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¿Existe un término específico para describir la variante de genes existentes en bacterias?

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Tengo una pregunta sobre un término específico que describe la variante de genes existentes. Estoy analizando la secuenciación del genoma completo de un aislado bacteriano. Descubrí que hay una gran cantidad de genes que tienen una identidad de secuencia parcial o una cobertura de sujeto / consulta a los genes de referencia conocidos.

Ahora sé que observar la identidad y la cobertura de la secuencia puede no ser suficiente para analizar los genes. Sé que algún gen puede tener un 30% de identidad de secuencia y aún así plegarse de la misma manera que los genes originales. Sin embargo, digamos que estos genes son realmente variantes de los genes existentes basados ​​en la identidad de secuencia. ¿Cuál es el término para llamarlos?

Mi investigador privado me dijo que son genes que evolucionan rápidamente. Busqué en algún artículo y encontré que los genes que evolucionan rápidamente son genes que están sujetos a selección positiva. Si bien estoy de acuerdo en que algunos de estos son genes que evolucionan rápidamente, ya que probablemente estén sujetos a selección positiva, no puedo ver que todos los genes realmente se sometan a selección al mismo tiempo. Me pregunto si hay otro término para llamar a estas variantes genéticas. Si hay algún papel para definirlos, será genial.

Gracias


Alelo

De wikipedia> alelo

Un alelo es una forma variante de un gen dado.

Estoy algo en desacuerdo con esta definición en el sentido de que no es lo suficientemente general. Un alelo es una variante en cualquier locus (locus = posición en el genoma). Puede hablar de alelos en secuencias no codificantes. Además, si está hablando de una secuencia codificante, puede definir diferentes secuencias como pertenecientes a diferentes alelos, independientemente de que sus productos proteicos difieran en función o no. Las proteínas podrían incluso ser exactamente la misma para dos alelos diferentes si la única diferencia entre estos alelos se refiere a una mutación sinónima (o una mutación en un intrón).

Puede definir las diferentes secuencias como alelos diferentes mediante cualquier tipo de medida de umbral arbitraria. Solo necesitarás definirlo. Por ejemplo, puede definir que diferentes secuencias son alelos diferentes solo si tienen al menos un 5% de diferencias por pares o si descubrió por algún cálculo biofísico que deberían plegarse de manera diferente o para cualquier otra medida arbitraria.

El término alelo se usa con mucha frecuencia en biología evolutiva y encontrará su uso en cualquier curso de introducción a la biología evolutiva.

Genes de rápida evolución

Hasta donde yo sé, no existe una definición comúnmente acordada de lo que es un gen en rápida evolución. Para mí, un gen que evoluciona rápidamente es simplemente una secuencia codificante que evolucionó más rápidamente que otras secuencias de referencia. Per se, aunque es muy probable que implique una selección positiva, no creo que sea un requisito de la definición de genes en rápida evolución. Podría ser causado, por ejemplo, por una tasa de mutación muy alta en esta secuencia particular o por el equilibrio de la selección, lo que haría que cualquier alelo nuevo y poco común fuera beneficioso.


Transferencia horizontal de genes

Nuestros editores revisarán lo que ha enviado y determinarán si deben revisar el artículo.

Transferencia horizontal de genes, también llamado transferencia lateral de genes, la transmisión de ADN (ácido desoxirribonucleico) entre diferentes genomas. Se sabe que la transferencia horizontal de genes ocurre entre diferentes especies, como entre procariotas (organismos cuyas células carecen de un núcleo definido) y eucariotas (organismos cuyas células contienen un núcleo definido), y entre los tres orgánulos de los eucariotas que contienen ADN: el núcleo, la mitocondria y el cloroplasto. La adquisición de ADN a través de la transferencia horizontal de genes se distingue de la transmisión de material genético de padres a hijos durante la reproducción, lo que se conoce como transferencia vertical de genes.

La transferencia horizontal de genes es posible en gran parte por la existencia de elementos genéticos móviles, como plásmidos (material genético extracromosómico), transposones ("genes saltarines") y virus que infectan bacterias (bacteriófagos). Estos elementos se transfieren entre organismos a través de diferentes mecanismos, que en los procariotas incluyen transformación, conjugación y transducción. En la transformación, los procariotas toman fragmentos libres de ADN, a menudo en forma de plásmidos, que se encuentran en su entorno. En conjugación, el material genético se intercambia durante una unión temporal entre dos células, lo que puede implicar la transferencia de un plásmido o transposón. En la transducción, el ADN se transmite de una célula a otra a través de un bacteriófago.

En la transferencia horizontal de genes, el ADN recién adquirido se incorpora al genoma del receptor mediante recombinación o inserción. La recombinación es esencialmente la reagrupación de genes, de manera que los segmentos de ADN nativo y extraño (nuevos) que son homólogos se editan y combinan. La inserción ocurre cuando el ADN extraño introducido en una célula no comparte homología con el ADN existente. En este caso, el nuevo material genético está incrustado entre genes existentes en el genoma del receptor.

En comparación con los procariotas, el proceso de transferencia horizontal de genes en eucariotas es mucho más complejo, principalmente porque el ADN adquirido debe atravesar tanto la membrana celular externa como la membrana nuclear para llegar al genoma del eucariota. Las vías de clasificación y señalización subcelulares desempeñan un papel central en el transporte de ADN al genoma.

Los procariotas pueden intercambiar ADN con eucariotas, aunque los mecanismos detrás de este proceso no se comprenden bien. Los mecanismos sospechosos incluyen la conjugación y la endocitosis, como cuando una célula eucariota engulle a una célula procariota y la reúne en una vesícula especial unida a la membrana para su degradación. Se cree que, en raras ocasiones, en la endocitosis, los genes escapan de los procariotas durante la degradación y posteriormente se incorporan al genoma del eucariota.

La transferencia horizontal de genes juega un papel importante en la adaptación y evolución tanto en procariotas como en eucariotas. Por ejemplo, la transferencia de un gen que codifica una enzima metabólica única de una especie de Pasteurella bacterias al parásito protozoario tricomonas vaginalis se sospecha que ha facilitado la adaptación de este último organismo a sus huéspedes animales. Asimismo, el intercambio de un gen de una célula humana a la bacteria. Neisseria gonorrhoeae—Una transferencia que parece haber ocurrido relativamente recientemente en la evolución de la bacteria— puede haber permitido al organismo adaptarse y sobrevivir en humanos. Los científicos también han propuesto que la evolución reciente de la vía metabólica del metilaspartato en los arcaicos halófilos (amantes de la sal) Haloarcula marismortui se originó con la adquisición por parte del organismo de un conjunto especializado de genes mediante transferencia horizontal.


Fondo

La acumulación de conocimiento biomédico está creciendo exponencialmente. Ha habido un gran esfuerzo para estructurar los hallazgos de la investigación como anotaciones sobre entidades biológicas (por ejemplo, genes, variantes genéticas y vías). Sin embargo, estas anotaciones están fragmentadas entre muchos recursos que varían mucho en términos de tamaño, financiamiento y visibilidad (ver, por ejemplo, Ensembl [1], UniProt [2], PROSITE [3] y Reactome [4]). Las herramientas para la integración del conocimiento permiten un análisis más eficiente de conjuntos de datos a escala del genoma y el descubrimiento de relaciones entre entidades biológicas.

Los bioinformáticos que enfrentan problemas de integración de datos generalmente siguen una de dos estrategias: almacenamiento de datos o federación de datos. El almacenamiento de datos implica descargar archivos planos de varias fuentes, escribir analizadores para procesar los archivos y luego cargar los datos analizados en una base de datos local. Esta estrategia tiene la ventaja de un rendimiento muy alto, pero también requiere un esfuerzo inicial significativo para escribir los analizadores y un esfuerzo continuo para mantener el recurso actualizado. Por otro lado, la federación de datos funciona accediendo a recursos de datos remotos a través de servicios web. Las soluciones de datos federados siempre están actualizadas, pero se requiere un cuidado especial para mantener los enlaces, y las consultas grandes pueden tardar mucho en regresar debido a las limitaciones del servidor y la red. Además, la confiabilidad de las soluciones federadas depende completamente de la estabilidad de los recursos remotos.


Resultados y discusión

Para saber cuántos miembros de la familia SDR están presentes en E. coli K-12 MG1655, en adelante E. coli, ensamblamos enzimas identificadas con un número CE 1.1.1.x. Entre estos se encuentran enzimas con las características estructurales y de secuencia de la superfamilia SDR. Inicialmente usamos el programa AllAllDb del sistema Darwin [14] (después de separar primero proteínas independientes fusionadas en sus componentes) para recopilar todas las secuencias relacionadas E. coli enzimas de este grupo. Los parámetros de la búsqueda de similitud por pares inicial se establecieron para requerir un valor de Pam de al menos 200, una alineación de 83 residuos y una participación de al menos el 50% de la longitud de la proteína más pequeña de cualquier par de secuencia similar. Las enzimas relacionadas se ensamblaron por relación transitiva. Para ampliar la membresía en los grupos para incluir proteínas cuya secuencia puede haber divergido aún más, enviamos a todos los miembros al análisis PSI-BLAST [15].

E. coli tiene 15 miembros de la familia SDR cuyos sustratos y reacciones son conocidos (Tabla 1). Descubrimos que toda la superfamilia podría subdividirse en función de su similitud de secuencia en dos grupos separados. Uno de estos grupos contenía todas las deshidrogenasas / reductasas, el otro todas las epimerasas / deshidratasas. Aunque las reacciones del segundo grupo no son oxidativas, la aparente anomalía se explica por sus mecanismos de reacción. Para las enzimas SDR, las reacciones de epimerización, deshidratación o isomerización se promueven con un tipo de química de oxidación-reducción que promueve tanto la pérdida como la ganancia de un protón para cambiar la ubicación de los restos del sustrato o promover la deshidratación. Ambos tipos de reacciones son facilitadas por una tríada catalítica Ser-Tyr-Lys cuya configuración espacial y distribución de carga se ve afectada por la unión de cada sustrato [16].

Examen de las alineaciones de secuencia del E. coli Las enzimas SDR revelaron cuatro regiones que se alinearon para todos los miembros de la familia extendida, el sitio de unión del sustrato, el pliegue de Rossman de unión a NAD (P) / H y dos sitios de función desconocida, probablemente importantes para el plegado (Fig.2). Cada una de las secuencias conservadas ocurre aproximadamente en la misma región dentro de cada proteína. Los pequeños cambios en los residuos en las regiones conservadas tienen grandes efectos sobre la afinidad por sustratos particulares y sobre la reacción específica que se cataliza.

