La gente ha estado intrigada por la perspectiva de ADN extraño dentro de nuestros propios genomas. Los genomas humanos albergan evidencia de LGT beneficiosos de bacterias en el pasado reciente, y hay evidencia de que las transferencias pueden ocurrir regularmente entre las bacterias residentes y las células somáticas del cuerpo. La frecuencia con la que se produce la LGT bacteria-animal no está clara, al igual que los mecanismos de estas transferencias. Pero si las LGT inducen mutaciones dañinas, pueden ser una causa no reconocida de enfermedad.,
intercambio de genes
intercambio de genes: la transferencia horizontal o lateral de genes (LGT) es un evento regular entre las bacterias, y la investigación en la última década ha demostrado que los microbios también pueden transferir su ADN a huéspedes multicelulares. Uno de los ejemplos más bien estudiados de LGT entre microbio y animal es la transferencia de ADN de un endo-simbionte intracelular de Wolbachia a su huésped Drosophila.ver infografía completa: WEB | PDF© EVAN OTO / SCIENCE SOURCEBacteria are a genomically promiscuous bunch., No se reproducen sexualmente, pero se encuentran entre las especies genéticamente más variadas porque están constantemente intercambiando bits de su código genético a través de LGT. Su diversidad les ha permitido adaptarse a todos los nichos ecológicos del planeta, desde los respiraderos hidrotermales de los fondos marinos hasta los lagos congelados de la Antártida, desde las grietas de las rocas hasta nuestros propios intestinos., La LGT entre bacterias se ha categorizado como transformación por ADN libre (el material genético es liberado al medio ambiente por bacterias y absorbido por microbios vivos, como en el experimento de Griffith), transducción por virus y transferencia directa de células a células a través de la conjugación.
los mecanismos de transferencia de bacterias a otros organismos son menos claros, pero probablemente similares. El sistema de secreción tipo IV de las bacterias es una proteína similar a una jeringa conocida por inyectar moléculas de bacterias en su célula huésped a través del contacto célula-célula., Es un importante mediador de LGT entre Agrobacterium y las plantas en la naturaleza, así como en el laboratorio, donde se puede utilizar para crear cultivos modificados genéticamente e incluso puede mediar la transferencia entre Agrobacterium y las células humanas. Utilizando la secuenciación del genoma completo, los investigadores han encontrado que los genomas de numerosos insectos y gusanos nematodos a veces contienen ADN de microbios que habitan o infectan sus cuerpos. Algunas especies contienen grandes conjuntos de ADN endosimbionte de Wolbachia—por ejemplo, hasta muchas copias completas del genoma bacteriano. (Ver ilustración.,)
Estos grandes LGT pueden ser casi idénticos en secuencia al genoma endosimbionte, lo que sugiere que ocurrieron recientemente. Algunas especies de insectos llevan restos de transferencias de genes mucho más antiguas que fueron beneficiosas para las especies receptoras y han sido seleccionadas con el tiempo. El barrenador de la baya del café, por ejemplo, cooptó un gen bacteriano de la mananasa que le permite comer bayas de café.1 los genes de la mananasa bacteriana cooptada también pueden ser la base de la destrucción de los cultivos causada por el insecto hediondo marrón marmorado invasor.,2 y los áfidos sintetizan sus propios carotenoides usando genes transferidos de hongos para producir una apariencia colorida importante para la defensa.3 a medida que surgen más ejemplos de LGT entre diversos organismos en la literatura, es natural centrarse en el ángulo humano. ¿Ocurre en nosotros, y si es así, con qué frecuencia, y cuáles son las consecuencias?
LGT en humanos
la extensión e importancia de LGT en animales vertebrados es menos clara, en parte porque menos de sus genomas han sido secuenciados, y / o analizados con métodos adecuados, en comparación con los de invertebrados., Una especie de vertebrados cuyo genoma ha sido ampliamente estudiado-los humanos – ha arrojado evidencia sólida de eventos antiguos de LGT.
