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Articulo de referencia

Pan-genoma

Análisis del pangenoma de los genomas de Streptococcus agalactiae realizado con el software Anvi'o [ 1 ] cuyo desarrollo está liderado por A. Murat Eren . Genomas obtenidos de T...

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Análisis del pangenoma de los genomas de Streptococcus agalactiae realizado con el software Anvi'o [ 1 ] cuyo desarrollo está liderado por A. Murat Eren . Genomas obtenidos de Tettelin et al. (2005). [ 2 ] Cada círculo corresponde a un genoma y cada radio representa una familia de genes. En la parte inferior y a la derecha se localizan las familias del genoma central. Algunas familias en el núcleo pueden tener más de un gen homólogo por genoma. En el centro, a la izquierda de la figura, se observa el genoma de la envoltura. En la parte superior izquierda se muestran las familias del genoma prescindible y los singletons.

En los campos de la biología molecular y la genética , un pan-genoma ( pangenoma o supragenoma ) es el conjunto completo de genes de todas las cepas dentro de un clado . De manera más general, es la unión de todos los genomas de un clado. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] El pan-genoma se puede dividir en un "pangenoma central" que contiene genes presentes en todos los individuos, un "pangenoma de envoltura" que contiene genes presentes en dos o más cepas, y un "pangenoma de nube" que contiene genes que se encuentran solo en una única cepa. [ 3 ] [ 4 ] [ 6 ] Algunos autores también se refieren al genoma de nube como "genoma accesorio" que contiene genes "prescindibles" presentes en un subconjunto de las cepas y genes específicos de cepa. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Cabe señalar que el uso del término «prescindible» ha sido cuestionado, al menos en los genomas de las plantas, ya que los genes accesorios desempeñan «un papel importante en la evolución del genoma y en la compleja interacción entre el genoma y el ambiente». [ 5 ] El campo de estudio de los pangenomas se denomina pangenómica. [ 2 ]

El repertorio genético de una especie bacteriana es mucho mayor que el contenido genético de una cepa individual. [ 7 ] Algunas especies tienen pangenomas abiertos (o extensos), mientras que otras tienen pangenomas cerrados. [ 2 ] Para las especies con un pangenoma cerrado, se añaden muy pocos genes por genoma secuenciado (después de secuenciar muchas cepas), y el tamaño del pangenoma completo se puede predecir teóricamente. Las especies con un pangenoma abierto tienen suficientes genes añadidos por genoma secuenciado adicional como para que predecir el tamaño del pangenoma completo sea imposible. [ 4 ] Se ha sugerido que el tamaño de la población y la versatilidad del nicho son los factores más influyentes en la determinación del tamaño del pangenoma. [ 2 ]

Los pangenomas se construyeron originalmente para especies de bacterias y arqueas , pero más recientemente se han desarrollado pangenomas eucariotas , particularmente para especies de plantas . Los estudios en plantas han demostrado que la dinámica del pangenoma está vinculada a elementos transponibles. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] La importancia del pangenoma surge en un contexto evolutivo, especialmente con relevancia para la metagenómica , [ 12 ] pero también se utiliza en un contexto genómico más amplio. [ 13 ] Un libro de acceso abierto que revisa el concepto de pangenoma y sus implicaciones, editado por Tettelin y Medini, se publicó en la primavera de 2020. [ 14 ]

Etimología

El término «pangenoma» fue definido con su significado actual por Tettelin et al. en 2005; [ 2 ] deriva «pan» de la palabra griega παν , que significa «todo» o «todo», mientras que genoma es un término comúnmente utilizado para describir el material genético completo de un organismo. Tettelin et al. aplicaron el término específicamente a las bacterias , cuyo pangenoma «incluye un genoma central que contiene genes presentes en todas las cepas y un genoma prescindible compuesto por genes ausentes en una o más cepas y genes que son únicos para cada cepa». [ 2 ]

Partes del pangenoma

En el pangenoma, podemos identificar tres conjuntos de genes: genoma central, genoma periférico y genoma periférico. El genoma central comprende los genes presentes en todos los genomas analizados. Para evitar descartar familias genéticas debido a artefactos de secuenciación, algunos autores consideran el genoma central blando (con una frecuencia superior al 95%). El genoma periférico consta de los genes compartidos por la mayoría de los genomas (con una frecuencia entre el 10% y el 95%). Las familias genéticas presentes en un solo genoma o con una frecuencia inferior al 10% se denominan genomas prescindibles o genomas periféricos.