Alineación de E. coli Miembros de la familia SDR. Las enzimas de los miembros de la familia se enumeran en la Tabla 1. Se muestran cuatro regiones conservadas de las proteínas. Las secuencias de proteínas se alinearon con ClustalW 2.0.11. Los residuos idénticos se resaltan en gris oscuro, mientras que los residuos conservados y semiconservados se resaltan en gris claro.

La Tabla 1 muestra la separación en dos tipos de crotonasas y la variedad de vías y fenotipos resultantes atendidos por la superfamilia SDR. Muchos organismos utilizan algunas vías, como la síntesis de ácidos grasos, pero muchos productos y procesos son característicos de los organismos entéricos únicamente, como la emulsificación de ácidos biliares, la biosíntesis de ácido colánico, lípido A, enterobactina y antígeno común enterobacteriano. Parece que el proceso de duplicación y divergencia ha contribuido a las características metabólicas de un grupo filogenético único de bacterias.

Cabe preguntarse qué tan amplio es el fenómeno de las familias entre E. coli enzimas. Incluso antes de la secuencia del E. coli Se completó el genoma, se observó la existencia de familias de secuencias relacionadas dentro de su genoma [17, 18]. Estas familias relacionadas con la secuencia se consideran familias parálogas que surgieron por duplicación de genes dentro del genoma del propio organismo o en el de un antepasado, aunque, como se mencionó anteriormente, algunos miembros de estas familias podrían haber sido introducidos por transferencia lateral de genes. Después de completar la secuencia genómica completa de E. coli [19], se pudo determinar el conjunto completo de familias parálogas en relación con todo el genoma. Se ensamblaron secuencias relacionadas por pares de todo el genoma, utilizando el criterio de similitud de tener valores de Pam por debajo de 200 y alineaciones de al menos 83 residuos. Al requerir una alineación de 83 aminoácidos o más, buscamos evitar la agrupación de secuencias por pequeños dominios o motivos comunes, como los dominios de unión al ADN; en su lugar, detectamos duplicaciones a nivel de proteínas. Por ejemplo, en el caso de RbsR / RbsD, el dominio de unión al ADN de 45 aminoácidos (PF00356) está presente en 14 E. coli reguladores transcripcionales. Dado que los principales componentes de estas proteínas, los dominios de unión a ligandos, no están relacionados con RbsR, no los consideramos paralogs. Nuestros grupos variaban en tamaño desde 92 miembros en el grupo más grande hasta el tamaño más pequeño, pares simples. Más de la mitad de E. coli las proteínas residían en estos grupos relacionados con la secuencia [20-22].

La existencia de familias de proteínas de secuencia similar que componen una gran fracción del contenido genómico respalda la propuesta de que la duplicación seguida de divergencia es un mecanismo importante de la evolución molecular. Los grupos más grandes de la E. coli El genoma eran los de las proteínas de transporte relacionadas, las proteínas reguladoras y las subunidades redox (es decir, hierro-azufre) de los complejos enzimáticos. Los grupos de enzimas de secuencia similar eran más pequeños, tenían menos miembros, que los grupos de transportadores y reguladores. Sin embargo, nos concentramos en la clase de enzimas porque estudiar familias de enzimas tiene la ventaja de poder aprovechar el conocimiento detallado de la extensa literatura bioquímica sobre sus propiedades, grupos protésicos, los mecanismos de las reacciones que catalizan y las vías a las que pertenecen. . Uno está en condiciones de vincular la información genética con la información bioquímica y, por tanto, con los fenotipos del organismo. Examinando los miembros de las familias de enzimas de E. coli Permitió una visión a nivel molecular de qué tipo de creación de función se produjo como consecuencia de una supuesta duplicación y divergencia.

Otra superfamilia que está relacionada estructural y mecánicamente pero que cataliza diversas reacciones es la familia de las crotonasas. La familia se caracterizó originalmente por similitudes en la estructura tridimensional de cuatro enzimas derivadas de diferentes fuentes. Aunque estructuralmente relacionados, relacionados con la secuencia y relacionados mecánicamente, su bioquímica mostró que catalizaban cuatro reacciones diferentes [23]. Investigaciones posteriores han demostrado que las enzimas crotonasa están relacionadas en secuencia, aunque a menudo de forma distante, y catalizan una amplia gama de reacciones, es decir, deshalogenación, hidratación / deshidratación, descarboxilación, formación / escisión de enlaces carbono-carbono e hidrólisis de tioésteres [24].

Para observar las crotonasas en un contexto evolutivo, uno puede preguntarse si podrían haber surgido por duplicación y divergencia. Para abordar esta cuestión, se podrían enumerar todas las crotonasas en un organismo. Comenzando con una crotonasa en E. coli, codificado en la porción N-terminal de FadB (aquí designado FadB_1) con similitud estructural demostrable en el sitio activo a la crotonasa de hígado de rata, ensamblamos el grupo de enzimas de secuencia similar en E. coli como antes por el programa Darwin AllAllDb. La Figura 3 presenta la alineación de residuos en el sitio activo para el E. coli familia de la crotonasa. La mayor conservación de aminoácidos se observa en los residuos implicados en la unión de acil-CoA y el sitio catalítico. Hay un sitio de unión de CoA y un bolsillo de unión de acilo expandible, así como un orificio de oxianión para unir el enlace tioéster C = O, crucial para la reacción catalizada por los miembros de esta superfamilia [23, 25]. Las variaciones en los residuos en posiciones críticas en los sitios activos dictan cuál de las reacciones relacionadas ocurre. Una vez más, en cuanto a la familia SDR, uno puede visualizar que la amplia familia de crotonasas, que abarca varios tipos de reacciones, podría haber surgido por duplicación y divergencia de genes al principio del tiempo evolutivo.

Alineación de E. coli miembros de la familia de la crotonasa. La pertenencia a la familia de proteínas se determinó como proteínas que tienen una similitud de secuencia de 200 unidades Pam o menos en al menos el 50% de su longitud. Los miembros de la familia de las crotonasas de E. coli se enumeran en la Tabla 3. Las secuencias de proteínas se alinearon con ClustalW 2.0.11. Los residuos idénticos se resaltan en gris oscuro, mientras que los residuos conservados y semiconservados se resaltan en gris claro. Los residuos que forman el orificio de oxanión FadB utilizado para estabilizar los intermedios de reacción se muestran en negrita. Se describe el centro de reacción FadB.

Al reunir los miembros de la familia de las crotonasas en unos pocos organismos, se espera que algunas enzimas individuales estén presentes en todos los organismos, ya que son prácticamente universales. Sin embargo, se espera que otros miembros de la familia de las crotonasas difieran de un organismo a otro. Esperamos que las bacterias en linajes separados tengan algunas enzimas que catalicen diferentes reacciones. Se espera que la diferenciación de las bacterias a medida que evolucionaron a lo largo de diferentes linajes sea en parte una consecuencia de la generación de diferentes miembros de la familia de enzimas en el curso del proceso de divergencia. Otros eventos de evolución molecular están ocurriendo al mismo tiempo que la duplicación y la divergencia, como las transferencias laterales y la pérdida de genes. Para centrarnos en la duplicación de genes, decidimos analizar familias de enzimas en un conjunto de bacterias similares y distantes.

Preguntamos si los miembros de tres familias de enzimas son iguales en las bacterias examinadas o si existen diferencias dictadas por historias evolutivas separadas y presiones selectivas separadas. Se compararon tres familias de enzimas en cuatro bacterias. Las familias elegidas para la comparación fueron las crotonasas, las aminotransferasas de clase III que requieren fosfato de piridoxal y las descarboxilasas que requieren difosfato de tiamina. Las cuatro bacterias son E. coli, Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhimurium LT2 (en adelante S. enterica), la distante γ-proteobacteria Pseudomonas aeruginosa PAO1 y la bacteria gram positiva Bacillus subtilis subsp. subtilis cepa 168 (en adelante "B. subtilis).

Las familias de enzimas se ensamblaron para los tres organismos utilizando los mismos métodos que para E. coli. Las tablas 2, 3 y 4 enumeran los miembros de las superfamilias de aminotransferasa, descarboxilasa y crotonasa, respectivamente. Se muestran las enzimas conocidas y las enzimas fuertemente predichas presentes en cada una de las cuatro bacterias, así como el número de proteínas actualmente de función desconocida.

Observamos que algunas de las enzimas están presentes en las cuatro bacterias, lo que sugiere que son partes integrales de las funciones metabólicas centrales. Esto está respaldado por las vías en las que participan en la síntesis de biotina y porfirina (BioA y HemL), utilización de aminobutirato (GabT), oxidación de piruvato (PoxB / YdaP) y oxidación de ácidos grasos (FadB).Se supone que estas importantes funciones comúnmente mantenidas se conservan en muchas bacterias en muchos taxones.

Otras enzimas difieren en su distribución (presencia o ausencia) entre los cuatro organismos. Esto es presumiblemente el resultado de diferentes historias evolutivas en diferentes linajes durante los procesos de divergencia, lo que lleva al establecimiento de taxones bacterianos con diferencias bioquímicas y metabólicas. Por ejemplo, la descarboxilasa MenD y la crotonasa MenB utilizadas para la biosíntesis de menaquinona están ausentes en P. aeruginosa y presente en los otros tres organismos. Esta distribución es un reflejo de las pseudomonas que usan solo ubiquinona, y no tanto ubiquinona como menaquinona, como portadores de electrones para la respiración. Gcl, tartronato-semialdehído sintasa de utilización de glioxalato, está presente en tres bacterias y no en B. subtilis. Degradación de glixolato en B. subtilis Se ha demostrado que ocurre por una vía diferente a la de los otros tres organismos. En los dos organismos entéricos, sus vías particulares de metabolización de putrescina y carnitina se reflejan en la presencia de putrescina aminotransferasa (PatA) y carnitil-CoA deshidratasa (CaiD) en ambos E. coli y S. enterica.

Varias de las aminotransferasas están implicadas en el metabolismo de la arginina y la aparición de estas enzimas también varía entre los organismos. E. coli y su pariente cercano S. enterica ambos tienen ArgD y AstC para la biosíntesis y degradación de arginina, respectivamente. AruC es utilizado por P. aeruginosa tanto para la síntesis como para la degradación de la arginina. Mientras en B. subtilis, ArgD se usa para la síntesis de arginina y RocD, otro miembro de la familia de las aminotransferasas, se usa para degradar la arginina por una vía diferente. Observamos que los dos organismos entéricos más estrechamente relacionados tienen una mayor similitud en su contenido de aminotransferasas.

