Patogenómica - Pathogenomics
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 (FV), que permiten que un microorganismo infecte a un huésped y posiblemente cause una enfermedad. Esto incluye el estudio de genomas de patógenos que no se pueden cultivar fuera de un huésped. En el pasado, los investigadores y los profesionales médicos tenían dificultades para estudiar y comprender los rasgos patógenos de los organismos infecciosos. Con tecnología más nueva, los genomas de patógenos se pueden identificar y secuenciar en un tiempo mucho más corto y a un costo menor, mejorando así la capacidad de diagnosticar, tratar e incluso predecir y prevenir infecciones y enfermedades patógenas. También ha permitido a los investigadores comprender mejor los eventos de evolución del genoma (pérdida, ganancia, duplicación, reordenamiento de genes) y cómo esos eventos afectan la resistencia de los patógenos y la capacidad de causar enfermedades. Esta afluencia de información ha creado la necesidad de poner a disposición de los investigadores una gran cantidad de datos en forma de bases de datos, y ha planteado cuestiones éticas sobre la conveniencia de reconstruir patógenos mortales y previamente extintos para comprender mejor la virulencia.
Historia
Durante los primeros tiempos en que se estudiaba la genómica, los científicos encontraban un desafío secuenciar la información genética. El campo comenzó a explotar en 1977 cuando Fred Sanger , PhD, junto con sus colegas, secuenciaron el genoma basado en el ADN de un bacteriófago , utilizando un método ahora conocido como Método Sanger . El Método Sanger para secuenciar el ADN avanzó exponencialmente en biología molecular y condujo directamente a la capacidad de secuenciar genomas de otros organismos, incluido el genoma humano completo.
El genoma de Haemophilus influenza fue uno de los primeros genomas de organismos secuenciados en 1995 por J. Craig Venter y Hamilton Smith usando secuenciación de escopeta de genoma completo. Desde entonces, se han desarrollado secuencias de alto rendimiento más nuevas y eficientes, como la secuenciación genómica de próxima generación (NGS) y la secuenciación genómica de una sola célula. 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. Con la capacidad de secuenciar rápidamente el ADN, se desarrollaron nuevos conocimientos, como el descubrimiento de que, dado que los genomas procarióticos son más diversos de lo que se pensaba originalmente, es necesario secuenciar múltiples cepas en una especie en lugar de solo unas pocas. 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. Este conocimiento, junto con un estudio más exhaustivo de la ganancia, pérdida y cambio del genoma, está brindando a los investigadores información valiosa sobre cómo los patógenos interactúan en los entornos del huésped y cómo pueden infectar a los huéspedes y causar enfermedades.
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. Además, a partir de 2008, la cantidad de secuencias almacenadas se duplicaba cada 18 meses, lo que hacía urgente la necesidad de mejores formas de organizar los datos y ayudar a la investigación. En respuesta, se han creado miles de bases de datos de acceso público y otros recursos, incluida la Base de datos de factores de virulencia (VFDB) de bacterias patógenas, que se estableció en 2004 y se creó para ayudar en la investigación patogenómica.
Análisis de microbios
Los patógenos pueden ser procariotas ( arqueas o bacterias ), eucariotas unicelulares o virus . Normalmente, los genomas procarióticos han sido más fáciles de secuenciar debido al tamaño del 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 los informes, muchos de los eventos genómicos dinámicos son similares en todos los tipos de organismos patógenos. La evolución genómica se produce 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. Sin embargo, la patogenómica no se centra exclusivamente en comprender las interacciones patógeno-huésped . La comprensión del comportamiento individual o cooperativo de los patógenos proporciona conocimientos sobre el desarrollo o la herencia de los factores de virulencia de los patógenos. 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.
Causa y análisis de la diversidad genómica
Los genomas dinámicos con alta plasticidad son necesarios para permitir que los patógenos, especialmente las bacterias, sobrevivan en entornos cambiantes. 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 al detectar y tratar un patógeno, ya que estos eventos pueden cambiar la función y estructura del patógeno. Es necesario analizar más de una secuencia del genoma de una especie patógena para comprender los mecanismos patógenos. La genómica comparada es una metodología que permite a los científicos comparar los genomas de diferentes especies y cepas. Hay varios ejemplos de estudios genómicos comparativos exitosos, entre ellos el análisis de Listeria y Escherichia coli . 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.
