L'obésité est une maladie associée à de nombreux désordres métaboliques tels que le diabète de type 2, la dyslipidémie, les maladies hépatiques et cardiovasculaires ainsi que la dysbiose intestinale. L'ensemble de ces désordres peut fortement affecter la qualité et l'espérance de vie des individus qui en sont atteints. À l'heure actuelle, l'augmentation dramatique du nombre de personnes touchées par l'obésité démontre notre inefficacité à prévenir et combattre ces troubles par la pharmacopée. La mise en marché par l'industrie de diètes prétendues miraculeuses se traduit la plupart du temps en une prise de poids et des altérations métaboliques à long terme chez ceux qui en font usage. À cela, s'ajoute l'environnement obésogène dans lequel nous évoluons qui contribue à alimenter cette problématique. Il est donc primordial de trouver des stratégies alternatives ou complémentaires pour améliorer la santé de nos populations. Dans les dernières années, le microbiote intestinal qui représente l'ensemble des microorganismes peuplant le tube digestif est apparu comme une cible d'intervention potentielle pour combattre l'obésité et ses désordres métaboliques. De nombreuses évidences ont démontré la capacité du microbiote intestinal de contribuer à notre propension à développer, ou à être protégé, contre l'obésité et les désordres associés. La majorité des polyphénols provenant de fruits qui font notamment partie d'une saine alimentation ne sont pas absorbés au niveau du petit intestin permettant ainsi leur contact direct avec l'importante charge bactérienne peuplant le tube digestif inférieur de l'hôte. Par conséquent, de nombreux effets métaboliques désirables sont générés grâce à ces multiples interactions. Dans cette thèse, nous avons d'abord évalué l'effet préventif de diverses fractions d'extraits polyphénoliques de fruits sur le développement de désordres métaboliques associés à l'obésité. Nos données suggèrent que les proanthocyanidines (PAC) présents dans les bleuets sauvages sont impliqués dans les effets bénéfiques de ce petit fruit. En effet, nous avons observé, chez les souris soumises à une diète obésogène recevant les PAC de bleuets sauvages, une amélioration de la tolérance au glucose, une restauration partielle de l'intégrité de la paroi de l'épithélium intestinale et des changements dans la composition du microbiote intestinal. Nous avons ensuite étudié l'effet de l'environnement sur le développement d'un phénotype métabolique associé à une diète obésogène et la colonisation du microbiote intestinal dans divers contextes. Dans un premier temps, nous avons démontré que l'environnement postnatal prédomine sur l'environnement prénatal afin de déterminer le risque de développer des désordres métaboliques à l'âge adulte, et ce, en utilisant une technique d'adoption croisée. Il est intéressant de constater que les effets observés en période postnatale étaient fortement dépendants du sexe de l'animal. Cet important dysmorphisme sexuel nous a également permis de souligner l'importance d'évaluer l'effet d'une intervention nutritionnelle autant chez les mâles que chez les femelles lors de l'utilisation de modèles animaux. Dans un deuxième temps, l'hébergement de souris axéniques colonisées avec le contenu fécal de souris donneuses soumises à une diète obésogène et traitées avec des PAC de canneberge dans deux environnements distincts (SPF vs GF) a révélé l'importance de ces derniers. En effet, nous avons observé une exacerbation de l'accumulation de triglycérides au foie associée à une diète obésogène chez les souris hébergées dans le secteur SPF tandis que les souris hébergées dans le secteur GF présentaient des améliorations de ce paramètre par rapport à leur groupe contrôle, et ce, même si les souris étaient colonisées avec le même contenu fécal. Nos résultats suggèrent ainsi que l'environnement externe exerce une forte pression sur le microbiote intestinal et est capable d'influencer le développement d'un phénotype métabolique associé à la transplantation d'un même contenu fécal. Ces résultats mettent également en évidence l'importance de standardiser l'utilisation de technique de transfert du microbiote intestinal dans des modèles de souris axéniques afin d'assurer la reproductibilité des résultats en recherche fondamentale. / Obesity is associated with several metabolic disorders such as type 2 diabetes, dyslipidemia, liver and cardiovascular diseases as well as intestinal dysbiosis who strongly affect life expectancy of individuals suffering from them. The dramatic increase of people with obesity demonstrates our inability to prevent and treat these disorders through pharmacopoeia. The use of so-called miracle diets promoted by the industry often results in weight gain and long-term metabolic alterations in individuals. In addition, the obesogenic environment in which we evolve contributes to forge this issue. It is therefore essential to find alternative or complementary strategies to improve the health of our populations. In recent years, the intestinal microbiota, which represents all microorganisms that inhabit the digestive tract, has emerged as a potential target to prevent and treat obesity-associated metabolic disorders. Many evidence have demonstrated the contribution of the intestinal microbiota to our susceptibility to develop, or to be protected, against obesity-associated disorders. Polyphenols, which are part of a healthy eating, are not absorbed in the upper part of the intestine allowing their direct contact with the host and intestinal bacteria. Many desirable metabolic effects are generated due to these multiple