genoma mínimo

El genoma más pequeño conocido de una bacteria de vida libre es de 1,3 Mb con ~1100 genes. ^{[ 10 ]} Sin embargo, es común observar genomas significativamente más pequeños en organismos simbióticos y parásitos que se encuentran en la naturaleza. La reducción del genoma impulsada por mutación y deriva genética en poblaciones pequeñas y asexuales con sesgos para la deleción de genes puede verse en simbiontes y parásitos, que comúnmente experimentan una evolución rápida, reasignaciones de codones, sesgos para composiciones de nucleótidos AT y niveles elevados de plegamiento incorrecto de proteínas , lo que resulta en una fuerte dependencia de chaperonas moleculares para asegurar la funcionalidad de las proteínas. ^{[ 1 ]} Estos efectos coinciden con la proliferación de elementos genéticos móviles, pseudogenes, reordenamientos del genoma y deleción cromosómica. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

Esto se debe a que el simbionte o parásito puede subcontratar funciones celulares al otro organismo y, posteriormente, perder los genes destinados a realizar dichas funciones. Los simbiontes beneficiosos tienen una mayor capacidad de reducción del genoma que los parásitos, ya que la coadaptación al huésped les permite perder genes adicionales. ^{[ 14 ]} Otra distinción importante entre la reducción del genoma en parásitos y en endosimbiontes es que los parásitos pierden tanto el gen como su función asociada, mientras que los endosimbiontes suelen conservar la función del gen perdido, puesto que el huésped la asume. ^{[ 15 ]}

Los ejemplos más extremos de reducción del genoma se han encontrado en endosimbiontes transmitidos por vía materna que han experimentado una larga coevolución con sus huéspedes y, en el proceso, han perdido una cantidad sustancial de su autonomía celular. Para los endosimbiontes de algunos linajes, es posible que se pierda el genoma completo. Por ejemplo, algunos mitosomas e hidrogenosomas (versiones degeneradas de las mitocondrias conocidas en algunos organismos) han experimentado una pérdida total de genes y no tienen genes restantes, mientras que la mitocondria humana todavía conserva parte de su genoma. El genoma existente en el orgánulo mitocondrial humano tiene una longitud de 16,6 kb y contiene 37 genes. ^{[ 16 ]} El genoma mitocondrial puede codificar entre 3 y 67 proteínas, lo que sugiere que el último ancestro común eucariota codificaba un mínimo de 70 genes en su genoma. ^{[ 17 ]} El genoma mitocondrial más pequeño conocido es el de Plasmodium falciparum , con un tamaño de genoma de 6 kb que contiene tres genes codificadores de proteínas y algunos genes de ARNr. (Por otro lado, el genoma mitocondrial más grande conocido es de 490 kb. ^{[ 18 ]} ) También se pueden encontrar genomas casi tan pequeños en apicomplejos relacionados. ^{[ 19 ]} Por el contrario, los genomas mitocondriales de las plantas terrestres se han expandido a más de 200 kb, y el más grande (de más de 11 Mb) supera el tamaño del genoma de las bacterias e incluso de los eucariotas más simples. ^{[ 20 ]} Los orgánulos conocidos como plastidios en las plantas (incluidos cloroplastos , cromoplastos y leucoplastos ), que alguna vez fueron cianobacterias de vida libre , generalmente conservan genomas más largos del orden de 100-200 kb con 80-250 genes. ^{[ 21 ]} En un análisis de 15 genomas de cloroplastos, los cloroplastos analizados tenían entre 60 y 200 genes. En estos cloroplastos, se identificaron un total de 274 genes codificadores de proteínas distintos, y solo 44 de ellos se encontraron universalmente en todos los genomas de cloroplastos secuenciados. ^{[ 22 ]} Ejemplos de organismos que han experimentado reducción del genoma incluyen especies de Buchnera , Chlamydia , Treponema , Mycoplasma y muchos otros. Las comparaciones de múltiples genomas secuenciados de endosimbiontes en múltiples aislados de la misma especie y linaje han confirmado que incluso los simbiontes de larga data todavía experimentan pérdida de genes y transferencia al núcleo. ^{[ 15 ] [8 ]} Los integrantes nucleares del ADN mitocondrial o plastidial a veces se han denominado "numts" y "nupts" respectivamente. ^{[ 15 ]}

