De nouvelles recherches menées par des scientifiques de Cornell explorent l’impact de la génétique humaine sur les fonctions du microbiome intestinal et élargissent la prise de conscience du rôle que joue la génétique humaine dans la formation du microbiome.
Les billions d’organismes individuels constituant le microbiome intestinal d’une personne ont un impact considérable sur la fonction métabolique, la maladie et la santé globale. Ce qui est moins clair, c’est comment et dans quelle mesure le microbiome intestinal est, à son tour, façonné par le génome de son hôte humain.
Ilana Brito, professeure adjointe et membre du corps professoral du sesquicentenaire de la famille Mong à l’école de génie biomédical Nancy E. et Peter C. Meinig, et ses coauteurs ont adopté une nouvelle approche pour examiner les interactions génétiques hôte-microbiome et ont pu montrer de nombreux cas où un être humain la constitution génétique de l’hôte a directement affecté les performances fonctionnelles du microbiome intestinal.
Leur article, « Collective Effects of Human Genomic Variation on Microbiome Function », a été publié le 9 mars dans la revue Rapports scientifiques. L’étude était une collaboration interuniversitaire qui combinait les connaissances de Brito sur le microbiome avec l’expertise du corps professoral en variation génétique et en méthodologie statistique, respectivement, d’Andrew Clark, professeur Jacob Gould Schurman de génétique des populations au Collège des arts et des sciences; et Martin Wells, titulaire de la chaire Charles A. Alexander de sciences statistiques au Département des sciences de l’information.
Lorsqu’une maladie ou un phénotype est causé par une seule mutation génétique, il peut être relativement simple de trouver le gène responsable. »
Ilana Brito, professeure adjointe et membre du corps professoral du sesquicentenaire de la famille Mong à la Nancy E. et Peter C. Meinig School of Biomedical Engineering
Mais tout aussi souvent, une suite entière de gènes peut interagir pour entraîner une maladie ou une autre expression phénotypique, un mécanisme beaucoup plus complexe. Dans le génome humain, il existe de nombreuses variations séquentielles d’une personne à l’autre et même au sein des paires de chromosomes d’une même personne.
Lorsqu’une variation est produite par la substitution d’un seul nucléotide, on parle de polymorphisme d’un seul nucléotide (SNP). À l’aide d’une approche informatique et de modélisation unique, l’équipe de Brito a pu identifier les SNP en corrélation avec les traits, les troubles et les cancers associés au microbiome. En d’autres termes, ils ont pu montrer des effets directs du génome humain sur les fonctions du microbiome intestinal.
« Associer la variation du génome humain à la variation du microbiome intestinal a été délicat », a déclaré Clark, « parce que les variantes du génome humain sont corrélées les unes aux autres et peuvent avoir des fonctions connexes, et les espèces de bactéries dans l’intestin sont également pas indépendants les uns des autres. »
La nouveauté de la présente étude était d’utiliser cette structure dans les données. Il s’est concentré sur la fonction du microbiome intestinal par opposition à la composition génétique de chaque espèce dans l’agglomération d’organismes qui forme le microbiome ; il a examiné de vastes collections de gènes humains et leur effet sur les fonctions du microbiome par opposition à l’examen de gènes uniques ; et il a utilisé un nouveau type de stratégie pour modéliser la distribution des fonctions et des espèces dans l’intestin humain.
Les modèles passés ne correspondaient pas bien aux caractéristiques communes aux ensembles de données de séquençage métagénomique. Wells a introduit l’idée d’utiliser la distribution de Tweedie – un type de modélisation de probabilité – pour tenir compte de ces caractéristiques.
« Mon groupe de recherche a déjà appliqué une stratégie de modélisation Tweedie dans le traitement du langage naturel », a déclaré Wells. « Cela semblait bien convenir ici aussi. Nous avons constaté que l’approche de modélisation de Tweedie était suffisamment flexible pour capturer la relation de puissance moyenne à variance dans les taxons métagénomiques et l’abondance des gènes et était supérieure aux approches standard. »
Le premier auteur de l’article est Felicia New, Ph.D. ’21, anciennement membre du groupe de laboratoire de Brito et deuxième auteur est Benjamin Baer, Ph.D. ’21, un conseiller de Wells.
« Felicia a apporté son expertise sur ces microbes, leurs fonctions et la génétique humaine, et Benjamin a apporté le fond des statistiques et ils ont travaillé ensemble pour mettre en commun leur expertise et voir quelle approche spécifique avait du sens », a déclaré Brito. « C’est grâce à cette collaboration que nous devions faire un excellent travail. »
La recherche a été soutenue par une subvention des National Institutes of Health.
