HLe corps humain regorge de milliards de cellules microbiennes qui composent le microbiome, dont beaucoup sont des bactéries. Même si elles sont petites, certaines de ces bactéries maintiennent la santé, mais d’autres favorisent la maladie. Ces différences sont souvent dues aux gènes de chaque génome bactérien, mais il peut être difficile de trouver et de séquencer des souches rares.
L’équipe de Gang Fang a développé mEnrich-seq, une technique de séquençage qui enrichit les bactéries d’intérêt dans un échantillon.
Brian Schutza
Gang Crocgénéticien à l’École de médecine Icahn du Mont Sinaï, a proposé une nouvelle solution appelée mEnrich-seq qui s’appuie sur sa décennie de recherche épigénomique bactérienne pour distinguer l’ADN de différentes espèces à des fins d’études métagénomiques.1 Dans une interview avec Le scientifiqueFang décrit sa vision de la façon dont mEnrich-seq peut aider les scientifiques à répondre à des questions difficiles sur les compagnons bactériens des humains.
Quels sont les défis associés à l’étude du microbiome humain avec la métagénomique ?
Nous disposons de nombreuses technologies permettant de comprendre le microbiome de différentes manières, mais il existe un problème commun. Si une espèce bactérienne est abondante dans un échantillon, nous pouvons alors presque tout apprendre à son sujet, mais si l’abondance d’une espèce est vraiment faible, elle est très difficile à étudier. Il peut même y avoir deux ou trois souches coexistantes de la même espèce, et la souche importante peut ne pas être celle qui est relativement plus abondante. Ces différentes souches sont souvent très similaires en termes de génomes, il est donc extrêmement difficile de les différencier.
Qu’est-ce qui vous a motivé à développer mEnrich-seq ?
Si une cible est rare, la majeure partie du débit de séquençage sera consommée par les espèces les plus abondantes. Au moment où nous séquençons, nous avons déjà perdu cette bataille, nous avions donc besoin d’une nouvelle stratégie avant de séquencer.
– Gang Fang, École de médecine Icahn du Mont Sinaï
Si une cible est rare, la majeure partie du débit de séquençage sera consommée par les espèces les plus abondantes. Au moment où nous séquençons, nous avons déjà perdu cette bataille, nous avions donc besoin d’une nouvelle stratégie avant de séquencer. Les codes-barres épigénétiques naturels des bactéries nous offrent un moyen unique de résoudre ce problème. Même si différentes espèces et souches ont des génomes similaires, elles codent souvent pour des ADN méthyltransférases différentes, qui déterminent leur Modèles de méthylation de l’ADN.2 Les bactéries font cela pour différencier leur ADN de celui d’un ADN étranger. Nous pouvons utiliser cela pour différencier les génomes des espèces ou des souches en fonction du modèle global de méthylation.
Si nous voulons cibler un certain génome et que nous connaissons son schéma de méthylation, nous pouvons choisir rationnellement des enzymes de restriction qui couperont au niveau d’une certaine séquence appelée motif de méthylation. Les enzymes digéreront la grande majorité de l’ADN de fond qui ne présente pas cette méthylation correspondante. Avec mEnrich-seq, nous pouvons enrichir les bactéries d’intérêt jusqu’à 100 fois.
Comment ce protocole se compare-t-il à une expérience de séquençage métagénomique standard ?
Nous en avons effectivement tenu compte dans notre conception. Nous voulions qu’il soit efficace mais aussi très facile à brancher sur le pipeline existant. En fin de compte, mEnrich-seq n’implique que deux étapes en plus de la préparation standard de la bibliothèque. Dans un premier temps, après ligature de l’adaptateur et avant amplification, nous digérons l’ADN en utilisant l’enzyme de restriction rationnellement choisie. En digérant l’ADN avec l’adaptateur déjà ligaturé, seul l’ADN intact aura des adaptateurs ligaturés aux deux extrémités et pourra être amplifié sur toute leur longueur. L’autre ADN sera beaucoup plus court, ce qui nous amène à la deuxième étape : après amplification, nous effectuons une sélection de taille. Les autres étapes, comme le contrôle qualité, restent les mêmes.
Dans quels contextes pensez-vous que cette méthode pourrait être la plus utile ?
Une application consiste à lutter contre la résistance aux antibiotiques, par exemple dans les infections des voies urinaires (IVU). Idéalement, les cliniciens souhaitent détecter avec sensibilité les gènes de résistance aux antibiotiques portés par la souche d’infection urinaire d’un patient, mais un échantillon d’urine contient beaucoup d’ADN de l’hôte et d’autres bactéries. À l’heure actuelle, la meilleure pratique en cas d’infection urinaire consiste à cultiver les échantillons d’urine, ce qui prend trois jours pour obtenir un résultat. Ce n’est pas idéal. Nous souhaitons établir rapidement un profil de résistance aux antibiotiques, en une journée, afin que le médecin puisse décider quels antibiotiques administrer à un patient.
Une autre application concerne les bactéries bénéfiques, ou probiotiques, telles que Bifidobactérie. Différentes souches peuvent avoir des bienfaits très différents pour la santé. Si nous voulons découvrir des probiotiques associés à des maladies humaines ou à des réponses médicamenteuses, nous devons effectuer un dépistage initial pour affiner les espèces dans les échantillons fécaux et récupérer des candidats plus prometteurs.
De nombreuses personnes s’intéressent à ces applications et nous pensons que mEnrich-seq constitue un nouveau moyen plus sensible, plus fiable et plus rentable de résoudre ces problèmes.
Cette interview a été condensée et éditée pour plus de clarté.
Les références
- Cao L, et coll. mEnrich-seq : séquençage d’enrichissement guidé par méthylation de taxons bactériens d’intérêt à partir du microbiome. Méthodes Nat. 2024;21(2):236-246.
- Beaulaurier J, et coll. Regroupement métagénomique et association de plasmides avec des génomes d’hôtes bactériens par méthylation de l’ADN. Nat Biotechnologie. 2018;36(1):61-69.
