Comparative genomic analysis of CRISPR/Cas systems in Thermococcus genomes

Abstract

CRISPR/Cas systems are adaptive immune systems widespread in bacteria and archaea that confer protection against invading nucleic acids. However, beyond its role in prokaryotes, many applications have derived from these systems, especially in the genome engineering field. Such has been the impact of CRISPR/Cas systems on this field, that they are considered a game-changing technology. This impact has triggered the interest in identifying and characterizing such systems in prokaryotes. Even so, the CRISPR/Cas systems of many prokaryotes, particularly in archaea, remain yet-to-be-explored. In this study, the CRISPR/Cas systems of Thermococcus are characterized through a comparative genomic analysis. Thermococcus is an archaeal genus that comprises thermophilic microorganisms. Thermococcus are of interest for the industry, mainly owing to their thermostable enzymes. The characterization of the systems identified in Thermococcus revealed their occurrence, diversity, organization and structural features. For said characterization, the use of online tools, specially created for CRISPR/Cas systems analyses, and software aimed at phylogenetic analyses have been required. Overall, a high occurrence and diversity of CRISPR/Cas systems have been detected in Thermococcus. The CRISPR loci, cas loci and structural features analyses also suggested likely horizontal gene transfer events among Thermococcus species. Furthermore, a pipeline to detect and characterize CRISPR/Cas systems in prokaryotic genomes has been generated, which can be employed for other species or genera.

Los sistemas CRISPR/Cas son sistemas inmunes adaptativos extendidos en bacterias y arqueas que confieren protección contra ácidos nucleicos invasores. Sin embargo, más allá de su papel en procariotas, muchas aplicaciones se han derivado de estos sistemas, especialmente en el campo de la ingeniería del genoma. Tal ha sido el impacto de los sistemas CRISPR/Cas en este campo, que se consideran una tecnología revolucionaria. Este impacto ha impulsado el interés por identificar y caracterizar tales sistemas en procariotas. Aun así, los sistemas CRISPR/Cas de muchas procariotas, en particular en arqueas, siguen sin ser explorados. En el presente estudio, los sistemas CRISPR/Cas de Thermococcus se caracterizan mediante un análisis genómico comparativo. Thermococcus es un género de aqueas que comprende microorganismos termófilos. Este género presenta interés industrial, principalmente debido a sus enzimas termoestables. La caracterización de los sistemas identificados en Thermococcus reveló su presencia, diversidad, organización y elementos estructurales. Para dicha caracterización se ha requerido el uso de herramientas en línea, creadas especialmente para el análisis de los sistemas CRISPR/Cas, y de programas informáticos destinados a los análisis filogenéticos. En líneas generales, se ha detectado una elevada presencia y diversidad de sistemas CRISPR/Cas en Thermococcus. Los análisis de los CRISPR loci, cas loci y sus elementos estructurales también sugirieron probables eventos de transferencia horizontal de genes entre las especies de Thermococcus. Además, se ha generado un marco de trabajo para detectar y caracterizar los sistemas CRISPR/Cas en los genomas de procariotas, que puede emplearse para otras especies o géneros.

Els sistemes CRISPR/Cas són sistemes immunes adaptatius estesos en bacteris i arqueges que confereixen protecció contra àcids nucleics invasors. No obstant això, més enllà del seu paper en procariotes, moltes aplicacions s'han derivat d'aquests sistemes, especialment en el camp de l'enginyeria del genoma. Tal ha estat l'impacte dels sistemes CRISPR/Cas en aquest camp, que es consideren una tecnologia revolucionària. Aquest impacte ha impulsat l'interès per identificar i caracteritzar tals sistemes en procariotes. Així i tot, els sistemes CRISPR/Cas de moltes procariotes, en particular en arqueges, segueixen sense ser explorats. En el present estudi, els sistemes CRISPR/Cas de Thermococcus es caracteritzen mitjançant una anàlisi genòmica comparativa. Thermococcus és un gènere d'aquest que comprèn microorganismes termòfils. Aquest gènere presenta interès industrial, principalment a causa dels seus enzims termoestables. La caracterització dels sistemes identificats en Thermococcus va revelar la seva presència, diversitat, organització i elements estructurals. Per a aquesta caracterització s'ha requerit l'ús d'eines en línia, creades especialment per a l'anàlisi dels sistemes CRISPR/Cas, i de programes informàtics destinats a les anàlisis filogenètiques. En línies generals, s'ha detectat una elevada presència i diversitat de sistemes CRISPR/Cas en Thermococcus. Les anàlisis dels CRISPR loci, cas loci i els seus elements estructurals també van suggerir probables esdeveniments de transferència horitzontal de gens entre les espècies de Thermococcus. A més, s'ha generat un marc de treball per a detectar i caracteritzar els sistemes CRISPR/Cas en els genomes de procariotes, que pot emprar-se per a altres espècies o gèneres.