La prévalence des maladies chroniques, dont les maladies cardio-métaboliques font partie, ne cesse d'augmenter mondialement. Les avancées dans le domaine du microbiote intestinal dans les dernières années montrent des liens de causalité entre les bactéries qui colonisent l'intestin et les métabolites qu'elles produisent. Le microbiote intestinal est donc une cible potentielle pour la prévention ou le traitement des comorbidités associées à l'obésité. La perte rapide de masse grasse peut conduire à la libération endogène de molécules liposolubles aux effets potentiellement nocifs, comme les polluants organiques persistants (POP). L'objectif de la première étude était d'évaluer l'impact d'un extrait prébiotique de canneberge riche en polyphénols sur la libération de POP pendant la perte de poids. Malgré la perte de graisse plus importante chez les souris traitées à l'extrait de canneberge, leurs taux circulants de POP n'ont pas augmenté et leur homéostasie du glucose s'est améliorée par rapport aux souris traitées avec le véhicule. L'extrait a également induit des changements dans le microbiote intestinal, y compris la prolifération de Parvibacter, un membre de la famille des Coriobacteriaceae qui a un rôle potentiel dans le métabolisme des xénobiotiques. L'objectif de la deuxième étude était de déterminer l'impact de l'hébergement de souris axéniques colonisées avec le microbiote intestinal de souris traitées à l'extrait de canneberge enrichi en proanthocyanidines ou de leurs homologues traitées avec un véhicule. Nous avons observé un phénotype hépatique opposé entre les deux secteurs d'hébergement, conventionnel ou axénique-gnotobiotique, ainsi qu'un impact sélectif sur la colonisation des taxons microbiens ainsi que sur le profil des métabolites fécaux. Ces résultats suggèrent que l'environnement dans lequel les souris gnotobiotiques sont logées influence fortement la composition et la fonction du microbiote intestinal et peut conduire à des phénotypes distincts après la colonisation. Une meilleure standardisation de l'utilisation des souris gnotobiotiques est nécessaire et des conditions d'hébergement strictes devraient être suivies. Les modèles animaux de pathologies humaines sont classiquement nourris avec des diètes purifiés contenant de la caséine comme unique source de protéines. L'objectif de la troisième étude est de montrer que la source de protéine consommée influence le développement de l'obésité et de la résistance à l'insuline induites par la diète. En effet, un mélange de protéines représentatif de la consommation humaine a augmenté le gain de poids, l'hyperinsulinémie et la voie de signalisation hépatique mTORC1/S6K1 par rapport à la caséine seule. Ces effets impliquent des altérations majeures de la composition microbiote intestinal et de la production microbienne d'acides gras à chaîne ramifiée, qui, dans les hépatocytes en culture, augmentent la production de glucose et activent la voie mTORC1/S6K1. Ces travaux montrent l'importance de considérer les sources de protéines dans les diètes animales et proposent des mécanismes d'actions potentiels des protéines alimentaires sur la santé métabolique. L'objectif de la quatrième et dernière étude était de déterminer si la supplémentation en Lacticaseibacillus rhamnosus HA-114 accentuait l'impact bénéfique de la perte de poids sur la santé métabolique et cognitive. Cet essai de 12 semaines, randomisé, en double aveugle et contrôlé par placebo, a été effectué chez 152 adultes avec un surpoids suivant une intervention nutritionnelle pour induire une perte de poids contrôlée. Bien que la supplémentation en probiotiques n'ait pas potentialisé la réduction du poids corporel ou de la masse grasse, une diminution significative de l'insuline plasmatique, de l'HOMA-IR, du cholestérol-LDL et des triglycérides a été observée dans le groupe supplémenté en probiotiques uniquement. En ce qui concerne les traits liés à l'alimentation et à l'humeur, les effets bénéfiques ont été observés uniquement dans le groupe recevant la supplémentation en probiotiques ou étaient significativement plus importants dans ce groupe, y compris la diminution des tendances à la l'hyperphagie, la désinhibition et les envies de manger. Ce projet démontre la pertinence clinique de la supplémentation en probiotiques pour induire des résultats métaboliques et psychologiques bénéfiques chez les personnes en surpoids encours de perte de poids. Collectivement, ces études confirment la validité de cibler le microbiote intestinal afin d'atténuer les comorbidités liées à l'obésité. En outre, elles auront certainement un impact sur différents aspects de la prévention et du traitement de l'obésité et des troubles métaboliques en utilisant tout le potentiel du microbiote intestinal, pour lequel il reste encore beaucoup à comprendre et à découvrir. / The prevalence of chronic diseases, of which cardiometabolic diseases are part of continues to increase worldwide. Following advances in the field of gut microbiota in recent years, causal links between the bacteria that colonize the gut and the metabolites they produce have been demonstrated. The gut microbiota is therefore a potential target for the prevention or treatment of obesity-related comorbidities. Rapid fat loss can lead to the endogenous release of fat-soluble molecules with potentially harmful effects, such as persistent organic pollutants (POPs). The objective of the first study was to evaluate the impact of a prebiotic polyphenol-rich cranberry extract on the release of POPs during weight loss. Despite the greater fat loss in cranberry extract-treated mice, their circulating POP levels did not increase, and their glucose homeostasis improved following weight loss compared to vehicle-treated mice. The extract also induced changes in the gut microbiota, including the proliferation of Parvibacter, a member of the Coriobacteriaceae family that has a potential role in xenobiotic metabolism. The objective of the second project was to determine the impact of housing axenic mice colonized with the gut microbiota of mice treated with proanthocyanidin-riched cranberry extract or their vehicle-treated counterparts. We observed an opposite liver phenotype between the two housing sectors, conventional or axenic-gnotobiotic, as well as a selective impact on the colonization of microbial taxa and on the fecal metabolite profile. These results suggest the environment in which gnotobiotic mice are housed strongly influences the composition and function of the gut microbiota and may lead to distinct phenotypes after colonization. Better standardization of the use of gnotobiotic mice is needed and strict housing conditions should be followed. Animal models of human pathologies are classically fed with purified diets containing casein as the sole protein source. The objective of chapter 3 is to show that the source of protein consumed influences the development of obesity and insulin resistance induced by the diet. Indeed, a protein mixture representative of human consumption increased weight gain, hyperinsulinemia, and hepatic mTORC1/S6K1 signaling compared with casein alone. These effects involve major alterations in gut microbiota composition and microbial production of branched chain fatty acids, which, in cultured hepatocytes, increase glucose production and activate the mTORC1/S6K1 pathway. This work demonstrates the importance of considering protein sources in animal diets and proposes potential mechanisms of action of dietary proteins on metabolic health. The objective of the fourth and final project was to determine whether supplementation with Lacticaseibacillus rhamnosus HA-114 enhanced the beneficial impact of weight loss on metabolic and cognitive health. This 12-week, randomized, double-blind, placebo-controlled trial was conducted in 152 overweight adults with a nutritional intervention to induce controlled weight loss. Although probiotic supplementation did not potentiate reduction in body weight or fat mass, a significant decrease in plasma insulin, HOMA-IR, LDL cholesterol, and triglycerides was observed in the probiotic-supplemented group only. With respect to eating and mood-related traits, beneficial effects were observed only in the probiotic supplementation group or were significantly greater in this group, including decreased binge eating tendencies, disinhibition, and food cravings. This study demonstrates the clinical relevance of probiotic supplementation to induce beneficial metabolic and psychological outcomes in overweight individuals undergoing weight loss. Collectively, these studies confirm the relevance of targeting the gut microbiota to alleviate obesity-related comorbidities. Furthermore, they will certainly have an impact on different aspects of prevention and treatment of obesity and metabolic disorders by using the full potential of the gut microbiota, for which there is still much to understand and discover.

