Les parasites à cycle de vie complexe peuvent modifier le comportement de leurs hôtes intermédiaires,ce qui semble souvent faciliter la transmission du parasite à l'hôte final. La manière dont les parasites y parviennent et, plus précisément, ce qui est modifié dans le cerveau de l'hôte, reste en grande partie à découvrir. Nous avons étudié ici l'épinoche à trois épines (Gasterosteus aculeatus), l'hôte intermédiaire du parasite cestode Schistocephalus solidus. Lorsque infectées, les épinoches présentent une diminution dans leurs réponses antiprédateur. À ce jour, nous savons que les épinoches infectées présentent une augmentation de l'expression cérébrale de leur gène IMPA 1, qui code l'enzyme IMPase1, une étape clé de la synthèse du myo-inositol. Il est intéressant de noter que les niveaux d'IMPase 1 et de myo-inositol sont les principales cibles du traitement au lithium chez les patients atteints de troubles bipolaires. Bien qu'ils soient des candidats prometteurs, nous ne savons pas s'ils sont directement impliqués dans les modifications comportementales chez les poissons infectés. Notre principal objectif était donc d'effectuer une analyse fonctionnelle pour savoir si une altération de la voie cérébrale du myo-inositol avait une implication directe dans ces altérations. Nous avons injecté à des poissons non infectés du myo-inositol exogène (90 mM, n = 20) ou une solution saline (25 ppt, n = 20) pour induire la production de myo-inositol endogène, et nous avons exposé les poissons infectés à du chlorure de lithium (12,5 mM, n = 20). Contrairement à nos attentes, les poissons non infectés exposés à du myo-inositol exogène ou endogène n'ont pas montré d'altération de leur comportement. Cependant, les poissons infectés traités au lithium ont passé moins de temps à nager près de la surface, ont par couru une distance plus courte, ont eu une latence plus élevée pour se nourrir et ont passé plus de temps sans bouger après une attaque de prédateur. Ces résultats suggèrent que la voie du myo-inositol pourrait être impliquée dans les altérations comportementales observées chez les épinoches infectées. Ce mémoire contribue à l'élucidation des mécanismes moléculaires qui sous-tendent l'altération du comportement chez un hôte due à la présence d'un parasite. / Complex life cycle parasites can alter the behavior of their intermediate hosts, which often seems to facilitate the parasite transmission to the final host. How parasites achieve this and, more specifically,what is changed in the host brain remains largely uncovered. Here we studied the threespine stickleback (Gasterosteus aculeatus), the intermediate host of the cestode parasite Schistocephalus solidus. While infected, sticklebacks have severe impairments in their antipredator responses. To date, we know that infected sticklebacks have an increase in their IMPA 1 gene brain expression, which encodes the IMPase 1 enzyme, a key step in the myo-inositol synthesis. Interestingly, IMPase 1 and myo-inositol levels are the main targets of lithium treatment in patients with bipolar disorder. Although promising candidates, we do not know if they are directly implicated in behavioral alterations in Schistocephalus-infected fish. Thus, our main objective was to perform a functional analysis of whether an alteration in the cerebral myo-inositol pathway had a direct implication in such alterations. We injected uninfected fish with exogenous myo-inositol (90 mM, n = 20) or with a saline solution (25 ppt, n = 20) to induce the production of endogenous myo-inositol, and exposed infected fish to lithium chloride (12.5 mM, n= 20). Contrary to our expectations, uninfected fish exposed to exogenous or endogenous myo-inositol did not show alterations in their behavior. However, infected fish treated with lithium spent less times wimming close to the surface, traveled a shorter distance, had a higher latency to feed, and spent more time frozen after a predator attack. These results suggest that the myo-inositol pathway might be implicated in the behavioral alterations observed in infected sticklebacks. This thesis contributes to the elucidation of the molecular mechanisms underlying behavioral alteration in a host due to the presence of a parasite.

