La patogenómica es un campo que utiliza tecnología de cribado de alto rendimiento y bioinformática para estudiar la resistencia microbiana codificada, así como los factores de virulencia (VF), que permiten a un microorganismo infectar a un huésped y posiblemente causar una enfermedad. [1] [2] [3] [4] Esto incluye el estudio de genomas de patógenos que no se pueden cultivar fuera de un huésped. [5] En el pasado, los investigadores y los profesionales médicos encontraban difícil estudiar y comprender los rasgos patógenos de los organismos infecciosos. [6] Con tecnología más nueva, los genomas de patógenos se pueden identificar y secuenciar en un tiempo mucho más corto y a un costo menor, [7] [8] mejorando así la capacidad de diagnosticar, tratar e incluso predecir y prevenir infecciones y enfermedades patógenas. [9] También ha permitido a los investigadores comprender mejor los eventos de evolución del genoma (pérdida, ganancia, duplicación, reordenamiento de genes) y cómo esos eventos impactan la resistencia a los patógenos y la capacidad de causar enfermedades. [8] Esta afluencia de información ha creado una necesidad de herramientas bioinformáticas y bases de datos para analizar y hacer accesibles a los investigadores las grandes cantidades de datos, [10] [11] y ha planteado cuestiones éticas sobre la conveniencia de reconstruir patógenos previamente extintos y mortales para comprender mejor la virulencia. [12]
Durante las primeras épocas en que se estudiaba la genómica, los científicos encontraron difícil secuenciar la información genética. [13] El campo comenzó a explotar en 1977 cuando Fred Sanger , PhD, junto con sus colegas, secuenció el genoma basado en ADN de un bacteriófago , utilizando un método ahora conocido como el Método Sanger . [14] [15] [16] El Método Sanger para secuenciar ADN hizo avanzar exponencialmente la biología molecular y condujo directamente a la capacidad de secuenciar genomas de otros organismos, incluido el genoma humano completo. [14] [15]
El genoma de Haemophilus influenza fue uno de los primeros genomas de organismos secuenciados en 1995 por J. Craig Venter y Hamilton Smith utilizando la secuenciación shotgun del genoma completo. [17] [15] Desde entonces, se han desarrollado secuenciaciones de alto rendimiento más nuevas y eficientes, como la secuenciación genómica de próxima generación (NGS) y la secuenciación genómica de células individuales. [15] Si bien el método Sanger puede secuenciar un fragmento de ADN a la vez, la tecnología NGS puede secuenciar miles de secuencias a la vez. [18] Con la capacidad de secuenciar ADN rápidamente, se desarrollaron nuevos conocimientos, como el descubrimiento de que, dado que los genomas procariotas son más diversos de lo que se pensaba originalmente, es necesario secuenciar múltiples cepas en una especie en lugar de solo unas pocas. [19] E. coli fue un ejemplo de por qué esto es importante, con genes que codifican factores de virulencia en dos cepas de la especie que difieren en al menos un treinta por ciento. [19] Este conocimiento, junto con un estudio más exhaustivo de la ganancia, pérdida y cambio del genoma, está proporcionando a los investigadores una valiosa perspectiva sobre cómo los patógenos interactúan en los entornos de los huéspedes y cómo son capaces de infectar a los huéspedes y causar enfermedades. [19] [13]
Con esta gran afluencia de nueva información, ha surgido una mayor demanda de bioinformática para que los científicos puedan analizar adecuadamente los nuevos datos. En respuesta, se han desarrollado software y otras herramientas para este propósito. [10] [20] Además, a partir de 2008, la cantidad de secuencias almacenadas se duplicaba cada 18 meses, lo que hace urgente la necesidad de mejores formas de organizar los datos y ayudar a la investigación. [21] En respuesta, se han creado muchas bases de datos de acceso público y otros recursos, incluido el programa de detección de patógenos del NCBI, el Pathosystems Resource Integration Centre (PATRIC), [22] Pathogenwatch, [23] la Virulence Factor Database (VFDB) de bacterias patógenas, [24] [3] [21] la base de datos Victors de factores de virulencia en patógenos humanos y animales. [25] Hasta 2022, los patógenos más secuenciados son Salmonella enterica y E. coli - Shigella. [10] Se han revisado ampliamente las tecnologías de secuenciación, las herramientas bioinformáticas, las bases de datos, las estadísticas relacionadas con los genomas de patógenos y las aplicaciones en ciencia forense, epidemiología, práctica clínica y seguridad alimentaria. [10]
