Séquençage de l'ARNr 16S vs. Séquençage du métagénome : Un guide pour le choix

La recherche sur le microbiome a révolutionné notre compréhension des communautés microbiennes complexes, et deux techniques clés à l'avant-garde de cette exploration sont le séquençage de l'ARNr 16S et le séquençage de métagénome. Ces méthodologies, chacune avec des forces et des applications uniques, permettent aux scientifiques de déchiffrer les complexités des écosystèmes microbiens. Dans cet article, nous approfondissons les subtilités de ces techniques et fournissons un guide détaillé pour aider les chercheurs à naviguer dans le choix entre le séquençage de l'ARNr 16S et le séquençage de métagénome en fonction de leurs objectifs de recherche spécifiques.

Aperçu des méthodes NGS de gène 16S rRNA et de métagénomique par shotgun. (Boers et al., 2019)

Séquençage de l'ARNr 16S

La technique de séquençage de l'ADNr 16S cible un segment au sein de la petite sous-unité des ribosomes procaryotes, allant de 1300 à 1600 paires de bases de longueur. Cette région contient 10 régions conservées qui reflètent le lien évolutif entre les espèces biologiques, ainsi que 9 régions hautement variables qui mettent en évidence les différences inter-espèces. Les régions conservées servent de fondation pour l'identification taxonomique, tandis que les régions variables encapsulent des distinctions uniques entre les espèces. En général, l'amplification PCR d'une région hautement variable (comme V4 ou V3-V4) ou de la longueur totale de la séquence d'ARNr 16S est suivie du séquençage.

Veuillez vous référer à notre article Principes et flux de travail du séquençage d'amplification 16S/18S/ITS.

Séquençage de métagénome

Le séquençage de métagénome transcende les limites des séquences individuelles d'ARNr 16S en englobant tout le matériel génétique d'un échantillon, y compris l'ADN de l'hôte et les génomes microbiens. Cette approche globale offre des perspectives sur la composition taxonomique et le potentiel fonctionnel. Grâce au séquençage à haut débit de l'ADN environnemental, le séquençage de métagénome facilite des analyses englobant la structure de la communauté microbienne, le contenu génétique et les voies fonctionnelles.

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Facteurs qui orientent la décision

• Objectifs de recherche

La formulation d'objectifs de recherche précis revêt une importance capitale. Lorsque l'intention tourne autour de la déchiffration d'aspects tels que la composition des espèces, la diversité et l'abondance relative, l'application du séquençage de l'ARNr 16S devient un choix judicieux. Dans les scénarios où les investigations plongent dans des aspects granulaires comme des fonctions spécifiques, le contenu génétique et des voies complexes, le séquençage de métagénome émerge comme l'approche privilégiée et la plus appropriée.

• Résolution taxonomique

Le séquençage de l'ARNr 16S excelle dans la fourniture d'une précision taxonomique supérieure, s'étendant fréquemment jusqu'aux niveaux de genre ou d'espèce. En revanche, le séquençage de métagénome offre une précision supérieure, permettant de discerner des différences subtiles au niveau des souches et, de manière remarquable, la reconstruction potentielle de génomes complets.

• Coût et débit

Il est impératif de prendre en compte les contraintes financières. Le séquençage de l'ARNr 16S offre une solution économiquement viable et à haut débit, ce qui le rend particulièrement avantageux lors de la gestion d'efforts de profilage communautaire étendus. En revanche, le séquençage de métagénome entraîne des coûts plus élevés en raison du volume considérable de données générées et des exigences informatiques associées.

• Complexité de l'échantillon

Lorsqu'on travaille avec des échantillons contenant un ensemble bien défini de microorganismes connus, le séquençage de l'ARNr 16S s'avère adéquat et approprié. En revanche, le séquençage de métagénome brille véritablement lorsqu'il s'agit d'explorer des échantillons complexes et divers qui abritent des espèces nouvelles ou mal caractérisées.

