Qu'est-ce que les gènes de résistance aux antibiotiques (ARG) ?

Un gène de résistance désigne une séquence de nucléotides (fragment d'ADN) responsable de l'encodage d'un trait conférant une résistance aux médicaments. Comme d'autres matériaux génétiques, ces gènes subissent une réplication lors de la division et de la prolifération bactériennes. Ces gènes de résistance aux antibiotiques peuvent résider sur le chromosome bactérien ou sur des plasmides externes au chromosome. Il est à noter que les gènes de résistance sur les plasmides peuvent être transmis entre les souches de la même espèce bactérienne ou même entre différentes espèces par le biais de mécanismes tels que l'épissage, la transformation et la transduction.

En 2017, l'Organisation mondiale de la santé (OMS) a identifié 12 "superbactéries" particulièrement menaçantes, soulignant l'émergence mondiale de la résistance bactérienne aux antibiotiques comme un enjeu de santé publique critique.

Les avancées dans les technologies de séquençage et l'évolution de la bioinformatique ont conduit à l'adoption généralisée des techniques de séquençage à haut débit dans le domaine de la détection de la résistance bactérienne aux antibiotiques. Parmi les méthodes notables, on trouve séquençage du génome entier (SGE), séquençage métagénomique (mNGS)et le séquençage du transcriptome unicellulaire microbien, également connu sous le nom de séquençage de l'ARN unicellulaire microbien.

Détection des gènes de résistance aux antibiotiques (ARGs). (Rice et al., 2020)

Les différents types de gènes de résistance

Les gènes de résistance, en fonction des antibiotiques qui induisent la résistance, peuvent être classés en plusieurs types. Cela inclut les gènes de résistance à la tétracycline (tet), les gènes de résistance aux sulfonamides (sul), les gènes de résistance aux β-lactamines (bla), les gènes de résistance aux macrolides (erm), les gènes de résistance aux aminoglycosides (aac), les gènes de résistance aux fluoroquinolones (fca), les gènes de résistance à la colistine (mcr), les gènes de résistance à la vancomycine (van) et les gènes de résistance multidrogue (mdr).

La diffusion mondiale de gènes de résistance aux médicaments dans l'environnement a soulevé des préoccupations significatives. Les réservoirs principaux pour les souches et les gènes résistants aux médicaments se trouvent dans les tractus intestinaux et les excréments du bétail et de la volaille, facilitant la transmission généralisée de ces gènes. Les éléments génétiques mobiles (EGM) jouent un rôle central dans cette diffusion, englobant des entités cruciales telles que les séquences d'insertion, les transposons, les intégrons, les plasmides et les éléments d'épissage intégratifs.

Le transfert horizontal de gènes constitue un mécanisme clé pour la transmission des gènes de résistance aux médicaments, se produisant par trois processus génétiques courants :

• Épissage (Médié par Plasmide) : Impliquant le transfert de matériel génétique par le biais de plasmides.
• Transformation naturelle (Absorption de l'ADN par les bactéries à partir de l'environnement) : Lorsque les bactéries absorbent de l'ADN directement de leur environnement.
• Transduction (Médiée par des Phages) : Facilitée par des bactériophages, qui agissent comme des transporteurs de matériel génétique entre les bactéries.

Comprendre ces mécanismes est essentiel pour relever le défi de la prolifération des gènes résistants aux antibiotiques et concevoir des stratégies efficaces pour atténuer leur impact sur la santé publique et l'environnement.

Mécanismes de résistance aux antibiotiques

Les gènes de résistance aux antibiotiques (ARGs) codant la résistance aux antibiotiques sont un phénomène intrinsèque antérieur à l'influence humaine. Les bactéries manifestent une résistance par divers mécanismes, englobant l'efflux d'antibiotiques, l'imperméabilité de la membrane cellulaire, la modification des cibles des antibiotiques et la synthèse d'hydrolases antibiotiques. Notamment, les aminoglycosides, caractérisés par de nombreuses macromolécules présentant des groupes hydroxyles et amides exposés, sont particulièrement susceptibles à la modification, entraînant l'apparition de niveaux élevés de résistance.