Algunos de los miembros de la familia de proteínas representan isoenzimas, secuencian enzimas similares que catalizan la misma reacción pero con diferencias definibles como la amplitud del sustrato, inhibición por retroalimentación, constantes de unión, velocidades de reacción y similares. Con base en la naturaleza común de las isoenzimas, suponemos que han surgido por duplicación de genes y una ligera divergencia. Ejemplos de isoenzimas son el trío de acetolactato sintasas IlvB, IlvI e IlvG, que se encuentran en E. coli y S. enterica. Estas isoenzimas funcionan en la ruta de biosíntesis de isoleucina y valina, cada una de las cuales responde a una retroalimentación distinta. Una copia, IlvG, está mutada e inactiva en E. coli, representación E. coli valina sensible. Este fenotipo se utiliza en protocolos de identificación para distinguir E. coli y S. enterica. Un segundo tipo de acetolactato sintasa (AlsS) también está presente en B. subtilis, pero esta enzima se usa exclusivamente para el catabolismo y no para la síntesis de isoleucina y valina.

E. coli y S. enterica tienen otro conjunto de isoenzimas, FadB y FadJ. Ambas enzimas se utilizan para la oxidación de ácidos grasos, pero FadB se utiliza en condiciones aeróbicas y FadJ se utiliza en condiciones anaeróbicas. Otras isoenzimas son GabT y PuuE en E. coli, GsaB y HemL en B. subtilis. Las isoenzimas a menudo son específicas de vías, como PuuE, que es específica de la utilización de putrescina. Se supone que simplemente mediante pequeños cambios en genes duplicados, el contenido de la vía y la capacidad bioquímica de un organismo pueden expandirse.

Además, hay miembros de la familia de proteínas que son exclusivos de solo uno de los cuatro organismos y están ausentes en los otros tres. Estas enzimas a menudo confieren propiedades metabólicas únicas a su anfitrión. Un ejemplo es la oxalil-CoA descarboxilasa (Oxc) que está presente E. coli donde se cree que confiere capacidades de degradación del oxalato. Como es el caso de cualquiera de las enzimas presentes en un organismo, no en los demás, el gen podría haber sido adquirido por transmisión lateral [26]. Sin embargo, cuando una enzima como la oxalil-CoA descarboxilasa se encuentra en muchas bacterias, es al menos posible que haya surgido por duplicación y divergencia de genes. Otras enzimas específicas del organismo, en este caso B. subtilis, incluyen el IolD para la degradación del mioinositol y las crotonasas PksH y PksI utilizadas para la síntesis de policétidos. Los policétidos son un grupo de productos secundarios propios de los bacilos. Otro único B. subtilis las enzimas AlsS, GsaB y RocD se han mencionado anteriormente. Parece evidente que la formación de diferentes enzimas por eventos de divergencia únicos, se suma a la creación de taxones con diferentes características metabólicas.

P. aeruginosa tiene la mayor cantidad de enzimas únicas o específicas de un organismo en nuestro conjunto de datos. Esto se muestra para las tres familias de enzimas (Tablas 2, 3, 4). Estas Pseudomonas Las enzimas específicas incluyen la síntesis del sideróforo pioverdina (PvdH) y la utilización de mandelato (MdlC), leucina e isovalerato (LiuC) y terpenos acíclicos (AtuE). Otros miembros de la familia predichos incluyen dos aminotransferasas: PA5313, evidentemente una isoenzima para 4-aminobutirato, y OapT, probablemente una enzima beta-alanina: piruvato. Cada una de estas enzimas contribuye al carácter metabólico distintivo de P. aeruginosa como una pseudomona. Además existen 5 aminotransferasas, 5 decraboxilasas y 14 crotonasas cuyas funciones siguen siendo desconocidas en P. aeruginosa. Nuestro análisis filogenético [9] sugiere que se trata de enzimas únicas que representan funciones adicionales aún por descubrir. Combinando genes de función conocida y desconocida para las tres familias, el número de P. aeruginosa genes (33) supera con creces al de B. subtilis (12), E. coli (2) y S. enterica (1). La gran cantidad de Pseudomonas enzimas específicas detectadas está de acuerdo con la versatilidad metabólica bien documentada de este grupo [27, 28].

Estos ejemplos de diferencias entre familias de enzimas en cuatro organismos sugieren que los distintos eventos de divergencia en genes de familias de proteínas a lo largo del tiempo han generado taxones de bacterias que se distinguen en parte por sus diferencias metabólicas. Las bacterias que están estrechamente relacionadas tienen menos diferencias en estas familias. Para las tres familias de enzimas, notamos que los dos organismos más estrechamente relacionados, E. coli y S. enterica, contienen el complemento de enzimas más similar. Se observaron diferencias más grandes tanto en el número de enzimas diferentes como en las funciones de las enzimas al comparar B. subtilis o P. aeruginosa a cualquiera de los otros tres.

En general, nuestro análisis de la familia de proteínas incluye varios ejemplos de cómo la diversidad funcional y metabólica de los organismos actuales se refleja en una historia de copias de genes duplicadas y divergentes en sus secuencias genómicas. En algunos casos, las copias de genes son las mismas en todas las bacterias. Estas son enzimas para funciones universales. Algunas de las copias de genes no experimentaron mucha divergencia y dieron como resultado isoenzimas que catalizaron las mismas reacciones pero con propiedades diferentes. Estas enzimas suelen contribuir a las diferencias fenotípicas, por ejemplo, mediante cambios en la especificidad o regulación del sustrato. Aún no se encontraron otras copias de genes en otras bacterias. Estas eran funciones características del fenotipo del organismo en particular. No sugerimos que la duplicación de genes sea la única fuente de diversidad en estos organismos. Además, la transferencia lateral podría haber introducido una nueva función y también las pérdidas de genes habrían cambiado la composición de las familias de proteínas. Algunos análisis sugieren que la transferencia lateral de genes ha jugado un papel importante en el ensamblaje de familias de genes [29]. Sin embargo, se debe tener en cuenta la falta de congruencia entre los árboles de organismos y los árboles de genes, ya que estos últimos se ven afectados por diferentes presiones selectivas sobre las enzimas individuales (como la composición de la familia de genes, la disponibilidad de cofactores / sustratos) en comparación con las que afectan al organismo en su conjunto. . Lawrence y Hendrickson [30] han discutido de manera reflexiva las dificultades para distinguir la transmisión horizontal de la duplicación de genes existentes. Por lo tanto, no hemos intentado identificar genes transferidos lateralmente en nuestras familias de enzimas. Aunque posiblemente allí no esperamos que predomine. En resumen, es una combinación de todos estos cambios genéticos (duplicaciones, divergencias, pérdidas y adquisiciones) en los ancestros de los organismos contemporáneos lo que ha generado los fenotipos característicos de los organismos actuales.


La pulga amable y anatomía única

Hay 1.830 tipos diferentes de pulgas conocidas en todo el mundo. Suelen aparecer en gatos, perros y otras mascotas. Hoy en día, los conocemos como ectoparásitos y vectores de enfermedades, plagas y otras pestilencias.

Las pulgas son insectos pequeños (de 1,5 a 3,3 mm de largo), sin alas, aplastados lateralmente, que forman el orden Siphonaptera (figs. 3 y 4). Las pulgas tienen patas traseras saltarinas y piezas bucales bien diseñadas con una probóscide prominente adaptada para perforar tejidos (probablemente plantas en la era anterior al otoño) como la piel y chupar sangre (probablemente los jugos de las plantas en la era anterior al otoño). Se alimentan de plantas, detritos y materia orgánica en forma de larvas y etapas antes de convertirse en adultos. Los adultos necesitan principalmente sangre para producir huevos.

Figura 3. Anatomía básica de pulgas. Imagen reproducida de Wikimedia Commons.

Figura 4. Anatomía avanzada de pulgas. Imagen reproducida de Wikimedia Commons.

Las pulgas tienen un órgano único llamado pygidium (pigidia plural), el segmento terminal de la pulga diseñado para detectar corrientes de aire. Los pigidios pueden ayudar a “hacer autostop” en un anfitrión (Roberts, Janovy y Nadler, 2013). Sin embargo, cuando uno mira una pulga bajo el microscopio, la característica más impresionante son sus patas traseras excepcionalmente largas. La mayoría de las pulgas son capaces de saltar verticalmente alrededor de un pie (¡algunas pulgas tan alto como 34 pulgadas!), O alrededor de 150 veces su propia longitud. Esto ciertamente vale una medalla olímpica y sería el equivalente a un humano saltando más de 1,000 pies. Puede saltar horizontalmente alrededor de 13 pulgadas, o 100 veces la longitud de su cuerpo (Marquardt, Demaree y Grieve, 2000). Lyon (2007) informa que algunos pueden realizar "saltos de longitud" horizontalmente hasta 200 veces la longitud de su cuerpo. Las patas traseras de las pulgas están vinculadas a una zona donde se libera la energía cinética para saltar. El "resorte" de la pulga proviene de una asombrosa proteína reticulada "similar al caucho" llamada resilina. Esta sustancia les da a las pulgas la capacidad de saltar fácilmente y hacer autostop con un mamífero o un ave huésped.

La mayoría de los biólogos evolucionistas creen que las pulgas alguna vez tuvieron alas que se perdieron con el tiempo mientras evolucionaron patas traseras más grandes y que son descendientes de Mecoptera (moscas escorpión). Pero creemos que fueron creados especialmente como un "tipo" distinto, diseñados completamente para saltar (no volar) y viajar a través de un animal huésped. Las pulgas fósiles consisten principalmente en especies de aspecto moderno que supuestamente se remontan a 65 millones de años. Se ha encontrado una posible variante grande que no salta tan bajo como el Jurásico.1 Los fósiles documentan que las pulgas siempre han sido pulgas (Rothschild et al., 1973).


Mecanismos de variación genética | Evolución | Especies | Biología

En este artículo discutiremos sobre los mecanismos que disminuyen y aumentan la variación genética.

Mecanismos que Disminuir la variación genética:

Algunos tipos de organismos dentro de una población dejan más descendencia que otros. Con el tiempo, aumentará la frecuencia del tipo más prolífico. La diferencia en la capacidad reproductiva se llama selección natural. La selección natural es el único mecanismo de evolución adaptativa; se define como el éxito reproductivo diferencial de clases preexistentes de variantes genéticas en el acervo genético.

La acción más común de la selección natural es eliminar las variantes no aptas a medida que surgen por mutación. En otras palabras, la selección natural generalmente evita que los nuevos alelos aumenten su frecuencia. Esto llevó a un famoso evolucionista, George Williams, a decir "La evolución procede a pesar de la selección natural".

