Étude du rôle des morts cellulaires inflammatoires dans la régulation des infections bactériennes pulmonaires : dentification de nouveaux facteurs impliqués dans la pathologie pulmonaire médiée par l’Exotoxine U de P. aeruginosa

Study of the role of inflammatory cell death in the regulation of pulmonary bacterial infections : Identification of novel factors involved in pulmonary pathology mediated by the Exotoxin U of P. aeruginosa

• Auteur / Autrice : Salimata Bagayoko
• Direction : Céline Cougoule, Étienne Meunier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Immunologie
• Date : Soutenance le 10/03/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de pharmacologie et de biologie structurale (Toulouse ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Denis Hudrisier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Cougoule, Étienne Meunier, Eric Oswald, Ina Attree-Delic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Suzana Salcedo, Cécile Arrieumerlou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mort cellulaire

Résistance aux maladies

Pseudomonas aeruginosa

Mots clés libres

Mort cellulaire

Immunité innée

Exotoxine U

Lipides oxydés

Irgm2

Pathologie pulmonaire

Cell death

Innate immunity

Exotoxin U

Oxidized lipids

Irgm2

Pulmonary pathology

Résumé

Dans le contexte des infections pulmonaires, l'hôte et les pathogènes ont développé divers mécanismes pour réguler le processus de mort cellulaire de l'hôte. Ces mécanismes sont initiés après la reconnaissance des signaux de danger associés aux pathogènes par le système immunitaire inné ; qui entraîne une réponse inflammatoire au site de l'infection et favorise l'élimination des pathogènes. Par conséquent, diverses morts cellulaires ont été décrites comme pro-inflammatoires, en particulier la pyroptose et la ferroptose. Ces morts cellulaires sont régulées (contrôlées au niveau génétique) et permettent la libération de molécules (cytokines et chimiokines) qui activent le système immunitaire. Ce sont de véritables armes pour l'organisme afin de lutter contre les agents infectieux. Cependant, une dérégulation de ces morts induit une lésion tissulaire, qui peut conduire à un sepsis fatal, donc un échappement de ces agents infectieux. De nombreuses bactéries modulent les morts cellulaires pour proliférer, comme Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa). A ce jour, cette bactérie constitue une préoccupation majeure de santé mondiale en raison de son implication dans les infections nosocomiales et les infections fatales chez les patients atteints de mucoviscidose. P. aeruginosa a plusieurs facteurs de virulences mais les souches exprimant l'exotoxine U (ExoU), sont associées à la résistance aux antibiotiques mais aussi à une mortalité et une morbidité plus élevée chez les patients immunodéprimés. En effet, ExoU entraîne la mort des cellules et un dommage tissulaire via son activité phospholipase. Cependant les mécanismes impliqués et le rôle de la mort dépendant d'ExoU restent inconnus. Ainsi, nous avons démontré que la toxine U de la bactérie P. aeruginosa détruit les cellules par nécrose grâce à l'utilisation des lipides oxydés cellulaires comme dans la ferroptose. La production de lipides oxydés peut être inhiber par des antioxidants de types lipophilique (dérivés de la vitamine E) ou inhibiteurs de la ferroptose (ferrostatin-1). En effet, le traitement de cellules immunitaires (macrophages, neutrophiles) et ou non immunitaires (épithéliales) avec ces molécules avant infections les protègent contre la toxicité de toxine U. De plus, le prétraitement des souris avec ces molécules atténue de manière très significative le sepsis (la mort) induit par la toxine U chez les souris. Pour finir, nous avons observé le même phénotype avec des organoïdes pulmonaires humains ce qui suggère que l'homme pourrait être aussi protégé contre cette infection suite au traitement. Ces travaux ont été publiés dans le journal Plos Pathogens. Les cytokines type interféron sont importantes lors des infections bactériennes, en effet elles stimulent l'expression de plus de 2000 gènes qui modulent l'inflammation. Dans cette deuxième partie, nous nous sommes intéressés au rôle d'Irgm2, un des gènes induits par les interférons, lors d'infections bactériennes. En effet, le lipopolysaccharide (LPS, un composant des bactéries Gram négatives) active le récepteur cytosolique caspase11 qui conduit à la pyroptose des cellules infectées. Dans cette étude, nous avons montré que Irgm2 et le membre de la famille ATG8 Gate-16 régulent de manière coopérative la pyroptose dépendante de la caspase11 et la libération de cytokines proinflammatoires tels que l'interleukine -1b et -18. Ainsi, les souris mutées pour ce gène ont une mort rapide suite à une infection par des bactéries Gram négatives par rapport aux souris sauvages. Cette protéine sert de balance afin d'éviter l'exacerbation de l'inflammation et ainsi donc le sepsis. Ces travaux ont été publiés dans le journal Embo Reports. Au final, l'ensemble des données de cette thèse témoignent de l'importance de la mort cellulaire dans la modulation des infections pulmonaires et à altération des tissus pouvant conduire au sepsis.

