8.5C: Análisis filogenético

El enfoque molecular del análisis filogenético microbiano revolucionó nuestro pensamiento sobre la evolución en el mundo microbiano.

Objetivos de aprendizaje

• Describir los enfoques para realizar análisis filogenéticos

Puntos Clave

• El propósito del análisis filogenético es comprender la trayectoria evolutiva pasada de los organismos. Debido a la innovación tecnológica en la biología molecular moderna y al rápido avance en la ciencia computacional, la inferencia precisa de la filogenia de un gen u organismo parece posible en un futuro próximo.
• La tecnología en desarrollo de la secuenciación de ácidos nucleicos, junto con el reconocimiento de que las secuencias de bloques de construcción en macromoléculas informativas pueden ser utilizadas como 'relojes moleculares' que contienen información histórica, llevaron al desarrollo del modelo de tres dominios (Archaea — Bacteria-Eucaryota).
• A medida que se dispone de más secuencias genómicas, los científicos han descubierto que determinar estas relaciones se complica por la prevalencia de transferencia lateral de genes entre arqueas y bacterias.
• Incluso usando métodos mejorados de identificación basados en ADN, no se conoce el número total de especies bacterianas y ni siquiera se puede estimar con certeza alguna. Actualmente, hay un poco menos de 9,300 especies conocidas de procariotas.

Términos Clave

• Transferencia lateral de genes: La transferencia génica horizontal (HGT), también la transferencia lateral de genes (LGT) o la transposición se refiere a la transferencia de material genético entre organismos distintos de la transferencia génica vertical. La transferencia vertical ocurre cuando hay intercambio de genes de la generación parental a la descendencia. La LGT es entonces un mecanismo de intercambio génico que ocurre independientemente de la reproducción.
• filogenética microbiana: Estudio de la relación evolutiva entre diversos grupos de microorganismos.

La filogenética microbiana es el estudio de la relación evolutiva entre diversos grupos de microorganismos. El enfoque molecular del análisis filogenético microbiano revolucionó nuestro pensamiento sobre la evolución en el mundo microbiano. El propósito del análisis filogenético es comprender la trayectoria evolutiva pasada de los organismos. A pesar de que nunca conoceremos con certeza la verdadera filogenia de ningún organismo, el análisis filogenético proporciona los mejores supuestos, proporcionando así un marco para diversas disciplinas en microbiología. Debido a la innovación tecnológica de la biología molecular moderna y al rápido avance en la ciencia computacional, la inferencia precisa de la filogenia de un gen u organismo parece posible en un futuro próximo.

Las secuencias génicas se pueden usar para reconstruir la filogenia bacteriana. Estos estudios indican que las bacterias divergieron primero del linaje arqueo/eucariota. El término “bacteria” se aplicó tradicionalmente a todos los procariotas microscópicos unicelulares. Sin embargo, la sistemática molecular mostró que la vida procariota consistía en dos dominios separados, originalmente llamados Eubacterias y Arquebacterias, pero ahora llamados Bacterias y Archaea que evolucionaron independientemente de un antiguo ancestro común. Las arqueas y los eucariotas están más estrechamente relacionados entre sí que con las bacterias. Debido a la introducción relativamente reciente de la sistemática molecular y un rápido aumento en el número de secuencias genómicas disponibles, la clasificación bacteriana sigue siendo un campo cambiante y en expansión. Por ejemplo, algunos biólogos argumentan que las Archaea y Eucariotas evolucionaron a partir de bacterias Gram-positivas.

Si bien las diferencias morfológicas o metabólicas permitieron la identificación y clasificación de cepas bacterianas, no estaba claro si estas diferencias representaban variación entre distintas especies o entre cepas de la misma especie. Esta incertidumbre se debió a la falta de estructuras distintivas en la mayoría de las bacterias, así como a la transferencia lateral de genes entre especies no relacionadas. La tecnología en desarrollo de la secuenciación de ácidos nucleicos, junto con el reconocimiento de que las secuencias de bloques de construcción en macromoléculas informativas pueden ser utilizadas como 'relojes moleculares' que contienen información histórica, llevaron al desarrollo del modelo de tres dominios (Archaea — Bacteria — Eucaryota) a finales de 1970, basado principalmente en comparaciones de secuencias de ARN ribosómico de subunidades pequeñas, iniciadas por Carl Woese y George Fox.

