Comparative genomics of Brachyspira pilosicoli strains: genome rearrangements, reductions and correlation of genetic compliment with phenotypic diversity.

Background. The anaerobic spirochaete Brachyspira pilosicoli causes enteric disease in avian, porcine and human hosts, amongst others. To date, the only available genome sequence of B. pilosicoli is that of strain 95/1000, a porcine isolate. In the first intra-species genome comparison within the Brachyspira genus, we report the whole genome sequence of B. pilosicoli B2904, an avian isolate, the incomplete genome sequence of B. pilosicoli WesB, a human isolate, and the comparisons with B. pilosicoli 95/1000. We also draw on incomplete genome sequences from three other Brachyspira species. Finally we report the first application of the high-throughput Biolog phenotype screening tool on the B. pilosicoli strains for detailed comparisons between genotype and phenotype. Results. Feature and sequence genome comparisons revealed a high degree of similarity between the three B. pilosicoli strains, although the genomes of B2904 and WesB were larger than that of 95/1000 (~2,765, 2.890 and 2.596 Mb, respectively). Genome rearrangements were observed which correlated largely with the positions of mobile genetic elements. Through comparison of the B2904 and WesB genomes with the 95/1000 genome, features that we propose are non-essential due to their absence from 95/1000 include a peptidase, glycine reductase complex components and transposases. Novel bacteriophages were detected in the newly-sequenced genomes, which appeared to have involvement in intra- and inter-species horizontal gene transfer. Phenotypic differences predicted from genome analysis, such as the lack of genes for glucuronate catabolism in 95/1000, were confirmed by phenotyping. Conclusions. The availability of multiple B. pilosicoli genome sequences has allowed us to demonstrate the substantial genomic variation that exists between these strains, and provides an insight into genetic events that are shaping the species. In addition, phenotype screening allowed determination of how genotypic differences translated to phenotype. Further application of such comparisons will improve understanding of the metabolic capabilities of Brachyspira species.

Analysis of gene order data supports vertical inheritance of the leukotoxin operon and genome rearrangements in the 5' flanking region in genus Mannheimia

BACKGROUND: The Mannheimia subclades belong to the same bacterial genus, but have taken divergent paths toward their distinct lifestyles. For example, M. haemolytica + M. glucosida are potential pathogens of the respiratory tract in the mammalian suborder Ruminantia, whereas M. ruminalis, the supposed sister group, lives as a commensal in the ovine rumen. We have tested the hypothesis that vertical inheritance of the leukotoxin (lktCABD) operon has occurred from the last common ancestor of genus Mannheimia to any ancestor of the diverging subclades by exploring gene order data. RESULTS: We examined the gene order in the 5' flanking region of the leukotoxin operon and found that the 5' flanking gene strings, hslVU-lapB-artJ-lktC and xylAB-lktC, are peculiar to M. haemolytica + M. glucosida and M. granulomatis, respectively, whereas the gene string hslVU-lapB-lktC is present in M. ruminalis, the supposed sister group of M. haemolytica + M. glucosida, and in the most ancient subclade M. varigena. In M. granulomatis, we found remnants of the gene string hslVU-lapB-lktC in the xylB-lktC intergenic region. CONCLUSION: These observations indicate that the gene string hslVU-lapB-lktC is more ancient than the hslVU-lapB-artJ-lktC and xylAB-lktC gene strings. The presence of (remnants of) the ancient gene string hslVU-lapB-lktC among any subclades within genus Mannheimia supports that it has been vertically inherited from the last common ancestor of genus Mannheimia to any ancestor of the diverging subclades, thus reaffirming the hypothesis of vertical inheritance of the leukotoxin operon. The presence of individual 5' flanking regions in M. haemolytica + M. glucosida and M. granulomatis reflects later genome rearrangements within each subclade. The evolution of the novel 5' flanking region in M. haemolytica + M. glucosida resulted in transcriptional coupling between the divergently arranged artJ and lkt promoters. We propose that the chimeric promoter have led to high level expression of the leukotoxin operon which could explain the increased potential of certain M. haemolytica + M. glucosida strains to cause a particular type of infection.

