Many functions in host–microbiota interactions are potentially influenced by intestinal transit times, but little is known about the effects of altered transition times on the composition and functionality of gut microbiota. To analyze these effects, we cultivated the model community SIHUMIx in bioreactors in order to determine the effects of varying transit times (TT) on the community structure and function. After five days of continuous cultivation, we investigated the influence of different medium TT of 12 h, 24 h, and 48 h. For profiling the microbial community, we applied flow cytometric fingerprinting and revealed changes in the community structure of SIHUMIx during the change of TT, which were not associated with changes in species abundances. For pinpointing metabolic alterations, we applied metaproteomics and metabolomics and found, along with shortening the TT, a slight decrease in glycan biosynthesis, carbohydrate, and amino acid metabolism and, furthermore, a reduction in butyrate, methyl butyrate, isobutyrate, valerate, and isovalerate concentrations. Specifically, B. thetaiotaomicron was identified to be affected in terms of butyrate metabolism. However, communities could recover to the original state afterward. This study shows that SIHUMIx showed high structural stability when TT changed—even four-fold. Resistance values remained high, which suggests that TTs did not interfere with the structure of the community to a certain degree.

Bisphenol S (BPS) is an industrial chemical used in the process of polymerization of polycarbonate plastics and epoxy resins and thus can be found in various plastic products and thermal papers. The microbiota disrupting effect of BPS on the community structure of the microbiome has already been reported, but little is known on how BPS affects bacterial activity and function. To analyze these effects, we cultivated the simplified human intestinal microbiota (SIHUMIx) in bioreactors at a concentration of 45 µM BPS. By determining biomass, growth of SIHUMIx was followed but no differences during BPS exposure were observed. To validate if the membrane composition was affected, fatty acid methyl esters (FAMEs) profiles were compared. Changes in the individual membrane fatty acid composition could not been described; however, the saturation level of the membranes slightly increased during BPS exposure. By applying targeted metabolomics to quantify short-chain fatty acids (SCFA), it was shown that the activity of SIHUMIx was unaffected. Metaproteomics revealed temporal effect on the community structure and function, showing that BPS has minor effects on the structure or functionality of SIHUMIx.

<p>Intestinal microbiota are key determinants of gut homeostasis and affect various gut physiological and immune processes. Co-evolution has enabled the host and intestinal microbes to exist in a mutualistic relationship. However, interactions between the host and its intestinal microbiota exist in a delicate balance between mutualism and pathogenicity. Maintenance or disruption of this balance depends on a complex interplay between the microbiota and the host, as well as other gut luminal factors, including diet, that are poorly understood. The main goal of this thesis has been to study the host-gut luminal interactions that regulate gut physiology and immunity. In particular, <strong>Chapter 2</strong> centers on investigating the effect of perturbing the intestinal barrier using a non-steroidal inflammatory drug on host-microbial and dietary interactions in a mouse model of gluten sensitivity. I demonstrated that indomethacin-induced increase in intestinal permeability is associated with altered intestinal microbiota composition, systemic antibody development against intestinal bacteria and a shift in immune responses to the dietary antigen, gluten. <strong>Chapter 3</strong> focuses on investigating whether modulation of the intestinal microbiota can affect the host’s susceptibility to intestinal injury. I used mice with defective intracellular bacterial receptor signaling because discrimination between commensals and pathogens is, in part, achieved by a family of receptors that recognize conserved bacterial components. I demonstrated that the microbiota with which these mice are colonized influences the expression of RegIII-γ, a type of antimicrobial peptide, and susceptibility to intestinal injury. To gain further insight on the effect of microbiota on antimicrobial peptides, in <strong>Chapter 4</strong> we conducted a combination of gnotobiotic and <em>in-vitro</em> experiments where we identified that specific components of the microbiota differentially regulate RegIII expression. Further examination showed that <em>MyD88 a</em>nd <em>Ticam1 </em>genes, which are signaling adaptor proteins of pattern recognition receptors, are essential regulators of microbial–induced RegIII expression by intestinal epithelial cells. Collectively, the work presented in this thesis provides novel insight on the bi-directional interaction between the host and the gut luminal content as well as of potential beneficial effects of microbiota-modulating strategies in maintaining homeostasis and preventing disease.