Microbiote: des bactéries qui nous veulent du bien
DATE + AUTEUR
30.07.2014, par Lydia Ben Ytzhak et Yaroslav Pigenet
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Bactérie Proteus vulgaris vue au microscope électronique à balayage (grossissement x16000). Cette bactérie est naturellement présente dans le microbiote intestinal mais peut devenir pathogène chez les sujets immuno-déprimés.
T. DEERINCK, NCMIR / SPL / COSMOS
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Il pèse entre un et cinq kilos, vit dans vos intestins et se nourrit de ce que vous avalez. Mais loin de vous être hostile, le microbiote est votre indispensable allié.
Sans le microbiote, une colonie de bactéries tapissant les quelques 400m2 de la surface intestinale, nous serions incapables d'assimiler certains aliments que seules les bactéries savent dégrader. On parle de symbiotisme car ni cette flore intestinale ni son hôte ne peuvent survivre l’un sans l’autre. Celle-ci se montre même capable de réguler l'expression de certains de nos gènes, et les chercheurs soupçonnent que de nombreuses maladies sont liées à des déséquilibres dans la diversité bactérienne. Dès lors, la question s’est posée de savoir s’il était possible de manipuler ce microbiote à des fins thérapeutiques ou juste diagnostiques.
Comment étudier le microbiote?
Notre flore intestinale est composée d'environ 100 000 milliards de bactéries. On arrive à cultiver certaines espèces à partir des selles mais la plupart sont méconnues et non cultivables. Ce sont les récents progrès des techniques de séquençage de l’ADN qui ont permis, par le décompte des gènes, de découvrir la diversité insoupçonnée des groupes bactériens intestinaux. A l’aide d’une nouvelle méthode d’analyse du métagénome de l'intestin mise au point au sein du consortium MetaHIT pilotée par l’Inra et impliquant des équipes du CEA, du CNRS et de l’Université d’Evry, les chercheurs ont analysé 396 échantillons de selles d’individus espagnols et danois. Ils ont ainsi identifié 741 espèces de bactéries dont 85% étaient jusque-là inconnues.  Cette méthode a également permis de reconstituer le génome complet de 238 bactéries intestinales. L’étude, publiée en juillet dans Nature, a par ailleurs mis en évidence des centaines de relations de dépendances entre ces différents groupes bactériens ; ce qui, à l’avenir facilitera leur détection mais aussi la compréhension du fonctionnement global de la population microbienne intestinale et ses interactions avec l’organisme qui les héberge : régime alimentaire, profil immunitaire, etc...
 


Muqueuse intestinale humaine vue au microscope électronique à balayage (grossissement x8750). Des bactéries et des débris tapissent les cellules de cette muqueuse.

BIOPHOTO ASSOCIATES / BSIP
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Change-t-il avec notre alimentation ?
On s’est aperçu que la composition de la flore s’adapte aux changements de nourriture. Par exemple, contrairement à ce que l’on pourrait penser, le poids de ce microbiote (1 à 5 kg) ne dépend pas du poids total de l'individu mais de son type d'alimentation.
Chez l'homme, on  constate une perte de diversité dans la flore microbienne des populations obèses
  Toutefois, en dépit des perturbations qu’on lui impose, cet écosystème fait preuve d’une certaine inertie et garde une "signature" propre à chaque individu. Dès lors, deux stratégies thérapeutiques peuvent être envisagées pour agir sur cette biodiversité: une approche probiotique, où l'on transfère directement dans l’intestin de l’hôte les groupes bactériens que l’on souhaite y introduire, et  une approche prébiotique qui consiste à ingérer des composés alimentaires (comme des fibres solubles) qui vont modifier le microbiote.
Les changements d'alimentation peuvent avoir un effet très rapide sur la composition du microbiote : l'absence de nourriture, mais aussi l’apport de protéines ou de fibres solubles dans l’alimentation peuvent modifier la biodiversité des bactéries présentes, et induire une dépense d'énergie plus importante, un stockage des graisses diminué et une sensation de satiété, autant d'effets bénéfiques en cas d'obésité ou de diabète.
A-t-il un intérêt thérapeutique?
 Les essais de transfert de microbiote chez l'animal et chez l'homme ont ouvert des pistes très prometteuses, par exemple dans le traitement de l'obésité ou pour prévenir certaines inflammations intestinales graves, le diabète ou les maladies cardiovasculaires. La transplantation de microbiote fécal consiste à introduire les selles d’un donneur sain dans le tube digestif d’un patient receveur afin de rééquilibrer sa flore intestinale altérée. Cette approche thérapeutique suscite un intérêt grandissant et a fait l’objet de plusieurs études montrant des résultats encourageants. Une équipe néerlandaise a ainsi pu démontrer en 2013 que le transfert de flore était bien plus efficace qu’une antibiothérapie dans le traitement de l’infection par la bactérie Clostridium difficile. A tel point qu’il a été décidé d’interrompre l’essai lors des tests cliniques, événement rarissime. Plus récemment, la Société américaine de Gastroentérologie a institué le transfert de flore comme alternative au traitement antibiotique des infections récidivantes, solution préconisée également par la Société européenne de Microbiologie clinique et d’Infectiologie.


