Comprendre le phénotype des macrophages résidents de l’îlot pancréatique : potentiels gardiens de l’équilibre antioxydant des cellules β

Unravelling the phenotype of pancreatic islet-resident macrophages : potential gatekeepers of β cell redox balance

• Auteur / Autrice : Amélie Grosjean
• Direction : Nicolas Venteclef
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie moléculaire et cellulaire
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physiologie, Physiopathologie et Thérapeutique (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche des Cordeliers (Paris ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Karine Clément
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ann Massie, Ana-Maria Lennon-Duménil, Roberto Mallone, Elise Dalmas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stoyan Ivanov, Patrick Collombat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inflammation

Glutathion

Phénotype

Macrophages

Cellules bêta

Îlots pancréatiques

Mots clés libres

Macrophages

Ilots pancréatiques

XCT

Obésité

Glutathion

Fer

Macrophages

Pancreatic islets

XCT

Obesity

Glutathione

Iron

Résumé

Les cellules β sont les principales composantes de l’îlot pancréatique, où elles jouent un rôle majeur par la sécrétion d’insuline afin de réguler la glycémie. Les îlots pancréatiques contiennent d’autres types cellulaires, parmi lesquels des cellules immunitaires résidentes, composées majoritairement de macrophages. Ces macrophages ont un phénotype activé, plutôt inflammatoire à l’homéostasie. Les mécanismes moléculaires d’une telle activation n’étant pas connus, mon projet de thèse a pour but de définir le phénotype et le rôle des macrophages des îlots à l’homéostasie et lors d’un régime obésogène. Dans un modèle murin, en combinant des techniques de cytométrie et de séquençage, nous avons confirmé le phénotype pro-inflammatoire des macrophages de l’îlot pancréatique avec une forte expression génique de cytokines et chimiokines telles qu’Il1b ou Ccl4, ainsi qu’une expression membranaire de CD11c et CMH-II à l’homéostasie. De plus, nous avons identifié 3 sous-populations de macrophages résidents de l‘îlot pancréatique, parmi lesquelles deux sous-populations liées et associées d’une part à un profil de sécrétion de facteurs inflammatoires, et d’autre part, à un profil métabolique antioxydant. Ces macrophages antioxydants sont caractérisés par l’expression de nombreux gènes de la voie du glutathion impliquée dans la dégradation des espèces réactives de l’oxygène (ROS). Ainsi, nous proposons que le niveau élevé de glutathion dans les macrophages de l’îlot conditionne leur activité inflammatoire. Afin de tester notre hypothèse, nous avons modulé la production et l’utilisation du glutathion dans les macrophages par des composés pharmacologiques, et nous avons observé que l’inhibition de la voie glutathion induit une diminution significative de l’expression génique des facteurs inflammatoires. Ainsi, la voie du glutathion semble importante pour maintenir le phénotype pro-inflammatoire des macrophages de l’îlot pancréatique. Le glutathion étant produit à partir de cystine, nous avons développé un modèle d’inhibition de la production du glutathion en ciblant le transporteur de cystine xCT, qui semble spécifique aux macrophages dans l’îlot. Ainsi, nous mettons en évidence dans des modèles de reconstitution xCT KO spécifique des cellules immunitaires, une augmentation du stress oxydatif des macrophages, associé à une augmentation des ROS qui s’accompagne d’une augmentation du stress oxydatif aussi chez les cellules β et d’une altération de leur fonction. L’état oxydant des cellules β semble être associé à une modulation du métabolisme du fer, ion essentiel à leur fonction. Nous mettons ainsi en évidence une forte interaction entre les macrophages et les cellules β et proposons que les macrophages de l’îlot participent au maintien des capacités antioxydants des cellules β. Lors de l’obésité, induite par un régime riche en graisses, nous avons mis en évidence que la densité des macrophages et leur phénotype inflammatoire ne semble pas être modulés. En revanche, ils pourraient participer à garantir une bonne fonction endocrine par l’apport de glutamine. Ainsi, mes travaux ont permis de mettre en évidence l’implication des voies antioxydants dans le phénotype des macrophages de l’îlot ainsi qu’une implication potentielle des macrophages de l’îlot pancréatique dans la régulation de l’équilibre oxydant et de la fonction des cellules β.

Β cells are the main compounds of the pancreatic islet, to maintain normoglycemia through insulin secretion. Inside islets, there are immune cells, mainly macrophages who display an activated and inflammatory phenotype at steady state. The molecular mechanisms underlying this activation are not well described. My PhD project aims at studying the phenotype and function of these islet macrophages at steady state and during diet-induced obesity. By combining single cell RNA sequencing and flow cytometry in mouse models, we confirmed the inflammatory phenotype at steady state of islet macrophages. Islet macrophages express at homeostasis, pro-inflammatory cytokines such as Il1b, Tnf or Ccl4, and have a membranous expression of MHC-II and CD11c, surface markers associated with activated macrophage phenotype. Using clustering method, we defined a continuum of 3 associated subpopulations of islet resident macrophages including profiles differentially characterized by i) inflammatory secretory and ii) an antioxidant profile. The antioxidant macrophage subpopulation was marked by genes encoding for the glutathione pathway, involved in the detoxification of reactive oxygen species (ROS). Based on this pioneer observation, we propose that the glutathione pathway in macrophages may modulate its inflammatory status. To confirm our hypothesis, using pharmacological agents, we antagonized glutathione pathway, and observed a significant decrease of proinflammatory factors. Our analyses show that the glutathione pathway contributes to the activated phenotype of islet macrophages. The glutathione production is limited by cystine availability. We developed an inhibitory model of glutathione production by blocking the cystine transporter xCT, highly expressed in islet macrophages. Using this mouse model, we performed bone marrow transplantation experiments to limit cystine importation restricted to immune cells. We showed an increase of oxidative stress associated with an increase of ROS production by macrophages in reconstituted xCT KO mice. Analysis of β cells showed an increase of ROS and an increase of insulin secretion. The β cells redox status seems to be associated to alteration of iron metabolism, an ion essential for endocrine function. Our data propose for the first time that interaction between macrophages and β cells may be key in the maintenance of islet homeostasis by modulating the cellular stress in β cells. In a diet-induced obesity model, we observed an increase of islet macrophage counts closely related with the increased of islet size. Our analyses also revealed a minor regulation of macrophages inflammatory state but it highlighted the rewiring of cellular metabolism, suggesting the contribution of islet macrophages in the maintenance of endocrine function through glutamine exchange. My PhD work highlighted the implication of redox pathways on islet macrophage phenotype, and potential new functions of islet macrophages in the modulation of β cell oxidative state.