The immunomodulatory role of epidermal hepcidin in infectious condition

par Mariangela Malerba

Thèse de doctorat en Physiopathologie

Sous la direction de Carole Peyssonnaux.

Soutenue le 25-09-2018

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris) , en partenariat avec Université Paris Descartes (1970-2019) (établissement de préparation) .

  • Titre traduit

    Rôle immunomodulateur de l'hepcidine cutanée dans l'infection


  • Résumé

    L'hepcidine, initialement identifiée comme un peptide antimicrobien, s'est révélée être un peptide hormonal clé du métabolisme du fer capable d'inhiber l'absorption intestinale du fer alimentaire et son recyclage par les macrophages. L'expression de l'hepcidine est induite par l’excès de fer mais également en réponse à l' infection/inflammation. L'hepcidine, comme son nom l'indique, est principalement synthétisée par les hépatocytes mais également, à plus faibles niveaux, par d'autres types cellulaires. Notre équipe a démontré que ce peptide hépatique était suffisant pour assurer l'homéostasie systémique du fer en conditions physiologiques suggérant un rôle local de l'hepcidine extra-hépatique en conditions physiopathologiques. L'hepcidine présente une similarité de structure avec les beta-défensines, une sous-famille de peptides antimicrobiens (AMPs). Les AMPs sont de petites protéines ayant des fonctions antimicrobiennes mais aussi immuno-régulatrices. De manière intéressante, nous avons observé une forte similarité de structure entre l'hepcidine humaine et l' IL-8, chimiokine des neutrophiles et démontré que l'hepcidine induit la migration des neutrophiles in vitro. Nous avons confirmé par bioluminescence que l'hepcidine est également capable de recruter des neutrophiles in vivo. Ainsi, de manière surprenante, nous avons décrit une nouvelle fonction immuno-modulatrice de cet AMP. Les épithelia, comme l' intestin et la peau, sont la principale source des AMPs. Or, l'expression de l'hepcidine et son rôle en tant qu'AMP dans ces tissus n'a jamais été investigué. J'ai, au cours de ma thèse spécifiquement étudié le rôle de l'hepcidine dans la peau lors d'une infection sous-cutanée (SC) aux streptocoques de groupe A (GAS). Ces bactéries peuvent coloniser la peau et sont responsables d'une large gamme d'infections cutanées superficielles et invasives. Les AMPs produits par les cellules épithéliales et par les cellules immunitaires circulantes (neutrophiles et macrophages) sont les premières « lignes de défense » contre les GAS. Les infections SC par GAS représentent donc un très bon modèle pour étudier la fonction de l'hepcidine comme peptide antimicrobien dans la peau. Nous avons généré des souris des KO conditionnelles de l'hepcidine dans les kératinocytes (Hepc KOker) et dans les cellules myéloïdes (Hepc KOmyel) et soumis ces souris à des modèles d'infection SC par GAS. Nous avons observé que les souris Hepc KOmyel et WT présentent le même nombre de bactéries au niveau local et au niveau systémique, alors que les souris Hepc KOker sont beaucoup plus sensibles à l'infection que les WT, avec un nombre significativement plus élevé de bactéries au niveau de la lésion et une plus grande dissémination systémique. Nous avons observé que l'hepcidine n'avait ni effet bactériostatique ni bactériolytique contre les GAS in vitro et que les kératinocytes primaires WT et Hepc KOker présentaient la même activité bactéricide. De façon intéressante, nous avons constaté que l'hepcidine stimule la sécrétion de CXCL1, chimiokine des neutrophiles, par les kératinocytes primaires. En accord avec ces résultats, l' expression de CXCL1 et le nombre de neutrophiles recrutés sur le site de l' infection sont plus faibles chez les souris Hepc KOker que chez les WT. De plus, l' injection SC de CXCL1 corrige ces défauts, confirmant que le défaut de production de CXCL1 est responsable de l'infection observée chez les souris Hepc KOker. Enfin, nous démontrons que l' injection d'hepcidine exogène empêche la propagation de l'infection. En conclusion notre travail met en évidence un nouveau rôle protecteur de l'hépcidine épidermique contre l'infection à GAS, à travers la modulation du recrutement des neutrophiles et suggèrent que l'hepcidine pourrait représenter une nouvelle approche pour le traitement des infections à GAS.


  • Résumé

    Hepcidin, first discovered as an antimicrobial peptide, is now considered as the key iron regulatory hormone, inhibiting duodenal iron absorption and iron recycling by macrophages. Hepcidin expression is induced by iron accumulation and infection/inflammation while diminished in situations of iron needs. Hepcidin, as suggested by its name, is mainly expressed in the liver (Hep- for Hepatic) but also at low levels by many other cells. Our team has demonstrated that hepatic hepcidin is sufficient to ensure the systemic iron homeostasis in basal conditions; suggesting that extra-hepatic hepcidin could play local roles in pathophysiological conditions. Hepcidin contains 4 disulfide bonds with β-sheet fold and positively charged residues at the surface, showing close structural similarity to beta-defensins, a subfamily of antimicrobial peptides (AMP). AMPs are small proteins with antimicrobial activities but also immunomodulatory functions (chemotaxis, ...). Because hepcidin possesses disulfide bridges, resembling the intramolecular disulfide bonds critical for the function of chemokine proteins, we investigated the direct chemoattractant potential of hepcidin. We observed that human hepcidin shares structural similarities with the human CXCL1 homologue and demonstrated that hepcidin triggers neutrophil migration in vitro with a bell-shaped dose response curve, characteristic of chemokines. Taking advantage of in vivo bioluminescence assay, we confirmed that SC injection of hepcidin causes neutrophil recruitment in vivo. These results highlight a new immunomodulatory role of this AMP. Epithelia, such as intestine and skin, are the main source of AMPs. However, expression of hepcidin and its functional role as AMP in these tissues has never been studied. Therefore, I specifically investigated this aspect in the skin, using a model of group A streptococcal (GAS) subcutaneous (SC) infection. These gram-positive bacteria commonly colonize skin and are responsible for a wide range of both skin and invasive infections causing more than 500,000 deaths per year. The first host immune effectors encountered by GAS are endogenous AMP produced by epithelial cells and by circulating immune cells (neutrophils and macrophages) so GAS represents a tremendous model to study hepcidin function as antimicrobial peptide in the skin. We specifically deleted hepcidin in keratinocytes (Hepc KOker) and in myeloid cells (Hepc KOmyel). Interestingly, while Hepc KOmyel and WT littermates showed the same number of bacteria at local and systemic level, we found that Hepc KOker mice present a worse outcome after infection than WT littermates, with a significantly higher number of bacteria at the lesion site and a stronger systemic spread of infection. We observed that hepcidin has neither bacteriostatic nor bacteriolytic effect against GAS in vitro and that both WT and Hepc KOker primary keratinocytes displayed the same bactericidal activity. Interestingly, we found that hepcidin promotes keratinocyte secretion of CXCL1, a key neutrophil chemokine, in vitro. Consistently, both the amount of CXCL1 and the number of neutrophils recruited at the site of infection was lower in Hepc KOker mice compared to WT littermates. Moreover, CXCL1 SC injections rescue the phenotype, confirming that the invasiveness observed in Hepc KOker is specifically caused by the absence of hepcidin-mediated CXCL1 production. Finally, we demonstrated that injections of exogenous hepcidin prevents the infection spread. These results highlight a new protective role of epidermal hepcidin against GAS infection, through modulation of neutrophil recruitment and suggest that hepcidin could represent a novel approach for therapy of GAS infections.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Paris Descartes-Bibliothèque électronique. Service commun de la documentation. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.