par Belot, Ludovic 
Président du jury Vanhamme, Luc
Promoteur Van Melderen, Laurence
Co-Promoteur Rocha, Eduardo P C
Publication Non publié, 2025-01-31
Président du jury Vanhamme, Luc
Promoteur Van Melderen, Laurence
Co-Promoteur Rocha, Eduardo P C
Publication Non publié, 2025-01-31
Thèse de doctorat
| Résumé : | Type II toxin-antitoxin (TA) systems are widespread in prokaryotic genomes. While initially discovered on plasmids where they contribute to their stability in growing populations, TA systems were subsequently identified in bacterial chromosomes often in multiple copies. This observation raised questions about their possible roles in this genomic context. Despite numerous functional studies proposing a variety of functions, from antibiotic persistence to phage defense, information regarding the evolutionary history and the selective pressures that have shaped their evolutionary success remains scarce. The objective of this doctoral research project was to conduct comprehensive analysis of the extensive TA repertoire (TAome) in the Photorhabdus genus which comprises a number of genomes encoding various number of TA systems. The genome of Photorhabdus laumondii TT01, which encodes over 80 predicted type II TA systems, was selected as the reference genome. Using two experimental approaches, we determined that 42.5% of the TA systems encoded in the P. laumondii TT01 genome retained their addictive properties. A comparative genomics analysis revealed that all of the identified TA systems are part of the accessory genome, providing support for the hypothesis that they are transferred between genomes via horizontal gene transfer. Our data indicate that the conservation of TA systems and that of their neighbouring genes is independent, suggesting that TA systems do not stabilize the accessory genome. Furthermore, TA systems are susceptible to decay within the genomes of the Photorhabdus genus and their evolution is influenced by the rate of gene shuffling occurring in their genomic regions. Finally, our findings indicate that TA systems are distributed in Photorhabdus genomes in a manner similar to that observed for insertion sequence transposases, rather than antiphage systems or integrases. This observation suggests a potential link between these systems and specific mobile genetic elements, like transposons. In light of these observations, we developed a novel methodology, based on deep learning approaches, that enables prediction of TA systems based on genomic context. This approach identified the novel PhacTA system and two other potential TA modules. On a last note, this method may also facilitate predictions for other accessory genes, including defense systems. |
| Les systèmes toxine-antitoxine de type II (TA) sont largement répandus dans les génomes procaryotes. Initialement découverts sur les plasmides, où ils contribuent à leur stabilité dans les populations en croissance, les systèmes TA ont ensuite été identifiés dans les chromosomes bactériens, souvent en copies multiples. Cette observation a soulevé des questions sur leurs rôles possibles dans ce contexte génomique. Malgré de nombreuses études fonctionnelles proposant une variété de fonctions, de la persistance aux antibiotiques à la défense contre les phages, les informations concernant l'histoire évolutive et les pressions de sélection qui ont façonné leur succès évolutif restent rares. L'objectif de ce projet de thèse était d'effectuer une analyse complète du vaste répertoire des systèmes TA (TAome) dans le genre bactérien Photorhabdus, qui comprend des génomes codant pour un nombre variable de systèmes TA. Le génome de Photorhabdus laumondii TT01, qui code pour plus de 80 systèmes TA de type II prédits, a été choisi comme génome de référence. Par des approches expérimentales, nous avons déterminé que 42.5% des systèmes TA codés dans le génome de P. laumondii TT01 conservaient leurs propriétés addictives. Une analyse génomique comparative a révélé que tous les systèmes TA identifiés font partie du génome accessoire, ce qui étaye l'hypothèse selon laquelle ils sont transférés entre génomes par transfert horizontal de gènes. Nos données indiquent que la conservation des systèmes TA et celle de leurs gènes voisins est indépendante, ce qui suggère que les systèmes TA ne stabilisent pas le génome accessoire. En outre, les systèmes TA sont susceptibles de se dégrader au sein des génomes du genre Photorhabdus et leur évolution est influencée par le taux de brassage des gènes au sein de leur région génomique. Enfin, nos résultats indiquent que les systèmes TA sont distribués dans les génomes du genre Photorhabdus d'une manière similaire à celle observée pour les gènes de transposases liés aux séquences d'insertion, plutôt que celle des gènes codant pour les systèmes anti-phages ou ceux d’intégrases. Cette observation suggère un lien potentiel entre les systèmes TA et des éléments génétiques mobiles spécifiques, comme les transposons. À la lumière de ces observations, nous avons développé une nouvelle méthodologie, basée sur des approches de ‘Deep learning’, qui permet de prédire les systèmes TA en fonction de leur contexte génomique. Cette approche a permis d'identifier le nouveau système PhacTA et deux autres TA potentiels. Cette méthode pourra également faciliter la prédiction d'autres gènes accessoires, comme, par exemple, les systèmes de défense anti-phages. |