Vue colorisée de bactéries Clostridium difficile grossie au microscope électronique à transmission (grossissement x11000). C. diff fait partie du microbiote intestinal humain normal. En raison des résistances qu'elle a développées, elle peut proliférer de manière pathologique à la suite d'une antibiothérapie qui élimine les autres espèces bactériennes.

BIOMEDICAL IMAGING UNIT, SOUTHAMPTON GENERAL HOSPITAL / SPL / COSMOS
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Encore plus récemment, des chercheurs de l’INRA ont réussi à mettre au point un test, non invasif et fiable à plus de 90%, qui permet d’identifier les personnes atteintes de cirrhose du foie. Celui-ci consiste à analyser les selles du patient et y rechercher l'abondance relative de 7 espèces bactériennes. En effet, chez les patients cirrhotiques, on s'est aperçu que jusqu’à 40% du microbiote intestinal est constitué de bactéries qui, chez les personnes saines, sont rares dans l’intestin mais fréquentes dans la bouche. L’explication proposée serait que la bile des personnes malades n’est plus en mesure d’empêcher la migration des bactéries de la bouche vers le tube digestif. D’autres études ont en outre montré que ces bactéries buccales sont plus abondantes chez les personnes atteintes de cancers colorectaux ou souffrant de la maladie de Crohn que chez les individus sains. Ainsi contrôler et combattre cet envahissement de l’intestin par les bactéries qui lui sont normalement étrangères, constitue une stratégie thérapeutique particulièrement prometteuse contre ces maladies graves.
Modifie-t-il le comportement alimentaire ?
Si comme on l’a vu, l’alimentation influe sur la composition de la flore intestinale, réciproquement, celle-ci peut influer sur le comportement alimentaire. Véritable usine à fermentation, le microbiote est indispensable à l’assimilation des fibres et sucres complexes. Cette digestion bactérienne produit des petits lipides, des acides gras à courtes chaînes, qui stimulent la production de glucose par l’intestin . De fait, lorsque l'organisme est privé de sucre, on constate que certains organes prennent le relais et se mettent à produire du glucose : d'abord le foie, puis les reins au bout de 20/24h. « Le résultat inattendu a été de découvrir que l'intestin lui-même peut dans certaines conditions fabriquer du glucose. » se souvient Gilles Mithieux, directeur de recherche CNRS sur les mécanismes moléculaires du diabète et de l'unité « Nutrition et cerveau » (Inserm / Université Claude Bernard Lyon 1). Ce glucose libéré dans le sang entraîne une diminution de la sensation de faim, exerçant ainsi un effet anti-obésité et anti-diabète.
Le microbiote peut-il facilement être transplanté ?
Si l'alimentation est un déterminant essentiel de la biodiversité du microbiote, elle n’explique pas tout : notre système immunitaire joue également un rôle en tolérant certaines bactéries et en éliminant systématiquement d’autres. Plusieurs études ont ainsi montré que si l'on transfère la flore intestinale d'un animal normal sur un animal obèse, il maigrit.
En dépit des perturbations qu’on lui impose, le microbiote fait preuve d’une certaine inertie et garde une signature propre à chaque individu
Toutefois, l'effet de ce transfert de flore microbienne reste temporaire et s'estompe si sa nourriture est trop riche. L'inverse fonctionne également, on peut rendre obèse un animal normal. Chez l'homme, on a constaté une perte de diversité bactérienne dans la flore microbienne de la population obèse. L'une des hypothèses est que la présence de certains groupes entraîne une modification des fonctions bactériennes qui influent sur le stockage de graisse.
Reste que pour l'instant ces études demeurent  peu reproductibles et les résultats observés transitoires. Le microbiote constitue en effet un écosystème ou s’intriquent des centaines d’associations entre espèces. Sans intervention extérieure, l'écosystème s’autorégule, les bactéries se contrôlant mutuellement en synthétisant des peptides antimicrobiens. Mais par exemple, lorsqu'il y a prise d'antibiotique, certaines bactéries se révèlent résistantes mais l'antibiotique tue les autres : le traitement déplace alors le point d’équilibre de l’écosystème.