interactions. In this thesis, we first evaluated the preventive effect of different fractions of fruit polyphenolic extracts on the development of obesity-associated metabolic disorders. Our results suggest that proanthocyanidins (PAC) present in wild blueberries are responsible for the beneficial effects of this small fruit. Indeed, we observed in mice submitted to an obesogenic diet receiving wild blueberry PAC an improved glucose tolerance, a partial restoration of the intestinal epithelium integrity and changes of the intestinal microbiota composition. We then studied the effect of the environment on the development of a metabolic phenotype associated with an obesogenic diet and the colonization of the intestinal microbiota in various contexts. We first demonstrated using a cross-fostering technique that postnatal environment can over ride prenatal environment in determining the risk of developing metabolic disorders in adulthood. Interestingly, the effects observed in the postnatal period were highly dependent on the sex of the mice. This strong sexual dysmorphisme observed highlighted the importance of assessing the effect of a nutritional intervention in both males and females when using animal models. In another study, housing axenic mice colonized with the fecal content of donor mice subjected to an HFHS diet and treated with cranberry PAC in two distinct environments (SPF vs GF) revealed the importance of the latter. We observed an exacerbated liver triglyceride accumulation associated with the consumption of an HFHS diet in gnotobiotic mice housed in the SPF sector while mice housed in the GF sector showed reduced liver triglycerides compared to the HFHS-fed control group. These effects were observed even though mice from each group were colonized with the same fecal content. Our results suggest that the environment exerts a strong pressure on the gut microbiota and can influence the development of a metabolic phenotype associated with the transplantation of the same fecal content. These results also highlight the importance of standardizing the use of gnotobiotic mice models to ensure reproducibility of research results.

La dysbiose du microbiote intestinal est associée à divers problèmes de santé tels que l'obésité, le diabète, les allergies et les maladies inflammatoires de l'intestin. L'équilibre des communautés microbiennes du microbiote intestinal est d'autant plus important en début de vie et il a été démontré qu'une dysbiose à cette étape du développement peut causer des problèmes de santé à long terme. Les virus qui sont présents dans le tractus digestif sont de plus en plus étudiés et certaines compositions de virome intestinal ont déjà été associés à des pathologies. Les bactériophages représentent la majorité du virome intestinal humain et ceux-ci interagissent avec les communautés bactériennes colonisant l'intestin. Pourtant la fraction virale est souvent mise de côté lors des études portant sur le microbiote intestinal. Le poisson-zèbre (*Danio rerio*) est un animal modèle répandu en recherche et une alternative intéressante aux modèles mammifères pour étudier le microbiome intestinal. Les bactéries colonisant l'intestin des larves du poisson zèbre ont déjà été étudiées, mais ce n'est pas le cas des virus. Ainsi, l'objectif principal de ce projet consistait à développer un protocole pour extraire et analyser le virome intestinal des larves de poisson-zèbre. L'analyse bio-informatique des échantillons a aussi été limitée dû à la qualité des jeux de données produits. Toutefois, un premier aperçu du virome intestinal des larves de poisson-zèbre a tout de même été produit. Tout comme l'humain, le virome intestinal des larves semblent contenir une majorité de phages (*Caudoviricetes*). Une différence a aussi été observée entre les œufs provenant de deux établissements producteurs de poisson-zèbre, mais ces résultats restent à être confirmés dans de prochaines études. / The dysbiosis of the gut microbiota is associated with many diseases including obesity, diabetes, allergies, and inflammatory bowel diseases. The balance of microbial communities in the gut is even more important in early life as it has been shown to have an impact on the future health of the host. The viruses that are present in the digestive tract are increasingly being studied and some viromes have been already linked to diseases. Many of the viruses found in the gut virome are bacteriophages interacting with the bacterial communities colonizing the gut. This viral fraction is often omitted in studies investigating the gut microbiota. The zebrafish (*Danio rerio*) is an animal model that is widespread in research and is an interesting alternative to mammalian models to study the gut microbiome. The bacteria colonizing the gut of the zebrafish have already been studied but not the viruses. Therefore, the main goal of this study is to develop a protocol to extract and analyze the gut virome of the zebrafish larvae. A viral nucleic acid extraction protocol was first developed using the siphophage p2, which infects *Lactococcus lactis*, as a positive control. Although effective, this protocol can still be optimized to reduce the high levels of bacterial and host DNA contamination. While the bioinformatic analyses were limited by the quality of the data, they provided an initial insight into the gut virome of zebrafish larvae. Like humans, the gut virome of the zebrafish larvae appears to contain many phages (*Caudoviricetes*). A difference was observed between eggs from two different zebrafish facilities, but these results need to be confirmed by additional studies.

