Mutaciones y sus causas hiladas a E. coli virulenta

Como comentaba con @makgregory y @Bruja-Avería en plurk, hacía tiempo que venía dándole vueltas en la cabeza para escribir esta entrada, así que aprovechando una participación que hice en el foro del máster que estoy cursando, vamos a hablar de mutaciones, por qué se producen, causas, e intentar solventar ciertas dudas.

Mutaciones

En primer lugar, tenemos que tener muy claro qué tipo de mutaciones existen (mini repaso fugaz): Que afecten a un nucleótido (sustituciones, inserciones, delecciones) , varios (inserciones y delecciones) , regiones de ADN e incluso partes de cromosomas o cromosomas enteros. Aquí hay que notar que cualquier hecho que cambie la secuencia del genoma es una mutación (independientemente de los efectos biológicos que pueda tener o no).

Si la mutación cae en una zona codificante del genoma, pueden suceder varias cosas: que sea una mutación silenciosa o sinónima (no observamos ningún efecto en la proteína que codifica), que cambie el sentido (codifique un aminoácido distinto), sin sentido (da codón stop), o que haya desfase (por ejemplo por inserción o deleción).

Según el efecto que tenga sobre la proteína codificada puede ser nula (pérdida total de la función), rezumante (que no funcione del todo bien), condicional (según condiciones ambientales) o bien de cambio o ganancia de función.

No olvidar que se pueden dar mutaciones en zonas que no codifican proteínas.

Aquí he dado por supuesto que sabemos todos qué es el ADN, esa secuencia de nucleótidos que posee la información de la vida.

Nuestra nueva bacteria, la E. coli patogénica, habría adquirido una mutación de cambio o ganancia de función, que da su extrema virulencia.

¿Por qué se producen las mutaciones?

Cabe plantearse si se producen al azar, o hay "una mano negra" que las dirige, como últimamente se ha hablado de la soja en Alemania (Brotes de soya causaron la epidemia en Alemania).

Cito:

“Casi con total seguridad” los brotes de soya son la causa inicial de la peor epidemia padecida en el continente durante décadas, declaró el presidente del Instituto Robert Koch Reinhard Burger, y reveló que “las personas que consumieron esos productos tuvieron nueve veces más probabilidades de padecer una diarrea sangrante que aquellos que no lo hicieron”.

Hemos de tener mucho cuidado al interpretar este párrafo. No hay que entender que la soja fuera la que causó la mutación, sino que fue la fuente de contaminación (o al menos la que parece probable hasta la fecha de la noticia) que dió lugar a las infecciones.

Entonces, si buscamos las causas primeras que producen mutación, vemos que pueden ser espontáneas o inducidas.

• Se dice que una mutación es espontánea cuando se achaca a fallos en la maquinaria de replicación. Por ejemplo las polimerasas que se dedican a copiar el ADN tienen tasas concretas de error, ya que se "equivocan" o "confunden". 

• Se dice que una mutación es inducida cuando existe algún factor externo (no ya la propia maquinaria celular, que sería la anterior) que la provoca. Pueden ser compuestos químicos, biológicos o radiactivos.

Digamos que en cierto modo, si la tasa de mutación no es la predicha por la estadística, sino mayor, en vez de ser espontánea, sería inducida. Cito de nuevo mi aportación al foro, y comento lo que crea conveniente:

A pesar de la eficiencia y eficacia en la replicación, parece ser que en la naturaleza existe una selección natural que propicia una frecuencia baja, pero no nula, de errores (sobre todo en procariotas). El posible significado biológico sería combinar una alta tasa de fidelidad en la replicación, pero con suficiente flexibilidad (oportunidad de errores) como para generar innovaciones sobre las que pueda actuar la presión selectiva, lo cual permite evolución (teniendo en cuenta que al carecer de reproducción sexual, es la principal forma de generar variabilidad en las poblaciones).