La selección natural puede mantener o agotar la variación genética dependiendo de cómo actúe. Cuando la selección actúa para eliminar los alelos deletéreos, o hace que un alelo se mueva hacia la fijación, agota la variación genética. Sin embargo, cuando los heterocigotos son aptos que cualquiera de los homocigotos, la selección hace que se mantenga la variación genética.

A esto se le llama selección de equilibrio. Un ejemplo de esto es el mantenimiento de alelos de células falciformes en poblaciones humanas sujetas a malaria. La variación en un solo locus determina si los glóbulos rojos tienen una forma normal o falciforme. Si un ser humano tiene dos alelos para las células falciformes, desarrolla anemia: la forma de las células falciformes les impide transportar niveles normales de oxígeno.

Sin embargo, los heterocigotos que tienen una copia del alelo de células falciformes, junto con un alelo normal, disfrutan de cierta resistencia a la malaria; la forma de las células falciformes dificulta la entrada de los plasmodios (agentes causantes de la malaria) en la célula. Por tanto, los individuos homocigotos para el alelo normal sufren más paludismo que los heterocigotos.

Los individuos homocigotos para la anemia falciforme son anémicos. Los heterocigotos tienen la mayor aptitud de estos tres tipos. Los heterocigotos transmiten tanto los alelos de células falciformes como los alelos normales a la siguiente generación. Por tanto, ninguno de los alelos puede eliminarse del acervo genético. El alelo de las células falciformes se encuentra en su frecuencia más alta en las regiones de África donde la malaria es más generalizada.

La selección equilibrada es poco común en poblaciones naturales. Solo se han encontrado algunos otros casos además del ejemplo de la anemia falciforme. En un momento, los genetistas de poblaciones pensaron que la selección equilibrada podría ser una explicación general de los niveles de variación genética que se encuentran en las poblaciones naturales.

Ese ya no es el caso. La selección equilibrada solo se encuentra raramente en poblaciones naturales. Y hay razones teóricas por las que la selección natural no puede mantener polimorfismos en varios loci mediante la selección equilibrada.

Se seleccionan los individuos. Las polillas de color oscuro tuvieron un mayor éxito reproductivo porque las polillas de color claro sufrieron una mayor tasa de depredación. El declive de los alelos de color claro fue causado por la eliminación de individuos de color claro del acervo genético (seleccionados en contra). Los organismos individuales se reproducen o no se reproducen y, por tanto, son la unidad de selección.

Una forma en que los alelos pueden cambiar en frecuencia es alojándose en organismos con diferentes tasas de reproducción. Los genes no son la unidad de selección (porque su éxito depende también de los otros genes del organismo) ni los grupos de organismos son una unidad de selección. Hay algunas excepciones a esta "regla", pero es una buena generalización.

Los organismos no realizan ningún comportamiento que sea por el bien de su especie. Un organismo individual compite principalmente con otros de su propia especie por su éxito reproductivo. La selección natural favorece el comportamiento egoísta porque cualquier acto verdaderamente altruista aumenta el éxito reproductivo del receptor mientras reduce los donantes.

Los altruistas desaparecerían de una población ya que los no altruistas obtendrían los beneficios, pero no pagarían los costos, de los actos altruistas. Muchos comportamientos parecen altruistas. Los biólogos, sin embargo, pueden demostrar que estos comportamientos son solo aparentemente altruistas. Cooperar o ayudar a otros organismos es a menudo la estrategia más egoísta para un animal. A esto se le llama altruismo recíproco.

Un buen ejemplo de esto es el intercambio de sangre en murciélagos vampiros. En estos murciélagos, aquellos que tienen la suerte de encontrar una comida a menudo comparten parte de ella con un murciélago que no lo logra regurgitando un poco de sangre en la boca del otro.

Los biólogos han descubierto que estos murciélagos forman vínculos con sus compañeros y se ayudan mutuamente cuando el otro está necesitado. Si se descubre que un murciélago es un "tramposo", su compañero lo abandonará. Por lo tanto, los murciélagos no se ayudan entre sí de manera altruista, sino que forman pactos que son mutuamente beneficiosos.

Ayudar a organismos estrechamente relacionados puede parecer altruista, pero también es un comportamiento egoísta. El éxito reproductivo (aptitud) tiene dos componentes: la aptitud directa y la aptitud indirecta. La aptitud directa es una medida de cuántos alelos, en promedio, contribuye un genotipo al acervo genético de la generación posterior al reproducirse.

La aptitud indirecta es una medida de cuántos alelos idénticos al suyo ayuda a ingresar al acervo genético. La aptitud directa más la aptitud indirecta es la aptitud inclusiva. J. B. S. Haldane comentó una vez que con mucho gusto se ahogaría si al hacerlo salvaba a dos hermanos u ocho primos. Cada uno de sus hermanos compartiría la mitad de sus alelos con sus primos, un octavo. Potencialmente, podrían agregar tantos de sus alelos al acervo genético como pudiera.

La selección natural favorece los rasgos o comportamientos que aumentan la aptitud inclusiva de un genotipo. Los organismos estrechamente relacionados comparten muchos de los mismos alelos. En las especies diploides, los hermanos comparten en promedio al menos el 50% de sus alelos. El porcentaje es mayor si los padres son parientes. Entonces, ayudar a los parientes cercanos a reproducirse hace que los propios alelos del organismo estén mejor representados en el acervo genético.

El beneficio de ayudar a los parientes aumenta drásticamente en especies altamente endogámicas. En algunos casos, los organismos renunciarán por completo a reproducirse y solo ayudarán a sus parientes a reproducirse. Las hormigas y otros insectos eusociales tienen castas estériles que solo sirven a la reina y la ayudan en sus esfuerzos reproductivos. Los trabajadores estériles se reproducen por poder.

Las palabras egoísta y altruista tienen connotaciones en el uso diario que los biólogos no pretenden. Egoísta simplemente significa comportarse de tal manera que la propia aptitud inclusiva de uno se maximice altruista significa comportarse de tal manera que la aptitud de otro aumenta a expensas de la propia. El uso de las palabras egoísta y altruista no implica que los organismos comprendan conscientemente sus motivos.

La oportunidad de que opere la selección natural no induce la aparición de la variación genética; la selección solo distingue entre variantes existentes. La variación no es posible a lo largo de todos los ejes imaginables, por lo que todas las posibles soluciones adaptativas no están abiertas a las poblaciones. Para elegir un ejemplo un tanto ridículo, una tortuga con caparazón de acero podría ser una mejora con respecto a las tortugas normales.

Las tortugas mueren bastante por los autos en estos días porque cuando se enfrentan al peligro, se retiran a sus caparazones; esta no es una gran estrategia contra un automóvil de dos toneladas. Sin embargo, no hay variación en el contenido metálico de los caparazones, por lo que no sería posible seleccionar una tortuga con caparazón de acero.

Aquí hay un segundo ejemplo de selección natural. Geospiza fortis vive en las islas Galápagos junto con otras catorce especies de pinzones. Se alimenta de las semillas de la planta Tribulus cistoides, especializándose en las semillas más pequeñas. Otra especie, G. Magnirostris, tiene un pico más grande y se especializa en las semillas más grandes.

La salud de estas poblaciones de aves depende de la producción de semillas. La producción de semillas, a su vez, depende de la llegada de la temporada de lluvias. En 1977, hubo una sequía. Las precipitaciones estuvieron muy por debajo de lo normal y se produjeron menos semillas. A medida que avanzaba la temporada, la población de G. fortis agotó el suministro de semillas pequeñas. Finalmente, solo quedaron semillas más grandes.

La mayoría de los pinzones murieron de hambre, la población se desplomó de unas mil doscientas aves a menos de doscientas. Peter Grant, que había estado estudiando estos pinzones, notó que a las aves de pico más grande les iba mejor que a las de pico más pequeño.Estas aves más grandes tenían crías con picos correspondientemente grandes.

Por lo tanto, hubo un aumento en la proporción de grandes pájaros picudos en la población de la siguiente generación. Para demostrar que el cambio en el tamaño del billete en Geospiza fortis era un cambio evolutivo, Grant tuvo que demostrar que las diferencias en el tamaño del billete se basaban al menos en parte en la genética.

Lo hizo cruzando pinzones de varios tamaños de pico y mostrando que el tamaño del pico de un pinzón estaba influenciado por los genes de sus padres. Las aves con pico grande tenían crías con pico grande. El tamaño del pico no se debió a diferencias ambientales (en el cuidado de los padres, por ejemplo).

La selección natural puede no llevar a una población a tener el conjunto óptimo de rasgos. En cualquier población, habría una cierta combinación de posibles alelos que producirían el conjunto óptimo de rasgos (el óptimo global) pero hay otros conjuntos de alelos que producirían una población casi tan adaptada (óptimos locales).

La transición de un óptimo local al óptimo global puede verse obstaculizada o prohibida porque la población tendría que pasar por estados menos adaptativos para hacer la transición. La selección natural solo funciona para llevar las poblaciones al punto óptimo más cercano. Esta idea es el paisaje adaptativo de Sewall Wright # 8217. Este es uno de los modelos más influyentes que dan forma a la forma en que los biólogos evolucionistas ven la evolución.

La selección natural no tiene ninguna previsión. Solo permite que los organismos se adapten a su entorno actual. Las estructuras o comportamientos no evolucionan para una utilidad futura. Un organismo se adapta a su entorno en cada etapa de su evolución. A medida que cambia el entorno, se pueden seleccionar nuevos rasgos.

Los grandes cambios en las poblaciones son el resultado de la selección natural acumulativa. Los cambios se introducen en la población por mutación, la pequeña minoría de estos cambios que dan como resultado una mayor producción reproductiva de sus portadores se amplifica en frecuencia por selección.

Los rasgos complejos deben evolucionar a través de intermedios viables. Para muchos rasgos, inicialmente parece poco probable que los intermedios sean viables. ¿De qué sirve la mitad de un ala? La mitad de un ala puede no ser buena para volar, pero puede ser útil de otras formas. Se cree que las plumas han evolucionado como aislante (¿alguna vez usaste una chaqueta de plumas?) Y / o como una forma de atrapar insectos.

Más tarde, los protopájaros pueden haber aprendido a deslizarse al saltar de un árbol a otro. Con el tiempo, las plumas que originalmente servían como aislamiento ahora se utilizaron en vuelo. La utilidad actual de un rasgo no siempre es indicativo de su utilidad pasada. Puede evolucionar para un propósito y luego usarse para otro.

Un rasgo evolucionado para su utilidad actual es una adaptación que evolucionó para otra utilidad es una exaptación. Un ejemplo de exaptación es el ala de un pingüino. Los pingüinos evolucionaron a partir de antepasados ​​voladores, ahora no pueden volar y usan sus alas para nadar.