La dépression majeure est devenue la cause principale d'incapacité dans le monde. Pourtant, les antidépresseurs les plus courants sont inefficaces chez 30-50% des patients traités. La dépression présente une comorbidité élevée avec les troubles gastro-intestinaux, avec une pathologie commune comprenant le dysbiose du microbiote un profil périphérique hautement inflammatoire, ce qui suggère une perméabilité intestinale accrue chez ces patients. Il est proposé que le stress chronique soit lié à la détérioration de la barrière intestinale et à la dérégulation de la signalisation intestin-cerveau, cependant, les mécanismes biologiques restent à identifier. Nous avons utilisé les modèles de la dépression pour étudier les effets du stress chronique sur la perméabilité intestinale chez les souris mâles et femelles. Le séquençage du microbiote a montré une modification des populations microbiennes après le stress. De plus, l'expression génétique des jonctions serrées intestinales a été altérée avec des effets spécifiques au sexe, en fonction du type et de la durée du stress. Certaines modifications des jonctions serrées sont associées à la résilience ou à la susceptibilité à l'exposition au stress, déterminée par des tests comportementaux. Nous avons également identifié la protéine de liaison au lipopolysaccharide (LBP) comme un biomarqueur potentiel lié à la susceptibilité au stress chronique. En étudiant les différences entre individus et selon les sexes, nos résultats contribueront à la connaissance des mécanismes moléculaires qui déterminent la vulnérabilité ou la résilience au stress chronique. Les femmes ayant un risque environ deux fois plus élevé de développer une dépression, l'identification des différences entre les sexes est particulièrement pertinente. Ces études contribueront à l'élaboration de nouvelles stratégies thérapeutiques et diagnostiques pour le traitement de la dépression. Des traitements ciblant l'intégrité de la barrière intestinale pourraient avoir des effets positifs sur les voies inflammatoires périphériques et centrales impliquées dans la dépression. / Major depressive disorder (MDD) is the leading cause of disability worldwide. Still, common antidepressants are ineffective in 30-50% of treated patients, highlighting that biological mechanisms remain to be elucidated. MDD has high comorbidity with gastrointestinal disorders including patterns of microbiota dysbiosis and inflammatory peripheral markers, suggesting enhanced intestinal permeability in these patients. Chronic stress, the main environmental risk factor for MDD is linked to intestinal barrier deterioration and dysregulated gut-brain signalling. Therefore, we investigate effects of chronic stress on manifestations of intestinal permeability in both male and female mouse models of depression. Sequencing showed altered microbial populations post-stress. Furthermore, gene expression of intestinal tight junctions was altered with sex-specific effects, dependent on stress type and duration. Certain tight junction changes associated with resilience or susceptibility to the stress exposure, as determined by behavioural tests. We also identified Lipopolysaccharide binding protein (LBP) as a potential biomarker related to susceptibility to chronic stress. By investigating individual and sex differences, our results will be contributing to the knowledge of molecular mechanisms underlying vulnerability or resilience to chronic stress. As women have roughly a twofold higher risk of developing depression, identifying sex differences is particularly relevant. These studies will help to develop more effective and appropriate therapeutic strategies for the treatment of depression and possibly identify biomarkers which are greatly needed in the field. Targeting the intestinal barrier and potentially promoting barrier integrity, future treatments could have positive downstream effects on peripheral and central inflammatory pathways implicated in depression.

Le microbiote intestinal joue un rôle important dans la santé de son hôte. Les bactéries qui le composent vont agir à différents niveaux, comme celui de la digestion, du métabolisme, de l'immunité ou du cerveau. Ces bactéries vont former un réseau équilibré qui est nécessaire pour le maintien de notre santé. Cependant, des facteurs externes tels que la diète, la prise de médicaments, l'environnement et le stress peuvent grandement influencer cet équilibre et altérer la composition du microbiote intestinal. De plus, ces perturbations peuvent engendrer un stress oxydatif et provoquer encore plus de dommages, notamment à notre cerveau. Afin d'étudier ces variations, deux outils génétiques ont été développés pour le modèle du poisson-zèbre. Le premier outil consiste en un système CRISPR-dCas9 photoactivable à la lumière bleue ayant pour but de contrôler les populations microbiennes de l'intestin d'une larve (transparente) de poisson-zèbre à l'aide de la lumière. La preuve de concept a été réalisée avec Escherichia coli. Le deuxième outil consiste en un senseur de peroxyde d'hydrogène ciblé aux mitochondries des cellules épithéliales de l'intestin. Cet outil vise à mesurer les niveaux de peroxyde d'hydrogène, un dérivé réactif de l'oxygène menant à la production de stress oxydatif. Ultérieurement, cet outil sera exploité afin de générer une lignée transgénique de poisson-zèbre exprimant ce senseur. Il sera également possible d'utiliser en parallèle le système CRISPR-dCas9 photoactivable afin de faire des liens entre les perturbations du microbiote intestinal et le stress oxydatif produit par le peroxyde d'hydrogène dans l'intestin de la larve de poisson-zèbre. Finalement, des liens entre ces effets et le développement du cerveau pourront être établis. / The intestinal microbiota plays an important role in the health of its host. The bacteria that compose it will act at different levels, such as digestion, metabolism, immunity, or the brain. These bacteria will form a balanced network that is key for the maintenance of our health. However, external factors such as diet, drugs, environment, and stress can greatly influence this balance and alter the composition of the intestinal microbiota. Moreover, these disturbances can lead to oxidative stress and cause further damage, especially to our brain. To study these variations, two genetic tools were developed to use in the zebrafish larva model. The first tool is a blue-light photoactivatable CRISPR-dCas9 system to control the gut microbiota using light. The proof of concept has been realized with Escherichia coli. The second tool consists of a hydrogen peroxide sensor targeted to the mitochondria of intestinal epithelial cells. This tool aims to measure the levels of hydrogen peroxide, a reactive oxygen derivative leading to the production of oxidative stress. Later, this tool will be used to generate a transgenic line of zebrafish expressing this sensor. It will also be possible to use in parallel the photoactivatable CRISPR-dCas9 system to make links between the disturbances of the intestinal microbiota and the oxidative stress produced by hydrogen peroxide in the larval zebrafish gut. Finally, links between these effects and the brain development will be further studied.

