Los agentes de transferencia genética ( GTA ) son partículas similares a virus que contienen ADN que son producidas por algunas bacterias y arqueas y median la transferencia horizontal de genes . Diferentes tipos de GTA se han originado independientemente de los virus en varios linajes bacterianos y arqueológicos. Estas células producen partículas de GTA que contienen segmentos cortos del ADN presente en la célula. Después de que las partículas se liberan de la célula productora, pueden unirse a células relacionadas e inyectar su ADN en el citoplasma. El ADN puede luego convertirse en parte del genoma de las células receptoras. [1] [2] [3] [4]
Los GTA se clasifican como viriformes en la taxonomía ICTV . Entre los GTA mencionados en el artículo, RcGTA y DsGTA se encuentran ahora en la familia Rhodogtaviriformidae , BaGTA en Bartogtaviriformidae y VSH-1 en Brachygtaviriformidae . [5] Dd1 y VTA aún no tienen una clasificación.
El primer sistema GTA se descubrió en 1974, cuando cultivos mixtos de cepas de Rhodobacter capsulatus produjeron una alta frecuencia de células con nuevas combinaciones de genes. [6] El factor responsable se diferenciaba de los mecanismos de transferencia de genes conocidos por ser independiente del contacto celular, insensible a la desoxirribonucleasa y no estar asociado con la producción de fagos. Debido a su presunta función, se lo denominó agente de transferencia de genes (GTA, ahora RcGTA). Más recientemente, se han descubierto otros sistemas de agentes de transferencia de genes mediante la incubación de un medio de cultivo filtrado (sin células) con una cepa genéticamente distinta. [3]
Los genes que especifican los GTA se derivan del ADN de bacteriófagos (fagos) que se han integrado en un cromosoma huésped. Estos profagos a menudo adquieren mutaciones que los hacen defectuosos e incapaces de producir partículas de fagos. Muchos genomas bacterianos contienen uno o más profagos defectuosos que han sufrido mutaciones y deleciones más o menos extensas. Los agentes de transferencia de genes, como los profagos defectuosos, surgen por mutación de profagos, pero conservan genes funcionales para los componentes de la cabeza y la cola de la partícula del fago (genes estructurales) y los genes para el empaquetamiento del ADN. Los genes del fago que especifican su regulación y replicación del ADN generalmente se han eliminado, y la expresión del grupo de genes estructurales está bajo el control de los sistemas reguladores celulares. Los genes adicionales que contribuyen a la producción o captación de GTA suelen estar presentes en otras ubicaciones cromosómicas. Algunos de estos tienen funciones reguladoras, y otros contribuyen directamente a la producción de GTA ( por ejemplo, los genes de lisis derivados de fagos) o la captación y recombinación ( por ejemplo, la producción de la cápsula de la superficie celular y las proteínas de transporte de ADN). Estos genes asociados a GTA a menudo están bajo regulación coordinada con el grupo principal de genes GTA. [7] Las proteínas de lisis celular derivadas de fagos (holina y endolisina) debilitan entonces la pared celular y la membrana, lo que permite que la célula estalle y libere las partículas de GTA. No se conoce el número de partículas de GTA producidas por cada célula.
Algunos sistemas GTA parecen ser adiciones recientes a sus genomas hospedantes, pero otros se han mantenido durante muchos millones de años. Cuando se han realizado estudios de divergencia de secuencias (análisis dN/dS), indican que los genes se mantienen por selección natural para la función de las proteínas (es decir, se eliminan las versiones defectuosas). [8] [9]
Sin embargo, la naturaleza de esta selección no está clara. Aunque los descubridores de GTA asumieron que la transferencia de genes era la función de las partículas, los supuestos beneficios de la transferencia de genes tienen un costo sustancial para la población. La mayor parte de este costo surge porque las células productoras de GTA deben lisarse (abrirse de golpe) para liberar sus partículas de GTA, pero también hay costos genéticos asociados con la creación de nuevas combinaciones de genes porque la mayoría de las nuevas combinaciones generalmente serán menos aptas que la combinación original. [10] Una explicación alternativa es que los genes GTA persisten porque los GTA son parásitos genéticos que se propagan infecciosamente a nuevas células. Sin embargo, esto se descarta porque las partículas GTA suelen ser demasiado pequeñas para contener los genes que las codifican. Por ejemplo, el grupo principal de RcGTA (ver más abajo) tiene 14 kb de longitud, pero las partículas RcGTA pueden contener solo 4-5 kb de ADN.