Dinámica evolutiva
Las diferentes cepas de microbios y el contenido genómico son causados por diferentes fuerzas, incluidos tres eventos evolutivos específicos que tienen un impacto en la resistencia a los patógenos y la capacidad de causar enfermedades, a: ganancia de genes, pérdida de genes y reordenamiento del genoma.
Pérdida de genes y desintegración del genoma
La pérdida de genes ocurre cuando los genes se eliminan. La razón por la que esto ocurre aún no se comprende completamente, aunque lo más probable es que implique la adaptación a un nuevo entorno o nicho ecológico. Algunos investigadores creen que la pérdida de genes en realidad puede aumentar la aptitud y la supervivencia entre los patógenos. En un entorno nuevo, algunos genes pueden volverse innecesarios para la supervivencia, por lo que eventualmente se "permiten" mutaciones en esos genes hasta que se vuelven " pseudogenes " inactivos . Estos pseudogenes se observan en organismos tales como Shigella flexneri , Salmonella enterica , y Yersinia pestis . 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 observa en Buchnera , Myobacterium leprae y Chlamydia trachomatis . Estos genes eliminados también se denominan genes anti-virulencia (AVG), ya que se cree que pueden haber evitado que el organismo se vuelva patógeno. Para ser más virulento, infectar a un huésped y permanecer vivo, el patógeno tuvo que deshacerse de esos AVG. El proceso inverso también puede suceder, como se vio durante el análisis de cepas de Listeria , que mostró que un tamaño reducido del genoma conducía a una cepa de Listeria no patógena de una cepa patógena. Se han desarrollado sistemas para detectar estos pseudogenes / AVG en una secuencia del genoma.
Ganancia y duplicación de genes
Se cree que una de las fuerzas clave que impulsa la ganancia de genes es la transferencia de genes horizontal (lateral) (LGT). Es de particular interés en los estudios microbianos porque estos elementos genéticos móviles pueden introducir factores de virulencia en un nuevo genoma. Un estudio comparativo realizado por Gill et al. en 2005 postuló que LGT puede haber sido la causa de variaciones de patógenos entre Staphylococcus epidermidis y Staphylococcus aureus . Sin embargo, aún persiste el escepticismo sobre la frecuencia de LGT, su identificación y su impacto. Se han utilizado metodologías nuevas y mejoradas, especialmente en el estudio de la filogenética , para validar la presencia y el efecto de LGT. Los eventos de ganancia y duplicación de genes se equilibran con la pérdida de genes, de modo que a pesar de su naturaleza dinámica, el genoma de una especie bacteriana permanece aproximadamente del mismo tamaño.
Reordenamiento del genoma
Las secuencias de inserción genética móviles pueden desempeñar un papel en las actividades de reordenamiento del genoma. 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. Se cree que la combinación de estos dos elementos genéticos ayuda a mediar en la recombinación homóloga . Hay patógenos, tales como Burkholderia mallei , y Burkholderia pseudomallei , que se ha demostrado que los reordenamientos de todo el genoma de exposición debido a secuencias de inserción y los segmentos de ADN repetitivas. En este momento, ningún estudio demuestra eventos de reordenamiento en todo el genoma que dan 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.
Polimorfismos de un sólo nucleótido
Los polimorfismos de un solo nucleótido , o SNP, permiten una amplia gama de variaciones genéticas entre humanos y patógenos. Permiten a los investigadores estimar una variedad de factores: los efectos de las toxinas ambientales, cómo los diferentes métodos de tratamiento afectan el cuerpo y qué causa la predisposición de una persona a las enfermedades. Los SNP juegan 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.
Pan y genomas centrales
Descripción general del pangenoma La definición más reciente de una especie bacteriana proviene de la era pregenómica. En 1987, se propuso que las cepas bacterianas que mostraran> 70% de reasociación de ADN · ADN y compartieran rasgos fenotípicos característicos deberían considerarse cepas de la misma especie. La diversidad dentro de los genomas de patógenos hace que sea difícil identificar el número total de genes que están asociados dentro de todas las cepas de una especie de patógeno. Se ha pensado que el número total de genes asociados con una única especie de patógeno puede ser ilimitado, aunque algunos grupos están intentando obtener un valor más empírico. Por esta razón, fue necesario introducir el concepto de pangenomas y genomas centrales. La bibliografía sobre el genoma central y el pangenoma también tiende a tener un sesgo hacia la notificación de organismos patógenos procarióticos. Puede ser necesario tener precaución al extender la definición de un pangenoma o un genoma central a los otros organismos patógenos porque no hay evidencia formal de las propiedades de estos pangenomas.