Les animaux ont toujours évolué avec leur microbiote. Toutefois, peu d’études ont analysé le rôle des bactéries sur la spéciation. Il a été démontré que le microbiote oriente la spéciation de son hôte. L’objectif principal de cette thèse est d’évaluer l’influence des bactéries sur la spéciation du grand corégone (Coregonus clupeaformis). Sous certaines conditions, il existe deux espèces de corégone qui ont évolué de façon parallèle ; l’espèce naine et l’espèce normale qui sont caractérisées par des niches trophique et écologique différentes. Plusieurs types d’interaction hôte-bactéries ont été analysés au niveau de populations de corégones sauvages et de corégones captifs, qui ont été élevés dans des conditions identiques. Chez les corégones sauvages, les résultats supportent un effet de parallélisme au niveau de la diversité bactérienne, mais cet effet n’a pas été observé au niveau de la structure des communautés bactériennes entre l’espèce naine et normale. La présence d’un noyau bactérien très conservé au niveau du microbiote intestinal démontre une influence marquée de l'hôte sur ses communautés bactériennes. L’ensemble de ces résultats soulignent la complexité de l'holobionte (hôte + bactéries) en démontrant que la direction de sélection peut différer entre l'hôte et son microbiote. Chez les corégones captifs, la différence de la structure bactérienne chez les nains, les normaux et les hybrides F1 réciproques met en évidence l’influence de l’hôte sur le microbiote. Finalement, cette étude pionnière des communautés bactériennes du grand corégone ouvre la voie à des nouvelles directions de recherche liées à l’évolution de l’holobionte. / Animals have evolved with their microbiota. However, little is known about the role of bacteria over the course of this evolution. These last few years, it has been shown that the microbiota influences speciation by controlling the pre-zygotic and post-zygotic reproductive isolation. The main goal of the thesis is to analysis for the first time the influence of the microbiota on the Lake Whitefish (Coregonus clupeaformis) which represents a continuum in the early stage of ecological speciation. Some species pairs of dwarf (limnetic niche specialist) and normal (benthic niche specialist) evolved in parallel inside several lakes in northeastern North America. Bacterial communities have been compared among five wild sympatric species pairs of whitefish as well as captive dwarf, normal and hybrids whitefish reared in identical controlled conditions. For the wild fish, difference of the bacterial community structure was highlighted in the three studied interactions between the bacterial community and the host: host-pathogen, host-symbiont and host-transient bacteria. Although no parallelism was detected for the bacterial community structure for these interactions, it was highlighted at the bacterial diversity level. Moreover, parallelism was not observed within the bacteria community structure, likely because the water bacterial communities, studied in this thesis, and the biotic and abiotic factors were characterized by important variation between the lake populations of whitefish. Furthermore, results revealed a strong influence of the host (dwarf or normal) on the bacterial communities with pronounced conservation of the core intestinal microbiota. Finally, our result highlighted the complexity of the holobiont (host + bacteria), suggesting that the direction of selection could differ between the host and its microbiota. In fact, three evolutionary directions have been highlighted between the fish and its bacterial communities. For the captive whitefish, an influence of host (normal, dwarf and hybrids) was also detected on bacterial taxonomic composition. Hybrid microbiota was not intermediate and its composition fell outside of that observed in the parental forms. This pioneer study on the bacterial communities of the Lake whitefish opens new research fields related to the evolution of the holobiont.

