Défensomes, contre-défensomes et remodelage des communautés microbiennes // Defensomes, counter-defensomes, and the remodeling of microbial communities

Le transfert horizontal de gènes (HGT) permet aux bactéries de s'adapter rapidement à de nouveaux niches écologiques et défis. Ce processus est principalement facilité par les éléments génétiques mobiles (MGE), tels que les bactériophages (phages), les plasmides et les éléments transposables, qui sont présents dans la plupart des génomes, souvent en multiples copies. Le potentiel de conflits découlant des interactions entre les MGE et les bactéries a conduit à l'évolution de mécanismes de défense sophistiqués visant à filtrer, apprivoiser ou inactiver ces éléments. Parmi les exemples bien étudiés d'immunité anti-MGE figurent les systèmes de restriction-modification (R-M), l'infection abortive et les systèmes CRISPR-Cas. Ensemble, ces systèmes ont révolutionné le domaine de l'ingénierie génomique en tant qu'outils de clivage, de stabilisation et d'édition précis, et ont poussé la quête de nouveaux mécanismes de défense ainsi que de stratégies de contre-défense contre les MGE, capables de limiter leur action.
La dernière décennie a vu l'identification et, dans certains cas, la caractérisation mécanistique d'un arsenal étendu de systèmes de défense anti-MGE jusqu'alors inconnus. Ces systèmes peuvent être déployés à différentes étapes du processus d'infection par les MGE, soit en dégradant les acides nucléiques envahissants, en inhibant leur réplication, ou en induisant la dormance ou la mort des cellules infectées pour stopper la propagation de l'élément mobile à travers la population microbienne. Avec le nombre croissant de familles de défensomes identifiées, une découverte parallèle a été celle des systèmes de contre-défense codés par les MGE. Ces contre-défensomes déploient de multiples mécanismes pour inactiver les systèmes immunitaires de l'hôte (au-delà des mutations génétiques des bactériophages), incluant la liaison directe aux protéines immunitaires, la modification post-traductionnelle des protéines immunitaires, la ciblage des messagers secondaires et la contreaction des systèmes de défense épuisant des métabolites.
Beaucoup des systèmes de défense et de contre-défense connus à ce jour ont été découverts grâce à l'exploration bioinformatique des bases de données génomiques de référence (par exemple, NCBI RefSeq). Cependant, celles-ci surreprésentent des organismes qui peuvent être cultivés en laboratoire, offrant ainsi une vue limitée de la fraction inconnue de la diversité microbienne environnementale qui reste non cultivée. Afin de caractériser cette diversité cachée, nous avons récemment effectué un criblage à grande échelle de génomes de populations bactériennes de haute qualité, reconstruits à partir de métagénomes environnementaux, mettant en évidence la diversité des défensomes et le potentiel de coopération fonctionnelle ainsi que la génération de nouvelles fonctions entre différents modules défensifs [1]. Les résultats de cette étude ont soulevé des questions supplémentaires relatives à la nature des conflits et alliances entre les familles de systèmes de défense, l'étendue des stratégies de contre-défense dans le phagome environnemental, ainsi que la perspective de prioriser les gènes de défense 'core' pour le développement d'antimicrobiens capables de cibler une espèce bactérienne entière. Nous proposons d'aborder ces questions dans la proposition actuelle comme suit:

1) Premièrement, l'analyse de la co-occurrence / co-localisation des systèmes de défense et de l'immunité synergique à travers les espèces bactériennes et les biomes ;
2) Deuxièmement, une cartographie à grande échelle du contre-défensome des phagomes à travers plusieurs environnements ;
3) Troisièmement, l'analyse du 'core'-défensome à travers les espèces bactériennes, avec une validation supplémentaire du concept selon lequel ces gènes (dont beaucoup sont maintenant connus pour être essentiels) peuvent être utilisés comme cibles pour le développement d'antimicrobiens visant à éliminer une espèce bactérienne entière.
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Horizontal gene transfer (HGT) enables bacteria to swiftly adapt to new ecological niches and challenges. This process is primarily facilitated by mobile genetic elements (MGEs), such as bacteriophages (phages), plasmids, and transposable elements, which are prevalent in most genomes, often in multiple copies. The potential for conflicts arising from the interactions between MGEs and bacteria has driven the evolution of sophisticated defense mechanisms to filter, tame, or inactivate these elements. Well studied examples of anti-MGE immunity include restriction-modification (R-M), abortive infection, and clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-Cas systems. Altogether, they revolutionized the field of genome engineering as precise cleavage / stabilization / editing tools, and further propelled the quest for additional defense mechanisms as well as MGE counter-defense strategies capable of curbing their action. The last decade has witnessed the identification and, in some cases, the mechanistic characterization of an extensive arsenal of previously unknown anti-MGE defense systems. These systems can be deployed at various stages of the MGE infection process, either by degrading invading nucleic acids, inhibiting their replication, or inducing dormancy or death of infected cells to stop the mobile element's spread through the microbial population. With the growing number of anti-MGE families identified, so has the discovery of MGE-encoded counter-defense systems. Such counter-defensome deploys multiple mechanisms to inactivate host immune systems (beyond bacteriophage gene mutations), that include direct binding to immune proteins, post-translational modification of immune proteins, targeting of secondary messengers, and counteracting metabolite-depleting defense systems.
Many of the defense and counter-defense systems known to date have been uncovered through bioinformatic exploration of reference genome databases (e.g., NCBI RefSeq). Yet, the latter overrepresent organisms that can largely be cultivated in laboratory, and therefore provide a limited snapshot of the uncharted fraction of environmental microbial diversity that remains uncultured. To characterize this hidden diversity, we recently performed a large-scale screening of high-quality bacterial population genomes reconstructed from environmental metagenomes, highlighting the diversity of defensomes and the potential for functional cooperation and generation of novel functions between different defensive modules [1]. Findings stemming from this study raised further questions related to the nature of conflicts and alliances between defense system families, breadth of counter-defense strategies in the environmental phageome, as well as the tantalizing prospect of prioritizing core-defense genes for the development of antimicrobials capable of targeting an entire bacterial species. We propose to address such questions in the current proposal as follows:

1) The analysis of defense system co-occurrence / co-localization and synergistic immunity across bacterial species and biomes;
2) A first-of-its kind large-scale mapping of the counter-defensome of phageomes across multiple environments;
3) Analysis of the core layers of the defensome across bacterial species, with additional proof of concept that such genes (many of them now known to be essential), can be used as targets to develop antimicrobials aiming at eliminating an entire bacterial species.
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : https://www.genoscope.cns.fr/MGE/

Programme pour normalien ENS Paris-Saclay

Université Paris-Saclay GS Life Sciences and Health

577 Structure et Dynamique des Systèmes Vivants

Nous recherchons un candidat hautement motivé, ayant une formation en bioinformatique, biologie moléculaire ou dans un domaine similaire, avec un fort désir d'exceller à l'échelle internationale dans le domaine des interactions phages-bactéries, et un intérêt pour une thèse de doctorat interdisciplinaire.
We are looking for a highly motivated candidate with a background in bioinformatics, molecular biology, or similar, with a keen desire to excel at the international scale in the field of phage-bacteria interplay, and interest in an interdisciplinary PhD thesis.