L’industrialisation est associée à des taux élevés de transfert horizontal de gènes dans le microbiome humain

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Les bactéries intestinales vivant en symbiose avec les humains ont connu des taux élevés de transfert horizontal de gènes (HGT) au cours de l’évolution, du moins chez les individus des pays industrialisés 1,2. Pourtant, on ne sait toujours pas comment les taux de HGT se comparent au temps de séjour bactérien typique dans l’intestin humain, et comment le mode de vie de l’hôte humain pourrait influencer le taux de HGT et le type de gènes transférés.

Si l’échelle de temps de transfert est plus lente que le temps de séjour au sein de l’hôte, les microbiomes individuels acquerront principalement de nouvelles fonctions par l’acquisition de nouvelles souches. Cependant, si le taux de transfert est suffisamment rapide, un microbiome « stable » en termes de populations bactériennes 3-5 pourrait néanmoins évoluer en réponse à des perturbations environnementales spécifiques à l’hôte par le HGT, peut-être en réponse à un régime alimentaire ou à des changements dans les pratiques culturelles.

Des exemples spécifiques démontrent que le HGT peut survenir chez un seul individu 6-10, en particulier lorsqu’il existe une forte sélection pour des fonctions cibles telles que la résistance aux antibiotiques 11-13. Mais quelle fraction des espèces du microbiome humain ont acquis des gènes d’une autre espèce de leur hôte humain le plus récent, et comment l’échelle de temps de HGT se compare-t-elle à l’échelle de temps de la colonisation humaine? Dans notre étude précédente 1, nous nous sommes concentrés sur les HGT impliquant des séquences avec une similitude supérieure à 99% et une longueur supérieure à 500 BP. En supposant une horloge moléculaire typique de ~ 1 SNP / génome / année 14 et une taille de génome de 106 pb, ces critères sont cohérents avec les événements de transfert qui se sont produits entre 0 et 10 000 ans. Ainsi, pour répondre à la question de savoir si les souches commensales acquièrent régulièrement de nouvelles fonctionnalités grâce à l’HGT, des estimations plus précises de l’échelle de temps pour l’HGT sont nécessaires.

Pour mesurer le taux de HGT sur des échelles de temps plus courtes, nous avons comparé la quantité de transfert observée entre des bactéries isolées du même individu avec celle observée entre des bactéries de différents individus. Nous avons émis l’hypothèse que si le taux de transfert était rapide par rapport au temps de séjour typique d’une lignée bactérienne colonisant le corps humain, nous observerions des niveaux de transfert plus élevés entre souches isolées du même hôte. Alternativement, si l’échelle de temps pour le transfert était suffisamment plus longue qu’une durée de vie humaine, nous observerions des niveaux similaires entre les bactéries, qu’elles soient isolées ou non du même hôte. Pour concentrer notre analyse sur les événements les plus récents, nous avons cherché de gros blocs (> 10 ko) d’ADN 100% identique, correspondant à des événements HGT survenus entre 0 et ~ 100 ans, bien que nous confirmions également nos résultats en utilisant des éléments mobiles plus courts avec une longueur supérieure à 500 bp. Dans cette étude, nous nous concentrons uniquement sur les transferts entre espèces bactériennes, en ignorant les événements de recombinaison génique au sein de l’espèce.

Les génomes d’isolat de référence 4,15–19 existants ne peuvent pas être utilisés pour tester le transfert direct de gènes entre deux bactéries au sein de l’homme, car presque toutes ces souches ont été isolées à partir d’individus différents. De plus, ces collections de référence ont été échantillonnées presque exclusivement auprès de populations industrialisées et ne reflètent pas la diversité des modes de vie humains. Par conséquent, nous avons analysé l’ensemble des génomes de 6 188 isolats bactériens nouvellement cultivés à l’aide d’échantillons de selles prélevés sur 34 individus dans 9 populations humaines à travers le monde: les populations Hadza et Datoga en Tanzanie, les populations Beti et Baka au Cameroun, les individus inuits dans l’Arctique canadien, les individus Samis et finlandais en Finlande, et les individus d’une tribu des Plaines du Nord au Montana et de la région de Boston aux États-Unis; Figure supplémentaire 1 & Tableau supplémentaire 1 pour une description des modes de vie). Nous avons regroupé les génomes bactériens en groupes d’espèces en fonction de la similitude génomique (en utilisant la distance de Mash comme proxy de l’identité nucléotidique moyenne, voir Méthodes). Ces génomes représentent 253 espèces bactériennes à travers 6 phyla, regroupés en 62 genres connus et 54 genres inconnus (Figure 1A&Tableaux supplémentaires 2 &3 pour les données de culture et les statistiques d’assemblage du génome). Les populations humaines échantillonnées avaient des origines génétiques différentes et des modes de vie très différents, allant des communautés industrialisées aux communautés de chasseurs-cueilleurs. Nous avons échantillonné de nombreux isolats bactériens de différentes espèces au sein de chaque individu et détecté des milliers de HGT récents dans nos données génomiques: au total, nous avons capturé 134 958 éléments mobiles à travers plusieurs espèces bactériennes, à la fois au sein et entre les personnes. 57 % des génomes bactériens (3556/6188) ont été impliqués dans au moins un événement récent d’HTG (Figure 1A), ce qui indique que l’HTG est endémique dans l’intestin humain contemporain.

