¿Cómo difieren los genomas virales, procariotas y eucariotas con respecto a la genética de poblaciones, la epidemiología y la biología evolutiva?

Prefacio:

Lo siento, pero esto es largo y mi sesgo de conocimiento hacia los procariotas muestra claramente. Siéntase libre de omitir hasta el final, donde he escrito las preguntas restantes, y solo hago referencia al texto del cuerpo según sea necesario. Gracias de antemano a cualquiera que lea esto y pueda ayudar con las preguntas al final.

Procariotas:
Arquitectura del genoma: Los procariotas están compuestos de bacterias y arqueas. Sus genomas consisten en una molécula de ADN haploide, circular, de doble cadena (es decir, una copia de un cromosoma). Los procariotas también pueden contener elementos genéticos móviles no cromosómicos como: elementos transponibles, plásmidos que contienen genes menos esenciales o genes de resistencia a antibióticos, elementos de bacteriófagos o intrones del Grupo I / II. Los procariotas tienen una mayor densidad de genes porque los genes bacterianos están organizados en operones con múltiples secuencias codificantes de proteínas que se transcriben como una unidad. Los genomas de procariotas tampoco tienen intrones, menos codones que eucariotas y menos segmentos no codificantes. Muchas especies bacterianas han sufrido degradación genómica que resulta en una disminución en el tamaño del genoma de su estado ancestral (probablemente por sesgo de deleción). En los parásitos recientemente formados y facultativos, hay una acumulación de pseudogenes y elementos transponibles debido a la falta de presión selectiva contra las deleciones.

Los ribosomas de eucariotas y procariotas son muy similares, lo que indica ancestros comunes, pero difieren en su tamaño, secuencia, estructura y la relación de proteína a ARN. Las diferencias en la estructura de los ribosomas permiten que algunos antibióticos maten a las bacterias al inhibir sus ribosomas, mientras que dejan a los ribosomas humanos intactos. En Prokaryotes, todos los genes de ARNr se organizan típicamente como un operón co-transcrito y puede haber una o más copias del operón dispersas en el genoma. En bacterias y arqueas, más de un ribosoma puede moverse a lo largo de una sola cadena de ARNm a la vez, cada uno “leyendo” su secuencia mientras produce una molécula de proteína correspondiente. Esto puede resultar en una traducción más rápida y eficiente. Además, las bacterias hacen un uso generalizado de la metilación del ADN post-replicativa para el control epigenético de las interacciones ADN-proteína y tienen fragmentos de ARNs no codificantes que controlan la expresión génica, incluidos los genes de virulencia en los patógenos.

Reproducción: los procariotas se someten a una constante replicación asexual mediante fusión binaria. Es más rápido que la mitosis / meiosis debido a la ausencia de necesidad de clasificación cromosómica, alineación, etc. La replicación comienza en el cromosoma bacteriano en una secuencia específica de nucleótidos llamada origen y continúa en ambas direcciones. La fusión binaria es una forma semiconservativa de replicación porque cada célula hija tiene una copia de una cadena de ADN original. El crecimiento ocurre a través de cuatro fases: retraso, registro, estacionario y muerte. La heredabilidad entre generaciones es absoluta, dada su naturaleza asexual.

Fuente (s) de variación: las mutaciones junto con los tiempos de generación cortos y la recombinación genética a través de la transferencia horizontal de genes (HGT) son las principales fuentes de variación genética. HGT puede ocurrir a través de conjugación, transformación y transducción. Las bacterias a menudo forman biofilms que facilitan HGT y pueden conducir a una estructura de biopelícula más estable. La genética de población de la adaptación bacteriana tiene dos regímenes contrastantes. 1.) Cuando el producto de la tasa de mutación beneficiosa y el tamaño de la población es pequeño, las poblaciones asexuales siguen un “régimen de sucesión” de dinámica de fijación de origen, con una tasa de adaptación fuertemente dependiente de este producto. 2.) Cuando el producto es mucho más grande, las poblaciones asexuales siguen un régimen de “mutaciones concurrentes” con una tasa de adaptación menos dependiente del producto, caracterizada por la interferencia clonal y la aparición de una nueva mutación beneficiosa antes de que la última se haya arreglado.

