Estudios genómicos y dinámica evolutiva en Helicobacter pylori
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García Zea, Jerson AlexanderEditorial
Universidad de Granada
Director
Ruiz Rejón, CarmeloDepartamento
Universidad de Granada. Programa de Doctorado en Biología Fundamental y de SistemasMateria
Helicobacter pylori Genoma
Date
2022Fecha lectura
2022-06-03Referencia bibliográfica
García Zea, Jerson Alexander. Estudios genómicos y dinámica evolutiva en Helicobacter pylori. Granada: Universidad de Granada, 2022. [http://hdl.handle.net/10481/75451]
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Tesis Univ. Granada.Abstract
En esta tesis hemos llevado a cabo un análisis genómico, poblacional y evolutivo de la bacteria
H. pylori junto a varias especies del mismo género. H. pylori es reconocida como uno de los
patógenos obligados humanos más comunes que coloniza el estómago y el duodeno en la mitad
de la población humana, causando inflamación que puede desarrollar úlceras y cáncer gástrico.
Esta especie presenta un comportamiento poblacional panmíctico, con frecuente recombinación
homóloga mutua y mostrando una gran diversidad en términos de estructura del genoma y
composición de genes, así como una alta variación en secuencia de nucleótidos debido a la
elevada tasa de mutación y recombinación.
Como hemos podido comprobar, el genoma de esta bacteria presenta una longitud media de
1.621.671+- 43.785 bp con un contenido medio de G/C del 40% por lo que se encuadraría dentro
del grupo de genomas bacterianos pequeños de ∼2 Mb. Esta reducción en el tamaño está en
concordancia con otras bacterias patógenas de vida libre en ambientes extremos.
Igualmente, el contenido génico también es bajo, teniendo una media de 1.551+- 42 genes por
genoma y un genoma central constituido por 802 genes. Ambos valores obtenidos en esta Tesis
son más bajos que en otros estudios previos de esta misma especie. Estas diferencias podrían
ser debidas a varias causas entre ellas: el diferente número de cepas incluido en cada análisis,
el programa de cálculo y los respectivos filtros de significación del genoma central usado, así
como la inclusión en alguno de estos estudios de genes parálogos y ortólogos conjuntamente.
Sin embargo, podemos señalar que el tamaño de 802 genes para el genoma central no es
extraordinario ya que, por ejemplo, las Actinobacteria de vida libre presentan un genoma de
aproximadamente 800 genes.
Sin embargo, a pesar del reducido tamaño de su genoma en nucleótidos y en genes esta
bacteria presenta una enorme variabilidad lo que se manifiesta en la gran cantidad de SNPs que
presentan los genes del genoma central en el conjunto de las 53 cepas analizadas. Esta gran
variabilidad permite clasificar en un número cada vez mayor las diferentes subpoblaciones
geográficas al inicialmente propuesto en función del análisis para solo siete genes del genoma.
Esta observación de tan alta variabilidad no es excepcional para H. pylori ya que la
secuenciación de un gran número de genomas procarióticos y la comparación de secuencias de
especies estrechamente relacionadas han puesto de manifiesto una alta frecuencia en un gran
repertorio de variaciones genómicas, que pueden ir desde variaciones de un solo nucleótido
hasta eventos de inserción-deleción de grandes bloques cromosómicos. El origen de esta gran cantidad de variabilidad puede tener varias explicaciones, ninguna de
ellas mutuamente excluyentes. Entre estos podemos señalar: I) estilo de vida II) subproductos de
recombinación ilegítima (recombinación homóloga) III) mecanismo de reparación no homólogo
impreciso durante la replicación aberrante del ADN para reparar horquillas de replicación rotas y
IV) presencia de elementos repetidos en su genoma.
Como resultado de los procesos erróneos de recombinación hemos podido comprobar que las
inversiones son la mutación cromosómica más frecuente, existiendo inversiones características
de cada región, existiendo subgrupos dentro de ellas que han podido producirse por procesos de
deriva genética.
Esta misma asociación se produce cuando se realiza un análisis estructural y filogenético en
base a los SNPs detectados, ya que podemos observar un patrón geográfico en el que es
posible, en general, asignar cada cepa según su origen. También identificamos hasta seis cepas
híbridas, cuatro de ellas por primera vez en este trabajo y cuyo genoma es el resultado de la
recombinación de, al menos, tres genomas de origen geográfico diferente. En este sentido
también hemos comprobado la gran influencia que el flujo génico tiene en la estructura
poblacional de esta especie, produciendo una gran cantidad de mezcla entre distintas regiones
geográficas, existiendo regiones donadoras y otras receptoras.
