Dialogue inter-règne entre Pseudomonas aeruginosa et les cellules de l'immunité innée. Rôle de la production de L-kynurénine par les bactéries

Interkingdom dialogue between Pseudomonas aeruginosa and cells of innate immunity – Role of bacterial L-kynurenine production

• Auteur / Autrice : Charlotte Genestet
• Direction : Marie-José Stasia, Benoît Guery
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement
• Date : Soutenance le 16/12/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’ingénierie médicale et de la complexité - Informatique, mathématiques et applications (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Toussaint
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Simona Barzu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Plésiat, Jamel El Benna

Mots clés

Mots clés contrôlés

Infections nosocomiales

Mots clés libres

Kynurénine

Psedomonas aeruginosa

Immunité innée

Dialogue inter-règne

Kynurenine

Psedomonas aeruginosa

Innate immunity

Interkingdom dialogue

Résumé

Pseudomonas aeruginosa est responsable d'infections persistantes chez les patients atteints de mucoviscidose, suggérant une capacité à mettre en échec les défenses immunitaires innées. Par ailleurs, nous savons que les cellules de l'hôte produisent de la kynurénine, exerçant un contrôle sur l'homéostasie du système immunitaire. Or, la bactérie elle-même produit de la kynurénine. Des résultats préliminaires de notre équipe ont montré que lors d'une infection pulmonaire aiguë chez la souris par une souche de P. aeruginosa ne produisant pas de kynurénine, il y a une perte de virulence (diminution de la mortalité des souris et de la charge bactérienne pulmonaire). Le but de notre travail est donc d'examiner le rôle du métabolisme de la kynurénine durant l'interaction entre P. aeruginosa et les cellules de système immunitaire, en particulier les neutrophiles et les macrophages. Nous avons montré que la plupart des souches de P. aeruginosa isolées de patients atteints de mucoviscidose produisent un niveau élevé de kynurénine. De plus, une forte activation transcriptionnelle de kynA (le premier gène de la voie des kynurénines de P. aeruginosa) a été observée lors du contact avec les cellules de l'immunité, en particulier les neutrophiles et les macrophages. Durant la coculture des neutrophiles humains avec différentes souches mutantes de P. aeruginosa, produisant des niveaux variables de kynurénine, nous avons démontré que la kynurénine favorise la survie des bactéries. De plus la production de formes réactives de l'oxygène (FRO) par la NADPH oxydase des neutrophiles activés (évaluée par chimiluminescence en présence de luminol ou d'isoluminol ou par test de réduction du cytochrome c sensible à la superoxyde dismutase) est inhibée par des doses croissantes de kynurénine synthétique. Cette inhibition n'est due ni à un défaut de phagocytose ni à une inhibition directe de la NADPH oxydase. En utilisant des systèmes de production in vitro de FRO, nous avons montré que la kynurénine est un « scavenger » du peroxyde d'hydrogène et, dans une moindre mesure, des anions superoxydes. Ce « scavenging » a lieu principalement en intracellulaire lors de la stimulation par les bactéries, probablement dans le phagosome. Nous avons également confirmé que les neutrophiles n'expriment pas le récepteur de la kynurénine, le récepteur d'aryl-hydrocarbone (AhR). A l'inverse, les macrophages expriment ce récepteur et son expression est induite par la kynurénine 48h après activation par P. aeruginosa ou par du LPS (lipopolysaccharide). La kynurénine a également un impact sur la polarisation des macrophages, étudiée par cytométrie en flux, en stabilisant le phénotype immunosuppresseur M2c. Enfin, la première enzyme de la voie des kynurénines de P. aeruginosa a été produite, purifiée et caractérisée. Nous avons démontré que KynA est une enzyme allostérique, avec un K' pour le L-tryptophane de 10,8 mM, une Vm de 2862 nM/min, et un Kcat de 4,09 M de N-formylkynurénine/min/M d'enzyme, indiquant une possible régulation au niveau enzymatique de la voie des kynurénines. Par ailleurs, l'analogue du substrat (le L-1-methyl-tryptophane) inhibe légèrement l'enzyme pure, mais n'a pas d'effet sur une culture bactérienne. Pour conclure, nous avons montré au cours de ce projet que la voie des kynurénines de P. aeruginosa est un des mécanismes qui permet à cette bactérie d'échapper au système immunitaire inné. La voie des kynurénines de P. aeruginosa pourrait donc être une nouvelle cible thérapeutique. L'enzyme recombinante KynA purifiée est un nouvel outil qui pourrait permettre de cribler des inhibiteurs spécifiques.

Pseudomonas aeruginosa is responsible for persistent infections in cystic fibrosis patients, suggesting an ability to circumvent innate immune defenses. Many host cells produce kynurenine, which is known to control immune system homeostasis. Interestingly this bacterium uses the kynurenine pathway to catabolize tryptophan. In addition, preliminary results of our laboratory showed that during acute pulmonary infection in mice with a strain of P. aeruginosa which does not produce kynurenine, there is a loss of virulence (reduction of mice mortality and pulmonary bacterial burden). The aim of this study is to investigate the role of kynurenine metabolism in the interaction between P. aeruginosa and immune system cells, in particular neutrophils and macrophages. We showed that most strains of P. aeruginosa isolated from cystic fibrosis patients produce a high level of kynurenine. Moreover, a strong transcriptional activation of kynA (the first gene involved in the kynurenine pathway in P. aeruginosa) was observed upon contact with immune cells and particularly with neutrophils and macrophages. In addition, using coculture of human neutrophils with various mutant strains of P. aeruginosa producing variable levels of kynurenine, we demonstrated that kynurenine promotes bacterial survival. Increasing amounts of synthetic kynurenine inhibits reactive oxygen species (ROS) production by the NADPH oxidase of activated neutrophils, as evaluated by chemiluminescence with luminol or isoluminol or superoxide dismutase-sensitive cytochrome c reduction assay. This inhibition is due neither to a phagocytosis defect nor to direct NADPH oxidase inhibition. Using in vitro ROS-producing systems, we showed that kynurenine scavenges hydrogen peroxide and, to a lesser extent, superoxide anions. Kynurenine's scavenging effect occurs mainly intracellularly after bacterial stimulation, probably in the phagosome. We also confirmed that neutrophils do not express the kynurenine receptor, the arylhydrocarbon receptor (AhR). Conversely, macrophages express this receptor and the kynurenine induces its expression after 48h of activation by P. aeruginosa or LPS (lipopolysaccharide). After activation, kynurenine impacts also macrophage polarization, analysed by flow cytomerty, by stabilizing immunosuppressive phenotype M2c. Finally, the first enzyme of the kynurenine pathway of P. aeruginosa was produced, purified and characterized. We demonstrated that KynA is an allosteric enzyme, with a K' of 10,8 mM of L-tryptophan, a Vm of 2862 nM/min and a Kcat of de 4,09 M of N-formylkynurenine/min/M of enzyme, indicating a possible regulation at the enzymatic level of the kynurenine pathway. Furthermore, the substrate analogue (L-1-methyl-tryptophan) inhibits slightly the pure enzyme, but has no effect on bacterial culture. In conclusion, the kynurenine pathway allows P. aeruginosa to circumvent the innate immune response. The kynurenine pathway of P. aeruginosa could be a new therapeutic target. Purified recombinant enzyme KynA is a new tool that could help to screen specific inhibitors.