En nature, le comportement des animaux peut être perturbé par une infection parasitaire. Comme les parasites ont souvent des cycles de vie complexes, la modification comportementale d’un animal parasité est généralement considérée comme une adaptation du parasite qui faciliterait sa propagation à son hôte final. Il est cependant nécessaire d’étudier les mécanismes moléculaires sous-tendant les changements comportementaux d’un animal parasité afin de comprendre comment ces perturbations comportementales évoluent. Une approche robuste pour déterminer si les variations comportementales sont induites par une « manipulation » adaptative pour le parasite (ou si elles sont le résultat d’autres mécanismes) consiste à faire le lien entre l’établissement du parasite sur/dans son hôte et les modifications comportementales reportées chez l’hôte. Un tel lien peut être établi par les sécrétions du parasite, qui représentent une source prometteuse de « facteurs de manipulation » ayant le potentiel d’agir sur le comportement de l’hôte, même lorsque le parasite est éloigné du cerveau de l’hôte. Le système épinoche à trois épines-Schistocephalus solidus est idéal pour étudier l’interaction entre un hôte vertébré et un parasite logé dans la cavité abdominale de son hôte. L’impact de l’infection par ce cestode sur la morphologie, la physiologie et le comportement du poisson a largement été documenté dans le passé. Mais jusqu’à maintenant, nous ne disposons d’aucune information sur les mécanismes moléculaires dont disposent le ver pour interagir avec son hôte. L’objectif de ma thèse de doctorat était d’étudier l’interaction moléculaire entre un hôte vertébré, l’épinoche à trois épines, et son parasite non cérébral, Schistocephalus solidus. Dans un premier temps, pour étudier l’interaction entre un hôte et son parasite, il faut être capable de suivre le parasite tout au long de son développement au sein de l’hôte. Nous avons donc développé et validé une méthode non létale pour détecter S. solidus dans la cavité abdominale de l’épinoche, même lorsque le ou les vers sont peu développés et qu’aucun indice visuel ne permet de suspecter l’infection. La méthode est basée sur la détection par PCR en temps réel de l’ADN environnemental de S. solidus dans les fluides de la cavité iii abdominale de l’épinoche. Dans un second temps, l’étude des interactions hôteparasite requiert l’acquisition de connaissances sur le protéome du parasite (c’està- dire les protéines exprimées dans ses tissus) car la protéomique permet d’identifier à une large échelle les protéines qui pourraient être responsables des changements phénotypiques de l’hôte. Nous avons décrit le protéome de S. solidus en terme de composition et de fonction en utilisant une approche de protéomique à haut débit (LC-MS/MS). Nous avons mis en évidence que les tissus du cestode incluaient des protéines impliquées dans des voies neuronales et la perception sensorielle, ainsi que des protéines spécifiques au ver, qui sont de bons « facteurs de manipulation » candidats pour expliquer les changements de comportements de l’épinoche. Dans un troisième temps, il est nécessaire d’étudier les sécrétions de S. solidus pour obtenir de nouvelles pistes sur les mécanismes moléculaires d’interaction hôte-parasite. Nous avons décrit en terme de composition et de fonction la partie protéique du sécrétome de S. solidus (c’est-à-dire les protéines libérées par le ver dans son environnement externe) en utilisant une approche à haut débit similaire à celle utilisée pour le protéome total. Nous avons trouvé que le sécrétome de S. solidus incluait un total de 25 protéines non détectées dans le protéome et impliquées dans la signalisation cellulaire, dans des fonctions neurales et immunitaires. Ce sont donc d’excellents « facteurs de manipulation » candidats. Nous avons complété notre étude par une approche fonctionnelle en injectant des sécrétions de S. solidus à deux populations d’épinoches non parasitées. Les injections n’ont pas permis de recréer le comportement typique des épinoches parasitées chez des poissons non infectés. Nos résultats suggèrent néanmoins que les sécrétions affectent un comportement relié à la témérité. Les résultats de ma thèse montrent que S. solidus, parasite non cérébral, pourrait « manipuler » en partie le comportement de son hôte vertébré, notamment grâce aux molécules incluses dans ses tissus et ses sécrétions. Cependant, les causes des changements de comportements de l’épinoche parasitée par S. solidus sont probablement