El papel de CRISPR en las relaciones virus-bacteria en el intestino

Las interacciones virus-huésped juegan un papel importante en cómo se desarrollan y cambian las comunidades microbianas. En ciertas situaciones, como los brotes de fagos, los virus pueden acabar con grandes poblaciones de Bacterias, como se vio en entornos acuáticos durante brotes de cólera. Sin embargo, en otros casos, los virus pueden ayudar al crecimiento de comunidades tanto oceánicas como del suelo al contribuir a ciclos importantes como el del carbono y el nitrógeno.

Estudios recientes han señalado cómo los bacteriófagos, un tipo de virus que infecta bacterias, tienen la capacidad de moldear los microbiomas asociados con sus huéspedes tanto directa como indirectamente. Directamente, aplican presión selectiva sobre sus bacterias objetivo, mientras que indirectamente, pueden influir en cómo reacciona el sistema inmunológico de un huésped ante otras amenazas.

Las bacterias han desarrollado varias formas de defenderse contra virus y otros Elementos Genéticos Móviles, que incluyen plásmidos y elementos que pueden transferir material genético. Uno de los mecanismos de defensa más fascinantes es el sistema CRISPR-Cas, que proporciona un tipo de inmunidad adaptativa. Este sistema funciona recordando encuentros previos con virus, lo que permite a las bacterias reconocer y responder de manera más efectiva en el futuro.

En la investigación, los científicos han obtenido algunos conocimientos sobre cómo funcionan los sistemas CRISPR-Cas en el laboratorio, pero aún quedan muchas preguntas sin responder sobre cómo funcionan en entornos naturales. Un área clave de interés es cómo estas respuestas inmunitarias afectan la composición y el comportamiento de las comunidades microbianas, incluidos tanto los virus como sus huéspedes bacterianos. Estudios en entornos naturales como manantiales termales y plantas de tratamiento han demostrado que los sistemas CRISPR-Cas influyen en las interacciones entre los elementos genéticos móviles y sus huéspedes bacterianos. Sin embargo, no hay suficientes datos disponibles actualmente para aplicar estos conocimientos a microbiomas más complejos vinculados a huéspedes específicos.

Los estudios también han revelado tendencias comunes en investigaciones anteriores. Estas incluyen la coexistencia a largo plazo de elementos genéticos móviles con poblaciones huésped diversas, marcada por linajes bacterianos tanto inmunes como vulnerables. También se han observado altos niveles de adaptación local en los sistemas CRISPR bacterianos y frecuentes mutaciones en áreas objetivo de los virus. Esta coexistencia a menudo se ve a través del lente de interacciones que fomentan la diversidad y la inmunidad compartida entre bacterias.

Otra laguna en el conocimiento es cuánto tiempo dura la memoria de estos sistemas inmunológicos. Factores como cómo las bacterias adquieren o pierden elementos de memoria, mutaciones en los virus y cambios en las poblaciones huésped juegan un papel. Modelos matemáticos sugieren que el tamaño de estos arreglos de memoria está balanceado entre ser lo suficientemente grande para una inmunidad efectiva y no tan grande como para diluir la memoria. Se asume que los elementos de memoria más antiguos se encuentran al final del arreglo, pero la evidencia para esto es mixta.

En este estudio, los investigadores utilizaron un gran conjunto de datos del Proceso de Microbioma Humano para examinar la relación entre elementos genéticos móviles e inmunidad CRISPR-Cas en el microbioma intestinal humano. Encontraron signos de inmunidad CRISPR-Cas efectiva pero incompleta contra varios virus, así como una mezcla de elementos genéticos móviles y linajes bacterianos. También hubo apoyo para la inmunidad duradera proporcionada por elementos de memoria de las regiones más alejadas de los arreglos CRISPR.

#Recolección y Ensamblaje de Datos

Los investigadores recolectaron una vasta variedad de datos, incluyendo lecturas metagenómicas y perfiles del Proyecto Ampliado de Microbioma Humano, enfocándose en la Enfermedad Inflamatoria Intestinal. El conjunto de datos comprendió muestras de 130 individuos, tomadas cada dos semanas durante aproximadamente un año, lo que suma un total de 1,638 muestras. Los participantes con enfermedades como Crohn y colitis ulcerativa fueron categorizados según si sus muestras mostraban signos de disbiosis o no.

Para ensamblar las secuencias de CRISPR-Cas de estas muestras, los investigadores utilizaron una herramienta especializada llamada CasCollect. Esta herramienta ayuda a identificar y compilar secuencias que probablemente pertenecen a sistemas CRISPR. El proceso de ensamblaje involucró múltiples pasos para filtrar datos de baja calidad y anotar los arreglos CRISPR resultantes. En última instancia, identificaron 79,475 arreglos CRISPR de alta calidad, y 4,282 de estos estaban cerca de genes Cas identificados.