Le microbiote intestinal humain est un important réservoir de gènes de résistance aux antibiotiques qui demeure toutefois méconnu. Dans cette étude, nous avons exploré les gènes de résistance du microbiote intestinal de participants sains avant et après une exposition à l’antibiotique cefprozil. Trois approches ont été utilisées pour caractériser ces gènes et examiner leur altération par les antimicrobiens : la métagénomique, la culturomique et la sélectomique recombinante. Le séquençage métagénomique et la culturomique ont permis d’identifier plusieurs gènes de résistance aux β-lactamines et à d’autres antibiotiques. Cependant, la culturomique a permis d’identifier ces gènes chez un plus grand nombre de participants. La culturomique a mis en évidence la présence de gènes de résistance à la vancomycine de type vanD dans les microbiotes de 46% des participants comparativement à 8% avec le séquençage métagénomique. La culturomique a aussi montré que l’exposition in vitro et in vivo à une β-lactamine stimule l’émergence des gènes vanD. La sélectomique recombinante, qui repose sur la construction de banques d’expression à partir de l’ADN des bactéries, a été utilisée pour caractériser de manière fonctionnelle les gènes de résistance aux β-lactamines chez les bactéries cultivables de l’intestin. Elle a permis d’identifier et caractériser cinq β-lactamases différentes dont deux montrant une activité à spectre étendu. La majorité des gènes de β-lactamases étaient associés à d’autres gènes de résistance et/ou des éléments mobiles. Ces travaux ont montré que la culture favorise l’identification de gènes non détectés par le séquençage métagénomique et que la sélectomique recombinante est un outil puissant pour caractériser les fonctions des gènes. Cette étude a aussi révélé que la prise d’une β-lactamine communément utilisée peut influencer l’abondance des bactéries qui contiennent des gènes de résistance à un antibiotique d’une autre classe, comme la vancomycine, un antibiotique de dernier recours dans l’arsenal des antimicrobiens. / The human intestinal microbiota is an important and poorly known antibiotic resistance genes reservoir. In this study, we explored resistance genes from the microbiota of healthy volunteers before and after exposure to the β-lactam cefprozil antibiotic. Three approaches were used to characterise resistance genes in the human microbiota and examine alteration by antimicrobials: metagenomics, culturomics and recombinant selectomics. Metagenomic and culturomic sequencing of intestinal microbiota enabled identification of several genes for resistance to β-lactams and other antibiotics. However, culturomics allowed identification of these genes in more participants than metagenomics. Culturomics highlighted the presence of the clinically important vancomycin resistance vanD-like genes in the microbiota of about 46% of participants compared to 8% with metagenomics. Culturomics also showed that in vitro and in vivo β-lactams exposition stimulates the emergence of vanD genes. Recombinant selectomics, which is based on the construction of expression libraries made with bacterial DNA, was also used to functionally characterise β-lactam resistance genes from the cultivable intestinal bacteria. It allowed identification and characterisation of five different β-lactamases including two with an extended-spectrum activity. The majority of β-lactamases genes was associated with other resistance genes and/or mobile elements. This study demonstrated that culture favors the identification of genes undetected by direct metagenomic sequencing and selectomics was a powerful tool to characterise gene functions. It also demonstrated that intake of a commonly used antibiotic of the β-lactam family can influence the abundance of bacteria containing resistance genes to an antibiotic from another class, such as vancomycin, which is a last resort antibiotic.

La flore intestinale, composée de l’ensemble des microorganismes retrouvés dans le tractus digestif, joue un rôle essentiel dans le développement et l’homéostasie du système immunitaire. Son altération est associée à de multiples maladies inflammatoires ayant des répercussions non seulement à l’intestin, mais bien dans l’ensemble de l’organisme. Les causes de cette dérégulation restent toutefois méconnues. Parmi les multiples facteurs susceptibles de moduler sa composition, on retrouve plusieurs enzymes bactéricides produites à l’intestin. L’une de ces protéines, la phospholipase A2-IIA sécrétée (sPLA2-IIA), est fortement surexprimée en condition inflammatoire. Nous avons émis l’hypothèse que la surexpression de la sPLA2-IIA à l’intestin au cours de maladies inflammatoires pourrait altérer la composition de la flore intestinale, contribuant ainsi à la physiopathologie de ces maladies. L’utilisation de souris surexprimant la sPLA2-IIA humaine (sPLA2-IIATGN) nous a permis d’observer l’apparition spontanée d’un désordre immunitaire encore jamais caractérisé dans ce modèle. En nous intéressant à l’impact de cette enzyme sur la flore intestinale, nous avons pu identifier plusieurs altérations dans le microbiome de ces souris. Nos résultats suggèrent également que l’environnement, et plus spécifiquement le microbiote intestinal, joue un important rôle dans le développement de ce désordre immunitaire. Nos résultats suggèrent que la modulation de l’inflammation systémique par la sPLA2-IIA est dépendante de la flore intestinale. / The mammalian digestive tract harbors trillions of microorganisms that collectively form the intestinal microbiota. This flora has been shown to play a prominent role in the development and homeostasis of the immune system. As such, its alteration was associated with a wide array of inflammatory diseases with intestinal and systemic afflictions. However, the cause of this unbalance remains poorly understood. While the intestinal flora may be regulated by a large number of environmental factors, multiple endogenous intestinal enzymes have been shown or proposed to play an important part in the shaping of its composition. One of those enzymes, the secreted phospholipase A2-IIA (sPLA2-IIA), possesses great bactericidal properties and is overexpressed during multiple inflammatory disorders. We hypothesized that the overexpression of sPLA2-IIA in the intestine during inflammatory processes could alter the composition of the intestinal microbiota, thereby contributing to the pathophysiology of those diseases. To verify this hypothesis, we used transgenic mice overexpressing the human sPLA2- IIA (sPLA2-IIATGN) and observed a yet uncharacterized spontaneous immune disorder in this model. We aimed to evaluate the impact of sPLA2-IIA on the intestinal flora in this model. We identified multiple alterations in the microbiome of sPLA2-IIATGN mice. Our results also suggest that the environment, and more specifically the intestinal microbiota, play a prominent role in the development of this immune disorder. Our results suggest that the modulation of systemic inflammation by sPLA2-IIA is dependent upon the intestinal flora.

