Plusieurs études ont indiqué l’importance des microbes intestinaux dans le maintien de la santé humaine. Ces microbes sont également associés à des processus physiologiques fondamentaux, tels que le vieillissement, la réponse aux médicaments, la nutrition et les états physiopathologiques (par exemple, les maladies cardiovasculaires, métaboliques, oncologiques, neurologiques et auto-immunes). Pour mieux comprendre les effets de causalité entre les microbes intestinaux et les résultats de la maladie, une identification à haute résolution des microbes dans l’intestin humain est nécessaire pour formuler des interventions efficaces pour prévenir ou guérir les maladies.
Étude : Reconstruction du paysage des espèces microbiennes intestinales sur 29 000 individus divers. Crédit d’image : SciePro/Shutterstock
Sommaire
Arrière-plan
La technique de séquençage du fusil de chasse du génome entier (WGS) peut être utilisée pour cartographier les espèces microbiennes. Cependant, cette technique nécessite une couverture de séquençage approfondie et un travail de calcul approfondi, ce qui empêche son application sur des échantillons à l’échelle de la population comprenant des dizaines de milliers d’individus.
Les microbiomes humains de diverses populations pourraient être étudiés à l’aide de la technique de séquençage de l’amplicon 16S. Cette technique utilise la PCR pour amplifier et séquencer les régions hypervariables des gènes bactériens de l’ARNr 16S. Les données de séquençage des amplicons sont traitées via des pipelines courants, tels que Mothur, QIIME2 et DADA2, couplés à une reconstruction informatique. Une affectation taxonomique est effectuée en construisant un arbre phylogénique à l’aide de bases de données telles que Greengenes, RDP et SILVA.
La technique de séquençage 16S aide à détecter les changements dans la diversité microbienne à travers les phénotypes humains. Surtout, il permet l’identification des composants vitaux du génome humain au niveau de la famille ou du genre. Cependant, cette technique ne parvient pas à différencier les microbes à un niveau d’espèce plus fin, pour lequel elle ne peut pas être utilisée pour cartographier les séquences microbiennes au niveau de l’espèce.
L’avancement des techniques de séquençage moléculaire a conduit à une augmentation exponentielle de la disponibilité d’isolats microbiens intestinaux entièrement séquencés. Plus d’un gène 16S est présent dans les génomes de plusieurs souches microbiennes individuelles, ce qui révèle une variation du nombre de copies des régions hypervariables 16S. Compte tenu de ces résultats, une étude récente a émis l’hypothèse que cette variation microbienne pourrait être considérée pour identifier une différenciation plus fine des données d’amplicon 16S. Cela permettrait la cartographie des niveaux de déformation, ce qui n’était pas possible auparavant.
Une nouvelle étude
Une récente Recherche sur les acides nucléiques L’étude a développé une base de données RExMap (Reference-based Exact Mapping) des variantes de région hypervariable 16S et de leurs nombres de copies. Cette base de données a été dérivée de plus de 170 000 génomes de souches d’isolats microbiens obtenus à partir de la base de données NCBI Genome. Cette étude a utilisé la base de données RExMap pour cartographier les microbes au niveau de l’espèce.
De nombreuses souches microbiennes de la base de données RExMap partagent des régions hypervariables 16S et des nombres de copies similaires. Ils ont introduit le terme «unité de souche opérationnelle» (OSU) pour les souches qui ne peuvent pas être différenciées sur la base des seules régions hypervariables 16S. Fait intéressant, les OSU contiennent non seulement des souches microbiennes apparentées, mais également des microbes phylogénétiquement distants, ce qui pourrait être dû au transfert horizontal de gènes du gène 16S ou à une affectation taxonomique incorrecte.
Le RExMap relie les séquences d’échantillons biologiques pour correspondre précisément aux souches microbiennes et aider à la validation expérimentale. De plus, il peut réanalyser les données 16S existantes avec des méta-analyses à grande échelle et une homogénéisation des données de séquençage. Cette approche a permis le développement d’un paysage détaillé du microbiome intestinal humain représentant des dizaines de milliers de microbes uniques.
L’étude actuelle a utilisé RExMap pour réanalyser les données existantes sur le microbiome intestinal humain 16S de 29 349 individus obtenues à partir de dix études menées dans seize régions différentes du monde.
Résultats de l’étude
Une analyse RExMap des données du microbiome 16S a pu capturer environ 75 % des espèces détectées à l’aide du WGS à moins de 1 % de la profondeur de séquençage. Cette approche évite les affectations taxonomiques et se concentre sur la correspondance exacte ou étroite des séquences d’amplicons 16S présentes dans la base de données RExMap. L’étude actuelle a observé que les microbes intestinaux humains diffèrent selon les régions du monde. Notamment, certains microbes intestinaux se trouvent en abondance dans une région spécifique.
Un ensemble de base de quinze microbes s’est avéré hautement conservé chez tous les humains, indépendamment de leur région géographique, de la génétique de l’hôte, de la démographie, de l’alimentation, de l’environnement et du mode de vie. Ces microbes jouent un rôle vital dans l’homéostasie métabolique de l’hôte. En règle générale, les microbes du noyau s’établissent dans les intestins des nourrissons et sont maintenus tout au long de la vie, avec une abondance différentielle. La prévalence et l’abondance des microbes de base ont été validées par une approche basée sur l’indexation du génome entier, c’est-à-dire WGS et Kraken2.
Plusieurs microbes appartenant au phylum Bacteroidetes, tels que Prevotella copri et Bacteroides espèces, n’étaient pas corrélés à une région particulière. Eubactérie rectale et Faecalibacterium prausnitzii sont deux microbes principaux associés à un état pathologique spécifique. Oscillibactérie sp. ER4, Fusicatenibacter saccharivorans, Blautia faecis, Romboutsia timonensiset Hadrus anérostipes sont des microbes essentiels liés à la physiologie de l’hôte.
conclusion
L’analyse basée sur RExMap présente plusieurs limites, notamment sa capacité de cartographie réduite des espèces microbiennes présentes dans des niches avec peu de souches, telles que les écosystèmes aquatiques et du sol. De plus, il existe une limitation dans la cartographie des microbes dépourvus de séquence 16S complète ou génomique. Cependant, la base de données RExMap est continuellement mise à jour par les utilisateurs finaux en ajoutant de nouveaux génomes microbiens selon la disponibilité.
L’étude actuelle a conclu que les microbes intestinaux humains se séparent entre les régions occidentalisées et non occidentalisées. Des espèces et des souches microbiennes distinctes ont été identifiées qui sont uniques à des régions géographiques particulières. De plus, un ensemble de microbes de base ont été découverts au niveau des espèces qui sont communément partagées par les humains, indépendamment du mode de vie, de l’environnement ou des régions géographiques. Ces microbes sont généralement établis à la naissance et sont associés au métabolisme nutritionnel.