Des avancées récentes ont révélé de nouveaux mécanismes de résistance, y compris le rôle de la protéine ABC-F dans la compétition antibiotique, des mutations qui incapacitent des gènes essentiels, et le développement de la résistance dans des conditions environnementales difficiles. Ces informations approfondissent notre compréhension du paysage dynamique et évolutif de la résistance aux antibiotiques, soulignant l'interaction complexe entre les bactéries et leur réponse aux pressions de sélection.

Aperçu des mécanismes moléculaires de la résistance aux antibiotiques. (Darby et al., 2023)

Détection des gènes de résistance bactérienne basée sur le séquençage à haut débit

• Séquençage du génome entier (SGE)

Le WGS est le processus complet de déchiffrement de l'ensemble de la séquence génétique d'une espèce donnée. Dans le domaine de la détection de la résistance bactérienne aux médicaments, WGS émerge comme un outil puissant, offrant un profil approfondi des gènes de résistance aux médicaments au sein des bactéries. Il va au-delà de la simple identification, permettant la prédiction des phénotypes de résistance aux médicaments en analysant les complexités des gènes de résistance et en déchiffrant les mécanismes de résistance associés. De nombreuses études ont effectué des comparaisons entre Système de référence géodésique mondial et l'AST phénotypique pour la détection de la résistance bactérienne aux médicaments, démontrant de manière cohérente la précision du WGS dans la prédiction de la résistance bactérienne aux médicaments.

De plus, le séquençage du génome entier (WGS) joue un rôle crucial dans l'élucidation des gènes de résistance aux antibiotiques présents à la fois dans les chromosomes et les plasmides des génomes des bactéries résistantes aux antibiotiques. Cette connaissance contribue de manière significative à la compréhension des dynamiques derrière le mouvement et la dissémination des gènes de résistance. De plus, le WGS sert d'outil précieux pour surveiller les épidémies et les flambées de souches résistantes aux antibiotiques. Malgré ces avantages, il est important de noter que le WGS présente certains inconvénients, notamment une période de test plus longue, des coûts plus élevés et la nécessité de cultures bactériennes pures. Ces facteurs contribuent aux exigences accrues associées à l'identification et à l'isolement des bactéries cliniques en utilisant cette technique.

Assemblage contre cartographie de lecture. (Boolchandani et al., 2019)

• Séquençage de nouvelle génération du métagénome (mNGS)

mNGS est une approche de pointe conçue pour révéler les informations génomiques des populations microbiennes au sein d'échantillons environnementaux spécifiques grâce à la technologie de séquençage à haut débit. En s'appuyant sur des méthodes d'analyse bioinformatique, mNGS facilite l'identification des pathogènes, l'analyse du microbiome, les études d'interaction hôte et la prédiction de la résistance bactérienne aux antibiotiques. Dans le domaine de la détection des gènes de résistance bactérienne aux antibiotiques en milieu clinique, mNGS émerge comme un outil puissant capable de diagnostiquer des infections causées par des pathogènes inconnus et de découvrir les gènes de résistance associés. Ces informations servent de référence précieuse pour guider l'utilisation judicieuse des antibiotiques dans les milieux cliniques.

Dans une étude notable, Wang et al. ont utilisé la technologie mNGS pour identifier Klebsiella pneumoniae dans des échantillons de tissu pulmonaire négatifs en culture provenant d'un patient immunodéprimé souffrant de pneumonie sévère. L'analyse a également révélé des gènes de résistance tels que blaSHV-12, blaKPC-2, blaTEM-1, et blaCTX-M-65De plus, mNGS s'est avéré instrumental dans la détection de nouveaux gènes de résistance, ayant identifié 11 gènes de résistance aux antibiotiques précédemment inconnus à partir d'échantillons de sol. Ceux-ci comprenaient de nouveaux gènes de résistance à l'ampicilline, des gènes de résistance à la gentamicine, des gènes de résistance au chloramphénicol et des gènes de résistance au méclobutanil.

Un avantage clé de la mNGS réside dans sa détection non biaisée des gènes de résistance aux antibiotiques directement à partir d'échantillons originaux, permettant la recherche de nouveaux gènes de résistance aux antibiotiques en parallèle du dépistage des gènes existants. Cependant, il est essentiel de reconnaître que cette technologie présente des défis inhérents, notamment des coûts élevés, une complexité et l'absence d'un processus d'analyse standardisé et automatisé. Ces facteurs constituent des obstacles à le dépistage à grande échelle des gènes de résistance aux médicaments chez les bactéries.