En muchas especies, los machos desarrollan características sexuales secundarias prominentes. Algunos ejemplos que se citan a menudo son el color y los patrones de la cola del pavo real en los pájaros machos en general, las llamadas de voz en las ranas y los destellos en las luciérnagas. Muchos de estos rasgos son una desventaja desde el punto de vista de la supervivencia. Cualquier rasgo ostentoso o comportamiento ruidoso que llame la atención alertará tanto a los depredadores como a los posibles compañeros. Entonces, ¿cómo podría la selección natural favorecer estos rasgos?

La selección natural se puede dividir en muchos componentes, de los cuales la supervivencia es solo uno. El atractivo sexual es un componente muy importante de la selección, tanto que los biólogos utilizan el término selección sexual cuando hablan de este subconjunto de la selección natural.

La selección sexual es la selección natural que opera sobre factores que contribuyen al éxito de apareamiento de un organismo. Los rasgos que son un riesgo para la supervivencia pueden evolucionar cuando el atractivo sexual de un rasgo supera el riesgo incurrido para la supervivencia. Un macho que vive poco tiempo, pero produce muchas crías, tiene mucho más éxito que uno de larga vida que produce pocas.

Los genes del primero eventualmente dominarán el acervo genético de su especie. En muchas especies, especialmente las especies poligínicas donde solo unos pocos machos monopolizan a todas las hembras, la selección sexual ha provocado un pronunciado dimorfismo sexual.

En estas especies, los machos compiten contra otros machos por parejas. La competencia puede ser directa o mediada por la elección femenina. En las especies donde las hembras eligen, los machos compiten mostrando características fenotípicas sorprendentes y / o realizando elaborados comportamientos de cortejo.

Las hembras luego se aparean con los machos que más les interesan, generalmente los que tienen las exhibiciones más extravagantes. Hay muchas teorías en competencia sobre por qué las mujeres se sienten atraídas por estas exhibiciones.

El modelo de buenos genes indica que la pantalla indica algún componente de la aptitud masculina. Un buen defensor de los genes diría que la coloración brillante en los pájaros machos indica una falta de parásitos. Las hembras están dando señales de alguna señal que se correlaciona con algún otro componente de viabilidad.

La selección de buenos genes se puede ver en los espinosos. En estos peces, los machos tienen una coloración roja en los costados. Milinski y Bakker demostraron que la intensidad del color estaba correlacionada tanto con la carga de parásitos como con el atractivo sexual. Las hembras prefieren los machos más rojos. El enrojecimiento indicó que portaba menos parásitos.

La evolución puede atascarse en un circuito de retroalimentación positiva. Otro modelo para explicar las características sexuales secundarias se llama modelo de selección sexual desbocada. R. A. Fisher propuso que las hembras pueden tener una preferencia innata por algún rasgo masculino antes de que aparezca en una población.

Las hembras luego se aparearían con los portadores masculinos cuando aparezca el rasgo. La descendencia de estos apareamientos tiene los genes tanto para el rasgo como para la preferencia por el rasgo. Como resultado, el proceso aumenta hasta que la selección natural lo pone en jaque. Suponga que las hembras prefieren machos con plumas de cola más largas que el promedio.

Los machos mutantes con plumas más largas que el promedio producirán más descendencia que los machos de plumas cortas. En la próxima generación, aumentará la longitud media de la cola. A medida que avanzan las generaciones, la longitud de las plumas aumentará porque las hembras no prefieren una cola de longitud específica, sino una cola más larga que la media.

Con el tiempo, la longitud de la cola aumentará hasta el punto en que la propensión a la supervivencia se corresponda con el atractivo sexual del rasgo y se establecerá un equilibrio. Tenga en cuenta que en muchas aves exóticas el plumaje de los machos suele ser muy vistoso y, de hecho, muchas especies tienen machos con plumas muy alargadas. En algunos casos, estas plumas se caen después de la temporada de reproducción.

Ninguno de los modelos anteriores se excluyen mutuamente. Hay millones de especies sexualmente dimórficas en este planeta y las formas de selección sexual probablemente varían entre ellas.

Mecanismos que aumentan la variación genética:

La maquinaria celular que copia el ADN a veces comete errores. Estos errores alteran la secuencia de un gen. A esto se le llama mutación. Hay muchos tipos de mutaciones. Una mutación puntual es una mutación en la que una "letra" del código genético se cambia a otra. Las longitudes de ADN también se pueden eliminar o insertar en un gen, también son mutaciones. Finalmente, los genes o partes de genes pueden invertirse o duplicarse.

Las tasas típicas de mutación están entre 10-10 y 10-12 mutaciones por par de bases de ADN por generación.

Se cree que la mayoría de las mutaciones son neutrales con respecto a la aptitud. Solo una pequeña parte del genoma de los eucariotas contiene segmentos codificantes. Y aunque algo de ADN no codificante está involucrado en la regulación de genes u otras funciones celulares, es probable que la mayoría de los cambios de base no tengan consecuencias sobre la aptitud.

La mayoría de las mutaciones que tienen algún efecto fenotípico son perjudiciales. Las mutaciones que resultan en sustituciones de aminoácidos pueden cambiar la forma de una proteína, cambiando o eliminando potencialmente su función. Esto puede conducir a deficiencias en las vías bioquímicas o interferir con el proceso de desarrollo.

Los organismos están lo suficientemente integrados como para que la mayoría de los cambios aleatorios no produzcan un beneficio de aptitud. Solo un porcentaje muy pequeño de mutaciones es beneficioso. Se desconoce la proporción de mutaciones neutrales, deletéreas y benéficas, y probablemente varía con respecto a los detalles del locus en cuestión y el entorno.

La mutación limita la tasa de evolución. La tasa de evolución se puede expresar en términos de sustituciones de nucleótidos en un linaje por generación. La sustitución es el reemplazo de un alelo por otro en una población.

Este es un proceso de dos pasos: primero ocurre una mutación en un individuo, creando un nuevo alelo. Este alelo aumenta posteriormente en frecuencia hasta la fijación en la población. La tasa de evolución es k = 2Nvu (en diploides) donde k son sustituciones de nucleótidos, N es el tamaño efectivo de la población, v es la tasa de mutación yu es la proporción de mutantes que finalmente se fijan en la población.

La mutación no tiene por qué ser limitante en períodos de tiempo cortos. La tasa de evolución expresada anteriormente se da como una ecuación de estado estacionario que supone que el sistema está en equilibrio. Dados los marcos de tiempo para que se arregle un solo mutante, no está claro si las poblaciones alguna vez están en equilibrio. Un cambio en el ambiente puede causar que los alelos previamente neutrales tengan valores selectivos en el corto plazo, la evolución puede correr en la variación "almacenada" y por lo tanto es independiente de la tasa de mutación.

Otros mecanismos también pueden contribuir a una variación seleccionable. La recombinación crea nuevas combinaciones de alelos (o nuevos alelos) al unir secuencias con historias microevolutivas separadas dentro de una población. El flujo de genes también puede proporcionar variantes al acervo genético. Por supuesto, la fuente última de estas variantes es la mutación.

La mutación crea nuevos alelos. Cada nuevo alelo ingresa al acervo genético como una sola copia entre muchas. La mayoría se pierden del acervo genético, el organismo que los porta no se reproduce o se reproduce pero no transmite ese alelo en particular. El destino de un mutante se comparte con el trasfondo genético en el que aparece.

Un nuevo alelo se vinculará inicialmente a otros loci en su trasfondo genético, incluso loci en otros cromosomas. Si el alelo aumenta en frecuencia en la población, inicialmente se emparejará con otros alelos en ese locus; el nuevo alelo se transportará principalmente en individuos heterocigotos para ese locus.

La probabilidad de que se empareje consigo mismo es baja hasta que alcance una frecuencia intermedia. Si el alelo es recesivo, su efecto no se verá en ningún individuo hasta que se forme un homocigoto. El destino final del alelo depende de si es neutral, perjudicial o beneficioso.

La mayoría de los alelos neutrales se pierden poco después de su aparición. El tiempo promedio (en generaciones) hasta la pérdida de un alelo neutral es 2 (Ne / N) 1n (2N) donde N es el tamaño efectivo de la población (el número de individuos que contribuyen al acervo genético de la próxima generación) y N es la población total Talla.

Sólo un pequeño porcentaje de alelos se fija. La fijación es el proceso de un alelo que aumenta a una frecuencia en uno o cerca de uno. La probabilidad de que se fije un alelo neutro en una población es igual a su frecuencia. Para un nuevo mutante en una población diploide, esta frecuencia es 1 / 2N.

Si las mutaciones son neutrales con respecto a la aptitud, la tasa de sustitución (k) es igual a la tasa de mutación (v). Esto no significa que cada nuevo mutante finalmente llegue a la fijación. Los alelos se agregan al acervo genético por mutación al mismo ritmo que se pierden por la deriva. Para los alelos neutrales que se arreglan, se necesita un promedio de 4N generaciones para hacerlo.

Sin embargo, en el equilibrio hay múltiples alelos que se segregan en la población. En poblaciones pequeñas, aparecen pocas mutaciones en cada generación. Los que se arreglan lo hacen rápidamente en relación con grandes poblaciones. En poblaciones grandes, aparecen más mutantes a lo largo de las generaciones. Pero los que se arreglan tardan mucho más en hacerlo. Por tanto, la tasa de evolución neutra (en sustituciones por generación) es independiente del tamaño de la población.

La tasa de mutación determina el nivel de heterocigosidad en un locus según la teoría neutra. La heterocigosidad es simplemente la proporción de la población que es heterocigótica. La heterocigosidad de equilibrio se da como H = 4Nv / [4Nv + 1] (para poblaciones diploides). H puede variar desde un número muy pequeño hasta casi uno.

En poblaciones pequeñas, H es pequeño (porque la ecuación es aproximadamente un número muy pequeño dividido por uno). En poblaciones grandes (biológicamente irrealistas), la heterocigosidad se acerca a uno (porque la ecuación es aproximadamente un gran número dividido por sí misma).

Probar directamente este modelo es difícil porque N y v solo se pueden estimar para la mayoría de las poblaciones naturales. Pero se cree que las heterocigosidades son demasiado bajas para ser descritas por un modelo estrictamente neutral. Las soluciones ofrecidas por los neutralistas para esta discrepancia incluyen la hipótesis de que las poblaciones naturales pueden no estar en equilibrio.

En el equilibrio, debería haber unos pocos alelos a frecuencia intermedia y muchos a frecuencias muy bajas. Esta es la distribución de Ewens-Watterson. Cada generación ingresan nuevos alelos a una población, la mayoría permanecen con una frecuencia baja hasta que se pierden. Unos pocos se desvían a frecuencias intermedias, unos pocos se desvían hasta la fijación.

