El descubrimiento de la historia humana a partir de bacterias del estómago

El descubrimiento de la historia humana a partir de bacterias estomacales
Abstract
Recientes análisis de patógenos humanos han revelado que sus historias evolutivas son congruentes con el modelo planteado la hipótesis de antiguas y modernas migraciones de población humana. árboles filogenéticos de las cepas de la bacteria Helicobacter pylori y la
polioma virus JC tomada desde geográficamente diversos grupos de seres humanos se correlacionan estrechamente con las relaciones de las poblaciones en las que se encuentran.
Charles Darwin reconoció que la distribución y la forma de parásitos era evolutiva significativa. Señaló, por ejemplo, que "... el piojo [piojos] recogido en diferentes países de las diferentes razas humanas ... difieren, no sólo en el color, sino en la estructura de sus garras y extremidades. En todos los casos en que muchos especímenes se obtuvieron las diferencias eran constantes "[1]. Más recientemente, varios grupos de investigación [2-7] han encontrado correlaciones interesantes entre las relaciones evolutivas entre las diferentes cepas bacterianas y virales alojados por los seres humanos y el patrón de las migraciones de los humanos modernos en todo el mundo.
Un caso particularmente interesante es el de Helicobacter pylori
, una bacteria Gram-negativa asociada con la gastritis, úlcera péptica y cáncer gástrico que pueden infectar hasta la mitad de todos los seres humanos [8]. El descubrimiento de que una infección bacteriana podría conducir a enfermedades crónicas que fueron considerados [8] fue un ejemplo llamativo el hecho de que las enfermedades infecciosas todavía no se han conquistado. La continuidad de la epidemia del síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA), los brotes de Ébola en África central, y la propagación actual del virus del Nilo Occidental en los Estados Unidos y del síndrome respiratorio agudo severo (SARS) de Asia proporcionan evidencia de la extensión y consecuencias para la salud de agentes infecciosos, incluso en la edad de vacunación y antimicrobiano y terapias antivirales. Se cree que muchas enfermedades infecciosas que han surgido simultáneamente con el desarrollo de la agricultura y el aumento de la vida urbana. Si, en cambio, las relaciones de muchos patógenos 'con los seres humanos son mucho más antiguos, no sería sorprendente encontrar asociaciones evolutivas más profundas entre los humanos y su microbiana y los invasores virales. México La historia evolutiva de H. pylori
puede proporcionar un ejemplo de la coevolución de una bacteria y su huésped sólo se conoce. El H. pylori
genoma es relativamente pequeño en 1,67 megabases, con un complemento mínimo de genes metabólicos [9]. La variación entre H. pylori
aislados de diferentes personas o incluso de una persona es grande, lo que lleva a las huellas dactilares únicas para casi cada aislado de lo que va escrito. Los genes que codifican no son muy diversas, sin embargo: la mayor parte de la variación se produce en la tercera posición de los codones de base dentro oa través de inversiones o translo-cationes, dejando las secuencias de aminoácidos codificados relativamente similares [2]. Esta conservación de la secuencia de aminoácidos es una suerte para la investigación de vacunas, ya que es probable que sea eficaz en muchas cepas de una vacuna. Más interesante es el hecho de que H. pylori
tiene una muy alta tasa de recombinación, más alto, de hecho, que la de cualquier otro organismo caracterizado hasta la fecha [3, 10].
Normalmente, una alta tasa de recombinación tales haría hacer inferir la historia evolutiva de un organismo muy difícil, ya que la información sobre el origen de cada mutación se perdería ya que se propaga a lo largo de una población. Pero junto con el modo de transmisión de H. pylori
, esta extremadamente alta tasa de recombinación puede de hecho hacer inferencias evolutivas más fácil. Varios estudios sugieren fuertemente que la H. pylori
normalmente se transmite dentro de las familias, en general, de madre a hijo [11, 12]. Por lo tanto, la transmisión de H. pylori
en cierto modo imita a la del ADN mitocondrial transmitido por vía materna [13]. Ya que el ADN mitocondrial se transmite únicamente a partir de uno de los padres (la madre) y no se recombina, ha demostrado ser un sistema genético ideal para inferir la historia evolutiva humana (véase más adelante) [14, 15]. Si H. pylori
es, en efecto predominantemente transmitido por vía materna, nuevas cepas por lo general no infectan a una persona durante su vida; junto con la alta tasa de recombinación, esto significaría que las mutaciones que se acumulan dentro de la población de bacterias en el estómago de un individuo serán relativamente homogénea. Esto debe resultar en un enjambre de cepas que están muy estrechamente relacionados entre sí, que contiene muchas de las mutaciones que se han producido en bacterias individuales. Los enjambres se encuentran en diferentes personas por lo tanto ser más diferentes entre sí que si había menos de recombinación.
