Étude du microbiote intestinal lié à l'hôte par métagénomique quantitative orientée clinique : relation phénotype – inflammation – microbiote dans la recto-colite hémorragique

par Nicolas Maziers

Thèse de doctorat en Microbiologie

Sous la direction de Dusko Ehrlich.

Le président du jury était Imad Kansau.

Le jury était composé de Philippe Marteau, Jean-Daniel Zucker, David Klatzmann, Marie-Agnès Petit.

Les rapporteurs étaient Philippe Marteau, Jean-Daniel Zucker.


  • Résumé

    Pour les biologistes comme pour les médecins, l'étude conjointe du microbiome et de son hôte porte l'espoir d'élucider bon nombre de maladies chroniques dites multifactorielles. Le consortium MetaHIT a jeté les jalons d'uneméthodologie performante et maintenant standardisée de séquençage "shotgun" d'ADN microbien extrait de prélèvements fécaux, utilisables comme proxy du microbiote intestinal via la construction de catalogues de gènes de référence et leur quantification, définissant la métagénomique quantitative. En lieu et place de génomes de référence, la structuration en espèces métagénomiques ("MetaGenomic Species", MGS) de catalogues de gènes offre dorénavant le cadre à une exploration intégrée et étagée du microbiote : richesse, entérotypes, taxonomie et potentialités fonctionnelles jusqu'à atteindre un niveau souche. Pour autant, comprendre la structure des données ("data") de ces quantifications des MGS demeure critique. Danscette thèse, nous proposons un itinéraire analytique exploratoire de ces données orienté vers les caractéristiques cliniques ("Metadata") de leur hôte porteur, en bonne santé ou non, dans leur complexité et leur variabilité. Cetteapproche analytique consiste à utiliser la richesse et les entérotypes, en tant que variables de synthèse de l'architecture du microbiote, comme des proxys de détection du signal. Elle permet ainsi de déterminer les contrastes en espèces avecleurs potentialités fonctionnelles à prioriser. Elle conduit à une exploration des métadonnées cliniques qui est fonction de la description métagénomique du microbiote. Parmi ces pathologies chroniques donc incurables et dont la prévalence progresse, la recto-colite hémorragique ("Ulcerative Colitis", UC) est, comme la maladie de Crohn, une affection inflammatoire du tube digestif ("Inflammatory Bowel Disease, IBD). Physiopathologiquement, les ulcérations seraient la conséquence d'une réaction immunitaire aberrante chez des hôtes génétiquement prédisposés en lien avec un microbiote intestinal altéré. Avec pour hypothèse le rôle clef joué par ce dernier, nous avons analysé les prélèvements fécaux de sujets sains et de patients UC issus du projet MetaHIT et processés par métagénomique quantitative. Comparé à celui des sains, le microbiote UC est moins riche et déplété dans son entérotype représentant, ses MGS le rendant distinct selon un modèle de classification ("AreaUnder Curve", AUC = .87). Alors qu'un microbiote pauvre est associé à un phénotype UC agressif, son inflammation (globules blancs sanguins et calprotectine fécale) semble être lié à une augmentation de richesse en MGS. Cette découverte inattendue s'ajoute à bon nombre de signaux traceurs d'intérêt comme la présence d’Akkermansia muciniphila ou l’abondance dessouches porteuses de gènes de résistance à l’érythromycine. Leur validation mécanistique et leur confirmation dans d'autres études cliniques sont à souhaiter. Elles permettront d'élucider cette relation phénotype - inflammation - microbiote dans la pathogenèse UC ainsi que dans d'autres situations où le microbiome semble être impliqué.

  • Titre traduit

    Study of intestinal microbiota linked to its host by clinical-oriented quantitative metagenomics : phenotype – inflammation – microbiota relationship in ulcerative colitis


  • Résumé

    For both biologists and physicians, the joint study of the microbiome and its host brings hope to elucidate many chronic multifactorial diseases. The MetaHIT consortium has laid the groundwork for a high performance and now standardized method for shotgun sequencing of microbial DNA extracted from fecal samples, which can be used as aproxy of intestinal microbiome through the construction of reference gene catalogs and their quantification, defining quantitativemetagenomics. Gene catalogs structuration with MetaGenomic Species (MGS) now provides the framework for an integrated and staged exploration of microbiota: richness, enterotypes, taxonomy and functional potential up to strain level analyses. However, understanding the "Data" structure of these quantifications remains challenging. In this thesis, we propose an exploratory analytical route of these data oriented towards the clinical characteristics ("Metadata") of their host, healthy or sick, in their complexity and their variability. This analytical approach uses richness and enterotypes, some synthetic variables of themicrobiota architecture, as signal detection proxies. It thus makes possible to determine the species contrasts with their functional potentialities to be prioritized. It leads also to an exploration of clinical metadata based on themetagenomic description of microbiota. Among these chronic pathologies, incurable and whose prevalence is increasing, ulcerative colitis (UC), as Crohn's disease, is an inflammatory bowel disease (IBD). Physiopathologically, ulcerations are thought to be the consequence of an aberrant immune response in genetically predisposed hostsassociated with an altered gut microbiota. Assuming the key role played by the latter, we analyzed the fecal samples of healthy subjects and UC patients from the MetaHIT project processed according to quantitative metagenomics. Compared to healthy, the UC microbiota is less rich and depleted in its representative enterotype, with distinct MGS enabling classification model (Area Under Curve = .87). While a poor microbiota is associated with an aggressive UC phenotype, its inflammation (white blood cells and fecal calprotectin) appears to be related to an increase in MGS richness, an unexpected finding that isadded to many tracer signals of interest such as the presence of Akkermansia muciniphila or the abundance of erythromycin resistance carrying strains. The mechanistic validation of these biotracers and their confirmation in other clinical studies are desirable. They will also have the potential of elucidating this phenotype – inflammation – microbiota relationship in UCpathogenesis as well as in other situations where microbiome appears to be involved.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 13-09-2021


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