxina de difteria en Corynebacterium diphtheriae (Pappenheimer y Murphy, 1983), toxina del cólera en Vibrio cholerae (Waldor y Mekalanos, 1996) y toxina Shiga en cepas enterohemorrágicas de Escherichia coli (Schmidt y col., 1999) están codificados en fagos convertidores específicos.

Además de las capacidades de transferencia permitidas por plásmidos conjugativos, fagos lisogénicos y transformación, existen otras formas de ganancia de información. Una de ellas, conocida como "islas de patogenicidad" ha adquirido una bien ganada fama debido a su papel en conferir virulencia en bacterias patogénicas, incluyendo Escherichia coli, Helicobacter pylori, Salmonella typhimurium, Vibrio cholerae y Yersinia pestis, por mencionar algunas (Hacker y col., 1997). Estos elementos, con una longitud de decenas de kilobases, suelen portar genes involucrados en virulencia. Frecuentemente se integran cerca de genes para tARN, generando pequeñas duplicaciones del sitio de inserción. Se piensa que su inserción es catalizada por integrasas similares a las de algunos fagos lisogénicos, codificadas en la propia isla de patogenicidad.

Aunque en la mayoría de los casos se desconoce el modo exacto de transferencia de estas islas, una variante de particular interés es la isla que contiene al gen para la toxina de choque tóxico en Staphylococcus aureus, la cual puede ser transferida entre cepas empleando un fago auxiliador (Lindsay y col., 1998). Otros ejemplos en los que la transferibilidad de la isla es aún más clara son el elemento SXT de Vibrio cholerae (el cual confiere resistencia a cuatro antibióticos distintos, Hochhut y Waldor, 1999) y la llamada "isla simbiótica" de Mesorhizobium loti (la cual contiene genes para una simbiosis fijadora de nitrógeno, Sullivan y Ronson, 1998). Ambos elementos son integrativos y autotransferibles por conjugación, por lo que se ha sugerido designarlos con el término CONSTIN's (por conjugal self-transmissible integrating element, Hochhut y Waldor, 1999).

La adquisición de genes en cualquiera de los elementos mencionados anteriormente (plásmidos, transposones, bacteriófagos, islas o CONSTIN) puede facilitarse a través del uso de los llamados integrones (Hall y Collis, 1995). Los integrones son elementos pequeños que incorporan genes carentes de promotores, confiriéndoles la capacidad de ser expresados. El integrón solamente contiene un sitio blanco para una integrasa, el gen para la integrasa y un promotor adyacente al sitio de integración. Los genes por ser integrados, además de carecer de un promotor, suelen contener un sitio de recombinación -el elemento de 59 pb- al final del gen. Eventos de recombinación sitio-específica provocan la inserción del gen dentro del integrón. Por las características de esta recombinación, los integrones pueden acumular dos, tres o más genes distintos (Hall y Collis, 1995).

Originalmente descritos por su capacidad de adquirir genes para resistencia a antibióticos, la importancia de los integrones ha sido puesta en relieve por su capacidad para adquirir genes para virulencia en Vibrio cholerae (Mazel y col., 1998). Para este organismo, se ha reportado una región de 126 kb con características de un integrón, en donde han ocurrido al menos 179 eventos de captura de genes, justificando el término super-integrón (Rowe-Magnus y col., 1999).

La gran variedad y versatilidad de alternativas descritas hace natural el inquirir acerca de su impacto en la estructuración de los genomas procariontes. En una evaluación reciente, empleando la secuencia genómica de 19 especies diferentes, se estimó que el 6% del genoma, en promedio, podría provenir de eventos de transferencia horizontal (Ochman y col., 2000). La variación es muy amplia, sin embargo, dado que algunos organismos, como Mycoplasma genitalium y Rickettsia prowazekii prácticamente no muestran secuencias exógenas, mientras que otros, como Synechocystis, muestran un 16.6% de secuencias producto de transferencia horizontal. Estos datos han llevado a posiciones extremas, que postulan que la transferencia horizontal borra toda frontera entre especies, haciendo inoperativas a las filogenias actuales (Lan y Reeves, 2000; Ochman y col., 2000). Asimismo, ha surgido la tentación de explicar cualquier novedad fenotípica como un producto de transferencia (Lan y Reeves, 2000; Ochman y col., 2000). En mi opinión, estas posiciones deben de ser moderadas por argumentos tan persuasivos como los de Kurland (2000), que nos recuerda la magnitud real de esta transferencia, y que ésta no ha invalidado ninguna de las filogenias actuales. Independientemente de la posición que se decida asumir, es claro que los procesos de dinamismo, tanto endógeno como exógeno, han jugado un importante papel en la estructuración de los genomas procariontes.










[ Regresar ]