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.

Les antibiotiques ont longtemps été utilisés dans les pratiques d'élevage comme additifs alimentaires pour améliorer la croissance des animaux, comme les porcelets en post-sevrage, ainsi que pour traiter les infections bactériennes, notamment celles causées par Escherichia coli et Salmonella. Cependant, cette pratique a largement contribué à l'émergence de la résistance aux antibiotiques chez les bactéries commensales et pathogènes, ce qui a conduit à un réel problème de santé publique. Face à l’incidence accrue des infections causées par les bactéries pathogènes résistantes aux antibiotiques, la recherche de solutions alternatives est devenue une urgence et les peptides antimicrobiens naturels (AMPs) et plus particulièrement les bactériocines apparaissent parmi les alternatives prometteuses qui ont été proposées. La microcine J25 (MccJ25) est un peptide antimicrobien produit par Escherichia coli connu pour exercer une puissante activité inhibitrice contre les Enterobacteriaceae, y compris Salmonella. Grâce à sa structure en lasso, la MccJ25 présente une faible sensibilité aux protéases et aux conditions dénaturantes et pourrait ainsi avoir une plus grande stabilité durant un tractus gastrointestinal (GI). Toutes caractéristiques font de la MccJ25 une molécule à fort potentiel d’utilisation comme alternative aux antibiotiques dans le domaine vétérinaire. L’objectif général de cette thèse était d’évaluer le potentiel de MccJ25 comme alternative aux antibiotiques pour l’inhibition de Salmonella dans les conditions physiologiques du tube digestif du porc. Dans la première partie de cette étude, la stabilité et l’activité inhibitrice de la MccJ25 ont été évaluées dans les différents compartiments du tractus GI en utilisant le simulateur dynamique in vitro TIM-1. La MccJ25 a démontré une plus grande stabilité au niveau de l'estomac, tandis qu'une dégradation modérée a été observée dans le compartiment duodénal. Les formes de dégradation de la MccJ25 ont été analysées par LC-MS/MS et selon l’approche des réseaux moléculaires utilisant les outils de la plateforme GNPS, et en présence d'enzymes protéolytiques simulant les conditions duodénales. Les principales enzymes responsables de la dégradation de la MccJ25 ont ainsi pu être identifiées. Dans un deuxième temps, les concentrations minimales inhibitrices (CMI) et bactéricides (CMB) de la MccJ25 ont été déterminées in vitro contre Salmonella enterica subsp. enterica serovar Newport ATCC6962 dans le milieu LB ainsi que dans le milieu Macfarlane qui simule les conditions coliques du porc. Cette activité inhibitrice a été également comparée à celle de deux autres antimicrobiens, la réutérine et la rifampicine. Enfin, dans un troisième temps, l’activité de la MccJ25 contre Salmonella Newport et son impact sur la composition et l’activité métabolique du microbiote colique du porc ont été évalués en utilisant le modèle in vitro de fermentation en continu PolyFermS qui simule les conditions du côlon proximal porcin. L’activité inhibitrice contre Salmonella Newport a été évaluée par la méthode de de diffusion sur gélose, tandis que l’impact sur les différents groupes bactériens du microbiote colique porcin a été quantifié par la méthode de qPCR-PMA et par séquençage Illumina MiSeq. De façon remarquable, la MccJ25 n'a pas induit de modification significative de la composition du microbiote colique, alors qu'elle a fortement inhibé la croissance de Salmonella Newport, contrairement à la réutérine ou la rifampicine. Par ailleurs, l’analyse de l’activité métabolique du microbiote colique à l’aide du logiciel R et effectuée à partir des données de LC-MS, a démontré un effet significatif de la MccJ25 sur le métabolome intracellulaire alors qu’aucun effet significatif n’a été observé sur le métabolome extracellulaire. En conclusion, l’application d’approches microbiologiques, métagénomiques et métabolomiques très originales, variées et complémentaires nous a permis de confirmer le potentiel de la MccJ25 quant à la possibilité de son utilisation comme une alternative aux antibiotiques dans les pratiques d’élevage. Sa stabilité dans les premières étapes de digestion, sa spécificité à l'égard de Salmonella et le fait que son