multifactorielles. Ma thèse souligne l’importance de l’utilisation combinée d’analyses moléculaires à haut débit et d’approches fonctionnelles pour mieux comprendre la diversité des comportements retrouvés en nature. / In nature, animal behaviours can be disrupted after a parasitic infection. Because parasites often have complex life cycles, it was proposed that these behavioural modifications could be an adaptation of the parasite to enhance its propagation to its final host. However, it is necessary to study the molecular mechanisms underlying the behavioural changes of an infected host in order to better understand how these behavioural perturbations have evolved. A robust approach to determine if the behavioural variations are induced by an adaptive “manipulation” for the parasite (or by other mechanisms) consists in linking the establishment of the parasite on/within its host with the behavioural modifications reported in the host. Such a link can be established by the parasitic secretions, which appear to be a promising source of “manipulation factors” that have the potential to interfere with the host behaviour, even if the parasite does not have a direct access to the host brain. The threespine stickleback- Schistocephalus solidus system is ideal to study the interaction between a vertebrate host and a parasite that is located inside the abdominal cavity of its host. The effects of the infection by the cestode on the morphology, the physiology and the behaviour of the fish have been extensively described in the past. But up to now, we don’t have any information about the molecular mechanisms that could be used by the worm to interact with its host. The objective of my PhD thesis was to study the molecular interaction between a vertebrate host, the threespine stickleback, and its non-cerebral parasite, Schistocephalus solidus. First, studying host–parasite interaction requires tracking the parasite during its development in the host. We developed and validated a nonlethal method to detect S. solidus inside the abdominal cavity of the stickleback, even when the worm(s) is/are small and that no visual clues allow to suspect the infection. The method is based on the detection with a real-time PCR method of the environmental DNA of S. solidus in the fluids of the abdominal cavity of the stickleback. Second, studying host-parasite interaction requires to obtain knowledge about the parasitic proteome (i.e. all the proteins that are expressed in its tissues). Proteomics allow to identify at a large scale all the proteins that could be involved in the phenotypic changes of the host. We described the proteome of S. solidus in terms of composition and function using high throughput proteomics (LC-MS/MS). We demonstrated that the tissues of the cestode included proteins involved in neural pathways and sensory perception, and proteins highly specific to the worm, which are interesting candidate “manipulation factors” to explain the behavioural changes of the stickleback. Third, it is necessary to study the secretions of S. solidus to gain new clues about the molecular mechanisms of host-parasite interaction. We described the protein part of the secretome of S. solidus (i.e. all the proteins that are released by the worm in its external environment) in terms of composition and function using a high throughput method similar to the one used to describe the total proteome. We found that the secretome of S. solidus included a total of 25 proteins that were not detected in the proteome and that were involved in cell-cell signaling, neural and immune functions, thus representing promising candidate “manipulation factors”. We completed our study with a functional approach by injecting secretions of S. solidus in two distinct populations of non-infected sticklebacks. We were not able to re-create the behaviours of infected fish with the injections in non-infected fish. Yet, our results suggest that the secretions affect a behaviour related to boldness. The results of my PhD thesis demonstrate that S. solidus, which is a non-cerebral parasite, could “manipulate” in part the behaviour of its vertebrate host, especially with the molecules included in its tissues and secretions. However, several mechanisms may be responsible for the behavioural changes in the stickleback infected by S. solidus. My PhD thesis emphasizes the importance to use in combination high throughput molecular methods and functional approaches to better understand the diversity of behaviours in nature.