en 2001, se sugirió que el primer borrador de la secuencia del genoma humano tenía 223 regiones derivadas de LGT que no estaban presentes en los genomas de otras especies que se habían secuenciado en ese momento.4 Algunos investigadores rápidamente cuestionaron este número como una sobreestimación, incluso sugiriendo que todas las LGT propuestas eran más probablemente explicadas a través de mecanismos alternativos como la pérdida de genes o la evolución convergente.,5 un nuevo análisis publicado el año pasado por Alastair Crisp de la Universidad de Cambridge y sus colegas encontró más de 130 rastros de posibles eventos de LGT en el genoma humano, incluida la presencia de hialuronan sintasas fúngicas, un gen asociado a la masa grasa y la obesidad (FTO) y el gen responsable de los tipos sanguíneos (ABO). Pero la mayoría, si no todos, de los eventos identificados son anteriores a los linajes de humanos y primates y se identificaron porque los investigadores optaron por no limitar los resultados a los LGT que existen solo en humanos y no en otras especies animales.,6
para que un gen no humano aparezca en los genomas de muchas personas, sin embargo, el LGT necesita ocurrir en la línea germinal para que pueda transmitirse a las generaciones futuras; y tiene que conferir algún beneficio al huésped. Tales LGT pueden ser raros, porque los humanos pueden no experimentar una selección fuerte para nuevas funciones en nuestro genoma, y porque se cree que nuestras células germinales están protegidas de otros organismos y su ADN. Sin embargo, LGT podría ser posible en el genoma humano somático; tales mutaciones insercionales serían muy difíciles de detectar, sin embargo, sin secuenciar un gran número de células humanas.,
Los estudios sugieren que los eventos de LGT pueden ocurrir y ocurren en tejidos humanos, tal vez con consecuencias devastadoras.
Una vez que están presentes en el genoma somático humano, no es difícil imaginar cómo las inserciones de LGT podrían causar enfermedad. De hecho, mientras que la evidencia definitiva de LGT reciente en los seres humanos todavía se carece, hay otros tipos de transferencia de ADN que son bien conocidos para afectar negativamente a los seres humanos. Por ejemplo, el virus del papiloma humano (VPH) es la causa del 80% al 100% de los cánceres de cuello uterino., El virus puede integrarse en los cromosomas de las células cervicales, y si la integración es incompleta, ciertas proteínas del VPH pueden no estar reguladas, lo que lleva a la interrupción de la apoptosis, un aumento en la proliferación celular y, en última instancia, cáncer. Del mismo modo, el virus de la hepatitis B (VHB) causa cáncer hepatocelular y se ha encontrado que inserta su ADN en los hepatocitos infectados a medida que las células se regeneran. El VHB integra recurrentemente su gen potenciador viral y su gen central en genes relacionados con el cáncer, lo que provoca un aumento del crecimiento y la supervivencia de las células, dos características distintivas del cáncer.,7
dado el riesgo conocido de tales integraciones, nos hemos centrado en identificar LGT de ADN bacteriano en el genoma humano. Sabíamos que necesitábamos analizar los datos de un gran número de individuos, por lo que nos basamos en datos de secuencias humanas disponibles públicamente de los proyectos originales públicos y privados del genoma humano y del proyecto 1000 Genomas. Rápidamente nos dimos cuenta de que si un LGT ocurría en una célula diferenciada terminal que ya no replicaba su ADN, existiría en una sola copia, y nunca seríamos capaces de distinguirlo del ruido durante la secuenciación. Así que recurrimos a los tumores., Pensamos que, si se produce una inserción en una célula progenitora del tumor, debe propagarse en el tumor y detectarse varias veces.