introduction dans le microbiote intestinal n'entraîne pas de dysbiose, la désignent comme un bon candidat dans la lutte contre la salmonellose. Des études complémentaires seront cependant nécessaires afin de confirmer ces résultats in vivo en conditions réelles d’élevage. / Antibiotics have long been used in animal husbandry practices as feed additives to improve animal growth as well as to treat bacterial infections, including those caused by Escherichia coli and Salmonella. However, this practice has largely contributed to the emergence of antibiotic resistance in commensal and pathogenic bacteria, which has led to a real public health problem. The increased incidence of infections caused by antibiotic-resistant pathogenic bacteria, has promoted the search for new alternatives and natural antimicrobial peptides (AMPs), including bacteriocins are among the promising alternatives that have been proposed. Microcin J25 (MccJ25) is an antimicrobial peptide produced by Escherichia coli and known to exert a potent inhibitory activity against Enterobacteriaceae, including Salmonella. Thanks to its lasso structure, MccJ25 has a low sensitivity to proteases and to denaturing conditions suggesting a higher stability in the gastrointestinal tract (GI) conditions. These characteristics make MccJ25 a molecule with high potential for use as an alternative to antibiotics in the veterinary field. The general objective of this thesis was to evaluate the potential of MccJ25 as an alternative to antibiotics for the inhibition of Salmonella in the physiological conditions of the digestive tract of piglet. In the first part of this study, the stability and the inhibitory activity of MccJ25 were evaluated in the different compartments of the GI tract using the dynamic simulator TIM-1. MccJ25 demonstrated higher stability in the stomach compartment; however, a moderate degradation was observed when the peptide entered the duodenum. Degradation products of MccJ25 in duodenal conditions and in the presence of different proteolytic enzymes were further analyzed using LC-MS/MS and subsequent molecular networking analysis using the Global Natural Product Social Molecular Networking platform (GNPS). Thus, the enzymes responsible for the degradation of MccJ25 have been identified. In the second part of the present study, the minimal inhibitory (MIC) and bactericidal (MBC) concentrations of MccJ25 were determined in vitro against Salmonella enterica subsp. enterica serovar Newport ATCC6962 in LB medium as well as in MacFarlane medium that simulates the swine colonic conditions. This inhibitory activity was also compared to that of two other antimicrobials namely reuterin and rifampicin. Finally, the activity of MccJ25 against Salmonella Newport and its impact on the composition and the metabolic activity of the swine colonic microbiota were evaluated using the in vitro continuous fermentation model PolyFermS that simulates the swine proximal colon conditions. The inhibitory activity against Salmonella Newport was evaluated using the agar diffusion assay, while the impact on the different bacterial groups of the swine colonic microbiota was quantified by qPCRPMA method and Illumina MiSeq sequencing. Interestly, MccJ25 did not induce any significant modification of the composition of the colonic microbiota, whereas it strongly inhibited the growth of Salmonella Newport, unlike reuterin and rifampicin. However, the analysis of the metabolic activity of the colonic microbiota using the R software and the LC-MS data, demonstrated a significant effect of MccJ25 on the intracellular metabolome. No significant effect was obtained with extracellular metabolome. In conclusion, the application of very original, varied and complementary microbiological, metagenomic and metabolomic approaches allowed us to confirm the potential of MccJ25 for use as an alternative to antibiotics in the veterinary sector. Its stability in the early stages of digestion, its specificity with regard to Salmonella and the fact that its addition into the intestinal microbiota does not cause any dysbiosis, suggested it as a good candidate as an anti-Salmonella. However, additional studies remain necessary to confirm these results in vivo under real animal use conditions.

