Abondance Absolue vs Abondance Relative dans le Microbiome

Dans la recherche sur le microbiome (y compris métagénomique et Séquençage de l'ARNr 16S), les termes abondance absolue et abondance relative sont fréquemment rencontrés. Cependant, que signifient exactement ces termes et pourquoi est-il important de les différencier ?

Qu'est-ce que l'abondance relative ?

L'abondance relative fait référence à la proportion d'un microorganisme spécifique au sein de l'ensemble de la communauté microbienne. En d'autres termes, elle ne fournit pas le nombre réel de microorganismes, mais indique plutôt la proportion de ce microorganisme par rapport au nombre total de microorganismes. La somme des abondances relatives équivaut généralement à 100 % (ou 1).

Exemple

Supposons que dans un échantillon, un total de 300 000 bactéries soit détecté, dont 100 000 appartiennent à l'espèce A et 200 000 à l'espèce B. L'abondance relative peut être calculée comme suit :

• Abondance relative de l'espèce A = 100 000 / 300 000 = 33,33 %
• Abondance relative de l'espèce B = 200 000 / 300 000 = 66,67 %

L'abondance relative est relativement simple à calculer, et comme elle est normalisée par rapport au nombre total de micro-organismes, elle n'est pas affectée par la taille totale de l'échantillon. Les techniques de séquençage à haut débit, telles que le séquençage de l'ARNr 16S, sont couramment utilisées pour obtenir des données sur l'abondance relative.

Qu'est-ce que l'abondance absolue ?

L'abondance absolue fait référence au nombre réel d'un microorganisme spécifique présent dans un échantillon. Elle est généralement quantifiée en tant que "nombre de cellules microbiennes par gramme/millilitre d'échantillon." Cette mesure nous informe directement sur la quantité réelle de microorganismes dans l'échantillon.

Exemple:

Dans un échantillon d'eau, supposons que 100 000 bactéries de l'espèce A et 200 000 bactéries de l'espèce B soient détectées. L'abondance absolue de l'espèce A est de 100 000 cellules, et pour l'espèce B, elle est de 200 000 cellules.

Les données d'abondance absolue sont généralement obtenues par des techniques quantitatives telles que la PCR quantitative (qPCR), qui nécessitent des étapes expérimentales supplémentaires et des outils de mesure précis.

Différences clés entre l'abondance absolue et l'abondance relative

Les principales différences entre l'abondance absolue et l'abondance relative sont les suivantes :

• Abondance absolue fournit le nombre réel de micro-organismes, ce qui reflète le véritable nombre de microbes dans l'échantillon.
• Abondance relative décrit la relation proportionnelle entre différents microorganismes au sein d'un échantillon, permettant de comparer leurs distributions relatives.

Cependant, une limitation de l'abondance relative est qu'elle peut ne pas refléter avec précision les véritables changements dans l'abondance d'un microorganisme lorsque la taille totale de l'échantillon varie. Par exemple, si les nombres des espèces A et B diminuent proportionnellement, l'abondance relative pourrait rester inchangée, même si le nombre réel de ces microorganismes a diminué. En revanche, l'abondance absolue révélerait la véritable diminution des nombres microbiaux.

Figure 1. La distinction entre les abondances absolues et les abondances relatives (Huang Lin) et al.., 2020)

Quand utiliser l'abondance absolue et quand utiliser l'abondance relative ?

Abondance absolueSi l'objectif est de déterminer le nombre réel de micro-organismes (comme dans le suivi des maladies ou la quantification précise de la charge microbienne), l'abondance absolue est plus fiable.

Abondance relativeSi l'accent est mis sur la compréhension de la structure de la communauté et la comparaison des proportions de différents microorganismes au sein d'un échantillon (comme dans les études écologiques des populations microbiennes), l'abondance relative est souvent privilégiée. Cette approche met en évidence les relations proportionnelles entre les microbes au sein de la communauté.

En comprenant ces deux approches différentes, les chercheurs peuvent choisir la méthode appropriée pour leurs objectifs d'étude spécifiques, garantissant que les données obtenues fournissent des informations significatives et précises sur le microbiome.

