Mieux connaître le
microbiote intestinal Perspectives appliquées pour la
filière avicole
Fanny Calenge Chargée de recherches
UMR Génétique Animale & Biologie Intégrative INRA Jouy-en-Josas
19/10/2017
.03
Qu’est-ce qu’un microbiote?
• C’est un écosystème constitué de plusieurs espèces de micro-organismes: bactéries, champignons, virus, archées, protozoaires, etc.
Bactéries Levures Virus
+ + + etc
• Décrire un microbiote consiste d’abord à déterminer sa composition en micro-organismes: quelles espèces, en quelles quantités, avec quelle diversité?
.04
Qu’est-ce qu’un métagénome ?
• C’est l’ensemble des génomes (ADN) des micro-organismes constituant un microbiote.
• Le métagénome est étudié pour décrire le microbiote dont il est issu.
• Cette description suppose une extraction d’ADN, une étape de séquençage et des analyses bio-informatiques.
Extraction d’ADN
Pool d’ADN
Echantillonnage
.05
• Il existe de nombreux microbiotes sur le corps humain.
• Microbiote intestinal: le plus important quantitativement et fonctionnellement
Vrai pour les animaux d’élevage aussi
… et animaux
Les microbiotes humains
• Ils forment une symbiose avec leur hôte
.06
De nouvelles approches médicales Une médecine personnalisée basée sur la caractérisation individuelle du microbiote intestinal pour: Le diagnostic de maladies ou la prédiction de réponse à un traitement (anticancéreux notamment) La guérison par la modification du microbiote par différents leviers +- au point: nutrition, probiotiques, transferts de microbiotes
Le microbiote intestinal: une influence énorme sur la santé humaine.
Des changements de caractéristiques (composition génique et bactérienne) du microbiote sont associés avec de nombreuses maladies :
• Obésité, • Diabète, • Maladie de Crohn,
• Cirrhose, • Maladies cardio-vasculaires, • Autisme,
• Parkinson, • Etc: la liste s’allonge
Et chez le poulet?
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Le microbiote digestif des volailles Description
Quantité de micro-
organismes
Colonisation du tractus digestif à l’éclosion par
ingestion de micro-organismes présents dans
l’environnement
CAECA
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Le microbiote digestif des volailles Facteurs de variation
Alimentation Génétique de l’hôte
Pratiques/ conditions d’élevage
Age
Antibiotiques/ anticoccidiens
Prébiotiques Probiotiques
Additifs
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Le microbiote digestif des volailles Rôles connus
Digestion Régulation du métabolisme
Effet barrière contre les pathogènes intestinaux
Régulation de • l’immunité, • la résistance aux
infections.
Comportement? Fonction trophique: • intestin, • système immunitaire.
→ Le microbiote digestif influence la santé, la robustesse, l’efficacité digestive, la sécurité sanitaire des aliments, le développement et la
croissance des animaux, etc.
.010
Le microbiote digestif des volailles Changement de paradigme
Phénotype = Génotype + Microbiote + Environnement
SANTE ROBUSTESSE
CARACTERES DE PRODUCTION
BIEN ETRE
Souche génétique?
Composition? Diversité? Richesse? Fonctions?
Alimentation Conditions d’élevage
Traitements
• Une perturbation du microbiote peut impacter la santé et la productivité des animaux.
• La modulation du microbiote peut rétablir une bonne santé et productivité?
.011
Modulation du microbiote intestinal Comment?
Pour optimiser les effets des leviers de modulation, il faut caractériser leurs effets sur le microbiote et sur l’hôte.
Comment caractériser le microbiote?
DYSBIOSE Ecosystème en déséquilibre,
défavorable à l’hôte
-
Leviers de modulation • Alimentation • Prébiotiques • Probiotiques • Pratiques
d’élevage • Génétique de
l’hôte
EUBIOSE Ecosystème en
équilibre, favorable à l’hôte
+ Santé
Robustesse Productivité
Microbiote Animal
.012
Outils d’étude du microbiote: avant le séquençage à haut débit
Culture in vitro Lourd, lent.
Méthode très sélective.
Extraction d’ADN L’étude de l’ADN a permis de
s’affranchir de l’étape de culture in vitro.
Plateforme @bridge, INRA Jouy-en-Josas
.013
• Gène présent dans chaque génome bactérien, avec une grande variabilité de séquence.
• Obtention de quelques dizaines de milliers de séquences par échantillon.
• Chaque séquence est spécifique d’une espèce bactérienne.
Méthode couramment employée
génome
Gène ARNr 16S
Quelques dizaines à quelques centaines d’espèces bactériennes identifiées par échantillon.
Lactobacillus salivarius
Clostridium perfringens
Butyricicoccus pullicaecorum
Faecalibacterium Prausnitzii ETC
Séquence Taxonomie
Copies des Gènes ARNr 16S
Détermination de la composition taxonomique d’un écosystème: quelles
bactéries, en quelle quantité?
Séquençage ciblé du gène de l’ARNr 16S
.014
• Plusieurs millions de séquences courtes par échantillon
Détermination de la composition génique, donc des fonctions potentielles du microbiote.
