Abstract Integrons are mobile genetic elements that contain multiple cassettes encoding accessory genes whose order is shuffled by a specific integrase. Integrons within mobile genetic elements often contain multiple antibiotic resistance genes that they spread among nosocomial pathogens and contribute to the current antibiotic resistance crisis. However, most integrons are presumably sedentary and encode a much broader diversity of functions. IntegronFinder is a widely used software to identify novel integrons in bacterial genomes, but has aged and lacks some useful functionalities to handle very large datasets of draft genomes or metagenomes. Here, we present IntegronFinder version 2. We have updated the code, improved its efficiency and usability, adapted the output to incomplete genome data, and added a few novel functions. We describe these changes and illustrate the relevance of the program by analyzing the distribution of integrons across more than 20,000 fully sequenced genomes. We also take full advantage of its novel capabilities to analyze close to 4 thousand Klebsiella pneumoniae genomes for the presence of integrons and antibiotic resistance genes within them. Our data shows that K. pneumoniae has a large diversity of integrons and the largest mobile integron in our database of plasmids. The pangenome of these integrons contains a total of 165 different gene families with most of the largest families being related with resistance to numerous types of antibiotics. IntegronFinder is a free and open-source software available at https://github.com/gem-pasteur/Integron_Finder .

Abstract Facing the abundance and diversity of phages, bacteria have developed multiple anti-phage mechanisms. In the past three years, the number of known anti-phage mechanisms has been expanded by at least 5-fold rendering our view of prokaryotic immunity obsolete. Most anti-phage systems have been studied as standalone mechanisms, however many examples demonstrate strains encode not one but several anti-viral mechanisms. How these different systems integrate into an anti-viral arsenal at the strain level remains to be elucidated. Much could be learned from establishing fundamental description of features such as the number and diversity of anti-phage systems encoded in a given genome. To address this question, we developed DefenseFinder, a tool that automatically detects known anti-phage systems in prokaryotic genomes. We applied DefenseFinder to >20 000 fully sequenced genomes, generating a systematic and quantitative view of the anti-viral arsenal of prokaryotes. We show prokaryotic genomes encode on average five anti-phage systems from three different families of systems. This number varies drastically from one strain to another and is influenced by the genome size and the number of prophages encoded. Distributions of different systems are also very heterogenous with some systems being enriched in prophages and in specific clades. Finally, we provide a detailed comparison of the anti-viral arsenal of 15 common bacterial species, revealing drastic differences in anti-viral strategies. Overall, our work provides a free and open-source software, available as a command line tool or, on a webserver. It allows the rapid detection of anti-phage systems, enables a comprehensive description of the anti-viral arsenal of prokaryotes and paves the way for large scale genomics study in the field of anti-phage defense.

Abstract Viral infection is a common threat to prokaryotic and eukaryotic life, which has resulted in the evolution of a myriad of antiviral systems. Some of these eukaryotic systems are thought to have evolved from prokaryotic antiphage proteins, with which they may display sequence and structural homology. Here, we show that homologs of recently discovered antiphage systems are widespread in eukaryotes. We demonstrate that such homologs can retain a function in immunity by unveiling that eukaryotic proteins of the anti-transposon piRNA pathway display domain homology with the antiphage system Mokosh. We further utilise this conservation to discover novel human antiviral genes related to the Eleos and Lamassu prokaryotic systems. We propose that comparative immunology across domains of life can be leveraged to discover immune genes in eukaryotes.

Abstract Simulation is a key tool in population genetics for both methods development and empirical research, but producing simulations that recapitulate the main features of genomic data sets remains a major obstacle. Today, more realistic simulations are possible thanks to large increases in the quantity and quality of available genetic data, and to the sophistication of inference and simulation software. However, implementing these simulations still requires substantial time and specialized knowledge. These challenges are especially pronounced for simulating genomes for species that are not well-studied, since it is not always clear what information is required to produce simulations with a level of realism sufficient to confidently answer a given question. The community-developed framework stdpopsim seeks to lower this barrier by facilitating the simulation of complex population genetic models using up-to-date information. The initial version of stdpopsim focused on establishing this framework using six well-characterized model species (Adrion et al., 2020). Here, we report on major improvements made in the new release of stdpopsim (version 0.2), which includes a significant expansion of the species catalog and substantial additions to simulation capabilities. Features added to improve the realism of the simulated genomes include non-crossover recombination and provision of species-specific genomic annotations. Through community-driven efforts, we expanded the number of species in the catalog more than three-fold and broadened coverage across the tree of life. During the process of expanding the catalog, we have identified common sticking points and developed best practices for setting up genome-scale simulations. We describe the input data required for generating a realistic simulation, suggest good practices for obtaining the relevant information from the literature, and discuss common pitfalls and major considerations. These improvements to stdpopsim aim to further promote the use of realistic whole-genome population genetic simulations, especially in non-model organisms, making them available, transparent, and accessible to everyone.