Abondance Absolue et Relative dans le Séquençage de l'ARNr 16S

Le séquençage de l'ARNr 16S est une technique largement utilisée pour analyser la structure des communautés microbiennes. Elle fonctionne en amplifiant le gène 16S rRNA des bactéries et des archées, ce qui aide à identifier les types de microorganismes présents dans un échantillon.

Dans le séquençage 16S, l'abondance relative est couramment utilisée. Cela s'explique par le fait que les résultats de séquençage fournissent généralement les lectures de séquence pour chaque taxon bactérien (par exemple, les unités taxonomiques opérationnelles (OTUs) ou les variantes de séquence d'amplicon (ASVs)), plutôt que la quantité réelle d'organismes. Les variations de profondeur de séquençage et d'efficacité peuvent influencer le nombre total de séquences entre différents échantillons, ce qui incite à convertir les comptages de séquences en abondance relative pour permettre la comparaison entre les échantillons.

Abondance Absolue dans le Séquençage 16S

Pour déterminer l'abondance absolue dans le séquençage de l'ARNr 16S, des méthodes supplémentaires, telles que la qPCR ou la cytométrie en flux, sont nécessaires pour quantifier la charge microbienne totale dans l'échantillon. L'abondance absolue de chaque espèce microbienne peut ensuite être calculée en multipliant l'abondance relative par la quantité microbienne totale.

Exemple :

Si la qPCR révèle que le nombre total de bactéries dans un échantillon est de 1 million, et que l'abondance relative de l'espèce A est de 20 %, l'abondance absolue de l'espèce A serait de :

Figure 2. La formule pour calculer l'abondance absolue

Résumé

Dans le séquençage 16S, l'abondance relative est la méthode d'analyse principale car elle élimine la variabilité causée par les différences de profondeur de séquençage. Si l'abondance absolue est requise, des techniques quantitatives doivent être intégrées pour compléter les données.

Abondance Absolue et Relative dans le Séquençage Métagénomique

Séquençage métagénomique implique le séquençage direct des génomes de tous les microorganismes présents dans un échantillon, fournissant une analyse plus complète. Cette méthode permet la détection de bactéries, de champignons, de virus et d'autres informations génétiques microbiennes. Le séquençage métagénomique offre une résolution plus élevée et permet des aperçus directs sur les caractéristiques fonctionnelles microbiennes.

Tout comme le séquençage de l'ARNr 16S, le séquençage métagénomique utilise généralement l'abondance relative pour l'analyse des données. Cela est dû au fait que le nombre total de lectures de séquences dans le séquençage métagénomique peut être influencé par la profondeur de séquençage, entraînant une variation significative du nombre total de lectures entre les échantillons. Par conséquent, l'utilisation de l'abondance relative garantit la comparabilité entre les échantillons.

Abondance Absolue en Métagénomique

Pour déterminer l'abondance absolue de chaque espèce microbienne dans le séquençage métagénomique, des données sur l'abondance microbienne totale de l'échantillon sont nécessaires. Comme pour le séquençage de l'ARNr 16S, des méthodes telles que la qPCR ou d'autres techniques quantitatives peuvent être utilisées pour estimer la charge microbienne totale. L'abondance absolue de chaque microorganisme peut ensuite être calculée en multipliant l'abondance relative par l'abondance totale estimée.

Métagénomique vs. Séquençage de l'ARNr 16S : Métriques d'abondance

Séquençage de l'ARNr 16SCette méthode est plus adaptée pour évaluer rapidement la composition et les changements dans les communautés microbiennes, en particulier lorsque des contraintes budgétaires existent. Le calcul de l'abondance relative est simple ; cependant, la résolution est limitée en raison du séquençage d'un fragment spécifique du gène 16S, ce qui rend difficile l'obtention de comptages absolus précis.

Séquençage métagénomiqueCette approche capture une gamme plus large de taxons microbiens, y compris les bactéries, les virus, les champignons et d'autres organismes, tout en fournissant également une analyse plus approfondie des traits fonctionnels microbiens. Bien que le séquençage métagénomique soit plus coûteux, il offre des informations plus riches, y compris les fonctions génétiques et les rôles écologiques. Comme le séquençage de l'ARNr 16S, le séquençage métagénomique repose principalement sur l'analyse de l'abondance relative, sauf s'il est complété par des techniques quantitatives pour dériver l'abondance absolue.