Centro

Es la parte del pangenoma que es compartida por cada genoma en el conjunto analizado. Algunos autores han dividido el pangenoma central en núcleo duro, aquellas familias de genes homólogos que tienen al menos una copia de la familia compartida por cada genoma (100% de los genomas) y el núcleo blando o núcleo extendido, [ 15 ] aquellas familias distribuidas por encima de un cierto umbral (90%). En un estudio que involucra los pangenomas de Bacillus cereus y Staphylococcus aureus , algunos de ellos aislados de la estación espacial internacional, los umbrales utilizados para segmentar los pangenomas fueron los siguientes: "Nube", "Envoltura" y "Núcleo" correspondientes a familias de genes con presencia en <10%, 10–95% y >95% de los genomas, respectivamente. [ 16 ]

El tamaño del genoma central y su proporción con respecto al pangenoma dependen de varios factores, pero especialmente de la similitud filogenética de los genomas considerados. Por ejemplo, el núcleo de dos genomas idénticos constituiría también el pangenoma completo. El núcleo de un género siempre será más pequeño que el genoma central de una especie. Los genes que pertenecen al genoma central suelen estar relacionados con funciones básicas y el metabolismo primario del linaje; sin embargo, el genoma central también puede contener genes que diferencian la especie de otras especies del género, es decir, genes relacionados con la patogenicidad y la adaptación al nicho ecológico. [ 17 ] Los genes centrales también son objetivos prometedores para el desarrollo de antibióticos o vacunas de amplio espectro que podrían actuar sobre una especie bacteriana completa. [ 18 ]

Caparazón

Es la parte del pangenoma compartida por la mayoría de los genomas en un pangenoma. [ 19 ] No hay un umbral universalmente aceptado para definir el genoma de la envoltura; algunos autores consideran que una familia de genes es parte del pangenoma de la envoltura si es compartida por más del 50% de los genomas en el pangenoma. [ 20 ] Una familia puede ser parte de la envoltura por varias dinámicas evolutivas, por ejemplo, por pérdida de genes en un linaje donde previamente era parte del genoma central, como es el caso de las enzimas en el operón del triptófano en Actinomyces , [ 21 ] o por ganancia de genes y fijación de una familia de genes que previamente era parte del genoma prescindible, como es el caso del gen trpF en varias especies de Corynebacterium . [ 22 ]

Nube

El genoma de la nube consta de aquellas familias de genes compartidas por un subconjunto mínimo de los genomas del pangenoma, [ 23 ] incluye genes únicos o presentes en solo uno de los genomas. También se le conoce como genoma periférico o genoma accesorio. Las familias de genes de esta categoría suelen estar relacionadas con la adaptación ecológica.

Clasificación

a) Los pangenomas cerrados se caracterizan por tener genomas centrales grandes y genomas accesorios pequeños. b) Los pangenomas abiertos tienden a tener genomas centrales pequeños y genomas accesorios grandes. c) El tamaño de los pangenomas abiertos tiende a aumentar con cada genoma añadido, mientras que el tamaño de los pangenomas cerrados tiende a ser asintótico a pesar de añadir más genomas. Debido a esta característica, se puede predecir el tamaño total del pangenoma en el caso de los pangenomas cerrados.

El pan-genoma puede clasificarse de forma algo arbitraria como abierto o cerrado en función del valor alfa de la ley de Heaps :norte=knorte−α{\displaystyle N=kn^{-\alpha }}[ 24 ] [ 15 ]

  • norte{\displaystyle N}Número de familias de genes.
  • norte{\displaystyle n}Número de genomas.
  • k{\displaystyle k}Constante de proporcionalidad.
  • α{\displaystyle \alpha }Exponente calculado para ajustar la curva del número de familias de genes frente al nuevo genoma.
siα≤1{\displaystyle \alpha \leq 1}Entonces, el pangenoma se considera abierto. siα>1{\displaystyle \alpha >1}Entonces se considera que el pangenoma está cerrado.

