Comment l'industrialisation modifie notre flore intestinale

L'ensemble des bactéries, virus et champignons présents à l'intérieur et à la surface d'un organisme multicellulaire constitue son microbiome naturel. Les interactions entre l'organisme et ces micro-organismes influencent considérablement les fonctions et la santé de l'hôte. Les chercheurs ont notamment démontré que le microbiome joue un rôle important, par exemple, dans la défense contre les agents pathogènes. D’autre part, ils soupçonnent que des déséquilibres dans la composition du microbiome sont liés au développement de ce que l’on appelle les maladies environnementales, telles que l’inflammation chronique. Pourtant, plusieurs questions clés de la recherche sur le microbiome restent sans réponse : par exemple, qu’est-ce qui caractérise exactement un microbiome sain, quels facteurs internes et externes peuvent le modifier, et en quoi diffère-t-il d’une personne à l’autre, notamment en fonction des modes de vie et des origines géographiques ?

À la faculté de médecine de l’université de Kiel et à l’hôpital universitaire du Schleswig-Holstein (UKSH), campus de Kiel, la professeure Mathilde Poyet, de l’Institut de médecine expérimentale (IEM), et le professeur Mathieu Groussin, de l’Institut de biologie moléculaire clinique (IKMB), travaillent sur ces défis avec leurs équipes de recherche. Partant de l’hypothèse selon laquelle les microbiomes varient en fonction de l’origine d’un groupe de population, ils étudient plus particulièrement comment la géographie, le mode de vie et le degré d’industrialisation influencent la colonisation microbienne de l’intestin humain. Pour répondre à ces questions, ils ont fondé il y a dix ans la Global Microbiome Conservancy (GMbC). Cette initiative scientifique mondiale s’engage, grâce à la collecte d’échantillons microbiens à l’échelle mondiale, à étudier et à préserver toute la diversité du microbiome intestinal humain.

Les chercheurs basés à Kiel, qui dirigent le Kiel Metaorganism Center (KMC) dans le cadre du pôle de recherche prioritaire « Kiel Life Science » (KLS) de l’université de Kiel, et qui sont également actifs au sein du Centre de recherche collaborative (CRC) 1182 « Origine et fonction des métaorganismes », ainsi que dans le pôle d’excellence « Médecine de précision dans l’inflammation chronique » (PMI), ont publié ces articles conjoints en collaboration avec plusieurs experts internationaux. Dans ces publications, ils ont analysé de manière systématique des facteurs clés tels que la géographie, le mode de vie, l’alimentation et la génétique en tant qu’effets cumulatifs de la civilisation sur le microbiome humain et les bactéries intestinales individuelles. Ils ont notamment pu mettre en évidence que l’industrialisation et les changements de mode de vie qui y sont associés entraînent un appauvrissement drastique et une forte homogénéisation de la biodiversité du microbiome.

De plus, l’équipe de recherche de Kiel a pu démontrer qu’outre les perturbations observées au niveau des communautés microbiennes, les génomes microbiens individuels subissent également des mutations en réponse au niveau d’industrialisation de l’hôte. Par exemple, un mode de vie fortement industrialisé entraîne une augmentation de la taille des génomes bactériens, due à un échange génétique accru entre les microbes. Fait unique, ces deux articles, auxquels ont contribué des collègues du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et de nombreuses institutions partenaires internationales de l’initiative GMbC, ont été publiés en parallèle aujourd’hui dans la prestigieuse revue *Cell*.

Un degré élevé d’industrialisation conduit à une diversité moindre et à une plus grande homogénéité


La colonisation microbienne de l’intestin humain est soumise à de nombreux facteurs endogènes et exogènes. Certains d’entre eux ne peuvent être modifiés qu’indirectement et à long terme, comme la génétique de l’hôte, tandis que d’autres dépendent fortement du mode de vie individuel. Dans les études actuelles, les chercheurs ont analysé les données issues de la collecte d’échantillons GMbC en fonction du degré d’industrialisation et ont également pris en compte le mode de vie, la génétique microbienne et l’alimentation comme facteurs influençant directement la composition du microbiome. Selon les chercheurs, si toutes ces influences interagissent fortement les unes avec les autres, elles contribuent également individuellement aux variations du microbiome intestinal.

