Letteratura scientifica selezionata sul tema "Interactions hôte-Microbiote"

Les moustiques, constituant la famille des Culicidae, sont présents partout dans le monde. Parmi leurs 3500 espèces, on compte une centaine de vecteurs d’agents pathogènes pour l’homme. Ils hébergent des communautés microbiennes qui influencent notamment leur propension à transmettre ces pathogènes par inhibition directe ou en affectant l’immunité et la physiologie de leur hôte. Ces communautés microbiennes colonisent divers tissus, notamment l’appareil digestif, et varient en fonction du sexe, du stade de développement et de facteurs écologiques. Dans cette revue, nous décrivons la diversité du microbiote, incluant des bactéries, des champignons, des parasites et des virus, ainsi que ses modes d’acquisition. Nous faisons état des connaissances sur les interactions microbiennes chez le moustique, qui affectent notamment la compétence vectorielle, et sur l’effet du microbiote sur le moustique. Enfin, nous nous intéressons aux opportunités d’utilisation de microbes ou de dérivés microbiens pour lutter contre la transmission vectorielle.

Le dossier thématique suivant a été rédigé par les étudiantes et étudiants de Master 1 de Biologie de l’École Normale Supérieure de Lyon à l’issue de l’UE Microbiologie Moléculaire et Structurale (2019-2020). Le Master de Biologie de l’ENS de Lyon, cohabilité par l’université Claude Bernard Lyon 1, accueille chaque année environ 50 étudiants en M1 et en M2 et propose une formation de haut niveau à la recherche en biosciences. Chaque étudiant y construit son parcours à la carte, en choisissant ses options parmi un large panel de modules, favorisant ainsi une approche pluridisciplinaire des sciences du vivant, et ce en relation étroite avec les laboratoires de recherche du tissu local, national et international. En participant à diverses activités scientifiques connexes aux UE de leur formation, les étudiants préparent également l’obtention du Diplôme de l’ENS de Lyon, qui valide leur scolarité à l’ENS. La rédaction du présent dossier, qui vise à transmettre de façon claire les messages issus d’une sélection d’articles scientifiques publiés récemment dans le domaine de la microbiologie, constitue l’une de ces activités connexes proposées aux étudiants. Les bactéries peuvent vivre en communautés dont la structure est régulée par de nombreuses interactions abiotiques et biotiques. Les interactions biotiques reposent sur des communications inter-bactériennes qui participent à la mise en place de relations de collaboration, de compétition ou de prédation. Ces communautés bactériennes peuvent en outre être en interaction avec des hôtes animaux, dans le cas des bactéries du microbiote ou des bactéries pathogènes par exemple, ou avec des virus parasites, les bactériophages. Le présent dossier illustre quelques aspects nouveaux de cette communication bactérienne, et de la façon dont les interactions bactéries/hôte ou bactéries/phages peuvent impacter cette communication. Deux nouvelles s’attardent sur des découvertes récentes autour du quorum sensing, une modalité de communication bactérienne permettant l’expression coordonnée des gènes à l’échelle de la population, en fonction de la densité de la population. La nouvelle intitulée « Le monoxyde d’azote : une arme du système immunitaire pour brouiller les communications entre bactéries » illustre comment le quorum sensing chez Staphylococcus aureus, une bactérie opportuniste, peut être affecté par un médiateur du système immunitaire de la souris. La nouvelle intitulée « Un bactériophage exploite le système de communication de son hôte bactérien pour entrer en cycle lytique » montre une stratégie étonnante par laquelle le phage VP882 décrypte des signaux issus du quorum sensing de la bactérie qu’il infecte pour réguler son propre cycle de réplication. Au-delà du quorum sensing, deux nouvelles décrivent de nouvelles modalités de communication inter-bactérienne. La nouvelle intitulée « Les nanotubes bactériens, acteurs de la compétition entre Bacillus subtilis et Bacillus megaterium » met en lumière le rôle des nanotubes, des structures de communication intercellulaire insoupçonnées jusque récemment chez les bactéries. La nouvelle intitulée « La bactérie Vibrio cholerae lyse les bactéries environnantes et assimile leur ADN qu’elle intègre dans son propre génome » illustre comment un système de sécrétion, qui permet l’injection d’effecteurs bactériens dans des cellules cibles, peut être exploité pour faciliter les transferts horizontaux de gènes chez les bactéries. Enfin, pour élargir la réflexion au monde des virus eucaryotes, deux nouvelles montrent comment l’infection virale peut interférer avec la communication entre cellules eucaryotes, sur l’exemple de la communication s’effectuant par l’intermédiaire de vésicules extracellulaires. La nouvelle intitulée « La sécrétion de vésicules extracellulaires par les plaquettes activées à l’origine de la létalité de la dengue ? » discute des mécanismes par lesquels le virus de la dengue déclenche la sécrétion de vésicules extracellulaires par les plaquettes, et des conséquences que cela peut avoir sur l’inflammation et le déclenchement de chocs hémorragiques. La nouvelle intitulée « Le coccolithovirus et Emiliania huxleyi : le détournement viral des vésicules extracellulaires » montre enfin comment ce virus d’algue unicellulaire exploite la communication intercellulaire de son hôte pour augmenter son pouvoir de diffusion au sein de la population, et des conséquences écologiques et géochimiques que cela peut entraîner à grande échelle.