</p> / Doctor of Philosophy (Medical Science)

La pression sur les quotas de pêche et l’augmentation de la production aquacole ont contribué à une substitution importante des farines et des huiles de poisson incorporées dans les aliments pour poissons carnivores, par des farines et des huiles végétales. La truite arc-en-ciel, qui est un poisson carnivore, est affectée par ce changement de régime. Ainsi un retard de croissance apparaît dès le plus jeune stade si certaines transformations et supplémentations ne sont pas apportées aux végétaux. L’objectif de ce travail a été d’évaluer, aux stades alevins et juvéniles, l’impact d’une substitution totale des huiles et farines de poisson sur le tractus digestif de la truite arc-en-ciel, et plus particulièrement sur ses capacités digestives et sur la composition de son microbiote intestinal. Le but in fine étant de déterminer si certaines enzymes de la digestion, transporteurs intestinaux, ou sous-communautés bactériennes sont impactés par le changement de régime et peuvent expliquer le retard de croissance observé. Chacun de ces facteurs ont été étudiés via une approche de métagénomique par séquençage de nouvelle génération NGS pour la caractérisation du microbiote, et via de la PCR quantitative et des mesures d’activités enzymatiques pour la comparaison des capacités digestives. Des lignées isogéniques de truites, identifiées comme divergentes dans leur réponse à l’alimentation végétale (capables d’adaptation ou réfractaires) ont permis de disposer d’un matériel biologique pertinent pour répondre à cette question. Une modification du microbiote intestinal associé à la muqueuse digestive pourrait également contribuer à la baisse de l’homéostasie intestinale. Le changement de régime conduit en effet à une équitabilité plus faible chez les truites ayant reçue un aliment végétal, ce qui reflète un changement dans la représentativité de certains OTUs. Ce changement de régime s’est également traduit par des communautés dissimilaires en moyenne à 70 %, d’après l’estimation de la β-diversité entre les communautés de truites nourries avec l’aliment marin et celles nourries avec l’aliment végétal. La sélection opérée par l’aliment a conduit à un remplacement des OTUs rencontrés au sein des Firmicutes, c’est-à-dire que différentes espèces bactériennes de Firmicutes sont rencontrées suivant le régime considéré. La comparaison de communautés bactériennes entre les différentes lignées isogéniques a montré que la sélection opérée par le génotype de l’hôte a davantage eu lieu sur le remplacement des β-Protéobactéries. Enfin, les comparaisons d’abondances en certaines espèces bactériennes particulières suggèrent que les bactéries Cetobacterium somerae, capables de synthétiser de la vitamine B12, et Shewanella, dont l’implication dans la stimulation des cellules β du pancréas endocrine a déjà été observée chez d’autres espèces, pourraient être impliquées dans la réponse métabolique des truites aux végétaux. Les modifications identifiées dans ce travail constituent des indicateurs biologiques qui pourront être mis à profit pour évaluer la réponse du tractus digestif des truites à de nouvelles formules alimentaires. / Over-fishing pressure and increasing aquaculture production led to an important substitution of fish oil and fish meal with oil and meal from plant origin in feed meant for farming fish. However this replacement has some deleterious incidence on fish. For rainbow trout, which are carnivorous fish, some growth delay often appears from the early life stages when they are fed with plant based diet. The aim of this work was to assess, at alevin and juvenile stages, the impact of a total replacement of fish meal and oil on rainbow trout gastrointestinal tract, and more particularly on the digestive capacity and the associate microbiota. The objective, in fine, being to determine if some digestive enzymes, intestinal