Environmental integrons are ubiquitous in natural microbial communities, but they are mostly uncharacterized and their role remains elusive. Thus far, research has been hindered by methodological limitations. Here, we successfully used an innovative approach combining CRISPR-Cas9 enrichment with long-read nanopore sequencing to target, in a complex microbial community, a putative adaptive environmental integron, InOPS, and to unravel its complete structure and genetic context. A contig of 20 kb was recovered containing the complete integron from the microbial metagenome of oil-contaminated coastal sediments. InOPS exhibited typical integron features. The integrase, closely related to integrases of marine Desulfobacterota, possessed all the elements of a functional integron integrase. The gene cassettes harboured mostly unknown functions hampering inferences about their ecological importance. Moreover, the putative InOPS host, likely a hydrocarbonoclastic marine bacteria, raises questions as to the adaptive potential of InOPS in response to oil contamination. Finally, several mobile genetic elements were intertwined with InOPS highlighting likely genomic plasticity, and providing a source of genetic novelty. This case study showed the power of CRISPR-Cas9 enrichment to elucidate the structure and context of specific DNA regions for which only a short sequence is known. This method is a new tool for environmental microbiologists working with complex microbial communities to target low abundant, large or repetitive genetic structures that are difficult to obtain by classical metagenomics. More precisely, here, it offers new perspectives to comprehensively assess the eco-evolutionary significance of environmental integrons.
Les intégrons environnementaux sont omniprésents dans les communautés microbiennes naturelles, mais la plupart ne sont pas caractérisés et leur rôle reste obscur. A ce jour, les limitations méthodologiques ont restreint leur étude. Ici, nous avons utilisé avec succès une approche innovante, combinant l’enrichissement par CRISPR-Cas9 et le séquençage nanopore longs-fragments, pour cibler, dans une communauté microbienne complexe, un intégron environnemental potentiellement adaptatif, InOPS, et pour révéler sa structure complète et son contexte génétique. Un contig de 20 kb contenant l’intégron complet a été obtenu à partir du métagénome microbien de sédiments côtiers contaminés par du pétrole. InOPS présente les caractéristiques typiques d’un intégron. Son intégrase, proche des intégrases des Desulfobacterota marines, possède tous les éléments d’une intégrase d’intégron fonctionnelle. Les cassettes de gène ont des fonctions pour la plupart inconnues, ce qui empêche d’inférer leur importance écologique. De plus, l’hôte présumé d’InOPS, probablement une bactérie marine hydrocarbonoclaste, interroge sur le potentiel adaptatif d’InOPS en réponse à la contamination par le pétrole. En outre, la présence de plusieurs éléments génétiques mobiles dans le contig met en évidence une probable plasticité génomique qui pourrait être source de remaniements génétiques. Cette étude de cas a montré la puissance de l’enrichissement par CRISPR-Cas9 pour élucider la structure et le contexte de régions d’ADN spécifiques pour lesquelles seule une courte séquence est connue. Cette méthode fournit un nouvel outil aux microbiologistes environnementaux travaillant avec des communautés microbiennes complexes pour cibler des structures génétiques peu abondantes, larges ou répétées, qui sont difficiles à obtenir par métagénomique classique. Plus précisément, elle offre ici de nouvelles perspectives pour évaluer de manière exhaustive l’importance éco-évolutive des intégrons environnementaux.
Keywords: CRISPR-Cas9 enrichment; complex genomic regions; environmental integrons; microbial communities; microbial metagenomics; mobile genetic elements.
© 2023 John Wiley & Sons Ltd.