Apis mellifera Linnaeus (1758) è un insetto eusociale conosciuto in tutto il mondo sia per la produzione di miele sia per il suo ruolo di impollinatore, uno dei servizi ecosistemici fondamentali per la biodiversità del pianeta. Durante la sua attività di foraggiamento, l’ape è esposta agli inquinanti ambientali tra cui il particolato atmosferico aerodisperso (PM). Il particolato atmosferico può depositarsi sul corpo dell’insetto e infine contaminare anche i prodotti apistici come polline e miele. Il PM può avere diverse dimensioni (es. PM10, PM2.5, PM0.1), composizione chimica, morfologia e fonti di emissione (naturale o antropica). Nel presente elaborato di tesi, tecniche di microscopia elettronica a scansione (SEM-EDX) sono state utilizzate per caratterizzare la contaminazione da PM di origine antropica del corpo dell’ape e dei suoi prodotti (Capitolo 2 e Capitolo 3) e analisi molecolari per studiare gli eventuali effetti sub-letali sul microbiota intestinale di api esposte ai PM per via orale (Capitolo 4). / Apis mellifera Linnaeus (1758) order Hymenoptera family Apidae, is a eusocial insect widely known for its role in pollination, a fundamental ecosystem service for plant biodiversity and ultimately for the planet. During flight and foraging activity, the honey bee can collect airborne particulate matter (PM) on their own body, especially on the forewings, and can also contaminate bee products as pollen and honey. Particulate matter can originate from natural or anthropic sources, and is characterised by size (e.g., PM10, PM2.5, PM0.1), chemical composition, and morphology. In this thesis, honey bee, pollen and honey were used as bioindicator of PM – from coarse to ultrafine – in industrial areas of the Po Valley, Italy (Chapter 2 and Chapter 3). The (sub-lethal) effects of Titanium dioxide – a widespread airborne PM1 pollutant – on the honey bee through oral exposure was then investigated (Chapter 4). The technique used to analyse the PM contaminating bees and bee products is the scanning electron microscopy (SEM) coupled with X-ray spectrometer (EDX). EDX spectra allowed us to obtain chemical information from specimens, while backscattered-electron (BSE) imaging and elemental mapping provided both compositional and topographic information of PM.

Diabetes has caused many deaths worldwide but can be combated at least partially by diet and physical activity. The gut microbiome shows correlation with both type 1 and type 2 diabetes, has modulatory effects on the immune system and implicates brain functions through the gut-brain axis, in part by microbial metabolites. Diet has long been known to impact the microbiome but exercise has gained interest within the last decade, with studies mostly done on rodents and athletes with somewhat positive results on its modulation of the microbiome. This literature study aims to evaluate whether exercise can influence the microbiome for healthy, prediabetic, and diabetic cohorts and what this might mean for host health. The database PubMed was searched for articles in January 2021 and inclusion criteria yielded 7 articles for review. These differed in methods, cohorts, and exercise interventions, and therefore cannot grant any strong evidence but indicate along with previous research that exercise affects the microbiome, with slight differences in responses depending on the individual’s current state and exercising methods. / Diabetes har orsakat många dödsfall världen över men kan bekämpas åtminstone delvis med hjälp av diet och fysisk aktivitet. Tarmens mikrobiom har visats korrelera med både typ 1 och typ 2 diabetes, har reglerande effekter på immunsystemet och inverkar på hjärnfunktioner genom tarm-hjärna-axeln, delvis via metaboliter från mikroberna. Det har länge varit känt att mat kan påverka mikrobiomet, men träning har också väckt intresse över det senaste årtiondet med studier som fokuserat mest på möss och atleter med någorlunda positiva resultat för dess förändring av mikrobiomet. Denna litteraturstudie syftar till att undersöka om träning kan ha effekt på mikrobiomet hos såväl friska människor som prediabetiker och diabetiker, och vad detta kan betyda för hälsan. En litteratursökning gjordes i databasen PubMed i januari 2021 som efter sortering enligt inkluderande kriterier gav 7 artiklar för granskning. Dessa använde olika metoder, undersökta grupper och träningsupplägg, vilket försvårar jämförelser men indikerar i linje med tidigare forskning att träning påverkar mikrobiomet, med en del skillnader i resultat beroende på individens status och träningsupplägg.

