Characterization and evolution of a family of integrative and potentially conjugative or mobilizable elements from Streptococcus thermophilus

Guillaume Pavlovic , Vincent Burrus , Alexandre Toulmay , Frédéric Choulet , Bernard Decaris (1) , Gérard Guédon (1)

1 LGM - Laboratoire de génétique et microbiologie

The integrative and conjugative elements (ICEs) excise by site-specific recombination, self-transfer the resulting circular form by conjugation and integrate into the genome of the recipient bacterium. The 34.7-kb element from Streptococcus thermophilus CNRZ368, ICESt1, excises and integrates by site-specific recombination. This element also possesses a conjugation module distantly related to that of the conjugative transposon Tn916 from Enterococcus faecalis. Therefore, ICESt1 is probably an ICE. Four types of elements related to ICESt1 are integrated into the same location as ICESt1 in seven other strains of S. thermophilus. One of these elements, ICESt3, is probably an ICE whereas the three others (CIMEs) would have arisen from ICEs by deletion of the conjugation and recombination modules. These elements also encode functions that are not involved in element maintenance or transfer, such as restriction-modification systems. Each of these elements has a chimerical structure resulting from the acquisition of modules from different origins. Sequence analyses indicate that these elements are involved in horizontal transfers with various species of dairy or pathogenic lactic acid bacteria. $\Delta$CIME308 has exchanged restriction-modification and cadmium resistance modules with plasmids. CIME19258 has acquired a cadmium resistance module by the integration of an ICE related to Tn916 within the CIME. The site-specific recombination between an internal attL-related site and attR of ICESt1 leads to the excision of a circular molecule which could be another ICE, ICESt2, suggesting that ICESt1 has arisen by accretion of a CIME and ICESt2. CIME302, ICESt2 and ICESt3 would also have arisen by site-specific accretion of CIMEs and ICEs and/or mobilization of CIMEs by ICEs. An ICE would integrate by site-specific recombination in the attR site of a CIME; then the CIME-ICE would excise by site-specific recombination and transfer by conjugation.

Structure et évolution d'une famille d'éléments intégratifs potentiellement conjugatifs ou mobilisables de Streptococcus thermophilus. Les éléments intégratifs conjugatifs (ICEs) s'excisent par recombinaison site-spécifique sous forme circulaire, se transfèrent par conjugaison puis s'intègrent dans la bactérie réceptrice. L'élément ICESt1 de Streptococcus thermophilus CNRZ368 (34,7 kb) s'intègre et s'excise par recombinaison site-spécifique. Par ailleurs, il code un système de conjugaison putatif apparenté de façon lointaine à celui de Tn916 d'Enterococcus faecalis et constitue donc un ICE putatif. Quatre éléments apparentés à ICESt1 sont intégrés au même site que lui chez sept souches de S. thermophilus. L'un des éléments, ICESt3 est probablement un ICE. Les trois autres (CIMEs) dériveraient d'un ICE par délétion des modules de conjugaison et de recombinaison. Ces éléments codent des fonctions non impliquées dans le transfert comme des systèmes de restriction-modification. Chacun d'entre eux présente une structure chimérique résultant de l'acquisition de modules d'origines différentes. L'analyse de leur séquence indique qu'ils sont impliqués dans des transferts horizontaux entre S. thermophilus et diverses espèces de bactéries lactiques alimentaires ou pathogènes. $\Delta$CIME308 a échangé des modules de restriction-modification et de résistance aux ions Cd$^{++}$ avec des plasmides. CIME19258 a acquis un module de résistance aux ions Cd$^{++}$ par intégration d'un ICE apparenté à Tn916 dans un CIME. La recombinaison site-spécifique entre un site interne d'ICESt1 de type attL et le site attR provoque l'excision de la partie droite d'ICESt1 qui constituerait elle-même un ICE, ICESt2. ICESt1 serait ainsi apparu par accrétion d'un CIME et d'ICESt2. CIME302, ICESt2 et ICESt3 seraient également apparus par accrétion site-spécifique d'ICEs et de CIMEs et/ou mobilisation de CIMEs par des ICEs. Un ICE s'intégrerait par recombinaison site-spécifique dans le site attR d'un CIME formant ainsi un élément composite (CIME-ICE) par accrétion. Celui-ci s'exciserait par recombinaison site-spécifique puis se transférerait par conjugaison.

Mots clés: transfert horizontal; évolution modulaire; transposon conjugatif; horizontal transfer; genomic island<br>---<br>Recombinaison site-spécifique; Site-specific recombination; conjugative transposon; modular evolution; îlot génomique

Domaines: Alimentation et Nutrition; Ingénierie des aliments

Guillaume Pavlovic, Vincent Burrus, Alexandre Toulmay, Frédéric Choulet, Bernard Decaris, et al.. Characterization and evolution of a family of integrative and potentially conjugative or mobilizable elements from Streptococcus thermophilus. Le Lait, 2004, 84 (1-2), pp.7-14. ⟨10.1051/lait:2003042⟩. ⟨hal-00895527⟩