Autobiographie d’une bactérie intestinale

Une image vaut mille mots. Et pourtant, c’est un instantané qui ne capture qu’une fraction de seconde dans le temps, alors qu’il manque tout ce qui s’est passé avant ou après. Pouvez-vous imaginer comment décrire l’incroyable complexité de la vie si on ne vous donnait qu’un seul instantané ?

Ce scénario peut sembler profondément impossible, mais de nombreux outils de recherche reposent aujourd’hui sur des mesures de type instantané. Les chercheurs décrivent des processus cellulaires complexes en effectuant des expériences ponctuelles. Ils cassent les cellules ouvertes pour mesurer leur contenu intracellulaire tel que les métabolites et l’ARN. Le séquençage d’ARN (RNA-seq) permet aux scientifiques de quantifier l’intégralité des ARN intracellulaires – le transcriptome – pour brosser un tableau riche des processus cellulaires (1). Cette méthode permet aux chercheurs d’étudier l’état cellulaire à un moment donné à une profondeur sans précédent. Cependant, les molécules d’ARN ont une durée de vie courte et se dégradent généralement rapidement (2). En raison de ce renouvellement constant des signatures transcriptionnelles, l’ARN-seq ne donne qu’un bref aperçu des processus hautement dynamiques (3). Malheureusement, ce dynamisme rend certains systèmes biologiques exceptionnellement difficiles à capturer.

Les vies cachées du microbiote

Les cellules sentinelles d’enregistrement transcriptionnel signalent de manière non invasive les interactions avec le régime alimentaire, l’hôte, d’autres microbes et les environnements pathologiques. Les cellules sentinelles capturent l’ARNm dans les puces CRISPR grâce à l’action d’une reverse transcriptase-Cas1-Cas2. Ces informations sont récupérées par échantillonnage fécal et séquençage en profondeur.

CRÉDIT : F. SCHMIDT ET AL. (dix)
Le microbiote intestinal humain en est un exemple. Les microbes qui habitent notre tractus gastro-intestinal réagissent aux changements environnementaux, tels que des modifications de notre alimentation, ou à des états pathologiques, tels que l’inflammation, en adaptant rapidement leur expression génique (4). La compréhension de ces adaptations peut donner un aperçu de la nutrition, de l’inflammation, du cancer et même des maladies psychiatriques (5). Ainsi, la capacité à mesurer ces adaptations est essentielle pour comprendre la santé humaine et développer des diagnostics.
Notre capacité à étudier le microbiome intestinal avec RNA-seq est limitée : nous pouvons échantillonner les matières fécales de manière non invasive. Cependant, les microbes mettent des heures à traverser les sections proximales du tractus gastro-intestinal, où se produisent de nombreux processus physiologiquement pertinents, jusqu’aux matières fécales (6). Les échantillons fécaux reflètent donc mal l’état du microbiome intestinal (sept). À l’inverse, la réalisation d’ARN-seq sur le microbiote directement à l’intérieur de leurs niches nécessite des procédures chirurgicales hautement invasives, risquées et perturbatrices.
Pour relever ce défi de longue date, nous avons développé Record-seq, un système de cellules sentinelles, qui nous permet d’étudier le transcriptome des bactéries à l’intérieur de l’intestin (8, 9). Nous avons utilisé les principes du génie biologique pour équiper les cellules de la bactérie commensale humaine Escherichia coli avec un enregistreur moléculaire capable de convertir l’ARN en séquences d’ADN. Cette conversion permet à notre E. coli cellules sentinelles pour enregistrer leur propre transcriptome en évolution rapide dans l’ADN en tant que forme de stockage permanente et préserver les informations transcriptionnelles. Lorsque les cellules sentinelles traversent l’intestin et réagissent à leur environnement (par exemple, le régime alimentaire de l’hôte ou l’inflammation de l’intestin), elles enregistrent leur propre réponse transcriptionnelle à ces événements au moyen de notre enregistreur moléculaire. Nous sommes alors en mesure de collecter les matières fécales de manière non invasive et de séquencer l’ADN de nos cellules sentinelles pour récupérer les informations que ces bactéries ont collectées à l’intérieur de l’intestin (dix). Ainsi, Record-seq nous permet d’acquérir de nouvelles connaissances sur la vie cachée de E. coli à l’intérieur de notre tractus gastro-intestinal lorsque nous obtenons des enregistrements transcriptionnels de manière non invasive et récupérons des informations à partir de sections proximales de l’intestin qui sont “perdues” dans l’ARN-seq fécal.
Nous avons développé Record-seq en réorientant le système immunitaire microbien adaptatif CRISPR. CRISPR a évolué pour créer des mémoires moléculaires d’éléments génétiques envahissants, car un complexe de protéines Cas1 et Cas2 intègre de courts extraits d’ADN (espaceurs) dans le réseau CRISPR codé dans le génome bactérien (1112). La grande majorité des systèmes Cas1-Cas2 acquièrent des espaceurs exclusivement à partir d’ADN. Cependant, chez certaines bactéries, une transcriptase inverse (RT) est naturellement fusionnée à Cas1 pour former un complexe RT-Cas1-Cas2 (13), où le RT peut utiliser l’ARN comme matrice pour générer un brin complémentaire d’ADN. Il a été démontré qu’un complexe RT-Cas1–Cas2 de la bactérie marine Marinomonas méditerranéens (MMB-1) pourrait acquérir des espaceurs dérivés de l’ARN dans le réseau CRISPR et les transcrire en ADN (14).
Cependant, le MMB-1 RT-Cas1 – Cas2 n’était fonctionnel que chez son hôte naturel et ne maintenait pas l’acquisition de l’espaceur d’ARN lorsqu’il était exprimé de manière hétérologue dans E. coli (la bactérie commensale humaine que nous voulions utiliser comme cellule sentinelle pour surveiller la fonction intestinale). Nous avons testé une collection d’orthologues RT-Cas1 évolutivement éloignés de différentes bactéries et en avons découvert un à partir de Fusicatenibacter saccharivorans (FsRT-Cas1–Cas2) qui était fonctionnel dans E. coli. Nous avons trouvé que FsRT-Cas1 – Cas2 pourrait en effet créer des histoires transcriptionnelles en échantillonnant des ARN cellulaires, en acquérant de nouveaux espaceurs et en conservant les réponses transcriptionnelles de E. coli au fil du temps (8).