Mayoría de las enfermedades infecciosas se propagan rápidamente por todo el mundo y cepas de diferentes regiones son relativamente similares, pero el muestreo inicial de H. pylori
de personas de diferentes regiones del mundo revelado bastante fuerte compartimentación geográfica en Asia H. pylori
tipos europeos y [2-4]. Recientemente, Falush y colegas [5] han examinado esta partición con mayor detalle. Después de la secuenciación de ocho genes - un total de 3.850 nucleótidos - en 370 cepas derivadas de 27 poblaciones humanas, se encontraron con 1.418 posiciones de nucleótidos polimórficos. Luego aplicaron una nueva herramienta analítica, ESTRUCTURA [16], que fue desarrollado para inferir la estructura genética humana a partir de datos de genotipo multilocus. El programa utiliza métodos bayesianos para identificar subgrupos con frecuencias de los alelos distintivos, y cúmulos de los subgrupos, incluso en la presencia de recombinación [16]. Cuando esta técnica se aplica a las secuencias de la H. pylori
, se encontraron cuatro grupos principales - dos de África y uno de Europa y Asia (Figura 1a) [5]. Figura 1 Las relaciones entre las poblaciones humanas, tal como se calcula a partir de H. pylori
ha encontrado en los estómagos y a partir de datos de ADN mitocondrial. (A) Las relaciones entre las subpoblaciones modernas de H. pylori
[5]. Cada subpoblación se representa por un círculo con un diámetro proporcional a la diversidad genética dentro de ella. Los centros de los círculos están unidos por un árbol filogenético que muestra las relaciones entre las cuatro subpoblaciones. Las bacterias en cada subpoblación se encuentran predominantemente en las personas que se originan en las regiones que se muestran. (B) Un árbol filogenético a nivel de población de la H. pylori
subpoblaciones geográficas se muestra en (a). (C) Una mediana de unión a la red de las poblaciones humanas derivadas de ADN mitocondrial [14]. Dicha red muestra las relaciones evolutivas posibles alternativas entre las agrupaciones. Cada círculo representa un grupo de tipos mitocondriales con un diámetro proporcional a la frecuencia de ese tipo dentro de las subpoblaciones. Todas las poblaciones no africanas se derivan de un linaje africano; se amplía la red de relaciones dentro de este linaje (arriba). (A, b) adaptado a partir de [5]; (C) adaptado de [14]
Cada grupo encontrado por Falush y colegas [5] puede dividirse en subgrupos.; por ejemplo, el grupo de 'Africa 1' podría subdividirse en subgrupos Oeste y Sur de África, y el grupo de Asia Oriental podría dividirse en Asia oriental, Indios Americanos, y subclusters maoríes. La división geográfica dentro de las 200 cepas europeas ha sido especialmente complicado, presumiblemente debido a que numerosos grupos han barrido hacia atrás y adelante a través de Europa en los últimos milenios. cepas europeas también de vez en cuando aparecieron en el continente americano, Australia, y entre los sudafricanos, es de suponer que refleja la conquista colonial. México La relaciones filogenéticas de estos grupos (Figura 1b) y sus subdivisiones [5] muestran un patrón similar al obtenido usando ADN mitocondrial variación (Figura 1c) [14, 15]. El moderno reserva de genes humanos, según se infiere de ADN mitocondrial y corroborado por los estudios del cromosoma Y, se cree que han tenido un origen africano hace unos 150.000-200.000 años [14, 15, 17, 18]. La población humana original luego se extendió y diversificó a través de África para alrededor de 100.000 años, antes de expandirse a Asia occidental y Europa y en Asia meridional y oriental hace aproximadamente 50.000-60.000 años, en sustitución de las poblaciones arcaicas existentes de los seres humanos en estas regiones. migraciones posteriores extendieron en Australia por 40.000 años atrás, y luego a las islas del Pacífico, y más tarde en América del Norte, hace aproximadamente 15.000 años (Figura 2) [14, 15, 17, 18]. La notable similitud entre esta visión de la historia de la humanidad y los resultados de los estudios de H. pylori
han llevado Falush y colegas [5], así como otros [2] a la conclusión de que H. pylori
evolución ha seguido el camino de la expansión humana moderna y la migración. Por tanto, este trabajo proporciona otro tipo de datos para el análisis de la evolución humana y la migración, independiente del ADN mitocondrial y el cromosoma Y, que será de gran valor en estudios posteriores. Desafortunadamente, sin embargo, la estimación de la divergencia data de H. pylori
es particularmente difícil, debido a la extremadamente alta tasa de recombinación [10]. de muestreo y técnicas analíticas pueden ser necesarios para poner a prueba la hipótesis migratoria. Figura 2 Un mapa del patrón de expansión y la migración de los humanos modernos en todo el mundo, derivada de los estudios de ADN mitocondrial e Y cromosomas [14, 15, 17, 18]. Los números indican el tiempo aproximado (en años antes del presente) cuando los humanos modernos aparecieron por primera vez en la región indicada también se han propuesto.
