Diversity, function and evolution of integron cassettes

Les intégrons sont des systèmes génétiques qui accélèrent l'adaptation bactérienne par l'acquisition et le réarrangement de cassettes de gènes. On distingue deux catégories principaleS d'intégrons : les intégrons mobiles (IM), vecteurs majeurs de la dissémination des gènes de résistance aux antibiotiques, et les intégrons chromosomiques sédentaires (ICS), structures beaucoup plus grandes contenant jusqu'à plusieurs centaines de cassettes, aux fonctions souvent inconnues. Si les IM ont été largement étudiés, du fait de leur importance clinique, les ICS constituent un grand réservoir de diversité génétique encore largement inexploré. Cette thèse s'est attachée à répondre à deux questions fondamentales restées en suspens après plus de 30 ans de recherche : 1) Quelle est la diversité des intégrons au sein des populations bactériennes? 2) Quelles sont les fonctions encodées par les vastes répertoires de cassettes des ICS ? Pour répondre à la première question, j'ai exploité la puissance de calcul d'IntegronFinder2.0, un outil bio-informatique de détection des intégrons. Le criblage de plusieurs dizaines de milliers de génomes bactériens a permis de dresser un panorama global de la distribution des intégrons au sein des bactéries et d'approfondir notre connaissance de la diversité des cassettes chez un pathogène majeur, Klebsiella pneumoniae. La seconde question a été abordée en postulant que de nombreuses cassettes d'ICS encodent des systèmes de défense anti-phage. Une analyse in silico a révélé la présence de nombreux variants "compacts" de systèmes de défense connus, probablement issus d'une évolution sous contrainte de la taille limitée des cassettes. De manière surprenante, cette analyse a aussi mis en évidence que l'ICS de la souche de Vibrio cholerae responsable de la septième pandémie de choléra, souche modèle des ICS, était quasiment dépourvue de systèmes de défense connus. En collaboration avec une équipe de recherche expérimentale, nous avons donc testé l'ensemble des cassettes de fonction inconnue de cet ICS, pour voir si elles avaient une activité anti-phage. Nos résultats démontrent qu'au moins 16 de ces cassettes — soit18 % des cassettes testées et près de 10 % de l'intégralité du répertoire — confèrent une protection contre les phages. Cette découverte explicite le rôle adaptatif majeur d'une fraction significative des cassettes de cet intégron sédentaire. Enfin, j'ai contribué à quatre autres articles de recherche liés à ces questions centrales, portant sur les mécanismes de maintenance des ICS dans les génomes et sur la domestication des cassettes en dehors du contexte de l'intégron. En résumé, cette thèse révèle un nouveau rôle prépondérant joué par les ICS : ils sont de véritables arsenaux dans la course à l'armement entre phages et bactéries.