Microbiome

La métagénomique dans la recherche sur le microbiome

Description d’une méthode complète

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Les microbes et le microbiome ?

Lorsque l’existence des microbes a été découverte au XVIII^e siècle grâce aux progrès de la microscopie, peu de gens auraient pu imaginer la réelle ampleur de leur omniprésence sur terre et au-delà. On peut affirmer, sans aucune exagération, que les microbes mènent le monde (1). On en trouve partout, même dans les milieux les plus durs et les plus hostiles. Les microbes s’avèrent impliqués dans la régulation des milieux physiques et des biosphères organiques. Bien entendu, les microbes ont établi une multitude de relations – certaines bénéfiques, d’autres nuisibles – avec les organismes unicellulaires et pluricellulaires, dont l’être humain. L’importance des microbes pour la santé et la maladie humaines est devenue flagrante au cours des dernières décennies (1).

Les microbes mènent le monde.

La complexité de ces relations est peut-être le plus grand obstacle à l’appréhension des microbes. Une grande partie de nos connaissances dans le domaine de la microbiologie proviennent d’études à partir de cultures pures, avec l’isolement et la croissance d’une souche de microbe pure dans un environnement contrôlé. Cependant, tous les microbes ne peuvent pas être cultivés et les cultures pures artificielles privent les microbes des interactions avec les autres espèces qui ont dicté leurs caractéristiques, comportement et trajectoire évolutionnaire. Cela signifie qu’il est très probable que les génotypes et phénotypes des microbes dans des boîtes de Petri sont différents de ceux que l’on trouve dans la nature (1).

Qu’est-ce que la métagénomique ?

Pour l’essentiel, la métagénomique, ou génomique environnementale, est l’analyse génétique des communautés microbiennes contenues dans les milieux naturels. Du point de vue de la microbiologie, la métagénomique est l’étude des microbes qui ne peuvent être cultivés. En leur permettant de rompre avec l’homogénéité génétique des cultures pures, elle offre aux scientifiques la capacité de mieux appréhender l’extraordinaire diversité présente au sein des communautés microbiennes. L’étude de diverses communautés microbiennes permet, quant à elle, à la communauté scientifique de mieux comprendre notre propre physiologie et les systèmes du monde qui nous entoure (1).

Méthodes d’étude du microbiome

Le séquençage shotgun offre la possibilité d’étudier simultanément les microbes non bactériens (p. ex. champignons et virus) et les bactéries (2), mais il nécessite un travail de séquençage plus prononcé. En revanche, le séquençage 16S peut être centré uniquement sur un seul gène. Plus particulièrement, le séquençage 16S est utile pour les études de phylogénie et de taxonomie bactériennes (2). La métatranscriptomique, en tant qu’étude métagénomique de l’ARN messager (ARNm), est extrêmement utile pour examiner comment les différences dévoilées par les études métagénomiques affectent la régulation et l’expression géniques.

Limites des méthodes actuelles

Aussi prometteuse qu’elle puisse paraître, la métatranscriptomique peut être limitée par des obstacles techniques, tels que la courte demi-vie de l’ARNm. À mesure que la technologie de NGS a progressé, diverses techniques différentes ont été développées, puis adaptées aux approches métagénomiques. Lorsque la métagénomique microbienne n’en était qu’à ses débuts, de nombreuses études ont été menées à l’aide de techniques à lectures de taille moyenne (~800 pb), comme le pyroséquençage (à l’aide de la plateforme Roche^® 454 par exemple) (4). Au fil du temps, des techniques à lectures plus courtes (p. ex. le séquençage Illumina^®) se sont avérées plus intéressantes en termes de coût et de débit.

Néanmoins, le séquençage de courtes lectures présente ces propres problèmes, dont certains biais et obstacles techniques. Plus récemment, des avancées technologiques ont facilité la transition vers le séquençage de longues lectures, avec des techniques (p. ex. le séquençage SMRT et séquençage nanopore) désormais capables de générer des lectures d’une longueur de plusieurs dizaines de kilobases. Bien que plus propices aux erreurs, ces lectures plus longues se sont avérées avantageuses pour l’assemblage de génomes fermés si la profondeur de séquençage est suffisamment élevée pour permettre leur correction (5). Toutefois, en raison du manque d’informations génétiques générées par rapport au séquençage Illumina et du besoin de quantités élevées d’échantillons d’ADN brut, ces techniques sont, à l’heure actuelle, peut-être mieux adaptées au séquençage de génomes entiers et à d’autres applications similaires (6).

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Références :

National Research Council (US) Committee on Metagenomics: Challenges and Functional Applications. The New Science of Metagenomics: Revealing the Secrets of Our Microbial Planet. Washington (DC): National Academies Press (US); 2007.
Jovel, J. et al. (2016) Characterization of the gut microbiome using 16S or shotgun metagenomics. Front Microbiol. 7, 459.
Janda, J. M. and Abbott, S. L. (2007) 16s rRNA gene sequencing for bacterial identification in the diagnostic laboratory: pluses, perils, and pitfalls. Clin. Microbiol. 45(9), 2761–2764.
Bragg, L. and Tyson, G. W. (2014) Metagenomics using next-generation sequencing. Environ. Microbiol. 1096, 183–201.
Koren, S. and Phillippy, A. M. (2015) One chromosome, one contig: complete microbial genomes from long-read sequencing and assembly. Curr. Opin. Microbiol. 23, 110–120.
Driscoll, C. B. et al. (2017) Towards long-read metagenomics: complete assembly of three novel genomes from bacteria dependent on a diazotrophic cyanobacterium in a freshwater lake co-culture. Stand. Genomic. Sci. 12, 9.