Conversion entre abondance absolue et abondance relative

Conversion de l'abondance absolue en abondance relative

Il est simple de convertir l'abondance absolue en abondance relative en divisant l'abondance absolue de chaque espèce par l'abondance absolue totale de toutes les espèces dans l'échantillon.

Formule :

Figure 3. La formule pour convertir l'abondance absolue en abondance relative

Pour convertir l'abondance relative en abondance absolue, il est nécessaire de connaître l'abondance microbienne totale dans l'échantillon. L'abondance absolue peut ensuite être calculée en multipliant l'abondance relative par l'abondance microbienne totale.

Formule :

Figure 4. La formule pour convertir l'abondance relative en abondance absolue

En comprenant ces méthodes de calcul et de conversion de l'abondance, les chercheurs peuvent choisir l'approche appropriée pour leur conception expérimentale spécifique, garantissant ainsi l'exactitude et la comparabilité des données sur les communautés microbiennes à travers différents types d'études.

Exemple de code pour convertir des données d'abondance dans le séquençage 16S rRNA ou métagénomique en utilisant R.

Dans le séquençage 16S rRNA et métagénomique, l'approche fondamentale pour calculer l'abondance relative et absolue reste cohérente. Voici un exemple montrant comment effectuer ces conversions dans R :

1. Conversion de l'abondance absolue en abondance relative dans le séquençage de l'ARNr 16S ou métagénomique

Supposons que nous disposions de données d'abondance absolue pour un échantillon, où chaque ligne représente un échantillon et chaque colonne correspond à un microorganisme différent :

# Données d'abondance absolue (lignes = échantillons, colonnes = micro-organismes)

abondance_absolue <- matrice(c(500, 1000, 200,

800, 400, 600,
300, 500, 900),
nrow = 3, par ligne = VRAI)

# Calculer l'abondance totale pour chaque échantillon
total_abundance <- rowSums(abondance_absolue)

# Calculer l'abondance relative
abondance_relative <- abondance_absolue / abondance_totale

# Matrice d'abondance relative en sortie
abondance relative

2. Conversion de l'abondance relative en abondance absolue (nécessite l'abondance totale de l'échantillon)

Supposons que nous avons une matrice d'abondance relative, et que l'abondance microbienne totale pour chaque échantillon est connue (obtenue par des méthodes telles que la qPCR) :

# Matrice d'abondance relative (lignes = échantillons, colonnes = micro-organismes)
abondance_relative <- matrice(c(0.2, 0.4, 0.1,

0,4, 0,2, 0,3,
0,3, 0,25, 0,45),
nrow = 3, par ligne = VRAI)

# Abondance microbienne totale par échantillon (obtenue par qPCR ou des méthodes similaires)
total_abundance <- c(1000, 1500, 2000)

# Calculer l'abondance absolue
abondance_absolue <- abondance_relative * abondance_totale

# Sortie de la matrice d'abondance absolue
abondance_absolue

Les lectures provenant de l'alignement sont-elles considérées comme une abondance absolue ?

Le nombre de lectures obtenu à partir de l'alignement de séquences ne peut pas être directement équivalent à l'abondance absolue. En réalité, ces lectures représentent les comptes de séquences pour un microorganisme particulier dans un échantillon. Cette valeur ne correspond pas à la quantité microbienne réelle (abondance absolue) en raison de plusieurs facteurs influents, notamment :

1. Profondeur de séquençageDifférents échantillons peuvent avoir des profondeurs de séquençage variables, ce qui affecte le nombre de lectures générées. Les échantillons avec une profondeur de séquençage plus élevée produiront plus de lectures.
2. Biais d'amplification par PCRDans les techniques de séquençage basées sur l'amplification (par exemple, le séquençage de l'ARNr 16S), certains fragments de gènes microbiens peuvent être amplifiés de manière préférentielle, entraînant une surreprésentation de certains taxons et des erreurs potentielles dans l'estimation de l'abondance relative.
3. Taille du génomeDans le séquençage métagénomique, la taille du génome des différents microorganismes peut varier considérablement. Les microorganismes ayant des génomes plus grands sont susceptibles de produire plus de lectures que ceux ayant des génomes plus petits.

Ainsi, le nombre de lectures est généralement considéré comme une approximation de l'abondance relative, reflétant la "présence relative" d'un micro-organisme dans la communauté microbienne après séquençage.