Los patógenos pueden ser procariotas ( arqueas o bacterias ), eucariotas unicelulares o virus . Los genomas procariotas han sido típicamente más fáciles de secuenciar debido a un tamaño de genoma más pequeño en comparación con Eukarya. Debido a esto, existe un sesgo en la notificación del comportamiento bacteriano patógeno . Independientemente de este sesgo en la notificación, muchos de los eventos genómicos dinámicos son similares en todos los tipos de organismos patógenos. La evolución genómica ocurre a través de la ganancia de genes, la pérdida de genes y el reordenamiento del genoma, y estos "eventos" se observan en múltiples genomas de patógenos, y algunos patógenos bacterianos experimentan los tres. [13] Sin embargo, la patogenómica no se centra exclusivamente en comprender las interacciones patógeno-huésped . El conocimiento del comportamiento patógeno individual o cooperativo proporciona conocimiento sobre el desarrollo o la herencia de los factores de virulencia de los patógenos. [13] A través de una comprensión más profunda de las pequeñas subunidades que causan la infección, puede ser posible desarrollar terapias novedosas que sean eficientes y rentables. [26]
Los genomas dinámicos con alta plasticidad son necesarios para permitir que los patógenos, especialmente las bacterias, sobrevivan en ambientes cambiantes. [19] Con la ayuda de métodos de secuenciación de alto rendimiento y tecnologías in silico , es posible detectar, comparar y catalogar muchos de estos eventos genómicos dinámicos. La diversidad genómica es importante para detectar y tratar un patógeno, ya que estos eventos pueden cambiar la función y la estructura del patógeno. [27] [28] Existe la necesidad de analizar más de una sola secuencia del genoma de una especie de patógeno para comprender los mecanismos patógenos. La genómica comparativa es una metodología que permite a los científicos comparar los genomas de diferentes especies y cepas. [29] Hay varios ejemplos de estudios de genómica comparativa exitosos, entre ellos el análisis de Listeria [30] y Escherichia coli . [31] Algunos estudios han intentado abordar la diferencia entre microbios patógenos y no patógenos . Sin embargo, esta investigación resulta difícil, ya que una sola especie bacteriana puede tener muchas cepas, y el contenido genómico de cada una de estas cepas varía. [31]
Las variaciones de las cepas de microbios y del contenido genómico son causadas por diferentes fuerzas, incluidos tres eventos evolutivos específicos que tienen un impacto en la resistencia a los patógenos y la capacidad de causar enfermedades: ganancia genética, pérdida genética y reordenamiento del genoma. [13]
La pérdida de genes ocurre cuando se eliminan genes. La razón por la que esto ocurre aún no se entiende completamente, [32] aunque lo más probable es que implique la adaptación a un nuevo entorno o nicho ecológico. [33] [34] Algunos investigadores creen que la pérdida de genes puede en realidad aumentar la aptitud y la supervivencia entre los patógenos. [32] En un nuevo entorno, algunos genes pueden volverse innecesarios para la supervivencia, y por lo tanto, las mutaciones finalmente se "permiten" en esos genes hasta que se convierten en " pseudogenes " inactivos. [33] Estos pseudogenes se observan en organismos como Shigella flexneri , Salmonella enterica , [35] y Yersinia pestis . [33] Con el tiempo, los pseudogenes se eliminan y los organismos se vuelven completamente dependientes de su huésped como endosimbiontes o patógenos intracelulares obligados , como se ve en Buchnera , Myobacterium leprae y Chlamydia trachomatis . [33] Estos genes eliminados también se denominan genes antivirulencia (AVG), ya que se cree que pueden haber impedido que el organismo se volviera patógeno. [33] Para ser más virulento, infectar a un huésped y permanecer vivo, el patógeno tuvo que deshacerse de esos AVG. [33] El proceso inverso también puede ocurrir, como se vio durante el análisis de cepas de Listeria , que mostró que un tamaño reducido del genoma condujo a una cepa de Listeria no patógena a partir de una cepa patógena. [30] Se han desarrollado sistemas para detectar estos pseudogenes/AVG en una secuencia del genoma. [8]