transporters, or bacterial communities are impacted by the dietary replacement and if these biological factors can be related to the observed growth delay. Metagenomic approach using next generation sequencing was used to characterize the gut bacterial communities, while digestive capacity was assessed through quantitative PCR and enzymatic measurements in order to compare rainbow trout responses to a plant-based diet. In our investigations, rainbow trout isogenic lines that diverge in their response to this alternative diet (tolerant or rather reluctant) were adopted because they constitute a pertinent biological material for answering this question.In alevin rainbow trout, a plant-based diet led to an increase of pepsinogen, trypsinogen, and chymotrypsinogen genes which codes for proteolitic enzymes. Two main assumptions can explain this response, and their effectivness remains to investigate: wether this is a physiological response due to a lower weight of trout fed with the plant-based diet, or so it is due to an increase transcritpion of pancreatic enzymes to compensate for a reduction of protein digestibility. In the intestine, it appears that an increase transcription of IAP, SGLT1, CCK-t, and PEPT1 genes, and a decrease transcription of GLUT2 gene under a plant-based diet could reflect a disability to grow under a vegetable diet.In juvenile rainbow trout, a plant-based diet led to a decrease of lipid digestibility, and of triglycerides and total amino acid plasmatic levels. These perturbations could be explained in part by a decrease of the phosphatase alkaline activity, which suggest perturbancesof intestinal homeostasis, and by a decrease of phospholipase A2 activity. Transcriptional decrease of the triglycerides transporter MTP and of the prolidase, which is a peptidase from intestinal cell cytosol, has also been observed. Some modification of the microbiota associated to the intestinal mucosa could also contribute to the decrease of the intestinal homeostasis. The dietary replacement effectively led to reduce evenness of the bacterial communities in trout fed with a plant-based diet, which reflected a shift in the representativeness of some OTUs. Bacterial community from trout fed with a marine diet and trout fed with a plant-based diet were on average 70 % dissimilar. Dietary substitution led to the replacement of OTUs from the Firmicutes class, different bacterial species being observed according to the considered diet. The comparison of bacterial community between the isogenic lines showed that the genotype led to the replacement of β-Proteobacteria. Finally, abundance comparison suggested that Cetobacterium somerae, which is able to synthesise vitamin B12, and Shewanella, which has already been reported to stimulate pancreatic β cells, could be implicated in the trout response to vegetable.Modifications observed in this work constitute biological indicator that could be used to assess the response of the digestive tract to future feed formulations.

Les probiotiques font partie du microbiote commensal. Ils ont le potentiel de stimuler la réponse immunitaire intestinale et systémique. Le virus de la grippe est à l’origine de morbidité importante. De plus, il favorise les infections bactériennes secondaires telles que Neisseria meningitidis. Nous nous sommes intéressés à l’étude des mécanismes de protections conférées par la souche Lactobacillus paracasei CNCM I-1518 sur une infection par le virus de la grippe dans un modèle de souris. Nos résultats ont montré que le gavage des souris avec la souche L. paracasei pendant 7 jours avant l’infection grippale a permis une activation des cytokines pro-inflammatoires et un recrutement massif des cellules immunitaires dans les poumons. Cette activation du système immunitaire est responsable après infection grippale d’une meilleure clairance du virus de la grippe et d’une réponse inflammatoire moins importante comparée aux souris témoins. L’administration orale à des souris du peptidoglycane de la souche L. paracasei a permis de retrouver partiellement le phénotype protecteur observé avec la bactérie entière. Les effets protecteurs induits par L. paracasei CNCM I-1518 lui sont spécifiques car l’utilisation de 2 souches L. rhamnosus CNCM I-3690 et L. paracasei CNCM I-3689 n’ont pas conférées aux souris une protection contre la grippe. L’étude de l’impact de la souche L. paracasei CNCM I-1518 sur une infection secondaire par N. meningitidis après infection grippale a montré que le gavage des souris par la souche L. paracasei