La présence de sucres complexes constitue une source nutritive importante pour le microbiote qui assure leur dégradation via des CAZymes. Dans le cadre de cette thèse, nous avons construit in silico un modèle de type minimicrobiome contenant 177 génomes représentatifs des communautés bactériennes dans un microbiote intestinal conventionnel. L’analyse du contenu de ce minimicrobiome nous a permis d’estimer leur abondance et leur diversité. De plus, la comparaison du contenu CAZymes par groupe bactérien de type « phylum » a révélé une variabilité inter-phylum, notamment une diversité de familles CAZymes et une abondance en gènes bien plus élevées chez les Bacteroidetes. Dans un deuxième temps, nous avons développé une puce à ADN sur laquelle nous avons greffé des sondes non redondantes ciblant plus de 6500 gènes codant des CAZymes. Nous avons ensuite testé la "puce CAZyme" par hybridation d’ADN bactérien extrait d’échantillons de selles. Nos résultats suggèrent que cette méthode serait plus sensible dans la détection de CAZymes provenant de bactéries rares par rapport à la métagénomique. Ainsi, il est intéressant de noter qu’en utilisant la puce CAZyme, nous avons pu détecter un gène codant pour une famille GH6, alors que les études métagénomiques n’ont jamais réussi à détecter ce gène dans le microbiome intestinal humain et animal. Enfin, l’examen de huit échantillons de selles a permis l’identification d’un noyau CAZome contenant 46 familles de GHs et PLs, ce qui suggérerait que le microbiote intestinal est caractérisé par une stabilité fonctionnelle en dépit de variations taxonomiques importantes entre les individus testés et indépendamment de leur état de santé. / The bacterial communities that inhabit our gut ensure their growth and survival by extracting their carbon source from the food that transits through the intestines. The complex carbohydrates included in the human diet are almost exclusively degraded by the gut microbiota using CAZymes. We built a minimicrobiome model using 177 genomes associated to gut microbiota. The CAZyme content analysis revealed their huge diversity and abundance in our minimicrobiome model. At the phylum level, the Bacteroidetes genomes showed the greatest CAZyme diversity and abundance. Interestingly, as most of CAZymes found in Bacteroidetes genomes contain a signal peptide allowing their secretion in the intestinal lumen and/or in periplasmic space, members of this phylum are suggested to be the primary degraders of complex carbohydrates. Further, we developed a microarray containing probes to target more than 6,500 CAZyme genes. We then validated the CAZyme microarray by the hybridization of bacterial DNA extracted from the stool samples of individuals. Our results suggest that a microarray-based study can detect genes from low-abundance bacteria better than metagenomic-based studies. A striking example was the detection of gene encoding a GH6-family in all subjects examined, whereas metagenomic studies have consistently failed to detect this gene in both human and animal gut microbiomes. In addition, an examination of eight stool samples allowed the identification of a corresponding core CAZome containing 46 CAZymes families that suggests a functional stability of the gut microbiota despite large taxonomical variations between individuals and independently of health state.

