Découverte du virome intestinal humain par séquençage métagénomique ultra-profond

Le tractus gastro-intestinal humain héberge des milliers de milliards de microorganismes commensaux, incluant bactéries, virus et champignons, formant une communauté écologique complexe appelée microbiome intestinal. Parmi ceux-ci, les virus entériques représentent le deuxième règne taxonomique le plus dominant, comptant pour environ 5,8 % de l’ADN total du microbiome. Ces virus jouent un rôle crucial dans la structuration du microbiome et le maintien de la santé humaine. Les progrès récents en séquençage métagénomique ont considérablement amélioré notre compréhension du virome intestinal, mais des défis persistent. Ceux-ci incluent l’extraction insuffisante d’ADN viral, les biais d’amplification et les limitations des technologies de séquençage à lectures courtes. Une étude récente de Zhao et al. a surmonté ces obstacles en utilisant un séquençage métagénomique sans amplification et ultra-profond pour identifier de nouveaux génomes viraux, ouvrant des perspectives cliniques prometteuses.

Défis liés à l’étude du virome intestinal humain

L’étude du virome intestinal se heurte à plusieurs difficultés techniques. La faible quantité d’ADN viral isolé des échantillons humains nécessite souvent des techniques d’amplification comme la PCR ou l’amplification par déplacement multiple (MDA), introduisant des biais, des chimères et des mutations aléatoires. De plus, les études existantes utilisent généralement des profondeurs de séquençage modestes (0,0003 à 7,7 Go), limitant l’assemblage des génomes viraux et la détection des virus peu abondants. La dominance des technologies Illumina (lectures courtes) complique l’assemblage précis des régions hypervariables ou répétitives des génomes viraux.

Ces limitations expliquent que 75 à 95 % des lectures métagénomiques virales restent non classées. Le séquençage profond et les technologies à lectures longues (PacBio, Oxford Nanopore) émergent comme solutions complémentaires, permettant l’assemblage de génomes complexes.

Méthodologie : Surmonter les obstacles techniques

Zhao et al. ont optimisé un protocole d’extraction d’ADN viral incluant une filtration, une hydrolyse des parois bactériennes par lysozymes, et un traitement phénol/chloroforme/isoamyl pour lyser les capside virales. Une purification sur colonne a minimisé la contamination par l’ADN non viral. Cette approche, combinant une lyse modérée et une filtration multiple, a permis une préparation de bibliothèques sans amplification.

Un séquençage parallèle Illumina/PacBio HiFi a été réalisé. Six assembleurs différents (dont megahit et metaSPAdes) ont été utilisés pour l’assemblage de novo, avec des filtres rigoureux pour distinguer les génomes viraux. Ceci a mené à l’identification de 1 178 contigs viraux complets.

Découverte de génomes viraux novateurs

L’étude a identifié 1 058 génomes viraux inédits, validés dans trois métagénomes publics et des échantillons fécaux supplémentaires. Parmi eux, 13 génomes dépassaient la longueur du plus grand phage connu (393 kb), dont HugePhage1 et HugePhage2 (735 kb). Une analyse phylogénétique basée sur quatre protéines virales conservées (MCP, primase, terminase, protéine de portal) a classé ces virus en neuf clades (Hkyuvirus 1–9). Notamment, la protéine MCP était absente dans les clades Hkyuvirus 4 et 7, suggérant des mécanismes structuraux alternatifs.

Enrichissement des bases de données de référence

L’intégration de ces génomes dans la base NCBI RefSeq a amélioré jusqu’à 18,1 fois le taux d’appariement des données métagénomiques existantes. Le taux de cartographie a dépassé 80 %, contre des valeurs beaucoup plus basses auparavant, soulignant l’importance d’une base de référence exhaustive.

Implications cliniques : Biomarqueurs viraux du cancer colorectal

Un panel de 14 virus nouvellement identifiés a montré une excellente performance pour discriminer les patients atteints de cancer colorectal (CCR) des témoins sains. Huit virus enrichis dans le CCR appartenaient aux familles Podoviridae, Myoviridae et Siphoviridae. Une augmentation des prophages de Lactobacillus (dont phiadh) a été observée, corrélée à la diminution des souches probiotiques Lactobacillus dans le CCR. Ces résultats suggèrent un rôle fonctionnel des phages dans la carcinogenèse colorectale.

Limites et perspectives

Bien que pionnière, cette étude présente des limites :

1. Seuls les virus à ADN double brin ont été analysés, excluant les virus à ARN ou ADN simple brin.
2. Aucune distinction entre virus commensaux et d’origine alimentaire.
   Des études futures intégrant le séquençage de cellules unicellulaires et l’analyse fonctionnelle sont nécessaires pour explorer ces aspects.

Conclusion

L’approche de Zhao et al., combinant extraction optimisée et séquençage ultra-profond, a révélé une diversité virale intestinale insoupçonnée. L’enrichissement des bases de données et la découverte de biomarqueurs associés au CCR illustrent le potentiel translationnel de ces travaux. Cette étude constitue une avancée majeure pour la caractérisation du virome intestinal et son implication dans les maladies humaines.

doi.org/10.1097/CM9.0000000000002382