analizamos los datos de la secuencia del genoma de nueve tipos diferentes de tumores de los proyectos Atlas del genoma del cáncer y utilizamos herramientas bioinformáticas para identificar posibles integraciones del ADN. En los resultados publicados en 2013, encontramos secuencias de especies de Acinetobacter en muestras de leucemia mieloide aguda (LMA) y de especies de Pseudomonas en muestras de adenocarcinoma de estómago (STAD). Hubo inserciones recurrentes en genes relacionados con el cáncer en las muestras de STAD.,8
en las muestras de cáncer de LMA y STAD, solo identificamos evidencia de fragmentos de ARNr bacterianos 16S y 23s que se integran en el genoma humano. Karsten Sieber, entonces un estudiante graduado en el laboratorio Dunning Hotopp, creó modelos de las integraciones STAD en genes relacionados con el cáncer y observó que estas piezas de los genes rRNA contienen estructuras secundarias que forman numerosos lazos de tallo, o lazos de horquilla. Estas integraciones ocurren en la región 5′-No traducida (5 ‘ – UTR) de los genes relacionados con el cáncer, lo que significa que se transcriben pero no se traducen., Los bucles madre predichos en los fragmentos de genes del ARNr insertados podrían alterar las estructuras secundarias de las transcripciones, interrumpiendo así la transcripción y/o traducción. También notamos que las supuestas integraciones STAD ocurren en regiones ricas en G de los genes relacionados con el cáncer, lo que también puede ser importante para la regulación génica.9
¿CARCINOGÉNESIS causada por LGT? Si el ADN se transfiere de las bacterias residentes a las células somáticas humanas, la integración corre el riesgo de transformar las células normales en cancerosas.,© EVAN OTO/SCIENCE SOURCE
Ying Xu de la Universidad de Georgia también ha identificado eventos de LGT en tumores humanos. Su equipo buscó evidencia de material genético de la bacteria Helicobacter pylori y del virus Epstein-Barr, ambos asociados con cáncer gástrico. Los investigadores identificaron integraciones de H. pylori en 36 genes en las muestras gástricas, con más integraciones presentes en los tumores en relación con los controles.10 la infección crónica con H. pylori puede causar roturas de ADN de doble hebra, y las células humanas pueden «curar» estas roturas de doble hebra insertando trozos de ADN extraviado., A menudo se trata de ADN nuclear o mitocondrial, pero si el ADN bacteriano está presente, incluyendo el ADN de H. pylori, podría integrarse. Por lo tanto, estas integraciones podrían ser un efecto secundario, en lugar de una causa, del cáncer.
no está claro cómo el ADN bacteriano evade el sistema inmunológico humano, que reconoce la mayoría de las formas de ácidos nucleicos. Pero estos estudios sugieren que los eventos de LGT pueden ocurrir y ocurren en tejidos humanos, tal vez con consecuencias devastadoras. Hasta ahora, estos son los únicos casos reportados de integraciones de ADN bacteriano en cánceres humanos., Queda por ver si tales eventos causan cáncer y, de ser así, con qué frecuencia.
un camino empinado por delante
los investigadores se enfrentan a una serie de desafíos que esperan evaluar la presencia y el impacto de las integraciones de ADN bacteriano en los genomas de las células humanas. Un estudio exhaustivo de este tipo sigue siendo costoso, y después de que las muestras se hayan secuenciado, se necesitan recursos significativos para desarrollar, implementar y ejecutar una herramienta computacional para identificar LGT.
la contaminación también sigue siendo una barrera. Este fue un problema en un análisis del genoma humano en 2001, y sigue siendo un problema hoy en día., Se ha demostrado que los kits de extracción de ADN contienen ácidos nucleicos bacterianos. Los contaminantes también se pueden introducir a través de la manipulación de muestras, a partir de reactivos y durante la secuenciación. Durante el proceso de creación de la biblioteca de ADN para ser secuenciado, quimeras que parecen integraciones de ADN bacteriano podría formar. Efectivamente, a principios de este año, los investigadores encontraron que la extensión de LGT en el genoma tardígrado fue inicialmente sobreestimada; algunos LGT propuestos probablemente surgieron de los genomas de contaminantes bacterianos y no del genoma tardígrado en sí.,11
a pesar del escepticismo de algunos rincones de la comunidad científica y las dificultades de estudiar las integraciones de ADN bacteriano, creemos que las LGT son una forma importante de mutagénesis insercional. Tal vez ahora que se han identificado integraciones de ADN bacteriano putativas en el cáncer, más investigadores buscarán estas mutaciones en otras enfermedades. Una integración del ADN bacteriano que ocurre en una célula humana y conduce a la expresión de un compuesto bacteriano reconocido por el sistema inmune humano tiene el potencial de desencadenar una enfermedad autoinmune, por ejemplo., Más investigaciones sobre la aparición y las consecuencias de la LGT en las células humanas probablemente revelarán que el fenómeno es mucho más común e importante de lo que se aprecia actualmente. Kelly Robinson es candidata a Doctorado en el programa de Medicina Molecular de la Universidad de Maryland, Baltimore. Julie Dunning Hotopp es Profesora Asociada en el Instituto de Ciencias del genoma de la Facultad de Medicina de la Universidad de Maryland.
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