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Attention danger : reconnaissance de dommage cellulaire

Une blessure de la peau est une voie d’entrée potentielle de microbes pathogènes. Détecter une blessure est crucial pour l’organisme qui doit coordonner des mécanismes de défense antimicrobienne avec la cicatrisation. Une équipe du Centre d’Immunologie de Marseille Luminy en collaboration avec un laboratoire de chimie du Boyce Thompson Institute (USA) a mis en évidence un nouveau couple ligand-récepteur activé par la blessure et l’infection chez le ver nématode Caenorhabditis elegans. Ce travail publié dans la revue Nature Immunology propose un rôle inédit de sentinelle pour des dérivés de l’acide aminé tyrosine et révèle un rôle ancien des récepteurs de type GPCR dans la défense de l’hôte.
 
Les invertébrés ne possèdent pas de système immunitaire sophistiqué comme les vertébrés, mais ils partagent avec tous les organismes multicellulaires une immunité innée. Cette première ligne de défense reconnait l’infection et produit des peptides antimicrobiens capables de tuer ou inactiver les microbes pathogènes, comme l’a élégamment montré l’équipe de Jules Hoffman chez la drosophile. Pour parer à une éventuelle infiltration de microbes, des réponses antimicrobiennes sont aussi induites lors d’une blessure en parallèle avec la réparation du tissu lésé. Comme la drosophile, le nématode C. elegans est capable de répondre à une blessure ou une infection de l’épiderme en induisant rapidement l’expression de gènes codant des peptides antimicrobiens. Si les voies de signalisation impliquées avaient déjà été caractérisées, la réception du signal en amont de cette réponse n’était pas connue, et n’impliquait pas d’orthologues des récepteurs identifiés chez les autres espèces, comme les TLR (Toll-Like Receptor). L’équipe de N. Pujol et J. Ewbank a couplé des analyses génétiques à un crible par ARN interférence de l’ensemble des 20 000 gènes du génome de C. elegans. Ces études ont identifié un récepteur de la famille des récepteurs couplés aux protéines G (GPCR), DCAR-1, requis pour la réponse innée de l’épiderme. Ce récepteur active une voie de transduction du signal conservée qui aboutit à la synthèse de peptides antimicrobiens. Ce récepteur était connu pour être activé par des catécholamines dans le système nerveux, mais il restait à identifier le ligand endogène produit lors d’une infection dans l’épiderme. L’équipe de chimistes de F. Schroeder à l'université Cornell a comparé les métabolites présents chez des nématodes infectés ou blessés à une situation témoin par spectrométrie de masse et chromatographie liquide. L’acide hydroxyphenyl lactique (HPLA), un dérivé de la tyrosine, a été identifié et validé in vivo comme le ligand endogène du récepteur. Présent chez les humains, HPLA est retrouvé en abondance dans certains désordres métaboliques, bien que sa voie de biosynthèse ne soit pas complètement élucidée. Il sera intéressant de savoir si des infections ou des blessures provoquent la production de HPLA ou d’un produit dérivé chez d’autres espèces. De plus, si certains GPCR ont déjà été caractérisés comme reconnaissant des molécules de dommage (ou DAMP pour Damage Associated Molecular Pattern), tels que les récepteurs purinergiques, les GPCR restent une classe de récepteurs sous-explorée dans le contexte de l’infection. C. elegans possède un énorme répertoire de plus de 1000 GPCR. Il est donc possible que plusieurs de ces récepteurs aient un rôle dans la détection de l’infection ou de dommages cellulaires et permettent une réponse de l’hôte contre des attaques de pathogènes. De plus, l'expression de centaines de GPCR dans l'intestin humain ouvre la possibilité d’un rôle conservé dans les interactions avec les microbes chez l'homme.

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L' HORLOGE  MOLÉCULAIRE

L’horloge moléculaire est, en génétique, une hypothèse qui permet de dater la distance temporelle qui sépare deux espèces de leur ancêtre commun. Des recherches ont permis de constater que le taux d'accumulation des mutations dans le génome d'organismes différents est du même ordre de grandeur dans des régions homologues (régions soumises à la même pression de sélection).

L'accumulation sera maximale pour des régions qui ne sont pas soumises à la pression de sélection naturelle (ne codant pas pour des gènes) et minimale dans les parties du génome soumises à une forte pression (c'est-à-dire les régions codant pour des fonctions essentielles à la survie de l'organisme).

