Relation structure-activité des lipopolysaccharides isolés des bactéries sulfato-réductrices de la flore intestinale chez le sujet sain et diabétique

Structure-activity relationships of lipopolysaccharides isolated from gut microbiota Sulfate-Reducing Bacteria in healthy and diabetic subjects

• Auteur / Autrice : Wei Zhang-Sun
• Direction : Martine Caroff, Liping Zhao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie
• Date : Soutenance le 02/12/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Signalisations et réseaux intégratifs en biologie (Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de génétique et microbiologie (Orsay)
• Jury : Président / Présidente : Michael Dubow
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martine Caroff, Liping Zhao, Michael Dubow, Marc Feuilloley, Jean-Marc Cavaillon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marc Feuilloley, Jean-Marc Cavaillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Flore intestinale

Troubles du métabolisme du fer

Obésité

Diabètes

Lipide A

Endotoxines

Lipopolysaccharides

Bactéries sulfato-réductrices

Mots clés libres

SRB

LPS

Flore intestinale

Diabète

Obésité

Microdiversité

Endotoxines

ERIC-PCR

ARNr 16S

SDS-PAGE

IL-6/TNFα

MALDI

Lipide A

AraN

DHB

Kdo

Glycosyl'Xn

Fer

SRB

LPS

Gut microbiota

Diabetes

Obesity

Microdiversity

Endotoxin

ERIC-PCR fingerprinting

16S rRNA gene

SDS-PAGE

IL-6/TNFα

MALDI

Lipid A

AraN

DHB

Kdo

Glycosyl’Xn

Iron

Résumé

Des études ont récemment mis en évidence le rôle des lipopolysaccharides (LPS) des bactéries à Gram négatif de la flore intestinale dans le processus de l’inflammation conduisant à l’obésité et au diabète de type 2.Le présent travail est réalisé dans le cadre d’une collaboration entre les équipes du Dr. Caroff (U. Paris-Sud, Orsay) et du Pr. Zhao (U. Jiao Tong, Shanghai). Les expériences présentées ont été réalisées lors de séjours dans les deux laboratoires.Il a été démontré en Chine que des bactéries Sulfato-réductrices (SRB) à Gram négatif étaient présentes en plus forte proportion dans la flore intestinale chez les souris suivant un régime gras. Les mêmes résultats ont été observés chez l'homme. L’hypothèse selon laquelle des SRB seraient à l’origine de grandes quantités d’endotoxines chez les obèses et les patients diabétiques a été émise. Plusieurs souches de SRB isolées de la flore intestinale humaine d’un sujet sain et d’un sujet diabétique ont été cultivées en Chine. Des études de relation structure/activité des LPS isolés de ces bactéries ont été réalisées dans le laboratoire Français pour déterminer leur rôle dans le développement des maladies métaboliques. Les souches isolées des deux sujets ont pu être classées dans le genre Desulfovibrio. Les LPS correspondants ont été extraits et purifiés par des méthodes mises au point dans l’équipe d’Orsay. La structure chimique a été élucidée par les méthodes suivantes : Electrophorèse, Chromatographie sur couche mince, Chromatographie en phase gazeuse et Spectrométrie de masse MALDI. C’est ainsi que des spectres de masse ont été obtenus et que la structure des lipides A, principes actifs des LPS, isolés de SRB a été décrite pour la première fois. Les activités biologiques testées (TNFα, IL-6) varient en fonction du nombre d’acides gras présents. Les LPS de SRB du patient sain ont une structure variable (Smooth versus Rough) en fonction de la quantité de fer présent dans le milieu, et ceux isolés du patient diabétique présentent des structures atypiques qui ne sont pas toutes inflamogènes. Une molécule membranaire inconnue, que nous avons nommée « Glycosyl’X » était co-extraite avec les LPS. Elle joue apparemment un rôle important dans la croissance des SRB et a été étudiée après des étapes de purification complexes. Les structures et le pouvoir inflammatoire de ces molécules dont la structure varie avec les souches, et qui chélatent le fer, ont été étudiées. Elles sont de nature principalement osidique et fixées à la membrane. La proportion de ces molécules par rapport aux LPS varie avec la quantité de fer disponible dans le milieu. Un milieu riche en fer favorise la croissance des Desulfovibrio portant les Glycosyl’X qui n’ont pas de pouvoir inflammatoire eux-mêmes, mais entrent en compétition avec les LPS, modulant ainsi indirectement l’activité de ces derniers. L’augmentation du nombre de Desulfovibrio conduisant à l’augmentation des molécules Glycosyl’X pourrait aussi moduler positivement (par présentation) ou négativement (par élimination des bactéries) l’adsorption du fer dans les intestins dont l’équilibre est essentiel pour l’homéostasie métabolique.Par ailleurs, la croissance des Desulfovibrio augmente la production d’Hydrogène Sulfuré connu pour son action délétère sur les cellules. Nous favorisons l’hypothèse selon laquelle son action sur la disjonction des cellules épithéliales permettrait le passage des différents LPS relargués par la flore Gram-négative intestinale, et même des bactéries entières, vers la circulation sanguine.