Una amplia variabilidad microbiológica es la característica principal de la microbiota donde diversos factores intrínsecos y extrínsecos pueden afectar la composición de esta, y alteraciones de la misma pueden llevar a diversas patologías. En particular, la dieta alta en alimentos crudos y fermentados puede modular la microbiota intestinal de las personas. En el Perú el consumo de fermentados de tubérculos, Tocosh, es característico y tradicional. Si bien se inicia a conocer su composición bacteriana y su potencial benéfico, se desconocen las condiciones que podrían permitir el cultivo de una o más de las especies coexistentes en el Tocosh. Con el objetivo de estudiar como la microbiota del Tocosh varía durante cultivos controlados, en el presente estudio se evaluaron tres medios de cultivo no selectivos (Luria Bertani, Brain-Heart Infussion y Caldo Nutritivo) y se analizó la variación de la composición de la microbiota del tocosh en el tiempo mediante secuenciación de próxima generación (NGS, por sus siglas en inglés) de ADN bacteriano. El análisis de la muestra inicial del tocosh crudo utilizado para este estudio presentó 335 especies diversas, distribuidas principalmente en 29 filos. Los tres medios evaluados promovieron un desarrollo cualitativamente variado de microbiota mostrando entre 14 y 61 especies representadas. El análisis cuantitativo mostró que las especies que abundaban en la muestra inicial, Clostridium neuense group y Prevotella, disminuyeron notoriamente a lo largo del tiempo de cultivo en los tres medios. De manera contraria, nuestros resultados indican una clara predominancia para las familias Bacillaceae y Paenibacillaceae y específicamente para la especie Bacillus cereus en los tres medios estudiados. En conclusión, se evidenció que la variación de la microbiota de tocosh se ve afectada por el tiempo y las características de los medios de cultivo utilizados. Se encontró que los tres medios de cultivo evaluados no favorecieron el crecimiento estable y variado de la microbiota de Tocosh, observándose una preferencia al desarrollo de Bacillus cereus, presente inicialmente en la muestra de microbiota, y potencialmente nociva para la salud. Estudios futuros con miras al desarrollo industrial de tocosh deberían prestar particular atención a evaluar otros factores como temperatura, pH, oxigenación, entre otros. / The main characteristic of the microbiota is a wide variety of microbiological variability. However, various intrinsic and extrinsic factors can affect its composition, where alterations of it can lead to various pathologies. In particular, diets high in raw and fermented foods can modulate people's gut microbiota. In Peru, the consumption of fermented tubers, Tocosh, is characteristic and traditional Although its bacterial composition and its beneficial potential are beginning to be known, the conditions that could allow the cultivation of one or more of the coexisting species in Tocosh are unknown. In order to study how the Tocosh microbiota varies during controlled media cultures, in the present study three non-selective culture media (Luria Bertani, Brain-Heart Infussion and Nutritive Broth) were evaluated and the variation in the composition of Tocosh microbiota over time through the use of next generation sequencing (NGS) of bacterial DNA. The analysis of the initial sample of the raw tocosh used for this study presented 335 diverse species, distributed mainly in 29 phylum. The three- culture media evaluated promoted a qualitatively varied development of microbiota, showing between 14 and 61 species represented. However, the quantitative analysis showed that species that were abundant in the initial sample, Clostridium neuense group and Prevotella, decreased markedly throughout the culture time in the three media. On the contrary, our results indicate a clear predominance for the Bacillacea and Paenibacillaceae families and specifically for the Bacillus cereus species in the three media studied. In conclusion, it was evidenced that the variation of the Tocosh microbiota is affected by time and the characteristics of the culture media used. It was found that the three culture media evaluated did not favor the stable and varied growth of the Tocosh microbiota, observing a preference for the development of Bacillus cereus, initially present in the microbiota sample, and potentially harmful to health. Thus, future studies focused on the industrial development of Tocosh should pay particular attention to evaluating other factors such as temperature, pH, oxygenation, among others. / Tesis

