Le plus grand catalogue de bactéries du corps humain jamais réalisé contient plus de 150 000 génomes

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Le plus grand catalogue jamais constitué de microbes bactériens et archéens peuplant couramment le corps humain à travers les populations mondiales a été assemblé. C’est le principal résultat d’une nouvelle étude coordonnée par Nicola Segata et Edoardo Pasolli du Laboratoire de métagénomique computationnelle de l’Université de Trente, en Italie. Les travaux sont parus en ligne dans la revue scientifique « Cell ».

Le Dr Segata explique : « Nous avons caractérisé génétiquement et catalogué un grand nombre de bactéries et d’archées qui font partie du microbiome humain, mais qui restaient jusqu’à présent inexplorées, non caractérisées et non décrites. Nous avons également observé que beaucoup de ces microbes ont tendance à n’être que rarement identifiés dans les populations occidentales, très probablement comme une conséquence indirecte des processus complexes d’industrialisation. ».

Similairement à d’autres organismes vivants, les microbes évoluent et subissent une pression de sélection au fur et à mesure que l’environnement, y compris l’alimentation et le mode de vie, change. Dans certains cas, des microbes associés à l’homme, qui peuvent être cruciaux pour notre santé, sont en danger d’extinction. L’équipe de recherche a étudié certains de ces cas. L’étude présentée intègre la génomique, la microbiologie et le big data et a mobilisé plusieurs chercheurs du département CIBIO de l’université de Trente ainsi que des étudiants du programme de maîtrise en biologie quantitative et computationnelle du même institut. L’étude a également impliqué des partenaires de l’université de Harvard (États-Unis) qui étaient responsables de l’échantillonnage du microbiome d’une population malgache, ainsi que de l’université d’Otago (Nouvelle-Zélande), du Conseil national de la recherche en Espagne (Valence) et de l’université de Warwick (Royaume-Uni).

Nicola Segata concentre ses recherches sur le microbiome humain. Il explique : « C’est l’ensemble des bactéries, des archées, des virus, des champignons et des parasites qui peuplent les sites du corps humain tels que l’intestin, la bouche, la peau et le tractus urogénital. Le microbiome humain est en symbiose avec nos propres cellules et joue un rôle clé pour notre santé, par exemple dans le métabolisme des composés alimentaires, dans la régulation de l’axe intestin-cerveau, dans la protection contre les agents pathogènes et dans la modulation de notre système immunitaire. Il a également été récemment démontré que le microbiome est impliqué dans l’étiologie de certains cancers et dans le succès des approches d’immunothérapie antitumorale ».

L’approche de son équipe pour étudier le microbiome humain est appelée « métagénomique computationnelle » : elle étudie le microbiome en analysant son information génétique. À partir d’une goutte de salive, d’un écouvillon de peau ou d’un gramme de selles, ils extraient l’ADN total des microbes présents dans l’échantillon, et ils soumettent cet ADN à un séquençage à haut débit. L’énorme quantité de données génétiques qui en résulte est analysée à l’aide d’un logiciel spécialisé pour reconstruire les génomes des microbes présents dans le microbiome.

Le Dr Segata détaille certains aspects de la nouvelle étude : « Nos résultats sont le fruit d’une équipe multidisciplinaire de CIBIO comprenant des microbiologistes, des statisticiens et des informaticiens qui ont identifié un total de près de 5 000 espèces microbiennes récapitulant plus de 154 000 génomes nouvellement reconstruits décrivant le microbiome humain à travers les âges, les sites corporels, les modes de vie et les maladies. Chacun d’entre nous est colonisé par plusieurs centaines de ces espèces. Mais une grande partie d’entre elles (77%) était jusqu’alors inconnue. Beaucoup de ces espèces sont relativement rares, mais certaines sont très répandues dans les populations humaines du monde entier, et leur découverte est le point de départ pour tester leur rôle potentiel dans les maladies auto-immunes, gastro-intestinales et oncologiques. Pour obtenir ces résultats, nous avons analysé un ensemble de données extrêmement vaste d’échantillons de microbiome disponibles publiquement et nouvellement obtenus, couvrant la géographie, les modes de vie de la population et l’âge. Dans l’ensemble, nous avons considéré 9 428 échantillons de microbiome humain qui ont été étudiés à l’aide de la technologie de séquençage de l’ADN appelée métagénomique ».

Un collaborateur de l’étude, le Dr Curtis Huttenhower de la Harvard T.H. Chan School of Public Health, a commenté : « Les études à très grande échelle du microbiome humain ont commencé à être particulièrement importantes pour comprendre la santé des populations. Cependant, une découverte surprenante concernant le microbiome est son caractère personnalisé et le niveau de détail nécessaire pour comprendre son influence sur la santé de chaque individu. Des techniques telles que celles développées dans cette étude permettent d’identifier de nouveaux microbes propres à chaque personne, ainsi que les gènes et les molécules propres à ces microbes, qui peuvent à leur tour émettre des signaux immunitaires ou modifier les processus alimentaires dans l’intestin. Le fait que nous ayons trouvé des différences aussi frappantes dans le monde entier au cours de ce travail appelle également à la pertinence du microbiome pour la santé mondiale – par exemple, pour expliquer certaines des différences de réponse aux vaccins qui pourraient être attribuables à la diversité génétique microbienne plutôt qu’humaine. »

Sur la découverte et l’analyse de l’une de ces bactéries, Segata poursuit : « L’espèce candidate inconnue jusqu’alors la plus courante, que nous avons appelée « Cibiobacter qucibialis », est le septième microbe associé à l’homme le plus répandu dans la population mondiale. Nous l’avons étudié en reconstruisant plus de 1 800 génomes. Nous pensons que cette espèce pourrait être particulièrement pertinente pour mieux comprendre les fonctions du microbiome humain ».

Et un dernier point fort sur les différences observées entre les populations humaines : « Nous nous sommes spécifiquement concentrés sur les populations non occidentales qui n’ont pas accès à une alimentation riche en graisses, aux médicaments courants, y compris les antibiotiques, et ne vivent pas dans des environnements hautement aseptisés. De nombreux microbes nouveaux découverts dans les populations non occidentales de tous les continents ont tendance à être presque indétectables dans les populations occidentales. Notre travail a donc permis l’étude de telles espèces microbiennes qui pourraient potentiellement être liées à l’avenir à l’incidence croissante des maladies auto-immunes, des allergies et des syndromes complexes dans les populations occidentales. Il sera donc crucial d’isoler, de cultiver et de maintenir ces espèces qui pourraient être hypothétiquement réintroduites dans les populations occidentalisées avec de nouvelles stratégies d’intervention ».

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