Se han descubierto varios simbiontes con genomas de menos de 500 kb de longitud, la mayoría de ellos simbiontes bacterianos de insectos, típicamente de los taxones Pseudomonadota y Bacteroidota . ^{[ 8 ]} La arquea parásita Nanoarchaeum equitans tiene un genoma de 491 kb de longitud. ^{[ 23 ]} En 2002, se descubrió que algunas especies del género Buchnera tienen un genoma reducido de solo 450 kb de tamaño. ^{[ 24 ]} En 2021, se descubrió que el endosimbionte Candidatus Azoamicus ciliaticola tiene un genoma de 290 kb de longitud. ^{[ 25 ]} Se descubrió que el simbionte Zinderia insecticola tenía un genoma de 208 kb en 2010. ^{[ 26 ]} En 2006, se descubrió otro endosimbionte Carsonella ruddii con un genoma reducido de 160 kb de longitud que abarcaba 182 genes codificadores de proteínas. ^{[ 27 ]} Sorprendentemente, se descubrió que la pérdida de genes en los simbiontes Carsonella es un proceso continuo. ^{[ 28 ]} Se han observado etapas intermedias en la pérdida de genes en otros genomas reducidos, incluida la transición de algunos genes a pseudogenes porque el huésped lleva a cabo la función del gen. ^{[ 8 ]} Se descubrió que el genoma de Candidatus Hodgkinia cicadicola , un simbionte de las cigarras, era de 144 kb. ^{[ 29 ]} En 2011, se descubrió que Tremblaya princeps contenía un endosimbionte intracelular con un genoma de 139 kb, reducido hasta el punto de que incluso se habían perdido algunos genes de traducción. ^{[ 30 ]} Un estudio de 2013 encontró que dos simbiontes de cicadélidos contenían genomas altamente reducidos: Sulcia muelleri , con un genoma de 190 kb, y Nasuia deltocephalinicola con un genoma de solo 112 kb y 137 genes codificadores de proteínas. Los genomas de estos dos simbiontes combinados solo pueden sintetizar diez aminoácidos, además de parte de la maquinaria involucrada en la replicación, transcripción y traducción del ADN. Sin embargo, se han perdido los genes para la síntesis de ATP a través de la fosforilación oxidativa . ^{[ 31 ]}

Los virus y las partículas similares a virus tienen los genomas más pequeños de la naturaleza. Por ejemplo, el bacteriófago MS2 consta de solo 3569 nucleótidos (ARN monocatenario) y codifica solo cuatro proteínas, que se superponen para hacer un uso eficiente del espacio del genoma. ^{[ 32 ]} De manera similar, entre los virus eucariotas, los circovirus porcinos se encuentran entre los más pequeños. ^{[ 33 ]} Codifican solo 2-3 marcos de lectura abiertos . Los viroides son moléculas de ARN circular que no tienen ningún gen codificante de proteínas, aunque la propia molécula de ARN actúa como una ribozima para facilitar su replicación. El genoma de un viroide tiene entre 200 y 400 nucleótidos de longitud. ^{[ 34 ]}

El estudio de los genomas mínimos surgió como resultado de una colaboración entre la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) y dos científicos: Harold Morowitz y Mark Tourtellotte. En la década de 1960, la NASA buscaba formas de vida extraterrestre, partiendo de la premisa de que, de existir, serían criaturas simples. Para captar la atención del público, Morowitz publicó información sobre los micoplasmas y cómo estos son las criaturas autorreplicantes más pequeñas y simples. La NASA y los dos científicos decidieron intentar ensamblar una célula viva a partir de los componentes de los micoplasmas. Los micoplasmas fueron seleccionados como el mejor candidato para el reensamblaje celular, ya que están compuestos por un conjunto mínimo de orgánulos, como una membrana plasmática, ribosomas y ADN circular de doble cadena. La idea principal de Morowitz era definir toda la maquinaria celular de los micoplasmas a nivel molecular. Anunció que un esfuerzo internacional le ayudaría a lograr este objetivo principal.

El plan consistía en:

1. Mapeo físico y funcional, con secuenciación completa del micoplasma.
2. Determinación de los marcos de lectura abiertos (ORF)
3. Determinación de los aminoácidos codificados
4. Comprender las funciones de los genes
5. Reensamblaje de la maquinaria celular del micoplasma

En la década de 1980, el laboratorio de Richard Herrmann había secuenciado y caracterizado genéticamente el genoma de 800 kb de M. pneumoniae . A pesar del pequeño tamaño del genoma, el proceso duró tres años. En 1995, otro laboratorio de Maryland, el Instituto de Investigación Genómica (TIGR), colaboró ​​con los equipos de Johns Hopkins y la Universidad de Carolina del Norte. Este grupo optó por secuenciar el genoma de Mycoplasma genitalium , que consta de tan solo 580 kb. Esto se completó en seis meses.

La identificación de un conjunto mínimo de genes esenciales se realizó mediante la inactivación o eliminación selectiva de genes, seguida de la evaluación del efecto de cada una bajo un conjunto determinado de condiciones. El Instituto J. Craig Venter llevó a cabo este tipo de experimentos con M. genitalium y encontró 382 genes esenciales.