Le microbiote désigne l'ensemble des microorganismes (bactéries, virus, champignons) vivant dans un environnement spécifique, en particulier chez un hôte (humain, animal ou végétal). La relation symbiotique existant entre le microbiote et son hôte a été mise en évidence dans de nombreux contextes. Le rôle protecteur du microbiote a été démontré chez l'homme, dans diverses pathologies, dont des infections bactériennes. Le microbiote colonise l'ensemble des muqueuses, dont l'intestin, où il est le plus abondant. Bien que le rôle du microbiote intestinal ait été beaucoup décrit, l'existence de bactéries commensales dans les poumons a été mise en évidence plus récemment. D'abord sujette à controverse, l'existence d'un microbiote pulmonaire, dont la composition est distincte de celle de l'intestin, et qui peut être altérée en conditions pathologiques, est maintenant bien établie. Il est également établi que le microbiote d'un organe peut agir sur la physiologie d'autres organes ; ainsi on parle par exemple d'un axe " intestin-poumons " pour désigner l'action de composés solubles produits par le microbiote intestinal, ainsi que de cellules immunitaires ou cytokines de l'intestin, véhiculés par le sang ou la lymphe, sur la physiologie du poumon. Les poumons sont une cible majeure pour la colonisation par des pathogènes. La tuberculose (TB), une inflammation chronique pulmonaire causée par la bactérie Mycobacterium tuberculosis, est encore aujourd'hui la pathologie respiratoire due à un agent étiologique unique la plus meurtrière. A ce jour la complexité des mécanismes mis en jeu pour expliquer la différence de susceptibilité à la TB entre les individus n'est pas encore complètement comprise. Il est proposé que la balance entre virulence de la souche de M. tuberculosis, et statut immunitaire de l'hôte pourrait expliquer l'inégalité entre les individus face au développement de la maladie. Ici nous avons émis l'hypothèse que le microbiote de l'hôte serait un facteur influençant l'interaction hôte-pathogène dans la TB via i) la modulation de l'immunité antituberculeuse et/ou ii) la physiologie (métabolisme, virulence) du pathogène. Mon travail de thèse a permis de montrer que l'élimination du microbiote par un traitement antibiotique à large spectre conduit à une colonisation plus importante des poumons par M.[...]
The microbiota refers to all microorganisms (bacteria, viruses, fungi) living in a specific environment, especially in a host (human, animal or plant). The symbiotic relationship existing between the microbiota and its host has been demonstrated in many contexts. In particular, it is now well-established that the microbiota plays a protective role during different human pathologies, including bacterial infections. The microbiota colonizes all the mucosal membranes of the body; particularly the intestine where it is more abundant. While role of the gut microbiota has already been widely studied, the existence of bacteria in the lungs has been described more recently. Even if at first controversial, the existence of a pulmonary microbiota, whose composition is distinct from that of the intestine, and which can be altered in pathological conditions, is now well established. It is also well-established that the microbiota of an organ can act on the physiology of other organs; for instance, a "gut-lungs" axis is used to designate the action of soluble compounds produced by the intestinal microbiota, as well as immunes cells or cytokines from the gut, carried by the blood or the lymph, on the physiology of the lung. The lungs are one of the major colonization site for different pathogens. Tuberculosis (TB), a chronic pulmonary inflammation caused by the bacteria Mycobacterium tuberculosis, is still today the most lethal respiratory disease due to a single etiological agent. To date, the complexity of the mechanisms explaining the difference in susceptibility to TB between individuals has not been fully understood yet. It has been suggested that the balance between virulence of the strain of M. [...]

Les bactéries du genre Vibrio sont ubiquitaires dans les milieux aquatiques. Elles adoptent des modes de vie libres et associés. Elles établissent des symbioses mutualistes, commensales et parasitaires avec de nombreux métazoaires. Chez l'huître Crassostrea gigas saine, un microbiote abondant et diversifié qui comprend de nombreux Vibrio est maintenu sous homéostasie immunitaire. Toutefois, sous l'influence de stress biotiques ou abiotiques une dysbiose se crée favorisant la prolifération d'espèces opportunistes de Vibrio qui peuvent induire la mort des huîtres. C’est notamment le cas lors du syndrome de mortalité des huîtres du Pacifique (POMS) provoqué par un virus immunosuppresseur, OsHV-1 µvar. Nous avons ici caractérisé les interactions Vibrio / C. gigas en contexte sain et pathologique. Nous montrons que chez des populations de V. splendidus associées à des huîtres saines, la virulence et la capacité de colonisation peuvent être contraintes par la sélection de structures de l’antigène O qui sont plus facilement reconnues par le système immunitaire de l'hôte mais qui confèrent une résistance au broutage par des amibes marines. Ce compromis entre la capacité à coloniser son hôte et la persistance environnementale est vraisemblablement à l’origine de la grande diversité structurale observée pour l’antigène O dans cette espèce. En contexte pathologique, nous avons montré que les espèces associées à l’huître sont en grande majorité cytotoxiques pour les cellules immunitaires de leur hôte, et ce, quel que soit l’environnement considéré (Atlantique, Méditerranée). Cette cytotoxicité est un déterminant clé de l’échappement aux puissantes défenses cellulaires de l’huître et du succès infectieux. Nous avons observé que les bases moléculaires de la cytotoxicité sont spécifiques à chaque espèce de Vibrio étudiée. Enfin, au-delà des agents pathogènes opportunistes qui utilisent la cytotoxicité (V. tasmaniensis, V. crassostreae, V. splendidus, V. harveyi), nous avons identifié de simples opportunistes, comme V. rotiferianus, qui non seulement bénéficient de l'activité immunosuppressive des autres agents pathogènes mais également adoptent des stratégies d'acquisition non coopérative de biens publics, tels que les sidérophores produits par la communauté microbienne hébergée par leur hôte