L’infection par certains parasites coïncide avec des changements importants dans le comportement de leur hôte, ce qui a été proposé comme étant une adaptation des parasites afin d’augmenter leur taux de transmission et donc de pouvoir compléter leur cycle de vie. Cependant, cette hypothèse de la manipulation parasitaire du comportement de l’hôte a rarement été démontrée. Afin de mieux comprendre ces possibles mécanismes adaptatifs, il est nécessaire de comprendre les causes de ces changements de comportement. Au moins quatre hypothèses sont possibles. Les causes de ces changements peuvent être multiples. Elles peuvent être dues à la seule présence du parasite (masse parasitaire), à l’activation du système immunitaire, à la perte d’énergie ou à la modification de l’environnement neural. Notre objectif a donc été de tester les différentes prédictions qui découlent de ces hypothèses. Ces hypothèses ont été étudiées par une approche expérimentale ciblée afin de reproduire le syndrome comportemental d’un hôte parasité et de mettre en évidence sa signature génomique pour ainsi les comparer. Nous avons utilisé comme système d’étude l’épinoche à trois épines (Gasterosteus aculeatus), un poisson osseux et son parasite (Schistocephalus solidus) un cestode. Cette paire hôte-parasite est retrouvée en nature et est très bien étudiée au niveau des conséquences négatives de l’infection sur le changement de comportement face à un prédateur, la reproduction et la croissance. Notre première approche visait à recréer la présence parasitaire (masse) et de voir son impact sur les comportements de l’épinoche. L’hypothèse mécanique testée dans cette première approche n’avait jusque-là jamais été testée. Nos résultats ne semblent pas corroborer cette hypothèse, ils sont davantage présentés ici comme précurseurs d’études complémentaires sur la cause mécanique des changements de comportement. Dans une seconde approche, nous avons administré séparément plusieurs molécules connues comme agissant sur l’axe du stress, associées à une réponse immunitaire ou nous avons mis en place un arrêt de l’alimentation. Cette expérience avait pour but de recréer le syndrome comportemental lié au parasitisme grâce à ces différentes modifications phénotypiques. Les résultats obtenus montrent que la cause du syndrome comportemental de l’épinoche parasitée est plutôt multifactorielle qu’unique, regroupant les différentes hypothèses testées. Notre dernière approche examinait les profils transcriptomiques des individus infectés par S. solidus, traités à un inhibiteur sélectif de la recapture de la sérotonine (modification de l’environnement neural), exposés mais non infectés ou sains. Cette analyse nous a permis de comparer entre elles les signatures transcriptionnelles spécifiques à chacun des traitements et de mettre en évidence les mécanismes moléculaires associés aux changements comportementaux. Nos résultats ont mis en évidence la modification de l’expression de gènes liés à la voie métabolique de l’inositol chez les individus infectés, ainsi qu’une faible similarité entre les profils transcriptomiques des poissons infectés et ceux ayant eu une modification de l’environnement neural. Notre découverte a mis en lumière la signature génomique des poissons exposés qui s’avère être reliée au transport des acides aminés, ce qui n’avait jamais été fait auparavant. La combinaison de ces outils nous a permis d’avoir des connaissances plus poussées dans le domaine de la manipulation parasitaire en y intégrant des données sur la physiologie et la transcriptomique d’un système hôte-parasite. / Infection with certain parasites coincides with major changes in host behaviour, which has been proposed as an adaptation of parasites in order to increase their transmission rate and thus to be able to complete their life cycle. However, the hypothesis of parasitic manipulation of host behaviour has rarely been demonstrated. In order to better understand these possible adaptive mechanisms, it is necessary to understand the causes of these behavioural changes. At least four hypotheses are possible. These changes may be due to the presence of the parasite alone (parasitic mass), activation of the immune system, energetic drain or modification of the neural environment. My objective was to test the various predictions that stem from these assumptions. These hypotheses have been studied by a targeted experimental approach in order to find the behavioural syndrome of a parasitized host and shed light on its genomic signature. We used as a model the interaction between the three-spined stickleback (Gasterosteus aculeatus), a bone fish, and its parasite (Schistocephalus solidus), a cestode. This host-parasite pair is found in nature and has been extensively studied in terms of the negative consequences of the infection on the change of behaviour towards a predator, reproduction and growth. Our first approach was to recreate the parasite presence (mass) to observe its potential impact on the stickleback’s behaviours. The mechanical hypothesis tested in this first approach had never been tested before. Our results do not support this hypothesis but are precursors of further studies on the mechanical cause of behavioural changes. Secondly we separately administered molecules known to the stress axis, associated with an immune response or we food-deprived sticklebacks. We tried to replicate the behavioural syndrome associated with parasitism through these different phenotypic changes. The results obtained show that the cause of the behavioural syndrome of the parasitized stickleback is certainly not unique but is rather multifactorial, regrouping the different hypotheses tested. Our last innovative approach was the transcriptomic analysis of individuals infected with S. solidus, treated with a selective serotonin reuptake inhibitor (neural environment modification), exposed but not infected or controls. This analysis allowed us to compare the transcriptional signatures specific to each of the treatments and to highlight the molecular mechanisms associated with the behavioural changes. This study revealed changes in the expression of genes linked to the inositol pathway in infected individuals and a small similarity between infected fish and those with a modification of their neural environment. In addition, this transcriptomic study, for the first time, highlighted the genomic signature of the exposed fish that is found to be related to the amino acids transport. The combination of these tools has allowed us to have more knowledge in the field of parasitic manipulation by integrating physiology and transcriptomics data.

