Projet ANR-11-BSV6-0013 – FunMetaGen : Une approche de Métagénomique Fonctionnelle pour décrypter le dialogue microbiote-hôte dans le tube digestif chez l'homme.
Programme : Blanc - SVSE 6 - Génomique, génétique, bioinformatique et biologie systémique (Blanc SVSE 6)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Hervé BLOTTIÈRE (INSTITUT NATIONAL DE LA RECHERCHE AGRONOMIQUE - CENTRE DE RECHERCHE DE JOUY-EN-JOSAS)
Partenaires : Microbiologie de l'Alimentation au Service de la Santé Humaine; IHU Imagine - Institut des Maladies Génétiques; Institut national de la santé et de la recherche médicale
Montant : 483000.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : Décryptage du dialogue Microbiote intestinal-hôte et conséquences pour la Santé HumaineApplication d’une approche novatrice de métagénomique fonctionnelle pour comprendre les mécanismes d’interactions entre les bactéries peuplant notre tube digestif et nos cellules intestinales. Validation de l’effet sur la Santé Humaine à l’aide de modèles animaux et sur une cohorte de patients.
Compréhension du dialogue microbiote-hôteIl est maintenant démontré que le microbiote intestinal peut impacter différents aspect de la physiologie humaine, notre projet se focalise sur les processus inflammatoires, en particulier dans l'intestin, en relation avec les maladies inflammatoires chroniques intestinales, mais aussi avec l'obésité. En effet, le microbiote intestinal est un facteur crucial dans le maintien de l'homéostasie intestinale. C’est un élément clé de protection pour la muqueuse intestinale et une dysbiose a été observée chez les patients souffrant de troubles inflammatoires intestinaux, en particulier la maladie de Crohn. En outre, certaines bactéries commensales ont été révélées comme possédant des propriétés anti-inflammatoires dans des modèles animaux de maladies inflammatoires de l'intestin. Considérant l'obésité, sa composante inflammatoire est maintenant bien reconnu, et il a été montré que le microbiote intestinal peut être un élément clé du développement de cette maladie. Cependant les mécanismes par lesquels le microbiote exerce ces effets restent à comprendre.Nous avons démontré que notre approche nouvelle et novatrice de métagénomique fonctionnelle permettait d’identifier des gènes bactériens potentiellement impliqués dans le dialogue microbiote / cellules intestinales humaines. Les objectifs de FunMetaGen sont maintenant de caractériser les mécanismes de ces interactions au niveau moléculaire du coté bactérien comme du coté hôte. De plus, nous visons à démontrer la pertinence in vivo des mécanismes identifiés, dans des modèles murins, mais aussi chez l’Homme.
Une Approche NovatricePar une technique de criblage à haut débit appelée « Métagénomique Fonctionnelle » nous identifierons des clones métagénomiques portant des grands fragments de génomes du Microbiome intestinal humain capables de moduler des voies de signalisation clés dans les cellules épithéliales intestinales. Nous en avons déjà identifié une vingtaine et allons continuer le criblage à haut débit pour obtenir un maximum de 40 candidats. Cette étape fait appel à une plateforme robotisée déjà fonctionnelle.La deuxième étape consistera à séquencer les fragments de génomes bactériens identifiés, et par une approche de mutagénèse aléatoire d’identifier les gènes impliqués dans ces effets. En parallèle, une étude transcriptomique des cellules humaines exposées à ces clones métagénomiques nous permettra de connaître l’impact des ces interactions et de sélectionner les 8 clones les plus intéressants pour une étude mécanistique approfondieLa troisième étape consistera au déchiffrage des mécanismes d'action par diverses méthodologies complémentaires (identification des molécules bactériennes ou métabolites impliqués, des récepteurs putatifs, des voies de signalisation, des conséquences de ces interactions sur les cellules immunitaires)Trois candidats avec un fort potentiel physiopathologiques seront sélectionnés pour des études in vivo dans des modèles murins et chez l'homme.