Por lo general, el software del pangenoma puede calcular los parámetros de la ley de Heaps que mejor describen el comportamiento de los datos.

pangenoma abierto

Un pangenoma abierto se produce cuando el número de nuevas familias de genes en un linaje taxonómico sigue aumentando sin parecer ser asintótico, independientemente de cuántos genomas nuevos se añadan al pangenoma. Escherichia coli es un ejemplo de una especie con un pangenoma abierto. El tamaño de cualquier genoma de E.  coli está en el rango de 4000 a 5000 genes y el tamaño del pangenoma estimado para esta especie con aproximadamente 2000 genomas está compuesto por 89 000 familias de genes diferentes. [ 25 ] El pangenoma del dominio bacteria también se considera abierto.

Pangenoma cerrado

Un pangenoma cerrado se produce en un linaje cuando se añaden pocas familias de genes al incorporar nuevos genomas al análisis del pangenoma, y ​​la cantidad total de familias de genes en el pangenoma tiende asintóticamente a un número. Se cree que el parasitismo y las especies especialistas en algún nicho ecológico tienden a tener pangenomas cerrados. Staphylococcus lugdunensis es un ejemplo de bacteria comensal con pangenoma cerrado. [ 26 ]

Historia

Pangenoma

El concepto original de pangenoma fue desarrollado por Tettelin et al. [ 2 ] cuando analizaron los genomas de ocho aislados de Streptococcus agalactiae , donde describieron un genoma central compartido por todos los aislados, que representa aproximadamente el 80% de cualquier genoma individual, más un genoma prescindible que consiste en genes parcialmente compartidos y específicos de la cepa. La extrapolación sugirió que el reservorio de genes en el pangenoma de S.  agalactiae es vasto y que se seguirían identificando nuevos genes únicos incluso después de secuenciar cientos de genomas. [ 2 ] El pangenoma comprende la totalidad de los genes descubiertos en los genomas secuenciados de una especie microbiana dada y puede cambiar cuando se secuencian nuevos genomas y se incorporan al análisis.

El supergenoma se define como el conjunto de todos los genes accesibles para una especie determinada; el pangenoma, si se dispone de la secuenciación de todos los genomas de dicha especie. El metapangenoma es el análisis del pangenoma aplicado a muestras metagenómicas, donde se evalúa la unión de genes de varias especies para un hábitat específico.

El pangenoma de un linaje genómico explica la variabilidad del contenido genético dentro del linaje. El pangenoma evoluciona debido a: la duplicación génica , la dinámica de ganancia y pérdida de genes y la interacción del genoma con elementos móviles que son moldeados por la selección y la deriva genética. [ 27 ] Algunos estudios señalan que los pangenomas de procariotas son el resultado de una evolución adaptativa, no neutra, que confiere a las especies la capacidad de migrar a nuevos nichos. [ 28 ]

Supergenoma

El supergenoma puede considerarse como el tamaño real del pangenoma si se secuenciaran todos los genomas de una especie. [ 29 ] Se define como todos los genes accesibles para ser adquiridos por una especie determinada. No se puede calcular directamente, pero su tamaño se puede estimar mediante el tamaño del pangenoma calculado a partir de los datos genómicos disponibles. Estimar el tamaño del genoma en la nube puede ser problemático debido a su dependencia de la aparición de genes y genomas raros. En 2011 se propuso la fluidez genómica como una medida para categorizar la similitud a nivel genético entre grupos de aislados secuenciados. [ 30 ] En algunos linajes, los supergenomas parecían infinitos , [ 31 ] como es el caso del dominio Bacteria. [ 32 ]

