Le persone sono state a lungo incuriosite dalla prospettiva di DNA estraneo all’interno dei nostri genomi. I genomi umani ospitano prove di LGTS benefici da batteri nel recente passato, e ci sono prove che i trasferimenti possono verificarsi regolarmente tra i batteri residenti e le cellule somatiche del corpo. Come comunemente si verifica LGT batteri-animali non è chiaro, così come i meccanismi di questi trasferimenti. Ma se le LGT inducono mutazioni dannose, potrebbero essere una causa di malattia non riconosciuta.,
Scambio genico
SCAMBIO genico: il trasferimento genico orizzontale o laterale (LGT) è un evento regolare tra i batteri e la ricerca negli ultimi dieci anni ha dimostrato che i microbi possono anche trasferire il loro DNA agli ospiti multicellulari. Uno degli esempi più ben studiati di LGT tra microbo e animale è il trasferimento del DNA da un intrac-simbionte di Wolbachia intracellulare al suo ospite Drosophila.
Vedere infografica completa: WEB | PDF© EVAN OTO/SCIENZA Sourcebacteries sono un gruppo genomicamente promiscua., Non si riproducono sessualmente ma sono tra le specie geneticamente più varie perché scambiano costantemente pezzi del loro codice genetico tramite LGT. La loro diversità ha permesso loro di adattarsi ad ogni nicchia ecologica del pianeta, dalle bocche idrotermali d’altura ai laghi ghiacciati dell’Antartide, dalle fessure rocciose ai nostri intestini., La LGT tra batteri è stata classificata come trasformazione da DNA libero (il materiale genetico viene rilasciato nell’ambiente dai batteri e assorbito dai microbi viventi, come nell’esperimento di Griffith), trasduzione da virus e trasferimento diretto cellula-cellula attraverso la coniugazione.
I meccanismi di trasferimento dai batteri ad altri organismi sono meno chiari, ma sono probabilmente simili. Il sistema di secrezione di tipo IV dei batteri è una proteina simile a una siringa nota per iniettare molecole dai batteri nella loro cellula ospite attraverso il contatto cellula-cellula., È un importante mediatore di LGT tra Agrobacterium e piante in natura, così come in laboratorio, dove può essere utilizzato per creare colture geneticamente modificate e può anche mediare il trasferimento tra Agrobacterium e cellule umane. Usando il sequenziamento dell’intero genoma, i ricercatori hanno scoperto che i genomi di numerosi insetti e vermi nematodi a volte contengono DNA da microbi che abitano o infettano i loro corpi. Alcune specie contengono vaste matrici di DNA endosymbiont Wolbachia, per esempio-fino a molte copie complete del genoma batterico. (Vedi illustrazione.,)
Questi grandi LGT possono essere quasi identici in sequenza al genoma endosimbionte, suggerendo che sono accaduti abbastanza recentemente. Alcune specie di insetti portano resti di trasferimenti di geni molto più vecchi che sono stati benefici per le specie riceventi e sono stati selezionati nel tempo. La trivellatrice di bacche di caffè, ad esempio, ha cooptato un gene batterico della mannanasi che gli consente di mangiare bacche di caffè.1 I geni della mannanasi batterica cooptata possono anche essere alla base della distruzione delle colture causata dall’invasivo insetto puzzolente marrone marmorato.,2 E gli afidi sintetizzano i propri carotenoidi usando geni trasferiti dai funghi per produrre un aspetto colorato importante per la difesa.3 Mentre altri esempi di LGT tra diversi organismi emergono in letteratura, è naturale concentrarsi sull’angolo umano. Si verifica in noi, e se sì, quanto spesso, e quali sono le conseguenze?
LGT nell’uomo
L’estensione e l’importanza della LGT negli animali vertebrati è meno chiara, in parte perché meno dei loro genomi sono stati sequenziati e / o analizzati con metodi adatti, rispetto a quelli degli invertebrati., Una specie di vertebrati il cui genoma è stato ampiamente studiato-gli esseri umani-ha prodotto solide prove di antichi eventi LGT.