permet un meilleur état clinique associé à une modulation de la réponse immunitaire et une clairance de l’infection bactérienne secondaire plus efficace / Probiotics are part of the commensal microbiota. They play a potential role in stimulating the intestinal and systemic immune response. Several clinical studies addressed beneficial effect of probiotics against respiratory infections in particular on influenza infections. These infections are responsible for significant morbidity. The burden of flu is also worsened by secondary bacterial infections such as Neisseria meningitidis. In this work, we investigated the mechanisms of protection against influenza infection conferred by Lactobacillus paracasei CNCM I-1518 strain in mice. Our results showed that, L. paracasei consumption allow an early activation of pro-inflammatory cytokines and a massive recruitment of immune cells in the lungs prior to influenza infection. This activation of immune system was associated with a faster clearance of influenza virus after infection. We able to show that feeding mice with purified peptidoglycan from L. paracasei reproduced partially the above mentioned effects observed with L. paracasei bacteria feeding.The protective effects induced by L. paracasei CNCM I-1518 against the flu infection are strain specific as L. rhamnosus CNCM I-3690 and L. paracasei CNCM I-3689, tested under the same conditions did not confer to mice protection against influenza infection. Subsequently, we investigated the impact of L. paracasei CNCM I-1518 on secondary bacterial infection with N. meningitidis following influenza infection. Our results showed that consumption of L. paracasei CNCM I-1518 strain was associated with a better clinical status and a modulation of the immune response with a better clearance of secondary bacterial infection

L’utilisation d’agents anti-TNF a grandement amélioré la prise en charge de certaines maladies inflammatoires chroniques comme la polyarthrite rhumatoïde (PR) ou les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI). Cependant, le quart des patients environ ne vont pas répondre au traitement ou présenteront une perte de réponse secondaire. Des marqueurs prédictifs de réponse sont nécessaires afin limiter les effets secondaires et les coûts inutiles en ciblant les patients qui pourraient être améliorés par les anti-TNF. Ces travaux de recherche se sont dans un premier temps concentrés sur l’importance de l’immunogénicité de ces traitements. Des anticorps anti-médicaments (ADAs) étaient bien associés à un taux bas d’anti-TNF avec des conséquences cliniques en termes de perte de réponse clinique et d’absence de cicatrisation muqueuse dans les MICI. Des seuils cliniques d’interprétation des tests biologiques pour la détection du médicament et de ses anticorps ont pu être définis et correspondent à 4.9 μg/ml pour l’infliximab et 200 ng/ml pour les ADAs. Ces résultats obtenus par ELISA sont bien corrélés avec les tests fonctionnels réalisés en parallèle et confirment l’intérêt de cette technique dans ce dépistage. Les ADAs étaient diminués par traitement immunosuppresseur concomitant. Ensuite, la persistance d’une infection chronique mise en évidence par des anticorps anti-bactériens a été évaluée en tant que marqueur prédictif de réponse aux anti-TNF. Aucun résultat statistiquement significatif n’a pu être relevé sur ces premières données, que ça soit pour les anticorps dirigés contre la flore intestinale pour les MICI ou contre le microbiote oral dans la PR. Seul un taux élevé de MMP-3 à l’initiation de l’infliximab chez les patients PR prédisait d’une bonne réponse clinique selon les critères de l’EULAR par la suite / The use of anti-TNF agents has greatly improved the management of chronic inflammatory diseases such as rheumatoid arthritis (RA), or chronic inflammatory bowel disease (IBD). However, about a quarter of patients will not respond to treatment or will present a secondary loss of response. Predictive biomarkers of response are needed to reduce side effects and unnecessary costs by targeting patients that could be improved by anti-TNF. This research work was initially focused on the importance of immunogenicity of these treatments. Anti-drug antibodies (ADAs) were well associated with low levels of anti-TNF with clinical consequences in terms of loss of clinical response and absence of mucosal healing in IBD. Clinical thresholds for drug and ADAs have been defined and correspond to 4.9 μg/ml for infliximab and 200 ng/ml for ADAS. These results obtained by ELISA correlate well with functional tests done in parallel, and confirm the value of this technique for screening. The ADAs were decreased with concomitant immunosuppressive therapy. Then, the persistence of chronic infection as evidenced by anti-bacterial antibody was evaluated as a predictive marker for response to anti-TNF. No statistically significant results could be raised on these first data, for antibodies against the intestinal flora in IBD or against the oral microbiota in RA. Only high levels of MMP-3 at the initiation of infliximab in RA patients predicted a good clinical response according to the EULAR criteria