La mayoría de las bacterias no han sido analizadas para detectar la presencia de GTA, y muchos más sistemas de GTA pueden estar pendientes de ser descubiertos. Aunque los estudios basados en el ADN para genes relacionados con GTA han encontrado homólogos en muchos genomas, la interpretación se ve obstaculizada por la dificultad de distinguir los genes que codifican GTA de los genes profágicos comunes. [8] [9]
En cultivos de laboratorio, la producción de GTA se maximiza típicamente mediante condiciones de crecimiento particulares que inducen la transcripción de los genes de GTA; la mayoría de los GTA no son inducidos por los tratamientos que dañan el ADN que inducen muchos profagos. Incluso en condiciones de inducción máxima, solo una pequeña fracción del cultivo produce GTA, típicamente menos del 1%. [11] [12]
Los pasos de la producción de GTA se derivan de los de la infección por fagos. Primero se transcriben y traducen los genes estructurales, y las proteínas se ensamblan en cabezas vacías y colas sueltas. A continuación, la maquinaria de empaquetamiento del ADN empaqueta el ADN en cada cabeza, cortando el ADN cuando la cabeza está llena, uniendo una cola a la cabeza y luego moviendo el extremo de ADN recién creado a una nueva cabeza vacía. A diferencia de los genes de los profagos, los genes que codifican los GTA no se extraen del genoma ni se replican para empaquetarse en partículas de GTA. Los dos GTA mejor estudiados (RcGTA y BaGTA) empaquetan aleatoriamente todo el ADN de la célula, sin sobrerrepresentación de genes codificadores de GTA. [11] [13] Se desconoce el número de partículas de GTA producidas por cada célula.
El hecho de que la liberación de partículas de GTA conduzca a la transferencia de ADN a nuevos genomas depende de varios factores. En primer lugar, las partículas deben sobrevivir en el medio ambiente (poco se sabe sobre esto, aunque se ha informado de que son bastante inestables en condiciones de laboratorio). [14] En segundo lugar, las partículas deben encontrar y adherirse a células receptoras adecuadas, normalmente miembros de la misma especie o de una especie estrechamente relacionada. Al igual que los fagos, las GTA se adhieren a estructuras específicas de proteínas o carbohidratos en la superficie de la célula receptora antes de inyectar su ADN. A diferencia de los fagos, las GTA bien estudiadas parecen inyectar su ADN sólo a través de la primera de las dos membranas que rodean el citoplasma receptor, y utilizan un sistema diferente, derivado de la competencia en lugar del derivado del fago, para transportar una hebra del ADN bicatenario a través de la membrana interna hacia el citoplasma. [15] [16]
Si la maquinaria de reparación recombinatoria de la célula encuentra una secuencia cromosómica muy similar al ADN entrante, reemplaza la primera por el segundo mediante recombinación homóloga, mediada por la proteína RecA de la célula . Si las secuencias no son idénticas, esto producirá una célula con una nueva combinación genética. Sin embargo, si el ADN entrante no está estrechamente relacionado con las secuencias de ADN de la célula, se degradará y la célula reutilizará sus nucleótidos para la replicación del ADN.