En Drosophila pseudoobscura, la proteína Xantina deshidrogenasa (Xdh) tiene muchas variantes. En una sola población, Keith, et. al., encontraron que 59 de 96 proteínas eran de un tipo, otras dos estaban representadas diez y nueve veces y otros nueve tipos estaban presentes individualmente o en números bajos.

iv. Alelos deletéreos:

Los mutantes deletéreos se seleccionan contra pero permanecen con baja frecuencia en el acervo genético. En diploides, un mutante recesivo deletéreo puede aumentar en frecuencia debido a la deriva. La selección no puede verlo cuando está enmascarado por un alelo dominante. Muchos alelos que causan enfermedades permanecen en baja frecuencia por esta razón.

Las personas portadoras no sufren el efecto negativo del alelo. A menos que se apareen con otro portador, el alelo simplemente puede continuar transmitiéndose. Los alelos deletéreos también permanecen en poblaciones con una frecuencia baja debido al equilibrio entre la mutación recurrente y la selección. A esto se le llama carga de mutación.

La mayoría de los mutantes nuevos se pierden, incluso los beneficiosos. Wright calculó que la probabilidad de fijación de un alelo beneficioso es 2 s. (Esto supone un gran tamaño de población, un pequeño beneficio de aptitud y que los heterocigotos tienen una aptitud intermedia. Un beneficio de 2s produce una tasa general de evolución - k = 4Nvs donde v es la tasa de mutación a alelos beneficiosos).

Un alelo que confirió un aumento del uno por ciento en la aptitud solo tiene un dos por ciento de posibilidades de curarse. La probabilidad de fijación del tipo beneficioso de mutante se ve reforzada por la mutación recurrente. El mutante beneficioso puede perderse varias veces, pero eventualmente surgirá y se quedará en una población. (Recuerde que incluso los mutantes deletéreos se repiten en una población).

La selección direccional agota la variación genética en el locus seleccionado a medida que el alelo más apto se desplaza hacia la fijación. Las secuencias vinculadas al alelo seleccionado también aumentan en frecuencia debido al autostop. Cuanto menor sea la tasa de recombinación, mayor será la ventana de secuencia que hace autostop. Begun y Aquadro compararon el nivel de polimorfismo de nucleótidos dentro y entre especies con la tasa de recombinación en un locus.

Los bajos niveles de polimorfismo de nucleótidos dentro de las especies coincidieron con bajas tasas de recombinación. Esto podría explicarse por mecanismos moleculares si la recombinación en sí fuera mutagénica. En este caso, la recombinación también se correlacionará con la divergencia de nucleótidos entre especies.

Pero, el nivel de divergencia de secuencia no se correlacionó con la tasa de recombinación. Por tanto, infirieron que la selección fue la causa. La correlación entre la recombinación y el polimorfismo de nucleótidos deja la conclusión de que los barridos selectivos ocurren con suficiente frecuencia como para dejar una huella en el nivel de variación genética en las poblaciones naturales.

Un ejemplo de una mutación beneficiosa proviene del mosquito Culex pipiens. En este organismo, se duplicó un gen que estaba involucrado en la descomposición de los organofosforados e ingredientes insecticidas comunes # 8211. La progenie del organismo con esta mutación se extendió rápidamente por la población mundial de mosquitos.

Hay numerosos ejemplos de insectos que desarrollan resistencia a los productos químicos, especialmente al DDT, que alguna vez se usó mucho en este país. Y, lo que es más importante, aunque las mutaciones "buenas" ocurren con mucha menos frecuencia que las "malas", los organismos con mutaciones "buenas" prosperan mientras que los organismos con mutaciones "malas" se extinguen.

Si los mutantes beneficiosos surgen con poca frecuencia, las únicas diferencias de aptitud en una población se deben a los nuevos mutantes deletéreos y los recesivos deletéreos. La selección simplemente eliminará las variantes no aptas. Solo ocasionalmente un alelo beneficioso se propagará a través de una población.

La falta generalizada de grandes diferencias de aptitud que segregan en poblaciones naturales argumenta que los mutantes beneficiosos surgen de hecho con poca frecuencia. Sin embargo, el impacto de un mutante beneficioso sobre el nivel de variación en un locus puede ser grande y duradero. Se necesitan muchas generaciones para que un locus recupere niveles apreciables de heterocigosidad después de un barrido selectivo.


¿Has oído? Una revolución se ha apoderado de la comunidad científica. En solo unos pocos años, los laboratorios de investigación de todo el mundo han adoptado una nueva tecnología que facilita la realización de cambios específicos en el ADN de los seres humanos, otros animales y plantas. En comparación con las técnicas anteriores para modificar el ADN, este nuevo enfoque es mucho más rápido y sencillo. Esta tecnología se conoce como “CRISPR” y ha cambiado no solo la forma en que se realiza la investigación básica, sino también la forma en que ahora podemos pensar sobre el tratamiento de enfermedades [1,2].

Que es CRISPR

CRISPR es un acrónimo de Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat. Este nombre se refiere a la organización única de secuencias de ADN repetidas, cortas y parcialmente palindrómicas que se encuentran en los genomas de bacterias y otros microorganismos. Aunque aparentemente inocuas, las secuencias CRISPR son un componente crucial del sistema inmunológico [3] de estas formas de vida simples. El sistema inmunológico es responsable de proteger la salud y el bienestar de un organismo. Al igual que nosotros, las células bacterianas pueden ser invadidas por virus, que son pequeños agentes infecciosos. Si una infección viral amenaza a una célula bacteriana, el sistema inmunológico CRISPR puede frustrar el ataque destruyendo el genoma del virus invasor [4]. El genoma del virus incluye material genético que es necesario para que el virus continúe replicando. Por lo tanto, al destruir el genoma viral, el sistema inmunológico CRISPR protege a las bacterias de la infección viral en curso.

¿Como funciona?

Los pasos de la inmunidad mediada por CRISPR. Los CRISPR son regiones del genoma bacteriano que ayudan a defenderse de los virus invasores. Estas regiones están compuestas por repeticiones cortas de ADN (diamantes negros) y espaciadores (cajas de colores). Cuando un virus nunca antes visto infecta una bacteria, se incorpora un nuevo espaciador derivado del virus entre los espaciadores existentes. La secuencia CRISPR se transcribe y procesa para generar moléculas de ARN CRISPR cortas. El ARN CRISPR se asocia con la maquinaria molecular bacteriana y la guía hacia una secuencia diana coincidente en el virus invasor.La maquinaria molecular corta y destruye el genoma viral invasor. Figura adaptada de Molecular Cell 54, 24 de abril de 2014 [5].

Intercaladas entre las repeticiones cortas de ADN de los CRISPR bacterianos hay secuencias variables igualmente cortas llamadas espaciadores (FIGURA 1). Estos espaciadores se derivan del ADN de virus que han atacado previamente a la bacteria huésped [3]. Por lo tanto, los espaciadores sirven como una "memoria genética" de infecciones previas. Si ocurriera otra infección por el mismo virus, el sistema de defensa CRISPR cortará cualquier secuencia de ADN viral que coincida con la secuencia espaciadora y así protegerá a la bacteria del ataque viral. Si ataca un virus nunca antes visto, se crea un nuevo espaciador y se agrega a la cadena de espaciadores y repeticiones.

El sistema inmunológico CRISPR trabaja para proteger a las bacterias del ataque viral repetido a través de tres pasos básicos [5]:

Paso 1) Adaptación: el ADN de un virus invasor se procesa en segmentos cortos que se insertan en la secuencia CRISPR como nuevos espaciadores.

Paso 2) Producción de ARN CRISPR: las repeticiones y espaciadores CRISPR en el ADN bacteriano se someten a la transcripción, el proceso de copia del ADN en ARN (ácido ribonucleico). A diferencia de la estructura de hélice de doble cadena del ADN, el ARN resultante es una molécula de cadena simple. Esta cadena de ARN se corta en trozos cortos llamados ARN CRISPR.

Paso 3) Orientación: los ARN de CRISPR guían la maquinaria molecular bacteriana para destruir el material viral. Debido a que las secuencias de ARN de CRISPR se copian de las secuencias de ADN viral adquiridas durante la adaptación, son coincidencias exactas con el genoma viral y, por lo tanto, sirven como guías excelentes.

La especificidad de la inmunidad basada en CRISPR para reconocer y destruir virus invasores no solo es útil para las bacterias. Las aplicaciones creativas de este primitivo pero elegante sistema de defensa han surgido en disciplinas tan diversas como la industria, la investigación básica y la medicina.

¿Cuáles son algunas aplicaciones del sistema CRISPR?

Las funciones inherentes del sistema CRISPR son ventajosas para los procesos industriales que utilizan cultivos bacterianos. Puede emplearse inmunidad basada en CRISPR para hacer que estos cultivos sean más resistentes al ataque viral, que de otro modo impediría la productividad. De hecho, el descubrimiento original de la inmunidad CRISPR provino de investigadores de Danisco, una empresa de la industria de producción de alimentos [2, 3]. Los científicos de Danisco estaban estudiando una bacteria llamada Streptococcus thermophilus, que se utiliza para hacer yogures y quesos. Ciertos virus pueden infectar a esta bacteria y dañar la calidad o cantidad de los alimentos. Se descubrió que las secuencias CRISPR equipadas S. thermophilus con inmunidad contra tal ataque viral. Expandiéndose más allá S. thermophilus a otras bacterias útiles, los fabricantes pueden aplicar los mismos principios para mejorar la sostenibilidad y la vida útil del cultivo.

Más allá de las aplicaciones que abarcan las defensas inmunitarias bacterianas, los científicos han aprendido cómo aprovechar la tecnología CRISPR en el laboratorio [6] para realizar cambios precisos en los genes de organismos tan diversos como moscas de la fruta, peces, ratones, plantas e incluso células humanas. Los genes se definen por sus secuencias específicas, que proporcionan instrucciones sobre cómo construir y mantener las células de un organismo. Un cambio en la secuencia de incluso un gen puede afectar significativamente la biología de la célula y, a su vez, puede afectar la salud de un organismo. Las técnicas CRISPR permiten a los científicos modificar genes específicos sin afectar a todos los demás, aclarando así la asociación entre un gen dado y sus consecuencias para el organismo.

