Análisis espacial de genes de expansiones de familias génicas en Cianobacteria

Abstract

Gene expansion, understood as the duplication and retention of genes within a genome, is a key evolutionary process driving functional diversification and environmental adaptation in cyanobacteria. However, it remains unclear whether the spatial distribution of duplicated genes occurs randomly or follows structural or evolutionary principles. This study analyzed 29 complete cyanobacterial genomes to evaluate the spatial organization of genes belonging to expanded gene families. Duplicated genes were identified, genomic distances between them were calculated, and results were compared with null models based on simulations that randomly redistributed duplicates across the genome. Observed and simulated data were fitted to theoretical probability distributions, and differences were assessed using goodness-of-fit tests such as Kolmogorov– Smirnov. Additionally, the biosynthetic cluster of scytonemin—a UV-protective pigment—was examined as a specific case of potentially non-random organization. The results indicate that the distribution of duplicated genes is not entirely random, suggesting the presence of biological or evolutionary constraints shaping genome architecture. The methodological framework developed here provides a quantitative basis for exploring the functional organization and evolutionary dynamics of gene content in bacteria.

La expansión génica, entendida como la duplicación y conservación de genes dentro de un mismo genoma, es un proceso evolutivo clave en la diversificación funcional y la adaptación de las cianobacterias. Sin embargo, se desconoce si la distribución espacial de los genes duplicados ocurre al azar o responde a principios estructurales o evolutivos. En este trabajo se analizaron 29 genomas completos de cianobacterias para evaluar la organización espacial de genes pertenecientes a familias génicas expandidas. Se identificaron genes duplicados, se calcularon las distancias genómicas entre ellos y se compararon con modelos nulos basados en simulaciones que redistribuyen aleatoriamente los duplicados a lo largo del genoma. Los datos observados y simulados se ajustaron a diferentes distribuciones teóricas, y las diferencias se evaluaron mediante pruebas de bondad de ajuste como Kolmogorov-Smirnov. Adem´as, se examinó el clúster biosintético de scytonemin, un pigmento protector frente a radiación UV, como caso particular de posible organización no aleatoria. Los resultados indican que la distribución de genes duplicados no es completamente aleatoria, lo que sugiere la existencia de restricciones biológicas o evolutivas en la arquitectura genómica. Este enfoque metodológico proporciona una base cuantitativa para explorar la organización funcional y la evolución del contenido génico en bacterias.