• Perspectives fonctionnelles

Le séquençage de métagénome donne aux chercheurs la capacité de dévoiler des perspectives fonctionnelles complexes. Cela inclut la capacité de prédire des voies métaboliques et d'identifier des rôles fonctionnels potentiels. De telles révélations revêtent une immense valeur, en particulier pour les études qui traversent les domaines de l'écologie, de la médecine et de la biotechnologie.

Séquençage de l'ARNr 16S vs. Séquençage métagénomique

Combiner les deux méthodologies peut offrir des perspectives complètes. Utilisez le séquençage de l'ARNr 16S pour le profilage taxonomique et l'évaluation initiale de la communauté, puis employez le séquençage de métagénome pour déchiffrer le potentiel fonctionnel et les nuances taxonomiques plus fines.

Conclusion

• Contraintes budgétaires : Optez pour le séquençage de l'ARNr 16S lorsque le budget est limité.
• Focus de recherche : Pour la composition des espèces et la diversité, le séquençage de l'ARNr 16S suffit. Le séquençage de métagénome est essentiel pour les enquêtes fonctionnelles et au niveau des gènes.
• Acquisition de génomes : Le séquençage de métagénome offre des perspectives au niveau des génomes, même pour les bactéries non cultivées.
• Approche hybride : Combinez le séquençage de l'ARNr 16S avec le séquençage de métagénome pour des études au niveau des espèces rentables, accompagnées d'une analyse fonctionnelle plus approfondie.
• Contamination par l'hôte : Choisissez le séquençage de l'ARNr 16S pour les échantillons avec une contamination potentielle par l'ADN d'hôte eucaryote.

Études de cas

Étude de cas 1 - Exploration du microbiome bactérien du sol amazonien

Dans cette étude illustrative, l'objectif est d'examiner le microbiome bactérien complexe présent dans le sol amazonien. Étant donné les circonstances décrites précédemment, où certains taxa peuvent être rares ou mal étudiés, opter pour des bases de données d'ARNr 16S bactériennes s'avère avantageux. Ce choix découle du manque de génomes de référence complets facilement disponibles pour ces espèces spécifiques. Ainsi, tirer parti du séquençage de l'ARNr 16S offrirait une résolution taxonomique améliorée par rapport au séquençage de métagénome, ce qui correspond parfaitement aux objectifs de l'étude.

Étude de cas 2 - Suivi des changements du microbiome et de la présence de gènes antimicrobiens après une transplantation fécale

L'avantage majeur du séquençage de métagénome réside dans sa capacité à fournir des perspectives fonctionnelles multifacettes du microbiome, englobant des données sur les gènes microbiens. Pour le scénario décrit ici, une étude visant à déchiffrer les changements dans la composition du microbiome et le transport de gènes antimicrobiens après une transplantation fécale, le séquençage de métagénome émerge comme le choix préférable. En adoptant le séquençage de métagénome, l'enquête peut efficacement capturer les altérations dans la composition du microbiome intestinal tout en explorant simultanément le profilage complet des gènes de résistance antimicrobienne ainsi que leurs hôtes associés.

Étude de cas 3 - Dynamiques quotidiennes du microbiome intestinal après une intervention de fibres alimentaires de 2 semaines

Dans le contexte de l'étude des oscillations quotidiennes du microbiome intestinal dues à une intervention de fibres alimentaires de 2 semaines, certaines situations se présentent où les modifications se manifestent principalement au niveau fonctionnel. Dans un tel scénario d'étude, un choix judicieux serait le séquençage par shotgun peu profond. Cette approche permet d'évaluer à la fois les variations de composition (telles que les changements d'espèces ou de souches) et les disparités fonctionnelles au sein du microbiome intestinal consécutivement à l'intervention alimentaire. Il est à noter que cette méthode étend ces avantages analytiques à un coût comparable à celui du séquençage de l'ARNr 16S.

Référence :

1. Boers, Stefan A., Ruud Jansen, et John P. Hays. "Comprendre et surmonter les pièges et les biais des méthodes de séquençage de nouvelle génération (NGS) pour une utilisation dans le laboratoire de diagnostic microbiologique clinique de routine." European Journal of Clinical Microbiology & Infectious Diseases 38 (2019) : 1059-1070.