Les liens entre le microbiote intestinal, la diète et les désordres métaboliques sont maintenant établis. Les polyphénols des petits fruits affectent les bactéries pathogènes dans le côlon, et stimulent les bactéries symbiotiques, particulièrement Akkermansia muciniphila chez l'homme et dans des modèles murins. Cette bactérie muciphile contribue à l'homéostasie intestinale et induit une réponse immunitaire et métabolique bénéfique chez l'hôte. Cependant, on comprend mal comment les polyphénols peuvent sélectivement l'affecter et l'analyse traditionnelle métagénomique obtenue d'études in vivo n'offre qu'une image partielle des mécanismes impliqués. Cette thèse vise à évaluer, par des approches in vivo et in vitro, comment les polyphénols modifient le microbiote intestinal, la morphologie de l'épithélium du colon, la niche écologique d'Akkermansia, et par extension affectent le métabolisme de souris soumises à une diète obésogène. Une attention particulière a été portée à l'effet de ces composés sur la croissance d'A. muciniphila et les mécanismes moléculaires qu'ils induisent chez la bactérie. Dans un premier chapitre, l'effet des poudres de fruits canneberge et de bleuets riches en polyphénols et leurs fractions fibreuses a été étudié chez des souris soumises à une diète obésogène (HFHS) pendant 8 semaines afin d'évaluer lesquels des polyphénols ou des fibres sont responsables de l'effet prébiotique observé. Cette étude a démontré que ce sont surtout les polyphénols contenus dans les poudres de canneberges et de bleuets entiers qui sont responsables de l'action prébiotique, notamment en stimulant A. muciniphila. En effet, la poudre de canneberge comme celle de bleuets inhibent particulièrement les pathogènes induits par la diète HFHS. En outre, l'analyse de redondance fonctionnelle a révélé que la consommation de poudre de canneberge riche en polyphénols permettait au microbiote de souris obèses de retrouver les fonctions de celui de souris maigres. Ces souris présentaient un poids et une efficacité énergétique inférieurs à celui des souris non traitées. De plus, d'autres bactéries symbiotiques étaient favorisées par les poudres de fruits entiers : Muribaculaceae, Dubosiella newyorkensis et Eggerthellaceae. Fait intéressant, les fibres de canneberge inhibaient également les pathogènes, favorisaient des bactéries dégradant les polyphénols et réduisaient les triglycérides hépatiques chez les souris obèses. Ces résultats mettent en évidence le potentiel des polyphénols, même lorsqu'ils sont associés aux fibres, à atténuer les désordres métaboliques. Le deuxième chapitre s'intéresse à identifier les catégories de polyphénols impliquées dans l'accroissement du nombre de bactéries symbiotiques et particulièrement d'A. muciniphila. Les souris soumises à une diète obésogène ont été traitées avec un extrait de bleuet ou trois de leurs fractions polyphénoliques : F1, riches en anthocyanes et en acides phénoliques; F2, riche en oligomères de proanthocyanidines (PACs) ainsi qu'en flavonols; et F3 riches en polymères de PACs. Ces sous-fractions ont été administrées aux souris dans les mêmes concentrations que celles retrouvées dans l'extrait entier. Globalement, les fractions polyphénoliques ont restauré l'épaisseur de la couche de mucus, mais particulièrement les fractions riches en PACs ont significativement stimulé A. muciniphila, tout en améliorant la proportion de cellules caliciformes et le métabolisme du glucose chez les souris obèses. Enfin le dernier chapitre s'intéresse aux mécanismes par lesquels les polyphénols favorisent la croissance de A. muciniphila dans l'intestin. Des cultures d'A. muciniphila ont donc été effectuées dans des milieux enrichis en polyphénols afin d'évaluer les gènes impliqués dans le métabolisme cellulaire et dans la résistance aux antimicrobiens; les pompes à efflux non spécifiques, les polysaccharides capsulaires (CPS), les exopolysaccharides (EPS), les transporteurs de type ABC-2 et de resistance-nodulation-cell division (RND) ont joué un rôle crucial dans la résistance et l'adaptation de la bactérie aux polyphénols. La croissance d'A. muciniphila n'a pas été inhibée par l'extrait de canneberge entier ni par ses fractions polyphénoliques, mais elle a été stimulée par l'urolithine-A. Cette expérience in vitro a démontré que les polymères de PACs favorisent davantage les mécanismes d'adaptation antimicrobienne impliqués dans la protection des parois cellulaires et la régulation énergétique chez Akkermansia. Parallèlement à l'urolithine-A, les polymères de PACs ont induit la production du CPS et du EPS chez A. muciniphila. Ces CPS/EPS pourraient contribuer aux rôles immunomodulateur et anti-obésité d'A. muciniphila et par conséquent constituer des postbiotiques prometteurs. Cette thèse démontre la sélectivité des polyphénols, principalement des PACs, dans l'inhibition des pathogènes associés à l'obésité et dévoile les mécanismes moléculaires qui sous-tendent leurs effets prébiotiques sur A. muciniphila. / The link between gut microbiota, diet and metabolic diseases is now established. Polyphenols from berries and other dietary sources have been shown to inhibit opportunistic pathogens and stimulate symbiotic bacteria, particularly Akkermansia muciniphila in humans and animals. A. muciniphila is a mucus-living bacterium shown to contribute to the intestinal homeostasis and to drive beneficial immune and metabolic response in the host. However, it is not yet known how polyphenols can selectively affect A. muciniphila from in vivo studies, since regular metagenomic analysis of the gut microbiota only provide a partial picture of the mechanisms involved. This thesis aims to determine, through in vivo and in vitro approaches, the prebiotic effect of polyphenols and how they affect the physiology and intestinal morphology and the ecological niche of Akkermansia in obesogenic diet-fed mice. Particularly, it focusses on the molecular capacity of A. muciniphila to induce defence mechanisms and adapt to distinct polyphenolic fractions. In the first chapter, in order to assess which constituent of berries was responsible for the prebiotic action, we compared the effect of the dietary supplementation with polyphenol-rich cranberry and blueberry fruit powders to their respective fibrous fractions (cell wall polysaccharides) of high-fat high-sucrose (HFHS) fed mice for 8-weeks. We demonstrated that the polyphenols from cranberry and blueberry fruit powders are mainly responsible for the selective prebiotic effects on A. muciniphila rather than their fibre-rich fractions. Both cranberry and blueberry whole fruit powders inhibited HFHS-induced pathobionts associated with obesity. A functional redundancy analysis revealed that the gut microbiota functions of obese mice were remarkably changed by polyphenol-rich whole cranberry powder, restoring it back to that observed in lean mice; that is, they presented lower body weight and energy efficiency as compared to untreated mice. Furthermore, other symbiotic bacteria were influenced by polyphenol-rich berry powders, notably Muribaculaceae, Dubosiella newyorkensis, and the polyphenol-degrading Eggerthellaceae; these mice presented a lower body weight and energy efficiency as compared to untreated mice. Surprisingly, cranberry fibrous fraction also inhibited pathobionts and promoted polyphenol-degrading families and reduced the hepatic triglycerides level in HFHS-fed mice. Altogether, these findings highlight the role of polyphenols associated with fibres, in attenuating obesity. The second chapter aimed to identity which polyphenolic category was mostly responsible for the prebiotic effect and the abundance of A. muciniphila. HFHS-fed mice were treated with a whole blueberry extract and with the three constitutive polyphenolic fractions: F1, rich in anthocyanins and phenolic acids, F2, rich in oligomeric proanthocyanidins (PACs) and flavonols, and F3 rich polymeric PACs. These sub-fractions were administered to mice at the same concentration as encountered in the whole extract. All in all, the polyphenolic fractions restored the mucus thickness, but the PAC-rich fractions besides stimulating A. muciniphila, increased the proportion of goblet cells and improved the glucose homeostasis in obese mice. Finally, the third chapter looks at the mechanisms by which polyphenols promote the growth of A. muciniphila. Growing assays of A. muciniphila were carried out in polyphenols enriched media in order to assess the expression of genes involved in cell metabolism and antimicrobial resistance. Genes coding for multidrug efflux pumps, capsular polysaccharide (CPS) family, exopolysaccharides (EPS), and ABC-2 type and resistance-nodulation-cell division (RND) transporters were shown to play a crucial role in allowing the bacteria to withstand the different cranberry polyphenolic fractions and adapt to the stress they caused. A. muciniphila growth was not inhibited by the whole cranberry extract neither by its polyphenolic fractions, but enhanced by the phenolic metabolite urolithin-A. Moreover, we showed that the polymeric PACs were triggering most intensively the antimicrobial adaptation mechanisms involved in cell-wall protection and energy management in A. muciniphila. Both of these fractions up-regulated CPS and EPS in A. muciniphila. CPS/EPS secretion in presence of polyphenols might represent promising post-biotic products, possibly involved in the immune modulatory and anti-obesity potential by A. muciniphila. Altogether, this thesis demonstrates for one of the first times that berry polyphenols and their PAC-rich fractions are responsible for the prebiotic-like effect on A. muciniphila, and the inhibition of specific pathobionts associated with obesity and unveils the molecular mechanisms underpinning the resilience of this bacterium to phenolics.