Nel 2001, la prima bozza di sequenza del genoma umano è stata suggerita per avere 223 regioni derivate da LGT che non erano presenti nei genomi di altre specie che erano stati sequenziati in quel momento.4 Alcuni ricercatori hanno rapidamente contestato questo numero come una sovrastima, suggerendo anche che tutte le LGT proposte erano più probabilmente spiegate attraverso meccanismi alternativi come la perdita genica o l’evoluzione convergente.,5 Una nuova analisi pubblicata lo scorso anno da Alastair Crisp dell’Università di Cambridge e colleghi ha trovato più di 130 tracce di possibili eventi LGT nel genoma umano—tra cui la presenza di ialuronano fungina sintasi, una massa grassa e obesità associata gene (FTO), e il gene responsabile per i tipi di sangue (ABO). Ma la maggior parte, se non tutti, degli eventi identificati precedono i lignaggi umani e primati e sono stati identificati perché i ricercatori hanno scelto di non limitare più i risultati alle LGT che esistono solo negli esseri umani e non in altre specie animali.,6
Affinché un gene non umano appaia nei genomi di molte persone, tuttavia, la LGT deve verificarsi nella linea germinale in modo che possa essere passata alle generazioni future; e deve conferire qualche beneficio all’ospite. Tali LGT possono essere rari, perché gli esseri umani non possono sperimentare forte selezione per nuove funzioni nel nostro genoma, e perché le nostre cellule germinali sono pensati per essere protetti da altri organismi e il loro DNA. Tuttavia, la LGT potrebbe essere possibile nel genoma umano somatico; tali mutazioni inserzionali sarebbero molto difficili da rilevare, tuttavia, senza sequenziare un gran numero di cellule umane.,
Gli studi suggeriscono che gli eventi LGT possono e si verificano nei tessuti umani, forse con conseguenze devastanti.
Una volta presenti nel genoma somatico umano, non è difficile immaginare come le inserzioni LGT possano causare malattie. Infatti, mentre mancano ancora prove definitive della recente LGT negli esseri umani, ci sono altri tipi di trasferimento del DNA che sono ben noti per avere un impatto negativo sugli esseri umani. Ad esempio, il papillomavirus umano (HPV) è la causa dell ‘ 80-100% dei tumori cervicali., Il virus può integrarsi nei cromosomi delle cellule cervicali e, se l’integrazione è incompleta, alcune proteine HPV possono diventare non regolamentate, portando all’interruzione dell’apoptosi, ad un aumento della proliferazione cellulare e, infine, al cancro. Allo stesso modo, il virus dell’epatite B (HBV) causa il cancro epatocellulare ed è stato trovato per inserire il suo DNA negli epatociti infetti mentre le cellule si rigenerano. HBV integra recurrently il suo gene virale del rinforzatore ed il suo gene del centro nei geni cancro-relativi, causanti la crescita e la sopravvivenza delle cellule aumentate, due caratteristiche di cancro.,7
Dato il rischio noto di tali integrazioni, ci siamo concentrati sull’identificazione di LGT di DNA batterico nel genoma umano. Sapevamo che dovevamo esaminare i dati di un gran numero di individui, quindi ci siamo affidati ai dati di sequenza umana disponibili pubblicamente dai progetti originali del genoma umano pubblico e privato e dal progetto 1000 Genomes. Ci siamo subito resi conto che se un LGT avvenisse in una cellula terminale differenziata che non replica più il suo DNA, esisterebbe in una sola copia e non saremmo mai stati in grado di distinguerlo dal rumore durante il sequenziamento. Così ci siamo rivolti ai tumori., Abbiamo pensato che, se un inserimento si verifica in una cellula progenitrice del tumore, dovrebbe essere propagato nel tumore ed essere rilevato più volte.
