Evolución y Enfermedad: ¿Qué convirtió la «salmonella» en maléfica?

Evolution and disease: What made Salmonella pathogenic? The versatility and frequency with which genetic interchange takes place between bacteria constitute, to a great extent, the basis of their evolutionary success. Here we examine to what extent the systematic horizontal interchange is responsible for the evolution of pathogenicity in Salmonella. Moreover, knowing what other bacterial species give Salmonella its pathogenic character can be held up as a typical example of how studying evolution can be an effective procedure in the treatment of illnesses caused by microorganisms.

     La salmonela es una bacteria responsable de varias enfermedades de los humanos y de los animales domésticos. Estas bacterias constituyen una gran amenaza para nuestra salud y bienestar, y son responsables de unos 16 millones de casos de salmonelosis (incluyendo fiebres tifoideas) y más de 500.000 muertes por año. Hasta hace poco tiempo el género Salmonella, que consta de más de 2.000 especies, se diferenciaba en función de sus serotipos, sus orígenes geográficos o los animales que son sus huéspedes. Los serotipos han sido tradicionalmente definidos en función de sus antígenos flagelares (o “H”) y lipopolisacáridos (o “O”), que son moléculas que se encuentran en la superficie de la célula bacteriana. Sin embargo, no es posible deducir las verdaderas relaciones genéticas entre los linajes de bacterias a partir de las clasificaciones y los datos serológicos. En base a métodos que pueden resolver las relaciones genéticas entre linajes, la mayoría de estos 2.000 serotipos de Salmonella se han reclasificado en una única especie denominada Salmonella enterica. Además, la mayoría de los linajes de Salmonella que son patogénicos para los humanos pertenecen a sólo una de siete subespecies en que se subdivide la especie S. enterica. Esta subespecie, que incluye el Typhi, un serotipo que provoca la fiebre tifoidea en humanos, también incluye el Typhimurium, que produce gastroenteritis en humanos y una enfermedad similar al tifus en ratones. Las estrechas relaciones de parentesco entre linajes que causan enfermedades en distintos huéspedes mamíferos han llevado a estudiar intensamente los mecanismos patogénicos del Typhimurium en ratones como modelo para comprender la enfermedad en humanos.

En lo que respecta a los humanos, la Salmonella enterica y la Escherichia coli son organismos muy diferentes. E. coli es un pariente cercano de Salmonella (ver figura), pero a diferencia de esta, es un residente inofensivo de la flora intestinal de los mamíferos, incluyendo los humanos un comensal inofensivo y de la E. coli (figura 2). Sin embargo, en base a un gran numero de criterios moleculares y genéticos, estas dos especies de bacterias son muy similares. Por ejemplo, los cromosomas del Escherichia coli y del patógeno Typhimurium son del mismo tamaño, y ambos comparten alrededor del 90% de sus genes. Considerando la gran similitud genética, ¿cuál es el origen de las diferencias que hacen del E. coliSalmonella un patógeno?

El antecessor común del E.Coli y la Salmonella

Se ha estimado que E. coli y Salmonella divergieron a partir de un antecesor común hace alrededor de 100 millones de años, coincidiendo con el origen de los mamíferos. Por tanto, es probable que alguna de las características únicas de los mamíferos, como la homeotermia, el ambiente intestinal mamífero, e incluso la disponibilidad del azúcar de la leche (lactosa), proporcionaron un nuevo nicho ecológico que permitió la divergencia entre la Salmonella y el E.coli.
¿Cuáles fueron las características del organismo ancestral que dio origen a estas dos especies de bacteria? Aunque es difícil reconstruir muchos de los acontecimientos que ocurrieron en el pasado lejano, basandose en consideraciones ecológicas y genéticas, podemos deducir que el antecesor común del E. coli y la Salmonella fue muy probablemente un organismo comensal de los reptiles. Esto significaría que la Salmonella de algún modo evolucionó en un patógeno y se supone que el E. coli cambió de ser un organismo patógeno a un comensal. Parece que el E. coli, así como sus ancestros, están predispuestos a convertirse en patógenos.

En consonancia con la noción de que la Salmonella se originó a partir de un organismo comensal, un gran número de genes (alrededor de 50 según un recuento reciente) que se requieren para la virulencia de la Salmonella están también presentes en E. coli. Estos genes codifican enzimas responsables de la biosíntesis de nutrientes que son escasos dentro de los tejidos del huésped, factores reguladores transcripcionales y posttranscripcionales, proteínas necesarias para reparar daños en el DNA, y productos necesarios para defenderse de los antibióticos producidos por sus huéspedes; resumiendo, aquellos genes que se requieren para interactuar con un organismo huésped y sobrevivir dentro de él.