En lugar de depender de las bacterias para generar ARN CRISPR, los científicos primero diseñan y sintetizan moléculas de ARN cortas que coinciden con una secuencia de ADN específica, por ejemplo, en una célula humana. Luego, como en el paso de focalización del sistema bacteriano, este "ARN guía" transporta la maquinaria molecular al objetivo de ADN deseado. Una vez localizada en la región del ADN de interés, la maquinaria molecular puede silenciar un gen o incluso cambiar la secuencia de un gen (Figura 2). Este tipo de edición de genes se puede comparar con la edición de una oración con un procesador de textos para eliminar palabras o corregir errores ortográficos. Una aplicación importante de dicha tecnología es facilitar la elaboración de modelos animales con cambios genéticos precisos para estudiar el progreso y el tratamiento de enfermedades humanas.

Silenciamiento y edición de genes con CRISPR. El ARN guía diseñado para coincidir con la región de ADN de interés dirige la maquinaria molecular para cortar ambas hebras del ADN objetivo. Durante el silenciamiento de genes, la célula intenta reparar el ADN roto, pero a menudo lo hace con errores que interrumpen el gen y lo silencian de manera efectiva. Para la edición de genes, se agrega a la célula una plantilla de reparación con un cambio específico en la secuencia y se incorpora al ADN durante el proceso de reparación. El ADN objetivo ahora está alterado para llevar esta nueva secuencia.

Con los primeros éxitos en el laboratorio, muchos están buscando aplicaciones médicas de la tecnología CRISPR. Una aplicación es para el tratamiento de enfermedades genéticas. La primera evidencia de que CRISPR puede usarse para corregir un gen mutante y revertir los síntomas de la enfermedad en un animal vivo se publicó a principios de este año [7]. Al reemplazar la forma mutante de un gen con su secuencia correcta en ratones adultos, los investigadores demostraron una cura para un trastorno hepático poco común que podría lograrse con un solo tratamiento. Además de tratar enfermedades hereditarias, CRISPR se puede utilizar en el ámbito de las enfermedades infecciosas, posiblemente proporcionando una forma de fabricar antibióticos más específicos que se dirijan solo a las cepas bacterianas que causan enfermedades y, al mismo tiempo, eviten las bacterias beneficiosas [8]. Un artículo reciente de SITN Waves analiza cómo esta técnica también se utilizó para hacer que los glóbulos blancos fueran resistentes a la infección por VIH [9].

El futuro de CRISPR

Por supuesto, cualquier nueva tecnología requiere algo de tiempo para ser entendida y perfeccionada. Será importante verificar que un ARN guía en particular sea específico para su gen objetivo, de modo que el sistema CRISPR no ataque por error a otros genes. También será importante encontrar una manera de administrar las terapias CRISPR en el cuerpo antes de que puedan ser ampliamente utilizadas en medicina. Aunque queda mucho por descubrir, no hay duda de que CRISPR se ha convertido en una valiosa herramienta de investigación. De hecho, hay suficiente entusiasmo en el campo como para justificar el lanzamiento de varias empresas emergentes de biotecnología que esperan utilizar tecnología inspirada en CRISPR para tratar enfermedades humanas [8].

Ekaterina Pak es Ph.D. estudiante del programa de Ciencias Biológicas y Biomédicas de la Facultad de Medicina de Harvard.

Referencias:

2. Pennisi, E. La locura CRISPR. (2013) Ciencia, 341 (6148): 833-836.

3. Barrangou, R., Fremaux, C., Deveau, H., Richards, M., Boyaval, P., Moineau, S., Romero, D.A. y Horvath, P. (2007). CRISPR proporciona resistencia adquirida contra virus en procariotas. Science 315, 1709-1712.

4. Brouns, S.J., Jore, M.M., Lundgren, M., Westra, E.R., Slijkhuis, R.J., Snijders, A.P., Dickman, M.J., Makarova, K.S., Koonin, E.V. y van der Oost, J. (2008). Los ARN CRISPR pequeños guían la defensa antiviral en procariotas. Science 321, 960–964.

5. Barrangou, R. y Marraffini, L. Sistemas CRISPR-Cas: Actualización de procariotas a inmunidad adaptativa (2014). Molecular Cell 54, 234-244.

6. Jinkek, M. et al. Una endonucleasa de ADN guiada por ARN dual programable en inmunidad bacteriana adaptativa. (2012) 337 (6096): 816-21.


¿Cuál es la última investigación sobre el autismo?

Los médicos han definido el trastorno del espectro autista (TEA) como una condición del desarrollo neurobiológico que puede afectar la comunicación, el procesamiento sensorial y las interacciones sociales. Aunque investigaciones recientes han avanzado en la comprensión del autismo, hay mucho más que aprender sobre los factores que influyen en este neurotipo.

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Al 26 de marzo de 2021, los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) informan que entre los niños de 8 años, uno de cada 54 es autista. Este número ha aumentado con respecto a la prevalencia de una de cada 59 informada en estimaciones anteriores.

Con las tasas de autismo en aumento, la comunidad científica se ha vuelto aún más interesada en descubrir los factores relacionados con el autismo.

Algunos científicos especulan que las variantes genéticas causan autismo, mientras que otros creen que los factores ambientales, como la exposición a toxinas, contribuyen a este neurotipo. Otros más teorizan que los desequilibrios en el microbioma intestinal pueden estar en juego.

La última investigación sobre el autismo incluye investigaciones sobre los factores asociados con este neurotipo, así como las variantes genéticas, los desequilibrios del bioma intestinal y los factores neurológicos que pueden contribuir a ello.

En esta función especial, Noticias médicas hoy examina los últimos descubrimientos científicos y lo que los investigadores han aprendido sobre el autismo.

Se está llevando a cabo un estudio de varios años financiado por los CDC para obtener más información sobre los factores potencialmente relacionados con el autismo.

El Estudio para explorar el desarrollo temprano es una colaboración entre seis sitios de estudio en los Estados Unidos. Estos sitios son parte de la red de investigación y epidemiología del autismo y las discapacidades del desarrollo y se centran en niños de 2 a 5 años.

Uno de los objetivos del estudio es descubrir qué condiciones de salud ocurren en niños autistas y neurotípicos y qué factores están asociados con la probabilidad de desarrollar TEA.

Otro objetivo del estudio es diferenciar las características físicas y conductuales de los niños autistas, los niños con otras condiciones de desarrollo y los que no las padecen.

Esta investigación en curso ya ha producido varios estudios publicados. El último encontró una asociación entre el TEA y la exposición de la madre a la contaminación por ozono durante el tercer trimestre del embarazo.

Los investigadores también encontraron que la exposición a otro tipo de contaminación del aire llamada materia particulada durante el primer año de un bebé también aumentó la probabilidad de que el bebé reciba más tarde un diagnóstico de TEA.

Esta investigación aparece en la revista Epidemiología .

Otras vías de investigación sobre el autismo incluyen investigaciones sobre variantes genéticas que podrían desempeñar un papel en el desarrollo del TEA.

Un estudio reciente analizó el ADN de más de 35.584 personas en todo el mundo, incluidas 11.986 personas autistas. Los científicos identificaron variantes en 102 genes relacionados con una mayor probabilidad de desarrollar TEA.

Los investigadores también descubrieron que 53 de los genes identificados estaban asociados principalmente con el autismo y no con otras condiciones del desarrollo.

Ampliando aún más la investigación, el equipo descubrió que las personas autistas que portaban las variantes genéticas específicas de TEA mostraban una mayor función intelectual en comparación con las personas autistas que no tenían las variantes.

Las variantes genéticas que los científicos identificaron residen principalmente en la corteza cerebral, que es responsable de comportamientos complejos.

Estas variantes pueden jugar un papel en cómo se conectan las neuronas del cerebro y también ayudar a activar o desactivar otros genes, un posible factor que puede contribuir al autismo.

La investigación biológica ha descubierto algunos hallazgos interesantes que relacionan ciertos tipos de mal funcionamiento celular con el TEA.

Los científicos del Instituto Lieber para el Desarrollo del Cerebro en Baltimore, MD, descubrieron una disminución en la integridad de la mielina, una vaina protectora que rodea las células nerviosas del cerebro, en ratones con una forma sindrómica de TEA.

El estudio, publicado en Neurociencia de la naturaleza , mostró un mal funcionamiento basado en una variante genética en los oligodendrocitos, que son células que producen mielina.

Este mal funcionamiento puede conducir a una producción insuficiente de mielina en las células nerviosas e interrumpir la comunicación nerviosa en el cerebro, afectando el desarrollo cerebral.

Utilizando modelos de ratón, los investigadores ahora están investigando tratamientos que podrían aumentar la mielinización en el cerebro para ver si esto mejora los comportamientos asociados con el TEA que las personas pueden encontrar desafiantes.

El microbioma gastrointestinal o intestinal es otra área de interés para los investigadores que buscan factores que contribuyan al autismo.

Varios estudios han establecido un vínculo entre los desequilibrios en el bioma intestinal y el TEA. También existe una creciente evidencia de que equilibrar las poblaciones de microbios intestinales puede ayudar a corregir estas disparidades y mejorar algunos de los síntomas y comportamientos no deseados relacionados con el autismo.

Un estudio de 2017, publicado en la revista Microbioma, investigó si la terapia de transferencia de microbiota (MTT) en niños autistas mejoraba la diversidad de la microbiota intestinal y los síntomas asociados con el autismo.

Los investigadores encontraron que, después del tratamiento con MTT, los participantes experimentaron más diversidad bacteriana intestinal.

También se observó en los participantes tratados con MTT una disminución de los síntomas gastrointestinales (GI), así como una mejora del lenguaje, la interacción social y los síntomas conductuales.

En una investigación de seguimiento de 2 años, los investigadores encontraron que los participantes que recibieron el tratamiento MTT todavía experimentaron menos problemas gastrointestinales y una mejora continua de los síntomas relacionados con el autismo.

Los científicos también han descubierto recientemente una posible conexión entre los genes y el microbioma intestinal.

Un estudio publicado a principios de este mes encontró que los ratones que carecen de CNTNAP2, un gen relacionado con el autismo, tienen una población inusual de microbios en sus intestinos. También mostraron algunos comportamientos sociales similares a los observados en algunas personas autistas.

Cuando los ratones fueron tratados con Lactobacillus reuteri, una bacteria común que falta en su microbioma, y ​​una cepa de bacterias intestinales que se encuentran comúnmente en ratones de tipo salvaje, sus comportamientos sociales mejoraron.

El autismo puede ser difícil de detectar, especialmente en niños muy pequeños. La investigación ha demostrado que las intervenciones de diagnóstico y tratamiento tempranos pueden conducir a mejores resultados a largo plazo para las personas autistas.

Debido a esto, la comunidad científica está trabajando para encontrar métodos de diagnóstico innovadores que puedan ayudar a detectar este neurotipo mucho antes.