También hemos podido comprobar que, además de los mecanismos mencionados que
contribuyen a la conformación del genoma, en H. pylori la evolución concertada y la selección
juegan un papel importante en su dinámica evolutiva. Así, para siete genes duplicados,
encontramos pruebas de evolución concertada es decir, de homogenización de secuencias
intergénicas para aquellas regiones del gen en las que se pudo comprobar que ocurría
recombinación.
Para poder tener una visión más amplia de la evolución de esta especie y su relación con otras
especies del género Helicobacter, hemos llevado a cabo un análisis comparativo de H. pylori con
siete especies del género. De estos análisis, podemos deducir que las cepas africanas de H.
pylori son las más relacionadas con H. acinonychis especie también de ambiente gástrico.
Por último, hemos realizado un estudio sobre los distintos sistemas inmunes que presenta el
género. Hemos comprobado que presentan una gran diversidad de sistemas en el conjunto de
especies y que casi todas las especies presentan más de tres sistemas inmunitarios, lo que les
permite una mejor defensa ante los ataques de fagos. In this thesis we have carried out a genomic, population and evolutionary analysis of the H. pylori
bacteria together with several species of the same genus. H. pylori is recognized as one of the
most common human obligate pathogens that colonizes the stomach and duodenum in half the
human population, causing inflammation that can lead to ulcers and gastric cancer. This species
presents a panmictic population behavior, with frequent mutual homologous recombination and
showing great diversity in terms of genome structure and gene composition, as well as high
variation in nucleotide sequence due to the high rate of mutation and recombination.
As we have been able to verify, the genome of this bacterium has an average length of 1,621,671
+ - 43,785 bp with an average G / C content of 40%, which is why it falls within the group of small
bacterial genomes of ∼2 Mb. This reduction in size is in concordance with other free-living
pathogenic bacteria in extreme environments.
Likewise, the gene content is also low, having an average of 1,551 + - 42 genes per genome and
a central genome made up of 802 genes. Both values obtained in this Thesis are lower than in
other previous studies of this same species. These differences could be due to several causes
including: the different number of strains included in each analysis, the calculation program and
the respective significance filters of the central genome used, as well as the inclusion in some of
these studies of paralogue and orthologous genes. jointly. However, we can point out that the
size of 802 genes for the central genome is not extraordinary since, for example, the free-living
Actinobacteria have a genome of approximately 800 genes.
However, despite the small size of its genome in nucleotides and genes, this bacterium shows
enormous variability, which is manifested in the large number of SNPs that the genes of the
central genome present in the set of 53 strains analyzed. This great variability makes it possible
to classify the different geographic subpopulations in an increasing number than the one initially
proposed based on the analysis for only seven genes of the genome.
This observation of such high variability is not exceptional for H. pylori since the sequencing of a
large number of prokaryotic genomes and the comparison of sequences of closely related
species have revealed a high frequency in a large repertoire of genomic variations, which can
ranging from single nucleotide variations to large chromosome block insertion-deletion events.
The origin of this large amount of variability can have several explanations, none of them mutually
exclusive. Among these we can point out: I) lifestyle II) illegitimate recombination by-products (homologous recombination) III) imprecise non-homologous repair mechanism during aberrant
DNA replication to repair broken replication forks and IV) presence of repeated elements in its
genome.
As a result of the erroneous recombination processes, we have been able to verify that inversions
are the most frequent chromosomal mutation, existing inversions characteristic of each region,
and there are subgroups within them that could have been produced by genetic drift processes.
This same association occurs when a structural and phylogenetic analysis is carried out based on
the SNPs detected, since we can observe a geographical pattern in which it is possible, in
general, to assign each strain according to its origin. We also identified up to six hybrid strains,
four of them for the first time in this work and whose genome is the result of the recombination of
at least three genomes of different geographical origin. In this sense, we have also verified the
great influence that gene flow has on the population structure of this species, producing a large
amount of mix between different geographic regions, with donor and other recipient regions.
We have also been able to verify that, in addition to the aforementioned mechanisms that
contribute to the conformation of the genome, in H. pylori concerted evolution and selection play
an important role in its evolutionary dynamics. Thus, for seven duplicated genes, we found
evidence of concerted evolution, that is, of homogenization of intergenic sequences for those
regions of the gene in which it was possible to verify that recombination occurred.
In order to have a broader vision of the evolution of this species and its relationship with other
species of the genus Helicobacter, we have carried out a comparative analysis of H. pylori with
seven species of the genus. From these analyzes, we can deduce that the African strains of H.
pylori are the most related to H. acinonychis species also from the gastric environment.
Finally, we have carried out a study on the different immune systems that the genus presents. We
have verified that they present a great diversity of systems in the set of species and that almost
all species have more than three immune systems, which allows them a better defense against
phage attacks.