« La principale conclusion de nos analyses est que ce que l’on appelle le mode de vie industrialisé conduit à des communautés microbiennes plus homogènes et moins diversifiées dans notre intestin », souligne Groussin. « Cela signifie que deux personnes, l’une de Kiel, en Allemagne, et l’autre de Kuala Lumpur, en Malaisie, présentent des compositions d’espèces bactériennes très similaires, bien qu’elles vivent dans des régions géographiques éloignées et aient des régimes alimentaires, des antécédents génétiques et des cultures très différents. »

Les microbiomes industrialisés sont plus facilement perturbés et associés à des marqueurs de maladie élevés


Dans un deuxième temps, les scientifiques ont cherché à déterminer si les perturbations de la diversité et de la composition associées à l’industrialisation pouvaient entraîner des changements dans la manière dont les bactéries coexistent et interagissent. Ils ont constaté que les réseaux de cooccurrence des bactéries sont davantage concentrés autour d’un nombre plus restreint de bactéries, avec des niveaux de secours fonctionnels plus faibles. « En fin de compte, cela signifie que si la communauté est perturbée et que ces espèces clés disparaissent, aucune autre espèce de la communauté ne pourrait assurer de solution de secours fonctionnelle pour maintenir la productivité métabolique et la stabilité de la communauté », souligne Poyet.

De plus, les chercheurs ont pu détecter des niveaux élevés de ce que l’on appelle des marqueurs inflammatoires dans des échantillons prélevés chez des personnes vivant dans des sociétés hautement industrialisées – c’est-à-dire des signatures moléculaires spécifiques associées à des réponses de stress au niveau de l’intestin. Il s’agit, par exemple, d’une réponse immunitaire accrue, en particulier au niveau de la muqueuse intestinale, que les chercheurs interprètent comme une réaction aux modifications de la composition du microbiome. «La présence à la fois de marqueurs inflammatoires élevés et de profils distinctifs dans la réponse immunitaire suggère qu’un microbiome altéré par un mode de vie industrialisé peut exercer une forte influence sur la physiologie de l’hôte – et ainsi contribuer potentiellement au développement de maladies », souligne le professeur Philip Rosenstiel, directeur de l’Institut de biologie moléculaire clinique et coauteur de la première étude.

À l’avenir, les chercheurs de Kiel ont l’intention d’étudier en détail quels changements spécifiques pourraient rendre le microbiome façonné par le mode de vie industrialisé plus vulnérable aux perturbations, conduisant par la suite au développement de maladies ou à une susceptibilité accrue aux infections. À cette fin, la biobanque GMbC, qui conserve des microbiomes provenant du monde entier, leur offre une ressource essentielle permettant de mener ces recherches mécanistiques approfondies dans leurs contextes géographiques respectifs.

L’influence du mode de vie sur les génomes bactériens


Dans la deuxième étude, les chercheurs ont comparé 10 espèces bactériennes sélectionnées issues des microbiomes de populations non industrialisées et de populations industrialisées, et les ont examinées à la recherche de modifications génétiques pouvant être liées au mode de vie. « Chez tous les micro-organismes analysés, nous avons observé qu’un mode de vie industrialisé entraîne une augmentation de la taille du génome et de la plasticité génomique. Cela signifie que le génome subit davantage de changements, avec, par exemple, une fréquence accrue d’échanges génétiques via le transfert génétique horizontal, ce qui peut aider les bactéries à acquérir rapidement de nouvelles fonctions pour s’adapter aux perturbations », explique le Dr Malte Rühlemann, chercheur postdoctoral du laboratoire Groussin. « Au-delà des transferts de gènes, nous avons mis en évidence une grande diversité de mutations génomiques associées à l’industrialisation, notamment des mutations individuelles de l’ADN qui modifient la séquence et la fonction des protéines impliquées dans la réponse au stress et la réponse métabolique à l’environnement », précise Poyet.

En résumé, grâce à leur double publication, les chercheurs ont, pour la première fois, présenté une étude exhaustive sur la manière dont les modes de vie industrialisés ont un impact profond sur le système complexe du microbiome intestinal à différents niveaux d’organisation, des communautés microbiennes aux génomes individuels des microbes. À l’avenir, tout en élargissant la cohorte GMbC à d’autres pays du monde entier, ils ont l’intention d’étudier plus en détail les mécanismes sous-jacents aux perturbations du microbiome liées à l’industrialisation, qui pourraient être à l’origine de l’augmentation des maladies chroniques observée à l’échelle mondiale.