Les bactéries comme actrices du microbiote intestinal entre inflammation, métabolisme des acides biliaires et interaction avec les bactériophages

The intestinal microbiota and human health are closely linked. Bacteria and their viruses, bacteriophages, are the most abundant microorganisms of the microbiota. These different actors are in relation with each other but also with the host, forming complex dynamics that are still poorly understood. In this thesis, we first studied the interactions between bacteriophages and bacteria in the gut in physiological condition. First, we found that the gut environment modulated bacterial gene expression. Among the differentially expressed genes, some modified their interactions with bacteriophages. Second, we observed that the differential spatial distribution between bacteriophages and bacteria in the gut was manifested by the presence of refuges for the bacteria. These observations, in agreement with the "source-sink" ecological model, explain the coexistence between these two antagonistic populations without causing the emergence of resistant bacteria. Finally, we studied the effect of ursodeoxycholic acid, an epimerized bile acid, on intestinal inflammation. A new model of intestinal inflammation induced by the murine pathogen Citrobacter rodentium was developed and characterized in gnotobiotic mice. The anti-inflammatory capacity of this bile acid is mediated through the inhibition of the IL-22 pathway, a key cytokine in the response to C. rodentium infection. These results have allowed us to better understand how intestinal bacteria participate in the homeostasis of the digestive tract and how they coexist with their predatory viruses.Le microbiote intestinal et la santé humaine sont étroitement liés. Les bactéries et leur virus, les bactériophages, sont les plus abondants microorganismes de ce microbiote. Ces différents acteurs sont en relation entre eux mais aussi avec l’hôte, formant de dynamiques complexes qui restent encore peu comprises. Au cours de cette thèse, nous avons d’abord étudié les interactions entre bactériophages et bactéries dans l’intestin à l’état basal. Premièrement, nous avons constaté que l’environnement intestinal modulait l’expression génétique des bactéries. Parmi les gènes différentiellement exprimés, certains modifiaient leurs interactions avec les bactériophages. Deuxièmement, nous avons observé dans l’intestin que la répartition spatiale différentielle entre bactériophages et bactéries se manifestait par la présence de refuges pour les bactéries. Ces observations, en accord avec le modèle écologique « source-puits », permettent d’expliquer la coexistence entre ces deux populations antagonistes sans provoquer l’émergence de bactéries résistantes. Enfin, nous avons étudié l’effet de l’acide ursodésoxycholique, un acide biliaire épimérisé, sur l’inflammation intestinale. Un nouveau modèle d’inflammation intestinale induite par le pathogène murin Citrobacter rodentium a été mis au point et caractérisé chez des souris gnotobiotiques. La capacité anti-inflammatoire de cet acide biliaire passe par l’inhibition de la voie de l’IL-22, une cytokine clé de la réponse à l’infection par C. rodentium. Ces résultats nous ont permis de mieux comprendre comment les bactéries intestinales participent à l’homéostasie du tractus digestif et comment elles coexistent avec leurs virus prédateurs

Bacteria of the gut microbiota : inflammation, bile acid metabolism and coexistence with bacteriophages

Le microbiote intestinal et la santé humaine sont étroitement liés. Les bactéries et leur virus, les bactériophages, sont les plus abondants microorganismes de ce microbiote. Ces différents acteurs sont en relation entre eux mais aussi avec l’hôte, formant de dynamiques complexes qui restent encore peu comprises. Au cours de cette thèse, nous avons d’abord étudié les interactions entre bactériophages et bactéries dans l’intestin à l’état basal. Premièrement, nous avons constaté que l’environnement intestinal modulait l’expression génétique des bactéries. Parmi les gènes différentiellement exprimés, certains modifiaient leurs interactions avec les bactériophages. Deuxièmement, nous avons observé dans l’intestin que la répartition spatiale différentielle entre bactériophages et bactéries se manifestait par la présence de refuges pour les bactéries. Ces observations, en accord avec le modèle écologique « source-puits », permettent d’expliquer la coexistence entre ces deux populations antagonistes sans provoquer l’émergence de bactéries résistantes. Enfin, nous avons étudié l’effet de l’acide ursodésoxycholique, un acide biliaire épimérisé, sur l’inflammation intestinale. Un nouveau modèle d’inflammation intestinale induite par le pathogène murin Citrobacter rodentium a été mis au point et caractérisé chez des souris gnotobiotiques. La capacité anti-inflammatoire de cet acide biliaire passe par l’inhibition de la voie de l’IL-22, une cytokine clé de la réponse à l’infection par C. rodentium. Ces résultats nous ont permis de mieux comprendre comment les bactéries intestinales participent à l’homéostasie du tractus digestif et comment elles coexistent avec leurs virus prédateurs.The intestinal microbiota and human health are closely linked. Bacteria and their viruses, bacteriophages, are the most abundant microorganisms of the microbiota. These different actors are in relation with each other but also with the host, forming complex dynamics that are still poorly understood. In this thesis, we first studied the interactions between bacteriophages and bacteria in the gut in physiological condition. First, we found that the gut environment modulated bacterial gene expression. Among the differentially expressed genes, some modified their interactions with bacteriophages. Second, we observed that the differential spatial distribution between bacteriophages and bacteria in the gut was manifested by the presence of refuges for the bacteria. These observations, in agreement with the "source-sink" ecological model, explain the coexistence between these two antagonistic populations without causing the emergence of resistant bacteria. Finally, we studied the effect of ursodeoxycholic acid, an epimerized bile acid, on intestinal inflammation. A new model of intestinal inflammation induced by the murine pathogen Citrobacter rodentium was developed and characterized in gnotobiotic mice. The anti-inflammatory capacity of this bile acid is mediated through the inhibition of the IL-22 pathway, a key cytokine in the response to C. rodentium infection. These results have allowed us to better understand how intestinal bacteria participate in the homeostasis of the digestive tract and how they coexist with their predatory viruses

