La reducción del genoma tiene más de una causa

Un estudio de genómica comparada indica que el tamaño del genoma en bacterias y arqueas no se explica únicamente mediante las mismas reglas evolutivas. En la investigación publicada en PNAS, las restricciones selectivas tendían a ser mayores cuanto más grande era el genoma bacteriano, mientras que en los grupos de arqueas analizados se observó la relación contraria. Los investigadores interpretaron estos patrones como compatibles, respectivamente, con la diversificación funcional y la simplificación del genoma.

En la evolución de los genomas procariotas intervienen varias fuerzas. La selección que favorece la simplificación puede mantener genomas pequeños, mientras que la selección favorable a la diversificación funcional puede respaldar la expansión de genes y funciones. La transferencia horizontal de genes ofrece una vía para adquirir genes necesarios para ampliar las funciones. Sin embargo, un genoma pequeño no siempre es resultado de una selección intensa a favor de la simplificación. En los microbios asociados a hospedadores, cuando el tamaño efectivo de la población microbiana es pequeño, la selección puede perder eficacia y la deriva genética y la pérdida de genes pueden combinarse y reducir el genoma.

Los estudios anteriores se basaban sobre todo en comparar pares de genomas o en promediar valores de varios linajes. Con esos enfoques era difícil distinguir adecuadamente las diferencias entre linajes de las restricciones que actúan sobre cada gen.

Diferencias entre linajes en 791 grupos de genomas

Los investigadores iniciaron el análisis con ATGC, una base de datos de grupos de genomas estrechamente emparentados que contiene más de 22.000 genomas. Tras aplicar criterios de calidad, entre ellos los relativos al número de variantes, el análisis final abarcó 791 grupos: 772 de bacterias y 19 de arqueas. Estas cifras corresponden a grupos de genomas estrechamente emparentados, no al número de especies.

Las restricciones selectivas se estimaron a partir de dN/dS, la razón entre la tasa de sustituciones no sinónimas y la tasa de sustituciones sinónimas. Las sustituciones no sinónimas son cambios de nucleótidos que modifican un aminoácido de la proteína; las sinónimas no lo modifican. Los investigadores calcularon esta razón teniendo en cuenta las relaciones filogenéticas y luego la descompusieron en componentes específicos de cada linaje y de cada gen. La medida de restricción selectiva por linaje utilizada en el análisis varía en sentido opuesto a dN/dS; por tanto, un valor mayor indica una restricción más fuerte.

En las bacterias, el coeficiente de correlación de Spearman entre el tamaño del genoma y la restricción selectiva fue de 0,28. Esto concuerda con la interpretación de que, cuanto más grande es el genoma, más intensa es la selección para mantener un abanico amplio de funciones. En cambio, la correlación conjunta para los 19 grupos de arqueas fue de −0,82, un patrón compatible con la simplificación en el que los genomas más pequeños presentaban restricciones selectivas más fuertes. En 10.000 análisis de remuestreo de grupos bacterianos, con 19 grupos seleccionados en cada ocasión, no se obtuvo una correlación negativa tan intensa como la observada en arqueas.

Las bacterias tampoco formaban un grupo uniforme. Algunos grupos taxonómicos no mostraron una relación significativa, mientras que en el orden Bacillales se observó una correlación negativa compatible con la simplificación. Por ello, la tendencia general de las bacterias no puede aplicarse a todos sus linajes.

Las causas de las diferencias entre linajes siguen sin resolverse

Los resultados aportan evidencia de que la relación entre el tamaño del genoma y las restricciones selectivas varía entre linajes. Sin embargo, el estudio no estableció experimentalmente una relación causal con las condiciones ambientales. La diversificación funcional puede contribuir a la correlación positiva observada en bacterias, pero también podría hacerlo un proceso en el que la selección débil y la deriva genética, en poblaciones con un tamaño efectivo pequeño, favorezcan la reducción del genoma.

Los investigadores propusieron como posible explicación las diferencias entre microbios que aprovechan oportunidades ecológicas diversas y aquellos especializados en entornos estables o con recursos limitados. Se trata de una hipótesis de los autores; aún no se ha determinado qué causa el contraste entre bacterias y arqueas. El análisis de remuestreo aporta evidencia de que las diferencias en el tamaño de las muestras por sí solas difícilmente explican el resultado, aunque también debe tenerse en cuenta que el análisis de arqueas se limitó a 19 grupos.

Futuros estudios deberán comprobar si estas relaciones se mantienen en una variedad más amplia de linajes y condiciones ecológicas. Los métodos, resultados y fundamentos de la interpretación pueden consultarse en el texto completo de libre acceso del artículo de PNAS.