Comment la nutrition moderne favorise le développement rapide des bactéries intestinales

Comment la nutrition moderne favorise le développement rapide des bactéries intestinales

En suivant la manière dont les gènes adaptatifs se déplacent dans les bactéries intestinales à travers les continents, les chercheurs découvrent une réponse évolutive cachée aux régimes alimentaires et aux modes de vie modernes, ainsi qu'une nouvelle manière puissante d'étudier l'évolution du microbiome.

Étude : Les balayages sélectifs spécifiques aux gènes sont omniprésents dans le microbiome intestinal humain. Crédit photo : Danijela Maksimovic/Shutterstock.com

Une étude récente dansNaturedéveloppé un score de déséquilibre de liaison intégré (iLDS), une nouvelle statistique d'analyse de sélection, pour identifier les allèles adaptatifs qui se propagent à travers le microbiome hôte par le biais de processus médiés par la recombinaison, notamment la migration et le transfert horizontal de gènes (HGT). Ceci souligne Pressions de sélection courantes et leur rôle dans la formation de la diversité et de la fonction du microbiome.

Adaptations génétiques dans le microbiome intestinal

Les différentes espèces du microbiome intestinal humain changent et se développent au cours de la vie d’une personne et même sur plusieurs générations. Des études montrent que les bactéries intestinales évoluent souvent rapidement, avec de nouvelles mutations apparaissant en quelques jours ou mois chez les adultes en bonne santé, même sans traitement antibiotique. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre comment ces changements se propagent aux individus au fil du temps.

Lorsqu’une nouvelle adaptation se produit dans le microbiome intestinal d’une personne, elle peut se propager à d’autres par transfert horizontal de gènes (HGT). L’intestin humain est un point chaud connu pour le HGT et facilite l’incorporation de gènes utiles dans de nouvelles souches de bactéries. L’HGT est importante pour la propagation de certains gènes, comme la résistance aux antibiotiques, notamment entre différentes espèces. À ce jour, on ne sait pas exactement dans quelle mesure l’HGT facilite le mouvement des gènes adaptatifs entre souches de la même espèce, notamment par recombinaison homologue.

Lorsqu’un gène adaptatif se propage dans une population via un processus appelé balayage sélectif « spécifique à un gène », des variantes génétiques voisines qui peuvent être inoffensives ou potentiellement dangereuses peuvent être entraînées. Cela signifie que la même partie de l’ADN, y compris le gène adaptatif et ces « auto-stoppeurs », peut se produire dans des souches non apparentées de bactéries qui vivent dans les microbiomes intestinaux de différentes personnes. Ce partage d’ADN crée un modèle frappant appelé déséquilibre de liaison accru (LD). Cela signifie que certaines combinaisons de gènes apparaissent plus souvent que prévu à proximité du gène adaptatif.

Les analyses basées sur LD pour la sélection dans les bactéries ont été limitées, probablement en raison de la prévalence et de la dynamique de la recombinaison chez de nombreuses espèces bactériennes, en particulier commensales intestinales. De plus, les statistiques basées sur la LD peuvent être confondues par d’autres forces évolutives non sélectives, notamment les contractions démographiques, qui peuvent augmenter la DL20.

Découvrir les forces de sélection dans les populations bactériennes intestinales grâce à des modèles de déséquilibre de liaison

Les chercheurs ont utilisé des simulations pour vérifier si la sélection positive et l’auto-stop augmentent la LD entre les variantes non synonymes par rapport aux variantes synonymes et si ce modèle ne se produit que sous sélection ou peut se produire par hasard. Ils ont découvert que ce modèle génétique ne se produit pas sans sélection positive, même dans différents scénarios évolutifs. La signature n'apparaissait que lorsque la sélection purificatrice était plus forte que la dérive et que la sélection positive était plus forte que la sélection purificatrice. Dans de tels cas, des variantes faiblement délétères pourraient faire du stop pendant un balayage, entraînant une augmentation de la LD pour les variantes non synonymes courantes.