Qué convierte la Salmonella en patógena

La Salmonella típicamente se adquiere a través del consumo de agua o comida contaminada y debe resistir el bajo pH del estómago antes de adherirse a las células del epitelio intestinal y penetrar en su interior. Aquellos microorganismos invasores que causan enfermedades sistémicas también deben ser capaces de sobrevivir en la sangre y replicarse en los macrófagos del hígado y del bazo. Y aquellos microorganismos que causan infecciones crónicas muchas veces se ocultan en la vesícula biliar de los individuos infectados. Dado este único y complejo ciclo de vida, nos planteamos que, además del gran número de genes que comparten el E. coli y la Salmonella, debía haber genes específicos de la Salmonella responsables de las interacciones particulares que se dan entre este patógeno y sus huéspedes. Así, hace pocos años, empezamos a examinar el papel en la virulencia de genes que sólo se presentan en (específicos de) la Salmonella.

Investigando la función de las regiones del cromosoma específicas de Salmonella, descubrimos varios genes que le confieren la habilidad para invadir y sobrevivir dentro de las células del huésped (habilidades que son fundamentales para el ciclo de vida de la Salmonella en los animales infectados). Ahora sabemos que estos genes son parte de un grupo (cluster) muy grande de genes que está presente en Salmonella pero no en E. coli. Estos grupos (clusters) de genes virulentos que están presentes en los patógenos, pero ausentes en las bacterias benignas estrechamente emparentadas, se han denominado “islas de patogenicidad”. Nosotros hemos estudiado la secuencia de DNA completa y las funciones de muchos de los genes que constituyen una de estas islas, concretamente la denominada “isla de patogenicidad de la Salmonella 1” (SPI-1).

¿Cómo se originan las islas de la patogenidad?

¿Cuál es el origen de los genes que solo están presentes en una especie? La transferencia horizontal de genes, es decir, la adquisición de genes procedentes de especies lejanamente emparentadas, ofrece al organismo receptor una forma muy rápida de adquirir nuevas funciones. La isla de patogenicidad que hemos estudiado posee varias características que indican que la Salmonella la adquirió por transferencia horizontal de genes. En primer lugar, esta isla de patogenicidad (SPI-1) posee una proporción de las bases nitrogenadas guanina y citosina (42 % G+C) diferente del resto del genoma de la Salmonella (52% G+C). Puesto que el contenido en estas bases es bastante homogéneo a lo largo del cromosoma bacteriano, regiones con proporciones de bases atípicas denotan que han sido adquiridas por transferencia horizontal desde un organismo que tiene una composición de bases diferente. En segundo lugar, el tamaño, orden y orientación de los genes dentro de esta isla es muy similar a los genes de invasión contenidos en el plásmido de la virulencia de otra bacteria que causa disentería (género Shigella). Puesto que los plásmidos son fragmentos de DNA que se transmiten fácilmente entre bacterias, esto sugiere que los genes de la virulencia que se encuentran en plásmidos pueden moverse y transferirse entre diferentes especies de bacterias patógenas. Finalmente, genes homólogos de estos genes de la virulencia están presentes en un amplio rango de bacterias patógenas que infectan plantas y animales. Secuencias estructuralmente y funcionalmente similares se han detectado en bacterias de los géneros Salmonella, Shigella, Yersinia, Erwinia, Xanthomonas, y Pseudomonas (una distribución filogenética que apoya la adquisición independiente de estos genes por cada taxón).

Múltiples islas de patogenidad de la Salmonella

    La adquisición de genes de virulencia por Salmonella no fue un hecho único y aislado. Investigaciones realizadas en varios laboratorios alrededor del mundo han descubierto que en esta especie existen al menos cinco islas de patogenicidad y varios pequeños “islotes de patogenicidad”, cada uno de los cuales contribuye a las extraordinarias características de virulencia de este microorganismo. Reconstruyendo la historia evolutiva de estos genes podemos establecer que la mayoría fueron adquiridos muy pronto en la evolución de la S. enterica, tras su separación del E. coli. Mientras que el E. coli adquirió genes que le permitieron convertirse en un comensal del intestino de los mamíferos, como los genes que le permiten utilizar el azúcar de la leche, la Salmonella adquirió otros genes que le facilitaron explotar a sus huéspedes mamíferos de forma muy diferente. Pero ambos casos demuestran que la adquisición de genes por transferencia horizontal puede tener una gran importancia en la evolución de un organismo y ha cambiado el carácter ecológico y patogénico de estas bacterias.

Howard Ochman. Dep. de Ecología y Biología Evolutiva, Universidad de Arizona.
© Mètode 28, Invierno 2000/01. 

 

Figura 1: Relaciones de parentesco entre diferentes géneros de bacterias. En color rojo, los géneros de bacterias patógenas.

 

 

«Estas bacterias constituyen una gran amenaza para ­nuestra salud y bienestar, y son responsables de unos 16 millones de casos de ­salmonelosis (incluyendo ­fiebres tifoideas) y mas de 500.000 muertes por año»

 

 

Figura 2: Placa de cultivo con colonias de la bacteria E. coli. Esta bacteria se utiliza como herramienta en diferentes estudios de genética.

© Mètode 2013 - 28. Evolución - Disponible solo en versión digital. Invierno 2000/01

Dep. de Ecología y Biología Evolutiva, Universidad de Arizona.