Les chercheurs révèlent comment les microbes intestinaux façonnent les stratégies métaboliques pour alimenter des cerveaux plus gros, offrant ainsi un aperçu de la biologie évolutive des primates.
Modèle putatif d'influences microbiennes sur le métabolisme des primates à QE élevé et faible. Nos résultats indiquent des voies à médiation microbienne par lesquelles le métabolisme des primates à QE élevé est orienté vers la production d'énergie et le métabolisme des primates à QE faible est orienté vers le stockage d'énergie.
Dans une étude récente publiée dans la revue Génomique microbiennedes chercheurs américains ont étudié le rôle du microbiome intestinal dans l'influence du métabolisme de l'hôte d'une espèce à l'autre, en se concentrant sur les primates dotés de tailles cérébrales variables. Ils ont transféré le microbiote intestinal d’humains, de singes écureuils et de macaques à des souris sans germes et ont examiné comment les communautés microbiennes contribuent aux traits métaboliques qui peuvent être liés aux demandes énergétiques du cerveau et à l’évolution.
Sommaire
Arrière-plan
Les gros cerveaux sont coûteux en énergie, en particulier chez les primates, où la taille du cerveau est souvent en corrélation avec des demandes métaboliques accrues. Les humains, avec la plus grande taille de cerveau par rapport au corps parmi les primates, font preuve d'adaptations telles qu'un métabolisme de glucose plus élevé pour soutenir ces organes à forte intensité énergétique. Cependant, les mécanismes à l’origine de ces variations métaboliques entre espèces sont mal compris.
Les recherches existantes ont rapporté l'implication de facteurs génétiques et épigénétiques dans ces variations métaboliques, mais leur lien avec le métabolisme systémique reste flou. Le microbiome intestinal est un régulateur essentiel du métabolisme de l’hôte et produit des métabolites tels que les acides gras à chaîne courte (AGCC) qui influencent le stockage d’énergie, la production de glucose et le métabolisme des graisses. En outre, bien que son rôle dans les maladies métaboliques, notamment le diabète, soit reconnu, sa contribution aux différences métaboliques interspécifiques, notamment liées aux besoins énergétiques du cerveau, est moins explorée.
À propos de l'étude
Dans la présente étude, les scientifiques ont émis l’hypothèse que les différences dans le microbiote intestinal influent sur les stratégies métaboliques et équilibrent les besoins énergétiques du fonctionnement cérébral par rapport à ceux de la croissance et du maintien chez les primates de tailles cérébrales variables. Les chercheurs ont mené une expérience en utilisant des souris sans germes pour étudier comment le microbiome intestinal influence le métabolisme chez des hôtes de différentes tailles de cerveau.
Le microbiote intestinal de trois espèces de primates, les humains, les singes écureuils et les macaques, a été transplanté chez des souris sans germes pour évaluer les effets des différences microbiennes sur le métabolisme de l'hôte. Les humains et les singes écureuils ont été choisis comme espèces « donnant la priorité au cerveau » en raison de leur taille cérébrale plus grande par rapport à la taille de leur corps, tandis que les macaques ont servi de comparaison avec un rapport taille cerveau/corps plus faible.
Des échantillons fécaux de primates adultes en bonne santé, exempts d'antibiotiques, ont été collectés, traités et utilisés pour inoculer par voie orale des souris sans germes selon un régime standardisé pendant 60 jours. Les évaluations hebdomadaires comprenaient des mesures de poids, de consommation alimentaire et des évaluations métaboliques, avec des échantillons de matières fécales et sanguines collectés pour les analyses du microbiome et des métabolites. Un test de tolérance au glucose a été administré pour mesurer la régulation du glucose, et les souris ont subi des examens d'imagerie par résonance magnétique pour évaluer la répartition de la graisse corporelle.