Ecología: Las bacterias secretan con frecuencia productos químicos en su entorno para modificarlo favorablemente. Las secreciones a menudo son proteínas y pueden actuar como enzimas que digieren alguna forma de alimento en el ambiente. El ADN extracelular (eADN), a menudo liberado por la muerte celular, es casi ubicuo en el medio ambiente. Su concentración en el suelo puede ser tan alta como 2 μg / L, y su concentración en ambientes acuáticos naturales puede ser tan alta como 88 μg / L. El eDNA puede facilitar la transferencia horizontal de genes y proporcionar fuentes adicionales de variación genética.

Eucariotas:
Arquitectura del genoma: los eucariotas pueden tener ADN haploide (por ejemplo, ameba asexual o gametos humanos), ADN diploide (por ejemplo, la mayoría de las células somáticas de mamíferos) o ADN poliploide (por ejemplo, muchas plantas). En cada caso, el ADN es bicatenario, lineal y organizado en cromosomas agrupados. Las células eucariotas también pueden contener material genético no integrado cromosómicamente a partir de mitocondrias, cloroplastos y / o elementos genéticos móviles como elementos transponibles, plásmidos (raramente), elementos virales o intrones del Grupo I / II. La abundancia de transposones a menudo resulta en duplicaciones de genes. Los eucariotas muestran varias diferencias con respecto a los procariotas en la expresión génica, la producción de proteínas y la regulación genómica. Por ejemplo, los eucariotas utilizan fácilmente la cromatina para empaquetar el ADN en una forma más compacta y más densa, para reforzar la macromolécula del ADN para permitir la mitosis, prevenir el daño del ADN y controlar la expresión génica y la replicación del ADN. Las regiones promotoras eucariotas son mucho más complejas y difíciles de identificar que los promotores procariotas. Los eucariotas también tienen exones e intrones dentro de las secuencias de codificación de proteínas y una alta variación de ADN repetitivo. En mamíferos y plantas, la mayor parte del genoma se compone de ADN repetitivo con muchas copias de los genes de rRNA organizados en repeticiones en tándem. Además, los genes pueden tener regiones reguladoras de muchas kilobases aguas arriba o aguas abajo del marco de lectura abierto. Los eucariotas usan miRNAs no codificantes para regular (a menudo hacia abajo) una gran variedad de funciones biológicas. El 60% de los genes codificadores de proteínas humanas están regulados por miRNAs con muchos miRNAs regulados epigenéticamente. Finalmente, existe un rompecabezas complejo que rodea la amplia variación en el tamaño del genoma nuclear entre las especies eucarióticas, a diferencia de las procariotas que demuestran una relación lineal entre el número de genes y el tamaño del genoma.

Reproducción: la reproducción eucariota es más lenta y más compleja que la reproducción procariota. Algunas células eucariotas se reproducen asexualmente a través de la mitosis, mientras que otras células pueden reproducirse sexualmente a través de la meiosis. Ambos procesos son significativamente más lentos que la fusión binaria procariota debido al ciclo celular más complejo (compuesto por las fases G1, S, G2 y M). Además, la replicación de células somáticas eucarióticas tiene problemas derivados de la erosión genética asociada con el recubrimiento imperfecto de los extremos de los cromosomas lineales. Después de la replicación en células somáticas, hay un extremo colgante residual en la cadena 5′-3 ‘parental que la hace susceptible a la digestión y la erosión genética debido a que hay menos telomerasas activas para cerrar el extremo como en las líneas celulares germinales. Además, las células eucariotas tienen mucho más material genético, un empaquetado de ADN mucho más denso (nucleosomas que consisten en ADN enrollado alrededor de las histonas, andamiaje de ADN y empaquetamiento de mayor orden), y las ADN polimerasas que se encuentran en los eucariotas funcionan mucho más lentamente. Algunos de estos problemas de replicación se alivian al tener más sitios de iniciación (en lugar de un solo origen como se encuentra en los procariotas). Beneficiosamente, la reproducción sexual proporciona una fuente de variación genética y permite la complementación genética (el enmascaramiento de alelos recesivos perjudiciales en individuos híbridos). Este beneficio puede ser un factor importante en el mantenimiento de la reproducción sexual entre eucariotas.

