Análisis del uso de genes de tRNAs y tmRNAs como sitios de integración, las propiedades de los elementos genéticos móviles asociados, y su impacto en la evolución del cromosoma en Klebsiella pneumoniae y otros Enterobacterales

Abstract

La transferencia horizontal de genes, mediada por elementos genéticos móviles (EGMs) ha sido uno de los mecanismos por los que el genoma bacteriano ha evolucionado. En cepas con relevancia clínica, este tipo de transferencia ha permitido la adquisición de genes relacionados con virulencia y resistencia a antimicrobianos. Entre los distintos EGMs, las islas genómicas (IGs) corresponden a elementos que se integran en el cromosoma, preferentemente en genes que codifican tRNAs o el tmRNA, y que por su extensión pueden codificar múltiples funciones biológicas completas. La alta variedad dentro de las IGs ha obstaculizado la identificación de este tipo de elementos en cromosomas de bacterias, por lo que es uno de los tipos de EGMs menos caracterizado. En este trabajo se presenta el desarrollo de Kintun-GIP, una herramienta bioinformática diseñada para la predicción masiva y precisa de IGs en cromosomas bacterianos. Mediante un enfoque de genómica comparativa basado en el contexto conservado de genes de t(m)RNAs, se analizaron más de 2.700 genomas bacterianos de cepas de los géneros Klebsiella, Escherichia y Buchnera (orden Enterobacterales). Además, se desarrolló una nomenclatura para los genes de t(m)DNAs que permite la comparación de locus equivalentes entre los cromosomas. Se evidenció además la alta precisión de las predicciones realizadas por Kintun-GIP en comparación con los programas frecuentemente citados para la búsqueda de IGs. En el caso de la colección de cepas del género Klebsiella analizada, se identificaron 2.016 clases de EGMs integrados en sitios de t(m)DNAs. El análisis de estas secuencias evidenció la alta prevalencia y diversidad de EGMs en este género. En cuanto a los sitios usados preferentemente como sitios de integración, se observó un sesgo hacia la xii integración en t(m)DNAs codificados como unidades transcripcionales monocistrónicas y en las regiones 3’ de estos genes. Esta tendencia sería clave para mantener la homeostasis de t(m)RNAs en el citoplasma de las células bacterianas. Respecto de otros Enterobacterales modelo, se evidenció en las cepas analizadas del género Buchnera la ausencia de EGMs, lo que podría estar asociado a su evolución hacia la reducción de su genoma. En el caso de las cepas de Escherichia, la diversidad de EGMs es comparable con la observada en Klebsiella, reflejando sus estilos de vida similares. No se identificaron IGs comunes entre las colecciones de Klebsiella y Escherichia lo que podría sugerir algún tipo de barrera para la transmisión de IGs entre ambos géneros. Los resultados obtenidos establecen las bases para futuros estudios sobre la diversidad de EGMs en bacterias y su impacto en la evolución de cepas.

Horizontal gene transfer, mediated by mobile genetic elements (MGEs), has been one of the key mechanisms driving the evolution of bacterial genomes. In clinically relevant strains, this form of transfer has enabled the acquisition of genes associated with virulence and antimicrobial resistance. Among the various MGEs, genomic islands (GIs) are elements that integrate into the bacterial chromosome and, due to their size, can encode complete biological functions. The extensive diversity within GIs has hindered their identification in bacterial chromosomes, making them one of the least characterized types of MGEs. This study introduces Kintun-GIP, a bioinformatic tool specifically designed for the large scale and precise prediction of GIs in bacterial chromosomes. Using a comparative genomics approach based on the conserved genomic context of t(m)DNA genes, over 2,700 bacterial genomes from strains belonging to the genera Klebsiella, Escherichia, and Buchnera were analyzed. Additionally, a nomenclature system for t(m)DNA genes was proposed, enabling the comparison of equivalent loci across bacterial chromosomes. Kintun-GIP demonstrated high accuracy in GI prediction when compared to commonly cited programs for GI identification. In the analyzed collection of Klebsiella strains, 2,016 classes of MGEs integrated into t(m)DNA sites were identified. The analysis of these sequences revealed that MGEs are both highly prevalent and diverse within this genus. Regarding integration sites, a preference for t(m)DNAs transcribed as monocistronic units and for the 3’ regions of these genes was observed. This pattern may be critical for maintaining the homeostasis of t(m)RNAs in the bacterial cytoplasm. For other Enterobacterales model species, the analyzed Buchnera strains exhibited a complete absence of MGEs, which could be attributed to their evolutionary trajectory toward genome reduction. In contrast, the diversity of MGEs in Escherichia strains was comparable to that observed in Klebsiella, likely reflecting the similar lifestyles of the strains in these collections. However, no common GIs were identified between the Klebsiella and Escherichia collections, suggesting the presence of potential barriers to horizontal gene transfer between these genera. The results obtained in this study lay the groundwork for future analyses of the mobilome in other bacterial species, aiming to explore the diversity of MGEs and their impact on the evolution of various strains.