L'horloge moléculaire : des secondes, des minutes et des heures

Chaque séquence accumule les mutations à un rythme qui lui est propre et qui est dicté par l'intensité de la pression de sélection à laquelle elle est soumise. Pour reconstituer des phylogénies (dater la divergence entre deux espèces), on peut utiliser différentes molécules comme on utilise les aiguilles d'une montre pour calibrer l'horloge :

la trotteuse des secondes (taux de mutation important, par exemple un pseudogène) pour des événements récents (études des sous-populations au sein d'une espèce) ;
l'aiguille des minutes (taux de mutation moyen, par exemple le cytochrome C) pour l'analyse d'un passé proche ;
l'aiguille des heures (taux de mutations faible : les histones) pour l'étude d'un passé lointain.
La vitesse d'évolution de la séquence est du même ordre de grandeur au sein d'une même classe fonctionnelle de protéines et elle est différente pour des protéines qui ont des fonctions différentes : la vitesse d'évolution de la sérum-albumine est toujours plus importante que celle du cytochrome C. Ces différences de vitesse dépendent à la fois de la probabilité qu'une substitution apparaisse et de sa compatibilité avec la survie de l'organisme.

Si l'on admet cette théorie, et que l'on connaît le taux d'accumulation des mutations, il est possible d'estimer le temps de divergences d'espèces en comparant leur diversité moléculaire.

Arguments contre l'horloge moléculaire

La théorie de l'horloge moléculaire est remise en cause et plusieurs arguments ont été développés :

l'horloge moléculaire ne serait pas constante (Goodman). Ainsi, les mutations avantageuses se fixeraient plus rapidement lors de la formation de nouvelles espèces ;
l'horloge moléculaire serait épisodique (Gillespie) et les mutations ne se produiraient pas de façon indépendante au cours de l'évolution. Il y aurait des épisodes d'accumulation suivis d'arrêts évolutifs.
Bien que le débat persiste, il semble que l'horloge moléculaire fonctionne assez bien sur de longues périodes évolutives, pour des gènes ayant un taux de mutation relativement faible où même si l'horloge ne bat pas très régulièrement, les ralentissements et les accélérations se compensent. Il faut également se méfier des estimations de temps de divergence basées sur un petit nombre de gènes.

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Paris, 18 avril 2013

Les bébés doués de conscience ?

Les bébés ont longtemps été considérés comme des êtres aux compétences limitées et ayant des comportements principalement automatiques, de type réflexe, qui ne s'accompagnent pas d'une expérience subjective consciente. Et pourtant : des chercheurs du CNRS au Laboratoire de sciences cognitives et psycholinguistiques (CNRS/ Ecole normale supérieure, Paris/EHESS) en collaboration avec des chercheurs de NeuroSpin (Inserm/CEA) montrent que les nourrissons possèdent dès 5 mois une forme de conscience similaire à celle des adultes. Ces résultats sont publiés dans Science le 19 avril 2013.
Comment déterminer si les bébés sont conscients de leur environnement alors même qu'ils ne savent pas encore parler et sont incapables de communiquer leurs propres pensées ? Pour résoudre cette question complexe, les chercheurs ont utilisé une approche alternative consistant à déterminer si les marqueurs neuronaux de la conscience observés chez des adultes pouvaient être également présents chez le bébé. En effet, chez l'adulte, des recherches récentes montrent que le cerveau répond en deux étapes à la perception d'un évènement extérieur. Pendant les premières 200 à 300 millisecondes, le traitement perceptif est totalement non-conscient et s'accompagne d'une activité neuronale qui augmente de façon linéaire, c'est-à-dire avec une amplitude qui croit de manière constante en fonction de la durée de présentation des objets perçus. Puis, une seconde étape, plus tardive (après 300 ms), se caractérise par une réponse non-linéaire correspondant au seuil de la conscience. Seules les durées de présentation assez longues pour atteindre ce seuil donnent lieu à une réponse tardive et s'accompagnent d'une perception consciente. Cette réponse tardive et non-linéaire du cerveau est considérée comme un marqueur neuronal de la conscience.

Dans cette étude, la présence de ce marqueur de conscience a été testée sur 80 nourrissons âgés de 5, 12 et 15 mois. Pour ce faire, ils ont été invités à regarder des visages présentés plus ou moins longuement (donc sur des durées inférieures ou supérieures à leur seuil de perception), tandis que les réponses électriques de leur cerveau étaient enregistrées par électro-encéphalographie. Pour tous les groupes d'âge, les chercheurs ont observé la même réponse tardive et non-linéaire que chez les adultes, confirmant la présence de cette « signature neuronale de la conscience » chez les bébés. Toutefois, alors que cette réponse est enregistrée autour de 300 ms chez l'adulte, celle-ci est beaucoup plus tardive chez les bébés, ne s'établissant qu'après au moins une seconde chez les enfants les plus jeunes. Ces résultats révèlent que les mécanismes cérébraux qui sous-tendent la conscience perceptive sont déjà présents très tôt chez les nourrissons. Mais ceux-ci sont relativement lents et subissent une accélération progressive au cours du développement.

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