Un nombre grandissant d’associations entre diverses pathologies humaines et dysbiose intestinale (définie ici comme altération de la composition du microbiote par rapport à sa composition habituelle) sont observées. Parmi les facteurs qui pourraient induire la dysbiose, les bactériophages (dit phages), sont des candidats pertinents par leur fonction prédatrice.L’objectif de la thèse a été de déterminer si les prophages de souches bactériennes du microbiote intestinal humain ont un impact négatif sur la stabilité de leur hôte dans l’intestin. Pour cela, nous avons utilisé des souris sans germes primo-colonisées avec la souche Escherichia coli LF82, puis inoculées soit avec Faecalibacterium prausntizii A2-165, soit avec Roseburia intestinalis L1-82, deux souches appartenant aux espèces dominantes du microbiote intestinal humain. Chacune de ces souches possède deux prophages dans son génome, Lagaffe et Mushu pour F. prausnitzii, Jekyll et Shimadzu pour R. intestinalis. L’impact des prophages a également été étudié lors d’une inflammation intestinale induite au DSS.Pour la combinaison F. prausnitzii/E. coli, aucun des deux prophages de F. prausnitzii n’a d’activité délétère pour son hôte bactérien chez la souris, même durant une inflammation induite au DSS. Afin de mieux caractériser l’ensemble des prophages présents chez cette espèce, une analyse bio-informatique effectuée sur 15 souches de F. prausnitzii a permis de constater que la prévalence de Mushu et Lagaffe était faible, mais aussi de découvrir une remarquable richesse phagique : au total, 18 espèces de prophages répartis en nouveaux 8 genres viraux ont été décrits. Une étude in silico de l’abondance de ces phages dans les viromes intestinaux humains a révélé que des phages du genre ‘Lugh’ et ‘Epona’ sont plus souvent présents et/ou abondants dans les viromes de patients des maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI) que chez les individus sains. Sachant que les patients atteints de MICI ont une population appauvrie de F. prausnitzii dans leur microbiote, ces observations suggèrent une activité accrue de ces phages pendant la maladie : ils pourraient déclencher ou aggraver la baisse de population de F. prausnitzii dans les patients, participant ainsi à l’aggravation des symptômes des MICI.Avec la combinaison R. intestinalis/E. coli., aucune variation de population ou effet délétère du phage Jekyll n’a pu être observé. En revanche, la population du phage Shimadzu est loin d’être stable. Dans toutes les souris, et même en l’absence d’un traitement au DSS, un mutant virulent de Shimadzu émerge, appelé Shi-vir. Ce mutant lyse massivement la population intestinale de R. intestinalis, menant à un effondrement de la population hôte. La population bactérienne remonte ensuite à son niveau initial grâce à l’émergence de mutants bactériens résistants à l’infection. Cette résistance a essentiellement pour origine l’acquisition d’un espaceur associé au système CRISPR-Cas de type IIC de R. intestinalis, et dirigé contre le phage Shimadzu. Cependant, l’acquisition de cet espaceur ne peut se faire sans qu’une sous-population de R. intestinalis soit préalablement guérie du prophage Shimadzu, sans quoi un tel espaceur tuerait la bactérie.J’ai ainsi démontré qu’un prophage peut déstabiliser sa population hôte dans l’environnement intestinal et créer des dysbioses intestinales transitoires. La pression de sélection qui résulte de l’infection par le phage Shi-vir a permis l’accélération de l’évolution de l’hôte bactérien.En conclusion, une fraction des phages tempérés du microbiote intestinal pourrait avoir un impact négatif sur la stabilité de sa population hôte dans l’environnement intestinal, soit parce le ratio phage/bactérie augmente dans cet environnement (cas des phages Lugh et Epona de F. prausnitzii), soit parce qu’il évolue vers la virulence (cas de Shi-vir chez R. intestinalis) et induit une dysbiose transitoire. / A growing number of associations is observed between various human pathologies and intestinal dysbiosis, here defined as an alteration of the microbiota composition. Among the potential factors inducing dysbiosis, bacteriophages, called phages, are relevant candidates by their predatory function.The aim of the thesis was to determine whether prophages of bacterial strains from the human gut microbiota have a negative impact on the stability of their host in the gut environment. We studied this question by using germ-free mice colonized first with Escherichia coli strain LF82, then inoculated with two bacterial strains belonging to dominant species of the human intestinal microbiota, Faecalibacterium