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L’intestin est un organe majeur de l’organisme de par ses fonctions et sa localisation, établissant une barrière active avec un environnement complexe composé du microbiote intestinal, des aliments digérés et d’éléments sécrétés par l’hôte. Outre ses fonctions digestives, absorptives et immuno-modulatrices, l’intestin est également un important organe endocrinien, sécrétant une vingtaine d’hormones régulant des fonctions physiologiques telles que la prise alimentaire, le métabolisme énergétique ou la digestion et le transit intestinal. Ces hormones sont produites par une famille de cellules épithéliales, les cellules entéroendocrines, et sécrétées en réponse à l’activation de récepteurs reconnaissant des éléments du contenu intestinal. En particulier, les cellules entéroendocrines de type L sécrètent GLP-1 et Peptide YY (PYY), impliqués respectivement dans le contrôle de la sécrétion d’insuline et dans la régulation de la prise alimentaire ainsi que le contôle du transit intestinal. Elles sont majoritairement localisées dans l’iléon et le côlon, là où le microbiote intestinal est le plus dense. Le microbiote intestinal permet notamment la fermentation des fibres en acides gras à chaîne courte (AGCC), la production de vitamines, la maturation du système immunitaire de l’hôte et joue lui-même un rôle de barrière contre les pathogènes. Un dialogue entre le microbiote intestinal et l’hôte est nécessaire dans le maintien de l’homéostasie intestinale, nécessitant la reconnaissance par l’hôte de produits bactériens. En particulier, les récepteurs Toll-Like (TLR) permettent la reconnaissance de motifs moléculaires microbiens conservés et sont impliqués dans l’immunité innée de l’hôte. Certains produits bactériens ont également un rôle physiologique tels que les AGCC qui sont une source d’énergie importante pour les colonocytes, en plus d’activer des voies de signalisation. Il a été montré que des régimes riches en fibres, et donc permettant une production accrue d’AGCC, ou plus directement l’administration d’AGCC dans le colon, induit chez l’Homme ou la souris une augmentation des concentrations plasmatiques de PYY, par des mécanismes encore peu compris. En utilisant des lignées cellulaires humaines modèles de cellules entéroendocrines, nous avons caractérisé les effets des AGCC et des motifs bactériens reconnus par les TLR sur l’expression et la sécrétion de PYY et les réponses calciques dans ces cellules. Nous avons pu démontrer que les TLR sont exprimés de manière fonctionnelle, à l’exception de TLR4 et TLR8 dans ces cellules, et que le butyrate augmente leur expression et leur activité. De plus, la stimulation des TLR augmente l’expression de Pyy d’un rapport de 2, mais a peu d’effet sur la sécrétion dans ces cellules. Les AGCC ont des effets divers sur l’expression et la sécrétion de PYY. Alors que le butyrate et le propionate augmentent très fortement l’expression de Pyy, par des rapports respectivement de 120 et 40, par un mécanisme d’inhibition des déacétylases d’histone et de lysine, l’acétate augmente l’expression de Pyy plus modestement par l’activation des récepteurs aux AGCC FFAR2 et FFAR3. L’activation de FFAR2 par les AGCC induit une forte réponse calcique oscillatoire induisant la sécrétion de PYY alors que l’activation de FFAR3 et de GPR109a par le butyrate diminue la concentration calcique cellulaire et réduit les réponses sécrétoires. Ainsi, les AGCC augmentent la production de PYY et régulent sa sécrétion, mais avec et par des effets différents. Ces travaux ont permis de montrer le rôle des cellules entéroendocrines humaines de type L dans la reconnaissance de produits bactériens par l’expression de TLR et par leurs réponses aux AGCCs modulant l’expression et de la sécrétion de PYY. De plus, ces résultats ont déterminés en partie les mécanismes impliqués dans la réponse bénéfique de l’hôte à la consommation de fibres et l’augmentation de la production d’AGCC. / The human gut exerts major functions, mainly due to its localization and by forming an active barrier between a complex environment made of the gut microbiota, digested food products and secreted elements by the host. The main functions of the gut are digestion and absorption of nutrients and it is the first pool of immune cells and a barrier against pathogens, but the gut is also a main endocrine organ secreting more than twenty different hormones. These hormones regulate a wide range physiological functions including food intake, energy metabolism or digestion. Enteroendocrine cells, a sparse family of intestinal epithelial cells, produce and secrete these hormones in response to the activation of a variety of receptors that sense luminal content. Among them, L-cells secrete GLP-1 and Peptide YY (PYY) that are implicated in the regulation of insulin secretion, food intake and intestinal motility. They are mainly found in the distal ileum and in the colon where the microbiota is the densest. Gut microbiota ferments fibers into short chain fatty acids (SCFAs), produces vitamins, participates in regulation of host immune system and is a barrier against pathogens. The cross talk between