Analyse intégrative des données multi-dimensionnelles pour l'étude de la vaccination vis-à-vis des infections mammaires et pulmonaires chez les bovins

Dans le but de prévenir la sélection de bactéries résistantes aux antibiotiques, la volonté de réduire leur usage en médecine vétérinaire est un choix sociétal largement affiché. Le développement de méthodes alternatives telles que la vaccination est nécessaire. Dans l’espèce bovine, les infections mammaires et pulmonaires restent très présentes, et de nombreuses zones d’ombre subsistent sur la compréhension des mécanismes immunitaires de défense pour les prévenir. Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’étude de la vaccination à l’aide d’approches multidimensionnelles dans le double objectif de comprendre les mécanismes qu’elles mobilisent et d’élaborer de nouvelles méthodes vaccinales plus performantes. Les techniques dites de haut débit telles que la transcriptomique ou encore la protéomique ciblée sont de plus en plus utilisées dans les questions de recherche. En effet, leur utilisation permet d’identifier et d’étudier de façon large et sans a priori des mécanismes encore méconnus notamment dans le domaine de l’infectiologie. La stratégie vaccinale associant une immunisation par les voies systémique et locale permet une meilleure protection des vaches laitières vis-à-vis d’une infection expérimentale par E. coli, comparée à l’immunisation systémique seule. Pour la compréhension des mécanismes immunitaires protecteurs induits par la vaccination locale, une étude transcriptomique haut débit à l’aide du séquençage de l’ARN a été réalisée sur les cellules du sang, puis sur les lymphocytes CD4 extraits du tissu mammaire. En parallèle, une étude protéomique moyen débit via le dosage de cytokines par une méthode multiplexe utilisant des billes magnétiques a été conduite en parallèle. Une intégration de l’ensemble des données couplées à des informations sur l’état clinique après l’épreuve infectieuse a permis d’attribuer la protection induite par la vaccination à l’activité des lymphocytes producteurs d’interleukine 17 dans le tissu mammaire. La deuxième étude s’inscrit dans le cadre de l’étude de la vaccination contre les maladies respiratoires des bovins. Les effets d’un protocole de préparation des animaux incluant la vaccination ont été mesurés chez des jeunes bovins et un suivi de la réponse immunitaire, en parallèle des performances zootechniques et de la morbidité a été réalisé. Via l’utilisation de méthodes multidimensionnelles, les résultats montrent que la prévalence des signes cliniques et des lésions pulmonaires n’ont pas été efficacement prévenus par les interventions vaccinales. Des conditions d’hébergement défavorables ont un impact négatif sur la santé respiratoire malgré la vaccination. Ces travaux, outre la collection d’informations nouvelles sur la réponse immunitaire induite par la vaccination, ouvrent des perspectives sur de nouvelles modalités de prévention des deux principales maladies justifiant l’utilisation d’antibiotiques en élevage bovin

Systèmes vivants : Lois locales et globales, invariance d'échelle

To survive that is 'to eat and not to be eaten', to live on [9, 11]. Any living system [10], to survive and live on [9], whatever is its spatial [28] and temporal [23, 29, 35] level of organization, owns 7 invariant qualitative characteristics (degrees of freedom) [19]. Any alive system is formed by embedding and juxtapositions [17] of pre-existing systems [22]. How are the local quantitative laws, of their spatial-temporal structuring and functioning, associated with these qualitative characteristics independently from the dimensional scales? How are they independent/dependent from the new global level of organization and the local situations of emergence? How do the local actors become mutually integrated into their global whole? And reversely (systemic constructal law [4]), why and how is the global whole reciprocally integrating the local parceners [18, 20]? At every level of organization, the evolution of the living systems obeys 5 organizing principles of emergence [33] and the space (the volume of the adult system VA) and the duration (time of generation tg) are linked through a power law (generalized Kepler's 3rd law like VA2 = C.tg3), a law of growth (figure 3) and exchange (figure 4). As all the sub-systems which live in it, the whole Universe is living in an ecoexotope that it can share with other Universes

Immunisation des plantes par les éliciteurs biologiques : étude des mécanismes et caractérisation des molécules

