Identification de biomarqueurs du statut nutritionnel dans le lait et étude nutrigénomique de la glande mammaire de vaches Holstein et Montbéliarde.

Identification of biomarkers of nutritional status in milk and nutrigenomic study of the mammary gland of Holstein and Montbéliarde cows

• Auteur / Autrice : Pierre-Alexis Billa
• Direction : Christine Leroux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique et Physiologie
• Date : Soutenance le 12/06/2020
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut National de la Recherche Agronomique (France). Unité Mixte de Recherche sur les Herbivores (Clermont-Ferrand, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Rachel Rupp
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Amalia Trousson, Karol Pawlowski, José Pires, Yannick Faulconnier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rachel Rupp, Patrice Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lait de vache

Élevage laitier

Mots clés libres

MiARN

Métabolites du lait

Restriction alimentaire

Vache laitière

MiRNA

Milk metabolites

Feed restriction

Dairy cow

Résumé

Durant la lactation et plus particulièrement en son début les vaches peuvent subir un déficit énergétique conduisant à un déséquilibre métabolique. Ce dernier modifie la production et de la composition du lait. A l’heure de l’élevage de précision, identifier des molécules faciles d’accès pour détecter précocement les animaux en bilan énergétique négatif est un point important. Le lait est un fluide qui contient un grand nombre de molécules parmi lesquelles les métabolites et les microARN; petits ARN non-codants connus pour réguler de nombreux processus biologiques y compris dans la glande mammaire, ont été récemment détectés. L’objectif de mon travail de thèse est d’identifier des biomarqueurs du statut nutritionnel et de caractériser l’impact d’une restriction alimentaire sur le miRNome de la glande mammaire chez la vache laitière. Pour ce faire, dix-neuf vaches en milieu de lactation (9 Holstein et 10 Montbéliarde) ont été restreintes pendant 6 jours à 50% de leurs besoins énergétiques. Les effets de cette restriction sur la production et la composition fine du lait ont été déterminés. Son impact sur le fonctionnement de la glande mammaire a été étudié par des approches de nutrigénomique. Les données de production laitière et les métabolites sanguins ont confirmé le déficit énergétique des vaches. Les teneurs de certains métabolites du lait (glucose, glutamate, glucose-6P, isocitrate, β-hydroxybutyrate, acide urique et acide aminé libre) et les profils en acide gras ont été modifiés par la restriction alimentaire. L’étude de leurs corrélations avec le bilan énergétique nous ont conduits à proposer le glucose et le glutamate comme potentiels biomarqueurs non invasifs dans le lait. D’éventuelles différences entre races et des seuils critiques devront être définis sur un plus grand nombre d’animaux, et au cours de différents stades de lactation avant que ces métabolites ne soient utilisés en élevage.La comparaison des miRNomes mammaires entre les vaches Holstein et Montbéliarde a identifié 22 miARN différentiellement exprimés entre les deux races. Des analyses bioinformatiques ont mis en évidence un rôle potentiel de ces miARN dans le développement mammaire, et l’étude approfondie des 6 miARN les plus exprimés parmi les 22 a révélé leur potentiel rôle dans la synthèse lipidique. Ces deux résultats peuvent en partie expliquer les différences de production observées entre ces races.La restriction alimentaire a affecté l’expression de 27 miARN et 374 ARNm chez les vaches Holstein. Cependant aucun effet n’a été détecté sur les vaches Montbéliarde. L’analyse des positions génomiques des 27 miARN et l’analyse bibliographique des 8 miARN les plus exprimés révèlent une forte implication de ces miARN dans la synthèse lipidique et la prolifération cellulaire. L’intersection des 374 ARNm différentiels avec la liste des ARNm potentiellement cibles des 8 miARN les plus exprimés a mis en évidence 59 mARN communs majoritairement impliqués dans la synthèse lipidique et le développement cellulaire. Ces résultats suggèrent un rôle des miARN via la régulation des ARNm, dans les changements de profil d’acides gras ainsi que les pertes de production observées au cours d’une restriction alimentaire.Les perspectives de ce travail à court terme, sont de valider ces résultats sur une population plus large et d’étudier les profils en miARNs dans les globules gras du lait A plus long terme il faudra s’attacher à mettre en place des méthodes de dosages applicables en ferme afin de permettre à l’éleveur de piloter les rations et les animaux de manière précoce.

During early lactation cows can experience from negative energy deficit and metabolic imbalance that affect milk production and composition. At this age of precision husbandry, it is important to identify easily accessible molecules for early detection of animals suffering from extreme a negative energy balance and metabolic disorders. Milk contains a large number of molecules including metabolites and microRNA; small non-coding RNA known to regulate many biological processes, including in the mammary gland development and function. The objective of my thesis was to identify biomarkers of nutritional status and to characterize the effects of feed restriction on the mammary gland miRNome in dairy cows. Nineteen mid-lactation cows (9 Holstein and 10 Montbéliarde) were feed-restricted to 50% of their energy requirements for 6 days. The effects of this restriction on milk production and milk composition were determined. Its effects on mammary gland function was studied using nutrigenomic approaches. Milk production and blood metabolite data confirmed the energy deficit of the cows in response to the feed restriction model. The concentration of selected milk metabolites (glucose, glutamate, glucose-6P, isocitrate, β-hydroxybutyrate, uric acid and free amino acid) and fatty acids were modified by feed restriction. The study of their correlations with energy balance led us to propose glucose and glutamate as potential non-invasive biomarkers in milk. Possible differences between breeds and critical thresholds will have to be defined in a larger number of animals and during different lactation stages before these metabolites are used as on-farm indicators. 22 microRNA were differentially expressed between Holstein and Montbéliarde cows. Bioinformatic analyses highlight a potential role of these miRNAs in mammary development. The 6 most expressed miRNAs among the 22 that differentially expressed are involved in lipid synthesis. These results may partly explain the breed production differences.Feed restriction affected the expression of 27 miRNA and 374 mRNA in Holstein cows, but not in Montbéliarde. The analysis of the genomic positions of the 27 miRNAs and the literature review of the 8 most expressed miRNA reveal their role in lipid synthesis and cell proliferation. The comparison of the 374 differentially expresse mRNA with the list of potential target mRNAs of the 8 most expressed miRNA show 59 common mRNA that are mainly involved in lipid synthesis and cell development. These results suggest a role of miRNA, due to mRNA regulation, in the modulation of fatty acid profile and production during feed restriction.The short-term perspectives are to validate these results on a larger population and to study miRNA profiles in milk fat globules. In the long-term, the development of on-farm analytical methods would allow to use these indicators for the monitoring of diets and individuals.