Exploration des interactions microbiote-hôte via la métagénomique et la transcriptomique

Analyse du rôle du microbiome dans les multiples sphères de la santé humaine

Le microbiome désigne l'ensemble des micro-organismes – incluant les bactéries, archées, champignons et virus – qui colonisent divers sites écologiques du corps humain, tels que le tractus gastro-intestinal, la cavité buccale, la peau, les poumons et le système urogénital. Ces communautés sont extrêmement diversifiées et jouent un rôle clé dans le maintien de la physiologie de l’hôte, la régulation du métabolisme et le bon fonctionnement du système immunitaire.

Parmi ces microbiomes, celui de l’intestin émerge comme un acteur central des interactions hôte–microbe. De nombreuses études établissent un lien entre son déséquilibre (dysbiose) et diverses pathologies, notamment les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin, le syndrome métabolique, ou encore certaines affections neurodégénératives comme la maladie d’Alzheimer (MA).

Composition et profilage du microbiome

Le microbiote intestinal est principalement constitué de quatre grands phylums bactériens : Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria et Actinobacteria. Sa composition est dynamique et influencée par divers facteurs tels que l’alimentation, l’âge, l’exposition aux antibiotiques ou encore la génétique de l’hôte.

Deux approches principales de la métagénomique permettent de caractériser ces communautés microbiennes :

• Profilage microbien

Cette méthode repose sur le séquençage de gènes marqueurs taxonomiques conservés, permettant l’identification et la quantification relative des micro-organismes présents :

• Séquençage du gène 16S rRNA (pour les procaryotes)

• Séquençage du gène 18S rRNA ou de la région ITS (pour les eucaryotes et les champignons)

Ces approches sont rentables et efficaces pour étudier la structure et la diversité des communautés, mais leur résolution fonctionnelle reste limitée (1).

• Analyse fonctionnelle via la métagénomique Shotgun

Cette méthode séquence l’ensemble du contenu génomique d’un échantillon, permettant une analyse à la fois taxonomique et fonctionnelle. Elle fournit des informations sur les capacités métaboliques, les gènes de résistance aux antimicrobiens, les facteurs de virulence et les interactions microbiennes.

Au-delà de la composition microbienne : les signatures transcriptionnelles

Si les données de composition sont précieuses, les analyses transcriptomiques apportent une couche supplémentaire de compréhension fonctionnelle en révélant :

• L’expression génique des micro-organismes dans différents contextes (infection, antibiothérapie, etc.)

• Les réponses transcriptionnelles de l’hôte aux changements du microbiote, permettant une vision intégrée des interactions hôte–microbiote

Ces analyses peuvent être réalisées grâce à :

• Des approches globales comme le RNA-seq en vrac (Bulk RNA-seq) (2,3) ou le RNA-seq en cellule unique (Single cell RNA-seq) (4)

• Des approches ciblées telles que la qPCR ou la PCR digitale (5)

  
  

Applications de la recherche sur le microbiome

Au-delà de la simple taxonomie, les recherches actuelles révèlent des implications majeures du microbiome dans de nombreux systèmes physiologiques et contexte pathologiques. L'approche multi-omique permet désormais de passer d’observations corrélatives à une compréhension mécanistique.

• Nutrition et obésité

  Le microbiote intestinal joue un rôle central dans l’extraction d’énergie, le métabolisme lipidique, l’adipogenèse et la régulation de l’appétit. Son altération est liée à l’obésité, au diabète de type 2, et à la réponse aux régimes alimentaires.

  
  

• Axe intestin-cerveau

  Les métabolites microbiens et les signaux immunitaires influencent le développement neurologique, le comportement, l’humeur et l’inflammation cérébrale. Le microbiote est impliqué dans la santé mentale et les maladies neurodégénératives comme la MA (6).
  

• Santé cardiovasculaire

  Le microbiote influence des fonctions clés comme le métabolisme du cholestérol et la fonction vasculaire. Des métabolites microbiens (ex. TMAO) sont associés au risque cardiovasculaire (7).

  
  

• Santé de la flore vaginale

  Une flore dominée par Lactobacillus spp. protège contre les infections (vaginose bactérienne), favorise la fertilité et la résistance aux infections sexuellement transmissibles.

  
  

• Hygiène bucco-dentaire

  Le microbiome oral est impliqué dans les caries, la gingivite, la parodontite. Il pourrait aussi influencer la santé respiratoire et le risque de MA (8).

  
  

• Cosmétique et dermatologie

  Le microbiote cutané interagit avec la fonction barrière et l’inflammation. Il est impliqué dans l’acné, l’eczéma, le psoriasis. Les produits "microbiome-friendly" deviennent une tendance forte en dermocosmétique.

  
  

Cas d’étude : Microbiote intestinal et maladie d’Alzheimer (MA)

Des recherches récentes mettent en lumière l’implication de l’axe intestin-cerveau dans les maladies neurodégénératives. Il s’agit d’un système bidirectionnel impliquant le système nerveux, les voies immunitaires, les signaux hormonaux et les métabolites microbiens.