Abbiamo analizzato i dati di sequenza del genoma da nove diversi tipi di tumore da progetti Cancer Genome Atlas e utilizzato strumenti bioinformatici per identificare potenziali integrazioni del DNA. Nei risultati pubblicati nel 2013, abbiamo trovato sequenze da specie di Acinetobacter in campioni di leucemia mieloide acuta (AML) e da specie di Pseudomonas in campioni di adenocarcinoma gastrico (STAD). Ci sono state inserzioni ricorrenti in geni correlati al cancro nei campioni di STAD.,8
In entrambi i campioni di cancro AML e STAD, abbiamo identificato solo prove di frammenti batterici 16S e 23S rRNA che si integrano nel genoma umano. Karsten Sieber, allora studente laureato nel Dunning Hotopp lab, ha creato modelli delle integrazioni STAD nei geni correlati al cancro e ha osservato che questi pezzi dei geni rRNA contengono strutture secondarie che formano numerosi stem-loop, o hairpin loop. Queste integrazioni si verificano nella regione 5 ‘ – non tradotta (5’-UTR) dei geni correlati al cancro, il che significa che sono trascritti ma non tradotti., Gli stem-loop previsti nei frammenti del gene rRNA inseriti potrebbero alterare le strutture secondarie dei trascritti, interrompendo così la trascrizione e / o la traduzione. Abbiamo anche notato che le presunte integrazioni di STAD si verificano in regioni ricche di G dei geni correlati al cancro, che possono anche essere importanti per la regolazione genica.9
CARCINOGENESI CAUSATA DA LGT? Se il DNA viene trasferito dai batteri residenti alle cellule somatiche umane, l’integrazione rischia di trasformare le cellule normali in quelle cancerose.,© EVAN OTO / SCIENCE SOURCE
Ying Xu presso l’Università della Georgia ha anche identificato eventi LGT nei tumori umani. Il suo team ha cercato prove di materiale genetico proveniente dal batterio Helicobacter pylori e dal virus Epstein-Barr, entrambi associati al cancro gastrico. I ricercatori hanno identificato integrazioni di H. pylori in 36 geni nei campioni gastrici, con più integrazioni presenti nei tumori rispetto ai controlli.10 L’infezione cronica da H. pylori può causare rotture del DNA a doppio filamento e le cellule umane possono “guarire” queste rotture a doppio filamento inserendo pezzi di DNA randagio., Spesso si tratta di DNA nucleare o mitocondriale, ma se il DNA batterico è presente, incluso il DNA di H. pylori, potrebbe integrarsi. Queste integrazioni potrebbero quindi essere un effetto collaterale, piuttosto che una causa, del cancro.
Non è chiaro come il DNA batterico eluda il sistema immunitario umano, che riconosce la maggior parte delle forme di acidi nucleici. Ma questi studi suggeriscono che gli eventi LGT possono e si verificano nei tessuti umani, forse con conseguenze devastanti. Finora, questi sono gli unici casi segnalati di integrazioni batteriche del DNA nei tumori umani., Resta da vedere se tali eventi causano il cancro e, in caso affermativo, quanto comunemente.
Una strada ripida
Una serie di sfide devono affrontare i ricercatori che sperano di valutare la presenza e l’impatto delle integrazioni batteriche del DNA nei genomi delle cellule umane. Uno studio approfondito di questo tipo è ancora costoso e, dopo che i campioni sono stati sequenziati, occorrono risorse significative per sviluppare, implementare ed eseguire uno strumento computazionale per identificare LGT.
Anche la contaminazione rimane una barriera. Questo è stato un problema in un’analisi del genoma umano nel 2001, e continua ad essere un problema oggi., È stato dimostrato che i kit di estrazione del DNA contengono acidi nucleici batterici. I contaminanti possono anche essere introdotti tramite la manipolazione dei campioni, dai reagenti e durante il sequenziamento. Durante il processo di creazione della libreria del DNA da sequenziare, potrebbero formarsi chimere che sembrano integrazioni batteriche del DNA. Abbastanza sicuro, all’inizio di quest’anno, i ricercatori hanno scoperto che l’estensione di LGT nel genoma tardigrade è stato inizialmente sopravvalutato; alcuni LGT proposti probabilmente sorto dai genomi di contaminanti batterici e non dal genoma tardigrade stesso.,11
Nonostante lo scetticismo di alcuni angoli della comunità scientifica e le difficoltà nello studio delle integrazioni batteriche del DNA, riteniamo che le LGT siano un’importante forma di mutagenesi inserzionale. Forse ora che le integrazioni del DNA batterico putative sono state identificate nel cancro, più ricercatori cercheranno queste mutazioni in altre malattie. Un’integrazione batterica del DNA che si verifica in una cellula umana e porta all’espressione di un composto batterico riconosciuto dal sistema immunitario umano ha il potenziale per innescare una malattia autoimmune, ad esempio., Ulteriori ricerche sull’insorgenza e le conseguenze della LGT nelle cellule umane riveleranno probabilmente che il fenomeno è molto più comune e importante di quanto attualmente apprezzato.
Kelly Robinson è un candidato di dottorato nel programma di Medicina molecolare presso l’Università del Maryland, Baltimora. Julie Dunning Hotopp è professore associato presso l’Istituto per le scienze del genoma presso l’Università del Maryland School of Medicine.
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