Se cree que una de las fuerzas clave que impulsa la ganancia genética es la transferencia genética horizontal (lateral) (LGT). [36] Es de particular interés en los estudios microbianos porque estos elementos genéticos móviles pueden introducir factores de virulencia en un nuevo genoma. [37] Un estudio comparativo realizado por Gill et al. en 2005 postuló que la LGT puede haber sido la causa de las variaciones de patógenos entre Staphylococcus epidermidis y Staphylococcus aureus . [38] Sin embargo, todavía existe escepticismo sobre la frecuencia de la LGT, su identificación y su impacto. [39] Se han empleado metodologías nuevas y mejoradas, especialmente en el estudio de la filogenética , para validar la presencia y el efecto de la LGT. [40] Los eventos de ganancia y duplicación genética se equilibran con la pérdida genética, de modo que a pesar de su naturaleza dinámica, el genoma de una especie bacteriana sigue siendo aproximadamente del mismo tamaño. [41]
Las secuencias de inserción genética móviles pueden desempeñar un papel en las actividades de reordenamiento del genoma. [42] Se ha descubierto que los patógenos que no viven en un entorno aislado contienen una gran cantidad de elementos de secuencia de inserción y varios segmentos repetitivos de ADN. [19] Se cree que la combinación de estos dos elementos genéticos ayuda a mediar la recombinación homóloga . Hay patógenos, como Burkholderia mallei , [43] y Burkholderia pseudomallei [44] que han demostrado exhibir reordenamientos de todo el genoma debido a secuencias de inserción y segmentos repetitivos de ADN. [19] En este momento, ningún estudio demuestra eventos de reordenamiento de todo el genoma que den lugar directamente a un comportamiento patógeno en un microbio. Esto no significa que no sea posible. Sin embargo, los reordenamientos de todo el genoma contribuyen a la plasticidad del genoma bacteriano, que puede preparar las condiciones para que otros factores introduzcan o pierdan factores de virulencia. [19]
Los polimorfismos de nucleótido único (SNP, por sus siglas en inglés) permiten una amplia variedad de variaciones genéticas entre los seres humanos y los patógenos. Permiten a los investigadores estimar una variedad de factores: los efectos de las toxinas ambientales, cómo los diferentes métodos de tratamiento afectan al cuerpo y qué causa la predisposición de una persona a las enfermedades. [45] Los SNP desempeñan un papel clave en la comprensión de cómo y por qué ocurren las mutaciones. Los SNP también permiten a los científicos mapear genomas y analizar información genética. [45]
Panorama del pangenoma La definición más reciente de una especie bacteriana proviene de la era pregenómica. En 1987, se propuso que las cepas bacterianas que muestran >70% de reasociación ADN·ADN y comparten rasgos fenotípicos característicos deberían considerarse cepas de la misma especie. [46] La diversidad dentro de los genomas de patógenos dificulta la identificación del número total de genes que están asociados dentro de todas las cepas de una especie de patógeno. [46] Se ha pensado que el número total de genes asociados con una sola especie de patógeno puede ser ilimitado, [46] aunque algunos grupos están intentando derivar un valor más empírico. [47] Por esta razón, fue necesario introducir el concepto de pangenomas y genomas centrales. [48] La literatura sobre pangenomas y genomas centrales también tiende a tener un sesgo hacia los informes sobre organismos patógenos procariotas. Tal vez sea necesario tener cuidado al extender la definición de un pangenoma o un genoma central a otros organismos patógenos porque no hay evidencia formal de las propiedades de estos pangenomas. [ cita requerida ]