Altérations du microbiote chez les patients Alzheimer

Des travaux récents, comme celui de Heravi et al. (2023) (9), montrent :

• Une abondance accrue de Bacteroides et Acidobacteriota chez les patients atteints de MA

• Une abondance plus élevée de Firmicutes, Lachnospiraceae, Acidaminococcaceae et Ruminiclostridium chez les témoins

• Des signatures microbiennes associant Ruminococcaceae, Bacteroides et Actinobacteria à la MA

Ces déséquilibres pourraient favoriser une inflammation systémique chronique et perturber la communication neuro-immune, contribuant ainsi à la pathologie.

Transplantation de microbiote fécal (FMT) et lien de causalité

Pour tester un lien de causalité, Grabrucker et al. (2023) (10) ont transplanté le microbiote de patients MA dans des rats. Ils ont trouvé que les animaux receveurs ont développé :

• Des troubles de la neurogenèse hippocampique adulte

• Des déficits cognitifs

• Des dysfonctionnements synaptiques

Ces résultats suggèrent que la dysbiose intestinale pourrait non seulement être une conséquence, mais aussi un facteur contributif actif dans l’évolution de la maladie d’Alzheimer.

References:

(1) Lakshmanan V, Ray P, Craven KD. Rhizosphere Sampling Protocols for Microbiome (16S/18S/ITS rRNA) Library Preparation and Enrichment for the Isolation of Drought Tolerance-Promoting Microbes. Methods Mol Biol. 2017;1631:349-362. doi: 10.1007/978-1-4939-7136-7_23. PMID: 28735410.

(2) Pisu D, Huang L, Grenier JK, Russell DG. Dual RNA-Seq of Mtb-Infected Macrophages In Vivo Reveals Ontologically Distinct Host-Pathogen Interactions. Cell Rep. 2020 Jan 14;30(2):335-350.e4. doi: 10.1016/j.celrep.2019.12.033. PMID: 31940480; PMCID: PMC7032562.

(3) Westermann AJ, Barquist L, Vogel J. Resolving host-pathogen interactions by dual RNA-seq. PLoS Pathog. 2017 Feb 16;13(2):e1006033. doi: 10.1371/journal.ppat.1006033. PMID: 28207848; PMCID: PMC5313147.

(4) Huang W, Wang D, Yao YF. Understanding the pathogenesis of infectious diseases by single-cell RNA sequencing. Microb Cell. 2021 Aug 4;8(9):208-222. doi: 10.15698/mic2021.09.759. PMID: 34527720; PMCID: PMC8404151.

(5) Gliddon HD, Kaforou M, Alikian M, Habgood-Coote D, Zhou C, Oni T, Anderson ST, Brent AJ, Crampin AC, Eley B, Heyderman R, Kern F, Langford PR, Ottenhoff THM, Hibberd ML, French N, Wright VJ, Dockrell HM, Coin LJ, Wilkinson RJ, Levin M. Identification of Reduced Host Transcriptomic Signatures for Tuberculosis Disease and Digital PCR-Based Validation and Quantification. Front Immunol. 2021 Mar 2;12:637164. doi: 10.3389/fimmu.2021.637164. PMID: 33763081; PMCID: PMC7982854.

(6) Heravi FS, Naseri K, Hu H. Gut Microbiota Composition in Patients with Neurodegenerative Disorders (Parkinson's and Alzheimer's) and Healthy Controls: A Systematic Review. Nutrients. 2023 Oct 13;15(20):4365. doi: 10.3390/nu15204365. PMID: 37892440; PMCID: PMC10609969.

(7) Canyelles M, Borràs C, Rotllan N, Tondo M, Escolà-Gil JC, Blanco-Vaca F. Gut Microbiota-Derived TMAO: A Causal Factor Promoting Atherosclerotic Cardiovascular Disease? Int J Mol Sci. 2023 Jan 18;24(3):1940. doi: 10.3390/ijms24031940. PMID: 36768264; PMCID: PMC9916030.

(8) Jungbauer G, Stähli A, Zhu X, Auber Alberi L, Sculean A, Eick S. Periodontal microorganisms and Alzheimer disease - A causative relationship? Periodontol 2000. 2022 Jun;89(1):59-82. doi: 10.1111/prd.12429. Epub 2022 Mar 4. PMID: 35244967; PMCID: PMC9314828.

(9) Heravi FS, Naseri K, Hu H. Gut Microbiota Composition in Patients with Neurodegenerative Disorders (Parkinson's and Alzheimer's) and Healthy Controls: A Systematic Review. Nutrients. 2023 Oct 13;15(20):4365. doi: 10.3390/nu15204365. PMID: 37892440; PMCID: PMC10609969.

(10) Grabrucker S, Marizzoni M, Silajdžić E, Lopizzo N, Mombelli E, Nicolas S, Dohm-Hansen S, Scassellati C, Moretti DV, Rosa M, Hoffmann K, Cryan JF, O'Leary OF, English JA, Lavelle A, O'Neill C, Thuret S, Cattaneo A, Nolan YM. Microbiota from Alzheimer's patients induce deficits in cognition and hippocampal neurogenesis. Brain. 2023 Dec 1;146(12):4916-4934. doi: 10.1093/brain/awad303. Erratum in: Brain. 2024 Aug 1;147(8):e61. doi: 10.1093/brain/awae208. PMID: 37849234; PMCID: PMC10689930.