Les chercheurs ont également utilisé des analyses métagénomiques et métabolomiques pour identifier des voies microbiennes spécifiques et des métabolites contribuant aux traits métaboliques de l'hôte. L’imagerie haute résolution et le séquençage de l’acide ribonucléique (ARN) des tissus hépatiques ont fourni des informations sur les réponses métaboliques spécifiques à certains organes. La composition microbienne dans l’intestin de la souris a été analysée par séquençage de l’acide ribonucléique ribosomal (ARNr) 16S, tandis que les techniques métagénomiques ont quantifié la production de SCFA et les voies fonctionnelles microbiennes.
Résultats
Les résultats ont montré que le microbiome intestinal influence de manière significative le métabolisme de l’hôte, d’une manière compatible avec la taille du cerveau des espèces de primates. Les souris inoculées avec du microbiote intestinal provenant d’espèces de grande taille, telles que les humains et les singes écureuils, ont présenté une dépense énergétique accrue, des niveaux de glucose à jeun plus élevés et une gluconéogenèse améliorée. À l’inverse, les souris inoculées avec le microbiote de macaques ont montré une plus grande accumulation de graisse et une plus grande prise de poids.
De plus, les souris dotées d’un microbiote provenant d’espèces dotées d’un cerveau de plus grande taille consommaient plus de nourriture mais présentaient des pourcentages de graisse corporelle plus faibles et une prise de poids plus lente. Des niveaux élevés d'AGCC, tels que l'acétate et le propionate, ont également été observés chez ces souris, ce qui suggère une contribution microbienne à une production accrue de glucose et à une réduction du stockage des graisses.
L’analyse métagénomique a révélé que les voies microbiennes associées à la production d’énergie, telles que le métabolisme du fucose et du pyruvate, étaient plus abondantes dans le microbiote de taille cerveau-corps élevée. De plus, l’expression des gènes associés à la fonction hépatique chez ces souris a révélé un enrichissement des voies liées à la production d’énergie, telles que le métabolisme des lipides et la gluconéogenèse. Ces changements indiquaient une programmation métabolique visant à donner la priorité à l’énergie pour le fonctionnement cérébral.
En revanche, les souris inoculées avec le microbiote de macaque ont présenté des voies microbiennes favorisant le stockage d’énergie. Leur microbiome produisait des concentrations de SCFA plus faibles et présentait des fonctions alignées sur le dépôt de graisse et une diminution de la production de glucose. Ces différences suggèrent un compromis entre l’allocation d’énergie au cerveau et aux tissus adipeux.
Il est intéressant de noter que les souris inoculées par le microbiote humain ont présenté des profils métaboliques uniques, avec les niveaux de glucose à jeun et de propionate les plus élevés, correspondant aux besoins énergétiques exceptionnels du cerveau humain. Malgré une consommation accrue de nourriture, ces souris ont présenté une prise de poids minime, soulignant encore davantage le rôle du microbiote intestinal dans la régulation métabolique. Dans l’ensemble, les résultats ont mis en évidence la capacité du microbiome intestinal à moduler les stratégies d’allocation d’énergie de l’hôte, reflétant les besoins métaboliques de la taille du cerveau de l’espèce hôte et les demandes énergétiques associées.
Conclusions
En conclusion, l’étude a démontré le rôle essentiel du microbiome intestinal dans l’élaboration des stratégies métaboliques de l’hôte et dans le soutien aux demandes énergétiques des plus gros cerveaux des primates. Les résultats suggèrent que les communautés microbiennes influencent la production de glucose, le stockage des graisses et l’allocation d’énergie, fournissant ainsi un aperçu des adaptations évolutives de la taille du cerveau.
Les chercheurs ont noté que leurs découvertes constituent une base pour explorer la manière dont les microbiomes contribuent aux traits d’histoire de vie spécifiques à une espèce, tels que la croissance, la reproduction et la longévité. De futures études pourraient étudier les interactions microbiome-hôte au cours des premiers stades de développement, lorsque la demande énergétique du cerveau atteint son maximum.