Les pollinisateurs sont importants pour la biodiversité, en plus de fournir des services écosystémiques essentiels à plusieurs cultures agricoles et autres espèces végétales à l'échelle mondiale. Les pollinisateurs sauvages et domestiques (dont Apis mellifera) ont subi d'importantes pertes récentes en raison de l'utilisation de pesticides. Il est urgent de trouver des alternatives aux effets néfastes de la clothianidine (une molécule de la famille des Néonicotinoïdes) sur la santé des abeilles, car elle persiste dans l'environnement et agit sur la santé des abeilles et leur microbiote intestinal. L'objectif principal de cette thèse était double : (1) de mettre en évidence un outil de biosurveillance des colonies d'abeilles basé sur des biomarqueurs microbiens qui sont sensibles à des concentrations sous-létales de la clothianidine, un composé de la famille des néonicotinoïdes et (2) de mettre en place une formulation d'un supplément probiotique composé de symbiotes clés endogènes de l'Abeille qui aiderait à la restauration des propriétés métaboliques et protectrices de la flore intestinale de l'Abeille en réponse à une exposition à la clothianidine. Les connaissances acquises dans le cadre de cette recherche sur l'influence d'un gradient de concentrations de clothianidine sur (1) les interactions d'activité entre les membres cœur et non cœur du microbiote intestinal d'Apis mellifera, (2) y compris les souches opportunistes potentielles, (3) ainsi qu'un lien possible entre le pesticide clothianidine et une perturbation de l'axe microbiote-immunité sont sans précédent. Nos résultats montrent que le degré de dysbiose du microbiote intestinal dépend à la fois (1) de l'intensité de l'exposition de l'Abeille domestique aux xénobiotiques ainsi que (2) de la section de son intestin. Nous avons également mis en évidence l'importance des réseaux d'interaction d'activité au sein du microbiote pour mesurer l'impact de l'exposition aux pesticides sur la dynamique d'une communauté bactérienne de microbiome. Grâce aux réseaux d'interactions et à leur caractérisation (paramètres topologiques), cette thèse a mis en évidence le rôle crucial des taxas de faible activité fonctionnelle en leur suggérant un statut d'espèces clés de voute du microbiote intestinal de l'Abeille, et ce dans des sections intestinales bien spécifiques. Nos résultats exposent également un point de vue unique de l'implication des micro-organismes endogènes de l'Abeille mellifère dans (1) la réduction de l'impact nocif de la clothianidine sur la santé des colonies et (2) dans la restauration d'un microbiote intestinal stable. L'utilisation de microorganismes probiotiques dans la supplémentation alimentaire de l'Abeille domestique est une stratégie viable de gestion des ruches pour réduire l'impact négatif des xénobiotiques sous-létaux sur les colonies. / Pollinators are one of the most important components of global biodiversity that provide essential ecosystem services to cultivated crops and wild plant species worldwide. Wild and domesticated pollinators (including Apis mellifera) have experienced important recent losses. Globally, pesticides are increasing the mortality rate among honeybees (Apis mellifera). Is is now well-established that immune responses and insect behaviour are both influenced by the gut flora. There is a pressing need to find ways to alleviate the impact of pesticides, such as to clothianidin (Neonicotinoid molecule), that have detrimental effects on honeybee health and persists in the environment. The primary objective of this thesis was to highlight (1) a biomonitoring tool for bee colonies based on microbial biomarkers that are sensitive to sub-lethal levels of neonicotinoid family compounds and (2) a formulation of a probiotic supplement composed of key bee symbionts that would aid in the restoration of the bee's intestinal flora's metabolic and protective properties following neonicotinoid exposure. This novel research provided unprecedented information gained on the influence of clothianidin gradients on (1) the activity interactions between core and non-core members of the intestinal microbiota of Apis mellifera, (2) including potential opportunistic strains, and (3) the possible link between clothianidin pesticide and disturbance of the microbiota–immunity axis. Our findings imply how the degree of dysbiosis in the gut microbiota is dependent on both the intensity of xenobiotic exposure and the honeybee gut microbial section. Also, we highlighted the importance of activity interaction networks that appear to be a useful method for measuring the impact of pesticide exposure on a microbiome bacterial community dynamic. Interaction networks and their characterization (topological parameters) highlighted the crucial role of taxa of low functional activity by suggesting their status as keystone species of the honeybee intestinal microbiota, and this in specific intestinal sections. Our findings give a unique viewpoint on the involvement of honeybee endogenous microorganisms in (1) reducing the harmful impact of clothianidin on the health of honeybee colonies and (2) in restoring a stable honeybee gut microbiota. Using probiotic microorganisms in honeybee diets is a viable hive management strategy for reducing the negative impact of sublethal clothianidin concentrations and surely other environmental xenobiotics on honeybee colonies.