microbiota and intestinal epithelium is important to maintain the local homeostasis, and is mediated by host receptors recognizing microbial products. Among them, Toll-like receptors (TLRs) recognize conserved microbial associate molecular patterns (MAMPs) and participate to the host innate immunity. Some microbial products also have important functions for the host such has SCFAs that are an important energy substrate for colonocytes and can also activate different signaling pathways. It was shown that fiber-rich diets, increasing production of SCFAs, as well as direct administration of SCFAs in the colon in humans or mice increased PYY plasma levels through mechanisms still undeciphered. Taking advantage of human cell lines as L-cell models, we assessed the different effects of SCFAs and TLR stimulation on PYY expression and secretion and calcium signaling in these cells. We showed that TLRs are functionally expressed in these cells at the exception of TLR4 and TLR8, and that butyrate, one of the three main SCFAs produced by the microbiota increases cell sensitivity to TLR stimulation by increasing their expression. Moreover, TLR stimulation increases Pyy expression by a fold of two but has little effect on secretion. SCFAs differently regulate Pyy expression. Propionate and butyrate highly increase Pyy expression by a fold of 40 and 120 respectively, and their effects are mainly mediated by inhibition of lysine/histone deacetylases whereas acetate increases expression of Pyy by a fold of 1.8 through stimulation of FFAR2 and FFAR3. SCFAs also induce a strong FFAR2-dependent oscillatory response monitoring PYY secretion whereas butyrate via FFAR3 and GPR109a decreases cytosolic calcium concentration and consequently reduces secretory responses. Thus, SCFAs differently increase PYY production and secretion depending of their chain length. Altogether, these results highlight the role human L-cells in microbiota-host crosstalk by sensing microbial products through expression of TLRs and their responses to SCFAs modulating PYY production and secretion. Furthermore, we deciphered some of the mechanisms implicated in beneficial host response to enriched fiber diets and increased production of SCFAs.

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.

Les pertes alimentaires mondiales se chiffrent à environ un tiers des aliments destinés à la consommation humaine, soit environ 1,3 milliards de tonnes par an (FAO). Une large fraction de ces pertes est due aux altérations microbiologiques des denrées alimentaires. L’utilisation de produits phytosanitaires reste aujourd’hui la solution la plus largement utilisée en agriculture pour limiter ces pertes. Cependant, avec le plan EcoPhyto 2, le gouvernement français a pour objectif de réduire de 50% l’usage des pesticides chimiques d’ici 2025, en particulier en promouvant l’émergence du biocontrôle. Pour développer cette approche, il est cependant nécessaire de comprendre, pour mieux les maitriser, les mécanismes sous-jacents. Les différents modes d’action de biocontrôle par les microorganismes décrits sont la stimulation des défenses naturelles des plantes, la production de substances antimicrobienne et la compétition nutritionnelle. L'originalité de ce projet est d'intégrer le mode de vie en biofilm dans les mécanismes de bioprotection (compétition spatiale et nutritionnelle, libération de principes antimicrobiens). Dans la filière Française des champignons de couche (Agaricus bisporus), l’agent de biocontrôle utilisé depuis 2008 par plus de 80 % de la filière, est Bacillus subtilis QST713. Ce biofongicide montre une nette efficacité contre Trichoderma aggressivum, la principale moisissure à l’origine de pertes économiques lors de la culture d’A. bisporus. Afin d’accompagner la filière dans cette voie biologique, nous avons entrepris de séquencer et étudier le génome de cette souche, afin de déterminer son potentiel de biocontrôle et sa capacité à former des biofilms. Nous avons également évalué l’impact de ce biofongicide sur la dynamique des communautés microbiennes du compost de culture d’A. bisporus exposé ou non à T. aggressivum. Enfin, l'étude de la reprogrammation cellulaire de cet agent de biocontrôle lors de sa culture en micromodèles axéniques, nous a permis une meilleure compréhension des phénomènes de colonisation des substrats et d'inhibition des flores indésirables. Ce projet a permis d’enrichir les connaissances vis-à-vis des mécanismes de biocontrôle dans la filière des champignons et pourra permettre une possible application à d’autres filières agricoles. / Worldwide, food losses amount for about one-third of food for human consumption, 1.3 billion tons per year (FAO). A large fraction of these losses are due to microbiological alterations. The use of phytosanitary products remains today the most widely used solution in agriculture to limit these