Etude par transcriptomique en cellule unique de l'épithélium intestinal au cours de la transition alimentaire du sevrage in vivo et dans un modèle d'organoïdes in vitro chez le lapin

Single-cell transcriptomic study of intestinal epithelium during weaning feeding transition in vivo and in an in vitro organoid model in rabbits

• Auteur / Autrice : Tania Malonga
• Direction : Martin Beaumont, Nathalie Villa-Vialaneix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Infectiologie, Physiopathologie, Toxicologie, Génétique et Nutrition
• Date : Soutenance le 22/10/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique Physiologie et Systèmes d'Élevage (Castanet-Tolosan, Haute-Garonne ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Pierre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martin Beaumont, Nathalie Villa-Vialaneix, Pierre Larraufie, Sonia Lacroix-Lamandé, Isabelle Le Huërou-Luron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Larraufie, Sonia Lacroix-Lamandé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expression génique

Techniques in vitro

Épithélium

Mots clés libres

Cellule unique

Intestin

Organoides

Transcriptome

Single cell

Gut

Organoids

Transcriptome

Résumé

La maturation de l'épithélium intestinal lors de la transition alimentaire du sevrage a des conséquences à long terme sur la santé. Toutefois, peu d'études ont pris en compte la diversité des cellules épithéliales intestinales durant ce processus. L'utilisation de modèles in vitro, comme les organoïdes, représente une opportunité pour étudier les mécanismes de maturation post-natale dans des conditions contrôlées, tout en limitant le recours aux animaux. Il est néanmoins essentiel d'optimiser leurs conditions de culture pour améliorer la similitude entre la diversité cellulaire des organoïdes et celle observée in vivo. Cette thèse avait pour objectif d'étudier, à l'échelle de la cellule unique : (i) la maturation de l'épithélium intestinal lors de la transition alimentaire in vivo, et (ii) l'hétérogénéité cellulaire des organoïdes en fonction de leurs conditions de culture in vitro. Le modèle lapin a été choisi en raison de sa stratégie unique d'allaitement (1 fois/jour pendant 5 min), permettant un contrôle précis des apports alimentaires au début de la vie. La caractérisation de l'épithélium du lapin par transcriptomique à l'échelle de la cellule unique a permis de décrire, pour la première fois chez cette espèce, les profils d'expression de gènes spécifiques aux cellules souches, progénitrices, absorbantes (avec divers niveaux de différenciation), caliciformes et entéroendocrines. L'un des résultats marquants est l'identification de cellules BEST4+, une sous-population de cellules absorbantes absente chez la souris. Nous avons ensuite étudié les effets de l'introduction de l'alimentation solide sur le transcriptome de chaque type cellulaire en comparant des lapereaux du même âge allaités et recevant ou non une alimentation solide. Cette transition alimentaire a entraîné des changements globaux dans la plupart des types cellulaires, incluant l'augmentation de l'expression de gènes liés au métabolisme de la vitamine A ou aux mécanismes de détoxification. L'ingestion d'aliments solide a aussi induit des changements spécifiques à certains types cellulaires, tels que l'augmentation de l'expression du transporteur des immunoglobulines PIGR dans les cellules situées au fond des cryptes, ou de gènes stimulés par les interférons dans les cellules absorbantes et BEST4+. Enfin, nous avons comparé la diversité cellulaire d'organoïdes caecaux de lapin cultivés en monocouches en conditions immergée ou en interface air-liquide (ALI). Les cellules souches et progénitrices in vitro étaient similaires à celles in vivo. La culture en ALI a permis de générer des cellules caliciformes et quelques cellules entéroendocrines qui étaient absentes en condition immergée. Les cellules caliciformes obtenues présentaient un transcriptome proche de leurs équivalents in vivo. De plus, une diminution de l'expression des gènes associés à l'hypoxie et à la glycolyse a été observée dans tous les types cellulaires en ALI, suggérant que la meilleure oxygénation pourrait favoriser la diversification cellulaire. Cette thèse a ainsi permis d'établir le premier atlas transcriptomique en cellule unique de l'épithélium intestinal du lapin et de révéler la présence de cellules BEST4+ chez cette espèce. Les résultats obtenus montrent également que l'introduction de l'alimentation solide modifie profondément l'expression génique dans l'ensemble des types cellulaires, indépendamment de l'âge. Enfin, cette thèse a permis de démontrer que la culture ALI favorise une plus grande hétérogénéité cellulaire des organoïdes de lapin et met en évidence les régulations métaboliques associées. Ces résultats pourront contribuer au développement de nouvelles stratégies pour préserver la santé digestive en début de vie.

Maturation of the intestinal epithelium during the dietary transition of weaning has long-term health consequences. However, few studies have taken into account the diversity of intestinal epithelial cells during this process. The use of in vitro models, such as organoids, represents an opportunity to study the mechanisms of post-natal maturation under controlled conditions, while limiting the use of animals. However, it is essential to optimize their culture conditions to improve the similarity between the cellular diversity of organoids and that observed in vivo. The aim of this thesis was to study, at the single-cell level: (i) the maturation of intestinal epithelium during the dietary transition in vivo, and (ii) the cellular heterogeneity of organoids as a function of their in vitro culture conditions. The rabbit model was chosen because of its unique suckling strategy (once per day for 5 min), enabling precise control of food intake early in life. Characterization of the rabbit epithelium using single-cell transcriptomics has enabled us to describe, for the first time in this species, the expression profiles of genes specific to stem, progenitor, absorptive (with various levels of differentiation), goblet and enteroendocrine cells. One of the most striking results was the identification of BEST4+ cells, a subpopulation of absorptive cells absent in mice. We then studied the effects of the introduction of solid food on the transcriptome of each cell type by comparing suckling rabbits of the same age ingesting or not solid foods. This dietary transition resulted in global changes in most cell types, including increased expression of genes related to vitamin A metabolism or detoxification mechanisms. Ingestion of solid food also induced changes specific to certain cell types, such as increased expression of the immunoglobulin transporter PIGR in cells located at the bottom of crypts, or of interferon-stimulated genes in absorptive and BEST4+ cells. Finally, we compared the cellular diversity of rabbit caecal organoids cultured in monolayers under submerged or air-liquid interface (ALI) conditions. Stem and progenitor cells in vitro were similar to those in vivo. ALI culture produced goblet cells and some enteroendocrine cells, which were absent in submerged conditions. The goblet cells obtained in vitro showed a transcriptome close to their in vivo counterparts. In addition, a decrease in the expression of genes associated with hypoxia and glycolysis was observed in all cell types in ALI, suggesting that improved oxygenation could promote cell diversification. This thesis established the first single-cell transcriptomic atlas of rabbit intestinal epithelium and revealed the presence of BEST4+ cells in this species. The results also show that the introduction of solid food profoundly alters gene expression in all cell types, irrespective of age. Finally, this thesis demonstrated that ALI culture favors greater cellular heterogeneity in rabbit organoids, and highlighted the associated metabolic regulations. These results may contribute to the development of new strategies for preserving digestive health in early life.