Titre de l'écran-titre (visionné le 8 novembre 2023) / Problématique : Les acides biliaires (AB), métabolites hépatiques du cholestérol, peuvent subir une glucurono-conjugaison qui limite leurs effets cytotoxiques et pro-inflammatoires et facilite leur élimination. Nous croyons que d'exploiter ce mécanisme permettrait de diminuer le fardeau des AB dans les maladies cholestatiques auto-immunes (MCAI). Cependant, des enzymes β-glucuronidase (GUS) au niveau du microbiote intestinal ont la capacité de renverser la réaction de glucuronidation hépatique. Les objectifs de mon projet étaient donc de : i) valider et caractériser la contribution des GUS à la « re-toxification » des AB-G; ii) identifier les facteurs contrôlant cette activité; et iii) déterminer le potentiel de modulation. Méthode : Des essais enzymatiques in vitro mesurant l'activité GUS ont été réalisés en présence de 11 espèces d'AB-G avec : des contenus intestinaux et des selles murines, différentes GUS bactériennes recombinantes ainsi que des selles provenant de volontaires sains ou de patients avec MCAI. Nous avons mesuré l'activité GUS avant et après la consommation de poudre de bleuets lyophilisée (PBL) ou de framboises surgelées (FS) ainsi qu'en présence d'inhibiteurs GUS pharmacologiques précédemment identifiés. Résultats : Les AB-G sont efficacement déconjugués in vitro chez la souris et chez l'humain (avec ou sans MCAI). On observe une grande variabilité selon l'individu, selon l'espèce et selon le site de glucuronidation sur le squelette des AB. Pour la modulation, la supplémentation en PBL diminue de manière sexe-dépendante l'activité GUS tandis que la réponse à la consommation de FS est plus hétérogène. Les approches pharmacologiques ont confirmé une possible inhibition de l'activité GUS envers les AB-G. Conclusion : En illustrant la capacité des GUS du microbiote intestinale à réactiver les AB et en montrant le potentiel de modulation d'une approche pharmaco-nutritionnelle, nos résultats contribuent à établir l'activité GUS comme une nouvelle cible pour la détoxification des AB dans le traitement des MCAI. / Problematic: Bile acids (BAs), hepatic metabolites of cholesterol, can undergo glucuronide conjugation, which limits their cytotoxic and pro-inflammatory effects and increases their elimination. We believe that harnessing this mechanism could reduce the burden of BAs in autoimmune cholestatic diseases (ACD). However, β-glucuronidase (GUS) enzymes in the gut microbiota can reverse this hepatic glucuronidation. The objectives of my project were to: i) validate and characterize the contribution of GUS to the "re-toxification" of BA-G; ii) identify the factors controlling this activity; and iii) determine the potential for modulation. Method: In vitro enzymatic assays measuring GUS activity were performed in the presence of 11 species of BA-G, using murine intestinal contents and feces, various recombinant bacterial GUS enzymes, as well as stool samples from healthy volunteers or patients with ACD. We measured GUS activity before and after the consumption of freeze-dried blueberry powder (BBP) or frozen raspberries (FR), as well as in the presence of previously identified pharmacological inhibitors. Results: BA-Gs are efficiently deconjugated in vitro in both mice and humans (with or without ACD). There is a high variability, depending on species, the site of glucuronidation on the BA skeleton and between individual. Regarding modulations, BBP supplementation decreases GUS activity in a sex-dependent manner, while the response to FR consumption is more heterogeneous. Pharmacological approaches confirmed a possible inhibition of GUS activity towards BA-Gs. Conclusion: By illustrating the ability of gut microbiota GUS enzymes to reactivate BAs and demonstrating the modulation potential of a pharmaco-nutritional approach, our results contribute to establishing GUS activity as a new target for the detoxification of BAs in ACDs.

Titre de l'écran-titre (visionné le 6 septembre 2023) / L'étude du microbiome intestinal est un champ de recherche scientifique qui s'applique à identifier la composition et les fonctions des micro-organismes qui résident dans l'intestin. Dans ce mémoire, je propose d'étudier la démarche des scientifiques d'un projet de la stratégie de recherche Sentinelle Nord de l'Université Laval. En particulier, je me concentre sur le projet 3.6 qui a pour but de comprendre la relation entre microbiome intestinal et santé mentale dans le contexte de la recherche en collaboration avec les communautés inuit du Nunavik. Mon projet s'articule autour de l'approche des systèmes expérimentaux (Rheinberger 1997) qui vient circonscrire mon étude dans l'exploration des pratiques expérimentales employées par les scientifiques du projet 3.6 pour produire des connaissances qui lie microbiome, santé mentale et environnement en cadrant les Inuit du Nunavik comme une « biologie locale » (Lock 1993). J'ai procédé à une collecte de données qualitatives à l'aide de l'analyse de la littérature scientifique pertinente pour cette recherche, d'entretiens semi-dirigés avec les scientifiques du projet 3.6, et de périodes d'observation des pratiques pendant les réunions de l'équipe et à l'intérieur des laboratoires. Dans mon analyse, j'avance que 1) le projet 3.6 s'est développé à partir des recherches sur la santé des Inuit du Nunavik qui ont cours depuis les années 1980 et autour de pratiques de collaboration avec les communautés inuit qui impacte la manière dont les connaissances sont produites; 2) que le microbiome est compris dans cette recherche comme un médiateur entre l'environnement et la santé mentale, ce qui incite les scientifiques à penser le « microbiome inuit » en relation intrinsèque avec le contexte et le mode de vie nordique; et 3) que la recherche 3.6 est orientée non pas seulement vers l'identification de facteurs de risque, mais aussi de « biomarqueurs de résilience » dans le microbiome intestinal des Inuit du Nunavik et dans l'environnement nordique. Ultimement, je propose que ces « biomarqueurs de résilience » puissent s'inscrire dans une « économie politique de l'espoir » pour les communautés inuit du Nunavik. / The study of the gut microbiome is a scientific field of research focused on identifying the composition and functions of micro-organisms living in the intestines. In this Master's thesis, I examine the activities of scientists working on a project affiliated with Sentinel North strategy's of researches at Laval University. Specifically, I explore the work of scientists working on subproject 3.6, whose objective is to understand, in collaboration with the Nunavik Inuit communities in the northern region of Québec, the relation between the gut microbiome and mental health. My project is grounded in an exploration of experimental systems (Rheinberger 1997), an approach that focuses on the experimental practices used by scientists, and particularly those of project 3.6, to produce knowledge that links the microbiome, mental health, and the environment by framing the Inuit of Nunavik as a "local biology" (Lock 1993). I drew on qualitative methods including analysis of scientific literature relevant to the project 3.6, interviews with Sentinel North' scientists, and observations of their practices during meeting and in laboratory settings. In this text, I propose that 1) project 3.6 was shaped by research on Nunavik Inuit Health carried out since the 1980 as well as by practices of collaboration with the Inuit communities, which have an impact on how knowledge is produced; 2) the microbiome is framed in this research as a mediator between environment and mental health, which reflects scientists understanding of the "Inuit microbiome" as intrinsically linked to the Nordic context and lifestyle; and 3) that project 3.6 is less oriented toward identification of health risks and more toward "biomarkers of resilience" inside the gut microbiome of Inuit people and the Nordic environment. Ultimately, I propose that those "biomarker of resilience" could be seen as inscribed in a "political economy of hope" in the context of Inuit communities of Nunavik.

