Diversité du microbiote intestinal humain : mesures et impact santé Marion Leclerc Equipe PhylHom MICALIS Institute: “Food and Gut Microbiology for Human Health” 350 people 120 scientists, engineers and professors, > 90 post-docs, PhD students and master students. Risk 3 Divisions Ecosystems System Biology 23 teams 7 technological platforms Micalis Website: http://www.micalis.fr/micalis Le microbiome et la biologie humaine "Nous sommes faits d'un étrange mélange d'acides nucléiques et de souvenirs, de rêves et de protéines, de cellules et de mots.” F. Jacob, 1997 Ancien Conservé Persistent 100x Génome humain Hôte spécifique Metagénomes Niche spécifique >3 Millions de gènes 50% partagés Qin et al, Nature 2010 Systèmes microbiens : Vision intégrative Lepage, Leclerc Gut 2013 Diversité phylogénétique 2 major phyla: Firmicutes and Bacteroidetes (80 to 90 % of the microbiota) Faecalibacterium prausnitzii Clostridium leptum (cluster IV) Firmicutes 60 to 80 % Enterococcus Lactobacillales Streptococcus thermophilus Clostridium coccoides (cluster XIVa) Lactobacillus Actinobacteria Bacteroides thetaiotaomicron Bacteroidetes 20 to 40 % Dethlefsen et al, Nature, 2007 Ley et al, Science, 2008 Bifidobacterium Proteobacteria Escherichia coli Tap et al, EM, 2009 Qin et al, 2010 Co-évolution et métabolisme partagé Vertébrés et microbioteADNr 16S Termite Déchets Vertébrés gut Humain non colique Sol (surface) Ley et al, Nat Rev Microbio, 2008 Voies anaérobies : centrales et partagées Zeng Fanzhi Termite Rumen Anaerobic digester Aliment-Microbiote-Homme 1014 bactéries 10-30 g fibres/jour O2 50% individus CH4+ Bactéries intéragissant avec l’hôte Equilibre? Santé <> Pathologie Eubiose Interface mucus Eubiose bactérienne Reg3γ, Regβ, Pla2g5 Cellules à mucus Cellules de Paneth TNF-α IFN-γ Cellules à mucus Source de substrats Dialogue bactéries-hôte Mondot et al, Gut , 2013; Al Nabhani et al, soumis Johansson et al, 2011; Atuma et al, 2001 Pathologies et microbiote : Corrélation ou causalité? Etudier les systèmes complexes? KOCH WINOGRADSKY Réduction du système Système entier Isole une souche pathogène Paramètres environnementaux Caractérise un mécanisme Validation itérative E. coli, B. fragilis, SFB, M. paratuberculosis… Effecteurs microbiens Présence et fonction Modèles de dysbiose Microbiote et pathologie : Approche intégrée In vivo In vitro Nucleic acid sequencing Cohortes Metagenomic libraries Animaux axéniques Metabolomique 2 souches Génomes Chimiothérapie : Quand le microbiote aide Antibiotique 1 Translocation of Gram+ bacteria into secondary lymphoid organs Homeostasis IFNγ CTX T-bet Rorγt Loss of integrity and dysbiosis IL-17 Priming of Th1/Th17 (pTh17) 2 3 Late recruitment of CD3+TILs and Th1 into tumor bed Viaud et al. Science 2013, Iida et al. Science 2013 Changement de stratégie de traitement Cancer Dysbiose Thérapie du Cancer Et de la dysbiose 5 Tumor biopsy – Pathology - Imaging Metagenomics Metatranscriptomics Metabolomics Chemotherapy/X rays Targeted therapy/ Immunotherapy+ Pre-et pro-biotics Typage du microbiote des patients – Antibiothérapie chimiothérapie Pré- et probiotiques Cancer cure Viaud et al. Cell Death Differenciation 2014 Maladie de Crohn : étiologie multifactorielle Microbiome NOD2 IBD5 IL23R ATG16L1 … Susceptibilité génétique MICI Facteurs environnementaux Réponse immunitaire Régime? Drugs Tabac Stress Dysbiose et maladies