Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La prévalence du diabète de type 2 (DT2) a pris des proportions épidémiques au cours des dernières décennies. La découverte des impacts métaboliques de la composition du microbiote intestinal a modifié notre perception des causes pathogéniques de cette maladie. Il est largement accepté qu'un changement drastique du microbiote chez les personnes obèses et atteintes de DT2 est associé à une inflammation de bas grade, une intolérance au glucose et une résistance à l'insuline. L'étude privilégiée du microbiote du côlon a laissé de côté d'autres segments intestinaux tels que l'intestin grêle qui présente également un intérêt en raison de son rôle important dans l'absorption de nutriments tels que le glucose. Ce mémoire vise à 1) identifier des bactéries à partir de biopsies duodénales de patients avec ou sans DT2 2) étudier in vitro l'activité pro ou anti-inflammatoire des bactéries tuées par la chaleur et de leur surnageant de culture à l'aide du modèle de macrophage murin J774.2. La biodiversité de nos découvertes se résume à 38 espèces de bactéries différentes et une espèce de champignon appartenant à quatre phylums principaux : Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria et Ascomycota. Les effets pro et anti-inflammatoires de ces extraits bactériens ont été évalués en mesurant la production de monoxyde d'azote (NO) en absence et en présence de LPS d'Escherichia coli sérotype O55:B5 dans un modèle in vitro. Parmi les 21 espèces de bactéries testées, la plupart d'entre elles ont induit une inflammation, tandis que leurs surnageants ont induit diverses réponses. Certains ont induit l'inflammation, d'autres étaient neutres et seul le surnageant de Bacillus thuringiensis a eu un effet anti-inflammatoire. À terme, il sera possible de valider l'effet des souches in vivo chez le ver C. elegans, le poisson zèbre et la souris permettant d'étudier leur impact sur la perméabilité intestinale et le métabolisme du glucose. / The prevalence of type 2 diabetes (T2D) has taken on epidemic proportions in recent decades. The discovery of the metabolic impacts of the composition of the intestinal microbiota has changed our perception of the pathogenetic causes of this disease. It is now well accepted that a drastic change in the microbiota in people with obesity and T2D is associated to low-grade inflammation, glucose intolerance and insulin resistance. The focus on the colonic microbiota has left out other intestinal segments such as the small intestine which is also of interest due to its important role in the absorption of nutrients such as glucose. This thesis aims to 1) identify bacteria from duodenal biopsies of patients with or without T2D 2) study in vitro the pro or anti-inflammatory activity of heat-killed bacteria and their culture supernatant using the J774.2 murine macrophage model. The biodiversity of our discoveries comes down to 38 different species of bacteria and one species of fungi belonging to four main phyla: Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria and Ascomycota. The pro and anti-inflammatory effects of these bacterial extracts were evaluated by measuring the production of nitric oxide (NO) in the absence and in the presence of LPS from Escherichia coli serotype O55:B5 in an in vitro model. Among the 21 species of bacteria tested, most of them induced inflammation, while their supernatants induced various responses. Some induced inflammation, others were neutral, and only Bacillus thuringiensis supernatant had an anti-inflammatory effect. Eventually, it will be possible to validate effects of these strains in vivo in the worm C. elegans, zebrafish and mice making it possible to study their impact on intestinal permeability and glucose metabolism.

Le diméthylsulfure (DMS) est le principal gaz biogénique sulfuré émis de l'océan vers l'atmosphère. TI peut exercer un effet refroidissant sur le climat en formant des aérosols sulfatés et en intensifiant l'albédo des nuages de basses altitudes, diminuant la quantité d'énergie radiative atteignant la surface de la Terre. Bien que le DMS puisse être produit directement par certaines espèces phytoplanctoniques, il provient principalement des bactéries hétérotrophes via la dégradation de son précurseur, le diméthylsulfoniopropionate (DMSP). Le DMSP est synthétisé par le phytoplancton en différentes concentrations selon les conditions environnementales, incluant la disponibilité du fer. La présente étude porte sur la dynamique microbienne du DMSP dans le Pacifique nord-est le long d'un gradient naturel en fer. Mes résultats montrent qu'une plus grande disponibilité en fer dans cette région océanique limitée en fer favorise la croissance des espèces productrices de DMSP et augmente le taux de conversion bactérien de DMSP en DMS. Ensemble, ces résultats indiquent que les apports en fer peuvent avoir un effet refroidissant sur le climat dans le Pacifique nord-est.