Evolution of genome organizations of squirrels (Sciuridae) revealed by cross-species chromosome painting

With complete sets of chromosome-specific painting probes derived from flow-sorted chromosomes of human and grey squirrel (Sciurus carolinensis), the whole genome homologies between human and representatives of tree squirrels (Sciurus carolinensis, Callosciurus erythraeus), flying squirrels (Petaurista albiventer) and chipmunks (Tamias sibiricus) have been defined by cross-species chromosome painting. The results show that, unlike the highly rearranged karyotypes of mouse and rat, the karyotypes of squirrels are highly conserved. Two methods have been used to reconstruct the genome phylogeny of squirrels with the laboratory rabbit (Oryctolagus cuniculus) as the out-group: ( 1) phylogenetic analysis by parsimony using chromosomal characters identified by comparative cytogenetic approaches; ( 2) mapping the genome rearrangements onto recently published sequence-based molecular trees. Our chromosome painting results, in combination with molecular data, show that flying squirrels are phylogenetically close to New World tree squirrels. Chromosome painting and G-banding comparisons place chipmunks ( Tamias sibiricus), with a derived karyotype, outside the clade comprising tree and flying squirrels. The superorder Glires (order Rodentia + order Lagomorpha) is firmly supported by two conserved syntenic associations between human chromosomes 1 and 10p homologues, and between 9 and 11 homologues.

Increased genome instability in Escherichia coli lon mutants: relation to emergence of multiple-antibiotic-resistant (Mar) mutants caused by insertion sequence elements and large tandem genomic amplifications

Thirteen spontaneous multiple-antibiotic-resistant (Mar) mutants of Escherichia coli AG100 were isolated on Luria-Bertani (LB) agar in the presence of tetracycline (4 microg/ml). The phenotype was linked to insertion sequence (IS) insertions in marR or acrR or unstable large tandem genomic amplifications which included acrAB and which were bordered by IS3 or IS5 sequences. Five different lon mutations, not related to the Mar phenotype, were also found in 12 of the 13 mutants. Under specific selective conditions, most drug-resistant mutants appearing late on the selective plates evolved from a subpopulation of AG100 with lon mutations. That the lon locus was involved in the evolution to low levels of multidrug resistance was supported by the following findings: (i) AG100 grown in LB broth had an important spontaneous subpopulation (about 3.7x10(-4)) of lon::IS186 mutants, (ii) new lon mutants appeared during the selection on antibiotic-containing agar plates, (iii) lon mutants could slowly grow in the presence of low amounts (about 2x MIC of the wild type) of chloramphenicol or tetracycline, and (iv) a lon mutation conferred a mutator phenotype which increased IS transposition and genome rearrangements. The association between lon mutations and mutations causing the Mar phenotype was dependent on the medium (LB versus MacConkey medium) and the antibiotic used for the selection. A previously reported unstable amplifiable high-level resistance observed after the prolonged growth of Mar mutants in a low concentration of tetracycline or chloramphenicol can be explained by genomic amplification.

The Oxytricha trifallax macronuclear genome: a complex eukaryotic genome with 16,000 tiny chromosomes.

The macronuclear genome of the ciliate Oxytricha trifallax displays an extreme and unique eukaryotic genome architecture with extensive genomic variation. During sexual genome development, the expressed, somatic macronuclear genome is whittled down to the genic portion of a small fraction (∼5%) of its precursor "silent" germline micronuclear genome by a process of "unscrambling" and fragmentation. The tiny macronuclear "nanochromosomes" typically encode single, protein-coding genes (a small portion, 10%, encode 2-8 genes), have minimal noncoding regions, and are differentially amplified to an average of ∼2,000 copies. We report the high-quality genome assembly of ∼16,000 complete nanochromosomes (∼50 Mb haploid genome size) that vary from 469 bp to 66 kb long (mean ∼3.2 kb) and encode ∼18,500 genes. Alternative DNA fragmentation processes ∼10% of the nanochromosomes into multiple isoforms that usually encode complete genes. Nucleotide diversity in the macronucleus is very high (SNP heterozygosity is ∼4.0%), suggesting that Oxytricha trifallax may have one of the largest known effective population sizes of eukaryotes. Comparison to other ciliates with nonscrambled genomes and long macronuclear chromosomes (on the order of 100 kb) suggests several candidate proteins that could be involved in genome rearrangement, including domesticated MULE and IS1595-like DDE transposases. The assembly of the highly fragmented Oxytricha macronuclear genome is the first completed genome with such an unusual architecture. This genome sequence provides tantalizing glimpses into novel molecular biology and evolution. For example, Oxytricha maintains tens of millions of telomeres per cell and has also evolved an intriguing expansion of telomere end-binding proteins. In conjunction with the micronuclear genome in progress, the O. trifallax macronuclear genome will provide an invaluable resource for investigating programmed genome rearrangements, complementing studies of rearrangements arising during evolution and disease.