Metapangenoma

El término «metapangenoma» se ha definido como el resultado del análisis de pangenomas junto con el entorno, donde la abundancia y prevalencia de grupos de genes y genomas se recuperan mediante metagenomas de secuenciación masiva. [ 33 ] La combinación de metagenomas con pangenomas, también denominada «metapagenómica», revela los resultados a nivel poblacional del filtrado específico del hábitat del acervo genético pangenómico. [ 34 ]

Otros autores consideran que la metapangenómica amplía el concepto de pangenoma al incorporar secuencias genéticas obtenidas de microorganismos no cultivados mediante un enfoque metagenómico . Un metapangenoma comprende tanto secuencias de genomas ensamblados a partir de metagenomas ( MAGs ) como de genomas obtenidos de microorganismos cultivados. [ 35 ] La metapangenómica se ha aplicado para evaluar la diversidad de una comunidad, la adaptación de nichos microbianos, la evolución microbiana, las actividades funcionales y las redes de interacción de la comunidad. [ 36 ] La plataforma Anvi'o desarrolló un flujo de trabajo que integra el análisis y la visualización de metapangenomas mediante la generación de pangenomas y su estudio en conjunto con metagenomas. [ 33 ]

Ejemplos

pangenoma procariota

El pan-genoma de S.  pneumoniae . (a) Número de genes nuevos en función del número de genomas secuenciados. El número predicho de genes nuevos cae drásticamente a cero cuando el número de genomas supera los 50. (b) Número de genes centrales en función del número de genomas secuenciados. El número de genes centrales converge a 1647 para un número de genomas n→∞. De Donati et al. [ 37 ]

En 2018, el 87% de las secuencias genómicas completas disponibles eran de bacterias, lo que impulsó el interés de los investigadores en calcular pangenomas de procariotas en diferentes niveles taxonómicos. [ 23 ] En 2015, el pangenoma de 44 cepas de la bacteria Streptococcus pneumoniae muestra pocos genes nuevos descubiertos con cada nuevo genoma secuenciado (ver figura). De hecho, el número predicho de genes nuevos se redujo a cero cuando el número de genomas supera los 50 (nótese, sin embargo, que este no es un patrón encontrado en todas las especies). Esto significaría que S.  pneumoniae tiene un "pangenoma cerrado". [ 38 ] La principal fuente de genes nuevos en S.  pneumoniae fue Streptococcus mitis, desde el cual se transfirieron genes horizontalmente . El tamaño del pangenoma de S.  pneumoniae aumentó logarítmicamente con el número de cepas y linealmente con el número de sitios polimórficos de los genomas muestreados, lo que sugiere que los genes adquiridos se acumulan proporcionalmente a la edad de los clones. [ 37 ] Otro ejemplo de pangenoma procariota es Prochlorococcus , cuyo conjunto de genoma central es mucho más pequeño que el pangenoma, el cual es utilizado por diferentes ecotipos de Prochlorococcus . [ 39 ] Se ha observado un pangenoma abierto en aislados ambientales como Alcaligenes sp. [ 40 ] y Serratia sp., [ 41 ] mostrando un estilo de vida simpátrico. Sin embargo, el pangenoma abierto no es exclusivo de los microorganismos de vida libre; un estudio de 2015 sobre bacterias Prevotella aisladas de humanos comparó los repertorios genéticos de sus especies derivadas de diferentes sitios corporales humanos. También informó un pangenoma abierto que muestra una vasta diversidad de acervo genético. [ 42 ]

Las arqueas también cuentan con algunos estudios de pangenoma. El pangenoma de las halobacterias muestra las siguientes familias de genes en los subconjuntos del pangenoma: núcleo (300), componentes variables (Softcore: 998, Cloud: 36531, Shell: 11784). [ 43 ]

pangenoma eucariota

Los organismos eucariotas , como los hongos , los animales y las plantas, también han mostrado evidencia de pangenomas. En cuatro especies de hongos cuyo pangenoma ha sido estudiado, entre el 80 y el 90 % de los modelos genéticos se encontraron como genes centrales. Los genes accesorios restantes estaban involucrados principalmente en la patogénesis y la resistencia antimicrobiana. [ 44 ]

