Le microbiome intestinal humain joue un rôle important dans notre maintien en bonne santé. Il est vital pour obtenir des nutriments de la nourriture, et il devient de plus en plus évident qu'il joue un rôle dans différentes chroniques, maladies terminales et liées au mode de vie. Des changements dans la composition du microbiome ont été associés au diabète de type 2, l'obésité et les maladies inflammatoires de l'intestin (MICI), mais on ne sait pas comment ces changements provoquent l'apparition de différentes conditions, ou s'ils sont plutôt un symptôme.
Pour commencer à déchiffrer les mécanismes, les chercheurs se sont concentrés sur la communication entre les microbes et leurs organismes hôtes, y compris les humains. Les microbes libèrent une variété de métabolites, protéines et molécules d'ARN qui leur permettent de communiquer avec d'autres protéines de l'organisme hôte. Cela peut provoquer une réponse des réseaux hôtes, entraînant l'activation ou la désactivation de gènes hôtes qui modulent divers processus.
Traduire ces communications entre les royaumes entre les protéines microbiennes et hôtes est essentiel si nous voulons comprendre les processus qui affectent la santé ainsi que la maladie. De telles études de communication entre royaumes ont été réalisées pour certaines bactéries, espèces principalement pathogènes qui déclenchent des maladies spécifiques. Mais le microbiome peut contenir des milliers d'espèces différentes, tous potentiellement communiquant avec un ensemble de différentes protéines hôtes, liés à de nombreuses voies de signalisation et processus physiologiques différents.
Pour maîtriser ces communications complexes, Le Dr Tamas Korcsmaros et le Dr Padhmanand Sudhakar du Quadram Institute et de l'Earlham Institute et leurs collègues ont développé un pipeline de calcul intégré appelé MicrobioLink. Publié dans la revue Cellules , MicrobioLink relie les protéines microbiennes aux protéines hôtes avec lesquelles elles sont susceptibles d'interagir, et déduit ensuite comment ces interactions influencent les processus cellulaires chez l'hôte.
Les chercheurs peuvent utiliser Microbiolink pour tester un ensemble de protéines, qui pourraient être par exemple les protéines sécrétées par toute une communauté microbienne, par rapport à une liste pertinente de protéines hôtes à partir de données expérimentales ou de bases de données existantes. Le pipeline prédit ensuite les interactions entre les protéines microbiennes et hôtes en fonction de leurs caractéristiques moléculaires respectives telles que les domaines et les motifs. Les interactions protéine-protéine représentent des canaux de communication potentiellement intéressants entre les bactéries et l'hôte.
La puissance de Microbiolink vient dans la prochaine étape qui utilise un principe, appelé diffusion, en science des réseaux pour retracer les effets des interactions entre les protéines microbiennes et hôtes sur d'autres processus hôtes plus en aval. Cela utilise des bases de données existantes d'interactions moléculaires validées pour suivre les signaux des protéines de l'hôte (prédites être liées et donc modifiées par des protéines microbiennes) jusqu'à d'autres gènes ou protéines cibles de l'hôte. Avec un filtrage approprié, cela peut identifier des nœuds clés dans les réseaux et des gènes ou des protéines spécifiques de l'hôte qui sont affectés par la communication d'origine entre les microbes et l'hôte.
Pour tester le pipeline, l'équipe de recherche a réalisé une étude de cas en utilisant un recueil de protéines bactériennes trouvées uniquement chez des patients atteints de la maladie de Crohn, et un autre ensemble de protéines que l'on ne trouve que chez les personnes en bonne santé. Ils ont utilisé MicrobioLink pour comparer comment les différents ensembles de protéines affectaient l'autophagie, qui est un processus cellulaire important qui est connu pour être dérégulé dans la maladie de Crohn. Cela a révélé un réseau avec des voies de signalisation clairement séparées exclusives à la maladie et aux contextes sains et, finalement, influençant l'expression des gènes de l'autophagie.
Ces résultats devraient être confirmés expérimentalement mais ils pointent vers un mécanisme potentiel liant le microbiome et la maladie de Crohn. L'étude de cas démontre également le potentiel de ce pipeline informatique intégré pour traduire les communications entre les microbes et l'hôte afin que nous puissions commencer à comprendre leurs effets sur le corps, et leurs implications sur la santé et la maladie.
En plus d'étudier l'influence du microbiome sur d'autres maladies, MicrobioLink pourrait également être utilisé pour déceler les effets bénéfiques sur l'hôte de bactéries probiotiques ou de communautés de bactéries, et pas seulement chez les humains.
Essentiellement, nous proposons désormais à la communauté scientifique une méthode pour mieux comprendre comment les bactéries commensales ou probiotiques influencent notre santé. C'est un outil d'analyse informatique, donc la première étape vers la conception d'études expérimentales ciblées, mais nous espérons que cela aidera déjà nos collègues à tirer parti de la richesse existante des données de divers patients, et aboutir à de nouvelles études d'intervention clinique."
Dr Tamas Korcsmaros, Institut Quadram
"Comme MicrobioLink est polyvalent et agnostique pour les organismes, il aura des applications en santé animale, ainsi que dans l'analyse de la manière dont le microbiome du sol affecte la santé des plantes. » - a ajouté Padhmanand Sudhakar.
Plus immédiatement, l'équipe cherche à appliquer MicrobioLink pour comprendre les effets du virus SARS-CoV-2 derrière la pandémie de COVID-19.
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