• Séquençage d'ARN à cellule unique (scRNA-seq)

Le séquençage d'ARN à cellule unique (scRNA-seq) révolutionne notre compréhension des populations cellulaires en décodant le transcriptome des cellules individuelles, en dénouant les variances au sein des populations et en exposant les relations évolutives. Ces dernières années, le séquençage d'ARN à cellule unique microbien a émergé comme une technologie avancée, appliquant les principes du scRNA-seq spécifiquement aux micro-organismes, tels que les cellules bactériennes.

Le développement de la MscRNA-seq fait face à des défis en raison du faible contenu en mRNA des microorganismes, des caractéristiques distinctives de la paroi cellulaire et de la membrane de certaines bactéries, et de l'absence de polyadénylation de l'mRNA. Ces barrières techniques ont historiquement entravé les progrès de la scRNA-seq microbienne. Cependant, l'équipe de recherche de Georg Seelig à l'Université de Washington a réalisé une avancée majeure en utilisant le séquençage microSPLiT des transcriptomes unicellulaires microbiens grâce à la technologie de séquençage de transcriptome basée sur la ligation en pool divisé (SPLiT-seq) sur des bactéries.

Le SPLiT-seq microbien représente une avancée significative, étant la première méthode rentable et à haut débit pour le séquençage du transcriptome unicellulaire des bactéries. Le MicroSPLiT, utilisant des sources d'ARN étiquetées par code-barres provenant de cellules bactériennes, peut analyser des dizaines de milliers de cellules bactériennes en une seule expérience.

À mesure que la technologie de scRNA-seq microbien évolue, elle parvient à relever des défis tels que le faible contenu en mARN, la diversité cellulaire et les structures complexes des parois cellulaires. Son application s'étend à l'exploration du transcriptome des gènes de résistance aux médicaments dans les super-bactéries cliniques. En comprenant de manière exhaustive l'expression et le transfert des gènes de résistance aux médicaments, le scRNA-seq microbien revêt une importance cruciale pour faire progresser la détection et le dépistage de la multi-résistance aux médicaments en milieu clinique.

Résumé

Les méthodes traditionnelles de détection de la résistance bactérienne offrent des informations phénotypiques précieuses sur la résistance bactérienne, mais sont entravées par des temps de culture et de caractérisation prolongés, et elles ne permettent pas d'identifier les gènes de résistance. Les technologies émergentes, basées sur des méthodes physiques, chimiques et de biologie moléculaire, présentent des avantages tels qu'un cycle de détection plus court et une sensibilité accrue dans la détection de la résistance aux médicaments chez les bactéries. Cependant, ces méthodes rencontrent des limitations dans la détection des gènes de résistance inconnus et des gènes mutés.

L'avènement de technologies de détection basées sur le séquençage à haut débit sert d'approche complémentaire, comblant le fossé entre la détection phénotypique classique et les méthodes moléculaires. Cette technologie avancée excelle dans l'identification précise des gènes de résistance bactérienne, la découverte de nouveaux gènes de résistance et la localisation des sites de mutation. À l'avenir, l'intégration de la détection phénotypique et génotypique dans la résistance bactérienne aux médicaments sera essentielle pour contrôler les infections bactériennes résistantes aux médicaments et gérer les épidémies. Cette approche holistique fournit un soutien technique innovant pour la prévention et le suivi des maladies infectieuses connexes.

Références :

1. Rice, Eric W., et al. "Déterminer les hôtes des gènes de résistance aux antibiotiques : une revue des avancées méthodologiques." Lettres sur la science et la technologie environnementales 7,5 (2020) : 282-291.
2. Boolchandani, Manish, Alaric W. D'Souza, et Gautam Dantas. "Méthodes et ressources basées sur le séquençage pour étudier la résistance antimicrobienne." Nature Reviews Génétique 20.6 (2019) : 356-370.
3. Darby, Elizabeth M., et al. "Mécanismes moléculaires de la résistance aux antibiotiques revisités." Nature Reviews Microbiologie 21,5 (2023) : 280-295.