Nous avons constaté que les paires d’espèces bactériennes échantillonnées chez des personnes sont plus susceptibles de partager de l’ADN récemment transféré que les mêmes paires d’espèces échantillonnées chez deux personnes différentes (le nombre d’événements observés au sein de la personne a été comparé au nombre d’événements attendus en fonction du nombre d’événements entre personnes, en tenant compte de la composition des espèces et de la profondeur d’échantillonnage inégale, Figure 1B, valeur p <2.2×10-16, voir Méthodes), et ce signal est piloté par de nombreuses espèces bactériennes différentes couvrant divers groupes taxonomiques (Figure 1A &1B). Ce résultat suggère que l’échelle de temps pour HGT est courte. À proprement parler, nous ne pouvons pas distinguer les transferts qui se sont produits chez l’hôte d’origine de ceux qui ont pu se produire chez le parent ou même le grand-parent d’un hôte. Cependant, il est peu probable qu’une grande partie des transferts se soit produite avant la colonisation de l’hôte, car le taux global de HGT est important par rapport au taux d’hérédité des souches d’un parent (voir la discussion dans les informations supplémentaires). Ces résultats sont robustes aux détails de notre analyse: une augmentation de la fréquence du HGT chez les individus est reproduite lorsque l’on limite les analyses à chacune de nos populations échantillonnées, ou lorsque l’on considère les 5 126 962 éléments mobiles de plus de 500 bp répartis dans 98% (6068/6188) de nos génomes (valeur p < 2,2×10-16) (Figure 1A & Supp Fig. 2 &3). Ensemble, ces résultats suggèrent que les HGT se produisent à des échelles de temps suffisamment courtes pour remodeler les fonctions de la communauté intestinale de manière extensive et continue au cours de la vie d’un individu.

Comme la fréquence de l’HGT est principalement déterminée par des transferts se produisant entre des organismes étroitement apparentés, qui ont tendance à échanger plus de gènes ensemble que des espèces apparentées à distance, nous avons étudié la fréquence de l’HGT sur une gamme de distances phylogénétiques. Nous montrons que la parenté phylogénétique est un facteur important de l’ensemble des HGT (espèces plus étroitement apparentées transférant plus de gènes, test d’ajustement du modèle à effets mixtes linéaires, valeur p <2.2×10-16), et que le fort enrichissement pour le transfert au sein des individus par rapport à entre les individus se produit sur toutes les distances phylogénétiques (Figure 2A), ce qui est vrai même si l’on considère tous les HGT supérieurs à 500 bp (Figure supplémentaire 4).

Après avoir établi l’échelle de temps rapide de HGT, nous avons ensuite demandé quels facteurs déterminent la fréquence d’échange des gènes dans l’intestin humain. Nous avons émis l’hypothèse que les paires d’espèces très abondantes dans un écosystème donné auraient une probabilité plus élevée d’échange de gènes par rapport aux paires impliquant au moins une espèce à faible abondance, indépendamment de leur distance phylogénétique, bien que nous ayons précédemment plaidé contre un rôle majeur de l’abondance dans le contrôle de la fréquence HGT 1. Cette hypothèse n’avait jamais été testée directement, car il n’existait pas encore d’ensembles de données associant un échantillonnage génomique approfondi à des estimations précises de l’abondance. Pour tester l’hypothèse d’abondance, nous avons généré des données métagénomiques pour les échantillons de selles à partir desquels nous avons cultivé des isolats bactériens et calculé l’abondance moyenne de chaque espèce bactérienne au sein de chaque personne en cartographiant les lectures métagénomiques par rapport aux génomes de l’isolat (voir Méthodes). Nous avons constaté que l’abondance des espèces est un déterminant important du HGT (Test d’ajustement du modèle à effets mixtes linéaires, valeur p = 1,4×10-11), indépendamment de la phylogénie (Figure 2B), qui est reproduit lorsque l’on examine tous les HGT supérieurs à 500 PB (Figure supplémentaire 5). Les bactéries abondantes sont plus susceptibles de s’engager dans l’HGT avec d’autres bactéries abondantes, ce qui est compatible avec les mécanismes canoniques de l’HGT (par exemple, conjugaison, transformation et transduction 20) qui impliquent un contact de cellule à cellule ou un accès à l’ADN libre dans l’environnement.