Bacteria of the genus Vibrio are ubiquitous in aquatic environments. They adopt free and associated lifestyles. They establish mutualistic, commensal and parasitic symbioses with numerous metazoa. In the healthy Crassostrea gigas oyster, an abundant and diverse microbiota that includes many Vibrio is maintained under immune homeostasis. However, under the influence of biotic or abiotic stressors a dysbiosis is created favoring the proliferation of opportunistic Vibrio species, which can induce the death of oysters. This occurs during the Pacific Oyster Mortality Syndrome (POMS), which is caused by an immunosuppressive virus, OsHV-1 µvar. We have here characterized the Vibrio / C. gigas interactions in health and disease. We show that in populations of V. splendidus associated with healthy oysters, virulence and colonization capacity can be constrained by the selection of O-antigen structures that are more easily recognized by the host immune system but which confer resistance to grazing by marine amoebae. This trade-off between the ability to colonize its host and environmental persistence is likely the cause of the great structural diversity observed for the O-antigen in this species. In a pathological context, we have shown that the species associated with the oyster are for the most part cytotoxic for the immune cells of their host, regardless of the environment considered (Atlantic, Mediterranean). This cytotoxicity is a key determinant of the escape from the oyster's powerful cellular defenses and determines the infectious success. We observed that the molecular bases of cytotoxicity are specific to each Vibrio species studied. Finally, beyond opportunistic pathogens that use cytotoxicity (V. tasmaniensis, V. crassostreae, V. splendidus, V. harveyi), we have identified simple opportunists, such as V. rotiferianus, which not only benefit from the immunosuppressive activity of other pathogens but also adopt strategies of non-cooperative acquisition of public goods, such as siderophores produced by the microbial community hosted by their host

Le microbiote intestinal interagit de manière permanente avec l’hôte. Il peut dialoguer directement avec les cellules intestinales avoisinantes mais également avec des organes distants, comme le cerveau. Le microbiote régule ainsi de nombreux processus biologiques et est impliqué dans la physiopathologie de nombreuses maladies.Nous avons dans un premier temps étudié si les bactéries commensales du microbiote intestinal pouvaient moduler une modification post-traductionnelles jouant un rôle essentiel dans la physiologie intestinale : la SUMOylation. Il a été montré que certaines bactéries commensales du microbiote peuvent favoriser la SUMOylation, via la production d'acides gras à chaîne courte ou ramifiée (SCFA/BCFA). Dans notre étude, nous avons mis en évidence que la bactérie commensale Staphylococcus warneri sécrète une protéine, la Warnericin RK, qui cible des composants clés de la machinerie de SUMOylation, conduisant à une diminution de la SUMOylation dans les cellules intestinales. Cette diminution favorise l’inflammation et, plus particulièrement, les réponses inflammatoires intestinales dépendantes du TNF. L'ensemble de ces résultats illustre la diversité des mécanismes utilisés par les bactéries non pathogènes du microbiote intestinal pour manipuler la SUMOylation de l'hôte. Ils soulignent également que les changements dans la composition du microbiote intestinal peuvent avoir un impact sur l'inflammation intestinale, en modifiant l'équilibre entre les effecteurs bactériens qui favorisent ou atténuent la SUMOylation.Dans un second temps, nous avons étudié le rôle du microbiote intestinal dans la physiopathologie de l’hyperphagie boulimique. Le microbiote intervient dans la régulation de l’axe intestin-cerveau, et notamment dans la régulation des comportements alimentaires. Il a donc été proposé que le microbiote pourrait être un des facteurs impliqués dans cette maladie complexe qu’est l’hyperphagie boulimique. Pour démontrer le rôle causal du microbiote dans l’hyperphagie, nous avons réalisé des transplantations de microbiote fécal issu de patients atteints de cette maladie dans des souris receveuses. Le modèle expérimental utilisé ne nous a pas permis de démontrer que le microbiote jouait un rôle dans les altérations de comportement alimentaire ou l’apparition des troubles gastrointestinaux et anxio-dépressifs associés à cette maladie
The gut microbiota constantly interacts with the host. It communicates directly with neighboring intestinal cells as well as with distant organs, including the brain. As a result, the microbiota regulates numerous biological processes and is involved in the pathophysiology of many diseases.We first investigated whether commensal bacteria from the gut microbiota modulate an essential post-translational modification in intestinal physiology, i.e. SUMOylation. It has been demonstrated that gut commensal bacteria can promote SUMOylation through the production of short- and branched-chain fatty acids (SCFA/BCFA). In the present study, we demonstrated that the commensal bacterium Staphylococcus warneri secretes a protein, named Warnericin RK, which targets key components of the SUMOylation machinery, leading to a decrease in intestinal cell’s SUMOylation. This decrease in SUMOylation promotes gut inflammation, and more particularly TNF-dependent inflammatory responses. Collectively, these findings highlight the versatility of mechanisms used by non-pathogenic bacteria in the gut microbiota to regulate host SUMOylation. Additionally, they show that changes in the composition of the gut microbiota may have an impact on gut inflammation by modulating the equilibrium between bacterial effectors enhancing or suppressing SUMOylation.Secondly, we investigated the role of the gut microbiota in the pathophysiology of Binge-Eating Disorder. Indeed, the microbiota is involved in the regulation of eating behaviors through communication along the gut-brain axis. Consequently, it has been hypothesized that the microbiota may be a contributing factor to binge-eating disorder. To investigate the potential causal role of the gut microbiota in this disease, we have transplanted fecal microbiota from patients to recipient mice. Our experimental model did not allow us to demonstrate a role for the microbiota in changes in eating behavior, or in the gastrointestinal and anxiety-depressive disorders associated with binge-eating disorder

