Utilisation du séquençage de l'ARN pour l'analyse des interactions hôte-microbe

Dans l'interaction complexe entre les cellules hôtes et les bactéries commensales/pathogènes, le milieu cellulaire joue un rôle crucial dans la détermination du résultat final de ces interactions. Cela inclut l'activation ou la suppression des programmes de virulence bactérienne, ainsi que l'engagement des mécanismes de défense de l'hôte ou des réponses de tolérance. Pour acquérir une compréhension complète des principes fondamentaux sous-jacents aux interactions hôte-microbe dans des états sains et malades, nous avons besoin de méthodologies à haute résolution capables de capturer leurs dynamiques complexes à différentes échelles. Cela englobe des investigations allant du contexte plus large de l'organisme entier jusqu'aux subtilités nuancées des interactions à l'échelle cellulaire unique, contribuant toutes à établir une base théorique solide pour la gestion des maladies associées aux microbes.

Trois phases évolutives de la transcriptomique dans les études d'interaction hôte-microbe

Dans le domaine de la biologie des infections, les chercheurs utilisent divers niveaux de tests pour explorer les interactions hôte-microbe, tels que génomique, épigénomique, la transcriptomique, la protéomique, la métabolomique, et plus encore. Parmi ceux-ci, transcriptomique a gagné une traction significative pour sa capacité à offrir un aperçu de la physiologie cellulaire, grâce à sa sensibilité, son rapport coût-efficacité et sa large applicabilité. Depuis le début de séquençage du transcriptome Dans le domaine de la biologie des infections, il y a environ une décennie, nous avons été témoins de l'émergence de trois phases distinctes dans l'analyse des interactions hôte-microbe.

Dans la phase initiale (Séquençage d'ARN à brin unique/Étude unilatérale), les cellules hôtes et les microbes sont physiquement séparés, avec un accent sur l'examen soit de l'hôte, soit du microbe exclusivement.

La deuxième phase marque un tournant décisif où les deux côtés de l'interaction sont examinés simultanément. Cette phase englobe le profilage des interactions entre l'hôte et le microbe (Dual RNA-Seq ou profilage d'expression dual) et explore métatranscriptomique pour explorer le paysage plus large du microbiome. Parallèlement, il y a eu une réévaluation du rôle des transcrits non codants, qui étaient auparavant considérés comme de simples sous-produits de l'analyse RNA-seq. Ces transcrits non codants se sont révélés inestimables pour découvrir des informations cruciales sur les interactions hôte-microbe.

Dans la troisième phase actuelle, nous assistons à l'essor du séquençage du transcriptome bactérien à cellule unique, une technique de plus en plus utilisée pour déchiffrer l'hétérogénéité inhérente aux interactions hôte-microbe. Cette phase représente une avancée majeure dans notre capacité à examiner les dynamiques complexes au niveau de la cellule unique au sein du composant microbien de ces interactions.

L'histoire de la recherche sur les infections basée sur le séquençage de l'ARN. (Westermann et al., 2021)

Méthodes de détection des interactions hôte-microbe

• Étudier la structure et la fonction de la communauté microbienne à travers séquençage du métatranscriptome.
• Emploi séquençage d'ARN dual analyser à la fois le pathogène et le tissu de l'hôte infecté.
• Conduite triple RNA-seq pour disséquer les co-infections virales et bactériennes ou les symbiontes concurrents avec leurs hôtes.
• Utilisez le séquençage du transcriptome unicellulaire pour l'analyse de l'hôte ou le séquençage du transcriptome bactérien unique.

Aperçu graphique des approches basées sur le RNA-seq pour étudier les interactions inter-espèces dans l'intestin des mammifères. (Westermann et al., 2021)

Séquençage du métatranscriptome

Le séquençage du métatranscriptome est utilisé pour explorer les complexités de la structure et de la fonctionnalité des communautés microbiennes. Obtenir une quantification précise de l'expression génique au sein du microbiome nécessite un processus méticuleux. Pour simplifier, la métagénomique et métatranscriptomique les données du même échantillon sont d'abord traitées de manière indépendante. Par la suite, métagénomique les données sont utilisées pour normaliser les données métatranscriptomiques, produisant des valeurs MT/MG qui encapsulent les changements d'activité génique, de espèces et fonctionnelle.

Notamment, des études sur le microbiome intestinal ont révélé un degré de variabilité plus important dans le métatranscriptome comparé au métagénome. Cette observation implique que les microbes présentent une régulation active en réponse aux changements de leur environnement et de leurs conditions nutritionnelles. Les changements tant dans la composition que dans la fonctionnalité des microbes intestinaux humains ont été liés aux infections de maladies. Par exemple, l'abondance des ARNm microbiens intestinaux codant des protéines impliquées dans la défense antioxydante et l'homéostasie des ions métalliques a été identifiée comme un corrélat négatif avec le risque de présenter des symptômes de fièvre typhoïde après une infection avec Salmonella typhimurium.

Séquençage d'ARN double

Le séquençage d'ARN dual, une approche innovante, est utilisé dans l'étude des interactions entre les agents pathogènes et les hôtes mammifères au niveau transcriptomique. Cette technique de pointe permet l'analyse simultanée de l'expression génique au sein des organismes bactériens et des cellules ou tissus hôtes infectés, qu'ils soient intracellulaires ou extracellulaires. Grâce à séquençage d'ARN doublenous visons à dévoiler des subtilités auparavant inexplorées au sein des interactions hôte-microbe, promettant une compréhension plus approfondie de ces interdépendances.

Les étapes de base des protocoles couramment utilisés pour le profilage d'expression spécifique des brins chez les bactéries, les mammifères ou les expressions duales. (Westermann et al., 2021)

Séquençage du transcriptome à cellule unique (scRNA-seq)

Ces dernières années, l'avancement de la technologie de séquençage du transcriptome unicellulaire (scRNA-seq) a ouvert une nouvelle ère de la transcriptomique, entraînant de nombreuses découvertes significatives. Ces découvertes vont de l'identification de types cellulaires et d'états physiologiques auparavant inconnus à l'élucidation de nouvelles voies de régulation génique. Les chercheurs ont commencé à reconnaître le rôle essentiel de l'hétérogénéité cellulaire dans les interactions hôte-pathogène. Par exemple, les pathogènes exploitent l'hétérogénéité cellulaire préexistante et pré-induite pour établir des niches écologiques infectieuses.

Au sein de la population de pathogènes, il existe une diversité phénotypique substantielle. Par exemple, Salmonella typhimurium exhibe une expression bistable de gènes invasifs même avant de rencontrer les cellules hôtes, et cette diversité d'expression génique s'intensifie tout au long de l'infection. Cette stratégie offre un avantage unique : l'invasion de certaines sous-populations de Salmonelle induit une inflammation épithéliale, ce qui facilite à son tour l'invasion supplémentaire d'autres Salmonella typhimurium souches dans la lumière intestinale.

Pour obtenir des informations plus approfondies sur ces dynamiques complexes, des approches transcriptomiques à plus haute résolution sont impératives. Ces méthodes avancées nous permettent de saisir et d'analyser comment l'hétérogénéité cellulaire influence les résultats des interactions hôte-microbe.

Référence :

1. Westermann, Alexander J., et Jörg Vogel. "RNA-seq inter-espèces pour déchiffrer les interactions hôte-microbe." Nature Reviews Génétique 22.6 (2021) : 361-378.