prausnitzii strain A2-165 or Roseburia intestinalis strain L1-82. Each of these strains has two prophages in its genome, Lagaffe and Mushu for F. prausnitzii, Jekyll and Shimadzu for R. intestinalis. The impact of these prophages was also studied during intestinal inflammation using DSS (Dextran Sulfate Sodium)-induced colitis in mice.In mice colonized with F. prausnitzii and E. coli , prophages of F. prausnitzii did not have any deleterious activity for the bacterial host, even during DSS-induced inflammation. In order to better characterize prophages of the F. prausnitzii species, a bioinformatic analysis carried out on 15 strains of F. prausnitzii highlighted that the prevalence of Mushu and Lagaffe was low. However, this analysis revealed also an enormous diversity of phages and we described 18 species of prophages divided into 8 new proposed genera. An in silico study of their abundance in 173 human intestinal viromes revealed that the phage genera 'Lugh' and 'Epona' were more present and/or abundant in viromes of Inflammatory Bowel Disease (IBD) patients compared to healthy subjects. Given that IBD patients have lower populations of F. prausnitzii in their microbiota compared to healthy subjects, our observations suggest an increased activity of these phages during disease. They may trigger or worsen population decline of F. prausnitzii in patients, participating thus to the aggravation of IBD symptomsIn mice colonized with R. intestinalis and E. coli, we did not observe variation of Jekyll population or deleterious effect of this phage on its host. In contrast, the Shimadzu population was not stable. Indeed, even in the absence of DSS treatment we observed in all mice the emergence of a virulent mutant of Shimadzu, called Shi-vir. This mutant massively lysed R. intestinalis, leading to a collapse of the bacterial host population. Then this population rose back to its original level thanks to the emergence of bacterial mutants resistant to the viral infection. This resistance was mainly due to the acquisition of a spacer associated with the CRISPR-Cas type IIC system of R. intestinalis, directed against the Shimadzu phage. However, acquisition of this spacer could not be observed unless the Shimadzu prophage was cured from the strain, showing that this spacer would kill the Shimadzu lysogen.I have shown therefore that a prophage can destabilize its host population in the intestinal environment and create transient intestinal dysbiosis. I have also highlighted that the selection pressure imposed by an ex-temperate phage infection, the Shi-vir phage, has allowed an acceleration of its host evolution.Overall, this work establishes that a fraction of the temperate phages present in intestinal microbiota may impact negatively bacterial population stability, either because the phage/bacteria ratio increases (for the Lugh and Epona phages de F. prausnitzii), or because the temperate phage evolves towards virulence (case of the Shi-vir mutant on R. intestinalis), and induces a transient dysbiosis.

Les bactériophages sont les virus spécifiques des bactéries. Ils sont considérés comme les entités biologiques les plus abondantes de la biosphère (1031 au total). Une grande partie des bactériophages sont dits tempérés de part leur propriété à intégrer leur génome dans celui de leur hôte et à s'y maintenir en état de réplication passive appelé lysogénie. Les gènes de prophages apportent de nouvelles propriétés à l'hôte via la conversion lysogénique. De nombreux prophages défectifs et fonctionnels sont maintenus dans les génomes bactériens. Nous avons émis l'hypothèse que des stratégies de maintien aient été sélectionnées pour maintenir cette source de gènes, même si elle est potentiellement dangereuse car les prophages peuvent être induits dans des conditions de stress.Nos résultats suggèrent que le maintien de la lysogénie d'une catégorie de prophages, qui présente une organisation génétique atypique du module de recombinaison spécifique de site, est sous le contrôle du facteur de terminaison de la transcription Rho. Pour ces prophages, qu'ils soient défectifs ou fonctionnels, leur induction par inactivation de Rho, fait intervenir une nouvelle voie d'induction lytique indépendante de la voie classique via la réponse SOS.Ces interactions hôtes-virus reflète la coévolution de ces microorganismes, qui permet l'acquisition de gènes via le transfert horizontal tout en contrôlant l'expression des gènes délétères. Ceci permet l'acquisition de nouvelles propriétés et l'adaptation de l'hôte à différentes conditions environnementales. / Bacteriophages are the most abundant