7.1A: Genomas Bacterianos

Objetivos de aprendizaje

• Explicar las características básicas de los genomas bacterianos

Los genomas bacterianos son generalmente más pequeños y menos variantes en tamaño entre especies en comparación con genomas de animales y eucariotas unicelulares. Los genomas bacterianos pueden variar en tamaño desde 139 kbp hasta 13,000 kbp. Los recientes avances en la tecnología de secuenciación llevaron al descubrimiento de una alta correlación entre el número de genes y el tamaño del genoma de las bacterias, lo que sugiere que las bacterias tienen cantidades relativamente pequeñas de ADN basura.

Desde entonces, los estudios han demostrado que un gran número de especies bacterianas han sufrido degradación genómica resultando en una disminución en el tamaño del genoma desde su estado ancestral. A lo largo de los años, los investigadores han propuesto varias teorías para explicar la tendencia general de la descomposición del genoma bacteriano y el tamaño relativamente pequeño de los genomas bacterianos. La evidencia convincente indica que la aparente degradación de los genomas bacterianos se debe a un sesgo de deleción.

En procariotas, la mayor parte del genoma (85-90%) es ADN no repetitivo, lo que significa que el ADN codificante lo forma principalmente, mientras que las regiones no codificantes solo toman una pequeña parte. La mayoría de las entidades biológicas que son más complejas que un virus a veces o siempre portan material genético adicional además del que reside en sus cromosomas. En algunos contextos, como la secuenciación del genoma de un microbio patógeno, se pretende que el “genoma” incluya información almacenada en este material auxiliar, el cual es portado en plásmidos. En tales circunstancias, entonces, el “genoma” describe todos los genes y la información sobre el ADN no codificante que tienen el potencial de estar presentes.

Entre las especies de bacterias, hay relativamente poca variación en el tamaño del genoma en comparación con los tamaños del genoma de otros grupos principales de vida. El tamaño del genoma es de poca relevancia cuando se considera el número de genes funcionales en especies eucariotas. Sin embargo, en bacterias, la fuerte correlación entre el número de genes y el tamaño del genoma hace que el tamaño de los genomas bacterianos sea un tema interesante para la investigación y discusión. Las tendencias generales de la evolución bacteriana indican que las bacterias comenzaron como organismos de vida libre. Los caminos evolutivos llevaron a algunas bacterias a convertirse en patógenos y simbiontes.

Figura 7.1A: Gráfico de variación en los tamaños estimados del genoma en pares de bases. : A diferencia de los eucariotas, las bacterias muestran una fuerte correlación entre el tamaño del genoma y el número de genes funcionales en un genoma. Rangos de tamaño del genoma (en pares de bases) de diversas formas de vida. (CC BY-SA 4.0; Abizar).

Los estilos de vida de las bacterias juegan un papel integral en sus respectivos tamaños genómicos. Las bacterias de vida libre tienen los genomas más grandes de los tres tipos de bacterias; sin embargo, tienen menos pseudogenes que las bacterias que recientemente han adquirido patogenicidad. Las bacterias patógenas facultativas y recientemente evolucionadas exhiben un tamaño de genoma más pequeño que las bacterias de vida libre, pero tienen más pseudogenes que cualquier otra forma de bacteria. Los simbiontes bacterianos obligados o patógenos tienen los genomas más pequeños y el menor número de pseudogenes de los tres grupos. La relación entre los estilos de vida de las bacterias y el tamaño del genoma plantea interrogantes sobre los mecanismos de evolución del genoma bacteriano.

Los investigadores han desarrollado varias teorías para explicar los patrones de evolución del tamaño del genoma entre las bacterias. Una teoría predice que las bacterias tienen genomas más pequeños debido a una presión selectiva sobre el tamaño del genoma para garantizar una replicación más rápida. La teoría se basa en la premisa lógica de que los genomas bacterianos más pequeños tardarán menos tiempo en replicarse. Posteriormente, se seleccionarán genomas más pequeños preferentemente debido a una mayor aptitud física.

La selección de sesgos delecionales no es más que un proceso involucrado en la evolución. Otros dos procesos importantes (mutación y deriva genética) se pueden utilizar para explicar los tamaños del genoma de varios tipos de bacterias.

La evidencia de sesgo de deleción está presente en los respectivos tamaños genómicos de bacterias de vida libre, parásitos facultativos y recientemente derivados y parásitos obligados y simbiontes. Las bacterias de vida libre tienden a tener grandes tamaños de población y están sujetas a más oportunidades de transferencia génica. Como tal, la selección puede operar eficazmente sobre bacterias de vida libre para eliminar secuencias deletéreas dando como resultado un número relativamente pequeño de pseudogenes. Continuamente, la presión selectiva adicional es evidente ya que las bacterias de vida libre deben producir todos los productos génicos independientemente de un huésped. Dado que hay suficiente oportunidad para que ocurra la transferencia génica y hay presiones selectivas contra deleciones incluso ligeramente nocivas, es intuitivo que las bacterias de vida libre deben tener los genomas bacterianos más grandes de todos los tipos de bacterias. Los parásitos recientemente formados sufren severos cuellos de botella y pueden depender de entornos hospedadores para proporcionar productos génicos. Como tal, en los parásitos recientemente formados y facultativos, existe una acumulación de pseudogenes y elementos transponibles debido a la falta de presión selectiva contra las deleciones. Los cuellos de botella de la población reducen la transferencia de genes y como tal, el sesgo de deleción asegura la reducción del tamaño del genoma en bacterias parasitarias.

Puntos Clave

• En procariotas, la mayor parte del genoma (85-90%) no es repetitivo, codifica ADN, mientras que el ADN restante es no codificante.
• El genoma de un microbio patógeno, “genoma” pretende incluir información almacenada en este material auxiliar, el cual es portado en plásmidos.
• Los estilos de vida de las bacterias juegan un papel integral en sus respectivos tamaños genómicos. Las bacterias de vida libre tienen los genomas más grandes de los tres tipos de bacterias; sin embargo, tienen menos pseudogenes que las bacterias que recientemente han adquirido patogenicidad.

Términos Clave

• genoma: La información genética completa (ya sea ADN o, en algunos virus, ARN) de un organismo, típicamente expresada en el número de pares de bases.