Estos arreglos CRISPR contenían más de 153,000 elementos de memoria únicos, que categorizaron para un análisis más profundo. Su objetivo era rastrear el orden y la dirección de estos elementos de memoria para ver cómo se expresan. Los investigadores observaron cuántos arreglos CRISPR únicos existían en una muestra y notaron una gran variación a lo largo del tiempo y entre individuos. Aquellos con enfermedad de Crohn y colitis ulcerativa mostraron particularmente bajos números de arreglos únicos, lo cual se alinea con la diversidad microbiana reducida que se observa típicamente en estas condiciones.

#Identificación de Objetivos de CRISPR

El estudio también implicó buscar posibles objetivos del sistema CRISPR dentro del microbioma local. Al comparar elementos de memoria con diversas bases de datos genéticas, los investigadores establecieron qué virus y otros elementos genéticos estaban siendo atacados por los sistemas CRISPR. Descubrieron que una parte significativa de los elementos de memoria coincidía directamente con fagos conocidos, que son virus que infectan bacterias.

Curiosamente, una pequeña fracción de los elementos de memoria podría vincularse a elementos genéticos presentes en muestras tomadas del mismo individuo, denominados "espaciadores localmente adaptados". Encontraron que muchos de estos espaciadores localmente adaptados a menudo atacaban fagos lisogénicos, que son virus que pueden integrarse en el genoma del huésped y permanecer inactivos.

La distribución de estos espaciadores localmente adaptados no era uniforme a lo largo del arreglo CRISPR. Eran más comunes cerca de los extremos de los sistemas de memoria, lo que sugiere que las adquisiciones recientes son comunes al principio, mientras que los espaciadores más antiguos se encuentran al final. Este patrón desafía la idea de que los espaciadores más antiguos son menos efectivos, indicando posibles beneficios para ciertas regiones del arreglo.

#La Influencia de CRISPR en la Dinámica del Microbioma

La estructura longitudinal del conjunto de datos permitió un examen detallado de cómo la inmunidad CRISPR impactó la dinámica de los elementos genéticos móviles y los huéspedes bacterianos. Los investigadores buscaban entender si la aparición de un nuevo elemento de memoria podría inducir cambios en la abundancia de los elementos genéticos móviles que atacaba.

Los hallazgos indicaron que la adquisición de nuevos elementos de memoria a menudo ocurría cuando había una presencia mayor a la promedio de los elementos objetivo. Con el tiempo, estos elementos de memoria se asociaron con abundancias reducidas de los virus y plásmidos atacados. Sin embargo, en muchos casos, los elementos atacados no fueron completamente eliminados, lo que sugiere que aunque la inmunidad CRISPR-Cas puede controlar estos elementos, no siempre los elimina.

Además, examinaron si la presencia de estos elementos genéticos móviles afectaba la diversidad de las bacterias huésped. Descubrieron que los linajes con memoria localmente adaptativa eran generalmente más diversos, lo que indica que tenían tasas más altas de adquisición de memoria. Sin embargo, la diversidad tendía a disminuir en entornos donde estaban presentes los elementos móviles, insinuando el potencial de presión selectiva en estas poblaciones.

#Perspectivas y Conclusiones

Esta investigación proporciona importantes perspectivas sobre cómo las interacciones virus-huésped, mediadas por la inmunidad CRISPR, moldean los ecosistemas microbianos en el intestino humano. El estudio enfatiza el papel de los sistemas CRISPR-Cas en el control de elementos genéticos móviles, mientras que señala que no los eliminan por completo. En cambio, modulan la presencia de estos elementos, lo que potencialmente permite un equilibrio entre los huéspedes bacterianos y sus contrapartes virales.

Además, los hallazgos sugieren que los elementos de memoria en los arreglos CRISPR mantienen una distribución intrigante, con una mayor concentración de elementos localmente adaptados en ambos extremos. El papel de los factores espaciales y genéticos en estas interacciones podría tener implicaciones para entender comunidades microbianas más allá de los microbiomas intestinales humanos.

Al explorar la relación entre los elementos genéticos móviles, la inmunidad CRISPR y la diversidad huésped, este estudio sienta las bases para futuras investigaciones. El conocimiento obtenido podría ayudar a informar estrategias para gestionar la salud intestinal a través de la modulación de comunidades microbianas y sus interacciones con los virus. En general, la dinámica de interacción entre virus y bacterias en el intestino representa una red compleja que influye en la salud y la enfermedad de maneras profundas.