Mining ice in genomes: comparative genomics of integrative elements in prokaryotic genomes

• Author(s): Quintais, Leonor Maria dos Santos Silva Tomé, 1986-
• Date: 2010
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/2778
• Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
• Subject(s): Biologia molecular; Procariotas; Teses de mestrado - 2010
• Document Type: Master thesis
• Language: English
• Advisor(s): Rocha, Eduardo; Silva, Pedro João Neves e, 1958-
• Contributor(s): Repositório da Universidade de Lisboa

Description

Tese de mestrado. Biologia (Biologia Molecular e Genética). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2010

Elementos integrativos e conjugativos (ICEs) são um grupo muito diverso de elementos genéticos móveis, que se caracterizam por partilharem características de fagos e plasmídios. Como fagos temperados, os ICES integram-se no genoma do hospedeiro, estando dependentes deste para a sua replicação; como plasmídios, são transmitidos para outras células através de conjugação. Estes elementos são portanto responsáveis por transferência horizontal de genes (HGT) em procariotas. A sua estrutura é composta por três módulos: manutenção, transmissão e regulação. O módulo de manutenção codifica a recombinase, a proteína responsável pela integração dos ICES no genoma do hospedeiro. O módulo de disseminação inclui o sistema conjugativo, tipicamente um sistema de secreção do tipo IV (T4SS). O módulo de regulação é composto por genes que regulam a transferência dos elementos. No entanto, apesar do estudo dos ICE se revestir de enorme importância clínica, uma vez que transmitem características como resistência a antibióticos, produção de factores de virulência ou mesmo produção de biofilmes, pouco se sabe ainda acerca do seu conteúdo génico, tamanho, e que mecanismos de integração e conjugação utilizam. Este é o primeiro estudo que identifica ICEs em todos os genomas procarióticos sequenciados. Nos 1055 genomas disponíveis, identificámos e caracterizámos a distribuição de 315 ICEs. Uma das teorias mais aceites acerca do papel dos ICEs na THG especula que estes terão um papel dominante em Firmicutes, mas que em Proteobactérias são plasmídios conjugativos os verdadeiros responsáveis pela transferência horizontal de genes. Utilizando dados de um estudo prévio do nosso laboratório que caracterizou a mobilidade em plasmídios, verificámos que esta relação não parece ser verdadeira. Uma vez que este se trata de um estudo pioneiro, os resultados por nós obtidos podem abrir novas portas na investigação de ICEs.

Integrative conjugative elements (ICEs) are a diverse group of mobile genetic elements characterized by their dual phage and plasmid behaviour. Like temperate phages, ICEs can integrate into the host chromosome and replicate with it, and like plasmids they are transferred by conjugation. These elements contribute to horizontal gene transfer (HGT) in prokaryotes, and are responsible for the transmission of traits such as antibiotic resistance, virulence factors and biofilm formation. Its core structure can be divided in three modules: maintenance, dissemination and regulation. The maintenance module encodes a recombinase, which is responsible for ICEs integration into host replicons. The dissemination module includes the conjugating system, typically IV secretion system (T4SS). The regulation module comprises the genes that regulate ICEs transfer. The studies on ICEs are very recent and therefore the knowledge about their cargo content, their size and how they conjugate and integrate into the host genome is still reduced. Therefore, studying these elements is of vital importance. This is the first large-scale study that identifies integrative conjugative elements in all the sequenced prokaryotic genomes. In the 1055 available genomes, we identified and characterized the distribution of 315 ICEs. We were also able to identify T4SS systems not involved in conjugation, and their distribution was compared to those of ICEs. We used data from a previous work of our laboratory, which characterised plasmid mobility, in order to compare the T4SS systems involved in the conjugation of ICEs and conjugative plasmids. We were able to contradict the mainstream idea of ICE being the major contributors to HGT in Firmicutes, whereas that role was played by conjugative plasmids in Proteobacteria. Because this is a pioneer study, the obtained results may open new avenues of reasearch in this field.