Fuente de variación: la reproducción sexual en organismos diploides permite nuevas combinaciones de alelos a través de surtido independiente, cruzamiento y translocación cromosómica. Mientras que la heterocigosidad en un locus disminuye con el tiempo a medida que los alelos se fijan o pierden en la población, la variación se mantiene en la población a través de nuevas mutaciones y flujo de genes debido a la migración entre las poblaciones.

Virus:
Arquitectura del genoma: los genomas virales pueden ser haploides o diploides y constar de ADN o ARN. El material genético también podría ser de cadena simple o bicatenario y circular, lineal o segmentado en su disposición. Los virus son considerados por algunos como una forma de vida, porque transportan material genético, se reproducen y evolucionan a través de la selección natural, pero debido a que son parásitos obligados sin estructura celular, su estado como organismos vivos es cuestionable.

Reproducción: los virus no pueden reproducirse sin un huésped y no se ven afectados por muchos procesos genéticos, por lo que tienden a no ser considerados organismos vivos. Los bacteriófagos son una clase particular de virus que infectan preferentemente a las bacterias. Los fagos infectan las bacterias uniéndose a factores de superficie de la membrana bacteriana compatibles e inyectan su material genético en el citoplasma bacteriano. A los pocos minutos de la infección inicial, los ribosomas bacterianos comienzan a traducir el ARNm viral en proteína. Para los fagos basados ​​en ARN, RNA replicasa se sintetiza al principio del proceso. Las proteínas modifican la ARN polimerasa bacteriana por lo que transcribe preferentemente el ARNm viral. La síntesis normal del huésped de proteínas y ácidos nucleicos se ve interrumpida y en su lugar se ve forzada a fabricar productos virales. Estos productos pasan a formar parte de nuevos viriones dentro de la célula, proteínas auxiliares que ayudan a ensamblar los nuevos viriones o proteínas involucradas en la lisis celular.

Existen muchos tipos de bacteriófagos, algunos simplemente infectan y lisan sus bacterias hospedadoras, mientras que otros se insertan en el cromosoma bacteriano. Con los fagos líticos como el fago T4, las células bacterianas se lisan y se destruyen después de la replicación inmediata del virión. Tan pronto como se destruye la célula, la progenie del fago puede encontrar nuevos huéspedes para infectar. Por el contrario, el ciclo lisogénico no da como resultado la lisis inmediata de la célula huésped. Su genoma viral se integrará con el ADN del huésped y se reproducirá junto con él de manera relativamente inofensiva, o incluso se establecerá como un plásmido. El virus permanece inactivo hasta que las condiciones del huésped se deterioran. En este punto inician el ciclo reproductivo, dando como resultado la lisis de la célula huésped. Como el ciclo lisogénico permite que la célula hospedadora continúe sobreviviendo y reproduciéndose, el virus se replica en todas las crías de la célula.