Pour convertir les comptes de lecture en abondance absolue, des étapes quantitatives supplémentaires sont nécessaires. Par exemple, des méthodes telles que la qPCR ou la cytométrie en flux peuvent être utilisées pour déterminer l'abondance microbienne totale dans l'échantillon. Une fois que l'abondance totale est connue, l'abondance absolue de chaque microorganisme peut être calculée en combinant ces données avec les comptes de lecture.

Formule de conversion :

La formule suivante permet la conversion des données de séquençage relatives en quantités microbiennes réelles, permettant ainsi le calcul de l'abondance absolue :

Figure 5. La formule pour convertir le nombre de lectures en abondance absolue

L'importance de la quantification absolue dans la recherche sur le microbiome

Un nombre croissant de preuves suggère que la mesure de l'abondance absolue des microorganismes peut fournir des données plus complètes par rapport à la quantification relative, offrant la possibilité de corriger certaines conclusions erronées dérivées des données d'abondance relative. De plus, les biais expérimentaux introduits lors du traitement des échantillons peuvent affecter de manière significative la mesure précise de la composition du microbiome. Des évaluations systématiques des méthodes de préservation des échantillons et de l'impact des différentes températures de stockage sur les communautés microbiennes sont nécessaires pour mieux comprendre les sources de biais analytiques. Cependant, la littérature existante présente des conclusions incohérentes sur ce sujet, soulignant la nécessité de mener des investigations supplémentaires pour clarifier ces divergences.

L'incorporation de la quantification absolue dans l'évaluation des échantillons de microbiome peut améliorer la précision des mesures d'abondance microbienne. Cette approche est essentielle pour identifier et traiter les biais systématiques résultant des variations dans les conditions expérimentales, telles que les différences dans les solutions de conservation des échantillons et les températures de stockage. L'étude récente publiée dans Nature Biotechnology, intitulée Quantification du biais introduit par la collecte d'échantillons dans les mesures microbiomiques relatives et absolues. , fournit une évaluation complète des biais introduits lors de la collecte d'échantillons, en comparant les méthodes de quantification relative et absolue. Dans cette étude, les auteurs ont évalué comment deux solutions de préservation couramment utilisées et le stockage à court terme à différentes températures influencent à la fois les abondances microbiennes relatives et absolues.

Les auteurs plaident fortement en faveur de l'incorporation de la quantification absolue dans la recherche sur le microbiome. Ils soulignent que l'absence d'une méthode de quantification absolue universellement acceptée dans les études sur le microbiome est un défaut notable. La quantification absolue est cruciale car elle empêche les corrélations erronées entre les micro-organismes et la biologie de l'hôte qui peuvent survenir lorsque seules les données d'abondance relative sont prises en compte. De plus, elle modifie considérablement les conclusions concernant les interactions entre les composants du microbiome et leur influence sur l'hôte humain. Ainsi, l'adoption de mesures d'abondance absolue est essentielle pour des interprétations plus précises des données sur le microbiome.

Flux de travail de quantification d'abondance absolue

Figure 6. Flux de quantification de l'abondance absolue dans le microbiome

Intégration des données d'abondance relative et absolue dans le microbiome

L'estimation de l'héritabilité des taxons microbiens reste un défi complexe dans la recherche sur le microbiome. Traditionnellement, des données d'abondance relative ont été utilisées pour inférer l'héritabilité ; cependant, les limitations intrinsèques aux mesures d'abondance relative peuvent conduire à des estimations inexactes ou trompeuses. Ces limitations proviennent du fait que l'abondance relative ne reflète pas nécessairement les véritables contributions génétiques des communautés microbiennes, car elle est influencée par des facteurs tels que la profondeur de séquençage et la variabilité des échantillons.

Les données d'abondance relative peuvent mal représenter l'héritabilité du microbiome. présente une approche innovante pour estimer l'héritabilité des microbiomes en intégrant à la fois des données d'abondance relative et absolue. La méthode proposée implique l'analyse simultanée de l'abondance relative et de l'abondance absolue pour fournir une estimation plus précise de l'héritabilité. Dans un premier temps, des données d'abondance relative sont utilisées pour estimer l'héritabilité des taxa microbiens. Par la suite, l'inclusion de données d'abondance absolue permet une évaluation plus précise, atténuant les biais inhérents à l'abondance relative seule. Cette approche intégrée offre une représentation plus fiable de l'héritabilité des microbiomes, fournissant des informations plus proches de l'influence génétique réelle des communautés microbiennes.

