Deconstruyendo la microbiología mordisco a mordisco
¿Qué genes forman a una bacteria?
Todos los organismos poseen una amplia colección de genes en su genoma. Los humanos tenemos unos 20.000 genes; Escherichia coli, la bacteria mejor estudiada, tiene alrededor de 4.500. Un gran misterio en la biología es encontrar cuáles de estos son realmente importantes para el organismo. Una forma sencilla de averiguarlo es eliminar un gen determinado del genoma: si puedes suprimirlo, entonces no es tan importante. Piensa en ello como si nunca hubieras visto un automóvil y estuvieras tratando de comprender cómo funciona. Podrías quitar fácilmente la radio: no tendrías música, pero el coche funcionaría perfectamente. Si por el contrario quitas las ruedas, el coche no se movería en absoluto. Finalmente, no puedes quitar el tanque de gasolina de un automóvil con motor, pero puedes quitarlo de un automóvil híbrido. ¡Los coches eléctricos ni siquiera tienen uno! Del mismo modo, algunos genes bacterianos son esenciales (necesarios para que el organismo crezca), mientras que otros son prescindibles. Al igual que los coches, las bacterias son muy diversas y un gen esencial en una cepa puede resultar inútil en otra estrechamente relacionada. De hecho, las bacterias de la misma especie a veces tienen estilos de vida muy diferentes, lo que da como resultado una diversidad genética muy amplia. Este es el caso de Escherichia coli, que es tan diversa que descubrimos nuevos genes en cada nuevo genoma secuenciado. ¿Qué genes son esenciales en todas las cepas? ¿Por qué algunos genes son esenciales en algunas cepas y no en otras?
Para averiguarlo, F. Rousset y sus colaboradores utilizaron una técnica llamada CRISPRi. En lugar de eliminar el gen del genoma, CRISPRi bloquea su expresión. Para continuar con la analogía del automóvil, es como si en lugar de quitar la pieza, vertieras pegamento sobre ella. Se centraron en un conjunto de 18 cepas representativas de la diversidad de Escherichia coli y utilizaron CRISPRi para apuntar al conjunto de 3.400 genes presentes en la mayoría de estas cepas. Realizaron los experimentos utilizando diferentes medios de cultivo, el medio “rico” LB tradicionalmente usado, con muchos nutrientes, el medio mínimo M9 que solo tiene un puñado, y un medio (GMM) que imita las condiciones que se encuentran en nuestro intestino, uno de los ambientes naturales de E. coli. Descubrieron que sólo un número sorprendentemente pequeño de genes comunes eran esenciales en las 18 cepas (266 en LB, 304 en M9 y 248 en GMM). De manera fascinante, muchos más fueron esenciales en al menos una cepa (aproximadamente el doble: 506 en LB, 602 en M9 y 555 en GMM). De hecho, la mayoría de los genes esenciales son esenciales en todas las cepas o solo en unas pocas.
Examinaron si las cepas más estrechamente relacionadas tenían conjuntos de genes esenciales más similares. Aunque el perfil de expresión génica era muy similar en cepas relacionadas, demostraron que sus conjuntos de genes esenciales podían diferir significativamente. De hecho, la distancia evolutiva* se correlacionó muy débilmente con la similitud de conjuntos de genes esenciales. Cabe señalar que fue solo en uno de los medios probados. Por tanto, las diferencias en los genes esenciales no se explican por la relación entre las cepas, sino por otros factores.
Distancia evolutiva* : *: número de eventos de sustitución elemental (mutaciones) que ocurrieron durante el tiempo de divergencia de dos secuencias (en este caso, los genomas de dos organismos). Mide qué tan relacionados están los organismos.
Rousset y sus colaboradores luego se centraron en genes que presentaban una esencialidad muy contrastada (genes esenciales en al menos una cepa y no esenciales en al menos una cepa). Investigaron la base genética de estas diferencias. Encontraron 120 genes de este tipo (32 en LB, 55 en M9 y 66 en GMM) y exploraron los mecanismos que podrían explicar las diferencias en la esencialidad para ellos. Los autores buscaron redundancia funcional y se dieron cuenta de que era el caso del gen metG. Además, metG no es esencial en cepas donde el gen está duplicado: cuando se apunta a una copia, la otra todavía se puede expresar y la célula puede continuar creciendo normalmente. Piensa en ello como un automóvil eléctrico que tiene dos motores: si uno falla, el otro aún puede llevarte a casa. De manera similar, los genes ycaR-kdsB no eran esenciales en las cepas que poseían el homólogo (un gen con un ancestro compartido) kpsU, que podía realizar la misma función. Descubrieron que cada cepa poseía entre 10 y 17 genes adicionales homólogos a genes esenciales. Sin embargo, los homólogos a veces no se expresan lo suficiente para contrarrestar la falta de genes esenciales. Por ejemplo, nrdA y nrdB siguen siendo esenciales en las cepas APEC O1 y TA447, a pesar de tener homólogos: estos homólogos simplemente no se expresan lo suficiente.
En casos más sutiles, observaron redundancia funcional pero no pudieron encontrar ningún gen homólogo. Este fue el caso del gen dut en las cepas APEC O1 y TA447. Se dieron cuenta de que estas cepas poseían un plásmido (una pequeña porción extracromosómica de ADN) con genes que se pensaba que tenían una función relacionada. Podían acortar las opciones a un gen en particular, que demostraron que tenía exactamente la misma función que dut. Como este gen no está relacionado evolutivamente con dut, es un análogo. Puedes pensar en el motor y el motor eléctrico de los automóviles híbridos: los dos motores son muy diferentes, pero realizan la misma función.
Finalmente, ellos querían saber por qué algunos genes no son esenciales en la mayoría de las cepas, pero de repente se vuelven esenciales en otras. Los científicos observaron tales genes en 13 de las 18 cepas. Para la mayoría de estos genes “variablemente esenciales” de la cepa K-12, notaron que era porque poseían un homólogo disfuncional: si tu automóvil eléctrico tiene dos motores, pero uno está roto, el restante se vuelve crítico. Para comprender la esencialidad variable de otros genes, utilizaron evolución experimental. De esa manera, generaron bacterias mutantes en las que el gen de interés ya no era esencial. Al secuenciar los genomas de las cepas evolucionadas y ancestrales, Rousset y sus colaboradores encontraron que el gen de interés es parte de un sistema de toxina-antitoxina. Estos sistemas son elementos genéticos “adictivos”, en los que un gen forma un producto tóxico que el segundo gen neutraliza. Si ambos genes están presentes, la célula está bien, pero la célula muere si falta la antitoxina. Algunas bacterias utilizan los sistemas de toxina-antitoxina para defenderse de los virus. Otros genes “variablemente esenciales” también correspondían a sistemas de defensa viral. En cuanto a nosotros, ¡parece que las bacterias siempre luchan contra los virus!
Link al post original:Rousset, F., Cabezas-Caballero, J., Piastra-Facon, F. et al. The impact of genetic diversity on gene essentiality within the Escherichia coli species. Nat Microbiol 6, 301–312 (2021).
FeaturedImagen publicada: image: Picture by NIAID, https://www.flickr.com/photos/54591706@N02. https://search.creativecommons.org/photos/62e946dc-ab94-40cc-acaf-f484de4ca9dc
Théophile Grébert
Traducido por: Santiago Chaillou
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