Recent studies have highlighted the role of lipopolysaccharide (LPS) in the intestinal flora (gut microbiota) which could contribute to the inflammation process leading to obesity and type 2 diabetes. This thesis is part of a collaborative project between the laboratories of Dr. Caroff (U. Paris -Sud, Orsay, France) and Prof. Zhao (U. Jiao Tong , Shanghai, China). It has been shown by Pr.Zhao’s team in 2010 that the Sulfate -Reducing Bacteria (SRB) were presented in greater proportion in the intestinal mice flora following a fat diet compared to mice following a normal diet. The same results were observed in humans. The starting hypothesis was that SRB could produce a large amount of endotoxin in obese and diabetic patients and play a role in the development of metabolic diseases. Several SRB strains isolated from the human intestinal flora of a healthy subject and of a diabetic subject were grown in the Chinese laboratory. Studies of their LPS structure / activity relationships were carried out in the French laboratory. The aim of this study was to determine their roles in the development of metabolic diseases.Strains isolated from the two subjects could be classified in the Desulfovibrio genus. The corresponding LPS were extracted and purified by the methods developed in the French laboratory. The chemical structure was elucidated by the following methods: Electrophoresis, Thin layer chromatography, Gas chromatography and MALDI mass spectrometry. The mass spectra were obtained and the structure of lipid A, the active part of LPS isolated from SRB was described here for the first time. The biological activities test (TNFα, IL-6) vary depending on the number of fatty acids present in their lipid A structure. The LPS of SRB isolated from the healthy patient had a variable structure (Smooth versus Rough) depending on the amount of iron present in the medium, and those isolated from diabetic patients had atypical structures are not all inflamogenic .An unknown membrane molecule, which we named ''Glycosyl'X'' was co-extracted with the LPS. It apparently plays an important role in the growth of SRB was investigated after complex purification steps. The structures and the inflammatory power of these molecules variying with strains chelating iron were studied. They are mainly of glycosidic nature and linked to the bacterial membrane.The proportion of these molecules relatively to LPS varies with the amount of iron in the medium. An environment rich in iron promotes the growth of Desulfovibrio Glycosyl'X, molecules but competes with LPS and indirectly modulates the activity of the latter. The increase number of Desulfovibrio leading to increased Glycosyl'X molecules may also modulate positively (by presentation) or negatively (by killing bacteria) the absorption of iron in the intestines which balance is essential for metabolic homeostasis.Furthermore, the growth of Desulfovibrio increasing the production of Hydrogen Sulfide is known for its deleterious effects on the cells. We favor the hypothesis that its action on the separation of epithelial cells favors the passage of different LPS released by the Gram- negative of intestinal flora and even whole cell bacteria into the bloodstream.