Originaire d'Asie du Sud et de l'Est, le moustique tigre Aedes albopictus est aujourd'hui implanté sur 5 des 6 continents et les moyens de lutte mis en place pour l'éliminer peinent à freiner son expansion. Ces dernières années, l'étude des communautés microbiennes associées aux insectes a permis de démontrer leur implication dans des fonctions clefs de la biologie de leurs hôtes (nutrition, immunité, résistance aux stress biotiques et abiotiques …). Ensemble, ils constituent un super-organisme appelé holobionte. Ainsi, une meilleure connaissance de l'écologie microbienne d'Ae. albopictus pourrait nous apporter de nouvelles perspectives dans la compréhension du fonctionnement du pathosystème vectoriel. C'est dans ce contexte que s'est inscrit mon projet de thèse qui a consisté à décrire le microbiote bactérien du moustique tigre en lien avec son écologie et la génétique de ses populations. Nos travaux se sont tout d'abord portés sur des exemples précis d'interactions avec des symbiotes d'intérêts puis nous avons élargi cette étude à l'ensemble des communautés bactériennes et leurs facteurs de variation, en bénéficiant du développement des nouvelles technologies de séquençage. Les résultats obtenus ouvrent la voie vers de nouvelles hypothèses sur le fonctionnement et la dynamique de l'holobionte moustique avec la prise en compte des interactions symbiotiques comme un élément majeur du pathosystème vectoriel / Originated from South East Asia, the Asian tiger mosquito Aedes albopictus is now established on 5 of the 6 continents. Control strategies to limit its introduction and expansion remain restricted. Those last years, studies on insect microbial communities highlighted the key role of symbionts in the biology of their hosts (nutrition, immunity, resistance to biotic and abiotic stresses…). Together, they constitute a super-organism called the holobiont. Therefore, a better knowledge of microbial ecology of Ae. Albopictus should increase the understanding of vectorial pathosystem. In this context, my thesis project consisted to improve the description of bacterial microbiota associated with the Asian tiger mosquito in relation with its ecology and population genetics. We first based our attention on specific models of symbiotic interactions and then we extended our study to the whole bacterial community and its variation factors using high throughput sequencing technologies. Our results open the way to new hypotheses about the function and dynamics of mosquito holobionte taking into account the symbiotic interactions as a major component of the vectorial pathosystem

Dans un contexte de limitation de l'utilisation des antibiotiques, de nouvelles stratégies doivent être mises en place pour préserver la santé des animaux, en particulier lors du sevrage. En cuniculture, les stratégies de limitation de l'ingestion permettent de réduire les troubles digestifs en post sevrage et améliorent l'efficacité alimentaire, mais induisent inévitablement un retard de croissance et une baisse du rendement à l'abattage. Ce travail de thèse avait pour objectif d'une part d'optimiser les performances de croissance et de rendement à l'abattage des animaux soumis à une restriction alimentaire via une modulation de la quantité et de la qualité énergétique des aliments et d'autre part d'expliciter les mécanismes physiologiques sous-jacents aux effets bénéfiques d'une ingestion restreinte sur la santé et l'efficacité alimentaire. Nous avons démontré que dans le cadre d'une stratégie de restriction alimentaire un aliment riche en énergie digestible permet d'optimiser la croissance (+2%), le rendement à l'abattage (+0,6 points) et l'efficacité alimentaire (+11%), via notamment une amélioration de l'efficacité digestive, sans pénaliser les paramètres sanitaires, mais ne permet de rattraper que partiellement le retard de croissance induit par la restriction alimentaire (-3% de poids à l'abattage par rapport aux animaux nourris à volonté). Un aliment riche en amidon était favorable à la croissance de ces animaux et en particulier au rendement à l'abattage et n'avait pas d'effet délétère sur les paramètres sanitaires. La restriction alimentaire et la concentration énergétique alimentaire dans une moindre mesure, modulaient la réponse immunitaire via une réduction de la réponse humorale digestive (IgA intestinaux) et systémique (IgA et IgG circulants) sans modification de la réponse inflammatoire. L'activité du microbiote caecal était quant à elle modulée par la masse d'aliment ingérée alors que le profil de la communauté bactérienne caecale, sa diversité et sa richesse ne semblaient pas modifiés par la restriction alimentaire. Toutefois l'abondance relative de certaines familles (Eubacteriaceae, Peptococcaceae et Christensenellaceae) et genres montraient des variations spécifiques à la restriction ou à la concentration énergétique de l'aliment. L'ensemble de ces résultats indiquent que les relations entre les mesures physiologiques et les effets bénéfiques de la restriction alimentaire sur la santé digestive restent complexes et suggèrent l'implication d'autres paramètres métaboliques non évalués. Des hypothèses complémentaires de travail doivent ainsi être envisagées Toutefois nos travaux établissent