Évolution intra-hôte de Vibrio cholerae et interactions avec le microbiome intestinal

Le choléra est une infection diarrhéique aiguë qui représente encore aujourd’hui un grave problème de santé publique dans les pays où l’accès à l’eau potable et un système d’assainissement adéquat ne peut pas être garanti. Vibrio cholerae, le pathogène bactérien responsable de cette maladie, peut provoquer toute une série de symptômes chez les individus infectés, allant d’une diarrhée intense conduisant à une déshydratation sévère, au portage asymptomatique de la bactérie. Bien que notre compréhension du choléra à une échelle macro-épidémiologique a considérablement été améliorée par le développement des techniques de séquençage à haut débit et par les avancées dans le domaine de la génomique bactérienne, aucune étude n’a encore été menée pour caractériser son évolution à l’échelle des individus infectés. De plus, le rôle des porteurs asymptomatiques au sein d’une épidémie et la raison derrière l’absence de symptômes chez ces individus infectés sont encore méconnus. L’objectif principal de cette thèse est donc de (1) caractériser la diversité génomique de V. cholerae au niveau des individus et des cercles familiaux, mais aussi (2) d’évaluer le rôle potentiel du microbiome intestinal dans la susceptibilité de contracter cette maladie entérique aiguë et de présenter des symptômes sévères. Dans un premier temps, nous caractérisons la diversité génomique de colonies isolées à partir de patients symptomatiques. Le séquençage de génomes entiers de souches provenant de patients du Bangladesh et d’Haïti révèle que cette diversité sous la forme de mutations ponctuelles reste limitée, mais détectable au sein des hôtes. Une grande partie de la variation du contenu génétique semble être surtout due au gain et à la perte de phages et de plasmides au sein de la population de V. cholerae, avec des échanges occasionnels entre le pathogène et d’autres membres commensaux du microbiote intestinal. Cela contredit l’hypothèse couramment acceptée que les infections par V. cholerae sont majoritairement clonales, et confirme que le transfert horizontal de gènes est un facteur important dans l’évolution de V. cholerae. De plus, nos résultats montrent que certains de ces variants peuvent avoir un effet phénotypique, impactant par exemple la formation de biofilms, et peuvent être sélectionnés au sein des individus infectés.  Par la suite, nous appliquons une association de méthodes de séquençage de génomes entiers et de méthodes métagénomiques afin d’améliorer la détection des variants intra-hôte, à la fois chez des patients symptomatiques, mais aussi chez des porteurs asymptomatiques. Notre étude montre que l’approche métagénomique offre une meilleure résolution dans la détection de la diversité dans la population microbienne, mais reste difficile à appliquer chez des patients asymptomatiques, en raison du faible nombre de cellules de V. cholerae chez ces patients. Dans l’ensemble, nous constatons que le niveau de diversité au sein de la population bactérienne intra-hôte est similaire entre les patients symptomatiques et asymptomatiques. Nous détectons aussi la présence de souches hypermutantes chez certains patients. De plus, alors que les mutations chez les patients porteurs de phénotypes d’hypermutations ne semblent pas sous l’effet de la sélection, des signes d'évolution parallèle sont détectés chez les patients présentant un plus faible nombre de mutations, suggérant des mécanismes d’adaptation au sein de l’hôte. Nos résultats soulignent la puissance de la métagénomique combinée au séquençage de génomes entiers pour caractériser la diversité intra-hôte dans le cas d’une infection aiguë du choléra, mais aussi dans le cas de portage asymptomatique, tout en identifiant pour la première fois le phénotype d’hypermutation chez des patients infectés. Finalement, nous nous intéressons aux facteurs liés à la susceptibilité à la maladie et à la sévérité des symptômes. Basée sur une étude récente utilisant le séquençage 16S pour montrer le lien potentiel entre le microbiome intestinal et la susceptibilité à l’infection par V. cholerae, nos analyses utilisent les méthodes de séquençage métagénomique sur les mêmes échantillons de cette précédente étude afin de caractériser les profils taxonomiques et fonctionnels du microbiome intestinal de contacts familiaux exposés à V. cholerae. Les échantillons sont prélevés avant l’infection de ces contacts familiaux et l’apparition ou non de symptômes, et sont analysés pour identifier des prédicteurs à la maladie symptomatique. Grâce à un algorithme d’apprentissage machine, nous pouvons identifier des espèces, des familles de gènes et des voies métaboliques du microbiome au moment de l'exposition à V. cholerae pour détecter des biomarqueurs potentiels corrélés avec les risques d'infection et la gravité des symptômes. Nos résultats montrent que l’utilisation du séquençage métagénomique améliore la précision et l’exactitude des prévisions par rapport au séquençage 16S. Nos analyses permettent aussi de prédire la gravité de la maladie, bien qu’avec une plus grande incertitude que la prédiction de l’infection. Des taxons bactériens des genres Prevotella et Bifidobacterium ont été identifiées comme des marqueurs potentiels de protection contre l’infection, tout comme gènes impliqués dans le métabolisme du fer. Nos résultats soulignent le pouvoir de la métagénomique pour prédire l’évolution des maladies et identifient des espèces et des gènes spécifiques pouvant être impliqués dans des tests expérimentaux afin d’étudier les mécanismes liés au microbiome intestinal expliquant la potentielle protection contre le choléra.

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