Éste sería el significado evolutivo de por qué suceden las mutaciones. En bacterias, como tienen ciclos cortos -con excepciones, claro que también las hay de ciclos largo- (se dividen cada 20 minutos) podemos observar los cambios fácilmente. Las mutaciones que se acumulen pasarán desapercibidas si no hay nada que ejerza presión sobre su selección... Sin embargo, si ponemos por ejemplo antibióticos, sólo crecerán aquellas que "ya posean de por sí" un cambio en su material genético que le permita crecer en tales condiciones. Y si éstas crecen, pueden poner a disposición de las demás dicho material, haciendo que la resistencia se propague a sus congéneres e incluso otras especies bacterianas. (Éste es uno de los principales motivos por los que no se debe uno automedicar con antibióticos, o la generación de cepas multiresistentes en hospitales y centros médicos)

Según el artículo que he enlazado antes, creo que ésta sería la forma de relacionar a la E. coli con Shigella... o bien por recombinación genética, o parasexualidad, o encontrándose la primera los genes de la segunda por el medio e introduciéndolos en sí mísma (sería la explicación de "lo que había que buscar es por qué se produjo la bacteria recombinante. No ha sido por una ‘mutación’ y menos al azar. Quizás no haya que buscar en frigoríficos, sino en botiquines”.) Dando a mi entender que la cuna de esta cepa malvada sean hospitales y demás.

La definición de punto caliente de mutación (“hot-spots”) es la siguiente: punto o zona dentro del genomio donde se concentran mutaciones con una frecuencia mayor que la esperada si se distribuyeran al azar. Una de las posibles explicaciones es que algunas bases, dentro de un determinado contexto de secuencia, son modificadas químicamente por acción de alguna enzima , y ello provocaría una mayor susceptibilidad a la aparición de mutaciones puntuales.

¿Que una mutación puede aparecer más de la cuenta por que sí sin causa aparente alguna, ni sustancia que la induzca ni nada? Pues sí, es posible... y el anterior párrafo es una explicación pausible para ello... Tal vez pueda ser debido a la estructura tridimensional que adopte la hebra de ADN y la haga interaccionar con la supuesta enzima que la modifique... ¡Vete tú a saber! pero el caso es que sucede.

Por otro lado, tenemos las mutaciones ocasionadas por transposones, o anteriormente conocidos como “genes saltarines”. En su transposición (cambio de un lugar a otro del ADN, y sin entrar en si deja copia o no en el sitio original) sabemos que se insertan en determinados lugares concretos del genoma , por tanto en esas zonas, serían ocasionadas por estos elementos génicos móviles.

Ésta sería un tipo de mutación inducida. Lo que hacen estos elementos es recortarse de dónde estén (son un trozo de secuencia, que puede codificar proteínas o no), y pegarse en otro lugar... A veces no se recortan, sino que se copian y pegan en otro sitio.

Otro ejemplo: si mutamos una fotoliasa , aquellas zonas expuestas a rayos ultravioleta serán reparadas con menos eficiencia y acumularán mutaciones, en contraposición con aquellas células que no hayan sufrido la mutación en la fotoliasa, o bien no necesiten de sus servicios por encontrarse sin exposición.

Ésta creo que sería espontánea, por estar dentro de la célula y  relacionada con la maquinaria de replicación... Aunque podría ser inducida si lo fuera la causa primera de la mutación de la fotoliasa... Con esto quiero decir, que sería posible que para la mutación sucedida en la E. coli maligna haya habido una "mutación previa" en algún enzima específico responsable de su reparación...

Con respecto a esto podríamos entrar en la consideración de las secuencias repetidas dentro del genoma (SINEs, LINEs...).

 Las secuencias repetidas se encuentran en distintas zonas de los cromosomas, como por ejemplo los telómeros (bien conocidos para mantener la longitud de los cromosomas, ya que por el mismo proceso de replicación celular al irse dividiendo la célula, éstos se irían acortando indefinidamente hasta su propia inexistencia). También las secuencias repetidas pueden ser de varias longitudes. Algunas se asocian a los elementos génicos transponibles.

También tener en cuenta aquellos virus que portan elementos génicos transponibles.

Pues sí... Hay virus (y éste sería un ejemplo de mutación inducida por factores biológicos) como por ejemplo el papilomavirus causante del cáncer de útero, que poseen unos trozos en su secuencia que hacen "cortar y pegar" dentro de la secuencia de la célula hospedadora. Con ello cambian el sentido, la lectura del material genético de dicha célula pudiéndola alterar gravemente y causar su destrucción.