l'intérêt économique de la restriction alimentaire, quel que soit le contexte sanitaire, et celui de l'utilisation d'aliments à haute valeur énergétique sur les performances zootechniques. Notre étude ouvre dès lors des perspectives de recherches complémentaires d'optimisation des stratégies alimentaires via une modulation de la durée de restriction alimentaire et de la qualité énergétique des aliments. / With the reduction in antibiotic use new strategies are required in order to preserve animal health, particularly around weaning. In rabbit breading feed restriction strategies allow for the reduction of post-weaning digestive disorders and improve feed efficiency, but are inevitably responsible for a reduced growth and carcass yield at slaughter. This work aimed to optimize the growth performances and slaughter yield of restricted fed rabbits through a modulation of the dietary energy concentration and quality. The second objective of this work was to explain the physiological mechanisms underlying the beneficial effects of feed restriction upon health and feed efficiency. We demonstrated that, under a restriction strategy, a diet rich in digestible energy increased growth (+2%), slaughter yield (+0.6 points) and feed efficiency (+11%), through an improved digestive efficiency, without penalizing the sanitary parameters. The reduced growth induced by feed restriction was however only partially compensated for (-3% in final weight compared to the ad libitum fed animals). A diet rich in starch induced a higher growth and slaughter yield and did not penalize the sanitary parameters under a restriction strategy. Feed restriction and, to a lesser extent, the dietary energy concentration, modulated the immune response through a reduced humoral response at the digestive (fecal IgA) and systemic (plasmatic IgA and IgG) levels without modifying the inflammatory response. The cecal microbial activity was modulated by the amount of feed ingested while the cecal bacterial community profile, diversity and richness were not affected by the feed intake level. However, the relative abundance of certain families (Eubacteriaceae, Peptococcaceae and Christensenellaceae) and generas demonstrated specific variations according to the feed intake level and the dietary energy concentration. These results indicate that the relationship between the physiological measurements and the beneficial effects of feed restriction upon health remain complex and suggest the implication of other metabolic parameters that weren't measured. Complementary work hypothesis must therefore be considered. This work however enabled us to establish the economic advantage of feed restriction strategies regardless of the sanitary status and demonstrated the beneficial effects of a high energy diet on growth parameters. Our study opens the door to new complementary research projects regarding the optimization of the feeding strategies through for instance the modulation of the restriction length and the dietary energy quality.

Les maladies psychiatriques présentent de fortes comorbidités avec des désordres gastrointestinaux, ce qui suggère l’existence de bases physiopathologiques communes. Une littérature abondante démontre que l’adversité précoce (infection, stress) augmente la vulnérabilité aux désordres psychiatriques à l’âge adulte. Chez le rongeur, le modèle de séparation maternelle induit chez la descendance adulte des comportements hyperanxieux associés à une hypersensibilité au stress, ainsi que des dysfonctionnements de la sphère gastrointestinale. De plus, des études récentes rapportent une hyperperméabilité de la barrière intestinale chez les ratons soumis au stress de séparation, un effet conduisant potentiellement à une dysbiose et une perturbation de la communication intestin-cerveau. Le but de ma thèse était donc d’étudier le rôle de l’axe intestin-cerveau dans la mise en place des effets à long terme du stress précoce. Nos travaux récents ont montré que certains effets à long-terme de la séparation maternelle peuvent être atténués par l’exposition des mères à un régime hyperlipidique. Dans un premier temps, nous avons testé les effets du régime hyperlipidique maternel sur le cerveau et l’intestin de ratons soumis à la séparation maternelle. Nos résultats montrent que le régime maternel hyperlipidique protège de l’augmentation de la permeabilité intestinale induite par le stress. Nous avons ensuite testé le rôle causal de la perméabilité intestinale sur les comportements émotionnels à travers une approche pharmacologique et une approche génétique. Nous rapportons 1) que la restauration de la fonction barrière de l’intestin atténue certains effets de la séparation maternelle et 2) qu’une hyperperméabilité intestinale chez des souris transgéniques non soumises à un stress produit des effets similaires à ceux de la séparation maternelle. Enfin, nous avons examiné les effets d’une adversité précoce multifactorielle sur le cerveau et l’intestin (perméabilité et microbiote) chez la descendance adulte mâle et femelle dans un modèle combinant infection prénatale et séparation maternelle. Nos résultats mettent en évidence un effet sexe très marqué sur les phénotypes comportements et intestinaux. D’autres études