La diète est un facteur déterminant de la modulation du microbiote intestinal. La diète et le microbiote intestinal interagissent pour affecter la composition corporelle de l'hôte. En fait, le microbiote intestinal est essentiel pour la digestion des aliments et, par conséquent, une variation du microbiome intestinal peut affecter la disponibilité des substrats énergétiques, le métabolisme de l'hôte et la composition corporelle. Les oligo-éléments sont considérés comme des micronutriments alimentaires ayant des fonctions importantes dans la physiologie microbienne et celle de l'hôte. De plus, des preuves scientifiques suggèrent que l'alimentation joue un rôle dans l'obésité et ses comorbidités, en partie grâce à ses interactions avec le microbiote intestinal de l'individu et son effet sur les médiateurs lipidiques de l'endocannabinoïdome impliqués dans le contrôle de l'énergie et de la satiété. Cette thèse vise à déterminer les effets de trois oligo-éléments alimentaires, le sélénium (Se), le fer (Fe) et le manganèse (Mn), en interaction avec la composition globale de la diète - faible en graisse et en saccharose (LFLS) et/ou élevée en graisse et en saccharose (HFHS) - et leur effet sur la modulation du microbiote intestinal et l'influence potentielle sur l'hôte via le système endocannabinoïde élargi, ou endocannabinoidome (eCBome) dans un modèle animal sensible à l'obésité. Les expériences ont été menées chez des souris (mâles et femelles). Les données ont ensuite été stratifiées pour évaluer l'influence du sexe sur les réponses des souris. Dans le premier chapitre, nous avons montré les effets de la variation alimentaire en sélénium (Se) sur la prise de poids, en particulier dans les diètes LFLS. En outre, l'effet du Se, en particulier des diètes enrichis en Se avec les diètes HFHS, a été associé à l'augmentation de l'abondance relative de familles microbiennes intestinales spécifiques telles que les *Peptostreptococcaceae* et les *Lactobacillaceae*. Parallèlement, il est démontré que les variations alimentaires de ce minéral modifient les niveaux de production des médiateurs endocannabinoïdes circulants tels que le 2-docosahexaenoyl-glycerol (2-DHG), un médiateur ayant des actions bénéfiques supposées sur le métabolisme et l'inflammation, et l'influence du Se sur l'expression des cytokines intestinales et des enzymes antioxydantes telles que la Gpx4. Dans un deuxième chapitre, compte tenu de l'influence du fer (Fe) en tant que cofacteur enzymatique ainsi que de son rôle dans la réponse immunitaire, les effets des variations du Fe alimentaire sur le microbiote intestinal et la réponse de l'hôte via l'eCBome ont été déterminés. Outre les endocannabinoïdes et les acides gras polyinsaturés (PUFAS), nous avons également mesuré les médiateurs lipidiques susceptibles de répondre de manière différenciée aux variations alimentaires du Fe. En ce sens, nous avons évalué la réponse des PGE$_\textup{1}$, PGE$_\textup{2}$, PGE$_\textup{3}$ et 1a,1b-dihomo PGF$_\textup{2α}$ intestinaux et l'expression des cytokines pro- et anti-inflammatoires au niveau intestinal. Selon les résultats, les diètes réduites en Fe ont favorisé l'abondance relative de familles microbiennes telles que *Eubacterium coprostanoligenes* et Streptococcaceae*. En ce qui concerne l'eCBome, plusieurs endocannabinoïdes ont été modulés par l'apport en Fe en interaction avec la composition de la diète. Plus précisément, les niveaux circulants de *N*-oléoylethanolamine (OEA) ont montré une augmentation associée à la diète LFLS enrichie en Fe, tandis que la diète HFHS réduite en Fe a montré une augmentation de *N*-arachidonoyl-ethanolamine (AEA). Parallèlement, la réponse des médiateurs inflammatoires intestinaux au Fe dans les diètes s'est traduite par une diminution des niveaux de prostaglandines PGE$_\textup{1}$, PGE$_\textup{3}$ et 1a,1b-dihomo PGF$_\textup{2α}$ dans le cæcum, sans changements significatifs dans l'expression des gènes intestinaux associés à l'inflammation. Finalement, le troisième chapitre étudie comment l'apport en Mn module la réponse endocannabinoïde intestinale en interaction avec la composition de la diète en macronutriments. Plus précisément, l'enrichissement en Mn a réduit les niveaux de *N*-acylethanolamines cæcales. En outre, nous avons constaté une forte réponse sexuelle en fonction du niveau de Mn, affectant la production iléale de 2-monoacyl-glycérols (2-MAGs) uniquement chez les souris femelles, ce qui suggère un rôle différentiel que cet oligo-élément chez les mâles et les femelles. En outre, l'enrichissement en Mn de l'alimentation a été associé à une réduction des amides d'acides gras intestinaux et de la production de prostaglandines, en particulier la *N*-Palmitoyl Glycine, la *N*-Oleyl-L-Serine et la PGE$_\textup{2}$, ce qui indique que ce minéral jouerait un rôle de transition dans la prévention de l'inflammation intestinale et la santé métabolique. Également, certaines familles microbiennes ont réagi différemment selon le sexe aux variations de concentrations de Mn dans l'alimentation. De manière plus générale, les résultats montrent qu'en fonction de la concentration alimentaire en oligo-éléments et de l'interaction avec la diète, les processus intestinaux sont modulés et contribuent à une réponse au stress alimentaire. Cette thèse montre ainsi comment des composants alimentaires complexes peuvent interagir avec l'écosystème qu'est le microbiote intestinal et le métabolisme de l'hôte. De plus, elle fournit des informations sur les concentrations optimales de ces 3 minéraux en interaction avec les macronutriments de l'alimentation. Ces concentrations sont importantes pour maintenir un bon état métabolique grâce à la production de lipides bioactifs qui participent à la réduction de la réponse inflammatoire intestinale et favorisent un état métabolique sain. De plus, ces concentrations optimales en micronutriments sont suffisantes pour restructurer le microbiote intestinal (chapitres I, II et III). Il convient de souligner que cette étude est la première à mettre en évidence la relation entre les micronutriments alimentaires, le microbiote intestinal et