inflammatoires… Bifidobacterium Lactobacillus Faecalibacterium Oscillibacter Bacteroides Peptostreptococcus Coprococcus Clostridium Escherichia Cause ou Conséquence? Manichanh et al, Gut 2008 Vasquez et al. IBD 2007, Sokol et al. PNAS 2008 Mondot et al, IBD 2011 MC : Perte de structure du microbiote Mondot, Lepage, Leclerc Marteau and coll. GETAID consortium MC : Nouveaux acteurs microbiens Undetected Ct Healthy CD Subdoligranulum sp. P. distasonis R. bromii O. valericigenes B. vulgatus E. coli 10 OTUs MC, 3 OTUs Sains, 2 OTUs communs. Confirmation Microarray. Variabilité plus importante chez les patients Isolement de souches, analyse mécanistique Mondot et al., IBD. 2010; Kang et al, IBD2010 Nouveau modèle murin gnotobiotique Time course E. coli F. prausnitzii E. coli 10 1 1 F. prausnitzii 10 6 4 k W ee k W ee W ee k 3 10 5 k 6 weeks * 10 7 W ee D6 10 8 1 D0 10 9 2 Viable bacteria counts CFU/g of feces 10 1 0 Spatial D Miquel, Leclerc et al, PNAS, submitted n Fe ce s ol o C on C ae cu m Ile m Je ju nu en um uo d m ac St o E. coli : companion strain Implantation of F. prausnitzii in the GI tract. CFU/g of content 1.2 µm E. coli F. prausnitzii 10 1 2 10 1 1 10 1 0 10 9 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 F. prausnitzii protège d’une inflammation TNBS 50 mg/kg Sacrifice E. coli F. prausnitzii D0 D6 Viable bacteria counts * 6 weeks DAI and Wallace score HES staining E. coli 8 DAI Wallace score Ameho score 6 ** *** *** 4 E. coli/F. prausnitzii TNBS No TNBS TNBS ii i sn itz ol pr au E. c ol i/ F. sn itz E. c E. c ol i/ F. pr au E. c ol ii i 0 No TNBS 2 Miquel, Leclerc et al, PNAS, submitted Métabolomique : vers les molécules actives GC/MS Ileal content Caecal content Colonic content Feces Serum E. coli/F. prausnitzii 86 142 45 860 791 37 50 751 32 180 469 784 187 482 19 E. coli/F. prausnitzii TNBS E. coli Shikimic acid Salicylic acid Raffinose E. coli TNBS F. prausnitzii highly metabolic species in vivo Shikimic and salicylic acid : anti-inflammatory molecules Close to 5-AZA drug used to treat CD patients ….Other molécules being investigated… Miquel, Leclerc et al, PNAS, submitted Interface cruciale pour la santé humaine Homéostasie digestive Energie pour le microbiote : chaîne trophique (Macfarlane et al, 2005) Iléon : proximité des cellules immunitaires (Hooper et al, 2001;Malin et al, 2010) Bactéries commensales Lumière Mucus Toll like receptors Goblet Epithelial cells Cellules decells Goblet Reconnaissance des bactéries et virus Lire revues dont celles de H. R. Gaskins (Deplancke and Gaskin, 2007) Projets MucOmics Metaprogramme Metascreen ARN Transcriptomique Luminal ADN Microbien Mucosal Composition (ADNr 16SS) Metagenomique Banque métagénomiques Z2 Z4 Z1 Z3 ADN Viral Colonic 2 mucosa 1 Virus et phages 3 4 Métabolites GC/MS et imagerie Fonctionnalités au niveau mucosal Expression microbienne Que répond l’hôte? Lumière Mucus Commun Expression des zones saines Lésées description p.geomean Toll-like receptor signaling pathway 0.00017931 Hematopoietic cell lineage 0.00019223 Jak-STAT signaling pathway 0.00023982 Natural killer cell mediated cytotoxicity 0.00033255 Intestinal immune network for IgA production 0.00232042 Chemokine signaling pathway 0.00254983 Osteoclast differentiation 0.00258942 Antigen processing and presentation 0.00304923 Cell adhesion molecules (CAMs) 0.00345748 T cell receptor signaling pathway 