Emergence de l'inflammasome NLRP1 en tant que senseur de virulence microbienne dans l'épithélium humain

Emergence of NLRP1 inflammasome as a sensor of microbial virulence in human epithelium

• Auteur / Autrice : Miriam Pinilla
• Direction : Étienne Meunier, Emmanuel Ravet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Immunologie
• Date : Soutenance le 08/06/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de pharmacologie et de biologie structurale (Toulouse ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Joost Van Meerwijk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Étienne Meunier, Emmanuel Ravet, Cécile Arrieumerlou, Fabio Martinon, Pablo Pelegrín
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Arrieumerlou, Fabio Martinon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Virulence (microbiologie)

Pseudomonas aeruginosa

SARS-CoV-2 (virus)

Mots clés libres

Inflammasome

Pyroptose

NLRP1

Épithelium

SARS-Cov-2

Pseudomonas aeruginosa

Inflammasome

Pyroptosis

NLRP1

Human epithelium

SARS-Cov-2

Pseudomonas aeruginosa

Résumé

Tous les organismes vivants sont continuellement exposés à des agents pathogènes qui peuvent les attaquer et les envahir. Pour cette raison, l'hôte a développé une série de mécanismes de défense afin de détecter et d'éliminer les pathogènes. Un de ces mécanismes est médié par l’assemblage des inflammasomes, des complexes multi-protéiques qui, suite à leur activation, recrutent et activent une protéase inflammatoire, la caspase-1. A son tour, caspase-1, clive une protéine appelée gasdermine D, qui va former un pore dans la membrane cellulaire permettant la libération des cytokines inflammatoires IL-1beta et IL-18 et la rupture membranaire, entraînant ainsi une mort cellulaire lytique et hautement inflammatoire, appelée pyroptose. Il a été démontré que les inflammasomes jouent un rôle crucial dans la défense innée de l'hôte. De ce fait, il existe donc une grande variété d'inflammasomes capables de reconnaître différents stimulus. Le rôle des inflammasomes a été largement étudié dans les cellules de l'immunité innée telles que les macrophages et les neutrophiles, mais pas dans les cellules épithéliales. Cependant, il est important de noter que les cellules épithéliales sont souvent la première barrière cellulaire que les pathogènes rencontrent, et leur réponse est cruciale pour la défense de l’organisme. Il est intéressant de noter que l'inflammasome NLRP1 est fortement exprimé dans les cellules épithéliales (poumon, peau, cornée) et que les mécanismes moléculaires qui régissent son activation sont restés énigmatiques jusqu'à récemment. Au cours de mon doctorat, j'ai étudié le rôle de l'inflammasome NLRP1 en tant que capteur de virulence microbienne dans l'épithélium humain, dans le contexte d'une infection virale par le virus SARS-Cov-2, mais aussi dans le contexte d'une infection bactérienne par Pseudomonas aeruginosa. Le virus du SARS-CoV-2, responsable de la pandémie de COVID-19, infecte principalement les voies respiratoires et il est intéressant de noter que l'une des principales cytokines libérées lors d'un COVID sévère dans les poumons est l'IL-18, ce qui suggère un rôle critique des inflammasomes lors d'une infection par le SARS-CoV-2. En utilisant la lignée cellulaire épithéliale alvéolaire A549 exprimant le récepteur du SARS-CoV-2, ACE2, et surexprimant ou non NLRP1, nous avons découvert que l'infection par le SARS-Cov-2 conduit à une forme pyroptotique de mort cellulaire uniquement dans les cellules exprimant la NLRP1. En détail, nous avons montré que la protéase NSP5 3CL clive NLRP1 et induit une mort cellulaire pyroptotique par une voie alternative qui implique l'activation de la gasdermine E. Enfin, nous avons montré une quantité plus élevée de gasdermine E et d'IL-18 chez les patients atteints de COVID sévère, suggérant qu'une suractivation de la voie NLRP1 pourrait être pathologique pendant l'infection par le SARS-CoV-2. De plus, nous avons observé que les patients atteints de mucoviscidose qui sont infectés de manière chronique par P. aeruginosa présentent un enrichissement en IL-1beta dans les poumons. Ces observations suggèrent fortement l'implication des inflammasomes. Ainsi, nos travaux ont démontré que l'exotoxine A de P.aeruginosa induit l'activation de NLRP1 via l'activation d'une voie de stress ribotoxique impliquant les kinases ZAKalpha et p38. Enfin, nous avons observé que les cellules épithéliales isolées de patients atteints de mucoviscidose présentent des réponses inflammatoires accrues conduisant à une augmentation de la mort cellulaire et de la libération d'IL-18 en réponse à P.aeruginosa. L'ensemble de nos données ont démontré le rôle important de NLRP1 dans la réponse immunitaire contre les pathogènes microbiens (virus ou bactéries) dans l'épithélium humain et leur implication possible dans différentes maladies associées. Le premier projet a déjà été publié (Planes et al., 2022) et le second est en cours de révision dans le Journal Experimental of Medicine (Pinilla et al., 2023).