La voie des RLR (RIG-I like Receptors) joue un rôle essentiel dans la détection des virus à ARN, déclenchant une réponse immunitaire antivirale grâce au recrutement de la protéine adaptatrice mitochondriale MAVS (Mitochondrial AntiViral Signaling protein). Nous avons mis en évidence que les souris déficientes pour la protéine MAVS (MAVS KO) présentaient un phénotype proallergénique dans un modèle d'inflammation stérile d'hypersensibilité retardée de contact (HSRC) qui reproduit la dermatite allergique de contact (DAC) chez l'homme. Nous avons caractérisé le système immunitaire des souris MAVS KO en condition d'équilibre et durant la réponse d'HSRC. Nous avons identifié un rôle du microbiote intestinal des souris MAVS KO dans l'exacerbation de réponse d'HSRC et mis en évidence une dysbiose du microbiote bactérien. Nous avons démontré que la dysbiose était responsable du phénotype inflammatoire observé, phénotype transmissible à des souris sauvages par des expériences de cohébergement et de transplantation fécale. Cette dysbiose induit une augmentation de la perméabilité intestinale chez les souris MAVS KO lors de la réponse d'HSRC, aboutissant à une translocation bactérienne dans les organes lymphoïdes et à la modulation des réponses immunitaires à l'origine de l'exacerbation de réponse d'hypersensibilité. La 2ème partie de ma thèse vise à étudier les conséquences de la déficience en MAVS sur le métabolisme glucidique. Nos expériences ont démontré que les souris MAVS KO développaient une surcharge pondérale et une insulino-résistance sous régime riche en lipides et sucrose, dépendants de la dysbiose intestinale. Au niveau cellulaire, une altération des interactions aux points de contact entre la mitochondrie et le réticulum endoplasmique a été observée. Nos résultats permettent d'envisager le développement de nouvelles approches thérapeutiques des pathologies allergiques et métaboliques humaines par la modulation du microbiote intestinal / RIG-I like receptors (RLRs) play a major role in response to cytosolic viral RNAs by initiating an antiviral immune response through the recruitment of the mitochondrial adaptor protein MAVS (Mitochondrial AntiViral Signaling protein). We showed that MAVS-deficient mice developed an exacerbated response in a sterile inflammatory model of Contact Hypersensitivity (CHS), that reproduces the pathophysiology of allergic contact dermatitis (ACD) in human. We characterized the immune system of MAVS KO mice at steady state and during CHS response. We found that MAVS deficiency leads to changes in the gut bacterial composition suggesting an unexpected role of the RLR pathway in the regulation of intestinal homeostasis. We demonstrated that intestinal dysbiosis is responsible for the increased CHS response, and showed that the inflammatory phenotype of MAVS KO mice can be transferred to WT mice by cohousing and fecal transplantation. We demonstrated that the dysbiotic gut microbiota exerts its effect due to an increased intestinal permeability during DTH sensitization. The ensuing bacterial translocation within lymphoid organs enhances characteristic cytokines production that increases CHS response. The 2nd part of my thesis aimed to study the consequences of MAVS deficiency on glucose metabolism. Our experiments showed that MAVS KO mice exhibit disorders of glucose homeostasis during high fat diet (HFD) associated with the development of overweight and insulin resistance. We also observed alterations of MAM (Mitochondria-associated endoplasmic reticulum membranes), contact poins between mitochondria and endoplasmic reticulum. Recent preliminary data suggested that the metabolic disorders associated with MAVS deficiency are due to intestinal dysbiosis. Our results highlight a new role for the RLR pathway and allow to consider the development of new therapeutic approaches to human allergic and metabolic diseases by modulation of the intestinal microbiota