The distribution of CRISPR-Cas systems is affected by interactions with DNA repair pathways

par Aude Bernheim

Thèse de doctorat en Microbiologie

Sous la direction de Eduardo Pimentel Cachapuz Rocha et de David Bikard.

Soutenue le 23-11-2017

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....) , en partenariat avec Université Paris Descartes (1970-2019) (établissement de préparation) et de Biologie de Synthèse (laboratoire) .

Le président du jury était Bénédicte Michel.

Le jury était composé de Eduardo Pimentel Cachapuz Rocha, David Bikard, Bénédicte Michel, Olga Soutourina, Olivier Tenaillon, Patrick Forterre, Edze Westra.

Les rapporteurs étaient Olga Soutourina, Olivier Tenaillon.

mots clés

• CRISPR
• CRISPR-Cas
• Immunité
• Phages
• Réparation de l’ADN
• Évolution
• Systèmes de défense
• CRISPR (génétique)
• ADN -- Réparation
• Génétique bactérienne

Titre traduit

La distribution des systèmes CRISPR-Cas est affectée par leurs interactions avec les systèmes de réparation de l’ADN

Résumé

Les systèmes CRISPR-Cas confèrent aux bactéries une immunité adaptative contre les éléments génétiques mobiles jouant ainsi un rôle important dans l’évolution bactérienne. Cependant, moins de la moitié des génomes bactériens encodent des systèmes CRISPR-Cas ; cela, malgré la protection qu’ils confèrent et leur haut taux de transfert horizontal. Des hypothèses telles que le coût des phénomènes d’auto-immunité ou de posséder des défenses adaptatives plutôt qu’innées ont été mises en avant pour expliquer ce paradoxe. Je propose une nouvelle hypothèse complémentaire : le contexte génétique jouerait un rôle important dans la fixation d’un système CRISPR-Cas après son transfert. Plus précisément, j’ai étudié comment les interactions entre les systèmes de réparation de l’ADN et les CRISPR-Cas influencent la distribution de ces derniers. Pour cela, j’ai d’abord examiné finement la distribution des systèmes CRISPR-Cas dans les génomes bactériens. J’ai ensuite analysé les co-occurences des systèmes de réparation de l’ADN et des CRISPR-Cas et démontré l’existence d’associations positives et négatives entre eux. Enfin, je me suis concentrée sur une des associations négatives découvertes pour valider mes prédictions expérimentalement et comprendre les mécanismes moléculaires sous-jacents. Mes travaux permettent de mieux comprendre les interactions complexes entre systèmes de réparation de l’ADN et CRISPR-Cas et démontrent la nécessite d’accommodation des CRISPR-Cas à un contexte génétique pour être sélectionnés et maintenus dans les génomes bactériens.

mots clés

• CRISPR
• CRISPR-Cas
• Immunity
• Phages
• DNA repair
• Evolution
• Defense systems

Résumé

CRISPR-Cas systems confer bacteria and archea an adaptative immunity against phages and other invading genetic elements playing an important role in bacterial evolution. Only 47% of bacterial genomes harbor a CRISPR-Cas system despite their high rate of horizontal transfer. Hypothesis such as the cost of autoimmu- nity or the trade off between a constitutive or an inducible defense system have been put forward to explain this paradox. I propose that the genetic background plays an important role in the process of maintaining a CRISPR-Cas system af- ter its transfer. More precisely I hypothesized that CRISPR-Cas systems interact with DNA repair pathways. To test this idea, we detected DNA repair pathways and CRISPR-Cas systems in bacterial genomes and studied their co-occurences. We report both positive and negative associations that we interpret as poten- tial antagonistic or synergistic interactions. We then focused on one interaction to validate our result experimentally and explored molecular mechanisms behind those interactions. My findings give insights on the complex interactions between CRISPR-Cas systems and DNA repair mechanisms in bacteria and provide a first example on the necessity of accommodation of CRISPR-Cas systems to a specific genetic context to be selected and maintained in bacterial genomes.