Abstract Simulation of genomic data is a key tool in population genetics, yet, to date, there is no forward-in-time simulator of bacterial populations that is both computationally efficient and adaptable to a wide range of scenarios. Here we demonstrate how to simulate bacterial populations with SLiM, a forward-in-time simulator built for eukaryotes. SLiM has gained many users in recent years, due to its speed and power, and has extensive documentation showcasing various scenarios that it can simulate. This paper focuses on a simple demographic scenario, to explore unique aspects of modeling bacteria in SLiM’s scripting language. In addition, we illustrate the flexibility of SLiM by simulating the growth of bacteria on a Petri dish with antibiotic. To foster the development of bacterial simulations based upon this recipe, we explain the inner workings of its code. We also validate the simulator, by extensively testing the results of simulations against existing simulators, and against theoretical expectations for some summary statistics. This protocol, with the flexibility and power of SLiM, will enable the community to simulate bacterial populations efficiently under a wide range of evolutionary scenarios.

Immune defence mechanisms exist across the tree of life in such diversity that prokaryotic antiviral responses have historically been considered unrelated to eukaryotic immunity. Mechanisms of defence in divergent eukaryotes were similarly believed to be largely clade specific. However, recent data indicate that a subset of modules (domains and proteins) from prokaryote defence systems are conserved in eukaryotes and populate many stages of innate immune pathways. In this Essay, we propose the notion of ancestral immunity, which corresponds to the set of immune modules conserved between prokaryotes and eukaryotes. After offering a typology of ancestral immunity, we speculate on the selective pressures that could have led to the differential conservation of specific immune modules across domains of life. The exploration of ancestral immunity is in its infancy and appears full of promises to illuminate immune evolution, and also to identify and decipher immune mechanisms of economic, ecological, and therapeutic importance.

Abstract Integrons are genetic elements involved in bacterial adaptation. They can capture, shuffle and express adaptive functions embedded in cassettes. These events are governed by the integron integrase through site-specific recombination between attC and attI integron sites. Here, we demonstrated that the integrase can efficiently catalyze insertion of cassettes in bacterial genomes, outside the att sites. We showed that, once inserted in genomes, cassettes can be expressed, if located near bacterial promoters, and can be excised at the insertion point and even outside, inducing chromosomal modifications in the latter case. Analysis of more than 5 × 10 5 independent insertion events revealed a very large genomic insertion landscape with recombination sites greatly different, in terms of sequence and structure, from classical att sites. We named these new sites attG . These results unveil a new efficient route for dissemination of adaptive functions and expand the role of integrons in bacterial evolution.

Abstract Cultural Transmission of Reproductive Success (CTRS) has been observed in many human populations as well as other animals. It consists in a positive correlation of non-genetic origin between the progeny size of parents and children. This correlation can result from various factors, such as the social influence of parents on their children, the increase of children’s survival through allocare from uncle and aunts, or the transmission of resources. Here, we study the evolution of genomic diversity through time under CTRS. We show that CTRS has a double impact on population genetics: (1) effective population size decreases when CTRS starts, mimicking a population contraction, and increases back to its original value when CTRS stops; (2) coalescent trees topologies are distorted under CTRS, with higher imbalance and higher number of polytomies. Under long-lasting CTRS, effective population size stabilises but the distortion of tree topology remains, which yields U-shaped Site Frequency Spectra (SFS) under constant population size. We show that this CTRS’ impact yields a bias in SFS-based demographic inference. Considering that CTRS was detected in numerous human and animal populations worldwide, one should be cautious that inferring population past histories from genomic data can be biased by this cultural process.

Bacteria with two cell membranes (diderms) have evolved complex systems for protein secretion. These systems were extensively studied in some model bacteria, but the characterisation of their diversity has lagged behind due to lack of standard annotation tools. We built models for accurate identification of protein secretion systems and related appendages in bacteria with LPS-containing outer membranes. They can be used with MacSyFinder (standalone program) or online (http://mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/portal.py#forms::txsscan). They include protein profiles and information on the system's composition and genetic organisation. They can be used to search for T1SS-T6SS, T9SS, and accessorily for flagella, Type IV and Tad pili. We identified ~10,000 systems in bacterial genomes, where T1SS and T5SS were by far the most abundant and widespread. The recently described T6SSiii and T9SS were restricted to Bacteroidetes, and T6SSii to Francisella. T2SS, T3SS, and T4SS were frequently encoded in single-copy in one locus, whereas most T1SS were encoded in two loci. The secretion systems of diderm Firmicutes were similar to those found in other diderms. Novel systems may remain to be discovered, since some clades of environmental bacteria lacked all known protein secretion systems. Our models can be fully customized, which should facilitate the identification of novel systems.