Microbiote intestinal humain et nutrition

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Auteure : Romina Seyed (Professeure-relais, MNHN)

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Les preuves expérimentales du rôle nutritif du microbiote intestinal de rongeurs deviennent robustes à partir des années 80

A cette époque, les chercheurs sont capables d’élever des souris et rats dits « axéniques », c’est-à-dire élevés en milieu stérile et dépourvus de micro-organismes (dans et sur leurs corps). On constate alors que de telles souris présentent un poids adulte inférieur à 30% à la moyenne. Elles nécessitent par ailleurs une ration alimentaire supplémentaire pour atteindre le poids moyen. Quant aux rats axéniques, leurs fèces contiennent presque deux fois plus de calories (c’est-à-dire autant d’énergie alimentaire non digérée) que la moyenne et ils consomment presque 10% d’aliments en moins en comparaison avec leurs congénères conventionnels1. Le microbiote augmente de toute évidence la capacité d’extraction calorique du bol alimentaire.

Vingt ans plus tard, on démontre le rôle du microbiote dans l’adiposité, c’est-à-dire la capacité à stocker les graisses. On constate que le transfert de microbiote intestinal de souris conventionnelles à des souris axéniques augmente de 60% la graisse corporelle de ces dernières, grâce à l’induction de la lipogenèse2. De plus, le transfert du microbiote intestinal de souris obèses à des souris axéniques entraine une augmentation du poids de ces dernières3.

Comment le microbiote intestinal agit-il sur la nutrition et le métabolisme de ses hôtes ?

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Le microbiote intestinal décompose certains aliments inaccessibles au bagage enzymatique de l’hôte

Les bactéries du phylum des Bacteroidetes, (les Prevotella, Xylanibacter et Bacteroides4) sécrètent des enzymes dans la lumière intestinale, qui décomposent entre autres les fibres végétales que nos enzymes ne sont pas capables de dégrader. Les nutriments qui en résultent sont assimilés par notre organisme. L’idée selon laquelle seuls les phytophages digèrent les végétaux est donc enterrée ! Nos bactéries les digèrent à notre place et notre alimentation peut diversifier notre équipement enzymatique bactérien : les japonais par exemple possèdent la bactérie Bacteroides plebius, capable de digérer certains sucres complexes des algues rouges (les agars et porphyranes), dont le nori fait partie5. Les occidentaux, dont l’alimentation n’est pas favorable à l’installation de ces bactéries dans leurs intestins, ne digèrent pas ces sucres.
Notre microbiote, dont la diversité dépend de notre alimentation, augmente donc notre capacité d’extraction calorique.

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Le microbiote intestinal métabolise aussi une partie des nutriments, dont les produits sont assimilés par l’hôte

Les bactéries profitent en partie des nutriments issus de la décomposition des aliments par leurs enzymes. Ces nutriments sont une source de matière et d’énergie, qui leur permet de produire entre autres :

  • de nombreuses vitamines : B1 (impliquée dans la dégradation des glucides dans le cycle de Krebs), B8 (favorise la croissance cellulaire), B9 (maintient l’intégrité du système nerveux), B12 (préserve de l’anémie), K (agit sur la coagulation) etc.,
  • des acides aminés essentiels, en particulier le tryptophane, la tyrosine et l’histidine.

Les bactéries extraient l’énergie et la matière des nutriments par des fermentations. Cela libère des gaz (CO2, H2 et CH4), évacués par la respiration ou les flatulences, et des acides gras à chaine courte, utilisés comme source d’énergie (Figure 1).

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Figure 1. Devenir des nutriments issus de la fermentation anaérobie du microbiote intestinal © MNHN

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Parmi les acides gras à chaine courte, l’acétate et le propionate sont consommés en particulier par le foie, tandis que le butyrate constitue l’essentiel de la source de carbone et d’énergie des cellules épithéliales du colon (les colonocytes). Concernant ce dernier, son importance est démontrée chez les souris axéniques : les colonocytes sont dans un état d’insuffisance énergétique telle, qu’ils pratiquent l’autophagie pour pallier cette carence6.
Mais ces produits fermentaires agissent aussi à l’échelle systémique, sur le métabolisme de l’hôte.