0.01244796 Phagosome 0.0210774 ECM-receptor interaction 0.02553131 Nano Initiator Mass Spectrometry Trent Northen Puce Ionisation Laser AB SCIEX TOF/TOF™ 5800 ABI B C Spectre masse /30 microns Analyse d’image NIMS Imaging Northen et al, 2007 Molecular Cartography Project at Berkeley Lab http://ms.lbl.gov/ Distribution spatiale Mucus de patient : Localisation de métabolites http://www.hmdb.ca/ Acides bilaires Leclerc, Bowen, Northen. Imagerie métabolique Trent Northen • Skin touch assay: 5 sec imprinting on the chip • No pre treatment, store at room temperature • A full mass spectrum m/z 80-900 Exogenous Chemical Exposure Targeted or non targeted Production of Microbial Communities Endogenous Biomarkers Finger touch 15 fingers NIMS Biometrics Leclerc, Bowen, Northen. US Patent N° 61/540,794 Individual NIMS fingerprints Subject B: differentiated based on the ions detected on their fingers, from subjects A and C. Subject A NIMS Biometrics Subject B Subject C Leclerc, Bowen, Northen. US Patent N° 61/540,794 Specific Ions for Specific Finger Ion A Left finger Right finger Ion specific of the right finger of an individual NIMS Biometrics Leclerc, Bowen, Northen. US Patent N° 61/540,794 PhylHom Team ProbiHote Team Joël Doré Ph. Langella S. Miquel Marion Leclerc Patricia Lepage Karine Le Roux Ziad Al Nabhani-P Doc Daphné Jaoui-PhD Céline Monot InCa Ph. Marteau Ph. Sesik Sébastien Raguideau-PhD Julien Tap-PhD Stanislas Mondot-PhD J. Raes L. Zitvogel T. Northen M. Morrison Rafael Munoz Tamayo-P Doc Brevets F. Rohwer Chemotherapy N°EP 13306597.9 Metabolomics U.S. Patent N° 61/540,794 Disturbance, resilience… Healthy gut microbiota Inform personalized nutritional treatment strategies Avoid Anthropomorphism Pulse disturbance y0 yL Community metrics Alternative stable state Diversity, ordination axis score.. Press disturbance y0 yL Alternative stable state Merci de votre attention L’équipe PhylHom Marion Leclerc Ziad Al Nabhani P Doc Patricia Lepage Daphné Jaoui PhD Karine Le Roux Sébastien Raguideau PhD Céline Monot TR Tommy Joncart L3 Coming 2015 Geneviève Hery-Arnaud P Doc P Doc ANR CorioFunc Past… Carien Booijink PhD Stanislas Mondot PhD Rafael Munoz Tamayo PhD Julien Tap PhD Marie Joossens P Doc Laure Roger P Doc Clothilde Rousseau PhD Nuria Mach P Doc 02 / 07 / 2014 Séquençage versus caractérisation fonctionelle des gènes Procaryotes Eucaryotes Hypothétique Codant protéine D’après Galperin & Koonin, Trends Biotechnol, 2010 Baran et al, Curr Opin Microbiol, 2009 Métabolisme microbien : beaucoup d’inconnus Transplantations fécales Critères de réussite Diversité réduite chez les patients Corrigée par la transplantation Stabilité de la nouvelle communauté établie Microbiote Receveur -> Donneur Ecologie Communauté perturbée Résistance à la colonisation Opportunité de niche Shea and Chesson, 2002 Ecobiotic Application technologique Médecine personnalisée Mélange de souches “”manquantes””” Sain Pathologie Etat stable alternatif? Choix des cibles Criblage Gènes Prévalences des gènes au niveau mondial Sains/obèses/ diabétiques/Malades de Crohn…. Digesteurs anaérobies industriels Déchets Matière organique Polyosides complexes Hydrolyse Biomasse microbienne Molécules organiques solubles Sucres, AA, Acides gras Fermentation Acides gras Méthanogénèse Acétate CO2+ H2 CH4+ CO2 Boues Valorisation
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