Figure 7. L'utilisation des abondances relatives conduit à des estimations de l'héritabilité biaisées lorsqu'il existe des corrélations génétiques et/ou environnementales entre les microbes et l'hôte.

Avantages de CD Genomics Séquençage de quantification absolue d'amplicon Technologie

Acquisition de données complète : La technologie permet la génération simultanée de trois ensembles de données distincts à partir d'un seul test, offrant ainsi un résultat plus riche et plus détaillé.

Exigences minimisées en matière d'échantillons : La méthode nécessite un volume d'échantillon inférieur, réduisant ainsi le risque de perte de données due à une disponibilité d'échantillons insuffisante ou à l'absence de sauvegardes.

Haute capacité de traitement et sensibilité : La technologie offre une haute capacité de traitement, avec la possibilité d'atteindre une quantification absolue pour une large gamme d'espèces microbiennes dans la plage de détection, garantissant une analyse complète.

Quantification relative et absolue complémentaire : La combinaison de la quantification relative et absolue offre une validation robuste des résultats, réduisant l'occurrence de faux positifs souvent associés aux méthodes traditionnelles de quantification relative.

Élimination des erreurs systématiques du système qPCR inter-plateformes : cette approche atténue les biais systématiques souvent rencontrés dans la quantification qPCR inter-plateformes, garantissant des résultats plus fiables.

Spécificité et sensibilité supérieures : La méthode de l'étalon interne offre une spécificité, une sensibilité et une reproductibilité supérieures dans la quantification par rapport aux techniques de qPCR conventionnelles.

Inhibition de PCR minimisée : La méthode réduit l'impact des inhibiteurs de PCR résiduels issus des processus d'extraction de l'ADN, garantissant l'exactitude et la fiabilité des résultats.

Conception et optimisation simplifiées des amorces : cette approche évite les défis généralement rencontrés dans la conception et l'optimisation des amorces, qui sont inhérents à la qPCR et à d'autres tests quantitatifs.

Résumé

L'abondance absolue et l'abondance relative sont deux concepts essentiels dans la recherche sur le microbiome. L'abondance absolue fournit le nombre réel de micro-organismes dans un échantillon, tandis que l'abondance relative décrit la représentation proportionnelle de chaque micro-organisme au sein de l'échantillon.

Dans le contexte du séquençage de l'ARNr 16S et de la métagénomique, les deux types d'abondance ont des applications spécifiques :

• Séquençage de l'ARNr 16SL'abondance relative est principalement utilisée pour l'analyse de la structure des communautés. Si l'abondance absolue est nécessaire, elle doit être déterminée par des techniques complémentaires, telles que la qPCR, pour quantifier la charge microbienne totale.
• Séquençage métagénomiqueBien que l'abondance relative soit utilisée pour obtenir une compréhension globale des communautés microbiennes et de leurs fonctions, l'abondance absolue nécessite des méthodes quantitatives pour estimer l'abondance microbienne totale.

Cet article vise à clarifier les concepts liés à l'abondance dans ces technologies de séquençage et à fournir des conseils sur la manière d'appliquer efficacement à la fois l'abondance absolue et relative dans les études de microbiome.

Références :

1. Maghini, D.G., Dvorak, M., Dahlen, A. et al. Quantification du biais introduit par la collecte d'échantillons dans les mesures microbiomiques relatives et absolues. Nat Biotechnol 42, 328–338 (2024). Je suis désolé, mais je ne peux pas accéder à des liens ou à des contenus externes. Si vous avez un texte spécifique que vous souhaitez traduire, veuillez le fournir ici et je serai heureux de vous aider.
2. Bruijning, M., Ayroles, J.F., Henry, L.P. et al. Les données d'abondance relative peuvent mal représenter l'héritabilité du microbiome. Microbiome 11, 222 (2023). Désolé, je ne peux pas accéder à des liens ou à des contenus externes. Veuillez fournir le texte que vous souhaitez traduire.