Transferencia Horizontal de Genes

Tres tipos de transferencia horizontal de genes

La transferencia horizontal de genes se produce mediante transformación, conjugación y transducción. Estos procesos se ilustran en la Figura 2. Discutiremos cada uno de estos tipos en la sección siguiente.

Figura 2. Este diagrama muestra cómo se producen los 3 tipos de transferencia horizontal de genes en las bacterias.

Transformación

Latransformación es uno de los mecanismos más comunes de transferencia horizontal de genes entre bacterias. La transformación se produce cuando una célula receptora competente toma el ADN desnudo extracelular del medio ambiente o el ADN de una bacteria donante muerta.

La transformación implica la recombinación homóloga, el intercambio de material genético entre ácidos nucleicos monocatenarios o bicatenarios que tienen extensas regiones de secuencias de bases similares. Las células donantes y receptoras suelen ser de la misma especie bacteriana.

Conjugación

Otro mecanismo de transferencia horizontal de genes en las bacterias es la conjugación. La conjugación es el mecanismo más común de transferencia horizontal de genes de una especie bacteriana donante a una especie receptora diferente. La conjugación bacteriana se descubrió por primera vez en E. coli, y se basa en el contacto entre células. El contacto directo de unas células con otras es importante para la conjugación bacteriana y la distingue de otros mecanismos de transferencia horizontal de genes.

En la conjugación bacteriana, la célula donante tira de la célula receptora mediante una estructura llamada pilus sexual. El pilus sexual es un apéndice en forma de tubo que permite el contacto entre células y protege la transferencia del plásmido de ADN de la célula donante a la receptora. Una vez en contacto, el ADN es empujado fuera de la célula donante y transportado a la célula receptora.

Transducción

Latransducción implica la transferencia de fragmentos de ADN a través de un vector vírico llamado bacteriófago. Un bacteriófago es un virus que puede infectar bacterias. El bacteriófago, la partícula transductora, infectaría una bacteria y luego inyectaría su ADN en la bacteria. Tras la inyección, el ADN del virus puede secuestrar a la bacteria y utilizarla como huésped para producir más ADN. A diferencia de la conjugación, la transducción no requiere contacto físico entre la célula donante y la receptora.

La transducción puede producirse mediante un ciclo lítico o lisogénico. En el ciclo lítico, el bacteriófago se apodera de la maquinaria de replicación, transcripción y traducción de la célula bacteriana para dirigirla a la fabricación de nuevas partículas víricas. Una vez que hay partículas víricas, se libera al medio ambiente mediante la lisis del huésped.

En cambio, en un ciclo lisogénico, el cromosoma del bacteriófago se inserta como profago en el cromosoma bacteriano. Este profago puede permanecer latente en la bacteria, pero el profago puede extirparse del cromosoma bacteriano e iniciar el ciclo lítico si se induce a la bacteria.

Ejemplo de transferencia horizontal de genes en bacterias

Las bacterias son organismos versátiles que pueden captar ADN extraño, replicarlo y transmitirlo a generaciones futuras. Pueden responder a la presión selectiva y adaptarse a su nuevo entorno mediante distintos mecanismos. También son capaces de adaptarse porque pueden adquirir nuevos rasgos genéticos. Estos nuevos rasgos genéticos se adquieren por mutación o por modificación de la facción génica a partir de la transferencia horizontal de genes. Discutiremos brevemente estos dos procesos en la siguiente sección.

Mutación

La mutación se produce muy lentamente en la naturaleza; las tasas de mutación varían de 10-6 a 10-9 por nucleótido por generación bacteriana. Otras veces, la mutación puede producirse más rápidamente, como si una población bacteriana está sometida a mucho estrés por parte del entorno. Sin embargo, la mayoría de las mutaciones en las bacterias son letales y conducen a la muerte.

Transferencia horizontal de genes

Mediante la transferencia horizontal de genes, las bacterias pueden adaptarse rápidamente adquiriendo ADN de otra bacteria en una sola transferencia. La transferencia horizontal de genes está implicada en la evolución del genoma bacteriano, la prevención de daños en el ADN, la virulencia, la resistencia a los antibióticos y la supervivencia general en diferentes tensiones ambientales.

Un aspecto crítico de la transferencia horizontal de genes en las bacterias es el intercambio de genes de resistencia a los antibióticos. El intercambio de genes de resistencia a los antibióticos conduce a la evolución y desempeña un papel en el desarrollo de bacterias multirresistentes que son patológicamente relevantes para los seres humanos. La mayoría de los genes de resistencia evolucionan rápidamente y se propagan entre distintos patógenos humanos.

Detección de la transferencia horizontal de genes

La capacidad de detectar la transferencia horizontal de genes es importante en el campo de la investigación y la medicina. En las ciencias de la salud, la transferencia horizontal de genes desempeña un papel importante en la evolución de nuevos patógenos, sobre todo en el fomento de la resistencia a los antibióticos en las especies bacterianas, lo que suele dar lugar a patógenos multirresistentes. Los genes que confieren resistencia a los antibióticos se transfieren horizontalmente, por ejemplo, desde una bacteria Staphylococcus aureus sensible, lo que da lugar a una cepa resistente a la meticilina.

Los dos métodos más utilizados para detectar la transferencia horizontal de genes son el enfoque basado en la filogenia y el enfoque basado en la composición, que utilizan diferentes herramientas bioinformáticas.

Enfoque basado en la filogenia

En un enfoque basado en la filogenia, un gran conjunto de copias del gen investigado se compara y contrasta con la filogenia de sus especies de origen. Si hay diferencias entre el gen investigado y la filogenia, se concilia introduciendo la transferencia horizontal de genes. Este enfoque permite identificar antiguos acontecimientos de transferencia horizontal de genes en un genoma, pero sólo funciona con restricciones estrictas.

Este enfoque se basa en la alineación múltiple de secuencias (AMS) y en la fiabilidad y precisión de los árboles filogenéticos de especies existentes. Además, el gen transferido debe proceder de un donante relativamente distante de la célula receptora, para que pueda detectarse la divergencia.

Enfoque basado en la composición

En un enfoque basado en la composición, el genoma se compara y contrasta en función de sus propiedades. Las limitaciones de este enfoque se derivan de los patrones de composición similares de las distintas especies. Además, la longitud del gen transferido del donante al receptor puede ser demasiado pequeña para ser detectada.

¿Por qué es importante la transferencia horizontal de genes?

La transferenciahorizontal de genes es esencial para desarrollar y aumentar la biodiversidad de los organismos. Es un mecanismo rápido que aumenta la variabilidad genética que desempeña un papel en la adaptación, la supervivencia y, finalmente, la evolución bacteriana de los genes recién transferidos.

La transferencia horizontal de genes no sólo se produce entre organismos similares, sino también entre dominios diferentes, de bacterias a arqueas, de arqueas a bacterias, de arqueas a eucariotas y de bacterias a eucariotas. Por ejemplo, la transferencia de la enzima metabólica de la bacteria Pasteurella al protozoo Trichomonas vaginalis condujo a la adaptación del protozoo a un huésped animal.

Otro ejemplo de transferencia horizontal de genes en eucariotas es la transferencia de genes fúngicos a un pulgón del guisante(Acyrthosiphon pisum). Éste fue el primer gen carotenoide sintasa descrito en animales. Sin embargo, la mayoría de las transferencias horizontales de genes bien conocidas y documentadas se producen entre bacterias y arqueas.