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Incontournables et pourtant rares : les déterminants de la distribution des systèmes CRISPR-Cas dans les génomes bactériens

Why so rare if so essentiel: the determinants of the sparse distribution of CRISPR-Cas systems in bacterial genomes

¹ Synthetic Biology Group, Institut Pasteur, 25–28 rue Dr. Roux, 75015 Paris, France
² Microbial Evolutionary Genomics, Institut Pasteur, 25–28 rue Dr Roux, 75015 Paris, France
³ AgroParisTech, 75005 Paris, France

^* Auteur correspondant : Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

Reçu : 1 Mars 2018

Résumé

Les systèmes CRISPR-Cas (Cluster of Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) confèrent aux bactéries une immunité adaptative contre les éléments génétiques mobiles, jouant ainsi un rôle important dans l’évolution bactérienne. Cependant, malgré la protection qu’ils apportent, moins de la moitié des génomes bactériens encodent des systèmes CRISPR-Cas. En comparaison, 90 % des archées ont des systèmes CRISPR-Cas et un génome bactérien code pour en moyenne deux systèmes de restriction-modification. Cette faible prévalence est d’autant plus intrigante que les systèmes CRISPR-Cas sont massivement transférés horizontalement. Cette revue s’attache à décrire la distribution des systèmes CRISPR-Cas dans les génomes bactériens et à explorer les différentes hypothèses pouvant expliquer pourquoi les systèmes CRISPR-Cas sont présents dans un nombre relativement limité de ces génomes. Les mécanismes d’évasion des phages, les facteurs écologiques tels que la diversité et l’abondance des phages ou les coûts intrinsèques liés à la maintenance du système ou aux phénomènes d’auto-immunité seront notamment discutés. Comprendre les inconvénients à encoder des systèmes CRISPR-Cas est essentiel pour appréhender leurs dynamiques évolutives et leurs succès relatifs dans certains environnements ou clades.

Abstract

CRISPR-Cas (Cluster of Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) systems confer bacteria and archaea an adaptative immunity against phages and other invading genetic elements playing an important role in bacterial evolution. However, despite the protection they generate and high rate of horizontal transfer, less than 50% of bacterial genomes harbor a CRISPR-Cas system. As a comparison, 90% of archaea encode a CRISPR-Cas system and a bacterial genome codes for two restriction modification systems on average. This review describes CRISPR-Cas systems distribution in bacterial genomes and then details the different hypotheses put forward to explain the relative scarcity of CRISPR-Cas systems. More specifically, phage escape mechanisms, ecological factors such as phage diversity and abundance and intrinsic costs, such as maintenance or autoimmunity, are discussed. Overall, a better understanding of the downsides of encoding CRISPR-Cas systems is essential to explain their evolutionary dynamics and their relative success in different environments and clades.