Ainsi, notre technologie Record-seq est née et nous étions impatients de l’appliquer à l’environnement de l’intestin des mammifères. En tant qu’équipe multidisciplinaire de chercheurs, nous avons commencé notre enquête sur le microbiome intestinal et avons donné nos cellules sentinelles à des souris. Nous avons été étonnés de découvrir que nos sentinelles enregistraient des informations transcriptionnelles à l’intérieur de l’intestin et que nous pouvions récupérer ces informations lorsque nous séquencions l’ADN des cellules des matières fécales. Nous avons alors commencé à modifier le régime alimentaire de nos souris et avons révélé que Record-seq pouvait révéler des adaptations distinctes de E. coli à différents régimes alimentaires dans les sections proximales de l’intestin que l’ARN-seq n’a pas capturé. Cette approche nous a permis de mettre en lumière des adaptations encore inconnues de E. coli à l’intérieur de l’intestin, ce qui pourrait à l’avenir aider à guider la nutrition.

Nous avons ensuite appliqué Record-seq comme outil de diagnostic et de recherche pour le microbiome intestinal. À notre grande surprise, nous avons pu déployer Record-seq dans une pléthore de situations, par exemple pour détecter une inflammation de l’intestin et l’interaction de nos E. coli cellules sentinelles avec d’autres bactéries commensales lorsqu’elles sont gavées chez des souris avec un microbiote complexe (dix). Cette méthode nous permet d’écouter les conversations entre différents microbiotes et leur hôte et de découvrir de nouvelles interactions et implications pour la santé humaine et la maladie.

Les vies cachées du microbiote à l’intérieur de l’intestin sont d’une complexité fascinante. Recordseq ouvre une nouvelle fenêtre pour comprendre comment la nutrition, l’inflammation et les interactions microbiennes à l’intérieur du tractus gastro-intestinal façonnent la santé et la maladie.

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