L’obésité et ses complications métaboliques dont notamment la stéatose hépatique non alcoolique, sont principalement attribuables à des facteurs environnementaux, parmi lesquels la diète joue un rôle majeur. Il est donc justifié pour les scientifiques de s’intéresser à l’effet des aliments sur cette pathologie, à commencer par les acides gras oméga-3 dont les effets bénéfiques sur la santé métabolique ont été démontrés. La découverte récente du rôle du microbiote intestinal et de ses interactions, non seulement avec les nutriments mais également avec les fonctions métaboliques de l’hôte, ouvre un nouveau champ de recherche. L’étude proposée dans ce mémoire avait pour but de déterminer le lien entre l’obésité, le microbiote intestinal et les acides gras oméga-3. Les résultats démontrent que certains des effets bénéfiques attribués aux acides gras oméga-3 sont dépendants du passage de ces acides gras dans la lumière du tube digestif. La prévention de l’accumulation des triglycérides hépatiques est en effet seulement induite lorsque les acides gras oméga-3 transitent par l’intestin, tandis que leur seule présence au niveau tissulaire est insuffisante pour provoquer ces effets. De même, le passage des acides gras oméga-3 par le tube digestif est associé avec une augmentation de la masse du caecum, ce qui suggère également une implication de la flore intestinale, mais qui demeure toutefois à confirmer par des analyses métagénomiques.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Malgré la recherche intensive sur l'obésité et son étiologie, la prévalence de celle-ci continue d'augmenter de manière alarmante. L'obésité est un facteur de risque pour de nombreuses conditions, y compris la résistance à l'insuline (IR) et la stéatose hépatique non alcoolique (NAFLD). De ce fait, l'obésité réduit considérablement l'espérance et la qualité de vie et fait pression sur la société en induisant des dépenses de santé ainsi que la stigmatisation des personnes obèses. Au cours des dernières décennies, le déclin de la santé intestinale induit par l'obésité a été impliqué dans l'induction de conditions associées à l'obésité. Cela comprend des changements dans la composition du microbiote intestinal, le développement de l'inflammation intestinale et une réduction de la fonction de la barrière intestinale. La connaissance croissante du rôle intestinal dans les conditions associées à l'obésité amène une approche émergente pour cibler ces effets en réduisant les comorbidités. Le succès des nouvelles thérapies utilisant cette approche est cependant compliqué dû aux influences multidirectionnelles hôte-microbe et à l'induction de cycles vicieux, ce qui rend une caractérisation approfondie nécessaire pour améliorer cette approche. Cette thèse vise à caractériser l'efficacité de nouveaux modulateurs de la santé intestinale, dérivés de l'humain ou de microbes, dans la prévention ou le traitement de l'obésité, IR et NAFLD en utilisant des modèles murins d'induction de l'obésité par la diète (DIO). Cette caractérisation vise en outre à élargir les connaissances actuelles sur le rôle de l'intestin dans l'obésité et à nuancer la compréhension actuelle de l'interaction hôte-microbe pour aider les recherches futures dans le domaine et le développement de nouvelles thérapies contre l'obésité, IR et NAFLD. Les deux premiers chapitres tournent autour des effets des peptides de défense de l'hôte (HDP). Dans le chapitre 1, le traitement de HD-5 chez des souris obèses pendant 10 semaines alors qu'elles étaient continuellement nourries avec une diète riche en gras (HFD) n'a pas changé le phénotype obèse mais a réduit la dyslipidémie, amélioré la sensibilité à l'insuline et réduit les marqueurs NAFLD associés à une modification de la composition du microbiote intestinal par rapport au véhicule. Le deuxième chapitre étudie la capacité d'un autre HDP, un lysozyme d'origine fongique, dans la prévention de DIO. Le lysozyme a empêché la perméabilité intestinale induite par HFD et l'empiètement du microbiote bien que cela n'ait induit qu'une amélioration mineure de l'homéostasie du glucose et qu'aucune différence d'obésité ou de NAFLD n'a été observée. Nous avons ensuite davantage étudié les améliorations intestinales par le lysozyme dans un autre modèle de souris et constaté qu'il pouvait prévenir la colite induite chimiquement. Dans les deux modèles DIO et colite, les effets bénéfiques du lysozyme étaient associés à des changements dans la composition du microbiote intestinal qui étaient comparables. Le troisième chapitre évalue l'efficacité de deux probiotiques Lactobacillus dans la prévention des DIO, IR et NAFLD. Nous avons utilisé deux régimes obésogènes différents et démontré que l'effet de chaque probiotique sur les paramètres mesurés dépendait fortement du régime alimentaire. Cela inclue l'effet du probiotique contre l'obésité, le développement de IR et NAFLD, tandis que nous avons également observé des effets dépendants de la diète sur la composition du microbiote intestinal et la régulation des acides biliaires hépatiques et intestinaux. L'étude a ainsi révélé un lien étroit avec les composantes alimentaires et l'efficacité du