Résumé de la soumission : Le microbiote intestinal humain, tel que nous le connaissons aujourd’hui, apparaît d’une très grande complexité. Chaque individu héberge environ 100 000 milliards de bactéries appartenant majoritairement à 3 embranchements (Firmicutes, Bacteroidetes et Actinobacteria). Composé majoritairement de bactéries non cultivables à ce jour, la complexité du microbiote a conduit à l'élaboration d’une approche nouvelle et puissante, la métagénomique qui a permis des progrès rapides dans la caractérisation de la diversité génomiques et génétique du microbiote intestinal. Ainsi, le génome microbien (microbiome) contient ~150 fois plus de gènes que le génome humain. Le microbiote peut donc être considéré comme un organe de l’hôte à part entière.Durant des millions d'années de co-évolution, l’hôte a développé une réponse immunitaire complexe pour contrôler cet écosystème microbien. Ainsi, le microbiote contribue au développement local et à la régulation de l’homéostasie intestinale, à la maturation du système immunitaire et au maintien de l'écosystème. Nos connaissances sur les contributions du microbiote sur la santé n’en sont qu’à leurs débuts et les mécanismes cellulaires et moléculaires sous-jacents à son interaction avec les cellules intestinales restent imprécis. Les cellules épithéliales intestinales (CEI) constituent la première ligne de défense contre les microbes et jouent un rôle clé dans le développement du système immunitaire et les maladies inflammatoires chroniques. FunMetaGen se concentrera sur la modulation des processus inflammatoires découlant du dialogue CEI/microbiote. Pionniers dans le développement de la métagénomique fonctionnelle pour étudier les interactions microbiote /hôte, nous avons démontré que cette approche innovatrice et efficace permettait d'identifier des gènes bactériens impliqués dans ce dialogue avec l’hôte. En utilisant une plate-forme de criblage à haut débit et différents systèmes cellulaires rapporteurs, nous criblerons des banques métagénomiques afin d’identifier des clones métagénomiques bioactifs modulant des gènes cibles dans les CEI. Ces cibles sont des gènes pertinent en terme d’immuno-régulation (TSLP, TGF-beta et RALDH1) et des voies de transcription, NF-kB, AP1, et PPARgamma, clés de l'immuno-régulation. L'étude de la relation bactéries commensales-hôte exige des approches bidirectionnelles afin d’identifier les gènes/composés bactériennes impliqués et en parallèle les réponses cellulaires correspondantes. Par séquençage et mutagenèse par transposition, nous caractériserons les gènes bactériens et l’espèce bactérienne impliquée dans l’activation des systèmes rapporteurs. La caractérisation des réponses cellulaires sera réalisée par une approche transcriptomique humaine. Par biochimie, nous identifierons les métabolites bactériens bioactifs, leur récepteur eucaryote putatif et les voies cellulaires impliquées dans l'interaction avec l’hôte. De plus, l'étude intégrative du dialogue bactéries/IEC/cellules immunitaires par une approche de co-culture permettra de déterminer l'impact des bioactifs sur les réponses de l’hôte. La pertinence des mécanismes identifiés sera démontrée in vivo. À cette fin, des modèles de souris gnotobiotiques et inflammatoires/allergiques permettront d’analyser in vivo la pertinence physiopathologique des interactions identifiées. Finalement, l'implication des espèces/gènes identifiés dans des pathologies humaines sera évaluée en analysant la présence de ces gènes ou des bactéries les exprimant chez des donneurs sains ou des patients présentant des pathologies inflammatoires. Ce projet innovateur permettra d’identifier de nouveaux signaux moléculaires du microbiote intestinal capable d'influencer le système immunitaire et de caractériser les mécanismes moléculaires expliquant leurs propriétés immunomodulatrices.Les connaissances issues de FunMetaGen devraient déboucher sur de nouvelles stratégies biotechnologiques ayant des applications en Santé Humaine.
Résultats : Le criblage à haut débit a été effectué et 21 120 clones métagénomiques ont été testés sur 14 cribles cellulaires différents pour un total de plus de 90 000 tests. A l’heure actuelle, 21 clones métagénomiques ont été identifiés et sélectionnés pour la suite du projet. Par ailleurs, 200 clones candidats potentiels supplémentaires sont en cours de validation. 
La plateforme robotique de criblage à haut débit et les protocoles de criblage ont été optimisés.
Parmi les 21 clones, 12 ont été sélectionnés pour les étapes suivantes, c’est à dire la caractérisation des gènes bactériens impliqués. Après séquençage, plus de la moitié des clones viennent de Firmicutes (bactérie Gram +) dont plusieurs appartiennent au Clostridia des cluster IV and XIVa.
Après mutagénèse par transposition et re-criblage, plusieurs loci ont été identifiés comme essentiels à l’activation des cellules épithéliales intestinales humaines.  Les étapes de caractérisation des molécules impliquées dans l’effet sont en cours et les conséquences physiologiques sont également analysées. Actuellement l’un de ces clones montre des effets majeurs dans des modèles animaux et de biopsies humaines.
Perspectives : FunMetaGen permettra de compléter nos connaissances scientifiques actuelles sur le microbiote intestinal et son interaction avec l'hôte. Il contribuera à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires utilisés par les bactéries commensales de l’intestin pour façonner le système immunitaire intestinal et ainsi contrôler l'homéostasie locale ou au contraire exacerber les réactions inflammatoires conduisant aux  pathologies (maladie de Crohn, Recto-colite hémorragique, et obésité). 
Les avancées effectuées dans la compréhension du dialogue bactéries commensales/hôte, de leurs implications dans ces pathologies, et la découverte de composés bioactifs devraient conduire vers de nouvelles approches diagnostiques et/ou thérapeutiques.
Publications et brevets : Deux publications sont en cours d’écriture et plusieurs dépôts de brevet sont également à l’étude.
Les résultats préliminaires et la stratégie ont été présentés dans plusieurs (3) congrès internationaux . Ces travaux ont également été présentés à l’occasion de plusieurs (12) conférences sur invitation.