Le métabolisme microbien du dimethylsulfoniopropionate (DMSP), précurseur du gaz climatiquement actif diméthylsulfure (DMS), a été caractérisé dans l‟Arctique canadien en septembre 2008 à l‟aide du traceur 35S-DMSP et de la méthode MAR-CARD-FISH. Le DMSP contribuait en moyenne à 7 et 51% des besoins bactériens en carbone et en soufre, respectivement. Entre 40 et 65% de la communauté bactérienne assimilait le DMSP, avec une forte contribution des groupes Gammaproteobacteria et Alphaproteobacteria (autre que Roseobacter). Les différents assemblages bactériens étaient associés à deux masses d‟eau de surface : celle de l‟Arctique (AS) et celle de la Baie de Baffin (BBS), plus chaude et plus salée. Dans BBS, qui contenait plus de bactéries, la prise de DMSP était plus élevée que dans AS. Ces résultats montrent que les altérations des masses d‟eau anticipées par les modèles climatiques actuels pourraient se répercuter sur la dynamique du DMS(P) et le flux résultant de DMS vers l‟atmosphère. / The bacterial metabolism of dimethylsulfoniopropionate (DMSP), the precursor of the climate-active gas dimethylsulfide (DMS), was characterized in Arctic waters in September 2008, using the radioisotopic tracer 35S-DMSP and the MAR-CARD-FISH method. DMSP contributed on average 7 and 51% of the bacterial requirements in carbon and sulfur, respectively. Between 40 and 65% of the bacterial community assimilated DMSP, with a stronger contribution from the groups Gammaproteobacteria and Alphaproteobacteria (other than Roseobacter). The different bacterial assemblages were associated with two surface water masses: the Arctic Surface (AS) water, and the warmer and saltier Baffin Bay Surface (BBS) water. In BBS, which showed a higher bacterial abundance, the DMSP uptake was higher than in AS. Those results show that the alteration of water mass characteristics anticipated by current climate models could affect the DMS(P) dynamics and the resulting DMS flux to the atmosphere.

Un des impacts les plus frappants du réchauffement climatique dans l'Arctique est la réduction du couvert de glace saisonnier, un processus susceptible d'altérer la dynamique de l'écosystème pélagique et les flux océan-atmosphère de gaz climatiquement actifs tel que le dimethyl sulfure (DMS). Afin de vérifier cette hypothèse, j'ai caractérisé la distribution et le métabolisme bactérien du DMS et de son précurseur algal le diméthylsulfoniopropionate (DMSP) le long d'une radiale longitudinale s'étendant de la baie de Baffin à la mer de Beaufort au cours de l'automne 2007. Mes résultats mettent en évidence des concentrations faibles mais toujours détectables des réservoirs de DMSP et DMS et des temps de renouvellement bactérien du DMSP dissous rapides malgré les températures des eaux extrêmement faibles. L'ensemble de mes résultats suggère que l'extension automnale de la période libre de glace pourrait résulter en une augmentation des flux de DMS vers l'atmosphère et contribuer au refroidissement du climat.