traitement non caractérisé auparavant, ce qui doit être pris en compte lors de la recherche préclinique sur des modèles animaux et lors de l'évaluation de l'efficacité de nouveaux traitements chez l'humain. Collectivement, les études ont démontré que les modulateurs de la santé intestinale sont une approche viable pour induire des effets bénéfiques sur l'obésité, IR et NAFLD. Nous avons entre autres observé que les comorbidités associées à l'obésité pourraient être réduites même sans affecter l'obésité, et qu'une grande amélioration de la santé intestinale ne pouvait pas toujours induire des avantages considérables sur l'obésité ou les IR et NAFLD associés, nuançant davantage la compréhension du rôle intestinal dans ce contexte. Cette interaction complexe rend les mécanismes exacts incertains et donc si les effets se produisent directement par le maintien de la santé intestinale ou par des modes d'action indirects devra être démêlé davantage dans des études futures. / Despite intensive research in obesity and its etiology the obesity prevalence is increasing alarmingly worldwide. Obesity is an established risk factor for numerous conditions including insulin resistance (IR) and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). As a result, obesity decreases life and health expectancy substantially and poses an increasing toll on society with greater health care expenses and stigmatization of individuals with obesity. The last few decades obesity-induced decline in intestinal health has been implicated in the induction of obesity-associated conditions. This includes changes in gut microbiota composition, development of intestinal inflammation, and reduced gut barrier function. The increasing knowledge of the intestinal role in obesity-associated conditions provides an emerging approach to target these effects to reduce the downstream maladies from obesity. The success of novel therapies using this approach is, however, complicated by multidirectional host-microbe influences and induction of vicious cycles making further characterization urgently needed to improve this approach. This thesis aims to characterize the efficacy of novel gut health modulators derived from human or microbes in the prevention or treatment of obesity, IR, and NAFLD using mouse models of diet-induced obesity (DIO) to assess the efficacy in vivo. This characterization further aims to expand the current knowledge of the role of the gut in obesity and nuance the current understanding of host-microbe interplay to aid future research in the field and development of novel therapeutics against obesity, IR, and NAFLD. The first two chapters revolves around the effects of the host defense peptides (HDPs) human alpha defensin 5 (HD-5) and a fungal lysozyme. In chapter 1, treating already obese mice with HD-5 for 10 weeks while they were continuously high fat diet (HFD)-fed did not change the obese phenotype yet reduced dyslipidemia, IR, and NAFLD markers associated with a change in gut microbiota composition compared to vehicle-treated controls. The second chapter investigates the capability of another HDP, a lysozyme of fungal origin, in the prevention of DIO. The lysozyme prevented HFD-induced intestinal permeability and microbiota encroachment although this only induced a minor improvement in glucose homeostasis while no difference in obesity or NAFLD was observed. We further challenged the intestinal improvements by the lysozyme and found the lysozyme could prevent chemically induced colitis in a different mouse model. In both the DIO and colitis models the beneficial effects of lysozyme was associated with changes in gut microbiota composition that were comparable to some extent. Finally, the third chapter assesses the efficacy of two probiotic Lactobacillus strains in prevention of DIO, IR, and NAFLD. We used two different obesogenic diets and demonstrated that the effect of each probiotic strain on the measured parameters was highly dependent on diet. This included the probiotic effect of obesity, IR, and NAFLD development while we additionally observed diet-dependent effects on gut microbiota composition and hepatic and intestinal bile acid regulations. The study thus revealed a close connection to the dietary components and the efficacy of the treatment not previously characterized, which should be considered when conducting preclinical research in animal models and when evaluating efficacy of novel treatments in humans. The studies collectively demonstrated that gut health modulators in the form of HDPs or probiotics is a viable approach to induce beneficial effects on obesity, IR, and NAFLD. We further described obesity-associated comorbidities could be reduced even without affecting obesity, and that great improvement of intestinal health could not always induce extensive benefits on obesity or associated IR and NAFLD further nuancing the understanding of the intestinal role in this setting. This complex interplay makes the exact modes of actions unclear and thus whether the effects occur directly through the maintenance of intestinal health or by indirect modes of action is to be disentangled further in future studies.