Un genoma central es el conjunto de genes que se encuentran en todas las cepas de una especie de patógeno. [46] Un pangenoma es el acervo genético completo para esa especie de patógeno e incluye genes que no son compartidos por todas las cepas. [46] Los pangenomas pueden ser abiertos o cerrados dependiendo de si el análisis comparativo de múltiples cepas no revela genes nuevos (cerrados) o muchos genes nuevos (abiertos) en comparación con el genoma central para esa especie de patógeno. [13] En el pangenoma abierto, los genes pueden caracterizarse además como prescindibles o específicos de la cepa. Los genes prescindibles son aquellos que se encuentran en más de una cepa, pero no en todas las cepas, de una especie de patógeno. [48] Los genes específicos de la cepa son aquellos que se encuentran solo en una cepa de una especie de patógeno. [48] Las diferencias en los pangenomas son reflejos del estilo de vida del organismo. Por ejemplo, Streptococcus agalactiae , que existe en diversos nichos biológicos, tiene un pangenoma más amplio en comparación con Bacillus anthracis, más aislado ambientalmente . [19] También se están utilizando métodos de genómica comparativa para comprender más sobre el pangenoma. [49] Descubrimientos recientes muestran que el número de nuevas especies continúa creciendo: se estima que hay 10 31 bacteriófagos en el planeta y que estos bacteriófagos infectan a otros 10 24 por segundo. Es difícil imaginar el flujo continuo de material genético que se intercambia. [46]
Múltiples elementos genéticos de los patógenos que afectan a los humanos contribuyen a la transferencia de factores de virulencia: plásmidos , islas de patogenicidad , profagos , bacteriófagos, transposones y elementos integrativos y conjugativos. [13] [50] Las islas de patogenicidad y su detección son el foco de varios esfuerzos bioinformáticos involucrados en la patonomía. [51] [52] Es una creencia común que las "cepas bacterianas ambientales" carecen de la capacidad de dañar o causar daño a los humanos. Sin embargo, estudios recientes muestran que las bacterias de entornos acuáticos han adquirido cepas patógenas a través de la evolución. Esto permite que las bacterias tengan una gama más amplia de rasgos genéticos y puedan causar una amenaza potencial para los humanos de los cuales hay más resistencia a los antibióticos. [50]
Las interacciones entre microbios y huéspedes tienden a eclipsar la consideración de las interacciones entre microbios, aunque estas interacciones pueden conducir a estados crónicos de enfermedad que son difíciles de comprender y tratar. [9]
Las biopelículas son un ejemplo de interacciones entre microbios y se cree que están asociadas con hasta el 80% de las infecciones humanas. [53] Recientemente se ha demostrado que hay genes específicos y proteínas de superficie celular involucradas en la formación de biopelículas. [54] Estos genes y también las proteínas de superficie se pueden caracterizar a través de métodos in silico para formar un perfil de expresión de bacterias que interactúan con la biopelícula. [9] Este perfil de expresión se puede utilizar en análisis posteriores de otros microbios para predecir el comportamiento de los microbios de la biopelícula o para comprender cómo desmantelar la formación de la biopelícula. [9]
Los patógenos tienen la capacidad de adaptarse y manipular las células huésped, aprovechando al máximo los procesos y mecanismos celulares de la célula huésped. [9]
Los hospedadores pueden influir en un microbio para que se adapte a su nuevo entorno o aprenda a evadirlo. El conocimiento de estos comportamientos proporcionará información útil para posibles terapias. El esquema más detallado de las iniciativas de interacción entre hospedadores y microbios se describe en la Agenda Europea de Investigación sobre Patogenómica [9] . Su informe destaca las siguientes características:
Se ha dicho que la diversa comunidad que habita en el intestino es vital para la salud humana. Hay varios proyectos en marcha para comprender mejor los ecosistemas del intestino. [58] La secuencia de la cepa comensal de Escherichia coli SE11, por ejemplo, ya se ha determinado a partir de la materia fecal de un ser humano sano y promete ser el primero de muchos estudios. [59] A través del análisis genómico y también del posterior análisis de proteínas, se investigará una mejor comprensión de las propiedades beneficiosas de la flora comensal con la esperanza de entender cómo desarrollar una mejor terapia. [60]
