Passé, présent et futur de la métagénomique - La maîtrise de l'information génomique au service de l'Homme et de son environnement
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Passé, présent et futur de la métagénomique
Téo Fournier
La maîtrise de l’information génomique
15/06/2021
1 au service de l’Homme et de son environnement
Qui sommes nous ?
GenoScreen, une Biotech française indépendante
Fondée en 2001
Spécialisée en microbiologie moléculaire
35 employés dont 10 chercheurs
3 M€ de ventes en 2019
30 % de ventes à l’international >40 pays
25 % de CA réinvesti chaque année en R&D
2
Nos domaines d’activité
Pôle Services Pôle Produits
Réalise des prestations d’analyse Crée et produit des solutions & des
génomiques, métagénomiques et outils d’analyses génomiques,
bioinformatiques à visées diagnostiques,
en microbiologie moléculaire
3
Notre clientèle
Laboratoires de recherche
Clientèle académique
avec un haut niveau d’expertise
Entreprises
Clientèle en recherche de solutions
technologiques et d’expertises
Institutions
Organismes publics ou associatifs
en charge de missions de santé publique
4
Définition
Métagénomique
Etude de ’ b du matériel génétique présent dans des échantillons environnementaux
(communauté complexe de microorganismes)
Pourquoi la métagénomique ?
Se passer des méthodes de microbiologie classique dépendant de la culture
(espèces cultivées
Prévalence des microorganismes en quelques chiffres
38 000 Milliards
par individu
100 Millions Comment étudier ces communautés ?
p d’
1 Milliard
par gramme de sol
6
Métagénomique ciblée
Autre nom : Metabarcoding
Qui est là?
But :
Informe sur la structure et la composition de la population
Principe :
Extraction ADN Amplification PCR Séquençage AGCGG T T GC AGG
Assignation 25%
AGCGG T T GC AGG
de la cible A TA TGT T G T AGG taxonomique
AC T CG T T A A T GG
AC T CG T T A A T GG 40%
A TA TGT T G T AGG
35%
AGCGG T T GC AGG
AC T CG T T A A T GG
Composition taxonomique
de l’échantillon
7
Métagénomique shotgun
Qui peut faire quoi ?
But :
Informe sur le potentiel fonctionnel et physiologique des organismes en présence
(Gènes / Voies métaboliques)
Principe :
Extraction ADN Fragmentation Séquençage Assemblage
8
1. Les débuts de la métagénomique 9
1ère génération 2ème génération 3ème génération
Naissance de la métagénomique ciblée 454 Ion Torrent
(Roche) (Thermo Fisher)
Séquençage Séquençage Sanger ABI Solexa
Fractionnement 2D Oxford Nanopore
« Sanger » Semi-automatisé Electrophorèse capillaire (Illumina) PacBio
1965 1977 1984 1996 2005 2010 2014
2006 2011
Critères de choix de la cible :
- Gène ubiquitaire
- Séquence conservée…
- …avec des parties variables
101ère génération 2ème génération 3ème génération
Naissance de la métagénomique ciblée 454 Ion Torrent
(Roche) (Thermo Fisher)
Séquençage Séquençage Sanger ABI Solexa
Fractionnement 2D Oxford Nanopore
« Sanger » Semi-automatisé Electrophorèse capillaire (Illumina) PacBio
1965 1975 1977 1984 1996 2005 2010 2014
2006 2011
Critères de choix de la cible :
Carl Woese, milieu des années 1970
- Gène ubiquitaire
Gène ARN ribosomique 16S
- Séquence conservée…
(Homologue 18S chez les eucaryotes)
- …avec des parties variables
➔ Excellent marqueur phylogénétique
Travail fondateur en 1977 :
Classification en 3 domaines du vivant :
Urkaryotes / Eubacteria / Archaebacteria
(Eucaryotes / Bactéries / Archées)
Woese et al., Nature, 1975
111ère génération 2ème génération 3ème génération
Naissance de la métagénomique shotgun 454 Ion Torrent
(Roche) (Thermo Fisher)
Séquençage Séquençage Sanger ABI Solexa
Fractionnement 2D Oxford Nanopore
« Sanger » Semi-automatisé Electrophorèse capillaire (Illumina) PacBio
1965 1977 1984 1996 2005 2010 2014
2006 2011
Extraction ADN Clonage en Fosmides Criblage 16S
archées
En 1996, Stein et al. séquencent un
fragment de 40kb d’une archée ARNr 16S
issue d’un échantillon marin
Fosmide avec insert (40kb)
d’ h
Digestion insert
Séquençage Clonage plasmide
et assemblage
12Les limites des débuts
• Complexité, échelle et temps des manipulations à réaliser
• Coût de séquençage extrêmement important
• Volume de séquençage très restreint (quelques dizaines de kb max)
• Base de données aux balbutiements (NCBI créé en 1988)
132. NGS et grands projets de métagénomique 14
Début des projets de grande envergure
Un tour de force notable avant l’arrivée du NGS :
Global Ocean Sampling, mené par Craig Venter entre 2004 et 2006
Comprendre diversité microbienne des océans, leur
nature, leur impact réciproque avec l’environnement et
ses modifications (dues à l’activité humaine)
→ 6,3 Gb dans des vecteurs de clonage + séquençage
Sanger !