The Draft Assembly of the Radically Organized Stylonychia lemnae Macronuclear Genome.

Stylonychia lemnae is a classical model single-celled eukaryote, and a quintessential ciliate typified by dimorphic nuclei: A small, germline micronucleus and a massive, vegetative macronucleus. The genome within Stylonychia's macronucleus has a very unusual architecture, comprised variably and highly amplified "nanochromosomes," each usually encoding a single gene with a minimal amount of surrounding noncoding DNA. As only a tiny fraction of the Stylonychia genes has been sequenced, and to promote research using this organism, we sequenced its macronuclear genome. We report the analysis of the 50.2-Mb draft S. lemnae macronuclear genome assembly, containing in excess of 16,000 complete nanochromosomes, assembled as less than 20,000 contigs. We found considerable conservation of fundamental genomic properties between S. lemnae and its close relative, Oxytricha trifallax, including nanochromosomal gene synteny, alternative fragmentation, and copy number. Protein domain searches in Stylonychia revealed two new telomere-binding protein homologs and the presence of linker histones. Among the diverse histone variants of S. lemnae and O. trifallax, we found divergent, coexpressed variants corresponding to four of the five core nucleosomal proteins (H1.2, H2A.6, H2B.4, and H3.7) suggesting that these ciliates may possess specialized nucleosomes involved in genome processing during nuclear differentiation. The assembly of the S. lemnae macronuclear genome demonstrates that largely complete, well-assembled highly fragmented genomes of similar size and complexity may be produced from one library and lane of Illumina HiSeq 2000 shotgun sequencing. The provision of the S. lemnae macronuclear genome sets the stage for future detailed experimental studies of chromatin-mediated, RNA-guided developmental genome rearrangements.

Insect mitochondrial genomics : implications for evolution and phylogeny

The mitochondrial (mt) genome is, to date, the most extensively studied genomic system in insects, outnumbering nuclear genomes tenfold and representing all orders versus very few. Phylogenomic analysis methods have been tested extensively, identifying compositional bias and rate variation, both within and between lineages, as the principal issues confronting accurate analyses. Major studies at both inter- and intraordinal levels have contributed to our understanding of phylogenetic relationships within many groups. Genome rearrangements are an additional data type for defining relationships, with rearrangement synapomorphies identified across multiple orders and at many different taxonomic levels. Hymenoptera and Psocodea have greatly elevated rates of rearrangement offering both opportunities and pitfalls for identifying rearrangement synapomorphies in each group. Finally, insects are model systems for studying aberrant mt genomes, including truncated tRNAs and multichromosomal genomes. Greater integration of nuclear and mt genomic studies is necessary to further our understanding of insect genomic evolution.

Characterization of IS2112, a new insertion sequence from Rhodococcus, and its relationship with mobile elements belonging to the IS110 family

A new insertion sequence (IS2112) was identified in the genome of the 1-haloalkane-utilizing bacterium Rhodococcus rhodochrous NCIMB 13064. The insertion element is 1415 bp long, does not contain terminal inverted repeats, and is not flanked by directly repeated sequences. IS2112 belongs to the IS110 family of transposable elements, and forms a separate subfamily, along with IS116, Two copies of IS2112 were found in R, rhodochrous NCIMB 13064 and one, two or three copies of a similar sequence were detected in five other 1-haloalkane-degrading Rhodococcus strains. There were no sequences homologous to IS2112 found in the l-haloalkane-degrading 'Pseudomonas pavonaceae' 170 and Rhodococcus sp, HA1 or in several Rhodococcus strains which do not utilize haloalkanes, IS2112 was originally found in plasmid pRTL1 of R. rhodochrous NCIMB 13064 which harbours genes encoding utilization of l-haloalkanes, and was located 5 kbp upstream of the haloalkane dehalogenase gene (dhaA), Although the second copy of IS2112 in strain NCIMB 13064 was also present on the pRTL1 plasmid, these sequences do not apparently comprise a single composite transposon encoding haloalkane utilization. An analysis of derivatives of NCIMB 13064 revealed that IS2112 was involved in genome rearrangements. IS2112 appeared to change its location as a result of transposition and as a result of other rearrangements of the NCIMB 13064 genome.