Les isopodes représentent un modèle de choix pour l’étude des interactions au sein de l’holobionte car ils hébergent un microbiote riche et diversifié, dont la composition est très variable, sous la dépendance de l’environnement et des traits d’histoire de vie de l’hôte. Certains de leurs endosymbiotes tels que la bactérie féminisante Wolbachia et leurs conséquences sur la trajectoire évolutive des hôtes ont été bien caractérisés. Une perspective plus globale des interactions au sein de l’holobionte et leurs impacts sur la valeur adaptative de l’hôte n’a été que peu envisagée. Dans ce cadre, nous avons utilisé une combinaison d’approches expérimentales, de métagénomique, de transcriptomique et d’analyse de l’expression de gènes, afin de mieux comprendre les mécanismes et les conséquences de ces interactions sur la valeur adaptative de l’hôte. Dans un premier temps, cette thèse explore les interactions hôtes-microbiotes au travers du processus de dégradation de la lignocellulose, essentiel dans la nutrition des isopodes. Le répertoire enzymatique lié à la dégradation de la lignocellulose de l’hôte et du microbiote du cloporte Armadillidium vulgare ont été identifiés. La comparaison de ces deux répertoires enzymatiques a permis de mettre en évidence leur complémentarité, suggérant ainsi une étroite collaboration entre l’hôte et son microbiote pour la dégradation de la lignocellulose. La contribution de l’hôte et de son microbiote dans ce processus a ensuite été quantifiée en fonction de plusieurs régimes alimentaires avec des approches de métabarcoding et d’expression de gènes de CAZymes, enzymes spécialisées dans la dégradation de la lignocellulose. Dans un second temps, l’identification du répertoire de CAZymes dans 64 transcriptomes d’isopodes aquatiques et terrestres a permis d’apporter de nouveaux éléments sur les processus évolutifs qui ont favorisé la conquête des écosystèmes terrestres par les isopodes. Ces travaux ont été approfondis par l’obtention des métagénomes de cinq espèces d’isopodes permettant de caractériser les stratégies de déconstruction de la lignocellulose dans l’holobionte. La reconstruction des génomes bactériens à partir des métagénomes a permis d’identifier d’autres symbiotes chez les isopodes. Nous avons parallèlement caractérisé un premier virome des isopodes, qui montre que les phages constituent une part importante du microbiote. Ils pourraient jouer un rôle crucial comme régulateurs des communautés bactériennes au sein de l’holobionte. L’ensemble de ces travaux illustre la richesse des interactions entre le microbiote et l’hôte chez les isopodes pour la dégradation de la lignocellulose, et ouvre la voie à de nouvelles implications du microbiote au sein de l’holobionte des isopodes
Isopods are good models to study interactions within the holobiont because they host a rich and diversified microbiota, whose composition is highly variable, depending on the environment and the host's life history traits. Some of their endosymbionts such as the feminizing bacteria Wolbachia, and their consequences on the evolutionary trajectory of hosts have been well characterised. A more global perspective of interactions within the holobiont and their impacts on the host’s fitness has been little considered. In this context, we used a combination of metagenomics, transcriptomics and gene expression analysis approaches to better understand the mechanisms and consequences of these interactions on the host's fitness. First, this thesis explores host-microbial interactions through the lignocellulose degradation process, which is essential for isopods’ nutrition. The host and microbiota’s enzymatic repertoires related to the degradation of lignocellulose have been identified in the woodlouse Armadillidium vulgare. The comparison of these two enzyme repertoires revealed their complementarity, suggesting a close collaboration between the host and its microbiota for lignocellulose degradation. The contribution of the host and its microbiota to this process was then quantified according to several diets with gene expression of CAZymes (enzymes specialized in lignocellulose degradation) and metabarcoding approaches. Secondly, the identification of the CAZymes repertoire in 64 transcriptomes of aquatic and terrestrial isopods provided new information on the evolutionary processes that have favoured the conquest of lands by isopods. This work was further developed by obtaining metagenomes of five isopod species to characterise lignocellulose deconstruction strategies in the holobiont. The reconstruction of bacterial genomes from metagenomes enabled us to identify other symbionts in isopods. We also have characterised a first virome of isopods, which shows that phages constitute an important part of the microbiota. They could play a crucial role as regulators of bacterial communities within the holobiont. All these studies illustrate the richness of interactions between the microbiota and the host in isopods for lignocellulose degradation, and open the way to new implications of the microbiota within the isopods’ holobiont

Il est désormais admis que le microbiote intestinal joue un rôle prépondérant dans la santé de son hôte humain. Le co-métabolisme hôte-microbiote produit un très grand nombre de biomolécules intégrées au sein d’axes métaboliques complexes. De ce fait, le microbiote intestinal est considéré comme un organe endocrine à part entière. Bien que de nombreuses études se soient attachées à la caractérisation fonctionnelle spécifique de certaines molécules, les études envisageant plus globalement les relations métaboliques entre l’hôte et son microbiote intestinal restent rares. Parmi les nombreux facteurs influençant la composition et l’activité métabolique du microbiote intestinal, l’alimentation joue un rôle prépondérant. Toutefois, les relations entre l’alimentation usuelle et le microbiote intestinal n’ont pas été complètement élucidées. La compréhension des facteurs modulant le microbiote intestinal est un enjeu majeur des recherches actuelles, car des liens entre le microbiote intestinal et de nombreuses pathologies (troubles gastro-intestinaux, cardio-métaboliques, neuropsychiatriques, etc.) ont été suggérés. Dans ce contexte, nous avons utilisé une approche épidémiologique pour caractériser les associations entre la composition du microbiote intestinal d’une part et le métabolisme systémique et l’alimentation usuelle de l’hôte d’autre part, au sein de la population Milieu Intérieur (N=1 000). Enfin, dans la cohorte prospective NutriNet-Santé (N≈160 000), nous avons analysé les associations entre la consommation de fibres d’une part et le risque de maladies chroniques et le microbiote intestinal d’autre part.Nos résultats décrivent des associations spécifiques entre les caractéristiques du microbiote intestinal et certaines composantes du métabolisme de l’hôte, et suggèrent un rôle important de l’axe intestin-rein. De plus, des associations inverses entre la diversité du microbiote intestinal et la consommation d’aliments caractéristiques du régime occidental ont été détectées. Enfin, nos travaux confirment que la consommation de fibres est associée à une réduction du risque de maladies chroniques, dans un contexte où un nombre croissant d’études suggère une implication du microbiote intestinal dans de tels effets
It is now admitted that the gut microbiota plays a key role in the health status of its human host. It is indeed fully recognized as an endocrine organ producing biologically active molecules which are integrated within human metabolism. However, comprehensive studies characterizing host-gut microbial metabolic relationships remain scarce. Numerous factors have been shown to exert a modulatory impact on the gut microbiota. Notably, diet is supposed to be a major driver, but the relationships between usual diet and the gut microbiota are not fully elucidated yet. Furthermore, many studies have suggested the implication of the gut microbiota in a wide range of disease states, such as gastrointestinal, cardio-metabolic, neuropsychiatric, etc. disorders. Thus, understanding the factors influencing the gut microbiota constitutes an active area of research. In this context, we adopted an epidemiological approach to investigate one of the largest population-based samples so far (Milieu Intérieur population, N=1,000). We notably assessed the associations between gut microbiota composition on one hand and the systemic metabolism and the usual diet of the host on the other. Finally, in the NutriNet-Santé cohort (N≈160,000), we investigated the associations between the intake of dietary fibers and the risk of a variety of chronic diseases, and described how dietary fibers are associated with the gut microbiota.Overall, our results suggest that gut bacterial features are specifically associated with certain components of the systemic metabolism of the host, and we hypothesize a substantial role of the gut-kidney axis. Besides, negative associations between food items for which a limited consumption is generally recommended (i.e. processed foods) and gut microbial features were detected. Additionally, we confirm robust inverse associations between the consumption of dietary fibers and several major chronic diseases. Mounting evidence suggests that such effects could be mediated by the gut microbiota

Les muqueuses du corps humain (notamment l’intestin) sont colonisées dès la naissance par des milliards de microorganismes formant le microbiote (ou flore commensale) et qui vivent en symbiose avec lui. La survie de notre organisme (l’hôte) et de son microbiote dépend de l’état d’activation de notre système immunitaire. Alors qu’une trop faible activation nous rend susceptibles aux infections, une trop forte activation ou inflammation altère nos tissus. Certaines bactéries du microbiote intestinal, interagissent avec les cellules du système immunitaire pour moduler cette balance. Leur administration en tant que probiotique améliore de nombreuses pathologies et est envisagée pour le traitement d’infections respiratoires. L’infection causant le plus de décès dans le monde est la tuberculose, une maladie respiratoire causée par Mycobacterium tuberculosis et dans laquelle une hyper-activation du système immunitaire détruit les tissus pulmonaires. Dans ce projet de thèse, j’ai cherché à savoir si des bactéries du microbiote peuvent influencer la réponse du système immunitaire à la tuberculose, évaluant ainsi le potentiel d’une stratégie probiotique pour améliorer les traitements de cette maladie. En particulier, j’ai fait l’hypothèse que des bactéries commensales isolées du microbiote pulmonaire (récemment décrit) pourraient, par un effet local, fortement modifier cette réponse comme c’est le cas dans l’asthme, chez la souris. Dans un premier temps, j’ai montré que certaines bactéries du microbiote pulmonaire, administrées à des souris saines par voie intranasale, ont une forte capacité à moduler les lymphocytes T CD4+ des poumons tels que les Th1 ou Th17, impliqués dans l’immunité pro-inflammatoire, et les T régulateurs (Treg) réduisant l’activation immunitaire. En particulier, elles induisent la prolifération d’un sous type de Treg exprimant RORt (facteur de transcription caractéristique des Th17), nommé RORt+ Treg, récemment identifié dans l’intestin où l’activation de ces cellules par le microbiote limite les maladies inflammatoires de l’intestin comme la colite. Nous avons montré pour la première fois que ces cellules sont induites dans les poumons de souris traitées avec des bactéries isolées du microbiote pulmonaire appartenant aux genres bactériens Lactobacillus, Staphylococcus et Neisseria et avons caractérisé leur phénotype. Comme dans l’intestin, ces cellules semblent avoir un fort potentiel anti-inflammatoire, soutenu par leur forte expression des molécules inhibitrices CTLA-4, ou PD-1, du marqueur d’activation ICOS et de la cytokine anti-inflammatoire TGF-associée à une faible sécrétion de cytokines pro-inflammatoires telles que le TNF-. De façon intéressante, j’ai observé que des souches de Lactobacillus pulmonaires induisent les mêmes populations leucocytaires dans le modèle murin de tuberculose que dans des souris naïves, et notamment les RORt+ Treg. Tandis qu’aucune des souches testées ne diminuent la charge bactérienne de M. tuberculosis dans les poumons ou la rate des souris infectées, une souche de Lactobacillus murinus (CNCM I-5314) qui augmente fortement les Th17 et les RORt+ Treg, réduit l’infiltration leucocytaire pulmonaire, suggérant sa capacité à réduire l’inflammation associée à cette infection. Bien que la détermination du rôle des Th17 et des RORt+ Treg dans ce phénotype reste à élucider, nos résultats démontrent d’ores et déjà que l’administration de bactéries commensales pulmonaires peut fortement moduler l’immunité locale même au cours d’infections comme la tuberculose. Une meilleure caractérisation des composants du microbiote pulmonaire et des mécanismes par lesquels ils interagissent avec notre système immunitaire pour maintenir la santé respiratoire devrait donc permettre l’émergence d’une nouvelle génération de probiotiques, d’origine pulmonaire, pour prévenir et améliorer le traitement des maladies respiratoires
Human mucosal sites (such as the gut) are colonized from birth by trillions of microorganisms that form the microbiota (or commensal flora), living in symbiosis with our organism. Survival of the host and of its microbiota is dependent on the activation status of our immune system. While poor immune activation results in sensitivity to infections, its uncontrolled activation or inflammation compromises host tissue integrity. Bacteria from the gut microbiota naturally interact with cells of our immune system to preserve an equilibrium. Administration of such commensals as probiotics improve many disease outcomes and is currently studied to improve respiratory infection treatment. The primary infectious cause of death, tuberculosis, a respiratory disease caused by Mycobacterium tuberculosis, involves an over-activation of the immune system causing lung damages. In this thesis project, I investigated whether bacterial strains from the microbiota influence the immune response in tuberculosis to assess the potential of probiotics to improve tuberculosis treatment. In particular, we hypothesized that pulmonary commensal bacteria modify the local immune response to tuberculosis, as recently demonstrated in an asthma murine model. Through intranasal administration in mice, I first identified different lung commensal bacterial strains with a strong ability to modulate the lung CD4+ T cell compartment at steady state. Indeed, these strains induced T-helper (Th) cells involved in pro-inflammatory immunity, such as Th1 and Th17, and regulatory T cells (Treg) involved in anti-inflammatory responses. In particular, they increase proliferation of a specific Treg subtype, expressing RORt (a transcription factor characteristic of Th17). These RORt+ Treg were recently described in the gut, where they are induced by the microbiota and are able to decrease inflammation occurring in the mouse model of colitis. We show for the first time that these cells are induced in the lungs of mice treated with pulmonary bacterial strains from the Lactobacillus, Staphylococcus and Neisseria genera, and characterize their phenotype. As in the gut, these cells seem to have a strong anti-inflammatory profile, supported by their high expression of the inhibitory molecules CTLA-4 and PD-1, activation marker ICOS, and suppressive cytokine TGF- associated to a poor production of pro-inflammatory cytokines such as TNF-. Interestingly, I demonstrate that pulmonary Lactobacillus strains induced the same lung leukocyte populations in the mouse model of M. tuberculosis infection as in naïve mice, including RORt+ Treg. While none of the tested strains reduced M. tuberculosis burden in lung or spleen, the Lactobacillus murinus (CNCM I-5314) strain, which induce a high number of Th17 and RORt+ Treg accompanied by a reduced leukocyte infiltration in the lung, suggesting a capacity to reduce lung inflammation associated with M. tuberculosis infection. The role of Th17 and RORt+ Treg in this phenotype remains to be elucidated. Nevertheless, our results clearly indicate that the administration of pulmonary commensal bacteria strongly modulate the local immunity, even during chronic infections such as tuberculosis. Therefore, a better characterization of the lung microbiota components and of the mechanisms by which they interact with our immune system to maintain health in the respiratory system, might lead to the emergence of a new generation of probiotics, of lung origin, to better prevent and treat pulmonary diseases

Les symbiotes d'insectes peuvent considérablement influencer leurs hôtes de diverses manières. Nous avons étudié ici la communauté de microbes de la mouche du chou (Delia radicum) et plus particulièrement le rôle de son microbiote intestinal et de Wolbachia, une bactérie intracellulaire. La transmission verticale et maternelle de Wolbachia était de 100% et nous n’avons trouvé aucune preuve de manipulation de la reproduction telles que l’incompatibilité cytoplasmique, la parthénogenèse thélytoque, la féminisation ou la dégénérescence des embryons mâles. Les effets de Wolbachia sur D. radicum étaient significatifs mais modérés, et se compensaient mutuellement (réduction du taux d’éclosion, meilleure survie larvo-nymphale, temps de développement plus long et augmentation de la mortalité des femelles en conditions de stress), ce qui suggère une infection quasi neutre chez cette espèce, même si nous avons observé une augmentation de la fréquence d’infection en conditions idéales. L'influence du microbiote intestinal a été étudiée en utilisant un antibiotique, la tétracycline, avec un protocole sur trois générations, ce qui a permis de discerner l’effet direct (toxique) de la tétracycline de ses effets indirects (perte de symbiotes) sur l’hôte. Le traitement antibiotique de D. radicum a eu de multiples effets, généralement négatifs, sur les traits d’histoire de vie des descendants, ces effets pouvant être détectés jusqu'à deux générations après le traitement. La perturbation du microbiote intestinal semble avoir un rôle plus important qu'un simple effet toxique de la tétracycline elle-même. De plus, l’étude suggère que le microbiote semble avoir un rôle bénéfique chez cette espèce, et qu’il est au moins partiellement hérité de la mère. Pour finir, nous avons étudié si Wolbachia pouvait modifier le dialogue plante-insecte entre D. radicum et l’une de ses plantes-hôtes, le colza (Brassica napus). La présence du symbiote a diminué les concentrations de glucosinolates dans les feuilles, ce qui suggère que Wolbachia pourrait améliorer la fitness de son hôte en diminuant les signaux chimiques de la plante pouvant être utilisés par les conspécifiques et/ou ennemis naturels de D. radicum. Cette étude a montré le potentiel d'une bactérie intracellulaire à influencer les relations plantes-insectes et a permis de discuter des interactions tri-trophiques entre les symbiotes, leurs insectes-hôtes et un troisième niveau trophique : la plante. Cette thèse démontre qu'il est maintenant nécessaire de prendre en compte les symbiotes dans de prochaines études, afin de mieux comprendre les relations possibles entre différents partenaires, ainsi que leurs implications écologiques ou évolutives
Microbial symbionts can deeply influence their animal hosts in various ways. Here, we studied the community of microbes of the cabbage root fly (Delia radicum) and more precisely the role of its gut microbiota and of Wolbachia, an intracellular bacterium. The vertical maternal transmission of Wolbachia was perfect, and we found no evidence of manipulation of reproduction such as cytoplasmic incompatibility, thelytokous parthenogenesis, feminization nor male killing. Wolbachia infection had significant but moderate and mutually compensating effects on D. radicum (reduced hatch rate, improved larvo-nymphal viability, longer development time and increased female mortality in stress conditions), suggesting that infection might be nearly neutral in this strain, although we observed an increase in infection frequency in ideal rearing conditions. The influence of the gut microbiota was studied using an antibiotic, tetracycline, with a protocol spanning three generations, which allowed to discriminate the possible direct (toxic) effect of tetracycline from its indirect effects (due to the loss of gut symbionts). Antibiotic treatment of adults led to multiple and mostly negative effects on life history traits of their offspring and grandchildren. Data suggested a larger role of gut microbiota perturbation than of a toxic effect, that the microbiota was partially inherited maternally, and that the “wild-type” gut microbiota was beneficial in this species. Finally, we investigated whether Wolbachia could modify the insect-plant dialogue between D. radicum larvae feeding on roots of oilseed rape (Brassica napus). The presence of the symbiont decreased glucosinolate concentrations in the leaves, suggesting that Wolbachia could increase the fitness of its host by decreasing plant cues used by D. radicum conspecifics and/or natural enemies. This study showed the potential of an intracellular bacteria to influence plant-insect relationships, and allowed to discuss the tri-trophic interactions between symbionts, their insect hosts and a third trophic level: the plant. This thesis demonstrates the necessity to consider intracellular and extracellular symbionts in further studies, in order to unravel all the possible relationships between different partners, as well as their ecological or evolutionary implications

Cette thèse est issue du projet Européen Homo.symbiosus qui étudie les transitions d'équilibre des interactions entre l'hôte et son microbiote intestinal. Pour étudier les transitions nous suivons deux directions : la modélisation mécaniste des interactions hôte-microbiote et l'analyse de données temporelles de comptage microbien.Nous avons enrichi et simulé un modèle déterministe de la crypte intestinale grâce au schéma numérique EDK, en étudiant notamment l'impact des différents paramètres en utilisant la méthode des effets élémentaires de Morris. Ce modèle s'est avéré capable de simuler d'une part des états symbiotiques et dysbiotiques des interactions et d'autre part des scénarios de transition.En parallèle, un modèle EDO compartimental du colon inspiré de travaux existants a été développé et couplé au modèle de crypte. La thèse a contribué à l'enrichissement de la modélisation du métabolisme bactérien et à la modélisation de l'immunité innée à l'échelle de la muqueuse intestinale. Une exploration numérique nous a permis d'évaluer l'influence de l'alimentation sur l'état stationnaire du modèle et d'étudier l'effet d'un scénario pathologique en mimant une brèche de la barrière épithéliale.De plus, nous avons développé une approche d'analyse des données microbiennes visant à évaluer la déviation des écosystèmes microbiens subissant une forte perturbation de leur environnement par rapport à un état de référence. Cette méthode, basée sur une classification DMM, permet d'étudier les transitions d'équilibre de l'écosystème dans le cas de données avec peu d'individus et peu de points de temps. Par ailleurs, une méthode de classification de courbes utilisant le modèle SBM a été appliquée pour étudier l'effet de différentes perturbations de l'écosystème microbien, des résultats de cette étude ont pu être utilisés pour enrichir le modèle d'interactions hôte-microbiote
This thesis stems from the European project Homo.symbiosus, which investigates the equilibrium transitions of interactions between the host and its intestinal microbiota. To study these transitions, we pursue two directions: the mechanistic modeling of host-microbiota interactions and the analysis of temporal microbial count data.We enriched and simulated a deterministic model of the intestinal crypt using the EDK numerical scheme, particularly studying the impact of different parameters using the Morris Elementary Effects method. This model proved capable of simulating, on one hand, symbiotic and dysbiotic interaction states and, on the other hand, transition scenarios between states of dysbiosis and symbiosis.In parallel, a compartmental ODE model of the colon, inspired by existing studies, was developed and coupled with the crypt model. The thesis contributed to the enhancement of bacterial metabolism modeling and the modeling of innate immunity at the scale of the intestinal mucosa. A numerical exploration allowed us to assess the influence of diet on the steady state of the model and to study the effect of a pathological scenario by mimicking a breach in the epithelial barrier.Furthermore, we developed an approach to analyze microbial data aimed at assessing the deviation of microbial ecosystems undergoing significant environmental disturbances compared to a reference state. This method, based on DMM classification, enables the study of ecosystem equilibrium transitions in cases with few individuals and few time points. Moreover, a curve classification method using the SBM model was applied to investigate the effects of various disturbances on the microbial ecosystem; the results from this study were used to enrich the host-microbiota interaction model

Les isoprénoïdes constituent une grande classe de molécules que l'on retrouve chez tous les organismes vivants et qui sont impliquées dans divers processus biologiques. Le but de ma thèse était de déterminer si ces molécules pouvaient être impliquées dans les interactions entre plantes et bactéries. J'ai travaillé sur des plantes Arabidopsis thaliana sauvages, et sur deux mutants affectés dans chacune des deux voies de biosynthèse des isoprénoïdes existant chez les plantes supérieures. Un inventaire des communautés constituant le microbiote de ces plantes a mis en évidence certaines bactéries dont l’abondance varie dépendamment du génotype, malgré l'existence d'un microbiote commun entre plantes sauvages et mutantes. De plus, il a été démontré que les plantes affectées dans la voie de biosynthèse plastidiale, dite du méthylérythritol phosphate (MEP), sont plus sensibles que les plantes sauvages à l’infection par Pseudomonas syringae, un phytopathogène bien connu. Ensemble, ces résultats suggèrent que les isoprénoïdes peuvent jouer un rôle dans les interactions entre plantes et bactéries. D’autre part, 230 souches interagissant avec A. thaliana ont été isolées au laboratoire, parmi lesquelles certaines ont été testées pour déterminer leur effet sur le phénotype et la résistance des plantes à P. syringae, ainsi que l’effet des isoprénoïdes sur ces souches
Isoprenoids are a large class of molecules found in all living organisms that are implicated in diverse biological processes. The aim of my thesis was to decipher if they could be involved in the interactions between plants and bacteria. Therefore, I worked on Arabidopsis thaliana wild-type and mutants, altered in the two isoprenoid biosynthesis pathways occurring in higher plants. An inventory of the communities interacting with wild-type and mutants highlighted some differentially abundant bacteria, despite the existence of a core microbiota. In addition, plants affected in the plastidial biosynthesis pathway, referred as the methylerythritol phosphate (MEP) pathway, have been shown to be more affected than wild-type by Pseudomonas syringae, a well-known phytopathogen. Together, these results suggest that isoprenoids may play a role in the interactions between plants and bacteria. In addition, 230 strains were isolated from A. thaliana in the laboratory, among which some of them were tested for their impact on the plant fitness and resistance to P. syringae, and for the impact on isoprenoids on these strains

L'intestin des mammifères est peuplé de nombreux et divers microbes comprenant des bactéries et leurs prédateurs viraux, des bactériophages (phages). Les interactions entre les phages et les bactéries intestinales sont encore mal comprises. Des expériences indépendantes ont montré que les phages virulents n’avaient aucun effet majeur sur l’abondance des bactéries intestinales ciblées, en dépit de leur amplification durable. Cela suggère que des facteurs encore inconnus de l'environnement intestinal modulent ces interactions. À l’aide d’une analyse transcriptomique comparative de la bactérie Escherichia coli cultivée in vitro et in vivo (dans l’intestin de mammifères), nous avons constaté que, dans l’intestin, les bactéries réduisent l’expression de gènes liés aux récepteurs du phage. Ceci permet d’expliquer l’absence de sélection des bactéries mutées devenues résistantes aux phages lors d'expériences in vivo. D’autre part, nous avons montré que l'acquisition d'un îlot de pathogénicité, souvent associé aux souches intestinales humaines d'E. coli, affecte la susceptibilité aux phages en régulant négativement un mécanisme de défense contre l'ADN étranger. Enfin, nous avons examiné la répartition des phages et des bactéries dans les parties mucosales et luminales de l’intestin et avons observé une distribution spatiale hétérogène de ces deux populations antagonistes, corroborant l'hypothèse d'une dynamique « source-sink ». Globalement, nos données démontrent que de multiples facteurs incluant la distribution spatiale, la physiologie bactérienne et les défenses contre l’ADN étranger modulent les interactions entre bactéries et phages dans l’intestin des mammifères
The mammalian gut is a heterogeneous environment inhabited by a large and diverse microbial community, including bacteria and their viral predators, bacteriophages (phages). Dynamic interactions between virulent phages and bacteria in the gut are still poorly understood, which is also an obstacle for the design of successful therapeutic interventions based on phages. Independent experiments have shown that virulent phages were found to have no major effects on their targeted bacteria in the gut, in spite of sustainable phage amplification. This suggests that there are unknown factors in the gut environment that modulate these interactions. Using comparative transcriptomics analysis of E. coli grown in vitro and in vivo (within the mammalian gut) we found that in the gut, bacteria downregulate the expression of genes related to phage receptors, which provides an explanation for the lack of selection of phage-resistant bacteria during in vivo experiments. We also found that the acquisition of a pathogenicity island commonly found in human E. coli isolates affects phage susceptibility possibility by downregulating a defense mechanism against invading DNA. Finally, we examined the repartition of phages and bacteria through mucosal and luminal gut sections and observed a heterogeneous spatial distribution of these two antagonist populations, supporting the hypothesis of source-sink dynamics. Altogether our data demonstrates that multiple factors encompassing, spatial distribution, bacterial physiology and defenses against foreign DNA modulate the interactions between bacteria and phages within the gut