sont nécessaires pour identifier les mécanismes sous-tendant les effets de la perméabilité et la dysbiose intestinale sur la vulnérabilité émotionnelle associée au stress précoce. / Early-life adversity is a main risk factor for psychiatric disorders at adulthood; however the mechanisms underlying the programming effect of stress during development are still unknown. In rodents, chronic maternal separation has long lasting effects in adult offspring, including hyper-anxiety and hyper-responsiveness to a novel stress, along with gastrointestinal dysfunctions. Moreover, recent studies report gut barrier hyper-permeability in rat pups submitted to maternal separation, an effect that could potentially lead to dysbiosis and altered gut-brain communication. Therefore, the aim of my PhD was to unravel the role of the gut-brain axis in the neurobehavioral effects of early-life stress. We recently reported that some neural, behavioral and endocrine alterations associated with maternal separation in rats could be prevented by maternal exposure to a high-fat diet. We first addressed the effects of maternal high-fat diet on brain and gut during development in the maternal separation model. We show that maternal high-fat diet prevents the stress-induced decrease in spine density and altered dendritic morphology in the medial prefrontal cortex. Moreover, maternal high-fat diet also attenuates the exacerbated intestinal permeability associated with maternal separation. To explore a potential causal impact of gut leakiness on brain functions, we then examined the impact of pharmacological and genetic manipulations of intestinal permeability on brain and behavior. We report 1) that restoration of gut barrier function attenuates some of the behavioral alterations associated with maternal separation and 2) that chronic gut leakiness in naive adult transgenic mice recapitulates the effects of maternal separation. Finally, we examined the effects of multifactorial early-life adversity on behavior, gut function and microbiota composition in males and females using a combination of prenatal inflammation and maternal separation in mice. At adulthood, offspring exposed to early adversity displayed sex-specific behavioral (social behavior deficits in males and increased anxiety in females) and intestinal phenotypes. In conclusion, our work demonstrates an impact of gut dysfunctions, in particular gut leakiness, on the emergence of emotional alterations. Further studies are needed to unravel the role of the gut dysbiosis in the expression of the behavioral phenotypes associated with early-life adversity.

La nutrition postnatale précoce conditionne la santé du futur adulte du fait de son rôle déterminant dans l’implantation du microbiote intestinal et le développement de la physiologie de l’hôte. L’objectif de mon travail de thèse a été d’évaluer les conséquences de la réintroduction de matière grasse laitière associée ou non au probiotique Lactobacillus fermentum dans des préparations pour nourrissons, sur le microbiote, la physiologie intestinale et le métabolisme de l’adulte, en utilisant le miniporc Yucatan comme modèle de l’Homme. Nos travaux ont montré un renforcement des défenses non spécifiques intestinales chez le jeune et une amélioration des fonctions endocrine et immunitaire intestinales de l’adulte soumis à un régime hyper-énergétique, réduisant ainsi le risque de développer une inflammation et des désordres métaboliques. Ces effets ont été associés à une modification de la digestion des préparations chez le jeune et à une modulation de la composition et de l’activité métabolique du microbiote intestinal. Des effets spécifiques de la matière grasse laitière et de L. fermentum, et d’autres complémentaires, ont été observés, suggérant des mécanismes d’action différents. Les modifications induites par la composition des préparations pour nourrissons étaient site- et âge-spécifiques, le comportement du microbiote caecal se rapprochant du microbiote fécal. En conclusion, l’optimisation des préparations pour nourrissons pourrait passer par l’ajout de matière grasse laitière et du probiotique L. fermentum. / Early postnatal nutrition programs adult health owing to its crucial role in gut microbiota colonization and host physiology development. The objective of my thesis was to investigate the consequences of dairy lipid addition with or without probiotic Lactobacillus fermentum in infant formulas on adult gut microbiota, physiology and metabolism, using Yucatan minipig as a model for humans. We demonstrated increased non-specific intestinal defences in piglets and improved intestinal endocrine and immune functions in adults submitted to a high-energy diet, which may protect them from inflammation and metabolic disorders. These effects were associated in piglets to changes in digestion and gut microbiota composition and metabolism. We observed specific and complementary effects of dairy lipids and L. fermentum, suggesting different mechanisms of action. The infant formula composition had site- and age-specific effects, the caecal microbiota being closer to the faecal one. To conclude, the addition of dairy lipids and L. fermentum in infant formulas is an effective way to improve infant formulas.