le système endocannabinoïde. Les présents résultats devraient ouvrir la voie à des études mécanistiques portant sur la base moléculaire de l'impact des micronutriments sur l'axe microbiome intestinal-eCBome en réponse à un déficit ou à une supplémentation des micronutriments, et sur le rôle de cette interaction dans l'inflammation de bas grade, comme celle qui accompagne l'obésité induite par l'alimentation. / Diet is one of the main determinants of gut microbial composition and function. Diet and gut microbiota interact to affect host body composition. In fact, the gut microbiota is critical for food digestion and, therefore, variations in the gut microbiome can affect the availability of energy substrates, host metabolism and body composition. Trace elements are considered dietary micronutrients with important functions in both microbial and host physiology. Furthermore, scientific evidence suggests that diet plays a role in obesity and its comorbidities, in part through its interactions with the individual's gut microbiota and its effect on lipid endocannabinoid mediators involved in energy control and satiety. This thesis aims to determine the effects of three dietary trace minerals (Se, Fe and Mn) in interaction with the overall composition of diet macronutrient composition Low Fat-Low Sucrose (LFLS) and/or High Fat-High Sucrose (HFHS) and their effect on the modulation of the gut microbiota and the potential influence on the host via the expanded endocannabinoid system, or endocannabinoidome (eCBome) in an animal model susceptible to obesity. The experiments were conducted in mice (males and females). The data were then stratified to assess the influence of sex on the outcomes. In the first chapter, we showed the effects of dietary variation of selenium (Se) on weight gain, particularly in LFLS diets. In addition, the effect of Se, particularly HFHS-Se-enriched diet was associated with the increase in the relative abundance of specific intestinal microbial families such as *Peptostreptococcaceae* and *Lactobacillaceae*. Concomitantly, it is shown how dietary variations of this mineral modify the production levels of circulating endocannabinoid mediators such as 2-docosahexaenoyl-glycerol (2-DHG), a mediator with putative beneficial actions on metabolism and inflammation, and the influence of Se on the expression of intestinal cytokines and antioxidant enzymes as *Gpx4*. In the second chapter, given the influence of iron (Fe) as an enzyme cofactor and its role in immune response, we evaluated the effects of dietary Fe variations on the intestinal microbiota and the host response via the eCBome. In addition to endocannabinoid congeners and PUFAs, we measured the lipid mediators that might respond differentially to the dietary changes of Fe. In this sense, we evaluated the response of intestinal PGE$_\textup{1}$, PGE$_\textup{2}$, PGE$_\textup{3}$ and 1a,1b-dihomo PGF$_\textup{2α}$ and the expression of pro- and anti-inflammatory cytokines at the intestinal level. According to the results, Fe-depleted diets favored the relative abundance of microbial families such as *Eubacterium coprostanoligenes* and *Streptococcaceae*. Regarding eCBome, several endocannabinoid congeners were modulated by Fe intake in interaction with diet composition. Specifically, circulating levels of of *N*-oleoylethanolamine (OEA) showed an elevation associated with Fe-enriched LFLS diet, while the Fe-depleted HFHS diet showed an elevation of *N*-arachidonoylethanolamine (AEA). In parallel, the response of intestinal inflammatory mediators to Fe in the diet showed decreased levels of prostaglandins PGE$_\textup{1}$, PGE$_\textup{3}$ and 1a,1b-dihomo PGF$_\textup{2α}$ in the caecum, without significant changes in the expression of intestinal genes associated with inflammation. Finally, the third chapter studies how Mn intake modulates the intestinal endocannabinoid response in interaction with macronutrient diet composition. Specifically, Mn enrichment reduced the levels of caecal *N*-acylethanolamines. Additionally, we found a strong Mn-dependent sex response affecting ileal MAGs production only in female mice, suggesting the differential role that this trace element may have for males and females. In addition, dietary Mn enrichment was associated with reduction of intestinal fatty acid amides and prostaglandin production, particularly *N*-Palmitoyl Glycine, *N*-Oleyl-L-Serine and PGE$_\textup{2}$, indicating the role of this transition mineral in the prevention of intestinal inflammation and metabolic health. Concomitantly, variation in dietary Mn concentrations, particularly its depletion, favored the relative abundance of *Peptostreptococcacea*, and specific microbial families responded to the effect of Mn in a sex-dependent manner. The findings show that depending on the dietary content of trace minerals in interaction with the diet, intestinal processes are modulated and contribute to a dietary stress response. This thesis shows how complex dietary components can interact with the gut-microbiota ecosystem and host metabolism. Moreover, it provides information about how optimal concentrations of these 3 minerals in interactions with macronutrients of diet are important for maintaining a good metabolic state through the production of bioactive lipids that participate in the reduction of the intestinal inflammatory response and promote a healthy metabolic state. Concomitantly, such optimal and equilibrated concentrations of these micronutrients are sufficient to restructure the intestinal microbiota (Chapter I, II and III). Importantly, this is the first study, uncovering the relationship between dietary micronutrients with gut microbiota and the endocannabinoid system. The present findings should pave the way for mechanistic studies investigating the molecular basis of the impact of micronutrients on the gut microbiome-eCBome axis in response to micronutrients deficit or supplementation, and the role of this interaction in lowgrade inflammation, such as that accompanying diet-induced obesity.

Thèse de doctorat : SCIENCES MEDICALES : Metz : 1999. / 1999METZ031S. 962 ref.