La GTA producida por la alfaproteobacteria Rhodobacter capsulatus , denominada R. capsulatus GTA (RcGTA), es actualmente la GTA mejor estudiada. Cuando los cultivos de laboratorio de R. capsulatus entran en fase estacionaria, un subconjunto de la población bacteriana induce la producción de RcGTA, y las partículas se liberan posteriormente de las células a través de la lisis celular . [12] La mayoría de los genes estructurales de RcGTA están codificados en un grupo genético de ~ 15 kb en el cromosoma bacteriano. Sin embargo, otros genes necesarios para la función de RcGTA, como los genes necesarios para la lisis celular, se encuentran por separado. [2] [17] Las partículas de RcGTA contienen fragmentos de ADN de 4,5 kb, con una representación uniforme de todo el cromosoma excepto por una caída de 2 veces en el sitio del grupo de genes RcGTA.
La regulación de la producción y transducción de GTA se ha estudiado mejor en R. capsulatus , donde un sistema de detección de quórum y un relé de fosforilación de CtrA controlan la expresión no solo del grupo principal de genes RcGTA, sino también de un sistema de lisis celular de holina/endolisina, picos de cabeza de partículas, una proteína de unión (posiblemente fibras de la cola) y los genes de procesamiento de ADN y cápsula necesarios para la función del receptor de RcGTA. Un proceso estocástico no caracterizado limita aún más la expresión del grupo de genes a solo el 0,1-3 % de las células.
Los grupos de genes similares a RcGTA se encuentran en un gran subclado de las alfaproteobacterias, aunque los genes también parecen perderse con frecuencia por deleción. Recientemente, se ha demostrado que varios miembros del orden Rhodobacterales producen partículas funcionales similares a RcGTA. En los cromosomas de varios tipos de alfaproteobacterias se encuentran grupos de genes con homología con RcGTA. [8]
D. shibae , al igual que R. capsulatus , es miembro del orden Rhodobacterales, y su GTA comparte un ancestro común y muchas características con RcGTA, incluida la organización genética, el empaquetamiento de fragmentos cortos de ADN (4,2 kb) y la regulación por detección de quórum y un relé de fosforilación CtrA. [18] Sin embargo, su maquinaria de empaquetamiento de ADN tiene mucha más especificidad, con picos y valles agudos de cobertura que sugieren que puede iniciar preferentemente el empaquetamiento en sitios específicos del genoma. El ADN del principal grupo de genes DsGTA está empaquetado muy mal.
Las especies de Bartonella son miembros de Alphaproteobacteria como R. capsulatus y D. shibae , pero BaGTA no está relacionada con RcGTA y DsGTA. [19] Las partículas de BaGTA son más grandes que las de RcGTA y contienen fragmentos de ADN de 14 kb. Aunque esta capacidad podría, en principio, permitir a BaGTA empaquetar y transmitir su grupo GTA de 14 kb, las mediciones de la cobertura de ADN muestran una cobertura reducida del grupo. Se cree que una región adyacente de alta cobertura se debe a la replicación local de ADN. [13]
Brachyspira es un género de espiroquetas; se ha demostrado que varias especies portan grupos de genes GTA homólogos. Las partículas contienen fragmentos de ADN de 7,5 kb. La producción de VSH-1 es estimulada por el agente que daña el ADN mitomicina C y por algunos antibióticos. También se asocia con lisis celular detectable, lo que indica que una fracción sustancial del cultivo puede estar produciendo VSH-1. [20]
D. desulfuricans es una bacteria del suelo de la familia deltaproteobacteria; Dd1 contiene 13,6 kb de fragmentos de ADN. No está claro qué genes codifican esta GTA: hay un área de 17,8 kb con genes estructurales similares a los de los fagos en el genoma bacteriano, pero su vínculo con la producción de GTA aún no se ha demostrado experimentalmente. [21]
M. voltae es una arquea; se sabe que su GTA transfiere fragmentos de ADN de 4,4 kb, pero no se ha caracterizado de otra manera, [22] aunque se ha sugerido que un provirus defectuoso relacionado con los virus de cabeza y cola de Methanococcus ( Caudoviricetes ) en el genoma A3 de M. voltae representa el locus GTA. [23] Una posible terminasa terL ( D7DSG2 ) se identificó nuevamente en 2019. [24]