losses. However, with the EcoPhyto 2 plan, the French government aims to reduce the use of chemical pesticides by 50% by 2025, in particular by promoting the emergence of biocontrol. To develop this approach, it is necessary to understand the underlying mechanisms. The different modes of action of biocontrol by the microorganisms described are the stimulation of the natural defenses of the plants, the production of antimicrobial substances and the nutritional competition. The originality of this project is to integrate the biofilm mode of life into bioprotection mechanisms (spatial and nutritional competition, release of antimicrobial principles). In the French sector of the button mushrooms (Agaricus bisporus) culture, the biocontrol agent used since 2008 by more than 80% of the sector, is Bacillus subtilis QST713. This biofungicide shows a clear efficacy against Trichoderma aggressivum, the main mold causing economic losses during the cultivation of A. bisporus. To accompany the sector in this biological pathway, we have sequenced and studied the genome of this strain, in order to determine its biocontrol potential and its ability to form biofilms. We also evaluated the impact of this biofungicide on the dynamics of microbial communities in A. bisporus culture compost exposed or not to T. aggressivum. Finally, the study of the cellular reprogramming of this biocontrol agent during the culture in axenic micromodels allowed us a better understanding of the substrates colonization phenomenon and the inhibition of undesirable flora. This project will enrich the knowledge of the biocontrol mechanisms used in the mushroom industry and may allow a possible application to other agricultural sectors.

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.

La maladie d’Alzheimer (MA) se présente souvent comme un déclin progressif des fonctions cognitives et comportementales. Au niveau biologique, on observe une accumulation de la protéine bêta-amyloïde (Aß) et de la protéine tau, une altération de la fonction synaptique ainsi qu’une mort neuronale. Des travaux récents ont démontré qu’une souche spécifique de probiotiques, Lacticaseibacillus rhamnosus HA-114 (HA-114), avait des propriétés neuroprotectrices dans plusieurs modèles de maladies neurodégénératives. Le projet de recherche présent visait à caractériser les aspects neurophysiologiques d’une souche de nématodes transgéniques exprimant l’Aß et valider la neuroprotection de HA-114 dans ce modèle ainsi que dans un modèle murin de la MA (APP/PS1). Les résultats présentés dans ce manuscrit montrent que les vers transgéniques exprimant le fragment 1-42 de l’Aß récapitulent des caractéristiques clés de la MA, soit une altération de la santé neuronale et de la mémoire liée à l’âge. Il s’agit donc d’un nouvel outil pour l’investigation de la physiopathologie de la MA et pour l’essai de molécules ayant un potentiel thérapeutique. Les données expérimentales montrent aussi que l’administration de HA-114 permet d’atténuer les phénotypes de neurodégénérescence et de paralysie liée à l’âge. Cela témoigne d’un potentiel en vue de l’amélioration de la qualité de vie des patients qui souffrent de la MA. L’étude des effets de HA-114 dans un modèle murin pourrait révéler de nouvelles avenues d’investigations pour la physiopathologie de la MA et les mécanismes par lesquels on pourrait un jour la traiter. / Alzheimer’s disease (AD) often presents itself as a progressive decline of behavioral and cognitive functions such as memory impairment. On a biological level, this disease presents extracellular accumulation of amyloid-beta (Aß), intracellular accumulation of tau, alteration of synaptic function and neuronal loss. Recent data showed that a supplementation with a specific probiotic strain of bacteria, Lacticaseibacillus rhamnosus HA-114 (HA-114), had a neuroprotective effect in several neurodegenerative disease models. This project aimed to characterize the neurophysiological aspects of a specific nematode strain expressing the Aß1-42 fragment and to validate the neuroprotective effect of HA-114 in this nematode strain as well as in the APP/PS1 murin model of AD. Following biochemical and behavioral experiments, data showed that this strain recapitulates key traits of AD: an age-dependent alteration of neuronal health and memory impairment. It was also observed that administrating HA-114 probiotic strain could attenuate age-related phenotypes of neurodegeneration and paralysis. This transgenic strain is therefore a new tool for drug screening and investigating AD’s pathogenesis. The neuroprotective effect of HA-114 observed in this strain shows potential towards an amelioration of the patient’s quality of life. Studying the effects of HA-114 in a murin model could reveal new investigation opportunities for AD’s pathogenesis and mechanisms that could one day cure this disease.

