Abstract Integrons are adaptive bacterial devices that rearrange promoter less gene cassettes into variable ordered arrays under stress conditions, to sample combinatorial phenotypic diversity. Chromosomal integrons often carry hundreds of silent gene cassettes, with integrase-mediated recombination leading to rampant DNA excision and integration, posing a potential threat to genome integrity. How this activity is regulated and controlled, particularly through selective pressures, to maintain such large cassette arrays is unknown. Here we show a key role of promoter-containing toxin–antitoxin (TA) cassettes as abortive systems that kill the cell when the overall cassette excision rate is too high. These results highlight the importance of TA cassettes regulating the cassette recombination dynamics and provide insight into the evolution and success of integrons in bacterial genomes. Teaser The accumulation of cassette functions in integrons is ensured by toxin–antitoxin systems which kill the cell when the cassette excision rate is too high.

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.

Integrons are genetic systems that accelerate bacterial adaptation by acquiring and shuffling gene cassettes. Mobile integrons spread antibiotic resistance genes among bacteria, while the sedentary chromosomal integrons contain up to hundreds of cassettes of unknown function. Here, we show that many of these cassettes encode anti-phage defence systems. We found numerous streamlined variants of known systems, which have presumably evolved to fit the small size constraints of integron cassettes recombination and genesis. Intrigued by the rarity of known systems in the sedentary chromosomal integron of the Vibrio cholerae 7th cholera pandemic strain, we tested the presence of anti-phage functions in all its cassettes of unknown function. We found that at least 16 of the strain cassettes have an anti-phage activity in V. cholerae or E. coli. This represents 18% of the tested cassettes and almost 10% of all the integron cassettes, providing at long last a key adaptive role for a significant fraction of the sedentary integrons. Most of the newly discovered systems have little or no similarity to previously known ones and our experiments show that several mediate defence through cell lysis or growth arrest. One of these systems encodes a 64 amino acids protein, which represents the smallest known protein providing autonomous phage resistance. Given the thousands of uncharacterized integron cassette families, integrons could represent an untapped treasure trove of streamlined anti-phage systems.

Abstract Integrons are adaptive devices that capture, stockpile, shuffle and express gene cassettes thereby sampling combinatorial phenotypic diversity. Some integrons called sedentary chromosomal integrons (SCIs) can be massive structures containing hundreds of cassettes. Since most of these cassettes are non-expressed, it is not clear how they remain stable over long evolutionary timescales. Recently, it was found that the experimental inversion of the SCI of Vibrio cholerae led to a dramatic increase of the cassette excision rate associated to a fitness defect. Here, we question the evolutionary sustainability of this apparently counter selected genetic context through experimental evolution. We find that the integrase is rapidly inactivated and that the inverted SCI can recover its original orientation by homologous recombination between two insertion sequences (ISs) present in the array. These two outcomes of SCI inversion restore the normal growth and prevent the loss of cassettes, enabling SCIs to retain their roles as reservoirs of functions. These results illustrate an interesting interplay between gene orientation, genome rearrangement, bacterial fitness and demonstrate how integrons can benefit from their embedded ISs.

ABSTRACT Integrons are genetic elements that increase the evolvability of bacteria by capturing new genes and stockpiling them in arrays. Sedentary chromosomal integrons (SCIs), can be massive and highly stabilized structures encoding hundreds of genes, whose function remains generally unknown. SCIs have co-evolved with the host for aeons and are highly intertwined with their physiology from a mechanistic point of view. But, paradoxically, other aspects, like their variable content and location within the genome, suggest a high genetic and functional independence. In this work, we have explored the connection of SCIs to their host genome using as a model the Superintegron (SI), a 179-cassette long SCI in the genome of Vibrio cholerae N16961. We have relocated and deleted the SI using SeqDelTA, a novel method that allows to counteract the strong stabilization conferred by toxin-antitoxin systems within the array. We have characterized in depth the impact in V. cholerae’s physiology, measuring fitness, chromosome replication dynamics, persistence, transcriptomics, phenomics and virulence. The deletion of the SI did not produce detectable effects in any condition, proving that -despite millions of years of co-evolution-, SCIs are genetically and functionally isolated units of genomes.

Vibrio cholerae O1 El Tor, the etiological agent responsible for the last cholera pandemic, has become a well-established model organism for which some genetic tools exist. While CRISPRi has been applied in V. cholerae, improvements were necessary to upscale it and enable pooled screening by high-throughput sequencing in this bacterium. In this study, we introduce a pooled genome wide CRISPRi library construction specifically optimized for this V. cholerae strain, characterized by minimal cytotoxicity and streamlined experimental setup. This library allows the depletion of 3,674 (98.9%) annotated genes from the V. cholerae genome. To confirm its effectiveness, we screened for essential genes during exponential growth in rich medium and identified 368 genes for which guides were significantly depleted from the library (log2FC < -2). Remarkably, 82% of these genes had previously been described as hypothetical essential genes in V. cholerae or in a closely related bacterium, V. natriegens. We thus validated the robustness and accuracy of our CRISPRi-based approach for assessing gene fitness in a given condition. Our findings highlight the efficacy of the developed CRISPRi platform as a powerful tool for high-throughput functional genomics studies of V. cholerae.