Séquençage métagénomique ultra-profond révélant le microbiome en voie de disparition des Hadza

Contexte de la recherche

La composition du microbiome humain est fortement influencée par divers modes de vie. Cependant, la recherche actuelle sur le microbiome se concentre principalement sur les populations industrialisées occidentales, qui présentent une diversité de microbiome remarquablement faible. Pour déchiffrer les altérations complexes du microbiome induites par les modes de vie industrialisés, une enquête approfondie impliquant un séquençage métagénomique à haute profondeur est impérative. Ils ont entrepris une étude pionnière pour explorer la fonction microbienne, la cinétique de croissance et les schémas de dispersion dans une population unique d'humains primitifs, les Hadza. La recherche a impliqué le séquençage d'un nombre remarquable de 351 échantillons fécaux de Hadza, aboutissant à un impressionnant 9,39 téraoctets de données métagénomiques et produisant un total de 83 044 génomes assemblés de métagénomes (MAGs), ainsi que des résultats bioinformatiques associés.

Conception expérimentale

Les Hadza, l'une des dernières populations survivantes en Afrique préservant les traditions de chasse et de cueillette de nos ancêtres humains, ont servi de point focal à notre étude. Les efforts de recherche ont inclus la collecte de 351 échantillons fécaux provenant de 167 individus, le traitement et le séquençage de 388 échantillons d'ADN, et l'obtention de 52 isolats bactériens purifiés. La composition du microbiome de tous les échantillons a été soigneusement évaluée, en utilisant les génomes nouvellement reconstruits de notre étude. données métagénomiques a été méticuleusement aligné avec une série de bases de données personnalisées contenant les séquences génomiques complètes de représentants au niveau des espèces dans les domaines bactérien/archéen (n=5 755), phagique (n=68 461) et eucaryote (n=12).

Une vaste ressource des données du microbiome intestinal des Hadza. (Carter et al., 2023)

Diversité microbienne intestinale des Hadza

Dans cette enquête, la diversité microbienne intestinale de la population Hadza a été explorée, élargissant l'ensemble de données avec des informations provenant du Génome Gastro-Intestinal Humain Unifié (UHGG) et du Catalogue Métagénomique Global (MGV). Notamment, le microbiome Hadza contenait 20,2 % de micro-organismes précédemment non répertoriés, soulignant la profondeur substantielle de la diversité microbienne au sein de cette population. En revanche, 79,9 % des micro-organismes du microbiome Hadza étaient des espèces reconnues.

De plus, cette étude a révélé la présence de microorganismes eucaryotes jusqu'alors inconnus dans le microbiome intestinal des Hadza. Une annotation complète a identifié un impressionnant nombre de 8,4 millions de familles de protéines, dont 59,7 % étaient absentes de la base de données des Protéines Gastro-intestinales Humaines Unifiées (UHGP).

Pour obtenir des informations supplémentaires, une analyse comparative a été réalisée, contrastant le microbiome des Hadza avec des échantillons fécaux de populations népalaises et californiennes, en utilisant une approche de séquençage métagénomique approfondi. L'évaluation des données du microbiome à travers les domaines bactérien/archéal (n=5 755), phagique (n=68 461) et eucaryote (n=12) a été effectuée à l'aide de trois bases de données de génomes assemblés par métagénome (MAG) personnalisées.

Le microbiote intestinal des Hadza contient une nouveauté substantielle à plusieurs domaines. (Carter et al., 2023)

Les résultats ont indiqué une diversité de bactéries, d'archées et de phages significativement plus élevée au sein de la population Hadza par rapport aux autres populations étudiées. En résumé, les échantillons Hadza ont montré une plus grande richesse en bactéries, archées, phages et espèces non classées à différentes profondeurs de séquençage par rapport à leurs homologues dans d'autres populations, soulignant l'exceptionnelle diversité microbienne au sein de la population Hadza.

Les taxons VANISH et BloSSUM présentent une prévalence mondiale, une phylogénie et une capacité fonctionnelle distinctes. (Carter et al., 2023)

Populations en voie de disparition face à l'industrialisation détectées

Cette étude a intégré un ensemble de données de 1 800 points de données, comprenant 950 échantillons provenant de populations industrialisées, 583 échantillons de populations en transition, 135 échantillons des Hadza et 132 échantillons d'autres communautés de chasseurs-cueilleurs, issus de 18 études publiées. Ces données ont été classées en deux taxons, VANISH (indiquant des microorganismes qui ont disparu lors de l'industrialisation, totalisant 124 espèces) et BloSSUM (signifiant des microorganismes sélectionnés à l'ère de l'industrialisation, englobant 63 espèces). Des analyses supplémentaires ont révélé une corrélation convaincante entre la phylogénie et le processus d'industrialisation. Fait intéressant, les taxons BloSSUM semblaient présenter un avantage compétitif sur les taxons VANISH dans l'environnement intestinal humain en transition.

De plus, des analyses individuelles basées sur KEGG ont révélé 37 et 268 gènes partagés par les taxons VANISH et BloSSUM, respectivement. Les taxons VANISH étaient particulièrement liés aux gènes peptidases et producteurs de spores, tandis que les taxons BloSSUM montraient une association distincte avec les gènes antioxydants et liés au redox. L'étude a systématiquement regroupé ces gènes en voies métaboliques, facilitant une analyse d'enrichissement des ensembles complète. Les variations observées dans les fonctions des gènes et les voies enrichies entre les deux taxons soulignaient la non-redondance fonctionnelle des taxons BloSSUM par rapport aux taxons VANISH.

Les Spirochaetota qui sont très abondants chez les Hadza sont absents dans les échantillons industriels. (Carter et al., 2023)

Évolution, réplication et dispersion des microbes intestinaux dans la population Hadza

L'adoption de séquençages plus approfondis et de nouvelles approches métagénomiques a réaffirmé le cycle saisonnier de la composition des microbes intestinaux et des enzymes actives sur les glucides dans la population Hadza. De plus, l'étude a, pour la première fois, quantifié le cycle saisonnier des taux de réplication in situ des microbes intestinaux dans la population Hadza.

Pour identifier les gènes subissant des pressions de sélection distinctes au sein du microbiote des Hadza, nous avons analysé les rapports pN/pS de gènes entiers. Cette analyse a révélé des cas de sélection positive ou diversifiée, probablement influencés par des changements dynamiques dans l'environnement intestinal, tels que les variations saisonnières de l'alimentation, les réponses du système immunitaire de l'hôte et les stratégies employées par les microbes pour échapper à l'intrusion virale.

De plus, une analyse ANI a été réalisée pour explorer la parenté des souches entre les individus familiaux et non familiaux. Les résultats ont indiqué que les membres de la famille partageaient un plus grand nombre de souches homologues que les individus non familiaux, et ils partageaient également des souches plus étroitement liées que les individus non apparentés. Cela souligne l'importance des liens familiaux et de la parenté génétique dans la formation du paysage microbien intestinal des Hadza.

Référence :

1. Carter, Matthew M., et al. "Le séquençage ultra-profond des chasseurs-cueilleurs Hadza récupère des microbes intestinaux en voie de disparition." Cellule (2023).