Inferència de transferència genètica horisontal

L'inferència de transferència genètica horisontal o lateral és una forma d'estudiar l'història evolutiva dels gens per mig de la filogenético computacional. La transferència genètica horisontal (TGH o TGL) consistix en la transmissió de parts d'ADN genómico entre organismes a través d'un procés desacoplado de l'herència vertical per reproducció. Este fenomen complica les investigacions del parentesc evolutiu de linajes i espècies, per lo que és important determinar la seua presència i les espècies implicades. Per a detectar la transferència genètica horisontal s'utilisen dos tipos de métodos:

1) Els métodos paramètrics es basen en l'anàlisis de la seqüència del genoma de l'espècie hoste per a identificar desviacions del promig genómico. Estos métodos eren molt importants quan existien pocs genomes secuenciados d'espècies relacionades, pero fallen en la detecció d'events de transferència genètica horisontal molt lluntans en el temps.

2) Els métodos filogenético exploten la disponibilitat de seqüències genómicas per a efectuar una comparació entre genomes relacionats. Solen caracterisar millor els events de transferència genómica —notablement en determinar l'espècie donadora i el temps de transferència— No obstant, també estan subjectes a fallos.

En la pràctica, la combinació de diferents métodos millora l'inferència, encara que també comporta el risc de falsos positius.

Transferència genètica horisontal

Frederick Griffith va demostrar la transferència genètica horisontal en 1928 en observar en un experiment que ceps virulent de Streptococcus pneumoniae eren capaços de transmetre la virulència a ceps no virulent per mig d'un mecanisme conegut com transformació. Observacions similars en les décades dels quaranta i cinquanta de el XX varen evidenciar l'existència de mecanismes adicionals de transferència horisontal: la conjugació i la transducció.

Encara que els events de TGH poden no resultar en canvis fenotípicos, es pot inferir si han tingut lloc per mig de l'anàlisis de la seqüència genómica. Estos anàlisis es poden dividir en dos grups segons l'enfocament adoptat: métodos paramètrics i filogenético. Els métodos paramètrics se centren en la busca de seqüències de ADN que diferixquen significativament del promig genómico en paràmetros com el contingut de les bases CG o l'us preferencial de codones. Els métodos filogenético examinen l'història evolutiva dels gens en diferents espècies i identifiquen filogenias incompatibles.

Métodos paramètrics

Els métodos paramètrics utilisen marcadors genètics, característics d'espècies relacionades o clados, per a inferir la transferència genómica horisontal. La diferència entre un fragment del genoma i el marcador és un indici d'una possible transferència horisontal. Per eixemple, el percentage de guanina i citosina (GC) és característic del genoma de l'organisme i els segments genòmics en un percentage molt diferent del promig poden provindre d'un event de TGH des d'una atra espècie. Els marcadors genètics usualment utilisats per a detectar TGH inclouen la composició de nucleòtits, les freqüències d'oligonucleótidos o característiques estructurals del genoma.

Per a que estos métodos funcionen, els marcadors genètics deuen ser clarament reconeixibles. No obstant, el genoma d'una espècie no és sempre uniforme: per eixemple, el contingut GC és menor en el tercer nucleòtit dels codones prop del terminador de replicació, i major en gens altament expressats. Esta variabilitat intragenómica deu prendre's en conte per a evitar marcar segments natius com a productes de transferència genètica horisontal.

És igualment important que els segments transferits horisontalment exhibixquen els marcadors genètics de l'espècie donant. No obstant, les seqüències transferides experimenten els mateixos processos mutacionales que el restant del genoma de l'espècie receptora, lo que borra llentament els indicis de transferències ocorregudes molt temps arrere fins que és impossible detectar-les per mig de métodos paramètrics. Per eixemple, Bdellovibrio bacteriovorus, una δ-proteobacteria depredadora, té un contingut GC homogéneu, per lo que caldria concloure's que el seu genoma és resistent a la transferència genómica horisontal. No obstant, un anàlisis posterior basat en métodos filogenético va identificar vàries TGH antigues. Aixina mateix, si el segment insertat s'ha assimilat prèviament al genoma del receptor, com és el cas de les insercions de profagos, els métodos paramètrics poden fallar. Ademés, la composició de l'espècie donant deu ser significativament diferent de la de l'espècie receptora, una condició que pot perdre-se en el cas de que la distància genètica entre les espècies siga chicoteta o mijana, lo que és molt prevalente. Per últim, els gens adquirits recentment tendixen a ser més rics en AT que el promig del receptor, lo que indica que les diferències en contingut GC poden provindre processos mutacionales desconeguts despuix de l'adquisició i no del genoma del donant.