En animales, se está estudiando el pangenoma humano. En 2010, un estudio estimó que un pangenoma humano completo contendría entre 19 y 40 megabases de secuencias novedosas no presentes en el genoma humano de referencia actual . [ 45 ] El consorcio del Pangenoma Humano, archivado el 12 de mayo de 2021 en Wayback Machine, tiene como objetivo reconocer la diversidad del genoma humano. En 2023, se publicó un borrador de referencia del pangenoma humano. [ 46 ] Se basa en 47 genomas diploides de personas de diversas etnias. [ 46 ] Se están desarrollando planes para una referencia mejorada que capture aún más biodiversidad a partir de una muestra aún más amplia. [ 46 ]

Entre las plantas, hay ejemplos de estudios de pangenoma en especies modelo, tanto diploides [ 9 ] como poliploides, [ 10 ] y una lista creciente de cultivos. [ 47 ] [ 48 ] Los pangenomas han demostrado ser prometedores como herramienta en el mejoramiento de plantas al tener en cuenta las variantes estructurales y los SNP en genomas no de referencia, lo que ayuda a resolver el problema de la heredabilidad faltante que persiste en los estudios de asociación de todo el genoma . [ 49 ] Un ejemplo aplicado se ha realizado en el género "Lactuca '' para integrar datos genómicos de múltiples especies en un estudio de 2025 que utilizó una referencia basada en grafos que incluía 12 genomas a escala cromosómica para capturar variaciones estructurales (SV) en la lechuga cultivada y sus parientes silvestres, proporcionando información sobre los mecanismos evolutivos de expansión del genoma y domesticación [ 50 ] .

Un concepto emergente basado en plantas es el de pan-NLRome, que es el repertorio de proteínas con repeticiones ricas en leucina (NLR) que se unen a nucleótidos , receptores inmunes intracelulares que reconocen proteínas patógenas y confieren resistencia a las enfermedades. [ 51 ]

pangenoma viral

Los virus no necesariamente poseen genes ampliamente compartidos por clados, como ocurre con el gen 16S en las bacterias , y por lo tanto, el genoma central del dominio Virus completo está vacío. Sin embargo, varios estudios han calculado el pangenoma de algunos linajes virales. El genoma central de seis especies de pandoravirus comprende 352 familias de genes, solo el 4,7 % del pangenoma, lo que resulta en un pangenoma abierto. [ 52 ]

Estructuras de datos

El número de genomas secuenciados crece continuamente; "simplemente ampliar las plataformas bioinformáticas establecidas no será suficiente para aprovechar todo el potencial de conjuntos de datos genómicos tan ricos". [ 53 ] Las construcciones de grafos de pangenomas son una técnica emergente de estructura de datos diseñada para representar pangenomas y mapear eficientemente las lecturas a ellos. Han sido revisadas por Eizenga et al. [ 54 ]

Herramientas de software

Análisis del pangenoma de los genomas de Streptococcus agalactiae . [ 2 ] Ejemplo de filogenias realizadas con el software BPGA. Este software nos permite generar filogenias basadas en la agrupación del genoma central o pangenoma. Las reconstrucciones filogenéticas del genoma central y del pangenoma no necesariamente coinciden.

A medida que aumentó el interés en los pangenomas, se han desarrollado varias herramientas de software para ayudar a analizar este tipo de datos. Para comenzar un análisis pangenómico, el primer paso es la homogeneización de la anotación del genoma. [ 24 ] Se debe usar el mismo software para anotar todos los genomas utilizados, como GeneMark [ 55 ] o RAST. [ 56 ] En 2015, un grupo revisó los diferentes tipos de análisis y herramientas que un investigador puede tener disponibles. [ 57 ] Hay siete tipos de software desarrollados para analizar pangenomas: aquellos dedicados a agrupar genes homólogos; identificar SNP ; graficar perfiles pangenómicos; construir relaciones filogenéticas de genes ortólogos/familias de cepas/aislados; búsqueda basada en funciones; anotación y/o curación; y visualización. [ 57 ]