Un genoma central es el conjunto de genes que se encuentran en todas las cepas de una especie patógena. Un pangenoma es el conjunto completo de genes de esa especie de patógeno e incluye genes que no son compartidos por todas las cepas. Los pangenomas pueden estar 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. En el pangenoma abierto, los genes pueden caracterizarse además como prescindibles o específicos de cepa. Los genes prescindibles son los que se encuentran en más de una cepa, pero no en todas las cepas, de una especie patógena. Los genes específicos de cepas son los que se encuentran solo en una cepa de una especie patógena. 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 el Bacillus anthracis más aislado ambientalmente . También se están utilizando enfoques de genómica comparativa para comprender más sobre el pangenoma. Descubrimientos recientes muestran que el número de nuevas especies continúa creciendo con un estimado de 10 31 bacteriófagos en el planeta con esos bacteriófagos infectando a otros 10 24 por segundo, el flujo continuo de material genético que se intercambia es difícil de imaginar.
Factores virulentos
Múltiples elementos genéticos de patógenos que afectan a los seres humanos contribuyen a la transferencia de factores de virulencia: plásmidos , isla de patogenicidad , profagos , bacteriófagos, transposones y elementos integradores y conjugativos. Las islas de patogenicidad y su detección son el foco de varios esfuerzos bioinformáticos involucrados en patogenómica. Es una creencia común que las "cepas bacterianas ambientales" carecen de la capacidad de dañar o dañar a los humanos. Sin embargo, estudios recientes muestran que las bacterias de los ambientes acuáticos han adquirido cepas patógenas a través de la evolución. Esto permite que las bacterias tengan una gama más amplia de rasgos genéticos y pueden causar una amenaza potencial para los seres humanos por la que existe una mayor resistencia a los antibióticos.
Interacciones microbio-microbio
Las interacciones microbio-huésped tienden a eclipsar la consideración de las interacciones microbio-microbio. Sin embargo, las interacciones microbio-microbio pueden conducir a estados crónicos de enfermedad que son difíciles de entender y tratar.
Biofilms
Las biopelículas son un ejemplo de interacciones microbio-microbio y se cree que están asociadas con hasta el 80% de las infecciones humanas. Recientemente se ha demostrado que existen genes específicos y proteínas de la superficie celular implicadas en la formación de biopelículas. Estos genes y también las proteínas de superficie pueden caracterizarse mediante métodos in silico para formar un perfil de expresión de bacterias que interactúan con la biopelícula. Este perfil de expresión se puede utilizar en el análisis posterior de otros microbios para predecir el comportamiento de los microbios de biopelículas o para comprender cómo desmantelar la formación de biopelículas.
Análisis de microbios hospedadores
Los patógenos tienen la capacidad de adaptarse y manipular las células huésped, aprovechando al máximo los procesos y mecanismos celulares de la célula huésped.
Los huéspedes pueden influir en un microbio para que se adapte a su nuevo entorno o aprenda a evadirlo. Una comprensión de estos comportamientos proporcionará una perspectiva beneficiosa para posibles terapias. El esquema más detallado de las iniciativas de interacción huésped-microbio se describe en la Agenda Europea de Investigación Pathogenómica. Su informe enfatiza las siguientes características:
- Análisis de microarrays de la expresión génica del huésped y del microbio durante la infección . Esto es importante para identificar la expresión de factores de virulencia que permiten que un patógeno sobreviva al mecanismo de defensa del huésped. Los patógenos tienden a sufrir una variedad de cambios con el fin de subvertir el sistema inmunológico del huésped, en algunos casos favoreciendo un estado del genoma hipervariable. Los estudios de expresión genómica se complementarán con estudios de redes de interacción proteína-proteína.