La perspectiva "eco-evo" sobre las interacciones patógeno-huésped enfatiza las influencias de la ecología y el medio ambiente en la evolución de los patógenos. [13] Los factores genómicos dinámicos, como la pérdida de genes, la ganancia de genes y el reordenamiento del genoma, están fuertemente influenciados por cambios en el nicho ecológico donde reside una cepa microbiana particular. Los microbios pueden pasar de ser patógenos a no patógenos debido a cambios ambientales. [30] Esto se demostró durante los estudios de la plaga, Yersinia pestis , que aparentemente evolucionó de un patógeno gastrointestinal leve a un microbio muy altamente patógeno a través de eventos genómicos dinámicos. [61] Para que ocurra la colonización, debe haber cambios en la composición bioquímica para ayudar a la supervivencia en una variedad de entornos. Esto probablemente se deba a un mecanismo que permite a la célula detectar cambios dentro del medio ambiente, lo que influye en el cambio en la expresión genética. [62] Comprender cómo ocurren estos cambios de cepa de ser poco o no patógena a ser altamente patógena y viceversa puede ayudar a desarrollar nuevas terapias para infecciones microbianas. [13]
La salud humana ha mejorado mucho y la tasa de mortalidad ha disminuido sustancialmente desde la segunda guerra mundial debido a la mejora de la higiene gracias a los cambios en las regulaciones de salud pública, así como a la mayor disponibilidad de vacunas y antibióticos. [63] La patogenómica permitirá a los científicos ampliar lo que saben sobre los microbios patógenos y no patógenos, lo que permitirá la creación de vacunas nuevas y mejoradas. [63] La patogenómica también tiene implicaciones más amplias, incluida la prevención del bioterrorismo. [63]
La vaccinología inversa es relativamente nueva. Aunque todavía se están realizando investigaciones, se han producido avances con patógenos como Streptococcus y Meningitis . [64] Los métodos de producción de vacunas, como los bioquímicos y serológicos, son laboriosos y poco fiables. Requieren que los patógenos estén in vitro para ser eficaces. [65] Los nuevos avances en el desarrollo genómico ayudan a predecir casi todas las variaciones de patógenos, lo que supone avances para las vacunas. [65] Se están desarrollando vacunas basadas en proteínas para combatir patógenos resistentes como Staphylococcus y Chlamydia . [64]
En 2005 se completó la secuenciación de la gripe española de 1918. Acompañada de un análisis filogenético , fue posible proporcionar un relato detallado de la evolución y el comportamiento del virus, en particular su adaptación a los humanos. [66] Después de la secuenciación de la gripe española, también se reconstruyó el patógeno. Cuando se insertó en ratones, el patógeno resultó ser increíblemente mortal. [67] [12] Los ataques con ántrax de 2001 arrojaron luz sobre la posibilidad de que el bioterrorismo fuera una amenaza más real que imaginada. El bioterrorismo se anticipó en la guerra de Irak, con soldados que fueron inoculados para un ataque de viruela . [68] Usando tecnologías y conocimientos obtenidos de la reconstrucción de la gripe española, puede ser posible prevenir futuros brotes mortales de enfermedades plantadas. Sin embargo, existe una fuerte preocupación ética sobre si la resurrección de viejos virus es necesaria y si hace más daño que bien. [12] [69] La mejor vía para contrarrestar tales amenazas es la coordinación con organizaciones que proporcionan inmunizaciones. El aumento de la concienciación y la participación reducirían en gran medida la eficacia de una posible epidemia. Una medida adicional sería la vigilancia de los reservorios naturales de agua como base para prevenir un ataque o un brote. En general, la comunicación entre los laboratorios y las grandes organizaciones, como la Red Mundial de Alerta y Respuesta ante Brotes Epidémicos (GOARN), puede conducir a una detección temprana y prevenir brotes. [63]