Las dos herramientas de software más citadas para el análisis pangenómico a finales de 2014 [ 57 ] fueron Panseq [ 58 ] y el pipeline de análisis de pangenomas (PGAP). [ 59 ] Otras opciones incluyen BPGA – Un pipeline de análisis de pangenomas para genomas procariotas, [ 60 ] GET_HOMOLOGUES, [ 61 ] Roary. [ 62 ] y PanDelos. [ 63 ] En 2015 se publicó una revisión centrada en pangenomas procariotas [ 64 ] y otra para pangenomas de plantas. [ 65 ] Entre los primeros paquetes de software diseñados para pangenomas de plantas se encontraban PanTools. [ 66 ] y GET_HOMOLOGUES-EST. [ 11 ] [ 61 ] En 2018 se lanzó panX, una herramienta web interactiva que permite inspeccionar la historia evolutiva de las familias de genes. [ 67 ] panX puede mostrar una alineación de genomas, un árbol filogenético, mapeo de mutaciones e inferencia sobre la ganancia y pérdida de la familia en la filogenia del genoma central. En 2019, OrthoVenn 2.0 [ 68 ] permitió la visualización comparativa de familias de genes homólogos en diagramas de Venn de hasta 12 genomas. En 2023, se desarrolló BRIDGEcereal para examinar y graficar haplotipos basados ​​en indels del pan-genoma a través de un ID de modelo genético. [ 69 ]

Gráfico del pangenoma de 3117 genomas de Acinetobacter baumannii. Las aristas representan la colocalización genómica y los nodos, los genes. El grosor de las aristas es proporcional al número de genomas que comparten ese enlace. Las aristas entre los nodos persistentes (similares a los genes centrales), de la capa externa y de la nube están coloreadas en naranja, verde y azul, respectivamente.
Gráfico del pangenoma de 3117 genomas de Acinetobacter baumannii generado con el software PPanGGOLiN. Las aristas representan la colocalización genómica y los nodos, los genes. El grosor de las aristas es proporcional al número de genomas que comparten dicho enlace. Las aristas entre los nodos persistentes (similares a los genes centrales), de la capa externa y de la nube están coloreadas en naranja, verde y azul, respectivamente.

En 2020, Anvi'o [ 1 ] estuvo disponible como una plataforma multiómica que contiene análisis pangenómicos y metapangenómicos, así como flujos de trabajo de visualización. En Anvi'o, los genomas se muestran en círculos concéntricos y cada radio representa una familia de genes, lo que permite comparar más de 100 genomas en su visualización interactiva. En 2020, se publicó una comparación computacional de herramientas para extraer contenido pangenómico basado en genes (como GET_HOMOLOGUES, PanDelos, Roary y otras). [ 70 ] Las herramientas se compararon desde una perspectiva metodológica, analizando las causas que llevan a una metodología determinada a superar a otras herramientas. El análisis se realizó teniendo en cuenta diferentes poblaciones bacterianas, que se generan sintéticamente cambiando parámetros evolutivos. Los resultados muestran una diferenciación en el rendimiento de cada herramienta que depende de la composición de los genomas de entrada. Nuevamente en 2020, varias herramientas introdujeron una representación gráfica de los pangenomas que muestra la contigüidad de los genes (PPanGGOLiN, [ 47 ] Panaroo [ 67 ] ). Otras herramientas de software para pangenómica incluyen Prodigal, Prokka, PanVis, PanTools, Pangenome Graph Builder (PGGB), PanX, Pagoo y pgr-tk. [ 71 ]

Ejemplo de posibles resultados del software BPGA. Análisis del pangenoma de los genomas de Streptococcus agalactiae . A la izquierda, se muestra la distribución de los términos Go por genoma central/dispensable/único. En este ejemplo, las categorías replicación, recombinación y reparación están enriquecidas en familias de genes únicos. A la derecha, se muestra un gráfico típico de pan/núcleo: a medida que se añaden más genomas, el tamaño del núcleo disminuye y, por el contrario, el tamaño del pangenoma aumenta. [ 2 ]

Véase también

Referencias

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