Étant donné que le HGT est déterminé par la distance phylogénétique et l’abondance, et que l’abondance est similaire entre les individus d’une population hôte 5, nous avons émis l’hypothèse que les mêmes espèces bactériennes intestinales échangeraient des gènes entre les individus. Pour tester cette hypothèse, nous avons comparé les fréquences de HGT pour des paires d’espèces bactériennes partagées par un minimum de 4 individus au sein de notre cohorte américaine. Nous avons constaté que la fréquence de l’HGT est homogène d’une personne à l’autre pour la majorité des espèces bactériennes (l’écart-type moyen observé de la fréquence de l’HGT à l’intérieur d’une personne à l’autre a été comparé à la distribution attendue à l’aide d’un test de randomisation avec 1 000 permutations, valeur p < 0,001, figure supplémentaire 6). Cela suggère que l’ensemble central de lignées abondantes partagées par les individus au sein d’une population donnée représente un réseau central d’échange de gènes qui permet aux lignées bactériennes de s’adapter aux pressions sélectives courantes agissant dans la population hôte.

Nous avons ensuite demandé si l’architecture des enveloppes cellulaires contribue aux différences de fréquence de l’HGT, indépendamment de la phylogénie et de l’abondance. Nous avons utilisé des données de coloration de Gram de référence pour chaque espèce bactérienne comme approximation de l’architecture de la paroi cellulaire, afin de séparer les bactéries monodermes à gram positif (membrane cytoplasmique unique et couche épaisse de peptidoglycane) des bactéries didermes à gram négatif (deux membranes entourant une couche mince de peptidoglycane). Nous avons constaté que les bactéries didermes s’engagent plus fréquemment dans les HGT que les bactéries monodermes, indépendamment de la phylogénie et de l’abondance (valeur p = 1×10-3, Figure 2C), ce qui est également observé lorsque l’on considère tous les HGT supérieurs à 500 bp (figure supplémentaire 7). Fait intéressant, la fréquence de l’HGT entre deux bactéries diderm était similaire à la fréquence de l’HGT entre un monoderme et une bactérie diderm, ce qui suggère que les bactéries diderm ont des mécanismes de transfert qui leur permettent de partager du matériel d’ADN avec un spectre beaucoup plus large d’origines génétiques.

Le passage d’un mode de vie non industrialisé à un mode de vie industrialisé est associé à des changements radicaux dans la diversité et la composition du microbiome 21-23. Cependant, on sait peu de choses sur la façon dont ces transitions de style de vie ont eu un impact sur les modèles d’échange de gènes dans le microbiome intestinal humain.

Pour vérifier si les populations humaines ayant un mode de vie industrialisé ont des profils de HGT différents par rapport aux populations ayant un mode de vie non industrialisé, nous avons examiné les paires d’espèces de notre ensemble de données qui sont partagées par des individus vivant aux États-Unis (région de Boston) et des individus vivant dans l’une des quatre populations parmi lesquelles nous avons le plus grand échantillon d’espèces bactériennes: les Hadza (chasseurs-cueilleurs), les Datoga (éleveurs), les Beti (agriculteurs) et les Baka (actuellement en transition d’un mode de vie chasseur-cueilleur à un mode de vie agricole). Pour chaque paire d’espèces bactériennes, nous avons calculé la fréquence moyenne de HGT au niveau de la population humaine, en examinant des blocs d’ADN identiques partagés (100%) de plus de 500 BP. De manière surprenante, nous avons constaté que les paires d’espèces échantillonnées dans la population industrialisée des États-Unis échangeaient des gènes plus fréquemment que lorsqu’elles se trouvaient dans des populations non industrialisées (le nombre d’événements observés de la population non industrialisée a été comparé au nombre d’événements attendus en fonction du nombre d’événements de la population industrialisée, en tenant compte de la composition des espèces et de la profondeur d’échantillonnage inégale, valeur p < 2,2×10-16, voir Méthodes) (Figure 3A). Cet effet est valable lorsque l’on limite l’analyse à chaque population non industrialisée individuellement par rapport aux États-Unis (figure 3B). Pris ensemble, ces résultats montrent pour la première fois que le mode de vie de l’hôte façonne les fréquences de transfert de gènes dans le microbiome intestinal humain. Ces résultats suggèrent également que la transition vers des modes de vie industrialisés a entraîné une augmentation drastique des transferts de gènes dans le microbiome intestinal, potentiellement en raison de perturbations environnementales accrues des populations bactériennes intestinales.

