Des bactéries intestinales partagent un antioxydant de champignon pour stimuler la production d'énergie anaérobie
Les microbes intestinaux convertissent l'ergothionéine en accepteur d'électrons qui alimente la respiration anaérobie, établissant un lien entre la consommation de champignons et le métabolisme énergétique du microbiote intestinal.
Résumé
Des chercheurs ont découvert que *Clostridium symbiosum* dégrade l'ergothionéine — un puissant antioxydant présent dans les champignons — en acide thiourocanate (TUA), qui est ensuite utilisé par *Bacteroides xylanisolvens* comme accepteur d'électrons lors de la respiration anaérobie. Cette interaction de cross-feeding augmente la synthèse d'ATP bactérienne et la croissance dans les conditions du côlon pauvres en oxygène. Cette voie métabolique est active dans les communautés bactériennes de selles humaines, avec une production et une consommation de TUA variant significativement d'un individu à l'autre. Fait important, l'enzyme ergothionase responsable de l'initiation de ce processus est significativement enrichie dans les métagénomes fécaux de patients atteints de cancer colorectal, ce qui suggère que cette voie métabolique microbienne pourrait contribuer aux différences interindividuelles dans le risque de cancer colorectal.
Résumé détaillé
Le tube digestif humain est un environnement pauvre en oxygène dans lequel les bactéries doivent recourir à des stratégies alternatives pour produire de l'énergie. L'un des mécanismes les mieux connus est le transfert métabolique microbien (« cross-feeding »), par lequel certaines bactéries convertissent des composés alimentaires en accepteurs d'électrons que les bactéries voisines utilisent pour la respiration anaérobie. Cette étude met au jour une voie de transfert métabolique jusque-là inconnue, impliquant l'ergothionéine (EGT), un antioxydant soufré présent en grande quantité dans les champignons et les aliments fermentés.
Par LC-MS métabolomique, les chercheurs ont identifié que Clostridium symbiosum — un commensal fréquent du microbiote intestinal humain — code des enzymes ergothionases (CLOSYM_01531 et CLOSYM_03165) qui clivent l'EGT en triméthylamine (TMA) et en acide thiourocanique (TUA). L'expression hétérologue de ces enzymes dans E. coli a confirmé qu'elles sont suffisantes pour cette activité catalytique. Une recherche phylogénomique dans la Genome Taxonomy Database a révélé que des homologues d'ergothionase sont présents chez les Clostridia, les Bacilli et les Gammaproteobacteria, mais absents des Bacteroidia, établissant ainsi une division taxonomique entre les dégradeurs d'EGT et les consommateurs potentiels de TUA.
Des expériences menées sur des communautés fécales provenant de trois souches de souris issues de fournisseurs distincts ont mis en évidence des différences spécifiques au fournisseur dans le métabolisme de l'EGT : les communautés Charles River (CR) ont intégralement converti l'EGT en un dérivé réduit du TUA — l'acide 3-(2-thione-imidazol-4-yl)-propionique —, les communautés Taconic ont produit du TUA sans former le produit réduit, et les communautés Jackson Laboratory ont présenté un métabolisme minimal de l'EGT. Les chercheurs ont identifié Bacteroides xylanisolvens DSM 18836 et B. ovatus ATCC 8483 comme capables de réduire le TUA, complétant ainsi la voie de transfert métabolique en deux étapes. La réduction du TUA par B. xylanisolvens a entraîné une augmentation d'environ 4 fois de la synthèse d'ATP en conditions anaérobies et a favorisé la croissance bactérienne, même dans un milieu minimal dépourvu d'autres accepteurs d'électrons, démontrant le rôle du TUA en tant qu'accepteur d'électrons respiratoire.
Des expériences de co-culture ont confirmé l'existence d'un véritable transfert métabolique : C. symbiosum fournit du TUA à B. xylanisolvens, qui le réduit ensuite en dérivé propionique, stimulant la croissance de B. xylanisolvens sans nuire à C. symbiosum — une interaction de type commensalique. La métabolomique ciblée d'échantillons fécaux humains a révélé que le TUA et son dérivé réduit sont produits et consommés de façon sélective selon le donneur, ce qui conforte la pertinence physiologique de cette voie dans l'intestin humain. Fait crucial, l'analyse métagénomique a montré que les gènes d'ergothionase sont significativement enrichis dans les échantillons fécaux de patients atteints d'un cancer colorectal (CCR) par rapport aux sujets sains, ce qui concorde avec les données émergentes reliant une perturbation de l'homéostasie intestinale de l'EGT au risque de CCR.
Ces résultats établissent un nouveau paradigme : les antioxydants alimentaires tels que l'EGT ne sont pas simplement absorbés passivement, mais peuvent être activement transformés par les bactéries intestinales en intermédiaires métaboliques qui influencent le métabolisme énergétique de l'ensemble des communautés microbiennes. Ces travaux ont des implications pour la compréhension des interactions entre l'alimentation, la composition du microbiome et le risque de maladie, et ouvrent la possibilité que la consommation de champignons ou d'EGT puisse moduler la dynamique microbienne intestinale de manière pertinente pour certaines pathologies.
Principales conclusions
- C. symbiosum ergothionases convert dietary ergothioneine into thiourocanic acid (TUA), a novel anaerobic electron acceptor.
- B. xylanisolvens reduces TUA to a propionic acid derivative, increasing its ATP synthesis ~4-fold under anaerobic conditions.
- This two-step cross-feeding pathway is active in human fecal communities, with significant donor-to-donor variability.
- Ergothionase genes are significantly enriched in fecal metagenomes from colorectal cancer patients versus healthy controls.
- Ergothionase homologs are widespread in Clostridia and Bacilli but absent from Bacteroidia, defining functional metabolic niches.
Méthodologie
L'étude a utilisé la métabolomique non ciblée et ciblée par LC-MS/MS avec de l'EGT marquée au deutérium pour tracer les transformations métaboliques dans des cultures bactériennes, des communautés fécales murines et des échantillons fécaux humains. La validation mécaniste a impliqué l'expression génique hétérologue dans *E. coli*, la transcriptomique par RNA-seq, des tests de luminescence de l'ATP, ainsi que le séquençage 16S rRNA et métagénomique des communautés fécales.
Limites de l'étude
L'étude s'est appuyée sur des incubations fécales ex vivo et des monocultures in vitro, qui ne reproduisent pas nécessairement fidèlement les conditions intestinales in vivo. La relation causale entre l'enrichissement en ergothionase et le risque de cancer colorectal est de nature corrélationnelle et nécessite des études prospectives chez l'humain. L'enzyme TUA réductase spécifique présente dans B. xylanisolvens n'a pas été identifiée, laissant le mécanisme moléculaire de réduction non caractérisé.
Ce résumé vous a plu ?
Recevez les dernières recherches sur la longévité dans votre boîte de réception chaque semaine.
Saisissez votre e-mail pour vous abonner :