Les bactéries comme actrices du microbiote intestinal entre inflammation, métabolisme des acides biliaires et interaction avec les bactériophages

The intestinal microbiota and human health are closely linked. Bacteria and their viruses, bacteriophages, are the most abundant microorganisms of the microbiota. These different actors are in relation with each other but also with the host, forming complex dynamics that are still poorly understood. In this thesis, we first studied the interactions between bacteriophages and bacteria in the gut in physiological condition. First, we found that the gut environment modulated bacterial gene expression. Among the differentially expressed genes, some modified their interactions with bacteriophages. Second, we observed that the differential spatial distribution between bacteriophages and bacteria in the gut was manifested by the presence of refuges for the bacteria. These observations, in agreement with the "source-sink" ecological model, explain the coexistence between these two antagonistic populations without causing the emergence of resistant bacteria. Finally, we studied the effect of ursodeoxycholic acid, an epimerized bile acid, on intestinal inflammation. A new model of intestinal inflammation induced by the murine pathogen Citrobacter rodentium was developed and characterized in gnotobiotic mice. The anti-inflammatory capacity of this bile acid is mediated through the inhibition of the IL-22 pathway, a key cytokine in the response to C. rodentium infection. These results have allowed us to better understand how intestinal bacteria participate in the homeostasis of the digestive tract and how they coexist with their predatory viruses.Le microbiote intestinal et la santé humaine sont étroitement liés. Les bactéries et leur virus, les bactériophages, sont les plus abondants microorganismes de ce microbiote. Ces différents acteurs sont en relation entre eux mais aussi avec l’hôte, formant de dynamiques complexes qui restent encore peu comprises. Au cours de cette thèse, nous avons d’abord étudié les interactions entre bactériophages et bactéries dans l’intestin à l’état basal. Premièrement, nous avons constaté que l’environnement intestinal modulait l’expression génétique des bactéries. Parmi les gènes différentiellement exprimés, certains modifiaient leurs interactions avec les bactériophages. Deuxièmement, nous avons observé dans l’intestin que la répartition spatiale différentielle entre bactériophages et bactéries se manifestait par la présence de refuges pour les bactéries. Ces observations, en accord avec le modèle écologique « source-puits », permettent d’expliquer la coexistence entre ces deux populations antagonistes sans provoquer l’émergence de bactéries résistantes. Enfin, nous avons étudié l’effet de l’acide ursodésoxycholique, un acide biliaire épimérisé, sur l’inflammation intestinale. Un nouveau modèle d’inflammation intestinale induite par le pathogène murin Citrobacter rodentium a été mis au point et caractérisé chez des souris gnotobiotiques. La capacité anti-inflammatoire de cet acide biliaire passe par l’inhibition de la voie de l’IL-22, une cytokine clé de la réponse à l’infection par C. rodentium. Ces résultats nous ont permis de mieux comprendre comment les bactéries intestinales participent à l’homéostasie du tractus digestif et comment elles coexistent avec leurs virus prédateurs