Las pruebas de audición pueden ser una de esas herramientas de diagnóstico. Investigadores de Escuela de Medicina de Harvard en Boston, MA, y la Universidad de Miami analizaron datos de la respuesta auditiva del tronco encefálico (ABR) pruebas de audición que se realizan de forma rutinaria a los bebés poco después del nacimiento en el estado de Florida.

Luego, el equipo comparó los datos con los registros del Departamento de Educación de Florida de aquellos niños que luego recibieron un diagnóstico de una condición del desarrollo.

Los resultados mostraron que los bebés que luego recibieron un diagnóstico de TEA tuvieron respuestas cerebrales más lentas a los sonidos durante sus pruebas ABR realizadas al nacer.

Este estudio aparece en la revista Investigación sobre el autismo .

Los investigadores esperan realizar más estudios para determinar si la prueba ABR podría ayudar a reconocer el autismo a una edad temprana.

Otros avances en el reconocimiento del autismo incluyen nuevas investigaciones sobre biomarcadores.

Al analizar los datos del Proyecto del Metaboloma del Autismo de los Niños (CAMP), un equipo de investigadores encontró metabotipos asociados con el autismo en 357 niños de entre 18 y 48 meses.

Después de optimizar estos y metabotipos previamente descubiertos en pruebas de detección, el equipo de investigación detectó autismo en el 53% de los participantes en el estudio CAMP.

La autora del estudio, Elizabeth L. R. Donley de Stemina Biomarker Discovery en Madison, WI, dijo MNT:

“Nuestro enfoque para comprender la biología del autismo va a revolucionar la forma en que diagnosticamos y tratamos el autismo. El autismo se diagnostica a través de la evaluación del comportamiento, pero existen razones biológicas subyacentes para las interrupciones en el desarrollo neurológico que resultan en los comportamientos del autismo ".

Donley dijo que las diferencias que su equipo ha identificado en el metabolismo de los niños autistas pueden proporcionar información sobre opciones de tratamiento más específicas cuando sea necesario.

“Los primeros subtipos metabólicos que publicamos de nuestro estudio clínico, el [CAMP], pueden tratarse con un suplemento. La biología de otros subtipos puede ser el objetivo de los medicamentos o nuevas indicaciones para los medicamentos existentes ”, explicó Donley.

Añadió: "[Nuestro] enfoque identifica dónde está ocurriendo la desregulación en la biología del niño para que las terapias que abordan esta biología puedan ser priorizadas en lugar de simplemente intentar cualquier cosa y todo sin precisión".

El equipo de investigación ya ha validado los primeros tres de los cinco paneles previstos que pueden identificar subtipos de metabolismo asociados con el autismo. Esperan validar los paneles restantes este año y comenzar el primer estudio clínico de una terapia emparejada.

Con la prevalencia del autismo en aumento, los científicos perseveran para descubrir qué factores están asociados con este neurotipo.

Su esperanza es que, una vez que identifiquen los factores causales, los investigadores puedan desarrollar pruebas de detección para una detección más temprana y tratamientos más específicos para los síntomas y las condiciones de salud relacionadas con el autismo.

Al mismo tiempo, las organizaciones de defensa sin fines de lucro dirigidas por personas autistas, como Autistic Self Advocacy Network (ASAN), advierten contra el autismo en sí mismo como algo que debe ser "tratado" o "curado".

La ASAN afirma que “la mayoría de los autogestores están de acuerdo en que el autismo no necesita curarse. En lugar de perder tiempo y dinero en algo que no es posible y que las personas autistas no quieren, deberíamos centrarnos en ayudar a las personas autistas a vivir una buena vida ".

“Lo más importante”, agrega la ASAN, “es que cualquier terapia debería ayudar a las personas autistas a obtener lo que queremos y necesitamos, no lo que otras personas creen que necesitamos. Las buenas terapias se enfocan en ayudarnos a descubrir nuestros objetivos y trabajar con nosotros para lograrlos ".


La guerra de CRISPR que arrasa en el interior de las bacterias

(Inside Science) - El sistema CRISPR-Cas es una herramienta de edición genética de alta precisión que los ingenieros genéticos han adoptado de las bacterias. Los ingenieros lo utilizan para crear organismos modificados genéticamente e incluso tratar enfermedades genéticas. Pero los humanos no son los primeros en adaptar este sistema para sus propios fines: dentro de las bacterias, CRISPR ha sido cooptado en la lucha en curso entre los anillos de ADN que flotan libremente dentro de la célula de una bacteria, llamados plásmidos.

El sistema CRISPR-Cas evolucionó en bacterias y otro tipo de organismo unicelular, llamado arqueas, como un sistema inmunológico adaptativo para luchar contra invasores como los virus. Es similar a cómo nos protegen nuestros anticuerpos. Registra la firma genética de invasores anteriores y la usa para reconocer a otros nuevos, luego corta en pedazos el genoma del invasor. El sistema comúnmente utilizado en los laboratorios por los ingenieros genéticos se llama CRISPR-Cas9, pero hay decenas de otras variantes.

Una de esas variantes, conocida como tipo IV, ha sido ignorada en gran medida por los científicos, dice Rafael Pinilla-Redondo, microbiólogo de la Universidad de Copenhague, porque es poco común y le faltan algunos de los componentes clave que la harían interesante y útil. a los ingenieros genéticos. Pero Pinilla-Redondo y algunos otros están fascinados con él, porque no se encuentra en el genoma principal de las bacterias, sino en los plásmidos, que son fragmentos independientes de ADN que actúan un poco como parásitos, que existen dentro de las bacterias y utilizan la célula bacteriana. maquinaria para replicar y difundir.

"Esa fue una señal para que profundizara más", dijo.

Pinilla-Redondo y sus colegas extrajeron bases de datos de todo lo que pudieron encontrar sobre las secuencias genéticas de CRISPR tipo IV. Identificaron varios subtipos nuevos y reconstruyeron la historia evolutiva del sistema. Y encontraron algo intrigante.

"Descubrimos que, a diferencia de casi todos los demás sistemas CRISPR, que se dirigen a virus, el tipo IV se dirige a otros plásmidos", dijo Pinilla-Redondo. "Proponemos que se utilice en la guerra plásmido contra plásmido dentro de la bacteria".

Si bien los plásmidos a veces brindan beneficios a las bacterias hospedadoras (son una de las formas en que las bacterias pueden adquirir resistencia a los antibióticos, por ejemplo), todavía utilizan los recursos de las bacterias. Demasiados plásmidos en una bacteria podrían sobrecargar su maquinaria celular y eventualmente matarla.

"Todo en la naturaleza está compitiendo por recursos y espacio limitados", dijo Pinilla-Redondo. "El mayor competidor de los plásmidos son otros plásmidos, por lo que necesitaban encontrar formas de eliminar la competencia".

Otros investigadores han ido más allá del trabajo de rastreo de bases de datos de Pinilla-Redondo. Ryan Jackson, bioquímico de la Universidad Estatal de Utah, en Logan, fue el primero en demostrar directamente en experimentos con bacterias que el sistema de tipo IV puede defenderse y eliminar otros plásmidos del huésped. Pero todavía hay muchas preguntas sin respuesta, dice.

Por un lado, el sistema de tipo IV es extraño. No tiene nucleasa, la proteína que en realidad corta el ADN. Por lo tanto, no está claro cómo ataca realmente a los plásmidos opuestos. Tiene una helicasa, una proteína que desenrolla el ADN, que parece ser importante. Entonces, Jackson y Pinilla-Redondo especulan que tal vez desenrollar el ADN hace que sea más probable que se rompa de forma natural, o tal vez la proteína helicasa simplemente se interpone en el camino de la maquinaria de replicación del ADN y la detiene. Pero todavía no hay buenas pruebas.

En segundo lugar, los CRISPR de tipo IV carecen de la maquinaria utilizada para recoger y almacenar fragmentos del genoma invasor que actúan como fotografías policiales para identificar futuros invasores. En cambio, parece tomar prestada parte de la maquinaria CRISPR de la bacteria huésped para hacer esto, pero el mecanismo exacto no está claro.

"Realmente no sabemos qué está pasando", dijo Jackson. "Es un gran misterio".

También se ha demostrado que los virus utilizan CRISPR para derribar las defensas celulares, y los megavirus también tienen sus propios sistemas CRISPR para atacar células y otros virus. Parece que CRISPR es un arma popular y eficaz en el mundo microbiano. "Hay mucha presión selectiva en esta carrera armamentista", dijo Jackson. "Los plásmidos, los virus y las bacterias quieren encontrar algo que les dé una ventaja".

El sistema de tipo IV también podría resultar útil para los humanos. Debido a que los plásmidos son una de las principales formas en que las bacterias recogen y comparten genes de resistencia a los antibióticos, es posible que los investigadores encuentren una manera de usarlos para combatir la propagación de la resistencia, atacando los plásmidos que la portan.

"Sabemos que estos sistemas evolucionaron para luchar contra otros plásmidos, por lo que probablemente sean bastante buenos en eso", dijo Pinilla-Redondo. "Si son mejores que otras formas de luchar contra la resistencia, tendremos que averiguarlo".


Secuencia completa del genoma de la bacteria magnetotáctica anaeróbica facultativa Magnetospirillum sp. cepa AMB-1

Magnetospirillum sp. La cepa AMB-1 es una alfa-proteobacteria Gram-negativa que sintetiza magnetitas de tamaño nanométrico, denominadas magnetosomas, alineadas intracelularmente en una cadena. El potencial de este material nanométrico está creciendo y será aplicable a amplias áreas de investigación. Se esperaba que el análisis del genoma aclarara el mecanismo de formación de magnetosomas por bacterias magnéticas. Aquí describimos el genoma de Magnetospirillum sp. AMB-1 de tipo salvaje, que consta de un único cromosoma circular de 4967148 pb. Para la identificación de los genes necesarios para la formación de magnetosomas, se realizaron mutagénesis de transposones y determinación de proteínas de membrana de magnetosomas. El análisis de una biblioteca de mutantes de transposones no magnéticos se centró en tres genes desconocidos de 2752 genes desconocidos y tres genes de 205 genes de transducción de señales. El análisis parcial del proteoma de la membrana del magnetosoma reveló que la membrana contiene numerosas proteínas de oxidación / reducción y un regulador de respuesta a la señal que puede funcionar en la magnetotaxis. Por tanto, se analizaron proteínas de oxidación / reducción y proteínas de señalización multidominio elaboradas. Este análisis completo del genoma permitirá la resolución de los mecanismos de formación del magnetosoma y proporcionará una plantilla para determinar cómo las bacterias magnéticas mantienen una morfología paramagnética y un dominio único magnético, de tamaño nanométrico, específica de la especie.