151ère génération 2ème génération 3ème génération
Arrivée du NGS, un bond technologique 454 Ion Torrent
(Roche) (Thermo Fisher)
Séquençage Séquençage Sanger ABI Solexa
Fractionnement 2D Oxford Nanopore
« Sanger » Semi-automatisé Electrophorèse capillaire (Illumina) PacBio
1965 1977 1984 1996 2005 2010 2014
2006 2011
Arrivée des techniques de séquençage par synthèse
• Diminution du coût de séquençage
• Facilité de préparation des librairies
• Augmentation du rendement des séquenceurs
16Accélération des projets de grande envergure
MetaHIT
2010 – Sujet sains et malades (IBD et obésité), catalogue fonctionnel
Human Microbiome Project
2012 – HMP1
Panorama du microbiote chez les individus sains
Ciblé + Shotgun
2019 – iHMP
Etude intégrative et longitudinale de 3 cas : IBD, grossesse et naissance prématurée, prédiabète
Earth microbiome project
2017 – Meta-analyse de 92 projets
Protocoles standardisés et coordonnés
17Proposition de standardisation des méthodes
D’après Knight et al., Nature Review Microbiology, 2018
183. Enjeux actuels de la métagénomique 20
Meilleure compréhension de la diversité
Diversité plus seulement limitée à ce que l’on voit
21 Hug et al., Nature microbiology, 2016Environnement / Ecologie
• Caractérisation d’écosystèmes
– Expédition Tara microbiome
• Suivi longitudinal d’écosystèmes
• Pollution / bioremédiation
• Découverte de nouvelles molécules
22Santé humaine
Rôle ubiquitaire et central des microbiomes, sur le maintien de notre santé ou développement de pathologies
60000
Total
Nombre de pubilcations
50000 2016-2021
40000
30000
20000
10000
0
D’après Loyd-Price et al., Genome Medicine, 2016
Chiffres mis-à-jour le 10/06/2021
23Santé humaine
• Maladies chroniques
– Sclérose en plaque Applications :
– Polyarthrite Rhumatoïde Marqueurs pour diagnostic, pronostic
– (pré)Diabète
Médecine personnelle
– Maladies auto-immunes
– Cancer Découverte de nouvelles molécules
• Santé mentale Bien-être (nutrition personnalisée)
– Anxiété
– Comportement
– Sommeil
Interactions complexes entre le génome de l’hôte, le microbiote et les facteurs environnementaux
(nutrition)
244. Nouvelles directions et futur 25
Intégration des technologies long read
Pacific Biosciences
Oxford Nanopore
➔ Permet d’assembler plus facilement des
génomes complets à partir de données
métagénomiques
Metagenome Assembled Genomes (MAGs)
26Intégration des technologies long read
MAGs → Utiles pour évaluer le potentiel fonctionnel des communautés
23 sites de prélèvement de stations
d’épuration
Grâce au long read :
3733 MAGs assemblés
Singleton et al., Nature Communications, 2021
27Intégration des technologies long read
MAGs → Utiles pour évaluer le potentiel fonctionnel des communautés
CMAG
(Circularized MAG) MAG
23 sites de prélèvement de stations
d’épuration HQ
Complétude
>90%
Complétude
~100%
1126
19 MQ
Complétude
>50%
Grâce au long read : 2788
3733 MAGs assemblés
Singleton et al., Nature Communications, 2021
28Combinaison des techniques
Séquence complète du Génome humain
(sans gap)
Combinaison de plusieurs techniques
Ultra long read nanopore
PacBio Hifi (CCS)
Hi-C (Chromosomal Conformation Capture)
Optical mapping
➔ Applicable à la métagénomique
29Approches intégratives, multi-omics…
Capturer maximum d’informations sur l’environnement physiologique et fonctionnel
Métatranscriptome Métaprotéome Méta-métabolome Méta-virome Profils immuno Épigénome
(anticorps + cytokines)
… Et longitudinales Échantillonnages
Microbiome = dynamique
30
t0 t1 t2 t3Des projets toujours plus importants
Grands projets en cours
Les microbiomes sont encore loin d’avoir livré tous leurs secrets…
31Merci de votre attention
Siège social 03 62 26 37 77
1 rue du Pr. Calmette contact@genoscreen.fr
59000 Lille www.genoscreen.fr
FRANCE
3233
Johnson et al., Nature Communications, 2019Santé humaine
Interaction médicaments-microbiome
→ 25% des médicaments (hors antibiotiques) testés
produisent un effet inhibiteur sur la croissance bactérienne
34
Lam et al., Cell Host Microbe, 2019Vous pouvez aussi lire