Implication des protéines WHIRLY dans la biogénèse du chloroplaste en association avec la protéine SIG6

Le mode vie autotrophique des plantes repose entièrement sur l’intégrité du chloroplaste et notamment l’étape de la biogénèse. La transcription des gènes chloroplastiques, assurée par une PEP (ARN polymérase encodée par le chloroplaste) et deux NEPs (ARN polymérase encodée par le noyau), est l’une des étapes primordiales dans le développement d’un chloroplaste photosynthétique. On distingue trois classes de gènes chloroplastiques : les gènes de classe I, transcrit par la PEP exclusivement; les gènes de classe II, transcrits par la PEP ou les NEPs; et les gènes de classe III, transcrits exclusivement par les NEPs. Pour assurer sa fonction, la PEP doit être associée à des facteurs sigmas. L’un de ceux-ci, la protéine SIG6, est un facteur sigma général et, associé à la PEP, assure la transcription de l’ensemble des gènes de classe I et II lors du développement du chloroplaste photosynthétique. Ainsi, le mutant sig6 présente un phénotype de cotylédons pâles, associé à un retard de biogénèse chloroplastique, ainsi qu’une diminution de la transcription des gènes de classe I, provoquant la diminution de la quantité de protéines de classe I. Dans le laboratoire, nous étudions les deux protéines WHIRLY chloroplastiques (WHY1 et WHY3) pour leur rôle dans le maintien de la stabilité génomique chloroplastique. Toutefois, peu de choses sont encore connues sur leur rôle potentiel dans la transcription ou la biogénèse chloroplastique. Par exemple, lorsque l’on tente de purifier la PEP, on obtient un gros complexe transcriptionnel nommé PTAC (Plastid Transcriptionally Active Chromosome) dans lequel sont retrouvées les deux protéines WHIRLY, suggérant qu’elles pourraient être impliquées dans la transcription chloroplastique. De plus, un possible rôle dans la biogénèse chloroplastique leur a été prêté, notamment chez le maïs. Dans cette étude, nous avons donc cherché à vérifier l’implication des protéines WHIRLY dans la biogénèse chloroplastique par une approche génétique de croisements entre les mutants sig6 et why1why3. Pour cela, nous avons isolé des doubles mutants sig6why1 et sig6why3, ainsi qu’un triple mutant sig6why1why3. À l’aide d’une caractérisation phénotypique et de la quantification de quelques protéines chloroplastiques, nous avons remarqué que la perte d’un des WHIRLY permet de complémenter le phénotype de cotylédons pâles du mutant sig6 et favorise l’expression normale de protéines en principe sous-exprimées dans le mutant sig6. Toutefois, la perte des deux WHIRLY ne permet pas de compenser le phénotype de cotylédons pâles et provoque l’apparition d’un phénotype persistant associé à une expression anormale des protéines chloroplastiques. Ces résultats ne peuvent être expliqués par le rôle des WHIRLY dans le maintien de la stabilité génomique chloroplastique étant donné que le triple mutant sig6why1why3 présente moins de réarrangements que le double mutant why1why3. Finalement, nous montrons que les effets de la perte d’un WHIRLY sur le mutant sig6 peuvent être mimés par l’utilisation de la rifampicine, une drogue inhibant l’ARN polymérase chloroplastique de type bactérienne (PEP). Ensemble, ces résultats démontrent donc l’implication des protéines WHIRLY chloroplastiques dans la biogénèse chloroplastique en association avec la protéine SIG6. Nous proposons un modèle selon lequel les deux protéines WHIRLY permettraient de favoriser l’activité de l’ARN polymérase de type bactérienne, notamment lors du développement du chloroplaste photosynthétique. En cas d’absence d’une des deux protéines, cette diminution partielle d’activité de la PEP favoriserait la mise en place d’un mécanisme de complémentation par le NEPs, permettant finalement de rétablir la biogénèse chloroplastique dans un mutant sig6. En l’absence des deux WHIRLY, le mécanisme de complémentation par les NEPs serait incapable de compenser la forte inhibition de la PEP, se traduisant par une aggravation du retard de développement du chloroplaste dans le mutant sig6.