- Utilización de la interferencia de ARN (ARNi) para identificar las funciones de la célula huésped en respuesta a infecciones . La infección depende del equilibrio entre las características de la célula huésped y la célula patógena. En algunos casos, puede haber una respuesta hiperactiva del huésped a la infección, como en la meningitis, que puede abrumar el cuerpo del huésped. Usando ARN, será posible identificar más claramente cómo una célula huésped se defiende durante tiempos de infección aguda o crónica. Esto también se ha aplicado con éxito en Drosophila.
- No todas las interacciones de microbios en el entorno del host son maliciosas. La flora comensal , que existe en varios entornos en animales y humanos, puede ayudar a combatir las infecciones microbianas. La flora humana , como el intestino, por ejemplo, alberga una gran cantidad de microbios.
Se ha anunciado que la comunidad diversa dentro del intestino es vital para la salud humana. Hay varios proyectos en marcha para comprender mejor los ecosistemas del intestino. La secuencia de la cepa SE11 de Escherichia coli comensal, 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. A través del análisis genómico y también el análisis de proteínas posterior, se investigará una mejor comprensión de las propiedades beneficiosas de la flora comensal con la esperanza de comprender cómo construir una mejor terapia.
Perspectiva eco-evo
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. Los factores genómicos dinámicos, como la pérdida de genes, la ganancia de genes y el reordenamiento del genoma, están todos 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 los cambios ambientales. 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. Para que ocurra la colonización, debe haber cambios en la composición bioquímica para ayudar a la supervivencia en una variedad de entornos. Lo más probable es que esto se deba a un mecanismo que permite a la célula detectar cambios en el entorno, lo que influye en el cambio en la expresión génica. Comprender cómo se producen estos cambios en las cepas de ser poco patógenos o no patógenos a ser altamente patógenos y viceversa puede ayudar a desarrollar nuevas terapias para las infecciones microbianas.
Aplicaciones
La salud humana ha mejorado enormemente y la tasa de mortalidad ha disminuido sustancialmente desde la segunda guerra mundial debido a la mejora de la higiene debido a los cambios en las regulaciones de salud pública, así como a las vacunas y antibióticos más fácilmente disponibles. La patogenómica permitirá a los científicos ampliar lo que saben sobre microbios patógenos y no patógenos, lo que permitirá vacunas nuevas y mejoradas. La patogenómica también tiene implicaciones más amplias, incluida la prevención del bioterrorismo.
Vacunología inversa
La vacunación inversa es relativamente nueva. Si bien aún se están realizando investigaciones, ha habido avances con patógenos como el estreptococo y la meningitis . Los métodos de producción de vacunas, como los bioquímicos y serológicos, son laboriosos y poco fiables. Requieren que los patógenos sean in vitro para ser efectivos. Los nuevos avances en el desarrollo genómico ayudan a predecir casi todas las variaciones de patógenos, haciendo así avances en las vacunas. Se están desarrollando vacunas a base de proteínas para combatir patógenos resistentes como Staphylococcus y Chlamydia .
Contrarrestar el bioterrorismo
En 2005 se completó la secuencia de la influenza española de 1918 . Junto con el análisis filogenético , fue posible proporcionar una descripción detallada de la evolución y el comportamiento del virus, en particular su adaptación a los humanos. Tras la secuenciación de la gripe española, también se reconstruyó el patógeno. Cuando se insertó en ratones, el patógeno resultó ser increíblemente mortal. 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, y los soldados fueron vacunados para un ataque de viruela . Utilizando tecnologías y conocimientos adquiridos a partir de la reconstrucción de la influenza española, puede ser posible prevenir futuros brotes mortales de enfermedades plantadas. Sin embargo, existe una gran preocupación ética en cuanto a si la resurrección de virus antiguos es necesaria y si hace más daño que bien. La mejor vía para contrarrestar tales amenazas es la coordinación con las organizaciones que brindan inmunizaciones. La mayor conciencia y participación disminuiría en gran medida la efectividad de una posible epidemia. Una adición a esta medida sería monitorear los reservorios naturales de agua como base para prevenir un ataque o brote. En general, la comunicación entre los laboratorios y las grandes organizaciones, como la Red Global de Alerta y Respuesta ante Brotes (GOARN), puede conducir a una detección temprana y prevenir brotes.
Ver también
Referencias
