Ce travail de thèse a pour but de modéliser la capacité de dégradation des polysaccharides non digestibles par le microbiote intestinal humain. Nous exploitons pour cela des données métagénomiques. Il s'agit de données d'abondances de séquences de nucléotides dans 1408 échantillons dont les fonctions métaboliques sont assignées par annotation contre une base de données. Les séquences sont annotées par des marqueurs fonctionnels. Après une étape de sélection manuelle de 86 marqueurs fonctionnels pertinents à l'activité de métabolisation des polysaccharides, nous étudions leurs variations d'abondances parmi les échantillons métagénomiques.Nous proposons une approche de modélisation écologique du microbiote intestinal humain et considérons principalement la sélection fonctionnelle intense de cet écosystème pour faire l'hypothèse que des regroupements identiques de fonctions métaboliques sont présents en proportions différentes dans tous les microbiotes intestinaux humains. Nous proposons le terme d'assemblage fonctionnel qui rend compte de la co-occurrence spatiale et temporelle d'un groupement de fonctions. Ces assemblages sont en pratiques déterminés par leur composition en marqueurs fonctionnels, et peuvent s'interpréter comme une combinaison de traits fonctionnels agrégés au niveau des microorganismes composant l'assemblage.Les assemblages fonctionnels sont inférés par le biais d'une factorisation en matrice positive aussi nommée NMF de l'anglais Non-Negative Matrix Factorisation. Cette méthode permet de déterminer les assemblages fonctionnels, à la fois concernant leur composition et à la fois concernant leur abondance dans chacun des 1408 échantillons. Nous exploitons par ailleurs une information métabolique provenant de 190 génomes microbiens et de la bibliographie qui permet de préciser la composition de ces assemblages fonctionnels. Cette information se traduit sous forme d'une contrainte.Nous trouvons 4 assemblages en considérant un consensus entre différents critères. L'utilisation de l'information métabolique nous permet d'interpréter biologiquement ces assemblages. Les métadonnées associées aux 1408 échantillons nous permettent d'observer un comportement différent pour les échantillons provenant d'individus atteints de la maladie de Crohn. Nous validons cette observation sur des données extérieures.Nous avons proposé une approche réductionniste permettant de représenter un processus métabolique important à l'échelle du microbiote. Nous trouvons un nombre réduit de 4 assemblages fonctionnels qui sont biologiquement vraisemblables et permettent de bien approcher les 1408 échantillons métagénomiques. / The purpose of this work of thesis is to model the capacity of degradation of non-digestible polysaccharides by the human intestinal microbiote. To this end we exploit metagenomic data. We use abundances of nucleotide sequences in 1408 samples whose metabolic function are assigned by annotation against a database. The sequences are annotated with functional markers. Upon manual selection of 86 functional markers relevant to the activity of metabolisation of polysaccharides, we their abundances variation among the metagenomic samples are studied.We propose an ecological approach in modeling the human intestinal microbiote. We consider the intense functional selection of this ecosystem and assume that identical cluster of metabolic functions can be found in different proportions in every human gut microbiota. We propose the term of functional assembly as to account for spacial and temporal co-occurence of functional cluster. In practice, theses assemblies are determined by their composition and can be interpreted as combinations of functional traits aggregated at the levels of the cluster of microorganisms composing each assembly. Functional assemblies are inferred by the means of Non-Negative Matrix Factorization (NMF). This method allows to determine the composition of functional assemblies and their abundance in each of the 1408 metagenomic sample.Furthermore, we exploit metabolic information from bibliographic resources and 190 microbial genomes in order to specify the composition of these functional assemblies. This information is translated in the form of a constraint.We find 4 assemblies by considering a consensus between various criteria. The use of metabolic information allow to interpret theses assemblies biologically. By exploiting the metadata of the 1408 samples, we observe a different behaviour for the samples coming from individuals suffering from Crohn disease. We validate this observation on external data.We proposed a reductionistic approach allowing to represent an important metabolic process at the level of the microbiota. We find a small number of 4 functional assemblies which are biologically likely and approach well the 1408 metagenomic samples.

The emerging evidence on the interconnectedness between the gut microbiome and host metabolism has led to a paradigm shift in the study of metabolic diseases such as obesity and type 2 diabetes with implications on both underlying pathophysiology and potential treatment. Mounting preclinical and clinical evidence of gut microbiota shifts, increased intestinal permeability in metabolic disease, and the critical positioning of the intestinal barrier at the interface between environment and internal milieu have led to the rekindling of the “leaky gut” concept. Although increased circulation of surrogate markers and directly measurable intestinal permeability have been linked to increased systemic inflammation in metabolic disease, mechanistic models behind this phenomenon are underdeveloped. Given repeated observations of microorganisms in several tissues with congruent phylogenetic findings, we review current evidence on these unanticipated niches, focusing specifically on the interaction between gut permeability and intestinal as well as extra-intestinal bacteria and their joint contributions to systemic inflammation and metabolism. We further address limitations of current studies and suggest strategies drawing on standard techniques for permeability measurement, recent advancements in microbial culture independent techniques and computational methodologies to robustly develop these concepts, which may be of considerable value for the development of prevention and treatment strategies.

Le microbiome intestinal humain est une importante communauté de microorganismes, spécifique aux individus et aux populations, dont la composition est influencée par de nombreux facteurs, tels que la génétique et les habitudes de vie de son hôte. La diète est cependant un élément majeur façonnant sa structure. Les influences de plusieurs diètes humaines sur le microbiome ont été largement investiguées. Toutefois, l’impact des variations saisonnières inhérentes à certaines diètes est peu connu. La diète traditionnelle inuite est un exemple de régime alimentaire riche en graisses et protéines animales qui varie temporellement en fonction de la disponibilité saisonnière des ressources. Afin d’étudier les dynamiques temporelles du microbiome intestinal inuit en réponse à la diète traditionnelle, des échantillons de papier hygiénique contenant des selles ont été récoltés auprès d’un groupe de volontaire Inuits du Nunavut (Canada) durant huit mois. Un groupe contrôle de Montréalais (Québec, Canada) de descendance européenne, consommant une diète typiquement occidentale, a également été sollicité. La diversité et la composition du microbiome ont été caractérisées par le séquençage de la région V4 de l’ARNr 16s. Les microbiomes obtenus par un échantillonnage de papier hygiénique et de selles ont été comparés. Ces deux méthodes offrent des représentations similaires mais non-identiques du microbiome intestinal. À partir du séquençage d’échantillons de papier hygiénique, nous avons trouvé que les variations inter-individuelles du microbiome sont plus importantes que les variations intra-individuelles au sein de Montréal et du Nunavut. Des différences significatives de la composition du microbiome s’expliqueraient par la consommation différentielle de certains groupes alimentaires. Bien qu’aucune différence saisonnière marquée n’ait été observée, en termes de composition, le microbiome fluctue davantage à travers le temps chez les individus inuits. Ces résultats suggèrent que le microbiome inuit pourrait être façonné par une diète plus variable. Ensemble, nos résultats suggèrent que la diète traditionnelle a encore un impact important sur la composition, la diversité et la stabilité de microbiome inuit, malgré les transitions alimentaires vécues au Nunavut. / The human gut microbiome represents a diverse microbial community specific to individuals and populations, which is heavily influenced by factors such as genetics and lifestyle. Diet is a major force shaping the gut microbiome, and the effects of dietary choices on microbiome composition have been thoroughly investigated. It has been shown that a change in diet also changes the gut microbiome, but the effects of seasonal diets are poorly known. The traditional Inuit diet is primarily based on animal products, which vary seasonally based on prey availability. To investigate the dynamics of the Inuit diet over time, we collected gut microbiome samples from Inuit volunteers living in Resolute Bay (Nunavut, Canada), and compared them to samples collected from individuals of European descent living in Montréal (Québec, Canada) and consuming a typical Western diet. We sequenced the V4 region of the 16S rRNA gene to characterize the diversity and composition of the Inuit microbiome, and surveyed differences among samples collected with toilet paper or from stool. Our results show that these sampling methods provide similar, but non-identical portraits of the microbiome. Based on sequencing from toilet paper samples alone, we found that inter-individual variations of the microbiome community composition were greater than within-individual variations, both in Nunavut and Montreal, with significant differences in microbiome explained by dietary preferences. No defined seasonal shift of microbiome composition was detected in samples collected over time. However, within-individual microbial diversity fluctuated more with time in Nunavut than in Montreal. Together, these results underline that the traditional Inuit diet still has an important impact on the composition, diversity and stability of the Inuit gut microbiome, even if the traditional seasonality of the diet is less pronounced than expected, due to an increasingly westernized diet in Nunavut.

Introduction: La sclérose en plaques (SEP) est une maladie inflammatoire et démyélinisante du système nerveux central (SNC). Les lymphocytes T pro-inflammatoires CD4 TH1/TH17 sont considérés pathogéniques en SEP et dans son modèle animal, l'encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE). La restriction alimentaire en méthionine (MR) est associée à un effet anti-inflammatoire en périphérie. Cependant, l’impact de la disponibilité de la méthionine sur la fonction des lymphocytes T et sur la neuroinflammation centrale médiée par les lymphocytes T dans la SEP et l'EAE n’est pas connu. Il a été récemment découvert que le métabolisme de la méthionine est induit dans les lymphocytes T murins activés in vitro et que la restriction en méthionine affecte les fonctions effectrices et la prolifération des lymphocytes TH17. Nous formulons donc l’hypothèse que la manipulation du métabolisme des lymphocytes T via la restriction diététique en méthionine représente une nouvelle voie thérapeutique pour contrôler les maladies neuroinflammatoires telles que la SEP. Méthode: Des femelles C57BL/6 sont exposées à une diète contrôle ou réduite en méthionine puis immunisées au MOG35-55 pour induire une EAE active. Un suivi clinique et des expériences de cytométrie en flux permettent de caractériser le profil et l’activation immunitaire. Le prélèvement d'échantillons fécaux et le séquençage de l'ARNr 16S permettent d’évaluer l'influence de la diète sur la composition du microbiome intestinal. Résultats: La MR est associée à un délai significatif de l'apparition des déficits neurologiques chez les femelles C57BL/6 immunisées au MOG. Ceci est associé à une réduction du nombre de cellules immunitaires et de lymphocytes T pro-inflammatoires dans la rate au 7e jour post-induction (présymptomatique) et dans le SNC aux jours 10-13 (début) et 15-16 (pic). Nos résultats préliminaires suggèrent que le microbiome intestinal des souris sous la MR est différent de celui des souris sous la MC et est enrichi de bactéries ayant des effets bénéfiques en inflammation. Conclusion: Nos résultats suggèrent un impact bénéfique de la MR sur l'évolution clinique et les processus neuroinflammatoires dans un modèle animal de SEP. / Introduction: Multiple Sclerosis (MS) is an inflammatory and demyelinating disease of the central nervous system (CNS). Pro-inflammatory CD4 TH1/TH17 are considered pathogenic in MS and its animal model, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). Dietary methionine restriction (MR) is associated with an anti-inflammatory impact in the periphery. However, little is known about how methionine availability can affect the function of T lymphocytes and impact T-lymphocytes mediated central neuroinflammation in MS and EAE. It was recently discovered that methionine pathway is upregulated in activated murine T lymphocytes in vitro and that methionine restriction affects the effector functions and proliferation of TH17 lymphocytes. We therefore hypothesize that the manipulation of T lymphocyte metabolism via the restriction of dietary methionine intake represents a new therapeutic avenue for controlling neuroinflammatory diseases such as MS. Method: Active MOG35-55-EAE is induced in C57BL/6 female mice exposed to low methionine vs. control diet. Clinical evaluation and flow cytometry studies are used to characterize immune cells phenotype and activation. Fecal samples are collected and 16S rRNA sequencing is used to assess the influence of the diet on the composition of the intestinal microbiome. Results: Dietary MR is associated with a significantly delayed onset of neurological deficits in active EAE (female mice). This is paralleled by a lower number of immune cells and pro-inflammatory T lymphocytes in the spleens at day 7 post-induction (presymptomatic) and in the CNS at day 10-13 (onset) and 15-16 (peak). Our preliminary results suggest that the intestinal microbiome of mice under dietary MR is different from that of mice under control diet and is enriched for bacteria with beneficial effects on inflammation. Conclusion: Our results suggest a beneficial impact of MR on clinical course and neuroinflammation in an animal model of MS.

Les communautés bactériennes sont constituées d’un grand éventail d’espèces pouvant interagir entre elles dans des environnements spatialement hétérogènes tels que le sol, les plantes ou l'intestin humain. À quel point ces interactions stimulent ou entravent la diversité du microbiome demeure inconnu. Historiquement, deux hypothèses ont été proposées pour expliquer comment les interactions interespèces pourraient influencer la diversité. L’hypothèse ‘l’écologie contrôle’ (EC) prédit une relation négative, dans laquelle l'évolution ou la migration de nouvelles espèces est freinée à mesure que les niches se saturent. En revanche, l’hypothèse ‘la diversité engendre la diversité’ (DBD) prédit une relation positive, où la diversité existante favorise l'accumulation d'une plus grande diversité à travers des interactions telles que la construction de niche. De nombreuses études ont investigué ces modèles chez les vertébrés ou les plantes, et certaines les ont testés sur des bactéries en culture ; mais le modèle qui régit les communautés bactériennes naturelles demeure inconnu. En utilisant les données du gène ARN ribosomique 16S provenant d’un large éventail de microbiomes, j'ai montré une relation positive générale entre la diversité des taxons et la diversité des communautés de niveaux taxonomiques plus élevés. Cette observation est conforme à l’hypothèse du DBD, mais cette tendance positive plafonne à des niveaux élevés de diversité en raison des limites physiques de la niche. Ensuite, j'ai observé que le modèle DBD restait valide à une résolution plus fine, en analysant la variation génétique intra espèce dans les métagénomes des microbiomes intestinaux humains. Conformément au DBD, j'ai observé que le polymorphisme génétique ainsi que le nombre de souches intra espèces étaient positivement corrélés avec la diversité Shannon de la communauté. Dans le chapitre 3, j'ai examiné les interactions antagonistes entre V. cholerae et ses phages virulents et la manière dont ces interactions affectaient le cours de l’infection et la diversité génétique de V. cholerae chez les patients infectés. J'ai quantifié les abondances relatives de V. cholerae et des phages virulents associés dans plus de 300 métagénomes provenant de selles de patients atteints de choléra, tout en tenant compte de leur exposition aux antibiotiques. Les phages et les antibiotiques ont supprimé V. cholerae et ont été associés à une déshydratation légère chez les patients. J'ai également investigué les mécanismes de défense contre les phages dans V. cholerae et découvert que les éléments connus de résistance aux phages (integrative conjugative elements, ICEs) étaient associés à de faibles rapports phage: V. cholerae. J’ai pu montrer aussi que lorsque les ICEs ne sont pas détectés, la résistance aux phages semble être acquise par l’accumulation de mutations ponctuelles non synonymes. Mes résultats valident que les phages virulents sont un facteur qui protège contre le choléra tout en sélectionnant la résistance dans le génome de V. cholerae. / Bacterial communities harbor a broad range of species interacting within spatially heterogeneous environments such as soil, plants or the human gut. The extent to which these interactions drive or impede microbiome diversity is not well understood. Historically, two hypotheses have been suggested to explain how species interactions could influence diversity. The ‘Ecological Controls’ (EC) hypothesis predicts a negative relationship, where the evolution or migration of novel species is constrained as niches become filled. In contrast, the ‘Diversity Begets Diversity’ (DBD) hypothesis predicts a positive relationship, with existing diversity promoting the accumulation of further diversity via niche construction and other interactions. Many studies investigated these models in vertebrates or plants, some focused on cultured bacteria, but we still lack insights into how natural communities are assembled in the context of these two hypotheses. Using 16S RNA gene amplicon data across a broad range of microbiomes, I showed a general positive relationship between taxa diversity and community diversity at higher taxonomic levels, consistent with DBD. Due to niche’ limits, this positive trend plateaus at high levels of community diversity. Then, I found that DBD holds at a finer resolution by analyzing intra-species strain and nucleotide variation in sampled metagenomes from human gut microbiomes. Consistent with DBD, I observed that both intra-species polymorphism and strain number were positively correlated with community Shannon diversity. In Chapter 3, I investigated the antagonistic interactions between V. cholerae and its virulent phages and how these interactions affect the course of the infection and the within V. cholerae genetic diversity in natural infections. I quantified relative abundances of Vibrio cholerae (Vc) and associated phages in 300 metagenomes from cholera patients stool, while accounting for antibiotic exposure. Both phages and antibiotics suppressed V. cholerae and were inversely associated with severe dehydration. I also looked at V. cholerae phage-defense mechanisms and found that known phage-resistance elements (integrative conjugative elements, ICEs) were associated with lower phage:V. cholerae ratios. In the absence of detectable ICEs, phages selected for nonsynonymous point mutations in the V. cholerae genome. My findings validate that phages may protect against severe cholera while also selecting for resistance in the V. cholerae genome within infected patients.