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.

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.

Au cours de sa vie, un individu sur cinq sera touché par la dépression. Cette pathologie est la principale cause d'incapacité mondiale. Malgré l'existence de traitements pharmacologiques, 30 à 50 % d'individus déprimés ne répondent pas aux antidépresseurs. Ce faible taux souligne l'importance d'étudier des approches thérapeutiques novatrices qui ciblent les systèmes biologiques comme l'axe intestin-cerveau ou encore l'utilisation de stratégies préventives. Le stress chronique est un contributeur majeur au développement de la dépression et est associé à une activation de la réponse inflammatoire. Cette dernière affecte directement l'intégrité de la barrière intestinale, plus particulièrement la couche de cellules épithéliales interconnectées par les jonctions serrées qui tapissent l'intestin, régulant la perméabilité intestinale. Pour valider l'efficacité des stratégies préventives et d'étudier les effets du stress chronique sur l'intégrité intestinale, nous utilisons le modèle murin de la défaite sociale qui mime l'intimidation par les pairs. Pendant 10 jours, des souris mâles sont mises en contact avec un agresseur et en contact sensoriel. Ensuite, les sujets passent un test d'interactions sociales pour déterminer le phénotype comportemental face au stress, soit la susceptibilité ou la résilience. Pendant la défaite, elles sont exposées à un environnement enrichi ou de l'exercice physique, qui reproduit les stratégies préventives, favorisant la résilience face au stress. Les tissus intestinaux sont récoltés pour l'analyse transcriptionnelle et morphologique des protéines de jonctions serrées pour vérifier les changements de la barrière intestinale. Les stratégies préventives augmentent la proportion de souris résilientes. Au sein de cette population, l'expression des protéines de jonction serrée de l'intestin montre une adaptation moléculaire reliée à une diminution du stress chronique, ce qui suggère que l'intégrité de la barrière intestinale pourrait jouer un rôle clé dans la réponse au stress. Ces changements physiologiques pourraient prévenir les symptômes dépressifs et favoriser de nouvelles modalités thérapeutiques pour traiter la dépression. / Throughout life, one in five individuals will be affected by major depressive disorder (TDM). This disorder is the main cause of disability worldwide. Even though pharmacological treatment is available, only 30 to 50 % of depressed patients completely remit, suggesting that novel therapeutic approach targeting biological systems such as the gut-brain axis or preventive strategies should be studied. Chronic stress is the main contributor to the development of TDM and is associated with activation of inflammatory responses. This in return affects gut barrier (BI) integrity, more specifically the intestinal cell epithelium interconnected by tight junction proteins, regulating gut permeability. To validate efficacy of preventive strategies and study chronic stress effect on gut barrier integrity, we used a murine model of chronic social defeat stress (CSDS) which mimics intimidation. For 10 days, male mice are put in contact with a novel aggressor and after in sensory contact. After, animals are subjected to the social interaction test to determine behavioral phenotype, either susceptibility or resilient to stress. During the defeat, mice have access to enrich environment (EE) or voluntary wheel running (VWR), which reproduced preventive strategies. Intestinal tissue is collected for transcriptional analysis and morphological evaluation of tight junction protein to study intestinal barrier changes. Preventive strategies increase resilient mouse population. Expression of tight junction protein in the jejunum show molecular adaptation related a dampened stress response, suggesting that integrity of BI could play a key role in response to chronic stress. These physiological changes could prevent depressive symptoms and may open new alternatives in treatment of depression.

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.