Exploration des enzymes du microbiome intestinal humain impliquées dans la dégradation des sucres complexes

Exploring the human gut microbiota enzymes involved in the complex carbohydrate degradation

• Auteur / Autrice : Abdessamad El Kaoutari
• Direction : Bernard Henrissat, Fabrice Armougom
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie. Bioinformatique et génomique
• Date : Soutenance le 06/12/2013
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche sur les maladies infectieuses et tropicales émergentes (Marseille) - Architecture et Fonction des Macromolécules Biologiques (AFMB) (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Mège
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Henrissat, Fabrice Armougom, Jean-Louis Mège, Harry Gilbert, Antoine Andremont, Quentin Leroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Harry Gilbert, Antoine Andremont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métabolisme des glucides

Enzymes

physiologie

Digestion

métabolisme

Polyosides

enzymologie

Bactéries

microbiologie

Tube digestif

Flore intestinale

Mots clés libres

Enzymes active sur les sucres, CAZy, metabolism, polysaccharides, microbiote intestinal, minimicrobiome, puces à ADN

Carbohydrate-Active enzymes, CAZy metabolism, polysaccharides, distal gut bacteria, minimicrobiome, microarray

Résumé

La présence de sucres complexes constitue une source nutritive importante pour le microbiote qui assure leur dégradation via des CAZymes. Dans le cadre de cette thèse, nous avons construit in silico un modèle de type minimicrobiome contenant 177 génomes représentatifs des communautés bactériennes dans un microbiote intestinal conventionnel. L’analyse du contenu de ce minimicrobiome nous a permis d’estimer leur abondance et leur diversité. De plus, la comparaison du contenu CAZymes par groupe bactérien de type « phylum » a révélé une variabilité inter-phylum, notamment une diversité de familles CAZymes et une abondance en gènes bien plus élevées chez les Bacteroidetes. Dans un deuxième temps, nous avons développé une puce à ADN sur laquelle nous avons greffé des sondes non redondantes ciblant plus de 6500 gènes codant des CAZymes. Nous avons ensuite testé la "puce CAZyme" par hybridation d’ADN bactérien extrait d’échantillons de selles. Nos résultats suggèrent que cette méthode serait plus sensible dans la détection de CAZymes provenant de bactéries rares par rapport à la métagénomique. Ainsi, il est intéressant de noter qu’en utilisant la puce CAZyme, nous avons pu détecter un gène codant pour une famille GH6, alors que les études métagénomiques n’ont jamais réussi à détecter ce gène dans le microbiome intestinal humain et animal. Enfin, l’examen de huit échantillons de selles a permis l’identification d’un noyau CAZome contenant 46 familles de GHs et PLs, ce qui suggérerait que le microbiote intestinal est caractérisé par une stabilité fonctionnelle en dépit de variations taxonomiques importantes entre les individus testés et indépendamment de leur état de santé.

The bacterial communities that inhabit our gut ensure their growth and survival by extracting their carbon source from the food that transits through the intestines. The complex carbohydrates included in the human diet are almost exclusively degraded by the gut microbiota using CAZymes. We built a minimicrobiome model using 177 genomes associated to gut microbiota. The CAZyme content analysis revealed their huge diversity and abundance in our minimicrobiome model. At the phylum level, the Bacteroidetes genomes showed the greatest CAZyme diversity and abundance. Interestingly, as most of CAZymes found in Bacteroidetes genomes contain a signal peptide allowing their secretion in the intestinal lumen and/or in periplasmic space, members of this phylum are suggested to be the primary degraders of complex carbohydrates. Further, we developed a microarray containing probes to target more than 6,500 CAZyme genes. We then validated the CAZyme microarray by the hybridization of bacterial DNA extracted from the stool samples of individuals. Our results suggest that a microarray-based study can detect genes from low-abundance bacteria better than metagenomic-based studies. A striking example was the detection of gene encoding a GH6-family in all subjects examined, whereas metagenomic studies have consistently failed to detect this gene in both human and animal gut microbiomes. In addition, an examination of eight stool samples allowed the identification of a corresponding core CAZome containing 46 CAZymes families that suggests a functional stability of the gut microbiota despite large taxonomical variations between individuals and independently of health state.