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 .

Summary Bacterial evolution is affected by mobile genetic elements such as phages and conjugative plasmids, which may provide novel adaptive traits but also incur in fitness costs. Infection by these elements is affected by the bacterial capsule. Yet, its importance has been difficult to quantify and characterise because of the high diversity of bacterial genomes regarding confounding mechanisms such as anti-viral systems. We swapped capsule loci between Klebsiella pneumoniae strains to quantify their effect on transfer of conjugative plasmids and phages independently of the genetic background. Capsule swaps systematically invert phage susceptibility, demonstrating that serotypes are key determinants of phage infection. Capsule types also affect conjugation efficiency in both donor and recipient cells depending on the serotype, a mechanism shaped by the capsule volume and depending on the structure of the conjugative pilus. Comparative genomics confirmed that more permissive serotypes in the lab correspond to the strains acquiring more conjugative plasmids in nature. The pili least sensitive to capsules (F-like) are also the most frequent in the species’ plasmids, and are the only ones associated with both antibiotic resistance and virulence factors, driving the convergence between virulence and antibiotics resistance in the population. These results show how the traits of cellular envelopes define slow and fast lanes of infection by mobile genetic elements, with implications for population dynamics and horizontal gene transfer. Graphical abstract

Deciphering the immune organization of eukaryotes is important for human health and for understanding ecosystems. The recent discovery of antiphage systems revealed that various eukaryotic immune proteins originate from prokaryotic antiphage systems. However, whether bacterial antiphage proteins can illuminate immune organization in eukaryotes remains unexplored. Here, we use a phylogeny-driven approach to uncover eukaryotic immune proteins by searching for homologs of bacterial antiphage systems. We demonstrate that proteins displaying sequence similarity with recently discovered antiphage systems are widespread in eukaryotes and maintain a role in human immunity. Two eukaryotic proteins of the anti-transposon piRNA pathway are evolutionarily linked to the antiphage system Mokosh. Additionally, human GTPases of immunity-associated proteins (GIMAPs) as well as two genes encoded in microsynteny, FHAD1 and CTRC, are respectively related to the Eleos and Lamassu prokaryotic systems and exhibit antiviral activity. Our work illustrates how comparative genomics of immune mechanisms can uncover defense genes in eukaryotes.

Klebsiella species are able to colonize a wide range of environments and include daunting nosocomial pathogens. Here, we sought to determine the abundance and infectivity of prophages of Klebsiella to understand how the interactions between induced prophages and bacteria affect population dynamics and evolution. We identified many prophages in the species, placing these taxa among the top 5% of the most polylysogenic bacteria. We selected 35 representative strains of Klebsiella to establish a network of induced phage-bacteria interactions. This revealed that many prophages are able to enter the lytic cycle, and subsequently kill or lysogenize closely-related Klebsiella strains. Although 60% of the tested strains could produce phages that infect at least one other strain, the interaction network of all pairwise cross-infections is very sparse, most interactions are null, and is modular because of the capsule serotype. Capsule mutants remain uninfected showing that the capsule is required for successful infection. Accordingly, experiments where bacteria are predated by their own prophages result in accelerated loss of the capsule. Our results show that infectiousness defines interaction modules between small subsets of phages and bacteria in function of capsule serotype. This limits the role of prophages as competitive weapons because they can infect very few strains of the species. This should also restrict phage-driven gene flow across the species. However, if capsule loss driven by phage predation is followed by the acquisition of a novel capsule, then bacteria shift to another module where they can be infected by other phages that can transduce genes from other bacterial strains.

ABSTRACT Mobile genetic elements (MGEs) drive genetic transfers between bacteria using mechanisms that are affected by the cell envelope composition, notably the capsule. Here, we show that capsules constrain phage-mediated gene flow between closely related serotypes in Klebsiella pneumoniae , a high-priority nosocomial enterobacteria. Serotype-specific phage pressure may also explain the inactivation of capsule genes, which occur frequently and recapitulate the capsule biosynthetic pathway. We show that plasmid conjugation is increased upon capsule inactivation and that capsule re-acquisition leaves long recombination tracts around the capsular locus. This suggests that capsule inactivation by phage pressure facilitates its subsequent re-acquisition by conjugation, a process re-wiring gene flow towards novel lineages whenever it leads to serotype swaps. These results reveal the basis of trade-offs between the evolution of virulence and multidrug resistance. They also caution that some alternatives to antibiotic therapy may select for capsule inactivation, thus decreasing virulence but facilitating antibiotic resistance genes acquisition.