Otros patógenos seguir historias evolutivas similares a sus anfitriones. Uno de los ejemplos más interesantes, aunque con un huésped no humano, es el de los áfidos, una bacteria que se encuentra dentro de ellos, y dos plásmidos asociados a la bacteria. Funk et al.
[19] encontró que las filogenias inferidas intraspecifrc de estos cuatro genomas son completamente congruentes. Volviendo a los patógenos humanos, el virus JC poliomavirus humano (JCV) se puede dividir en genotipos que corresponden a las grandes masas de tierra continentales [6]. Al igual que H. pylori
, JCV - que puede causar leucoencefalopatía multifocal progresiva (pérdida de la mielinización en el sistema nervioso central) - está muy extendido entre los seres humanos como resultado de la transmisión familiar. Se ha definido un total de 12 subtipos conocidos, con Europa, África, Asia y distribuciones [7]. Aunque inferencias directas de un origen africano para JCV son problemáticas porque no hay ningún grupo externo adecuado con el que a raíz del árbol filogenético, cuando se asume un origen africano, una historia evolutiva razonable puede ser la hipótesis (Figura 3) [7]. Al igual que con H. pylori
, inferir la divergencia molecular data esta actualmente problemático para JCV. La investigación adicional sobre la historia evolutiva de estos patógenos humanos es, por tanto, necesario. Figura 3 Relaciones de poliomavirus humano virus JC (JCV) subtipos se encuentran en los seres humanos de diferentes partes del mundo [7]. Las letras se refieren a los subtipos individuales. (A) El patrón de la hipótesis de la propagación del virus JC subtipos a través del mundo (con exclusión de las Américas); (B) una filogenia inferirse de los subtipos de virus JC, asumiendo un origen africano para el virus. Adaptado de [7].
Dilucidar los patrones de evolución de patógenos humanos en última instancia, pueden proporcionar evidencia adicional no sólo sobre su historia, sino también sobre la evolución humana y de la historia. Esto será especialmente cierto para los agentes patógenos tales como H. pylori
que tienen un modo predominantemente madre-hijo de la transmisión, que simulan la evolución del ADN mitocondrial. papel causal H. pylori
's en varias enfermedades crónicas del estómago es sólo uno de muchos ejemplos actuales de la función conocida o sospechada de un agente infeccioso que conduce a enfermedades crónicas. Las bacterias son sospechosos de estar involucrados en el desarrollo de arteriosclerosis, apoplejía, y enfermedad de Crohn, mientras que los virus son conocidos por causar el SIDA y las diversas formas de hepatitis crónica. cáncer de cuello uterino, carcinoma hepatocelular, linfoma de Burkitt, el sarcoma de Kaposi, y tal vez la diabetes mellitus también se conoce o sospecha que es de origen viral. Si algunas de las enfermedades crónicas ubicuos llegar a ser de origen bacteriano o viral, las encuestas mundiales de estos patógenos en las poblaciones humanas deben llevarse a cabo de inmediato, por lo que el conocimiento sobre la evolución y la diversidad de estos patógenos se pueden incorporar en los programas de investigación diseñados para mejorar las condiciones que causan.

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