En suivant la façon dont les gènes adaptatifs se propagent dans les bactéries intestinales à travers les continents, les chercheurs découvrent une réponse évolutive cachée aux régimes alimentaires et aux modes de vie modernes, ainsi qu’une nouvelle manière puissante d’étudier l’évolution du microbiome.
Étude : Les balayages sélectifs spécifiques aux gènes sont omniprésents dans les microbiomes intestinaux humains. Crédit image : Danijela Maksimovic/Shutterstock.com
Une étude récente dans Nature développé un score de déséquilibre de liaison intégré (iLDS), une nouvelle statistique d'analyse de sélection, permettant d'identifier les allèles adaptatifs se propageant à travers les microbiomes de l'hôte par le biais de processus médiés par la recombinaison, notamment la migration et le transfert horizontal de gènes (HGT). Ceci met en évidence pressions sélectives courantes et leur rôle dans la formation de la diversité et de la fonction du microbiome.
Sommaire
Adaptations génétiques au sein du microbiome intestinal
Les différentes espèces du microbiome intestinal humain changent et évoluent tout au long de la vie d’une personne et même sur plusieurs générations. Des études montrent que les bactéries intestinales évoluent souvent rapidement, et que de nouvelles mutations deviennent courantes chez les adultes en bonne santé en quelques jours ou mois, même sans traitement antibiotique. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre comment ces changements se propagent entre les individus au fil du temps.
Lorsqu’une nouvelle adaptation apparaît dans le microbiome intestinal d’une personne, elle peut se propager à d’autres par transfert horizontal de gènes (HGT). L’intestin humain est un point chaud connu pour le HGT, facilitant l’incorporation de gènes utiles dans de nouvelles souches bactériennes. Le HGT est important pour la propagation de certains gènes, comme ceux de la résistance aux antibiotiques, notamment entre différentes espèces. À ce jour, on ne sait pas exactement dans quelle mesure HGT facilite le mouvement des gènes adaptatifs entre souches de la même espèce, notamment par recombinaison homologue.
Lorsqu'un gène adaptatif se propage dans une population via un processus appelé balayage sélectif « spécifique à un gène », des variantes génétiques proches, qui peuvent être inoffensives ou potentiellement dangereuses, peuvent être entraînées avec lui. Cela signifie que la même partie de l'ADN, comprenant à la fois le gène adaptatif et ces « auto-stoppeurs », peut apparaître dans des souches bactériennes non apparentées vivant dans les microbiomes intestinaux de différentes personnes. Ce partage d'ADN crée un modèle notable appelé déséquilibre de liaison élevé (LD), ce qui signifie que certaines combinaisons de gènes apparaissent ensemble plus souvent que prévu à proximité du gène adaptatif.
Les analyses basées sur LD pour la sélection dans les bactéries ont été limitées, peut-être en raison de l'omniprésence et de la dynamique de la recombinaison chez de nombreuses espèces bactériennes, en particulier commensales intestinales. De plus, les statistiques basées sur la LD peuvent être confondues par d’autres forces évolutives non sélectives, notamment les contractions démographiques, qui peuvent élever la DL20.
Découverte des forces de sélection dans les populations bactériennes intestinales grâce à des modèles de déséquilibre de liaison
Les chercheurs ont utilisé des simulations pour vérifier si la sélection positive et l’auto-stop augmentent le LD entre les variantes non synonymes par rapport aux variantes synonymes, et si ce modèle est propre à la sélection ou peut se produire par hasard. Ils ont découvert que ce modèle génétique ne se produit pas sans sélection positive, même dans divers scénarios évolutifs. La signature n'apparaissait que lorsque la sélection purificatrice était plus forte que la dérive, et la sélection positive était plus forte que la sélection purificatrice. Dans de tels cas, des variantes faiblement délétères pourraient faire du stop pendant un balayage, entraînant une augmentation de la LD parmi les variantes courantes non synonymes.