Depuis un demi-siècle, les agriculteurs utilisent les pesticides chimiques pour lutter contre des agents phytopathogènes. Cette utilisation systématique a conduit à plusieurs effets négatifs sur la santé humaine et l’environnement. Par conséquent, les systèmes de cultures modernes s’orientent vers des solutions innovantes écologiquement compatibles. Dans ce contexte, cette étude vise à étudier l’effet bioprotecteur des bactéries endophytes bénéfiques et de leurs substances bioactives pour la lutte contre les agents phytopathogènes chez une espèce végétale cultivée, la tomate (Solanum lycopersicum) et une espèce sauvage, la luzerne tronquée (Medicago truncatula). Une première partie de ce travail a été consacrée à l’étude des activités antifongiques et de bioprotection des composés organiques volatils (COV) produits par des bactéries endophytes isolées à partir de la tomate pour prévenir l'infection par Botrytis cinerea en post- récolte. Cinquante souches bactériennes ont été isolées de différents sites de la région du CapBon en Tunisie de différents organes. Au total, 36 % des souches bactériennes endophytes produisent des COV avec un effet antifongique contre B. cinerea in vitro. Parmi celles-ci, cinq souches ont été sélectionnées pour une étude approfondie (4 souche de Bacillus et 1 souche d’Enterobacter). Il a été montré qu’elles produisent un noyau commun de sept COV ainsi que différents COV antifongiques spécifiques et connus. Le test de bioprotection des fruits de tomate a montré que la souche Enterobacter TR1 produit les COV les plus protecteurs contre l'infection par B. cinerea avec le 3-méthylbutan-1-ol en tant que composé volatil majeur qui a été à son tour tester et a prouvé son efficacité in vitro comme in vivo sur les fruits de tomate. Dans la seconde partie nous avons étudié l’effet antagoniste et bioprotecteur des consortia bactériens endophytes issus de la légumineuse sauvage Medicago truncatula contre les agents pathogènes racinaires Phoma medicaginis et Verticillium alfalfae. Une collection de 976 souches bactériennes a été établit sur la base d’un isolement fait de deux site salins (Solima et Ennfidha) et deux sites non salins (Bulla-Regia et ElKef) du Nord de la Tunisie. Les résultats ont montré que les plantes de M. truncatula saines hébergent une diversité bactérienne endophyte remarquable qui diffère entre les sites de collecte salins et non salins. Les tests d’antagonisme in vitro ont montré que >90% des consortia bactériens ont une activité contre P. medicaginis et V. alfalfae, respectivement. Le consortium antagoniste le plus actif composé de 4 souches appartenant au genre Bacillus a montré un effet protecteur des plants de M. truncatula contre l’attaque par P. medicaginis et V. alfalfae in vivo. L’étude de l’expression de quelques gènes impliqués dans le système de défense (LOX, PAL, PR4, PR5, PR10) chez les plantes a montré que les voies de signalisation de l’acide jasmonique/éthylène et de l’acide salicylique sont impliquées dans l’induction de la résistance systémique chez les plantes de M. truncatula amorcée par le consortium bactérien sélectionné contre l’attaque de P. medicaginis

Physico-chimie des lipopolysaccharides et réponse inflammatoire : rôle des lipoprotéines

LPS is a potent bacterial pro-inflammatory agent, consisting of hydrophilic, polysaccharide part and of a lipid A which is considered like active moiety. Nevertheless, the O chain of LPS influences their aggregation in aqueous media. Therefore, our goal has been to determine the role of O chain on the LPS biological and physiopathological effects. Our work was organized according to three main axes, and led to the following findings :- development of a new LPS assay by LC-MS/MS. The combination of this new technique with LAL test allowed us to calculate an inactivation ratio which reflects the ability of host organism to inactivate LPS, especially through their transfer to HDL by PLTP. The ratio could be useful in predicting outcome of high risk patients.- the length of O chain modulates LPS-induced inflammation. Above their critical aggregation concentration, LPS form aggregates with an architecture and physiochemical properties dependent on their O chain. Both parameters determine LPS biological activity and their metabolism.- development of an innovative dual labelling of LPS as a new tool to explore LPS elimination pathway : the reverse LPS transport. This work brings evidence that the physiopathological effects of LPS depend on two parameters : their biological activity and their metabolism. Any strategy of research or therapeutic targeting LPS should take into account their molecular structure, their aggregability and the relation between the both parameters, which are major determinants of their biological activity and their metabolism.Le LPS est un puissant agent pro-inflammatoire bactérien, dont la partie lipide A est considérée comme le principe actif. Néanmoins, la chaîne O des LPS influence leur agrégation en solution aqueuse. Notre but a été de déterminer le rôle de la chaîne O sur les effets biologiques et physiopathologiques des LPS.Nos travaux, menés selon trois axes stratégiques complémentaires, ont donné lieu aux avancées suivantes :- développement d'un dosage innovant des LPS par LC-MS/MS et d'un ratio d'inactivation des LPS sur la base d'une utilisation combinée dudit dosage et du test LAL. Ce ratio traduit la capacité d'un organisme hôte à inactiver les LPS, notamment par leur transfert aux HDL par la PLTP. Ce ratio pourrait être utile dans l'évaluation des patients à haut risque.- la longueur de la chaîne O module l'inflammation induite par les LPS. Au-delà de leur concentration d'agrégation critique, les LPS forment des agrégats dotés d’une architecture et de propriétés physico-chimiques dépendant de leur chaîne O. Ces deux paramètres déterminent l'activité biologique des LPS et leur métabolisme ;- développement d'un double marquage innovant des LPS confirmant leur voie principale d'élimination : le transport inverse du LPS. Ce travail définit donc les effets physiopathologiques induits par les LPS comme résultant de deux composantes : leur activité biologique et leur métabolisme. Toute stratégie de recherche ou thérapeutique ciblant les LPS, devrait donc prendre en compte leur structure moléculaire, leur agrégabilité et la relation entre ces deux paramètres, déterminants majeurs de l'activité biologique des LPS et de leur métabolisme