biological entities in the biosphere. A majority of them are temperate phages that are able to integrate their genome into the host and replicate passively in a lysogenic state. Hosts frequently benefit from such massive gene acquisition through lysogenic conversion. As prophages may be beneficial to their hosts, we hypothesize that hosts adapted strategies for maintaining that gene source. Since prophages integrate into and excise from the host chromosome through site-specific recombination (SSR), we investigated whether regulation of SSR at the level of gene expression could be involved in the maintenance process. Our results suggest that lysogeny maintenance of a class of prophages, which all share a same unusual genetic organization, are controlled by the transcription termination factor Rho. Rho is not only involved in horizontally acquired gene silencing but also in prophage maintenance, which can be seen as an adaptation of the host to maintain prophage genes. For these prophages, whether defective or functional, their induction by the inactivation of Rho, involves a new pathway of lysogeny escape, which is independent of the classical pathway via the SOS response. This newly characterized interaction reflects the coevolution of host and viruses, which allows the acquisition of genes, and thus new properties, via horizontal transfer, while controlling the expression of deleterious genes.

Les prophages sont des vecteurs majeurs de l’évolution des génomes bactériens et ont des rôles divers dans le processus adaptatif de leurs hôtes et peuvent leur apporter un avantage sélectif. Au cours de l’évolution, certains gènes prophagiques peuvent être perdus, notamment ceux codant pour des protéines du cycle lytique. Cependant, alors que certains de ces prophages défectifs sont capables de s’exciser, ils sont maintenus dans le génome de l’hôte, suggérant une pression sélective pour les conserver. C’est le cas du prophage défectif KplE1 chez E. coli K12. Dans l’équipe, des travaux ont mis en évidence que le maintien en lysogénie de différents prophages était sous le contrôle du terminateur de la transcription bactérien Rho. Afin d’identifier de nouveaux facteurs de l’hôte impliqués dans le maintien des prophages, j’ai développé un crible génétique qui m’a permis d’identifier plusieurs candidats impliqués dans le métabolisme général, la détoxification du NO ou qui appartiennent à un autre prophage défectif. Mon travail a été de discriminer lesquels de ces candidats jouaient un rôle significatif dans le maintien des prophages. Sur les trois gènes impliqués dans la détoxification du NO, seule l’expression de norV ou norW permet le maintien de KplE1. NorV réduit le NO et cette réduction nécessite l’utilisation d’un électron généré par l’oxydation du NADH par NorW. J’ai pu également montrer que l’expression du gène norV permettait le maintien d’un autre prophage fonctionnel (HK620) partageant le même module de recombinaison spécifique de site que KplE1. L’ensemble de mes résultats montre qu’il existe un lien co-évolutif important entre les prophages et leurs hôtes. / Prophages play recognized roles in their host genomes evolution and adaptation to variable ecosystems. They can provide to their host selective advantages that increase their competitiveness. Upon evolution, some prophage genes can be lost, especially those coding for lytic cycle capacity. While some of the defective prophages are perfectly competent for excision, they prove to be maintained in bacterial genomes, suggesting the involvement of a selective pressure. This is the case for our defective prophage model: KplE1 in E. coli K12. Previous work in our laboratory demonstrated that lysogeny maintenance of various prophages was controlled by Rho which is the bacterial transcription termination factor. In order to identify new host factors involved in prophage maintenance, I developed a genetic screen. This screen allowed me to identify candidate genes involved in bacterial general metabolism, in NO detoxification and also some genes that belong to another defective prophage. I determined which candidate genes actually played a role in KplE1 maintenance. Among the three genes involved in NO detoxification, I showed that norV or norW individual expression allowed KplE1 maintenance. NorV reduces NO and this reduction needs an electron produced by NorW NADH oxidation. I also showed that norV expression allowed the maintenance of another functional prophage (HK620) that shares the same site specific recombination module as KplE1. Together, my results illustrate the coevolution between prophages and their hosts.