In the context of pulmonary infections, the host and the pathogens have developed diverse mechanisms to regulate the host cell death process. Such mechanisms are initiated after recognition of dangerous signals associated with the pathogens by the innate immune system, which leads to an inflammatory response at the site of infection and promote pathogen clearance. Therefore, various cell deaths have been described as proinflammatory, in particular the most inflammatory pyroptosis and ferroptosis. These cell deaths are regulated (controlled at the genetic level) and allow the release of molecules (cytokines and chemokines) that activate the immune system. They are real arms for the organism to fight against infectious agents. However, deregulation of these deaths induces tissue damage, which can lead to fatal sepsis and the escape of infectious agents. Many bacteria modulate the host cell death for proliferate, such as Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa). Today, this bacterium is a major global health concern due to its involvement in nosocomial infections and fatal infections in patients with cystic fibrosis. P. aeruginosa presents several virulence factors but in specific, the strains expressing exotoxin U (ExoU), are associated with antibiotic resistance but also with higher mortality and morbidity in immunocompromised patients. In fact, ExoU causes cell death and tissue damage via its phospholipase activity upon infection. However, the mechanisms involved and the role of ExoU-dependent death remain unknown. Therefore, we have shown that P. aeruginosa ExoU destroys cells by necrosis through the use of cellular oxidized lipids as in ferroptosis. The production of oxidized lipids can be inhibited by lipophilic antioxidants (vitamin E derivatives) or ferroptosis inhibitors (ferrostatin-1). Indeed, the treatment of immune (macrophages, neutrophils) and non-immune (epithelial cells) with these molecules before infection protects them from ExoU toxicity. Moreover, pretreatment of mice with these molecules significantly attenuates the sepsis (death) induced by ExoU in mice. Finally, we observed the same phenotype with human lung organoids suggesting that humans could also be protected against this infection upon treatment. This work was published in the journal Plos Pathogens. Interferon cytokines are important during bacterial infections, indeed they stimulate the expression of more than 2000 genes that modulate the inflammation. In this second part, we were focused on the role of Irgm2, one of the interferon-induced genes, during bacterial infection. Indeed, lipopolysaccharide (LPS, one component of Gram-negative bacteria) activates the cytosolic receptor caspase11 which leads to the infected cells pyroptosis. In this study, we showed that Irgm2 and the ATG8 family member Gate-16 cooperatively regulate caspase11-dependent pyroptosis and the release of proinflammatory cytokines such as interleukin -1 and -18. Therefore, mice mutated for Irgm2 have a rapid death following infection compared to WT mice. These proteins act as a balance to avoid exacerbation of inflammation and thus sepsis. This work was published in the Embo Reports journal. Altogether, the data generated during my thesis highlight the importance of regulated cell death to modulate lung infections and tissue alteration leading to sepsis.