Figura: Árbol evolutivo que muestra la ascendencia común de los tres dominios de la vida: Un árbol de la vida altamente resuelto, basado en genomas completamente secuenciados. Las bacterias son de color azul, eucariotas rojas y arqueas verdes. Las posiciones relativas de algunos filos se muestran alrededor del árbol.

A medida que se dispone de más secuencias genómicas, los científicos han encontrado que determinar estas relaciones se complica por la prevalencia de transferencia lateral de genes (LGT) entre arqueas y bacterias. Debido a la transferencia lateral de genes, algunas bacterias estrechamente relacionadas pueden tener morfologías y metabolismos muy diferentes. Para superar esta incertidumbre, la clasificación bacteriana moderna enfatiza la sistemática molecular, utilizando técnicas genéticas como la determinación de la relación guanina citosina, la hibridación genoma-genoma, así como la secuenciación de genes que no han sufrido una transferencia génica lateral extensa, como el gen rRNA.

Al igual que con la clasificación bacteriana, la identificación de microorganismos está cada vez más utilizando métodos moleculares. Los diagnósticos que utilizan tales herramientas basadas en ADN, como la reacción en cadena de la polimerasa, son cada vez más populares debido a su especificidad y velocidad, en comparación con los métodos basados en cultivo. Sin embargo, incluso usando estos métodos mejorados, se desconoce el número total de especies bacterianas y ni siquiera se puede estimar con certeza alguna. Siguiendo la clasificación actual, hay un poco menos de 9.300 especies conocidas de procariotas, lo que incluye bacterias y arqueas. pero los intentos de estimar el verdadero nivel de diversidad bacteriana han oscilado entre 10 ⁷ y 10 ⁹ especies totales, e incluso estas diversas estimaciones pueden estar fuera por muchos órdenes de magnitud.

Existen cuatro etapas en el análisis filogenético general de secuencias moleculares: (i) selección de una molécula o moléculas adecuadas (marcador filogenético), (ii) adquisición de secuencias moleculares, (iii) alineación múltiple de secuencias (MSA) y (iv) formación de árboles filogenéticos y evaluación.

El análisis de secuencias multilocus (MLSA) representa el nuevo estándar en sistemática molecular microbiana. En este contexto, el MLSA se implementa de manera relativamente sencilla, consistente esencialmente en la concatenación de varias particiones de secuencia para el mismo conjunto de organismos, dando como resultado una “supermatriz” que se utiliza para inferir una filogenia mediante métodos basados en criterios de matriz de distancia o de optimalidad. Se espera que este enfoque tenga un mayor poder de resolución debido a la gran cantidad de caracteres analizados y una menor sensibilidad al impacto de señales conflictivas (es decir, incongruencia filogenética) que resultan de eventuales eventos de transferencia genética horizontal. Las estrategias utilizadas para tratar múltiples particiones se pueden agrupar en tres categorías amplias: la evidencia total, análisis separado y enfoques de combinación. El enfoque de concatenación que domina los MLSA en la literatura de sistemática molecular microbiana es conocido por los sistematistas que trabajan con plantas y animales como el enfoque de “evidencia molecular total”. Se ha utilizado para resolver cuestiones filogenéticas difíciles como las relaciones entre los principales grupos de cetáceos, la de microsporidios y hongos, o la filogenia de los principales linajes vegetales. El enfoque de evidencia molecular total ha sido criticado porque concatenando directamente todas las alineaciones de secuencias disponibles. La evidencia de señales filogenéticas conflictivas en las diferentes particiones de datos se pierde junto con la posibilidad de descubrir los procesos evolutivos que dieron lugar a tales señales contradictorias.