Diversité, fonction et devenir évolutif des cassettes d'intégrons

Diversity, function and evolution of integron cassettes

• Auteur / Autrice : Eloi Littner
• Direction : Eduardo Rocha
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génétique et génomique
• Date : Inscription en doctorat le 03/01/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique des génomes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Génomique évolutive des microbes

Mots clés

Mots clés libres

Intégrons

Évolution

Microbiologie

Bioinformatique

Épidémio-génomique

Environnement

Integrons

Evolution

Microbiology

Bioinformatics

Epidemio-genomics

Environment

Résumé

Les intégrons sont des éléments génétiques mobiles constitués d'une intégrase suivie d'une série de cassettes, dont le nombre peut atteindre plusieurs centaines. Les cassettes les plus proches de l'intégrase sont exprimées, tandis que les autres ne le sont généralement pas. La fonction de l'intégrase consiste principalement à déplacer une cassette depuis une position aléatoire dans l'intégron jusqu'à la première position, où elle peut alors être exprimée. Les intégrons manipulent ainsi naturellement des répertoires de gènes variés et comportent des cassettes bien adaptées à des contextes écologiques précis. Ces éléments génétiques sont devenus un sujet de recherche très important en épidémio-génomique, du fait de leur prééminence dans la dissémination des gènes de résistance aux antibiotiques de nombreux agents pathogènes nosocomiaux sous forme de cassettes. Cependant, après plus de 30 ans de recherche, deux questions clés restent sans réponse, motivant le sujet présent : 1) Comment de nouvelles cassettes apparaissent-elles et quelles sont leurs fonctions ? A travers l'étude de l'histoire évolutive des intégrons, l'objectif est de comprendre comment de nouvelles fonctions émergent au sein des intégrons. L'emphase sera portée sur deux types de fonctions : les toxines (en tant que facteurs de virulence et systèmes anti-viraux) et les nouveaux gènes de résistance aux antibiotiques. 2) Comment ces nouvelles cassettes se fixent-elles dans les populations bactériennes ? Qu'arrive-t-il aux cassettes une fois qu'elles sont stabilisées dans les génomes ? Si une pression de sélection stabilise un caractère, par exemple la résistance à des antibiotiques dans le cas de bactéries nosocomiales qui se sont adaptées au milieu hospitalier, il est important de savoir comment les cassettes peuvent être domestiquées par les hôtes et conservées de manière stable dans le génome. Cette problématique a également des applications en termes d'utilisation des intégrons, ou de leurs cassettes de gènes, pour l'épidémio-génomique. Premièrement, la fixation des cassettes fait d'eux d'excellents marqueurs épidémiologiques. Deuxièmement, leur fixation souligne l'existence de pressions de sélection pour leur maintien dans le génome et suggère l'importance adaptative des différentes cassettes (e.g. sélection pour la résistance aux antibiotiques).

Integrons are mobile genetic elements consisting of an integrase followed by a series of cassettes, sometimes as much as a few hundred. The cassettes closest to the integrase are expressed, while the others are usually not. The function of the integrase is primarily to move a cassette from a random position in the integron to the first position, where it can then be expressed. Integrases thus naturally manipulate repertoires of genes and contain cassettes that are well adapted to specific ecological contexts. These genetic elements have become a very important research topic in epidemiogenomics because of their prominence in the dissemination of antibiotic resistance genes of many nosocomial pathogens in the form of cassettes. However, after more than 30 years of research, two key questions remain unanswered, motivating the present topic: 1) How do new cassettes arise and what are their functions? By studying the evolutionary history of integrons, we aim at understanding how new functions emerge within integrons. The focus will be set on two types of functions: toxins (as virulence factors and anti-viral systems) and new antibiotic resistance genes. 2) How do these new cassettes settle in bacterial populations? What happens to the cassettes once they are stabilized in the genomes? If selection pressure stabilizes a trait, for example antibiotic resistance in the case of hospital-acquired bacteria that have adapted to the hospital environment, it is important to know how the cassettes can be domesticated by the hosts and stably maintained in the genome. This issue also has applications in terms of using integrons, or their gene cassettes, for epidemiogenomics. First, cassette recruitment makes them excellent epidemiological markers. Second, their presence highlights the existence of selection pressures for their maintenance in the genome and suggests the adaptive importance of different cassettes (e.g. selection for antibiotic resistance).