Plusieurs recherches ont été conduites pour déterminer les phases du cycle œstrus chez les vaches. Toutefois, peu est connue de leur microbiote vaginal. Cette étude a pour but de déterminer la composition du microbiote vaginal de vaches laitières durant les quatre phases du cycle œstrus, pour détecter son impact sur la fertilité de ces vaches. Cette information nous permettra d’un jour manipuler le microbiote vaginal d’autres vaches afin d’améliorer leur taux de fécondité. Vint-et- une vaches Holstein multipares de la même ferme ont subi l’insémination artificielle (IA) suite à la détection du début des chaleurs. Quatre frottis vaginaux ont été faits aux jours 1,3,15 et 19 du cycle. Au jour 31, une échographie a confirmé que neuf vaches étaient enceintes. Les données ont ensuite été analysées avec avec le séquençage rRNA 16S de la région hypervariable V4. Les résultats ont montré une prédominance nette de certains embranchements bactériens. Les firmicutes, bacteroidetes et protéobacteéries composait plus de 80% de la population microbiotique vaginale avec certaines fluctuations importantes. Une analyse statistique a déterminé qu’il y a eu des changements significatifs entre l’œstrus et le proestrus chez les vaches qui ne sont pas devenues enceintes de (P=0.028), et entre l’œstrus et le dioestrus chez les vaches enceintes de (P=0.043). Cette recherche est un premier pas important dans l’identification du microbiote vaginal et son impact possible sur la santé vaginale et la fertilité de vaches laitières. Cette recherche pourrait contribuer aux études futures tentant d’améliorer la fécondité bovine avec la manipulation du microbiote vaginal. / A great deal of research has been done on the four phases of the estrous cycle in cows, yet very few studies exist regarding their vaginal microbiota. This study explored the various differences in the vaginal microbiota in pregnant and non-pregnant multiparous Holstein dairy cows. This information will allow us to see what a healthy vaginal microbiota looks like in pregnant cows and to someday try to achieve similar microbiomes in other cows to aid in fertility issues on farms. The objective of this study is to investigate variations in microbiota populations during the estrous cycle and their possible association with pregnancy rates using next generation sequencing of the V4 hypervariable region of the 16S rRNA gene. Twenty-one multiparous Holstein cows on the same farm underwent artificial insemination (AI) after estrous detection. Vaginal swabs were collected four times, on days: 1 (before AI), 3, 15, and 19. Ultrasonography performed at day 31 confirmed that 9 cows became pregnant. A clear predominance of certain phyla was found, with Firmicutes, Bacteroidetes and Proteobacteria making up over 80% of the vaginal microbiota composition throughout, with notable variations between individuals. Differences in beta-diversity (community composition) that were proven statistically significant were between the estrus- proestrus phases in non-pregnant cows (P=0.028) and between the estrus and diestrus phase in pregnant cows at (P=0.043). These findings are a clear first step in identifying possible beneficial vaginal microbiota in pregnant cows that may help to determine how to proceed in manipulating other cows’ vaginal microbiota that have suffered from reproductive failure in the past.