Impact des supercomplexes respiratoires et reprogrammation métabolique des macrophages durant l’immunité antibactérienne

Macrophages respiratory supercomplexes and metabolic reprogramming upon anti-bacterial immunity

• Auteur / Autrice : Gaia Tioli
• Direction : Johan Garaude, Maria Luisa Genova
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie - immunologie
• Date : Soutenance le 25/11/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Università degli studi (Bologne, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Maladies rares : génétique et métabolisme (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Carla Palumbo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carla Palumbo, Rebeca Acín-Perez, Jesús Francisco Rodríguez Huertas, Stefano Meletti, Stefano Rozzi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rebeca Acín-Perez, Jesús Francisco Rodríguez Huertas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contamination

Mitochondries

Résistance aux maladies

Macrophages

Mots clés libres

Macrophages

Immunité innée

Mitochondries

Innate immunity

Macrophages

Mitochondria

Résumé

Les macrophages sont des cellules spécialisées de l'immunité innée capables de reconnaître les agents pathogènes et d'induire une réponse immunitaire pour éradiquer la menace. La reprogrammation métabolique est récemment émergée comme une composante majeure des cellules de l'immunité innée après une infection microbienne. Au coeur de ce processus physiologique se trouvent les mitochondries, des organelles clés pour la production d'énergie qui servent également de plateformes de signalisation immunitaire [Sander LE, Garaude J. Mitochondrion (2018)]. L'organisation supramoléculaire dynamique des complexes de la chaîne de transport d'électrons (CTE) des mitochondries en supercomplexes (SCs) peut conférer certains avantages fonctionnels aux mitochondries [Genova ML and Lenaz G. Biochim Biophys Acta (2014)]. Néanmoins, le rôle précis de ces SCs dans les adaptations métaboliques liées à la réponse immunitaire de l'hôte reste à déterminer. Une étude récente indique que suite l'ingestion de bactéries Gram-négatives E. coli vivantes et après engagement des récepteurs de reconnaissance de l'immunité innée, des adaptations structurelles et fonctionnelles du métabolisme mitochondrial sont mise en place dans les macrophages contribuant ainsi à la réponse anti-microbienne [Garaude J et al. Nat Immunol (2016)].Dans mon travail de thèse, j'ai voulu déterminer si la reprogrammation mitochondriale dépend de la nature des bactéries rencontrées et comment cela module l'immunité innée.Nos résultats montrent que la détection des bactéries Gram-négatives et des bactéries Gram-positives par les macrophages régule différemment le taux de consommation d'oxygène mitochondrial (OCR), la synthèse d'ATP mitochondrial et l'activité respiratoire du CII de la chaîne respiratoire mitochondrial. L'analyse métabolomique des macrophages et d’échantillons de plasma de patients atteints de sepsis montre une reprogrammation distincte du cycle du TCA induite par les bactéries Gram-négatives et Gram-positives. Alors que les macrophages traités avec des bactéries Gram-négatives accumulent du fumarate, les macrophages stimulés par des bactéries Gram-positives accumulent du α-cétoglutarate. Ces deux métabolites sont des modulateurs connus de méthyltransférases [Mills EL et al. Cell (2016)], suggérant que la reprogrammation métabolique des mitochondries peut conduire à un contrôle épigénétique de l'expression des gènes dans les macrophages après une infection bactérienne. Nous avons donc étudié si la manipulation pharmacologique du rapport fumarate/α-cétoglutarate et de l'activité SDH/CII module la production de cytokines pro- et anti-inflammatoires in vitro et in vivo. Nos résultats préliminaires indiquent qu'il n'y a pas de différence significative dans la capacité respiratoire mitochondriale et la production d'ATP induite par les inhibiteurs de CII, ce qui suggère des effets compensatoires possibles médiés par les SC et les autres déshydrogénases composant le système de transport d'électrons mitochondrial. D'autres études sont toujours en cours pour élucider l'effet de l'inhibition du CII sur la production de cytokines puisque nous avons observé des niveaux de cytokines opposés in vitro et in vivo.

Macrophages are specialized innate immune cells that can recognize pathogens and induce an immune response best suited to eradicate the threat. Metabolic reprogramming has recently emerged as a major feature of innate immune cells following microbial infection. At the core of this physiological process are mitochondria, key organelles for energy production that also serve as immune signalling platforms [Sander LE, Garaude J. Mitochondrion (2018)]. The dynamic supramolecular organization of the mitochondrial electron transport system complexes forming the respiratory supercomplexes (SCs) may confer functional advantages to mitochondria [Genova ML and Lenaz G. Biochim Biophys Acta (2014)]. However, the precise role of SCs in metabolic adaptations in immune host defense remains to be determined. Recent evidence nevertheless indicates that organizational and functional adaptations occur in the ETS of macrophages to allow metabolic plasticity during engulfment of live E. coli [Garaude J et al. Nat Immunol (2016)] and upon engagement of innate immune receptors [Mills EL et al. Cell (2016)]. Furthermore, several groups have demonstrated that the tricarboxylic acid (TCA) cycle (or Krebs cycle) of macrophages stimulated with the Toll-like receptor 4 (TLR4) ligand lipopolysaccharides (LPS) – the main component of Gram-negative cell wall – shows two breakpoints at the isocitrate dehydrogenase (IDH) and at the succinate dehydrogenase (SDH, or Complex II) [Ryan DG and O’Neill LA. Annual Review of Immunology (2020)]. Importantly, previous experiments conducted in Garaude’s laboratory suggested the involvement of Complex II/SDH in macrophages metabolic reprogramming, depending on the microbial stimulus [Garaude J et al. Nat Immunol (2016)].In my thesis work, I have investigated whether mitochondrial reprogramming depends on the nature of the bacteria encountered and how this in turn modulates innate immune outcomes.Our data show that the sensing of Gram-negative bacteria and Gram-positive bacteria by macrophages differentially regulates mitochondrial oxygen consumption rate (OCR), mitochondrial ATP synthesis and respiratory CII activity throughout the time of infection. Metabolomics analysis of bacteria-treated macrophages and plasma samples from patients with sepsis show distinct reprogramming of the TCA cycle induced by Gram-negative and Gram-positive bacteria. While Gram-negative-treated macrophages accumulate fumarate, macrophages stimulated with Gram-positive bacteria accumulate α-ketoglutarate. Those two metabolites are known modulators of histone- and DNA-methyl transferase [Martínez-Reyes & Chandel. Nature Communications (2020)], suggesting that the metabolic reprogramming at the level of mitochondria may also lead to epigenetics control of gene expression in macrophages upon bacterial infection. We thus investigated whether the pharmacological manipulation of fumarate/α-ketoglutarate ratio and SDH/CII activity modulate pro- and anti-inflammatory cytokines production in vitro and in vivo. Our preliminary results indicate that there is no significant difference in mitochondrial respiration capacity and ATP production induced by CII inhibitors, which suggest possible compensatory effects mediated by SCs and the other dehydrogenases composing the mitochondrial electron transport system. Further studies are still ongoing to elucidate the effect of CII inhibition on cytokine production since we observed discrepant results on cytokine levels in vitro and in vivo.