Impacts des réarrangements génomiques chloroplastiques sur l'apparition des phénotypes de variégation chez Arabidopsis thaliana

Contrairement à la plupart des eucaryotes non-photosynthétiques, les végétaux doivent assurer la stabilité d’un génome additionnel contenu dans le plastide, un organite d’origine endosymbiotique. Malgré la taille modeste de ce génome et le faible nombre de gènes qu’il encode, celui-ci est absolument essentiel au processus de photosynthèse. Pourtant, même si ce génome est d’une importance cruciale pour le développement de la plante, les principales menaces à son intégrité, ainsi que les conséquences d’une déstabilisation généralisée de sa séquence d’ADN, demeurent largement inconnues. Dans l’objectif d’élucider les conséquences de l’instabilité génomique chloroplastique, nous avons utilisé le mutant why1why3polIb d’Arabidopsis thaliana, qui présente d’importants niveaux de réarrangements génomiques chloroplastiques, ainsi que la ciprofloxacine, un composé induisant des brisures double-brins dans l’ADN des organites. Ceci nous a permis d’établir qu’une quantité importante de réarrangements génomiques provoque une déstabilisation de la chaîne de transport des électrons photosynthétique et un grave stress oxydatif associé au processus de photosynthèse. Étonnamment, chez why1why3polIb, ces hautes concentrations d’espèces oxygénées réactives ne mènent ni à la perte de fonction des chloroplastes affectés, ni à la mort cellulaire des tissus. Bien au contraire, ce déséquilibre rédox semble être à l’origine d’une reprogrammation génique nucléaire permettant de faire face à ce stress photosynthétique et conférant une tolérance aux stress oxydatifs subséquents. Grâce à une nouvelle méthode d’analyse des données de séquençage de nouvelle génération, nous montrons également qu’un type particulier d’instabilité génomique, demeuré peu caractérisé jusqu’à maintenant, constitue une des principales menaces au maintien de l’intégrité génomique des organites, et ce, tant chez Arabidopsis que chez l’humain. Ce type d’instabilité génomique est dénommé réarrangement de type U-turn et est vraisemblablement associé au processus de réplication. Par une approche génétique, nous démontrons que les protéines chloroplastiques WHY1, WHY3 et RECA1 empêchent la formation de ce type d’instabilité génomique, probablement en favorisant la stabilisation et le redémarrage des fourches de réplication bloquées. Une forte accumulation de réarrangements de type U-turn semble d’ailleurs être à l’origine d’un sévère trouble développemental chez le mutant why1why3reca1. Ceci soulève de nombreuses questions quant à l’implication de ce type d’instabilité génomique dans de nombreux troubles et pathologies possédant une composante mitochondriale.

La génomique évolutive mitochondriale révèle des échanges génétiques et la ségrégation chez les Gloméromycètes