All living organisms are continuously exposed to threatening pathogens that can attack and invade them. For this reason, the host developed a series of defence mechanisms in order to detect and eliminate pathogens. On of these mechanisms is mediated by the aseembly of inflammasomes. Inflammasomes are multiprotein complexes that activate the inflammatory caspase-1 in response to microbial components, danger or stress. The active caspase-1 leads to the formation of a gasdermin D pore in the cell membrane allowing the release of inflammatory cytokines IL-1beta and IL-18, therefore resulting in a lytic and highly inflammatory cell death, called pyroptosis. The inflammasomes were shown to play a crucial role in the innate host defense against a broad variety of microbial pathogens, different danger signals, and stress. Therefore, there is a wide variety of inflammasomes (NLRP3, NLRC4, AIM2, PYRIN, NLRP1) and their expression and assembly are tightly regulated. The role of inflammasomes has been extensively studied in innate immune cells such as macrophages and neutrophils but not in epithelial cells. However, it's important to note that epithelial cells are frequently the initial cells barrier that pathogens meet, and their response determines the start of an infection. Interestingly, the human NLRP1 inflammasome (hNLRP1) is highly expressed in epithelial cells (lung, skin, cornea) and the molecular mechanisms that govern its activation have remained enigmatic until recently. Particularly, NLRP1 has recently gained much attention and is rising as an important epithelial sensor involved in antimicrobial defence as well as in the development of pathologies. During my PhD, I studied the role of the NLRP1 inflammasome as a sensor of microbial virulence in the human epithelium, in the context of viral infection by the SARS-Cov-2 virus but also in the context of bacterial infection by Pseudomonas aeruginosa. The virus of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-Cov-2), that causes the COVID-19 pandemic, primarily infects the respiratory tract (nasal, bronchial and lung epithelial cells). Interestingly, one of the most important cytokines released during severe COVID was IL-18, suggesting a critical role of inflammasomes during a SARS-CoV-2 infection. During my PhD one of my works consisted to study the role of hNLRP1 during a COVID-19 infection. Using alveolar epithelial cell line A549 expressing the receptor of SARS-CoV-2, ACE2 and over-expressing or not human NLRP1, we found that infection with SARS-Cov-2 leads to a pyroptotic form of cell death only in cells expressing NLRP1. Mechanistically, we showed that the NSP5 3CL protease cleaves NLRP1 and induces a pyroptotic cell death by an alternative pyroptosis pathway that involves the activation of gasdermin E. Finally, we showed a higher amount of gasdermine E and IL-18 in patients with Severe COVID, suggesting that an over-activation of the NLRP1 pathway may be pathological during SARS-CoV-2 infection. In addition, we observed cystic fibrosis patients who are chronically infected with P. aeruginosa exhibit enrichment of IL-1beta in the lungs. These observations strongly suggest the involvement of inflammasomes. Thus, our work demonstrated that P.aeruginosa exotoxin A induces NLRP1 activation via the activation of a ribotoxic stress pathway involving ZAKalpha and p38 kinases. Finally, we observed that epithelial cells isolated from cystic fibrosis patients exhibit enhanced inflammatory responses leading to increased cell death and IL-18 release in response to P.aeruginosa. Together, our data demonstrated the important role of human NLRP1 in the immune response against microbial pathogens (viruses or bacteria) in the human epithelium and their possible involvement in different associated diseases. The first project has been already published (Planes et al., 2022) and the second project is under revisions in Journal Experimental of Medicine (Pinilla et al., 2023).