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Chez les souris, le microbiote intestinal agit sur l’appétit et la mise en réserve

Les recherches actuelles démontrent clairement un effet régulateur des acides gras à chaines courtes, mais les voies de signalisation ne sont pas encore complètement élucidées.
Concernant le butyrate, des chercheurs ont démontré son rôle anorexigène. Il stimule la production de leptine, hormone sécrétée par le tissu adipeux et l’estomac notamment, qui, lorsqu’elle est produite en forte quantité, inhibe la lipogenèse et la néoglucogenèse, stimule la lipolyse et déclenche la sensation de satiété, ce qui limite la prise alimentaire7. Mais il a aussi un effet contraire. D’autres chercheurs ont en effet montré qu’il améliore la sensibilité à l’insuline (ce qui stimule le stockage de glycogène par les muscles et le foie, et de triglycérides par le foie et le tissu adipeux), et accroit l’oxydation des acides gras et donc l’extraction énergétique8.
L’acétate semble aussi avoir un double rôle. Il stimule notamment le nerf vague, qui active la production de ghréline par l’estomac, hormone stimulant l’appétit et la production d’insuline par le pancréas. Il favorise donc la prise alimentaire et la mise en réserve : ici, son rôle est orexigène9. Mais l’administration d’acétate stimule aussi des neurones hypothalamiques qui sécrètent des neuropeptides dont l’effet supprime l’appétit10. Dans ce cas, il est anorexigène.

Lorsque le microbiote est équilibré, il régule de façon harmonieuse le comportement alimentaire et la gestion des stocks. Mais ce cercle vertueux peut tout aussi devenir vicieux car un régime alimentaire trop gras induit une flore déséquilibrée et obésifiante.

Cette action de régulation par le microbiote intestinal des souris est-elle aussi en œuvre chez l’Homme ?

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Chez l’Homme, de nombreuses données confortent l’idée d’une régulation du métabolisme par le microbiote intestinal

De nombreuses données confortent l’idée d’une régulation du métabolisme par le microbiote intestinal chez l'Homme mais les mécanismes ne sont pas encore connus. En effet, il n’est pas possible d’expérimenter sur des hommes et femmes axéniques. Les données, issues d’enquêtes épidémiologiques, permettent uniquement d’envisager des liens de corrélation. Parmi ces données :

  • les individus obèses expirent plus d’éthanol que les individus de poids standards11, ce qui reflète un métabolisme fermentaire accru par le microbiote intestinal12,
  • les individus obèses présentent une plus faible diversité de leur microbiote intestinal que les individus de poids standard13,
  • l’obésité est associée à moitié moins de Bacteroidetes intestinaux et 30% en plus de Firmicutes14, en particulier les Lactobacillus et Staphylococcus15,
  • un poids normal est associé à la présence constante de Bifidobacterium, Methanobrevibacter, et de Bacteroidetes16 .

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Il existe une véritable symbiose entre le microbiote intestinal et l’hôte

Le microbiote bénéficie des apports de nourriture et d’un milieu anaérobie stable (température, humidité, pH…). Il décompose une partie de nos aliments, dont nous profitons. Il produit aussi des déchets fermentaires, dont une partie nous nourrit … ou nous régule, probablement ! Mais notre microbiote n’est pas une fatalité : l’environnement, en particulier le régime alimentaire, exerce une sélection qui peut être vertueuse… ou pas.
Cette symbiose dépasse les relations strictement nutritives. Il contribue aussi à notre immunité (Cf. article "Microbiote intestinal humain et immunité")

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Bibliographie : 