Géosimulation multi-niveau de phénomènes complexes basés sur les multiples interactions spatio-temporelles de nombreux acteurs : développement d'un outil générique d'aide à la décision pour la propagation des zoonoses

Nous proposons dans cette thèse une nouvelle approche de géosimulation multi-niveau permettant de simuler la propagation d’une zoonose (maladie infectieuse qui se transmet des animaux aux humains) à différents niveaux de granularité. Cette approche est caractérisée entre autres par l’utilisation d’un modèle théorique original que nous avons nommé MASTIM (Multi-Actor Spatio-Temporal Interaction Model) permettant de simuler des populations contenant un nombre considérable d’individus en utilisant des modèles compartimentaux enrichis. MASTIM permet de spécifier non seulement l’évolution de ces populations, mais également les aspects relatifs aux interactions spatio-temporelles de ces populations incluant leurs déplacements dans l’environnement de simulation géoréférencé. Notre approche de géosimulation multi-niveau est caractérisée également par l’utilisation d’un environnement géographique virtuel informé (IVGE) qui est composé d’un ensemble de cellules élémentaires dans lesquelles les transitions des différents stades biologiques des populations concernées, ainsi que leurs interactions peuvent être plausiblement simulées. Par ailleurs, nous avons appliqué nos travaux de recherche au développement d’outils d’aide à la décision. Nous avons acquis une première expérience avec le développement d’un outil (WNV-MAGS) dont l’objectif principal est de simuler les comportements des populations de moustiques (Culex) et des oiseaux (corneilles) qui sont impliquées dans la propagation du Virus du Nil Occidental (VNO). Nous avons par la suite participé au développement d’un outil générique (Zoonosis-MAGS) qui peut être utilisé pour simuler la propagation d'une variété de zoonoses telles que la maladie de Lyme et le VNO. Ces outils pourraient fournir des informations utiles aux décideurs de la santé publique et les aider à prendre des décisions informées. En outre, nous pensons que nos travaux de recherche peuvent être appliqués non seulement au phénomène de la propagation des zoonoses, mais également à d’autres phénomènes faisant intervenir des interactions spatio-temporelles entre différents acteurs de plusieurs types.We propose in this thesis a new multi-level geosimulation approach to simulate the spread of a zoonosis (infectious disease transmitted from animals to humans) at different levels of granularity. This approach is characterized by using an original theoretical model named MASTIM (Multi-Actor Spatio-Temporal Interaction Model) which can be applied to simulate populations containing a huge number of individuals using extended compartmental models. MASTIM may specify not only the evolution of these populations, but also the aspects related to their spatio-temporal interactions, including their movements in the simulated georeferenced environment. Our multi-level geosimulation approach take advantage of an informed virtual geographic environment (IVGE) composed of a set of elementary cells in which the transitions of the different biological stages of the involved populations, as well as their interactions can be simulated plausibly. Furthermore, this approach has been applied to develop decision support tools. We got a first experience with the development of WNV-MAGS, a tool whose main purpose is to simulate the populations’ behavior of mosquitoes (Culex) and birds (crows), which are involved in the spread of West Nile Virus (WNV). We subsequently participated in the development of a generic tool (Zoonosis-MAGS) that can be used to simulate the spread of a variety of zoonoses such as Lyme disease and WNV. These tools may provide useful information to help public health officers to make informed decisions. Besides, we believe that this research can be applied not only to the spread of zoonoses, but also to other phenomena involving spatio-temporal interactions between different actors of different types