Composició de nucleòtits

Erro al crear miniatura:

Contingut mig CG en regions codificantes de vàries espècies de bactèries en comparació al tamany del genoma.

El contingut GC bacterial varia molt, entre el 13,5 % de Ca. Zinderia insecticola, i et 75 % de Anaeromyxobacter dehalogenans. Inclús dins d'un mateix grup el percentage pot ser prou diferent, com en el cas de les α-Proteobacterias, a on el promig varia entre el 30 % i el 65 % aproximadament. Estes diferències servixen per a inferir successos de transferència genómica.

Espectre de oligonucleótidos

L'espectre de oligonucleótidos (o freqüències de k-mer) medix la freqüència de totes les possibles seqüències de nucleòtits d'una llongitut donada en el genoma. Esta cantitat varia menys en un genoma que entre genomes i pot, per lo tant, utilisar-se com un marcador genètic per a inferir fenomens de transferència horisontal.

L'utilitat de l'espectre de oligonucleótidos ve donada pel número de oligonucleótidos possibles: 4ⁿ, a on n és el tamany del oligonucleótido; per eixemple, hi ha 4⁵=1024 possible pentanucleótidos. Alguns métodos capturen les freqüències en patrons de tamany variable.

L'us preferencial de codones, una mida relacionada en la freqüència de codones, va ser un dels primers métodos utilisats per a detectar sistemàticament la transferència genómica horisontal. Este enfocament requerix un genoma receptor en una tendència cap a certs codones sinònims —diferents codones que codifiquen el mateix aminoàcit— clarament diferent de la tendència en el genoma de l'espècie donant. El oligonucleótido més simple utilisat com a marcador genètic és el dinucleótido; per eixemple, el tercer nucleòtit en un codón i el primer nucleòtit en el següent codón representen el dinucleótido menys restringit per la preferència d'aminoàcits i de codones.

És important optimisar el tamany del ranc del genoma a on es computa la freqüència de oligonucleótidos: un ranc ampli amortigua la variabilitat del genoma de l'espècie receptora, pero dificulta la detecció de TGH de regions menudes. Un ranc de 5 kb en una separació de 0.5 kb es considera un bon compromís per a obtindre les freqüències de tetranucleótidos. les cadenes de Markov són un método convenient per a modelar marcadors genètics de oligonucleótidos. La transició de la matriu de provabilitat es deriva per a gens endógenos contra gens adquirits, d'a on es calculen les provabilitats a posteriori bayesianas per a un segment particular de ADN.

Característiques estructurals

Les característiques estructurals de el ADN —com l'energia d'interacció entre pares de bases veïns, l'àngul de gir entre dos parells de bases no coplanares o la deformació de el ADN induïda per les proteïnes que interactuen en la cromatina,— poden representar-se com una seqüència numèrica. L'anàlisis d'autocorrelació de tals seqüències mostra periodicitat característiques en genomes complets. Este tipo d'anàlisis es va usar per a comparar l'espectre de periodicitat de regions del genoma de la bactèria termofílica Thermotoga maritima, en el de regions homòlogues en la archaea Pyrococcus horikoshii. Els resultats d'este estudi varen servir de respal a l'hipòtesis d'una transferència genómica massiva entre els regnes bactèria i archaea.

Context genómico

Les illes genómicas, regions adquirides per transferència horisontal de típicament 10–200 kb de tamany permeten identificar gens no natius pel seu posició en un genoma. Per eixemple, un gen d'orige ambigu que forma part d'un operón no natiu és a la seua volta molt provablement adquirit. La repetició de seqüències en abdós extrems d'una regió o la presència d'integrasas o transposasas poden indicar una regió no nativa.

Un programa d'aprenentage automàtic que combina anàlisis de freqüència de oligonucleótidos en el context genómico ha donat bons resultats en l'identificació d'illes genómicas. El context també s'ha utilisat com un indicador secundari, despuix de descartar gens d'orige conegut basant-se en atres métodos paramètrics.

Vore també

• Transferència genètica horisontal
• Arbre filogenético
• Bioinformática
• Genómica comparativa
• Homologia