Le microbiote intestinal est un écosystème complexe jouant un rôle très important dans la santé humaine. L’établissement du microbiote intestinal s’effectue dans la première année de vie. Afin de stimuler chez les enfants nourris avec des préparations infantiles les bifidobactéries et lactobacilles, les laits infantiles pourraient être supplémentés avec des probiotiques ou des prébiotiques. Cette supplémentation pourrait leur apporter une protection renforcée contre les troubles intestinaux, les infections et les risques allergiques. Les études in vivo chez les enfants étant difficiles à réaliser à cause de problèmes d’accessibilité et d’éthique, des outils permettant de faire des études in vitro ont été développés. Les systèmes de fermentation continu sont ceux qui se rapprochent le plus des conditions in vivo. Différents modèles ont été proposés, tous utilisent des bactéries fécales libres alors que la microflore bactérienne est présente à l’état planctonique et sessile dans le côlon. Peu de modèles in vitro ont été proposés pour simuler l’écosystème colique chez l’enfant. Le but de cette étude était donc de développer un nouveau modèle de fermentation colique avec cellules immobilisées pour simuler l’écosystème intestinal chez l’enfant. Nous avons montré qu’une microflore fécale pouvait être immobilisée et que sa diversité bactérienne était conservée au cours de la fermentation en continu. La composition et l’activité métabolique de la microflore bactérienne s’équilibraient en fonction des conditions de fermentation à des niveaux voisins de ceux observés in vivo chez l’enfant. Ensuite un modèle de fermentation en continu à trois réacteurs pour simuler le côlon proximal, distal et transverse chez l’enfant a été développé et validé. Ce nouveau modèle a ensuite permis de comparer les effets d’un prébiotique connu (fructooligosaccharide) et d’un exopolysaccharide produit par L. rhamnosus RW-9595M sur l’écosystème intestinal chez l’enfant. Le fructooligosaccharide testé influençait favorablement l’écosystème intestinal alors que l’exopolysaccharide n’était pas métabolisé par le microbiote intestinal chez les enfants. Ce nouveau modèle avec cellules immobilisées possède l’avantage d’obtenir une grande stabilité à la fois de la composition bactérienne et de l’activité métabolique de la microflore, faisant de ce nouveau modèle de fermentation colique un outil de travail pratique, fiable et facile à opérer. / The intestinal microbiota is a complex ecosystem playing a key role in human health. The intestinal microbiota establishment occurred during the first year of life. To stimulate bifidobacteria and lactobacilli in formula fed infants, infant formula could be supplemented with probiotics or prebiotics, food ingredient able to improve human health. This supplementation could provide to them a better protection against gastro-intestinal disorders, infections and allergic risks. In vivo studies are difficult to carry out in infants due to accessibility and ethic problems, then in vitro studies become important. Continuous fermentation systems display the closest conditions to those encountered in vivo. Different fermentation systems have been proposed, all are using free-cell cultures whereas in vivo bacteria are present in colon at planktonic and sessile states. To our knowledge only one in vitro model has been proposed to simulate infant colonic fermentation. The aim of this study was to develop a new in vitro system with immobilized cells to simulate infant colonic ecosystem. First a feasibility study was done, we showed that a complex fecal microflora could be immobilized and the inoculum bacterial diversity was conserved in the ecosystem established in the fermentation system. The bacterial composition and metabolic activities of the microbiota reached an equilibrium specific to the fermentation conditions tested. These equilibriums were closed to those detected in vivo in infant colon. Then a three-stage chemostat using immobilized fecal bacteria was developed and validate to simulate simultaneously, proximal, transverse and distal infant colon conditions. This last in vitro colonic fermentation model was used to compared the effect of a well-known prebiotic (fructooligosaccharide) with an exopolysaccharide produced by L. rhamnosus RW-9595M on the infant colonic microbiota. The fructooligosaccharide used beneficially influenced the bacterial ecosystem whereas exopolysaccharide substrate did not seem to be metabolized by infant colonic microbiota. The main advantage of this system with immobilized cells is the great stability of the bacterial composition and metabolic activities of the microflora established in the model. For this, the in vitro colonic fermentation system with immobilized cells is a very efficient tool, easy to operate and reliable.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Les suppléments antibiotiques dans l'alimentation animale sont sévèrement critiqués. Les probiotiques sont une alternative prometteuse, mais la caractérisation de leurs effets demeure nécessaire. Ce mémoire décrit l'influence de Pediococcus acidilactici (PA) et Saccharomyces cerevisiae ssp. boulardii (SCB) sur 1) le microbiote intestinal avant et après le sevrage et, 2) l'immunité et la colonisation intestinale lors d'une infection à Salmonella Typhimurium DT104. Nos résultats montrent que suite au sevrage PA module le microbiote iléal de façon similaire aux antibiotiques tandis que SCB influence le microbiote colique. De plus, SCB seul ou avec PA module certaines populations de cellules immunitaires du sang avant et après l'infection à S. Typhimurium. Cependant, aucun effet n'a été observé sur les autres paramètres évalués. Même si nous approfondissons la compréhension entourant les effets de PA et SCB sur l'hôte, d'autres études sont nécessaires pour optimiser l'utilisation des probiotiques comme alternative aux suppléments d'antibiotiques dans l'élevage. / Antibiotics as growth promoters in pig feed are severely criticized. Probiotics are a promising alternative, but characterization of their effects on the intestinal microbiota and immunity is still necessary. In this study, the influences of Pediococcus acidilactici (PA) and Saccharomyces cerevisiae ssp. boulardii (SCB) on 1) intestinal microbiota before and after weaning and, on 2) immunity and intestinal colonization during a Salmonella Typhimurium DT104 infection were evaluated. Our results show that following weaning PA modulated ileal microbiota similarly to in-feed antibiotic while SCB influenced the colonic microbiota. Moreover, SCB alone or with PA modulate some immune blood cell populations before and after the S. Typhimurium infection. However, no effects were observed on the other parameters assessed. Although we deepened the understanding surrounding the effects of PA and SCB on the host, further studies are needed to fully optimize the use of probiotics as alternatives to antibiotic supplements in animal husbandry.