Fuente de variación: Un genoma segmentado facilita el re-surtido genético entre diferentes cepas virales, cuando están presentes en la misma célula. Los genomas de bacteriófagos pueden ser muy mosaicos, es decir, el genoma de muchas especies de fagos parece estar compuesto por numerosos módulos individuales. Esto puede ocurrir a través de la transducción, el proceso por el cual el ADN extraño se introduce en el cromosoma bacteriano del huésped y más tarde el ADN del fago se autoexcide del cromosoma, usualmente llevando fragmentos del cromosoma bacteriano (lo que resulta en una nueva variación genética). Este nuevo material genético se replica, lisa la célula huésped y luego infecta a otras bacterias. Este proceso introduce nuevos genes bacterianos en otros huéspedes y facilita la transferencia horizontal de material genético viral y bacteriano entre otras cepas virales que coinfectan al mismo huésped. Además de obtener nuevo material genético de otros virus y bacterias, los bacteriófagos a menudo contribuyen al fenotipo del huésped bacteriano (es decir, inducir la patogénesis). Las bacterias resisten la infección de fagos mediante sistemas de modificación de restricción que degradan el ADN extraño y un sistema que usa secuencias CRISPR para retener fragmentos de los genomas de fagos con los que las bacterias han entrado en contacto en el pasado, lo que les permite bloquear la replicación del virus mediante una forma de Interferencia de ARN. Este proceso a menudo resulta en la inmunidad adquirida dentro de las células bacterianas del huésped y puede impulsar dinámicas co-evolutivas dentro de estas poblaciones de interacción.

Ecología: Los fagos están ampliamente distribuidos en lugares poblados por huéspedes bacterianos, como el suelo o los intestinos de animales. Una de las fuentes naturales más densas para los fagos y otros virus es el agua de mar, donde hasta 9 × 10 ^ 8 viriones por mililitro se han encontrado en esteras microbianas en la superficie y hasta el 70% de las bacterias marinas pueden estar infectadas por fagos. Han sido utilizados durante más de 90 años como una alternativa a los antibióticos en la antigua Unión Soviética y Europa Central, así como en Francia. Se consideran una posible terapia contra las cepas resistentes a múltiples fármacos de muchas bacterias.

Preguntas restantes:
Puedo determinar las implicaciones evolutivas y epidemiológicas que surgen de los genomas procariotas, eucariotas y virales, pero ¿qué información nos pueden decir los genomas procariotas o virales sobre la estructura genética de sus poblaciones?

La estructura genética de la población en una especie diploide de reproducción sexual se puede evaluar si las frecuencias de genotipo siguen las proporciones de Hardy-Weinberg en función de las frecuencias de los alelos. Pero, ¿qué pasa con las poblaciones de organismos asexuales haploides? Los principios de Hardy-Weinberg no se aplicarían, y usted no podría calcular sus coeficientes de endogamia o depresión endogámica (por naturaleza de ser asexual). Además, supongo que otras herramientas / métricas genéticas de poblaciones comunes difieren en genomas eucarióticos, procarióticos o virales, pero no estoy seguro de cómo. Los ejemplos que tengo en mente incluyen: tamaño efectivo de la población, estadísticas F (FIT, FIS y FST), desequilibrio de ligamiento, frecuencias alélicas, aplicación de la teoría coalescente y, finalmente, la utilidad de la genómica comparativa y la historia demográfica.

Relacionado, ¿las fuerzas de la mutación, la selección, la deriva y / o el flujo de genes actúan de forma diferente a través de estos tipos de genoma? Por ejemplo, la teoría neutral predice que el nivel de diversidad genética en una población será proporcional al producto del tamaño de la población y la tasa de mutación neutral. ¿Esta predicción se mantiene en los tres tipos de genoma?

Sé que el desequilibrio de ligamiento está influenciado por muchos factores, que incluyen: la selección, la tasa de recombinación, la tasa de mutación, la deriva genética, el sistema de apareamiento, la estructura de la población y la vinculación genética. El patrón de desequilibrio de ligamiento en un genoma es una señal poderosa de los procesos genéticos de la población que lo están estructurando. Sin embargo, estoy bastante confundido por lo que he leído sobre la vinculación genética en poblaciones asexuadas: “la vinculación es completa, y las ecuaciones genéticas de la población pueden derivarse y resolverse en términos de una ola itinerante de frecuencias genotípicas a lo largo de un paisaje de ejercicio simple”. , Estoy perdido aquí … ¿qué puede decirnos la vinculación en los genomas asexuales sobre la estructura genética y los procesos que actúan sobre la población?