Nous avons estimé que si l’HGT se produit sur des échelles de temps très courtes, le type de gènes transférés devrait refléter les pressions sélectives uniques associées à différents hôtes et populations individuels 24. En utilisant des transferts de gènes impliquant des paires d’espèces trouvées à la fois dans la population des États-Unis et dans les peuples Hadza, Beti ou Datoga, nous avons d’abord comparé de larges profils de catégories fonctionnelles et constaté qu’ils différaient selon les modes de vie (Figure 4A, test de qualité de l’ajustement du chi carré, valeurs p < 0,001).

Après avoir montré qu’il existe de grandes différences fonctionnelles entre les types de gènes transférés dans différentes populations, nous nous sommes concentrés sur les gènes impliqués dans des fonctions qui, selon nous, peuvent différer d’une population à l’autre, y compris les gènes impliqués dans les éléments mobiles (phage, plasmide, transposon), la résistance aux antibiotiques et les fonctions de dégradation des glucides (CAZyme). Nous avons constaté que les bactéries intestinales des populations industrialisées échangeaient des quantités relatives plus élevées de plasmides, de transposons et d’éléments phagiques (Figure 4B, tests Z à deux proportions, valeurs p corrigées <0.001), correspondant à des niveaux globaux plus élevés de HGT. Les individus Hadza et Beti, qui consomment de grandes quantités de fibres non digestibles, hébergent des bactéries intestinales qui échangent des gènes CAZYMES à des fréquences plus élevées que les individus vivant aux États-Unis (figure 4B). Des fréquences de transfert très élevées de gènes de résistance aux antibiotiques ont également été trouvées dans les microbiomes intestinaux des individus de Datoga. Les Datoga sont des pasteurs, élevant principalement du bétail et consommant des niveaux élevés de viande et de produits laitiers de leurs animaux. Comme d’autres agriculteurs pastoraux du nord de la Tanzanie, ils administrent des antibiotiques à leurs troupeaux 25,26. Nos résultats suggèrent que ces pratiques agricoles récentes ont rapidement modifié le paysage de la condition physique dans les tripes des Datoga et ont déjà eu un impact sur les modèles de transferts de gènes au sein de leurs microbiomes. Comme l’utilisation d’antimicrobiens commerciaux est maintenant répandue parmi les populations pastorales des pays en développement, des effets similaires peuvent se produire dans de nombreuses populations du monde entier avec un impact plus large sur la propagation de la résistance aux antimicrobiens en dehors de la clinique.

De nombreuses études ont étudié comment les changements dans l’alimentation et les interventions cliniques telles que les greffes de microbiote fécal 27,28 affectent la composition du microbiome intestinal. Mais il est difficile de déduire une compréhension mécaniste des changements de composition. Notre étude révèle que les HGT dans le microbiome intestinal reflètent les pressions sélectives uniques de chaque hôte humain. Ainsi, les modèles HGT peuvent ensuite être utilisés pour identifier les forces sélectives agissant au sein de chaque individu et pour acquérir une compréhension plus mécaniste de ces événements. Nos résultats montrent également que les données de séquençage du génome entier fournissent des informations sur la fonction personnalisée du microbiome à un niveau de précision que les approches populaires, telles que l’amplicon 16S et le séquençage métagénomique, ne peuvent pas atteindre. Enfin, le taux élevé de HGT dans l’intestin humain est probablement un développement récent en réponse au mode de vie industrialisé, qui s’est en outre accompagné de changements drastiques dans la nature des gènes échangés. Nous n’apprécions peut-être pas encore pleinement les conséquences de ces changements de fréquence et de fonction du HGT sur la santé humaine.