MAIT cells and riboflavin in host-microbiota interactions

Les cellules MAIT et la riboflavine dans les interactions hôte-microbiote

• Auteur / Autrice : Yara El morr
• Direction : Olivier Lantz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Immunologie
• Date : Soutenance le 23/06/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Immunité et cancer (Paris ; 2009) - Institute Curie
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut Curie (Paris ; 1978-....)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Eberl
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Lantz, Gérard Eberl, Harry Sokol, Julie Dechanet-Merville, Christelle Harly
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Harry Sokol, Julie Dechanet-Merville

Mots clés

Mots clés libres

Mait

Lamina propria

Microbiote

Riboflavine

Colite

Souris

Mait cells

Lamina propria

Microbiota

Riboflavin

Colitis

Mice

Résumé

Les cellules MAIT sont des lymphocytes T innés reconnaissant des métabolites microbiens dérivés de la voie de synthèse de la riboflavine, présentés par MR1. Des bactéries intestinales de l’embranchement des Bacteroidetes et Proteobacteria peuvent produire le ligand des MAIT, suggérant une interaction entre les MAIT et le microbiote. Chez l'homme, les MAIT ont été impliqués dans des pathologies associées à une dysbiose intestinale tel que les maladies inflammatoires de l'intestin, mais le rôle des MAIT dans ces maladies reste inconnu. La dysanaérobiose et le stress oxidatif caractérisent les maladies inflammatoires de l’intestin. La riboflavine contribue à la respiration aérobie et à la résistance des bactéries au stress oxydatif, suggérant une augmentation des besoins en riboflavine pendant l'inflammation intestinale. En accord avec cette hypothèse, les bactéries prototrophes pour la riboflavine sont enrichies dans la maladie de Crohn.Dans une première partie, nous avons exploré l'hypothèse que les MAIT détectent des alterations du métabolisme bactérien associées aux dysbioses dans le colon. Nous avons montré que la dysanaérobiose, lors d'un traitement antibiotique ou d'une colite induite par le dextran sulfate de sodium (DSS), augmente la production du ligand des MAIT dans l’intestin. Nous avons séquencé les gènes d'ARNr 16S dans l’intestin de souris traitées aux antibiotiques et au DSS, et analysé l'expression des gènes de la voie de la riboflavine en cas de colite induite par l'infection par Helicobacter hepaticus. La dysanaérobiose était associée à l'expansion des Enterobacteriaceae lors du traitement à la vancomycine, et des Bacteroidaceae et Enterobacteriaceae en cas de colite. La production de riboflavine était bénéfique pour l’expansion d’Escherichia coli dans l'intestin enflammé. Les Bacteroidaceae et les Enterobacteriacea peuvent produire de grandes quantités de ligands des MAIT in vitro. Le gène ribD, qui contrôle la production des ligands des MAIT, était surexprimé par les Bacteroidaceae, les Clostridiaceae et les Enterobacteriaceae en cas de colite induite par H. hepaticus. Le ligand des MAIT traversaient la barrière intestinale et augmentaient la stimulation TCR des MAIT qui produisent en conséquence amphiréguline et protégeaint contre la colite. Dans une seconde partie, nous avons caractérisé les MAIT dans l'iléon, dans lequel des niveaux élevés d'oxygène ont été observés à l'état basal. Plusieurs bactéries codant pour la voie de la riboflavine colonisaient l'iléon, mais les MAIT n'étaient pas activés par leur TCR et exprimaient un phénotype distinct dans l’iléon. Nous discutons les études futures qui permettront de comprendre les interactions MAIT-microbiote dans l'iléon.En résumé, les MAIT détectent et répondent directement aux changements du métabolisme bactérien associés à l'inflammation du colon et assurent en retour une protection de l'hôte. Cette nouvelle interaction hôte-microbiote peut expliquer l'activation des MAIT dans d'autres pathologies associées à une dysbiose telles que le cancer colorectal.

Mucosal associated invariant T (MAIT) cells are an evolutionary conserved T cell subset, which recognize riboflavin precursor derivatives presented by MR1. Intestinal bacteria from the Bacteroidetes and Proteobacteria phyla can produce MAIT antigens, suggesting a direct interplay between MAIT cells and the microbiota. In humans, MAIT cells have been implicated in pathologies associated with intestinal dysbiosis such as inflammatory bowel diseases, but the role of MAIT cells in these diseases remains unknown. Increased levels of oxygen and oxidative stress are hallmarks of intestinal inflammation, and riboflavin contributes to bacterial respiration and to oxidative stress resistance, suggesting increased needs for riboflavin during intestinal inflammation. Supporting this hypothesis, bacteria possessing the riboflavin biosynthesis pathway are enriched in Crohn’s disease patients.In the first part of this work, we explored the hypothesis that MAIT cells monitor a bacterial metabolic pathway associated with altered gut ecosystem. We showed that hypoxia disruption in the colon, upon antibiotic treatment or dextran sodium sulfate (DSS)-induced colitis, increased MAIT antigen production by the microbiota. We sequenced the 16S rRNA genes from the cecum of antibiotic- and DSS-treated mice, and analyzed expression of the riboflavin pathway genes in the Helicobacter hepaticus model of colitis. Dysanaerobiosis was associated with expansion of Enterobacteriaceae upon vancomycin treatment, and Bacteroidaceae and Enterobacteriaceae in colitic mice. Riboflavin production provided a fitness advantage to Escherichia coli in the inflamed intestine. Both Bacteroidaceae and Enterobacteriaceae can produce high amounts of MAIT antigens in vitro. In the H. hepaticus model of colitis, ribD, which controls MAIT antigen production, was over-expressed by Bacteroidaceae, Clostridiaceae and Enterobacteriaceae during colitis. MAIT antigens crossed the intestinal barrier and induced T cell receptor (TCR) signalling in MAIT cells, which produced the tissue-repair mediator amphiregulin and reduced colitis severity. In the second part of this work, we characterized MAIT cells in the ileal environment, wherein high levels of oxygen have been observed at steady state. A range of bacteria that encode the riboflavin pathway populated the ileum, however ileal MAIT cells were not activated through TCR engagement and expressed distinct phenotypic profiles. We discuss the future studies that will be needed to understand MAIT-microbiota interactions in the ileum.Collectively, in the colon, MAIT cells directly sense and react to changes in bacterial metabolism associated with intestinal inflammation and provide host protection in return. This new host-microbiota interaction may explain MAIT cell activation in other pathologies associated with dysbiosis such as colorectal cancer.