Après que des simulations ont montré que les balayages sélectifs peuvent augmenter la LD parmi les variantes courantes, les chercheurs ont mesuré la LD dans les bactéries intestinales humaines pour déterminer si ce schéma se produit dans les populations naturelles. Ils ont analysé les données métagénomiques de 693 personnes sur trois continents. En alignant les lectures de séquençage et en identifiant les échantillons avec une souche dominante, ils ont déterminé de manière fiable les haplotypes. Cela a permis le calcul du LD entre des paires d'allèles. Au total, 3 316 haplotypes de 32 espèces ont été analysés. Des preuves supplémentaires ont été recueillies à l’aide de génomes assemblés par métagénome (MAG) et d’isolats provenant de 24 populations mondiales. Étant donné que la LD peut être affectée par la structure de la population, seuls les haplotypes du plus grand clade de chaque espèce ont été pris en compte.
Dans la plupart des espèces analysées, la LD était significativement plus élevée parmi les variantes courantes non synonymes, ce qui suggère une sélection positive. Pour les variantes rares, la LD était inférieure, indiquant une sélection purifiante. Ces modèles indiquent une purification généralisée et une sélection positive sur des sites non synonymes dans les bactéries intestinales.
Application de l’iLDS pour examiner les adaptations génétiques microbiennes intestinales
La statistique iLDS a été conçue pour identifier les régions génomiques candidates sous sélection positive récente en mesurant la LD globale et non synonyme. Il a été calculé dans des fenêtres glissantes à travers le génome et a mis en évidence les valeurs aberrantes après standardisation. L'étude actuelle a testé iLDS sur des modèles simulés et réels. Clostridioides difficile données, démontrant la sensibilité aux balayages récents et en cours tout en maintenant un faible taux de faux positifs. En 135 C. difficile isolats, l'iLDS a identifié les régions de balayage connues, telles que tcdB et la cassette de la couche S, la plupart des régions ne montrant aucun signal, tandis que quelques-unes ont indiqué une sélection.
Six balayages ont été identifiés, dont tcdB et couche S. L'iLDS a surpassé les autres statistiques, correspondant souvent à des gènes de virulence connus et révélant des balayages compatibles avec la propagation d'allèles adaptatifs médiée par la recombinaison. Son efficacité a été confirmée dans Helicobacter pylori et Drosophile melanogaster aussi.
L'iLDS appliqué à 32 espèces de microbiome intestinal a identifié 155 balayages affectant 447 gènes, certaines classes de gènes, telles que les gènes d'utilisation de l'amidon susC/susD et les glycosides hydrolases, étant sélectionnées à plusieurs reprises. Cela indique que les gènes du métabolisme et du transport des glucides sont fréquemment ciblés par la sélection.
Les gènes mdxE et mdxF, impliqués dans le transport de la maltodextrine, étaient en cours de sélection dans les bactéries intestinales métabolisant l'amidon et présentaient des signes de recombinaison et de transfert horizontal récents. Des études antérieures ont montré que l’industrialisation est associée à une diversité réduite du microbiome et à des taux élevés de transfert de gènes. Les analyses iLDS ont révélé 309 balayages dans 24 populations et 16 espèces, la plupart étant uniques à une population, suggérant une adaptation locale.
Trente-cinq pour cent des balayages ont été partagés entre les populations, certains étant répandus à l’échelle mondiale. Les groupes industrialisés partageaient les balayages plus souvent entre eux qu'avec les groupes non industrialisés, ce qui indique des pressions partagées en matière d'écologie et de sélection alimentaire.
Seulement trois balayages ont été partagés entre les deux groupes, tandis que 32 étaient propres aux populations industrialisées ou non industrialisées. Le R. bromii Le locus mdxEF était en cours de sélection dans tous les groupes industrialisés mais pas non industrialisés, ce qui suggère une adaptation aux modes de vie modernes. Le nombre de balayages par population était similaire entre les groupes, indiquant des taux d'adaptation comparables.
Conclusions
Le développement et l’application de l’iLDS ont révélé comment les pressions sélectives façonnent le microbiome intestinal et comment les bactéries intestinales s’adaptent. Bien que des centaines de balayages sélectifs aient été détectés, l’étalonnage conservateur de l’iLDS a probablement manqué certains vrais positifs, ce qui suggère que la sélection positive dans les commensaux intestinaux pourrait être plus répandue que celle observée. D’autres études sur les loci identifiés par iLDS sont nécessaires pour clarifier l’impact de la génétique du microbiome sur les phénotypes de l’hôte, faciliter le diagnostic et le traitement des maladies et éclairer la conception de probiotiques ciblés.
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