Archaea du microbiome intestinal animal : abondance, diversité et adaptation

Archaea of the animal intestinal microbiome : abundance, diversity and adaptation

• Auteur / Autrice : Courtney Thomas
• Direction : Simonetta Gribaldo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 02/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur (Paris). Unité Biologie évolutive de la cellule microbienne (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Christa Schleper
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christa Schleper, Andreas Brune, Adrienne Kish, Jean-François Brugere
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christa Schleper, Andreas Brune

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthanogènes

Génomique comparative

Flore intestinale

Archéobactéries

Mots clés libres

Archaea

Microbiote intestinal

Génomique comparative

Méthanogènes

Archaeome instestinal

Archaea

Gut microbiota

Comparative genomics

Methanogens

Gut archaeome

Résumé

Les archées représentent une fraction peu étudiée du microbiote intestinal. Des études menées sur quelques groupes de mammifères et d'insectes (primates, ruminants et termites) ont mis en évidence que les archées intestinales sont en grande partie constituée de méthanogènes affiliées aux Methanobacteriales et aux Methanomassiliicoccales. Cependant, en raison de l'absence d'une étude incluant de nombreux animaux, plusieurs aspects importants restent mal compris : 1) quelle est la diversité globale des archées intestinales ; 2) quels facteurs dictent leur distribution et leur abondance ; et 3) quelles adaptations ont conduit à la colonisation du milieu digestif. Ce travail vise à répondre à ces questions fondamentales. Pour caractériser les communautés d'archées associées à l'intestin, j'ai quantifié et séquencé les gènes de l'ARNr 16S de la communauté microbienne en utilisant des amorces universelles et spécifiques des archées dans près de 400 échantillons fécaux provenant de 269 espèces couvrant six grands groupes d'animaux - Aves, Amphibia, Actinopterygii, Mammalia, Reptilia, et divers invertébrés. Nos données montrent que les archées sont communes dans le microbiote intestinal des animaux. Les Methanobrevibacter, Methanosphaera, Methanomethylophilaceae, Methanimicrococcus et Methanocorpusculum composent la majeure partie de l'archéome intestinal. Ceci indiquant notamment quatre à cinq événements majeurs d'adaptation à l'intestin chez les Archaea. Bien que moins abondantes, les Nitrososphaeraceae oxydant l'ammoniac sont aussi largement distribuées dans nos échantillons et correspondent aux phylotypes d'archées dominants du sol. Leur statut (résident ou en transit) dans le milieu digestif demeure incertain. J'ai déterminé que la phylogénie de l'hôte et le régime alimentaire jouent un rôle majeur dans l'abondance et la structuration des d'archées intestinales chez les mammifères. L'abondance des méthanogènes est fortement corrélée au contenu en fibre du régime alimentaire. Les bactéries dégradant la pectine (produisant du méthanol) cooccurrent avec les méthanogènes dépendants du méthanol et sont liées à la consommation de fruits. Les reptiles et les mammifères hébergent des populations d'archées plus importantes que les autres animaux échantillonnés. Enfin, certaines archées sont dominantes chez des ordres spécifiques d'animaux, ce qui suggère des adaptations spécialisées à ces hôtes. Afin de mieux comprendre l'adaptation des archées à l'intestin, j'ai utilisé des approches de génomique comparative. Dans un premier temps je me suis concentré sur le génome de Methanimicrococcus blatticola PA, affilié à une lignée encore peu connue dans l'intestin (Methanosarcinales). Mes analyses ont révélé que cette espèce présente la plus grande réduction génomique au sein des Methanosarcinales. Les pertes de gènes ont affecté de nombreuses protéines impliquées dans la perception de l'environnement. Cette transition a également entraîné un changement de la principale voie de méthanogenèse et une modification substantielle des protéines de surface. Plusieurs de ces adaptations correspondent à celles précédemment observées chez des archées et des bactéries intestinales phylogénétiquement éloignées, suggérant des mécanismes convergents à grande échelle. Afin de compléter ces approches, j'ai réalisé un séquençage métagénomique en shotgun sur 58 espèces et reconstruit des génomes d'archées à partir de ces métagénomes. L'analyse de ces données devrait révéler d'autres informations clés sur la façon dont les archées se sont adaptées à l'intestin des animaux. Ce travail est l'une des premières études à grande échelle sur la communauté d'archée intestinale d'un large éventail d'animaux. Mes résultats ont permis d'identifier les principales archées intestinales et les dynamiques évolutives associées à leur adaptation à cet environnent, ainsi que les facteurs contrôlant leur abondance et diversité.

Archaea represent an understudied fraction of the animal intestinal microbiota. Studies conducted on few groups of mammals and insects (mainly primates, ruminants, and termites), have resulted in the current understanding that the intestinal archaeal community largely consists of methane-producing lineages belonging to the Methanobacteriales and Methanomassiliicoccales. However, due to the lack of a large-scale archaea-centric animal intestinal microbiome study, several fundamental aspects of the intestinal archaeal community remain poorly understood: 1) how diverse are intestinal archaea; 2) what factors dictate their abundance/distribution/community structure; and 3) what genomic adaptations have driven intestinal colonization. This work aimed to answer these fundamental questions. To characterize gut-associated archaeal communities, I quantified and sequenced the 16S rRNA genes of the intestinal microbial community using both universal and archaeal-specific primers in almost 400 fecal samples from 269 species covering six major animal groups - Aves, Amphibia, Actinopterygii, Mammalia, Reptilia, and invertebrates. Our data shows that archaea are common constituents of the animal intestinal microbiome. Four genera and one family of methanogens (Methanobrevibacter, Methanosphaera, Methanomethylophilaceae, Methanimicrococcus and Methanocorpusculum) compose the bulk of the intestinal archaeome. I also identified four-to-five independent major adaptation events to the gut in the archaeal domain, that occurred at the base of these methanogen lineages. While less abundant, ammonia-oxidizing Nitrososphaeraceae are also widely distributed in our samples and correspond to the dominant archaeal phylotypes from soil, suggesting that they could either be transient in the gut, or, could be resident gut microbes, which may aid in their dispersal in the environment. These data also show that host diet and phylogeny are major factors influencing the structure and abundance of the archaeal community in mammals. More specifically, dietary fiber content is a major factor determining methanogen abundance. Also, pectin-degrading (methanol-producing) bacteria cooccur with methanol-dependent methanogens and are related with fruit consumption. Reptiles and mammals host higher concentrations of archaea than other animals. Finally, the dominance of some archaea in specific animal orders suggests specialized adaptations to these hosts. In order to better understand the genomic adaptations of archaea to the gut, I used comparative genomics approaches. First, I focused on the genome of Methanimicrococcus blatticola PA, affiliated to a poorly understood gut lineage, the Methanosarcinales. My analyses revealed that this species has undergone the greatest genome reduction within the order Methanosarcinales as a result of intestinal colonization. Gene losses affected many proteins involved in sensing the environment. This transition also led to a change in the main methanogenesis pathway and substantial modification of cell surface proteins. Several of these adaptations parallel those previously observed in phylogenetically distant archaea and bacteria from the animal microbiome, suggesting large-scale convergent mechanisms. To obtain further insights into the animal archaeome, I performed shotgun metagenomic sequencing on 58 species and reconstructed archaeal genomes from these metagenomes. Ongoing comparative analysis of these data is expected to reveal additional information on genomic adaptations of diverse intestinal archaea. This work is one of the first large-scale studies of the gut archaeal community in a wide range of animals. My results provide key information concerning the diversity of intestinal archaea and the evolutionary dynamics associated with their adaptation to this environment.