Cinétique de la réponse cytokinaire lors d'infections aux Escherichia coli entéropathogènes dans un modèle de culture d'iléon (IVOC) d'origine porcine

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Développement d’un outil bio-informatique pour l’annotation des associations entre gènes et métabolites basée sur les voies métaboliques

La métabolomique permet l’étude de l’ensemble des métabolites (ex : lipides, sucres, acides aminés) par le biais d’une variété d’outils analytiques et de protocoles expérimentaux qui engendre des coûts importants. Actuellement aucun laboratoire ne peut analyser l’ensemble des métabolites. C'est pourquoi, il est crucial de pouvoir prédire des classes de métabolites pertinentes à analyser en lien avec le phénotype étudié. Toutefois, il n’existe actuellement pas d’outil bio-informatique idéale pour accomplir cette tâche. Dans le cadre de ce projet, l’objectif était de développer un outil bio-informatique afin de prédire les métabolites pertinents à analyser en se basant sur la connaissance seule de l’architecture génétique du phénotype étudié. Afin d'atteindre notre objectif, nous avons posé l’hypothèse que les gènes encodant des enzymes catalysant des réactions métaboliques, modulent la concentration des métabolites à leur proximité dans les voies métaboliques. Cette hypothèse a été testée en calculant le court chemin réactionnel (srd - sorthest reactional path) entre les gènes (SNPs annotés à leur gène putatif) et les métabolites faisant partie des associations statistiques provenant du jeu de données mGWAS de Shin et al. en les cartographiant sur le réseau métabolique de la base de données KEGG. Des 79 associations impliquant un gène encodant une enzyme, 49 ont été annotées par une valeur srd, dont la valeur médiane est de 1. C’est-à-dire, qu'il existe une réaction entre le gène et son métabolite associé, ce qui indique que l'expression du gène peut avoir une influence importante sur la concentration du métabolite. L’annotation majoritaire de courte valeur srd pour les associations statistiques de Shin et al. démontre la pertinence de cette métrique pour définir un profil métabolique à analyser en fonction de l’architecture génétique. En revanche, le manque au niveau de la couverture de l'annotation de l’ensemble des associations pourrait être amélioré en appliquant la méthode avec d'autres bases de données, notamment, Recon2. En somme, PathQuant avec ses futurs développements représente un outil intéressant pour la prédiction d’un profil métabolique à analyser en fonction de l’architecture génétique d’un phénotype donné, en plus de préciser notre compréhension du contrôle des gènes sur le métabolisme.Metabolomic enables the investigation of metabolites belonging to different chemical classes (ex: lipids, sugars, amino acids) which requires various methodologies and analytical tools. The current bottleneck is the impossibility to investigate every metabolite classes within one metabolic study or using one protocol. Thus, it is crucial to develop methods and tools to predict metabolites or metabolite classes to analyze for a given phenotype. The aim of this study was to develop a bioinformatic tool to prioritize metabolites to analyze based on the genomic architecture of a given phenotype. To achieve our goal, we hypothesized that genes encoding enzymes catalyzing metabolic reactions have an impact on the metabolite levels that are near them in metabolic pathways. We developed a method to compute the shortest reactional distance (srd) between a gene and a metabolite mapped on the metabolic pathways of the KEGG database. To test our method, we applied it to a dataset of statistical associations between genes (SNPs annotated to their putative gene) and metabolites reported by the mGWAS study of Shin et al. We mapped and annotated an srd value for 49 of the 79 associations involving a gene encoding an enzyme and a metabolite of that dataset with a median value of 1. Meaning there is only one reaction separating the gene from the associated metabolite. This indicates the genes could have a significant impact on metabolite levels. On the other hand, the lack of coverage of the associations could be improved by applying the method to other databases, in particular, Recon2. In conclusion, PathQuant and its future developments represent a relevant tool to predict a metabolic profil to analyze based on the genomic architecture of a given phenotype, in addition, it can improve the understanding of the genes control on metabolism