• Quelques dizaines de milliers de gènes identifiés par échantillon.
Séquence
Gène 1: glucoside hydrolase
Gène 2: beta-glucuronidase
Gène 3: beta-glucuronidase
Gène 4: cellulase ETC
Gène
• Les séquences sont assemblées pour reconstituer des gènes et génomes bactériens
Séquençage complet du métagénome
.015
Premier métagénome de référence
Un catalogue de > 3,3 millions de gènes bactériens (= 150 x génome).
Un petit microbiote “noyau” de 54 k gènes
Une grande variabilité individuelle
Qin et al, Nature 2010
Le métagénome intestinal humain
Et chez le poulet?
Poulet: métagénome de référence, en cours de construction: projet MetaChick
INRA-ITAVI-SYSAAF-Génoscope-Consortium privé
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Apports de la métagénomique
DYSBIOSE Ecosystème en déséquilibre,
défavorable à l’hôte
-
Leviers de modulation • Alimentation • Prébiotiques • Probiotiques • Pratiques
d’élevage • Génétique de
l’hôte
EUBIOSE Ecosystème en
équilibre, favorable à l’hôte
+ Santé
Robustesse Productivité
Microbiote Animal
Métagénome de référence manquant
Description du microbiote: Séquençage 16S rDNA Métabolomique Métagénomique ? Métatranscriptomique ?
• Un formidable outil de connaissance du microbiote
• Un accélérateur des recherches sur le microbiote
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Quelles applications?
DYSBIOSE Ecosystème en déséquilibre,
défavorable à l’hôte
-
Leviers de modulation • Alimentation • Prébiotiques • Probiotiques • Pratiques
d’élevage • Génétique de
l’hôte
EUBIOSE Ecosystème en
équilibre, favorable à l’hôte
+ Santé
Robustesse Productivité
Microbiote Animal
Définition d’un microbiote sain
Description du microbiote: Séquençage 16S rDNA Métabolomique Métagénomique ? Métatranscriptomique ?
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Quelles applications?
Développement d’outils de diagnostic ou de prédiction de pathologies
• Le microbiote d’animaux malades est très souvent différent du microbiote d’animaux sains.
Recherche de biomarqueurs du microbiote = signatures de pathologies: bactéries ou gènes.
Animal sain Animal malade
Définition d’un microbiote sain
Biomarqueurs?
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Traitement de pathologies ou de dysbioses
• En restaurant un microbiote sain.
• Par l’action de différents leviers de modulation à mettre au point
Quelles applications?
12ièmes JRA-JRFG, Tours, 5 & 6 avril 2017
Définition d’un microbiote sain
Leviers de modulation ?
.020
Prévention des pathologies et optimisation des performances • En facilitant la colonisation par un microbiote favorable dès l’éclosion.
• En favorisant le maintien d’un microbiote favorable tout au long de la vie de l’animal.
• Par l’action de différents leviers à mettre au point
Quelles applications? Définition d’un microbiote sain
Leviers de modulation?
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• Des enjeux multiples et importants:
Alternatives aux antibiotiques, optimisation des performances, bien-être robustesse, santé, sécurité sanitaire, durabilité des élevages.
• Des leviers de modulation du microbiote à optimizer: Pré/probiotique, alimentation, additifs, flores de barrière.
• Des leviers à developer: Génétique, pratiques d’élevage, etc.
• Des recherches sur le microbiote très actives, avec des outils de métagénomique en plein développement.
Une collaboration multidisciplinaire recherche – industrie indispensable.
Conclusion: des applications dans la filière avicole, est-ce réaliste? Oui!
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• Partenaires du consortium MetaChick • UMR GABI, INRA Jouy-en-Josas Fanny Calenge, Jordi Estellé, Bertrand Bed’Hom
• MetaGenoPolis, INRA Jouy-en-Josas Joël Doré, Nicolas Pons, Marie Jeammet, Florence Levenez, Dusko Ehrlich
• UMR PEGASE, Rennes Frédéric Lecerf, Colette Désert, Sandrine Lagarrigue
• UMR MICALIS, Jouy-en-Josas Pascale Serror, Joël Doré
• UMR ISP, INRA Nouzilly Philippe Velge, Pascale Quéré, Sascha Trapp, Catherine Schouler, Benoit Doublet, Etienne Giraud, Françoise Bussière, Isabelle Virlogeux-Payant
• URA, INRA Nouzilly Irène Gabriel, Sandrine Mignon-Grasteau, Michel Duclos, Elisabeth Duval
• UMR GENPHYSE, Toulouse Olivier Zemb
Remerciements
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MetaChick – Un projet France Génomique
Objectifs
Enjeux
1. Construire un métagénome caecal de reference à partir de 600 échantillons. 2. Utiliser cet outil pour caractériser les échantillons collectés.
• Analyses de biodiversité. • Etude des facteurs de variation du microbiote. • Recherche de gènes d’intérêt spécifiques (antibiorésistance). • Etude de lignées expérimentales.
• Caractérisation approfondie du microbiote des différents types de production français.
• Accès à la métagénomique fonctionnelle/ quantitative. • Perspectives appliquées : développement d’outils de
modulation du microbiote intestinal
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