The intestinal virome: lessons from animal models

International audienceMucosal surfaces in contact with the environment host specific microbiota. The intestinal tract harbours the most abundant and diverse bacterial and viral populations interacting with each other as well as with the host. Viruses of the microbiota are important components of this ecosystem, as shown by viral alterations associated with various pathologies. However, practical and ethical constraints limit functional studies of the virome in humans, making animal models invaluable experimental tools to understand its impact on intestinal physiology. In this review, we present the recent advances in the study of virome in animal models. We focus on the strategies used to characterise viral changes in disease models and approaches to modulate the microbiota using viruses. In reviewing the interplay between viruses, bacteria, and the animal host, we highlight the potential and limitations of these models in elucidating the role of the virome in determining human health and disease

Les virus au service de la santé : les bactériophages

International audienceLes bactériophages sont des virus naturels très répandus dans l’environnement qui ciblent spécifiquement les bactéries. Leur utilisation en médecine, connue sous le terme phagothérapie, consiste à les isoler, les caractériser, les cultiver, puis les purifier pour traiter des infections bactériennes. Il existe actuellement un renouveau pour la thérapie phagique, et sa mise en œuvre présuppose de disposer de phages actifs de qualité pharmaceutique. D’un point de vue réglementaire, le statut des phages n’est pas encore clairement défini par les autorités, mais la mise à disposition de phages produits par l’industrie pharmaceutique et les programmes de développement académiques, comme le programme PHAGEinLYON, constituent un tournant dans le déploiement de la phagothérapie

Prophylactic Administration of a Bacteriophage Cocktail Is Safe and Effective in Reducing Salmonella enterica Serovar Typhimurium Burden in Vivo

International audienceNontyphoidal Salmonella bacteria are the causative agent of salmonellosis, which accounts for the majority of foodborne illness of bacterial etiology in humans. Here, we demonstrate the safety and efficacy of the prophylactic administration of a bacteriophage preparation termed FOP (foodborne outbreak pill), which contains lytic phages targeting Salmonella (SalmoFresh phage cocktail), Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC), and Listeria monocytogenes, for lowering Salmonella burdens in OMM12 gnotobiotic mice. Prophylactic administration of FOP significantly reduced the levels of Salmonella in feces and in intestinal sections compared to the levels in controls. Moreover, the overall symptoms of the disease were also considerably lessened. Dose-dependent administration of FOP showed that phage amplification reached similarly high levels in less than 48 h independent of dose. In addition, 16S rRNA gene analysis showed that FOP did not alter the intestinal microbiota of healthy OMM12 mice and reduced microbiota perturbations induced by Salmonella. FOP maintained its full potency against Salmonella in comparison to that of SalmoFresh, its Salmonella-targeting component phages alone. Altogether, the data support that preventive administration of FOP may offer a safe and effective approach for reducing the risk of foodborne infections caused by Salmonella and, potentially, other foodborne bacteria (namely, STEC and L. monocytogenes) targeted by the FOP preparation

The Spatial Heterogeneity of the Gut Limits Predation and Fosters Coexistence of Bacteria and Bacteriophages

International audienceThe ecological dynamics underlying the coexistence between antagonistic populations of bacteria and their viruses, bacteriophages (phages), in the mammalian gut microbiota remain poorly understood. We challenged a murine synthetic bacterial community with phages to study the factors allowing phages-bacteria coexistence. Coexistence was not dependent on the development of phage-resistant clones nor on the ability of phages to extend their host range. Instead, our data suggest that phage-inaccessible sites in the mucosa serve as a spatial refuge for bacteria. From there, bacteria disseminate in the gut lumen where they are predated by luminal phages fostering the presence of intestinal phage populations. The heterogeneous biogeography of microbes contributes to the long-term coexistence of phages with phage-susceptible bacteria. This observation could explain the persistence of intestinal phages in humans as well as the low efficiency of oral phage therapy against enteric pathogens in animal models and clinical trials

The gut environment regulates bacterial gene expression which modulates susceptibility to bacteriophage infection

International audienceAbundance and diversity of bacteria and their viral predators, bacteriophages (phages), in the digestive tract are associated with human health. Particularly intriguing is the long-term coexistence of these two antagonistic populations. We performed genome-wide RNA sequencing on a human enteroaggregative Escherichia coli isolate to identify genes differentially expressed between in vitro conditions and in murine intestines. We experimentally demonstrated that four of these differentially expressed genes modified the interactions between E. coli and three virulent phages by either increasing or decreasing its susceptibility/resistance pattern and also by interfering with biofilm formation. Therefore, the regulation of bacterial genes expression during the colonization of the digestive tract influences the coexistence of phages and bacteria, highlighting the intricacy of tripartite relationships between phages, bacteria, and the animal host in intestinal homeostasis