L'objet de cette thèse de bioinformatique est de mieux comprendre l’ensemble des systèmes de régulation génique chez les bactéries. La disponibilité de centaines de génomes complets chez les bactéries ouvre la voie aux approches de génomique comparative et donc à l’étude de l’évolution des réseaux transcriptionnels bactériens. Dans un premier temps, nous avons implémenté et validé plusieurs méthodes de prédiction d’opérons sur base des génomes bactériens séquencés. Suite à cette étude, nous avons décidé d’utiliser un algorithme qui se base simplement sur un seuil sur la distance intergénique, à savoir la distance en paires de bases entre deux gènes adjacents. Notre évaluation sur base d’opérons annotés chez Escherichia coli et Bacillus subtilis nous permet de définir un seuil optimal de 55pb pour lequel nous obtenons respectivement 78 et 79% de précision. Deuxièmement, l’identification des motifs de régulation transcriptionnelle, tels les sites de liaison des facteurs de transcription, donne des indications de l’organisation de la régulation. Nous avons développé une méthode de recherche d’empreintes phylogénétiques qui consiste à découvrir des paires de mots espacés (dyades) statistiquement sur-représentées en amont de gènes orthologues bactériens. Notre méthode est particulièrement adaptée à la recherche de motifs chez les bactéries puisqu’elle profite d’une part des centaines de génomes bactériens séquencés et d’autre part les facteurs de transcription bactériens présentent des domaines Hélice-Tour-Hélice qui reconnaissent spécifiquement des dyades. Une évaluation systématique sur 368 gènes de E.coli a permis d’évaluer les performances de notre méthode et de tester l’influence de plus de 40 combinaisons de paramètres concernant le niveau taxonomique, l’inférence d’opérons, le filtrage des dyades spécifiques de E.coli, le choix des modèles de fond pour le calcul du score de significativité, et enfin un seuil sur ce score. L’analyse détaillée pour un cas d’étude, l’autorégulation du facteur de transcription LexA, a montré que notre approche permet d’étudier l’évolution des sites d’auto-régulation dans plusieurs branches taxonomiques des bactéries. Nous avons ensuite appliqué la détection d’empreintes phylogénétiques à chaque gène de E.coli, et utilisé les motifs détectés comme significatifs afin de prédire les gènes co-régulés. Au centre de cette dernière stratégie, est définie une matrice de scores de significativité pour chaque mot détecté par gène chez l’organisme de référence. Plusieurs métriques ont été définies pour la comparaison de paires de profils de scores de sorte que des paires de gènes ayant des motifs détectés significativement en commun peuvent être regroupées. Ainsi, l’ensemble des nos méthodes nous permet de reconstruire des réseaux de co-régulation uniquement à partir de séquences génomiques, et nous ouvre la voie à l’étude de l’organisation et de l’évolution de la régulation transcriptionnelle pour des génomes dont on ne connaît rien.<p><p>The purpose of my thesis is to study the evolution of regulation within bacterial genomes by using a cross-genomic comparative approach. Nowadays, numerous genomes have been sequenced facilitating in silico analysis in order to detect groups of functionally related genes and to predict the mechanism of their relative regulation. In this project, we combined prediction of operons and regulons in order to reconstruct the transcriptional regulatory network for a bacterial genome. We have implemented three methods in order to predict operons from a bacterial genome and evaluated them on hundreds of annotated operons of Escherichia coli and Bacillus subtilis. It turns out that a simple distance-based threshold method gives good results with about 80% of accuracy. The principle of this method is to classify pairs of adjacent genes as “within operon” or “transcription unit border”, respectively, by using a threshold on their intergenic distance: two adjacent genes are predicted to be within an operon if their intergenic distance is smaller than 55bp. In the second part of my thesis, I evaluated the performances of a phylogenetic footprinting approach based on the detection of over-represented spaced motifs. This method is particularly suitable for (but not restricted to) Bacteria, since such motifs are typically bound by factors containing a Helix-Turn-Helix domain. We evaluated footprint discovery in 368 E.coli K12 genes with annotated sites, under 40 different combinations of parameters (taxonomical level, background model, organism-specific filtering, operon inference, significance threshold). Motifs are assessed both at the level of correctness and significance. The footprint discovery method proposed here shows excellent results with E. coli and can readily be extended to predict cis-acting regulatory signals and propose testable hypotheses in bacterial genomes for which nothing is known about regulation. Moreover, the predictive power of the strategy, and its capability to track the evolutionary divergence of cis-regulatory motifs was illustrated with the example of LexA auto-regulation, for which our predictions are remarkably consistent with the binding sites characterized in different taxonomical groups. A next challenge was to identify groups of co-regulated genes (regulons), by regrouping genes with similar motifs, in order to address the challenging domain of the evolution of transcriptional regulatory networks. We tested different metrics to detect putative pairs of co-regulated genes. The comparison between predicted and annotated co-regulation networks shows a high positive predictive value, since a good fraction of the predicted associations correspond to annotated co-regulations, and a low sensitivity, which may be due to the consequence of highly connected transcription factors (global regulator). A regulon-per-regulon analysis indeed shows that the sensitivity is very weak for these transcription factors, but can be quite good for specific transcription factors. The originality of this global strategy is to be able to infer a potential network from the sole analysis of genome sequences, and without any prior knowledge about the regulation in the considered organism. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished