La dépression représente l’affection neuropsychiatrique la plus répandue dans le monde. Son impact socio-économique est important et la prise en charge des patients est souvent confrontée aux limites d’efficacité des traitements actuels. Les mécanismes sous-jacents responsables de cette affection sont en partie inconnus. Néanmoins, un nombre grandissant de données désignent aujourd’hui le microbiote intestinal comme un acteur potentiel de la physiopathologie de la dépression. En particulier, des déséquilibres dans la nature et la quantité des métabolites bactériens qu’il produit pourraient être impliqués. L’indole est un métabolite du tryptophane produit par le microbiote intestinal. Il joue un rôle (i) dans la physiologie bactérienne et les relations bactérie-bactérie au sein du microbiote, (ii) dans le fonctionnement des cellules intestinales, et (iii) certains de ses dérivés sont connus pour être neuro-actifs. L’objectif de la thèse est de mieux comprendre comment un excès de production de ce métabolite bactérien peut influencer le cerveau et le comportement dans le contexte de la dépression et de troubles mentaux qui lui sont souvent associés, les troubles anxieux. Mon travail de thèse comporte 3 parties.La première a pour but de tester si une dysbiose du microbiote intestinal induisant une surproduction d’indole est un facteur de vulnérabilité aux troubles anxieux et dépressifs, et d’étudier les modifications biochimiques et moléculaires associées. Une étude comportementale chez des souris gnotoxéniques produisant de l’indole en excès ou n’en produisant pas montre qu’une surproduction intestinale d’indole exacerbe les comportements de type anxieux et dépressif induits par l’exposition à un stress chronique modéré. L’étude de l’expression de gènes des glandes surrénales impliqués dans la synthèse de la corticostérone et de l’adrénaline montre que les souris surproductrices d’indole et soumises au stress chronique surexpriment un gène impliqué dans la synthèse de l’adrénaline. Des dosages de neurotransmetteurs cérébraux et des analyses d’expression de gènes dans le cerveau et la muqueuse intestinale ont aussi été conduits. La seconde partie de la thèse porte sur l’identification des circuits neuronaux cérébraux activés par l’indole. Pour ce faire, des souris conventionelles ont été gavées avec de l’indole et la protéine c-Fos marquée par immunohistochimie dans toutes les régions du cerveau, du tronc cérébral au cortex préfrontal. La troisième partie de la thèse consiste à moduler la disponibilité du tryptophane alimentaire dans le tube digestif de souris conventionnelles, et à en étudier l’impact sur la composition bactérienne du microbiote intestinal et sa capacité à produire de l’indole. La composition du microbiote fécal des souris a été déterminée par séquençage de l’ADN codant l’ARNr 16S et les concentrations fécales de tryptophane et d’indole ont été déterminées par analyse HPLC.En conclusion, ce projet de thèse aura contribué à une meilleure compréhension du rôle de l’indole dans les réponses comportementales et neuro-endocrines au stress. Il aura également permis d’initier l’étude des circuits neuronaux activés par l’indole, et de tester comment la modulation de la digestibilité de protéines riches en tryptophane peut influencer l’équilibre du microbiote intestinal et ses capacités à produire de l’indole. / Depression is the most spread neuropsychiatric disorder worldwide. It is a socio-economical burden and efficacy of the treatments is very limited. Mechanisms underlying this disorder are mainly unknown. However, a growing number of data has highlighted the potential role of gut microbiota dysbioses in the pathophysiology of depression. Particularly, an unbalance in the diversity and abundance of metabolites produced by the gut microbiota might be implicated. Indole is a tryptophan derivative produced by the gut microbiota. It is known to influence (i) the bacterial physiology and quorum sensing within the gut microbial ecosystem, (ii) the intestinal cells functioning, and (iii) some of its derivatives are known to affect the brain. The aim of this work is to investigate how an overproduction of indole by the gut microbiota can modulate the brain and behaviour in the context of depression and its main co-morbidity, anxiety. This thesis work contains 3 sections.In the first one, we investigated whether an intestinal microbiota dysbiosis leading to an overproduction of indole could confer vulnerability toward anxiety and depression. We also looked for potentially associated biochemical and molecular changes. A behavioural study in gnotobiotic mice overproducing or non producing indole showed the overproduction of indole exacerbated the anxiety-like and depressive-like behaviours induced by a chronic mild stress. Gene expression analysis in the adrenal glands showed chronically stressed mice overproducing indole up-regulated the expression of one gene implicated in adrenaline synthesis. Brain neurotransmitters quantification and gene expression in the brain and intestinal mucosa were also carried out. The second part of the thesis work focused on the brain neurocircuitry of indole. Conventional mice were force-fed with indole and the c-Fos protein was labelled by immunohistochemistry in all brain areas from brainstem to prefrontal cortex. In the third and last part, we modulated dietary tryptophan availability in the gastro-intestinal tract of mice, to study how this modulation could affect the composition and the indole production ability of the gut microbiota. The mice fecal microbiota composition was determined by 16S rRNA sequencing, and fecal tryptophan and indole concentrations were measured by HPLC.In summary, this work improves the understanding of the role of indole in the behavioural and neuro-endocrine responses to stress. This study also initiated the deciphering of brain circuits activated by indole. Finally, it brings some evidence about how modulating food digestibility can impact the gut microbiota composition and its indole production capacity.

L’avènement du séquençage métagénomique aléatoire a révolutionné la microbiologie en permettant la caractérisation sans culture préalable de communautés microbiennes complexes telles que le microbiote intestinal humain. Des outils bioinformatiques récemment développés atteignent une résolution au niveau de la souche en recensant des gènes accessoires ou en capturant des variants nucléotidiques (SNPs). Toutefois, ces outils sont limités par l’étendue des génomes de référence disponibles qui sont loin de couvrir toute la variabilité microbienne. En effet, de nombreuses espèces n’ont pas encore été séquencées ou sont représentées par seulement quelques génomes.La création de catalogues de gènes non redondants par assemblage de novo suivie du regroupement des gènes co-abondants révèlent une partie de la matière noire microbienne en reconstituant le répertoire de gènes d’espèces potentiellement inconnues. Bien que les méthodes existantes identifient avec précision les gènes core présents dans toutes les souches d’une espèce, elles omettent de nombreux gènes accessoires ou les divisent en petits groupes de gènes qui ne sont pas associés aux core génomes. Or, capturer ces gènes accessoires est indispensable en recherche clinique et épidémiologique car ces derniers assurent des fonctions spécifiques à certaines souches telles que la pathogénicité ou la résistance aux antibiotiques.Lors de cette thèse, nous avons développé MSPminer, un logiciel performant qui reconstitue et structure des pan-génomes d’espèces métagénomiques (ou MSPs pour Metagenomic Species Pan-genomes) en regroupant les gènes co-abondants dans un ensemble d’échantillons métagénomiques. MSPminer s’appuie sur une nouvelle mesure robuste de la proportionnalité couplée à un classificateur empirique pour regrouper et distinguer les gènes core mais aussi les gènes accessoires des espèces microbiennes.Grâce à MSPminer, nous avons structuré un catalogue de 9,9 millions de gènes du microbiote intestinal humain en 1 661 MSPs. L’homogénéité de l’annotation taxonomique, de la composition nucléotidique ainsi que la présence de gènes essentiels indiquent que les MSPs ne correspondent pas à des chimères mais à des objets biologiquement cohérents regroupant des gènes provenant de la même espèce. Parmi ces MSPs, 1 301 (78%) n’ont pas pu être annotées au niveau espèce montrant que de nombreux microorganismes colonisant l’intestin humain demeurent inconnus malgré les progrès substantiels des techniques de culture microbienne. Remarquablement, les MSPs capturent bien plus de gènes que les clusters générés par les outils existants tout en garantissant une spécificité élevée.Cet ensemble de MSPs peut d’ores et déjà être utilisé pour le profilage taxonomique et la découverte de biomarqueurs dans des échantillons de selles humaines. Ainsi, nous tirons parti des MSPs pour comparer l’impact sur le microbiote intestinal des deux principaux types de chirurgie bariatrique, la gastrectomie par laparoscopie (LSG) et la dérivation gastrique de Roux-en-Y (LRYGB). Enfin, les MSPs ouvrent la voie à des analyses au niveau souche. Dans une autre cohorte, nous avons mis en évidence l’existence de sous-espèces associées à l’origine géographique de l’hôte en étudiant les profils de présence/absence des gènes accessoires groupés dans les MSPs. / The advent of shotgun metagenomic sequencing has revolutionized microbiology by allowing culture-independent characterization of complex microbial communities such as the human gut microbiota. Recently developed bioinformatics tools achieved strain-level resolution by making a census of accessory genes or by capturing nucleotide variants (SNPs). Yet, these tools are hampered by the extent of available reference genomes which are far from covering all the microbial variability. Indeed, many species are still not sequenced or are represented by only few genomes.Building of non-redundant gene catalogs followed by the binning of co-abundant genes reveals a part of the microbial dark matter by reconstituting the gene repertoire of species potentially unknown. While existing methods accurately identify core genes present in all the strains of a species, they miss many accessory genes or split them into small gene groups that remain unassociated to core genomes. However, capturing these accessory genes is essential in clinical research and epidemiology because they provide functions specific to certain strains such as pathogenicity or antibiotic resistance.In this thesis, we developed MSPminer, a computationally efficient software tool that reconstitutes Metagenomic Species Pan-genomes (MSPs) by binning co-abundant genes across metagenomic samples. MSPminer relies on a new robust measure of proportionality coupled with an empirical classifier to group and distinguish not only species core genes but accessory genes also.With MSPminer, we structured a catalog made up of 9.9 million genes of the human gut microbiota in 1 661 MSPs. The homogeneity of the taxonomic annotation, of the nucleotide composition as well as the presence of essential genes indicate that the MSPs do not correspond to chimeras but to biologically consistent objects grouping genes from the same species. Among these MSPs, 1 301 (78%) could not be annotated at species level showing that many microorganisms colonizing the human intestinal tract are still unknown despite the substantial improvements of microbial culture techniques. Remarkably, MSPs capture more genes than clusters generated by existing tools while ensuring high specificity.This set of MSPs can be readily used for taxonomic profiling and biomarkers discovery in human gut metagenomic samples. In this way, we take advantage of the MSPs to compare the impact of two main types of surgeries, the laparoscopic sleeve gastrectomy (LSG) and the Roux-En-Y gastric bypass (LRYGB). Finally, the MSPs open the way to strain-level analyses. In another cohort, we identified subspecies associated the host geographical origin by studying presence/absence patterns of the accessory genes grouped in the MSPs.

Le rôle crucial du tractus gastrointestinal dans la pathogenèse et la pathophysiologie des troubles cardiométaboliques (TCM) et du syndrome métabolique (SM) est actuellement bien établi. Plusieurs facteurs, incluant le stress oxydatif (SOx), l'inflammation et la résistance à l'insuline (RI), perturbent l'homéostasie intestinale et causent des TCM. Les polyphénols (PP) ont des effets biologiques bénéfiques dans la prévention de pathologies métaboliques. Cependant, leurs mécanismes d'actions, surtout au niveau de l'axe intestin-foie, ne sont pas bien compris. Par ailleurs, malgré les nombreuses études sur les effets biologiques et la biodisponibilité des PP, il existe encore des zones d’ombres concernant les interactions entre le microbiote intestinal et les PP et les conséquences subséquentes sur la santé intestinale et métabolique. Dans ce travail de recherche, nous favorisons l’axiome selon lequel les PP, notamment ceux de grande taille moléculaire tels que les proanthocyanidines (PACs), pourraient être utile pour combattre les maladies métaboliques grâce à leurs actions antioxydante et anti-inflammatoire. Toutefois, ces actions précitées des PACs dépendraient d’une régulation en amont du microbiote intestinal. L’objectif central consiste à démontrer les effets bénéfiques des PACs dans la prévention des dérèglements métaboliques dans deux modèles distincts, l’un cellulaire et l’autre animal et d’en étudier les mécanismes. Les effets des PACs sur la RI, les dérangements métaboliques intestinaux grâce à la production de métabolites ont été étudiés. Dans une première étape, nous avons étudié les mécanismes d’actions des PACs et de l’un de leurs métabolites majeurs, le 4,5-dihydroxyphenyl valerolactone (DHPVL), dans la prévention des maladies métaboliques et dans le maintien de l’homéostasie intestinale en utilisant la lignée cellulaire intestinale Caco-2/15. Ces cellules constituent un outil de choix pour l’investigation du SOx, la défense antioxydante et l’inflammation en relation directe avec nos objectifs. Les résultats suggèrent que la capacité des PACs à augmenter la défense antioxydante et anti-inflammatoire et à améliorer l’homéostasie intestinale passeraient en partie probablement par leurs métabolites microbiens. Dans une deuxième étape, en utilisant le modèle murin C57BL6, nous avons déterminé l’impact des PACs sur l’homéostasie métabolique intestinale et hépatique, via l’atténuation du SOx et l’inflammation, le maintien de l’intégrité de la barrière intestinale, la prévention de l’endotoxémie métabolique et les modifications du profil lipidique et de la fonction du microbiote intestinal. Cette partie a évalué les aspects préventifs et thérapeutiques des PACs en spécifiant leurs bénéfices biologiques et voies mécanistiques dans des organes métaboliques clés. Pour étudier ces mécanismes et les comprendre, nous avons utilisé le modèle dysmétabolique de souris C57BL6 soumises à une diète riche en lipides et en sucrose (HFHS), servant à développer le SM et les complications cardio-métaboliques afin d’examiner l’action des PACs. Le développement de l’obésité, de la RI ainsi que la survenue d’autres altérations métaboliques ont été prévenus par l’administration de PACs. Les résultats de cette thèse permettent une meilleure compréhension des mécanismes d’actions qui sous-tendent les effets préventifs et thérapeutiques des PACs dans les désordres métaboliques, en particulier dans l’axe intestin-foie. / The crucial role of the gastrointestinal tract in the pathogenesis and pathophysiology of cardiometabolic disorders (CMD) and metabolic syndrome (MetS) is currently recognized. Several factors, including oxidative stress (OxS), inflammation and insulin resistance (IR), disrupt intestinal homeostasis and cause CMD. Polyphenols (PP) have beneficial biological effects in the prevention of metabolic pathologies. However, their mechanisms of action, especially in the gut-liver axis, are not well understood. Moreover, despite numerous studies on the biological effects and bioavailability of PP, there are still grey areas concerning the interactions between the intestinal microbiota and PP and the subsequent consequences for intestinal and metabolic health. In this research work, we promote the axiom that PP, particularly those of large molecular size such as proanthocyanidins (PACs), could be useful in combating metabolic diseases thanks to their antioxidant and anti-inflammatory actions. However, the aforementioned actions of PACs would depend on upstream regulation of the intestinal microbiota. The central objective is to demonstrate the beneficial effects of PACs in preventing metabolic disorders in two distinct models, one cellular and the other animal, and to study the mechanisms involved. The effects of PACs on IR and intestinal metabolic disturbances through metabolite production were studied. In a first step, we investigated the mechanisms of action of PACs and one of their major metabolites, 4,5-dihydroxyphenyl valerolactone (DHPVL), in the prevention of metabolic diseases and in the maintenance of intestinal homeostasis using the Caco-2/15 intestinal cell line. These cells are a tool of choice for investigating OxS, antioxidant defense and inflammation in direct relation to our objectives. The results suggest that the ability of PACs to enhance antioxidant and anti-inflammatory defense and improve intestinal homeostasis is probably partly mediated by their microbial metabolites. In a second step, using the C57BL6 mouse model, we determined the impact of PACs on intestinal and hepatic metabolic homeostasis, via attenuation of OxS and inflammation, maintenance of intestinal barrier integrity, prevention of metabolic endotoxemia and changes in lipid profile and gut microbiota function. This section assessed the preventive and therapeutic aspects of PACs, specifying their biological benefits and mechanistic pathways in key metabolic organs. To investigate and understand these mechanisms, we used the dysmetabolic model of C57BL6 mice subjected to a high-fat, high-sucrose diet (HFHS), used to develop MetS and cardio-metabolic complications to examine the action of PACs. The development of obesity, IR and other metabolic alterations was prevented by the administration of PACs. The results of this thesis provide a better understanding of the mechanisms of action underlying the preventive and therapeutic effects of PACs in metabolic disorders, particularly in the intestine-liver axis.

Le cancer colorectal (CCR) est le 3ème plus diagnostiqué au Canada. Son traitement implique une résection chirurgicale du côlon ou du rectum, et une reconnexion des deux bouts intestinaux pour rétablir la continuité gastrointestinale. Cette reconnexion, appelée « anastomose », peut ne pas bien guérir chez jusqu’à 30% des patients, ce qui mène à une complication morbide et mortelle appelée « fuite anastomotique ». En plus de diminuer la survie et la qualité de vie, la fuite est possiblement associée à une récidive accrue du cancer pour des raisons qui demeurent obscures. Malgré des progrès techniques importants dans les dernières décennies, les taux de fuite n’ont pas significativement diminué, et sa survenue demeure hautement imprévisible. Des données récentes ont suggéré que le microbiote intestinal, ou la collection de microorganismes dans l’intestin, peut influencer le processus de guérison après la chirurgie, mais l’évidence sur cette relation reste faible. Les études suivantes visaient donc à évaluer le lien causal entre le microbiote, la fuite anastomotique le CCR. En utilisant des échantillons de selles collectés avant la chirurgie de 18 patients avec CCR (9 avec fuite et 9 sans fuite), on a évalué le rôle causal du microbiote humain chez des souris assujetties à une greffe de microbiote fécal (GMF) puis une chirurgie colique. On a trouvé que la GMF avec des échantillons de patients avec fuite a entrainé chez la souris une mauvaise guérison anastomotique, un affaiblissement de la matrice extracellulaire dans la plaie colique, et une inflammation accrue localement. On a identifié 2 souches bactériennes, Parabacteroides goldsteinii kh35 et Alistipes onderdonkii kh33, qui influençaient la guérison anastomotique, la 1ère positivement et la 2ème négativement. Ces souches modulaient l’inflammation dans la muqueuse colique, avec P. goldsteinii exerçant un effet anti-inflammatoire et A. onderdonkii un effet pro-inflammatoire. En utilisant des échantillons de muqueuses collectés de patients avant la complétion de l’anastomose, on a trouvé avec une analyse multiplex que les patients présentant une fuite avaient des niveaux basaux plus élevés des macrophage inflammatory protein-1 alpha, monocyte chemoattractant protein-1, macrophage inflammatory protein 2 et interleukin-17A/F, et que le microbiote de ces patients entraine une augmentation similaire de ces cytokines pro-inflammatoires dans l’intestin des souris. Pour corroborer l’hypothèse que les patients présentant une fuite après la chirurgie avaient des niveaux basaux plus élevés d’inflammation intestinale de bas-grade induite par le microbiote, on a quantifié 9 cytokines dans la muqueuse colorectale de 77 patients avec CCR, pami lesquels 13 ont présenté une fuite après la chirurgie. Les 9 cytokines étaient plus élevées chez les patients ayant développé une fuite. On a exploré des marqueurs inflammatoires potentiels dans les selles, et qui peuvent être utilisés comme des biomarqueurs de dépistage avant la chirurgie, et avons identifié la calprotectine et la lipocaline-2 comme étant significativement différentes entre les patients présentant, ou pas, une fuite anastomotique. Ensuite, on a exploré si des métabolites bactériens peuvent être utilisés pour améliorer la guérison anastomotique. Les acides-gras à courte chaine (AGCCs) sont produits dans le côlon après la fermentation bactérienne de fibres alimentaires. On a ainsi testé si une supplémentation chez la souris avec de l’inuline ou des galacto-oligosaccharides (GOS), deux oligosaccharides fermentables, peut améliorer la guérison. On a trouvé que l’inuline et le GOS ont augmenté les niveaux du bénéfique AGCC butyrate, amélioré la guérison anastomotique, favorisé la réparation épithéliale, la déposition du collagène et la barrière intestinale. Enfin, puisque le butyrate est connu pour son effet anticancérigène via une activation peroxysome proliferator-activated receptor gamma (PPAR-γ), on a investigué la relation entre l’amélioration de la guérison intestinale postopératoire avec l’inuline et le 5-aminosalicylate (5-ASA), un activateur de PPAR-γ, et la récidive du CCR. Une revue de la survie postopératoire de patients avec CCR ayant, ou pas, présenté une fuite a été effectuée. L’effet d’une supplémentation alimentaire avec de l’inuline ou du 5-ASA sur les tumeurs anastomotiques a été évalué chez des souris subissant une chirurgie colique. L’inuline et le 5-ASA ont été aussi évalués dans un modèle murin de métastases hépatiques où les cellules de CCR étaient inoculées chirurgicalement dans la rate. Les patients présentant une fuite présentaient une survie globale et oncologique moindre que les patients sans fuite. Une mauvaise guérison anastomotique chez la souris a entrainé des tumeurs anastomotiques et péritonéales plus volumineuses. L’inuline et le 5-ASA ont renforcé la barrière intestinale et prévenu les tumeurs anastomotiques et dissémination métastatique chez la souris. Ces trouvailles renforcent l’hypothèse que prévenir la fuite améliore les issues oncologiques des patients avec CCR, et ouvre la voie à des essais cliniques où des interventions modifiant le microbiote seraient utilisées pour favoriser la guérison et diminuer la récidive du cancer. En résumé, on a démontré pour la première fois le lien causal entre le microbiote intestinal préopératoire et la guérison anastomotique chez les patients avec CCR. On a aussi identifié des biomarqueurs potentiels qui peuvent être utilisés en pratique pour détecter l’inflammation subclinique de bas-grade induite par le microbiote pour prédire la guérison avant la chirurgie. On a aussi démontré que le microbiote et PPAR-γ peuvent être modulés avec des oligosaccharides fermentables pour améliorer la guérison, renforcer la barrière intestinale et prévenir la récidive du cancer. / Colorectal cancer (CRC) is the third most diagnosed cancer in Canada. Its treatment involves a surgical resection of the colon or rectum, and a reconnection of the remaining bowel segments to re-establish gastrointestinal continuity. This reconnection, termed “anastomosis”, may fail to heal and leak in up to 30% of patients, which leads to a morbid and mortal complication called “anastomotic leak” (AL). In addition to decreasing survival and quality of life, AL may be linked to higher cancer recurrence for reasons that remain unclear. Despite significant technical progress over the last decades, the rates of AL have not significantly decreased, and its occurrence remains highly unpredictable. Recent data have suggested that the gut microbiota, or the collection of microorganisms in the gut, may influence the healing process after surgery, but evidence on this relation remains weak. The following studies aimed therefore at assessing the causal link between the gut microbiota, AL, and CRC in patients undergoing surgery. Using fecal samples collected before surgery from 18 patients with CRC (9 with AL and 9 without AL), we assessed the causal role of the human microbiota in mice subjected to fecal microbiota transplantation (FMT) then colonic surgery. We found that FMT from AL patients led to poor anastomotic healing, a weakened extracellular matrix in the colonic wound, and heightened inflammation locally. We identified 2 bacterial strains, Parabacteroides goldsteinii kh35 and Alistipes onderdonkii kh33, that were found to influence anastomotic healing, the first one positively and the second one negatively. These strains were found to modulate inflammation in the colonic mucosa, with P. goldsteinii exerting an anti-inflammatory effect and A. onderdonkii a pro-inflammatory effect. Using mucosal samples collected from patients before the completion of the anastomosis, we found with a multiplex assay that patients experiencing AL harbor higher basal levels of macrophage inflammatory protein- 1 alpha, monocyte chemoattractant protein-1, macrophage Inflammatory Protein 2 and interleukin-17A/F, and that the microbiota of these patients lead to the same increase in pro-inflammatory cytokines in mice. To corroborate the hypothesis that patients experiencing AL after surgery harbor higher basal levels of microbiota-driven low-grade inflammation in the gut, we quantified 9 cytokines in the colorectal mucosa of 77 patients with CRC, among whom 13 experienced AL after surgery. All 9 cytokines were found to be increased in patients developing AL. We explored potential fecal inflammatory markers that could be used as screening biomarkers before surgery, and identified calprotectin and lipocalin-2 as being significantly different between patients that subsequently developed, or not, AL. 4 Next we explored whether bacterial metabolites may be used to improve anastomotic healing. Short-chain fatty acids are produced in the gut upon bacterial fermentation of dietary fibers. We therefore tested in mice whether dietary supplementation with inulin or galacto-oligosaccharides (GOS), two fermentable oligosaccharides, could improve healing. We found that inulin and GOS increased the levels of the beneficial SCFA butyrate, improved anastomotic healing, promoted epithelial repair, collagen deposition and the gut barrier function. Finally, as butyrate is known to exert anticarcinogenic effect by stimulating the nuclear receptor peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAR-γ), we further investigated the relationship between promotion of postoperative intestinal healing using inulin and 5-aminosalicylate (5-ASA), a PPAR-γ activator, and CRC recurrence. A review of postoperative survival of CRC patients with and without AL was performed. The effect of dietary supplementation with inulin and 5-ASA on local anastomotic tumors was assessed in mice undergoing colonic surgery. Inulin and 5- ASA were also assessed in a mouse model of liver metastasis where CRC cells are surgically inoculated into the spleen. Patients experiencing AL displayed significantly lower overall and oncological survival than non-AL patients. Poor anastomotic healing in mice led to larger anastomotic and peritoneal tumors. Inulin and 5-ASA reinforced the gut barrier and prevented anastomotic tumors and metastatic spread in mice. These findings reinforce the hypothesis that preventing AL improves oncological outcomes in patients with CRC, and pave the way towards clinical trials in which microbiotatargeted interventions may be used to enhance healing and diminish cancer recurrence. In summary, we demonstrated for the first time the causal link between the preoperative gut microbiota and anastomotic healing in patients with CRC. We also identified potential biomarkers that could be used in practice to detect microbiota-driven subclinical inflammation and predict healing before surgery. We also showed that the gut microbiota and PPAR-g could be modulated using fermentable oligosaccharides to improve healing, reinforce the gut barrier and prevent cancer recurrence.

Les α-galactosides sont des glucides non digestibles constitués d'unités galactose liées en α(1,6). Les α-galactosides de la famille du raffinose (RFO) sont, avec le saccharose, les principaux oligosaccharides des légumineuses. Cependant, aucune activité α(1,6)-galactosidase n'est retrouvée au niveau de l'épithélium intestinal humain, les RFO sont donc exclusivement fermentés par les enzymes microbiennes. Ces travaux introduisent une enzyme bifonctionnelle de Ruminococcus gnavus E1, un membre majoritaire du microbiote intestinal humain, présentant une activité α(1,6)-galactosidase/ saccharose kinase (AgaSK). L'analyse de la séquence peptidique montre qu'AgaSK présente deux domaines : un domaine homologue aux α-galactosidases GH36, et un autre contenant un motif de fixation des nucléotides (motif A de Walker). La caractérisation des paramètres biochimiques d'AgaSK met en évidence cette bifonctionnalité puisqu'elle est capable d'hydrolyser les α(1,6)-galactosides solubles, et parallèlement en présence d'ATP de phosphoryler le saccharose spécifiquement sur la position C6 du glucose. La production directe de saccharose-6-phosphate à partir de l'hydrolyse du raffinose constitue une voie métabolique jamais décrite chez les bactéries. L'analyse de chacun des domaines montre que les domaines isolés d'AgaSK sont actifs mais la comparaison de leurs paramètres cinétiques montre qu'il y a des différences entre la protéine entière et les domaines isolés. La résolution de la structure du domaine α-galactosidase en complexe avec le galactose démontre que l'état oligomérique est nécessaire pour le bon repliement de la protéine et pour une fixation efficace du substrat. / Α-galactosides are non digestible carbohydrates present in many leguminous plants. Soluble α-galactosides consist of galactose units α(1,6) linked to different carbohydrates. Among these, the raffinose family oligosaccharides (RFO) and sucrose, are the most abundant oligosaccharides found in legumes. However, no α(1,6)galactosidase activity exists in the human intestine mucosa and α-galactosides are exclusively fermented by microbial α(1,6)galactosidases (EC3.2.1.22). Here we introduce a bifunctional enzyme, the α(1,6)galactosidase/sucrose kinase (AgaSK) whose gene is highly transcribed in vivo by Ruminococcus gnavus E1, a major member of human dominant intestinal microbiota. Sequence analysis showed that AgaSK is composed of two domains: one closely related to α-galactosidases from glycoside hydrolase family GH36 and the other containing a nucleotide binding motif (Walker A motif). Its biochemical characterization showed that AgaSK is able to hydrolyze efficiently soluble α-galacosides. Furthermore, AgaSK it is able to bind nucleotide to phosphorylate specifically on the C6 position of glucose sucrose. The production of sucrose-6-P directly from raffinose brings out a glycolytic pathway in bacteria, not described so far. In addition, AgaSK isolated domains are active but the biochemical characterization has shown that there are differences in the activities between the whole protein and isolated domains. The crystal structures of the galactosidase domain in complex with the product shed light onto the reaction and substrate recognition mechanisms and highlight an oligomeric state necessary for efficient substrate binding.

La production endogène de glucose est une fonction cruciale de l'organisme, permettant de maintenir l'homéostasie glycémique. Alors que la production accrue de glucose par le foie a des effets délétères, la néoglucogenèse intestinale (NGI) exerce des effets bénéfiques sur l'équilibre métabolique de l'organisme. Les régimes hyperprotéiques sont connus pour leurs effets de satiété. Grâce à des travaux physiologiques et moléculaires chez le rat et la souris, nous montrons dans une première partie que l'effet bénéfique des régimes hyperprotéiques passe par une induction de la NGI. Lors de la digestion des protéines alimentaires, des di- et tripeptides sont libérés dans la veine porte. Ces molécules agissent comme des antagonistes des récepteurs μ-opioïdes de la veine porte, initiant un arc réflexe intestin-cerveau induisant la NGI et la satiété. Dans un deuxième temps, nous proposons un modèle rendant compte des effets bénéfiques des régimes riches en fibres, tels que l'amélioration de la sensibilité à l'insuline et l'induction de la dépense énergétique. Les fibres solubles sont fermentées par le microbiote intestinal, produisant des acides gras à chaîne courte (AGCC), acétate, propionate et butyrate, à l'origine des effets métaboliques observés. Nous montrons que le butyrate active directement les gènes de la NGI dans les entérocytes, et que le propionate se lie aux récepteurs FFAR3 dans le système nerveux périportal, initiant un mécanisme de communication entre l'intestin et le cerveau induisant la NGI. De plus, nous montrons que la modification de la composition du microbiote par les fibres alimentaires n'est pas suffisante en soi pour induire les effets bénéfiques en absence de NGI / Endogenous glucose production is a crucial function for the organism, accounting for the maintenance of glucose homeostasis. While an increase in hepatic glucose production has deleterious effects, intestinal gluconeogenesis (IGN) has beneficial effects on the metabolic balance of the organism. Protein-rich diets are knows for their satiety effects. Thanks to physiological and molecular studies on rats and mice, we first show that the beneficial effects of protein-rich diets are dependent on activation of IGN. When dietary protein is digested, di- and tri-peptides are released into the portal vein. These molecules act as μ-opioid receptor antagonists in the portal vein, initiating a gut-brain neural reflex arc inducing IGN and satiety. In a second study, we propose a model accounting for the beneficial effects of fiber-enriched diets, such as increased insulin sensitivity and induction of energy expenditure. Soluble dietary fiber is fermented by the gut microbiota, producing short-chain fatty acids (SCFAs), acetate, propionate and butyrate, which are responsible for the observed metabolic effects. We show that butyrate directly activates IGN in the enterocytes, while propionate binds to FFAR3 receptors in the portal vein nervous system, initiating a gut-brain neural communication mechanism inducing IGN. Moreover, we show that modifications in the microbiota composition by dietary fiber are not sufficient to induce metabolic beneficial effects in the absence of IGN

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

Introduction : L'obésité est causée par un déséquilibre prolongé entre les apports énergétiques et l'activité physique, dépendant du métabolisme de base, de la production de chaleur et des effets thermogéniques du régime et de l'activité physique. Chez les rongeurs, l'obésité induite par le régime peut être obtenue par différents régimes et approches. A cet égard, les régimes hyperlipidiques sont considérés comme les régimes de référence pour générer des modèles de l'obésité chez le rongeur et engendrent des pathologies similaires à celles rencontrées chez l'homme. Cependant, ce régime alimentaire est loin d'être standardisé et a été critiqué sur le fait que la prise énergétique totale et non uniquement les lipides régissait l'accumulation de graisse corporelle chez l'homme. Ainsi, les régimes cafétéria ont été introduits : en offrant en plus d'un régime non purifié un choix de plusieurs aliments appétants, de composition, d'apparence et de texture différentes, ils permettent le développement de l'obésité en déclenchant l'hyperphagie. Objectif : L'objet de ces travaux a été de comparer chez des souris obèses les effets d'un régime hyperlipidique à ceux d'un régime cafétéria sur la prise de nourriture, la prise de poids et les déterminants du métabolisme et de l'homéostase énergétique. Résultats : Nos résultats démontrent qu'un régime hyperlipidique et un régime cafeteria permettent tous deux d'obtenir un phénotype obèse mais sans causer nécessairement les mêmes changements métaboliques. Le régime cafétéria, caractérisé par un contenu en glucides (principalement le sucrose) plus élevé et un contenu en lipides plus faible, semble avoir des conséquences plus néfastes pour le foie et provoque des changements plus prononcés au niveau du microbiote intestinal. Malgré un contenu en cholestérol plus faible que dans le régime hyperlipidique, les souris nourries au régime cafétéria présentaient une cholestérolémie similaire. Les niveaux d'expression des gènes impliqués dans le métabolisme du cholestérol dans l'intestin grêle et le foie suggèrent une augmentation de la synthèse de cholestérol de novo et une modification de son transport, ces effets étant plus marqués chez les souris nourries au régime hyperlipidique. Conclusion : Ces résultats remettent en question le statut des régimes hyperlipidiques pour déclencher l'obésité et pour générer ses pathologies associées. Les régimes cafétéria sont aussi efficaces à cet égard et sont plus proches des régimes consommés chez l'homme.

La production endogène de glucose est une fonction cruciale de l'organisme, permettant de maintenir l'homéostasie glycémique. Alors que la production accrue de glucose par le foie a des effets délétères, la néoglucogenèse intestinale (NGI) exerce des effets bénéfiques sur l'équilibre métabolique de l'organisme. Les régimes hyperprotéiques sont connus pour leurs effets de satiété. Grâce à des travaux physiologiques et moléculaires chez le rat et la souris, nous montrons dans une première partie que l'effet bénéfique des régimes hyperprotéiques passe par une induction de la NGI. Lors de la digestion des protéines alimentaires, des di- et tripeptides sont libérés dans la veine porte. Ces molécules agissent comme des antagonistes des récepteurs μ-opioïdes de la veine porte, initiant un arc réflexe intestin-cerveau induisant la NGI et la satiété. Dans un deuxième temps, nous proposons un modèle rendant compte des effets bénéfiques des régimes riches en fibres, tels que l'amélioration de la sensibilité à l'insuline et l'induction de la dépense énergétique. Les fibres solubles sont fermentées par le microbiote intestinal, produisant des acides gras à chaîne courte (AGCC), acétate, propionate et butyrate, à l'origine des effets métaboliques observés. Nous montrons que le butyrate active directement les gènes de la NGI dans les entérocytes, et que le propionate se lie aux récepteurs FFAR3 dans le système nerveux périportal, initiant un mécanisme de communication entre l'intestin et le cerveau induisant la NGI. De plus, nous montrons que la modification de la composition du microbiote par les fibres alimentaires n'est pas suffisante en soi pour induire les effets bénéfiques en absence de NGI

Le déoxynivalénol (DON) est une mycotoxine qui contamine la plupart des cultures de céréales dans toutes les régions du monde. Capable de résister aux procédés de transformation subies par les céréales, le DON peut se retrouver alors, à l'état de contaminants dans les matières premières (céréales) ainsi que dans les denrées alimentaires transformées destinées à l'Homme (pâtes, pain, bières) et à l'animal (granulés) à des concentrations supérieures aux limites règlementaires. Malgré les efforts de recherche pour caractériser les multiples aspects de l'impact d'une contamination par le DON, les effets bactériologiques de cette mycotoxine n'étaient pas encore documentés chez l'Homme. L'Agence Nationale de Sécurité Sanitaire (Anses), dans le cadre de sa mission de protection du consommateur, a donc souhaité évaluer l'impact d'une contamination au DON sur le microbiote intestinal humain (MIH). Dans cette étude, nous avons d'abord évalué la cinétique du DON chez le porc et chez le rat, puis nous avons utilisé un modèle de rats à flore humanisée pour évaluer l'impact d'une exposition sub-chronique de la mycotoxine sur la composition du MIH. Le DON est un contaminant rapidement distribué et éliminé. Au sein du tractus digestif, il entraine des changements bactériologiques significatifs chez certains principaux groupes bactériens composant le MIH. Cette étude apporte des données complémentaires à l'analyse du risque lié à l'exposition du DON chez l'Homme et montre l'intérêt des modèles animaux étudiés dans des scénarii particuliers d'exposition au DON.