La signalisation insuline comme garant de la fonction barrière intestinale

Epithelial insulin sensitivity as a gatekeeper of the gut barrier

• Auteur / Autrice : Dalale Gueddouri
• Direction : Anne-Françoise Burnol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiologie et physiopathologie
• Date : Soutenance le 09/03/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Cochin (Paris ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Larger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Larger, Philippe Jay, Sophie Thenet, Nathalie M. Delzenne, Simon Ducheix, Sandra Guilmeau, Jean-Pierre Hugot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Jay, Sophie Thenet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Muqueuse intestinale

Insulinorésistance

Mots clés libres

Insulino-résistance

Perméabilité intestinale

Inflammation

Fonction anti-microbienne

Prolifération

Cellules de Paneth

Cellules souches intestinales

Insulin resistance

Leaky gut

Intestinal barrier

Inflammation

Antimicrobial function

Proliferation

Paneth cells

ISC

Résumé

La muqueuse intestinale forme une barrière sélective, qui assure le transport transcellulaire efficace des nutriments tout en excluant rigoureusement le flux paracellulaire de produits bactériens immunostimulants à travers l'épithélium. Au cours du syndrome métabolique, notamment associé au développement d'une insulino-résistance périphérique, l'altération de la perméabilité intestinale est responsable de la translocation d'endotoxines bactériennes dans la circulation systémique, participant ainsi à l'inflammation de bas grade caractéristique de ces pathologies métaboliques. Alors que les mécanismes impliqués dans la perte de l'intégrité intestinale accompagnant le syndrome métabolique sont longtemps restés mal compris, l'hyperglycémie a récemment été considérée comme un candidat de choix. Thaiss et al ont en effet proposé que le transport via GLUT2 et le métabolisme intracellulaire du glucose entraînait dans l'épithélium intestinal une reprogrammation transcriptionnelle interférant avec sa fonction barrière et favorisait la susceptibilité aux infections entériques. L'hyperglycémie étant étroitement associée à la perte d'action de l'insuline, nous avons émis l'hypothèse qu'au-delà de l'hyperglycémie, une signalisation insulinique intestinale défectueuse pourrait constituer un nouvel acteur dans l'altération de l'intégrité intestinale observée au cours du syndrome métabolique. Pour adresser ce point, nous avons alors développé deux modèles murins de résistance à l'insuline : (i) un modèle d'insulino-résistance globale non obèse, par traitement avec un antagoniste du récepteur de l'insuline (S961), (ii) un modèle d'insulino-résistance spécifiquement intestinale sans hyperglycémie concomitante, suite à la délétion inductible du récepteur de l'insuline dans l'épithélium intestinal (IRKOGUT). De façon intéressante, l'absence de signalisation insulinique dans l'intestin entraîne une détérioration significative de la défense antimicrobienne par les cellules Paneth et l'apparition concomitante d'une dysbiose caractérisée par des proportions accrues de Protéobactéries pro-inflammatoires. En conséquence, ce défaut de signalisation s'accompagne d'une augmentation de la susceptibilité à l'infection par des entéro-pathogènes et du contenu fécal en lipocaline 2, un marqueur de l'inflammation intestinale. Par ailleurs, l'analyse des souris IRKOGUT montre que l'insuline contrôle la capacité de renouvellement épithélial, une autre fonction essentielle à l'intégrité intestinale. L'altération de la croissance ex-vivo d'organoides intestinaux et coliques issus de souris IRKOGUT suggère ainsi un défaut de prolifération des cellules souches. En accord avec ces données, la perte de signalisation insulinique dans l'intestin augmente la susceptibilité à la colite aiguë induite par un traitement au DSS, associée à des défauts majeurs de la ré-épithélialisation. L'ensemble de nos données révèle donc que l'insuline est un acteur nouveau de l'intégrité intestinale en contrôlant dans l'épithélium deux composants essentiels de cette barrière : (i) la fonction bactéricide des cellules de Paneth et (ii) les capacités de survie et de prolifération des cellules souches.

Intestinal mucosa forms a selective barrier, which ingeniously allows an efficient transcellular transport of nutrients while rigorously excluding the paracellular flow of immune-stimulatory bacterial products across the epithelium. A common feature of metabolic diseases is their association with chronic inflammatory processes in various tissues, as well as an increased general risk of infection. This state of metaflammation is thought to result from impaired intestinal mucosal barrier, leading to the translocation of microbial products into the systemic circulation. While the mechanistic basis for gut leakiness accompanying the metabolic syndrome has long remained poorly understood, recent evidences indicate that gut epithelial glucose metabolism can be considered as a prime candidate. Thaiss et al indeed proposed that hyperglycemic state leads to GLUT2-mediated glucose transport and metabolism in intestinal epithelial cells and drives intraepithelial gene expression reprograming which markedly interferes with homeostatic gut barrier function and favors susceptibility to enteric infection upon the diabesity cascade. Because hyperglycemia and loss of insulin action are often two sides of the same coin, we hypothesize that, beyond hyperglycemia, defective intestinal insulin signaling could directly impair epithelial integrity upon diabetic conditions. To address this point, we developed two murine models of insulin resistance: (i) a model of global insulin resistance not associated with obesity, by treatment with an insulin receptor antagonist (S961), (ii) a model of specific and inducible intestinal insulin resistance that do not display concomitant hyperglycemia, by inducible deletion of the insulin receptor in the intestinal epithelium (IRKOGUT).Loss of intestinal insulin signaling triggered a significant deterioration of antimicrobial defense by Paneth cells, concomitantly with the onset of a significant dysbiosis as characterized by a bloom of pro-inflammatory Proteobacteria. This was accompanied by an increased susceptibility to infection by enteropathogens and enhanced fecal content of lipocalin 2, a marker of intestinal inflammation. Further examination of IRKOGUT mice pinpointed that insulin controls epithelium renewal capacities, another essential component of intestinal integrity. Ex-vivo growth of intestinal and colonic organoids derived from IRKOGUT mice was indeed significantly altered, suggesting defects in stem cell proliferation and survival. Consequently, IRKOGUT mice exhibited a greater susceptibility to acute colitis induced by DSS treatment, with was associated with major defects in re-epithelialization. This study therefore reveals that insulin acts as a gatekeeper of the intestinal by controlling two essential components of the gut epithelial barrier: (i) the bactericidal activity of Paneth cells and (ii) the survival and proliferative capacities of stem cells.