Biomphalaria glabrata est un mollusque d’eau douce, vivant en Amérique latine. Ce planorbe est principalement connu pour être l’hôte intermédiaire de Schistosoma mansoni, vers plat parasite responsable de la bilharziose intestinale, seconde endémie parasitaire humaine mondiale derrière le paludisme.Dans ce contexte, il apparaît clairement qu’une meilleure compréhension de l’interaction entre le parasite et le mollusque, hôte intermédiaire, représente une voie de recherche prometteuse. La compréhension des interactions immunologiques entre l’escargot et le parasite ainsi que des mécanismes moléculaires par lesquels les deux partenaires interagissent apparaît comme un pré-requis à la découverte de nouvelles cibles ou de nouvelles stratégies afin de développer desmoyens de lutte contre le pathogène.Le projet de cette thèse s’inscrit dans cette optique et vise à une meilleure compréhension des interactions immunologiques entre le mollusque Biomphalaria glabrata et le trématode Schistosoma mansoni. Différents aspects de l’interaction entre B.glabrata et S.mansoni ont été explorés, des bases moléculaires et cellulaires à l’interaction tripartite entre l’immunité du mollusque, son microbiote et le pathogène. Dans un premier temps nous avons pu démontrer ungradient d’infectivité des parasites et de susceptibilité des mollusques de différents provenances géographiques. De plus, l’interaction immunologique entre le mollusque et le parasite est supportée par une adaptation locale, à l’échelle moléculaire. Nous avons également pu montrer qu’une opsonine, la BgTEP, jouait un rôle clé dans l’interaction entre B.glabrata et ses différents pathogènes. Enfin, l’existence d’une véritable interaction tripartite entre la réponse immunitaire du mollusque, son microbiote et son parasite a pu être mise en évidence. / Biomphalaria glabrata is tropical fresh water snail, living in Latin America. This planorbe is the intermediary host of Schistosoma mansoni, a trematode responsible for the intestinal Schistosomiasis, second worldwide human vector-borne disease after the malaria. In this context, a better comprehension of the parasite/snail interaction is necessary and appearsa promising research field. The understanding of immunological interaction between the host and the parasite and the molecular mechanisms used by the two partners appears like essential for the discovery of new targets and new strategies in order to develop means of struggle against the pathogen. The aim of this thesis is to better understand the immunological interactions between the B. glabrata snail and S. mansoni trematode. Different aspects of the interaction between the snail and the parasite have been explored, from molecular and cellular bases to the tripartite interaction between the snail immunity, its microbiota and the pathogen. In a first step we have been able to demonstrate a gradient of parasite infectivities and snail susceptibilities from different geographical origins. Moreover, the immunological interaction between B. glabrata and S. mansoni is supported by local adaptation, at the molecular level. We were also able to show than an opsonin, the BgTEP, plays a key role in the interaction between B. glabrata and its various pathogens. Finally, the existence of a true tripartite interaction between the snail immune response, its microbiota and its parasite could was demonstrated.

Un des enjeux majeurs dans la gestion de la plaie de pied diabétique est l’obtention d’informations permettant d’anticiper l’évolution de ces infections. Actuellement, il n’existe pas d’outils suffisamment efficaces qui permettent de distinguer une plaie colonisée d’une plaie infectée. L’approche proposée est basée sur discrimination de plusieurs bactéries fréquemment retrouvées dans les plaies chroniques de pied diabétique à partir de leur profil métabolique, et plus particulièrement des métabolites volatils qu’elles produisent. En effet, le dynamisme du métabolisme bactérien serait à même de mettre en évidence les changements qui s’opèrent dans la plaie. Dans un premier temps, une nouvelle méthodologie de concentration des métabolites volatils par Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) a été développée. Elle est basée sur l’utilisation de barreaux qui sont placés à la fois dans le milieu de culture et en espace de tête, suivie d’une analyse par GC-MS. La méthode a ensuite été comparée avec une autre méthode de concentration utilisant des fibres (la SPME) et a montré une meilleure capacité de concentration, permettant ainsi une détection plus sensible. Cette méthodologie a ensuite été utilisée pour suivre la production métabolique de six souches bactériennes cultivées dans des conditions mimant la plaie chronique. Grâce à leur profil métabolique, il a été possible de distinguer des espèces bactériennes. De plus, de manière plus surprenante, il a été possible de distinguer deux souches de Staphylococcus aureus présentant des profils de virulence différents. Enfin, une étude en co-culture a mis en évidence que 83% des métabolites produit en culture simple étaient retrouvés, prouvant l’intérêt de la méthodologie pour distinguer des souches bactériennes d’une même espèce au sein d’une plaie. / One of the major challenges in the management of diabetic foot wounds is to obtain information to anticipate the evolution of these infections. Currently, there are no sufficiently effective tools to distinguish a colonized wound to an infected wound. The proposed approach is based on the discrimination of several bacteria frequently found in chronic diabetic foot wounds from their metabolic profile, and more specifically the volatile metabolites they produce. Indeed, the dynamism of bacterial metabolism would be able to highlight the changes that are occurring in the wound. First, a new methodology for the concentration of volatile metabolites by Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) was developed. It is based on the use of stir bars that are placed both in the culture medium and in headspace, followed by GC-MS analysis. The method was then compared with another concentration method using the fibres (SPME) and we highlighted a better concentration capacity with a more sensitive detection. This methodology was then used to monitor the metabolic production of six bacterial strains grown under conditions mimicking the chronic wound. Their metabolic profile allowed us to distinguish bacterial species. Moreover, more surprisingly, it was possible to distinguish two strains of Staphylococcus aureus with different virulence profiles. Finally, a co-culture was performed and we showed that 83% of the metabolites produced in simple culture were found, proving the interest of the methodology to distinguish bacterial strains of the same species within a wound.