Otro ejemplo que se me ocurre es el síndrome de Down, la no-disyunción del cromosoma 21 durante la meiosis, cuya ocurrencia está directamente relacionada con la edad de la mujer. El poder establecer un patrón, significa que no está gobernado al azar, a pesar de que no se sepa a ciencia cierta la causa de esta mutación cromosómica...

 Tal vez sea difícil relacionar éste tipo de mutación con las bacterias... Pero ¿y si en determinada población bacteriana con un cierto tiempo de vida se diera una anomalía cromosómica (recuerdo que las bacterias sólo tienen un cromosoma que es circular) que produjera un alineamiento extraño y duplicación o lo que sea?

El caso es que, en cuanto a enfermedades humanas se refiere, siempre se busca un patrón genético que la cause ( The genetic basis of non-syndromic intellectual disability: a review ). Si la enfermedad se refiere a una mutación, y sólo una en un gen determinado, es fácil de identificar, y todo aquel que la padezca será o bien por haberla heredado, o bien por poseer la secuencia con potencial a padecer esa mutación. 

Con respecto a otras enfermedades, sobre todo a las multigénicas, se buscan patrones a gran escala. Translocaciones, disyunciones, ploidías... Y por supuesto son mucho más difíciles de localizar. En el caso anterior estábamos bajo el enfoque de un gen, un fenotipo, sin embargo cuando el mismo fenotipo lo pueden causar distintos genes, la cosa cambia.

Bien. Ahora se me ocurre ¿hemos mirado el genotipo de los afectados? Porque por lo que he leído y visto en las noticias, se han apresurado a secuenciar el genoma de la E. coli virulenta... pero ¿y si fuera específica de hospedador? A saber... que  sólo en determinados enfermos interaccione con las células de sus intestinos causando la enfermedad fatal... ¿Pudiera ser que hubiera otros afectados que no lo supieran porque hayan pasado simplemente por unas diarreas leves? Algo semejante en la vida real sucede con la malaria. Se sabe que una una parte de la población negra americana padece "Anemia Falciforme" debido a una mutación en los glóbulos rojos que afecta a su forma y su función de transportar eficientemente el oxígeno. Pues bien, en África ese genotipo se seleccionó porque esos hematíes/glóbulos rojos deformes, eran más difíciles de acceder para el parásito de la malaria.

Y no sólo ésto, entonces... ¿Podría ser que ya existiera esa E. coli en algún otro lugar, pero que sin embargo no había interactuado aún con el genotipo de hospedador al que poder causar enfermedad?

No hemos de olvidar la radioactividad como fuente de mutaciones, ya que es energía descontrolada que (claro está, según el tipo de radiación y tiempo de exposición) daña la materia orgánica y la desorganiza. Pero como no sabemos qué mutación posee (si es que tiene un trozo más de ADN que pertenece a otra especie/población, o es un cambio puntual en un aminoácido, o puede achacarse a algún virus/bacteriófago) ni encuentro información alguna por ningún lado, sólo podemos hacer elucubraciones vanas...

Segunda parte - o cómo la maligna E. coli llega a los enfermos


Como ya comenté en la entrada "Sobre pepinos y bacterias" veo un par de  únicas y claras formas de contaminación por estas bacterias:

Que algún guarrete no se lave las manos después de defecar y vaya contaminando todo lo que toque (es como el estornudar y regar a los demás de virus)

O bien que a través de aguas mal depuradas se hayan regado verduras o dado de beber a alguien. Para quien no lo sepa, una de las pruebas de potabilidad de aguas es hacer recuento de enterobacterias (enterococos fecales entre otras), que es muy útil saberlo. Las aguas fecales no sólo huelen mal, sino que además son muy peligrosas.

Aún estrujándome bien el cerebro, otra vía podría ser el abono - como bien sugería @Ácido- (si fuera de alguna manera compost orgánico y poco vigilado). Pero aún así, no debería haberse diseminado tan fácilmente la bacteria (por el abono, los que trabajen en él habrían de haber enfermado primero y la conexión sería más fácil de ver, o bien en las zonas cercanas ).


En fin, creo que por hoy es suficiente... Si se me ocurren más cosas, las dejo para otro post, que éste me ha salido bien larguito ;)

Aquél / aquella que se sienta con ánimos de participar, proponer alternativas, o lo que sea, invitad@ está ^^

Fuentes:

Mutación en Wikipedia