Après que des simulations ont montré que les balayages sélectifs peuvent augmenter la LD dans les variantes courantes, les chercheurs ont mesuré la LD dans les bactéries intestinales humaines pour déterminer si ce schéma se produit dans les populations naturelles. Ils ont analysé les données métagénomiques de 693 personnes sur trois continents. En faisant correspondre les lectures de séquençage et en identifiant les échantillons avec une souche dominante, ils ont pu déterminer de manière fiable les haplotypes. Cela a permis le calcul de la LD entre des paires d'allèles. Au total, 3 316 haplotypes de 32 espèces ont été analysés. Des preuves supplémentaires ont été recueillies à l’aide de génomes assemblés par métagénome (MAG) et d’isolats provenant de 24 populations mondiales. Étant donné que la LD peut être influencée par la structure de la population, seuls les haplotypes du plus grand groupe de chaque espèce ont été pris en compte.

Dans la plupart des espèces analysées, la DL était significativement plus élevée pour les variantes non synonymes courantes, ce qui suggère une sélection positive. Pour les variantes rares, la LD était inférieure, indiquant une sélection purifiante. Ces modèles suggèrent une purification généralisée et une sélection positive sur des sites non synonymes dans les bactéries intestinales.

Application de l’iLDS pour étudier les adaptations des gènes microbiens dans l’intestin

La statistique iLDS a été développée pour identifier les régions génomiques candidates sous sélection positive actuelle en mesurant la LD globale et la LD non synonyme. Il a été calculé dans des fenêtres glissantes à travers le génome et a mis en évidence les valeurs aberrantes après standardisation. L'étude actuelle a testé l'iLDS sur des données simulées et réelles de Clostridioides difficile et a démontré une sensibilité aux balayages actuels et en cours tout en maintenant un faible taux de faux positifs. Dans 135 isolats de C. difficile, l'iLDS a localisé des régions de balayage connues telles que tcdB et la cassette de la couche S, la plupart des régions ne montrant aucun signal tandis que certaines indiquent une sélection.

Six balayages ont été identifiés, dont tcdB et S-layer. L'iLDS a surpassé les autres statistiques car elle correspondait fréquemment à des gènes de virulence connus et révélait des balayages compatibles avec la propagation d'allèles adaptatifs médiée par la recombinaison. Son efficacité a également été confirmée sur Helicobacter pylori et Drosophila melanogaster.

L'iLDS appliqué à 32 espèces de microbiome intestinal a identifié 155 balayages affectant 447 gènes, certaines classes de gènes, tels que les gènes d'utilisation de l'amidon susC/susD et les glycosides hydrolases, étant soumis à une sélection répétée. Cela suggère que le métabolisme des glucides et les gènes de transport sont souvent ciblés par la sélection.

Les gènes mdxE et mdxF impliqués dans le transport de la maltodextrine ont été sélectionnés dans des bactéries intestinales métabolisant l'amidon et ont montré des signes de recombinaison et de transfert horizontal récents. Des études antérieures ont montré que l’industrialisation est associée à une réduction de la diversité du microbiome et à une augmentation des taux de transfert de gènes. Les analyses iLDS ont révélé 309 balayages dans 24 populations et 16 espèces, dont la plupart n'ont touché qu'une seule population, suggérant une adaptation locale.

Trente-cinq pour cent des recherches ont été menées entre différentes populations, dont certaines étaient mondiales. Les groupes industrialisés partageaient les résultats plus souvent que les groupes non industrialisés, ce qui suggère des pressions de sélection écologiques et nutritionnelles communes.

Seulement trois essais ont été partagés entre les deux groupes, tandis que 32 étaient destinés uniquement à la population industrialisée ou non industrialisée. Le locus R. bromii mdxEF a été sélectionné dans tous les groupes industrialisés mais pas dans les groupes non industrialisés, ce qui suggère une adaptation aux modes de vie modernes. Le nombre de balayages par population était similaire entre les groupes, indiquant des taux d'adaptation comparables.

Conclusions

Le développement et l’application de l’iLDS ont montré comment la pression sélective façonne le microbiome intestinal et comment les bactéries intestinales s’adaptent. Bien que des centaines de balayages sélectifs aient été détectés, l’étalonnage conservateur de l’iLDS a probablement manqué certains résultats véritablement positifs, ce qui suggère que la sélection positive dans les commensaux intestinaux pourrait être plus répandue que celle observée. D’autres études sur les locus identifiés par iLDS sont nécessaires pour clarifier l’impact de la génétique du microbiome sur les phénotypes de l’hôte, faciliter le diagnostic et le traitement des maladies et contribuer au développement de probiotiques ciblés.

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Sources :