L'établissement d'un répertoire exhaustif ainsi que son élargissement constituent les deux objectifs principaux de ce travail. Nous avons d'abord établi la toute première liste de bactéries identifiées par culture des voies respiratoires au travers de la littérature scientifique. Nous répertorions ici 756 espèces, ce qui représente 27,23% de l'ensemble des bactéries isolées chez l'homme lorsque comparé au répertoire établi récemment par Bilen et al. Parmi ces bactéries, 514 avaient déjà été isolées au moins une fois dans les poumons. Plus de la moitié (i.e., 65,5%) des bactéries isolées pour la première fois dans des échantillons de poumons, ont été identifiées après les années 2000, soulignant la nécessité de poursuivre les efforts pour cultiver des microbes à partir des échantillons de voies respiratoires. Nous pensons que la combinaison de méthodes de culture à grande échelle telles que la culturomique et la métagénomique aidera à mieux décrire le microbiote pulmonaire. Des études antérieures sur le microbiote digestif le démontre. Nous avons ensuite utilisé des approches culturomiques et métagénomiques pour explorer le microbiote respiratoire d'individus sains. Nous avons isolé 193 bactéries par culturomics. Parmi ceux-ci, nous avons ajouté 84 au répertoire du microbiote respiratoire, dont 14 nouvelles espèces. En utilisant des approches métagénomiques, 139 OTU identifiées au rang de l'espèce dont seulement 49 (17,3%) étaient également retrouvées par culturomique, confortant la complémentarité des deux approches. Enfin, nous avons utilisé la taxonogénomique, une nouvelle approche permettant la description de nouvelles espèces bactériennes, pour décrire 19 bactéries. / The establishment of a comprehensive directory and its expansion through the use of high-speed culture methods are the two main objectives of this thesis work. We first established the first list of bacteria identified by airway culture through the scientific literature. Here we list 756 species, representing 27.23% of all bacteria isolated from humans when compared to the recently established repertoire of Bilen et al. Of these bacteria, 514 had already been isolated at least once in the lungs. Considering bacteria isolated for the first time in lung samples, more than half (ie, 65.5%) were identified after the 2000s, highlighting the need for continued efforts to grow microbes from lane samples respiratory. We believe that the combination of large scale culture methods such as culturomics and metagenomics will help to better describe the pulmonary microbiota. Previous studies on the digestive microbiota have shown the complementarity of these two approaches. We then used culturomic and metagenomic approaches to explore the respiratory microbiota of healthy individuals. We isolated 193 bacteria by culturomics. Of these, we added 84 bacteria to the repertoire of the respiratory microbiota, including 14 new species discovered. Using metagenomic approaches, 139 OTUs identified with the rank of the species of which only 49 (17.3%) were also recovered by culturomics, reinforcing the complementarity of the two approaches. Finally, we used taxonogenomics, a new approach for describing new bacterial species by integrating genomic and proteomic data with those that are classically integrated. Using this approach, 19 bacteria were described as part of this work.

Résumé confidentiel. / Confidential summary.

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