  1. Wostmann, B. S., Larkin, C., Moriarty, A. & Bruckner-Kardoss, E. Dietary intake, energy metabolism, and excretory losses of adult male germfree Wistar rats. Lab Anim Sci 33, 46–50 (1983).
  2. Bäckhed, F., Ding, H., Hooper, L. V., Wang, T., Koh, G. Y., Nagy, A., Semenkovich, C.F. & Gordon, J. I. The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage. PNAS 101, 15718–23 (2004).
  3. Turnbaugh, P. J., Ley, R. E., Mahowald, M. A., Magrini, V., Mardis, E. R. & Gordon, J. I. An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. Nature 444, 1027–1031 (2006).
  4. Xu et al., A Genomic View of the Human-Bacteroides thetaiotaomicron Symbiosis. Science Vol. 299, Issue 5615, pp. 2074-2076 (2003).
  5. Hehemann, J. H., Correc, G., Barbeyron, T., Helbert, W., Czjzek, M. & Michel, G. Transfer of carbohydrate-active enzymes from marine bacteria to Japanese gut microbiota. Nature 464, 908–912 (2010).
  6. Donohoe, D. R., Garge, N., Zhang, X., Sun, W., O’Connell, T. M., Bunger, M. K. & Bultman, S. J. The microbiome and butyrate regulate energy metabolism and autophagy in the mammalian colon. Cell Metabolism 13, 517–526 (2011).
  7. M-A Selosse. Jamais seul, Acte Sud Nature (2017).
  8. Gao et al., Butyrate Improves Insulin Sensitivity and Increases Energy Expenditure in Mice. American Diabete Association (2009).
  9. Perry, R. J., Peng, L., Barry, N. A., Cline, G. W., Zhang, D., Cardone, R. L., Petersen, K. F., Kibbey, R. G. & Goodman, A. L. Acetate mediates a microbiome-brain-B cell axis promoting metabolic Syndrome. Nature 534, 213–217 (2016).
  10. Frost, G., Sleeth, M. L., Sahuri-Arisoylu, M., Lizarbe, B., Cerdan, S., Brody, L., Anastasovska, J., Ghourab, S., Hankir, M., Zhang, S., Carling, D., Swann, J. R., Gibson, G., Viardot, A., Morrison, D., Thomas, E. L. & Bell, J. D.The short-chain fatty acid acetate reduces appetite via a central homeostatic mechanism. Nature Communications 5, (2014).
  11. Nair S et al., Obesity and female gender increase breath ethanol concentration: potential implications for the pathogenesis of nonalcoholic steatohepatitis. American Journal of Gastroenterology Vol 96, Issue 4, pp1200-1204 (2001).
  12. Schwiertz, A., Taras, D., Schäfer, K., Beijer, S., Bos, N. A., Donus, C. & Hardt, P. D. Microbiota and SCFA in lean andoverweight healthy subjects. Obesity 18, 190–195 (2010).
  13. Ley, R. E., Backhed, F., Turnbaugh, P., Lozupone, C. A., Knight, R. D. & Gordon, J. I. Obesity alters gut microbial ecology. PNAS 102, 11070–11075 (2005).
  14. Turnbaugh et al.Diet-Induced Obesity Is Linked to Marked but Reversible Alterations in the Mouse Distal Gut Micro biomeCell Host & Microbe, Vol 3, Issue 4, pp.213-223 (2008).
  15. Omotayo et al., Modulation of Gut Microbiota in the Management of Metabolic Disorders: The Prospects and Challenges, International Journal Molecular Sciences 5(3), 4158-4188 (2014).
  16. Million et al., Correlation between body mass index and gut concentrations of Lactobacillus reuteriBifidobacterium animalisMethanobrevibacter smithii and Escherichia coli.  International Journal of Obesity 37pp.14601466 (2013).

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Sur le même thème : "Diversité du microbiote intestinal humain", "Microbiote intestinal humain et immunité" et "L'immunité intestinale".

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Last modified: Thursday, 20 December 2018, 12:24 PM