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) sont des organismes microscopiques du sol qui jouent un rôle crucial dans les écosystèmes naturels et que l’on retrouve dans tous les habitats de la planète. Ils vivent en relation symbiotique avec la vaste majorité des plantes terrestres. Ils sont des biotrophes obligatoires, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent croître qu'en présence d'une plante hôte. Cette symbiose permet entre autres à la plante d'acquérir des nutriments supplémentaires, en particulier du phosphore et du nitrate. Malgré le fait que cette symbiose apporte des services importants aux écosystèmes, la richesse des espèces, la structure des communautés, ainsi que la diversité fonctionnelle des CMA sont mal connues et l'approfondissement des connaissances dans ces domaines dépend d’outils de diagnostic moléculaire. Cependant, la présence de polymorphisme nucléaire intra-isolat combiné à un manque de données génomiques dans différents groupes phylogénétique de ces champignons complique le développement de marqueurs moléculaires et la détermination de l'affiliation évolutive à hauts niveaux de résolution (c.a.d. entre espèces génétiquement similaires et/ou isolats de la même espèce). . Pour ces raisons, il semble une bonne alternative d’utiliser un système génétique différent en ciblant le génome mitochondrial, qui a été démontré homogène au sein d'un même isolat de CMA. Cependant, étant donné le mode de vie particulier de ces organismes, une meilleure compréhension des processus évolutifs mitochondriaux est nécessaire afin de valoriser l'utilisation de tels marqueurs dans des études de diversité et en génétique des populations. En ce sens, mon projet de doctorat consistait à investiguerétudier: i) les vecteurs de divergences inter-isolats et -espèces génétiquement rapprochéesphylogénétiquement apparentées, ii) la plasticité des génomes mitochondriaux, iii) l'héritabilité mitochondriale et les mécanismes potentiels de ségrégation, ainsi que iv) la diversité mitochondriale intra-isolat in situ. À l'aide de la génomique mitochondriale comparative, en utilisant le séquençage nouvelle génération, on a démontré la présence de variation génétique substantielle inter-isolats et -espèces, engendrées par l'invasion d'éléments mobiles dans les génomes mitochondriaux des CMA, donnant lieu à une évolution moléculaire rapide des régions intergéniques. Cette variation permettait de développer des marqueurs spécifiques à des isolats de la même espèce. Ensuite, à l'aide d'une approche analytique par réseaux de gènes sur des éléments mobiles, on a été en mesure de démontrer des évènements de recombinaisons homologues entre des haplotypes mitochondriaux distincts, menant à des réarrangements génomiques. Cela a permis d'ouvrir les perspectives sur la dynamique mitochondriale et l'hétéroplasmie dans un même isolatsuggère une coexistence de différents haplotypes mitochondriaux dans les populations naturelles et que les cultures monosporales pourraient induirent une sous-estimation de la diversité allélique mitochondriale. Cette apparente contradiction avec l'homogénéité mitochondriale intra-isolat généralement observée, a amené à investiguer étudier les échanges génétiques à l'aide de croisements d'isolats génétiquement distincts. Malgré l'observation de quelques spores filles hétéroplasmiques, l'homoplasmie était le statut par défaut dans toutes les cultures monosporales, avec un biais en faveur de l'un des haplotypes parentaux. Ces résultats suggèrent que la ségrégation opère durant la formation de la spore et/ou le développement de la coloniedu mycélium. De plus, ils supportent la présence d'une machinerie protéique de ségrégation mitochondriale chez les CMAAMF, où l'ensemble des gènes impliqués dans ce mécanisme ont été retrouvé et sont orthologues aux autres champignons. Finalement, on est revenue aux sources avecon a étudié le polymorphisme mitochondrial intra-isolat à l'aide d'une approche conventionnelle de PCR en utilisant une Taq polymérase de haute fidélité, suivie de clonage et de séquençage Sanger, sur deux isolats de R. irregularis. Cela a permis l'observation d'hétéroplasmie in situ, ainsi que la co-expression de variantes de variantes de protéines'ARNm dans une souche in vitro. Les résultats suggèrent que d'autres études basées sur le séquençage nouvelle génération aurait potentiellement ignorée cette variation, offrant ainsi plusieurs nouveaux arguments permettant de considérer les CMA comme des organismes possédant une population de génomes mitochondriaux et nucléaires distincts.

Evolution of microbial virulence: the benefits of stress

Although genome sequencing of microbial pathogens has shed light on the evolution of virulence, the drivers of the gain and loss of genes and of pathogenicity islands (gene clusters), which contribute to the emergence of new disease outbreaks, are unclear. Recent experiments with the bean pathogen Pseudomonas syringae pv. phaseolicola illustrate how exposure to resistance mechanisms acts as the driving force for genome reorganization. Here we argue that the antimicrobial conditions generated by host defences can accelerate the generation of genome rearrangements that provide selective advantages to the invading microbe. Similar exposure to environmental stress outside the host could also drive the horizontal gene transfer that has led to the evolution of pathogenicity towards both animals and plants.