Conception et mise en oeuvre d’une approche bioinformatique dédiée à l’identification des ICE, IME et éléments composites dans les génomes de Firmicutes

Design and implementation of a bioinformatics methodology dedicated to the identification of ICEs, IMEs, and composite elements in the genomes of Firmicutes

• Auteur / Autrice : Julie Lao
• Direction : Nathalie Leblond-Bourget, Hélène Chiapello
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Écotoxicologie, biodiversité, écosystèmes
• Date : Soutenance le 22/02/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Dynamique des génomes et adaptation microbienne (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Burrus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Leblond-Bourget, Hélène Chiapello, Christine Citti, David Vallenet, Marie-Dominique Devignes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Citti, David Vallenet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Identification automatique

Bioinformatique

Firmicutes

Éléments génétiques mobiles

Îlots génomiques

Mots clés libres

Éléments intégratifs conjugatifs (ICE)

Éléments intégratifs mobilisables (IME)

Éléments génétiques mobiles

Firmicutes

Bioinformatique

Annotation

Integrative Conjugative Elements (ICEs)

Integrative Mobilizable Elements (IMEs)

Mobile Genetic Elements

Firmicutes

Bioinformatics

Annotation

Résumé

Les ICE (Éléments intégratifs conjugatifs) et les IME (Éléments intégratifs mobilisables) sont des éléments mobiles bactériens qui jouent un rôle clé dans les transferts horizontaux. Ils ont la capacité de s'intégrer et de se transférer par conjugaison d'une bactérie à une autre. Ces éléments sont très répandus dans les génomes bactériens mais sont encore mal connus. Leur identification automatique est un défi et ils ne sont en général pas annotés dans les génomes. Jusqu'à présent, seules deux approches bioinformatiques permettent la détection des ICE et la détection des IME, mais leur fiabilité reste très variable, en particulier chez les Firmicutes. De plus, aucune de ces approches ne permet de détecter avec précision les éléments composites constitués d’ICE et d’IME emboîtés ou en accrétions, qui sont fréquemment observés dans des génomes bactériens. Nous avons développé une stratégie et un outil nommé ICEscreen permettant d’identifier les ICE et IME dans les génomes des Firmicutes, y compris les éléments emboîtés ou en accrétions. Notre outil, commence par la détection de quatre protéines signatures (SP) indispensables au fonctionnement de ces éléments puis effectue la détection et le typage des éléments à partir de la colocalisation des SP et de la caractérisation de leur contenu. Notre outil utilise un algorithme dédié permettant de résoudre la structure des éléments qu'ils soient composites ou non. Pour réaliser ces étapes nous avons construit une banque de protéines signatures d’ICE et d’IME de référence à partir d’une liste de gènes connus pour être impliqués dans la dynamique de ces éléments chez les streptocoques ainsi que de profils HMM publics ou construits pour cette étude. Pour valider les résultats d’ICEscreen nous avons construit un jeu de données, FirmiData, constitué de 40 génomes de Firmicutes pour lesquels les ICE et IME ont été annotés semi-manuellement et expertisés. Nous avons ensuite comparé les résultats de ICEscreen avec ceux de deux outils de référence : CONJscan et ICEfinder. ICEscreen détecte la quasi-totalité des éléments de la référence (96 %) ce qui en fait un outil plus performant que CONJscan (58 %) et surtout ICEfinder (53 %) sur notre jeu de données. ICEscreen est ainsi un outil d’aide à l’annotation et à la découverte d’ICE et d’IME dans les génomes de Firmicutes, ce qui peut aider à mieux caractériser leur contribution aux transferts horizontaux de gènes, notamment lors de la transmission de la résistance aux antibiotiques, auxquels ils sont fréquemment associés.

ICEs (Integrative Conjugative Elements) and IMEs (Integrative Mobilizable Elements) are bacterial mobile elements that play a key role in horizontal transfers. They have the capacity to integrate and transfer by conjugation from one bacterium to another. These elements are widespread in bacterial genomes but are still poorly understood. Their automatic identification is a challenge and they are generally not annotated in genomes. So far, only two bioinformatic approaches allow the detection of ICEs and IMEs, but their reliability remains highly variable, particularly among Firmicutes. Moreover, neither of these approaches can accurately detect composite elements consisting of nested or accreted ICEs and IMEs, which are frequently observed in bacterial genomes. We have developed a strategy and a tool called ICEscreen to identify ICEs and IMEs in the genomes of Firmicutes, including nested or accreted elements. Our tool starts with the detection of four signature proteins (SPs) that are essential to the functioning of these elements and then carries out the detection and typing of the elements based on the colocalization of the SPs and the characterisation of their content. Our tool uses a dedicated algorithm to solve the structure of the elements whether they are composite or not. To perform these steps, we have built a bank of ICEs and IMEs signature proteins from a list of genes known to be involved in the dynamics of these elements in streptococci and also public HMM profiles and HMM profiles constructed especially for this study. To validate the ICEscreen results, we built a dataset, FirmiData, consisting of 40 genomes of Firmicutes for which the ICEs and IMEs were annotated semi-manually and curated. We then compared the results of ICEscreen with those of two reference tools: CONJscan and ICEfinder. ICEscreen detects almost all the elements of the reference (96%) making it a more powerful tool than CONJscan (58%) and especially ICEfinder (53%) on our dataset. ICEscreen is thus a tool for the annotation and discovery of ICE and IME in the genomes of Firmicutes, which can help to better characterize their contribution to horizontal gene transfers, particularly during the transmission of antibiotic resistance, with which they are frequently associated.