El instituto J. Craig Venter inició posteriormente un proyecto para crear un organismo sintético llamado Mycoplasma laboratorium, utilizando el conjunto mínimo de genes identificados de M. genitalium . ^{[ 9 ]}

En 1999, los dos organismos considerados con un genoma casi mínimo eran: Haemophilus influenzae y M. genitalium . Se compiló una lista de sus proteínas ortólogas con la esperanza de que contuviera las proteínas necesarias para la supervivencia celular, ya que el análisis de ortología determina cómo evolucionaron dos organismos, mostrando los genes no esenciales acumulados en sus genomas. Dado que H. influenzae es Gram negativa y M. genitalium es Gram positiva , y debido a su larga evolución, se esperaba que estos organismos compartieran principalmente genes de importancia universal. Sin embargo, los 244 ortólogos detectados no contenían proteínas específicas del parasitismo. La conclusión de este análisis fue que funciones bioquímicas similares podrían ser realizadas por proteínas no ortólogas. Incluso cuando se mapearon las vías bioquímicas de estos dos organismos, varias vías estaban presentes, pero muchas estaban incompletas. Las proteínas que se determinó que eran comunes entre los dos organismos no eran ortólogas. ^{[ 3 ]}

Gran parte de la investigación se centra en el genoma ancestral y menos en el genoma mínimo. Los estudios de estos genomas existentes han ayudado a determinar que los genes ortólogos encontrados en estas dos especies no son necesariamente esenciales para la supervivencia; de hecho, se descubrió que los genes no ortólogos eran más importantes. Además, se determinó que las proteínas no necesitan tener la misma secuencia ni el mismo plegamiento tridimensional para compartir las mismas funciones. ^{[ 3 ]}

En el estudio de JCVI de 1999 sobre los organismos M. genitalium y Mycoplasma pneumoniae, se mapearon aproximadamente 2200 sitios de inserción de transposones y se identificaron 130 genes supuestamente no esenciales. En su experimento, se cultivaron células transformadas con Tn4001 y se aisló el ADN genómico. Los amplicones se secuenciaron para detectar los sitios de inserción de transposones en los genomas de micoplasma. Los genes que contenían las inserciones de transposones correspondían a proteínas hipotéticas o proteínas consideradas no esenciales.

Durante este proceso, algunos de los genes disruptivos que antes se consideraban no esenciales, resultaron ser esenciales tras análisis más exhaustivos. Este error podría deberse a que los genes toleraban las inserciones de transposones, a que las células contenían dos copias del mismo gen o a que los productos génicos eran suministrados por más de una célula. La inserción de un transposón en un gen implicaba su alteración, pero al no confirmar la ausencia de productos génicos, se confundieron todos los genes alterados con genes no esenciales. Algunos de los genes alterados que se creían esenciales eran las isoleucil y tirosil-ARNt sintetasas (MG345 y MG455), el gen de replicación del ADN dnaA (MG469) y la subunidad a de la ADN polimerasa III (MG261).

El estudio de 1999 se amplió posteriormente y los resultados actualizados se publicaron en 2005. Se mejoró el estudio aislando y caracterizando individualmente las inserciones de M. genitalium Tn4001 en cada colonia, lo que proporcionó más resultados y estimaciones de genes esenciales. La mejora clave del estudio fue el aislamiento y la caracterización de mutantes de transposón individuales. Anteriormente, se aislaban muchas colonias que contenían una mezcla de mutantes. El método de clonación por filtración ayudó a separar las mezclas de mutantes.

En el estudio de 2005, se mencionan conjuntos de genes no esenciales completamente diferentes. Los 130 genes no esenciales que se afirmaron inicialmente se redujeron a 67. De los 63 genes restantes, 26 solo se vieron afectados en M. pneumoniae, lo que significa que algunos ortólogos de M. genitalium de genes no esenciales de M. pneumoniae eran en realidad esenciales.

Ya han identificado casi todos los genes no esenciales en M. genitalium , el número de alteraciones genéticas basado en colonias analizadas se estabilizó y afirman que hay un total de 100 genes no esenciales de los 482 genes codificadores de proteínas en M. genitalium .

El resultado final de los proyectos del JCVI se redujo a la construcción de un organismo sintético, Mycoplasma laboratorium , basado en la región codificante de proteínas de 387 y los 43 genes de ARN estructural encontrados en M. genitalium . ^{[ 35 ]}

En 2010, investigadores del JCVI lograron crear una célula bacteriana sintética capaz de autorreplicarse. El equipo sintetizó un cromosoma de 1,08 millones de pares de bases de una cepa modificada de Mycoplasma mycoides , denominada Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0. El ADN se diseñó mediante un ordenador, se sintetizó y se trasplantó a una célula a la que se le había extraído el genoma original. Las moléculas originales y las redes de reacciones en curso de la célula receptora utilizaron el ADN artificial para generar células hijas. Estas células hijas son de origen sintético y capaces de replicarse. ^{[ 36 ]}

La primera mitad del proyecto tardó 15 años en completarse. El equipo diseñó un genoma digitalizado y preciso de M. mycoides . Se construyeron un total de 1078 casetes, cada uno de 1080 pares de bases de longitud. Estos casetes se diseñaron de manera que el extremo de cada casete de ADN se superpusiera en 80 pares de bases. El genoma completo ensamblado se trasplantó a células de levadura y se cultivó como un cromosoma artificial de levadura. ^{[ 36 ]}

Después de un mayor refinamiento y reducción de genes, se construyó JCVI-syn3.0. ^{[ 37 ]}

La siguiente tabla contiene una lista de proyectos de genoma mínimo, que determinan el número de genes esenciales para diversos organismos (incluidas las diversas técnicas utilizadas). ^{[ 42 ]}