Les parasites à cycle de vie complexe peuvent modifier le comportement de leurs hôtes intermédiaires,ce qui semble souvent faciliter la transmission du parasite à l'hôte final. La manière dont les parasites y parviennent et, plus précisément, ce qui est modifié dans le cerveau de l'hôte, reste en grande partie à découvrir. Nous avons étudié ici l'épinoche à trois épines (Gasterosteus aculeatus), l'hôte intermédiaire du parasite cestode Schistocephalus solidus. Lorsque infectées, les épinoches présentent une diminution dans leurs réponses antiprédateur. À ce jour, nous savons que les épinoches infectées présentent une augmentation de l'expression cérébrale de leur gène IMPA 1, qui code l'enzyme IMPase1, une étape clé de la synthèse du myo-inositol. Il est intéressant de noter que les niveaux d'IMPase 1 et de myo-inositol sont les principales cibles du traitement au lithium chez les patients atteints de troubles bipolaires. Bien qu'ils soient des candidats prometteurs, nous ne savons pas s'ils sont directement impliqués dans les modifications comportementales chez les poissons infectés. Notre principal objectif était donc d'effectuer une analyse fonctionnelle pour savoir si une altération de la voie cérébrale du myo-inositol avait une implication directe dans ces altérations. Nous avons injecté à des poissons non infectés du myo-inositol exogène (90 mM, n = 20) ou une solution saline (25 ppt, n = 20) pour induire la production de myo-inositol endogène, et nous avons exposé les poissons infectés à du chlorure de lithium (12,5 mM, n = 20). Contrairement à nos attentes, les poissons non infectés exposés à du myo-inositol exogène ou endogène n'ont pas montré d'altération de leur comportement. Cependant, les poissons infectés traités au lithium ont passé moins de temps à nager près de la surface, ont par couru une distance plus courte, ont eu une latence plus élevée pour se nourrir et ont passé plus de temps sans bouger après une attaque de prédateur. Ces résultats suggèrent que la voie du myo-inositol pourrait être impliquée dans les altérations comportementales observées chez les épinoches infectées. Ce mémoire contribue à l'élucidation des mécanismes moléculaires qui sous-tendent l'altération du comportement chez un hôte due à la présence d'un parasite. / Complex life cycle parasites can alter the behavior of their intermediate hosts, which often seems to facilitate the parasite transmission to the final host. How parasites achieve this and, more specifically,what is changed in the host brain remains largely uncovered. Here we studied the threespine stickleback (Gasterosteus aculeatus), the intermediate host of the cestode parasite Schistocephalus solidus. While infected, sticklebacks have severe impairments in their antipredator responses. To date, we know that infected sticklebacks have an increase in their IMPA 1 gene brain expression, which encodes the IMPase 1 enzyme, a key step in the myo-inositol synthesis. Interestingly, IMPase 1 and myo-inositol levels are the main targets of lithium treatment in patients with bipolar disorder. Although promising candidates, we do not know if they are directly implicated in behavioral alterations in Schistocephalus-infected fish. Thus, our main objective was to perform a functional analysis of whether an alteration in the cerebral myo-inositol pathway had a direct implication in such alterations. We injected uninfected fish with exogenous myo-inositol (90 mM, n = 20) or with a saline solution (25 ppt, n = 20) to induce the production of endogenous myo-inositol, and exposed infected fish to lithium chloride (12.5 mM, n= 20). Contrary to our expectations, uninfected fish exposed to exogenous or endogenous myo-inositol did not show alterations in their behavior. However, infected fish treated with lithium spent less times wimming close to the surface, traveled a shorter distance, had a higher latency to feed, and spent more time frozen after a predator attack. These results suggest that the myo-inositol pathway might be implicated in the behavioral alterations observed in infected sticklebacks. This thesis contributes to the elucidation of the molecular mechanisms underlying behavioral alteration in a host due to the presence of a parasite.