Pseudomonas aeruginosa (Pa) est un pathogène opportuniste responsable d’infections pulmonaires aigues graves chez les malades prédisposés. Devant l’émergence croissante de la résistance aux antibiotiques, le développement de thérapeutiques alternatives adjuvantes est indispensable et nécessite la compréhension des interactions hôte-pathogènes au cours de l’infection. La voie métabolique de dégradation du tryptophane appelée voie des kynurénines produit chez l’hôte des métabolites aux propriétés immunomodulatrices connues. Récemment, l’existence de cette voie a été mise en évidence chez Pa, bien que la nature et la quantité de métabolites produits ne soient pas parfaitement connus. La production bactérienne de kynurénines pourrait interférer avec la mise en place de la réponse immunitaire de l’hôte et sa régulation au cours des différentes phases de l’infection, altérant la balance immunitaire pulmonaire au profit du pathogène. A ce titre, la voie des kynurénines de Pa constituerait une cible thérapeutique potentielle. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier l’implication de la voie des kynurénines de Pa dans la virulence bactérienne et la réponse immune de l’hôte dans un modèle murin d’agression respiratoire aiguë. Pour cela, les souris sont infectées avec des souches sauvages de Pa, avec des souches mutantes ΔkynA, non productrices de kynurénines, et des souches ΔkynU, surproductrices de kynurénines. Les interactions potentielles avec la voie des kynurénines de l’hôte sont explorées en inhibant la première enzyme de la voie métabolique, l’indoleamine-2,3-dioxygenase (IDO). Enfin, le rôle du récepteur arylhydrocarbone (AhR), récepteur connu des kynurénines et impliqué dans l’immunité pulmonaire, est exploré en comparant la réponse à l’infection de souris AhR KO à celle des souris sauvages. Dans ce travail, nous décrivons tout d’abord la production des différents métabolites de la voie des kynurénines de Pa in vitro et in vivo dans le modèle d’infection respiratoire aigue, en décrivant pour la première fois la production d’acide kynurénique et de 3-hydroxy-kynurénine pour cette bactérie. Ensuite, nous montrons que les kynurénines bactériennes interfèrent avec la réponse immune de l’hôte, en majorant le recrutement cellulaire alvéolaire, tout en atténuant le niveau d’inflammation et l’activation des cellules présentatrices d’antigènes. Enfin, nous rapportons que l’IDO et l’AhR sont impliqués dans cette immunomodulation, faisant des kynurénines bactériennes des agents du dialogue hôte-pathogène au cours de l’infection respiratoire aigue. A la lumière de ces résultats, la voie des kynurénines pourrait constituer une cible thérapeutique d’intérêt dans les infections respiratoires à P. aeruginosa. / Pseudomonas aeruginosa (Pa) is a Gram-negative bacteria frequently involved in healthcare-associated pneumonia and considered as a « problem-pathogen ». To face the announced post-antibiotic era due to increasing resistance and lack of new antibiotics, new treatment strategies have to be developed. During pneumonia, lung injury results from both bacterial-mediated virulence and host response. Modulation of an overreacting host response could be an alternative therapeutic target in Pa-induced lung infection. Kynurenines are small molecules resulting from tryptophan degradation with reported immunomodulatory properties. Pa is known to produce kynurenine, but the functional enzymes, types and amounts of secreted metabolites are poorly known. Interestingly, many host cells also possess the kynurenine pathway, whose metabolites are known to control immune system homeostasis. The following experiments aim to determine whether bacterial metabolites can interfere with the host’s immune response, leading to a possible immunomodulatory interplay between bacteria and host kynurenine pathways, impacting on the pathophysiology of P. aeruginosa infection. To that goal, we use a murin model of acute lung injury. Mice were infected with WT strain of Pa, compared to mutant strains unable to produce kynurenine (ΔkynA), and mutant strains overproducing them (ΔkynU). Moreover, we studied the interactions between bacterial and host kynurenine pathways by inhibiting the first enzyme of the host pathway called indoleamine-2,3-dioxygenase (IDO). Finally, we assessed the role of the arylhydrocarbon receptor (AhR), a known receptor to kynurenine involved in lung immunity, using AhR KO mice. First, we assess types and levels of metabolites produced by Pa in an in vitro model, and the relevance of this production in vivo. We show for the first time that Pa is able to secrete kynurenine at clinically relevant levels, and other metabolites such as kynurenic acid and 3 OHkynurenine, what was unknown to date. Second, we show that bacterial metabolites were able to modulate the host innate immune response, by increasing alveolar recruitment of neutrophils, associated with decreased inflammatory cytokines levels and impairment of antigen-presenting cells activation. Finally, we report that IDO and AhR are involved in this kynurenine-mediated immunomodulation. These data suggest that pulmonary infection with a bacteria highly expressing the kynurenine pathway enzymes could lead to an imbalance in the immune response to infection, thus constituting a potential therapeutic target to improve Pa-induced pneumonia outcome.

Pseudomonas aeruginosa est responsable d'infections persistantes chez les patients atteints de mucoviscidose, suggérant une capacité à mettre en échec les défenses immunitaires innées. Par ailleurs, nous savons que les cellules de l'hôte produisent de la kynurénine, exerçant un contrôle sur l'homéostasie du système immunitaire. Or, la bactérie elle-même produit de la kynurénine. Des résultats préliminaires de notre équipe ont montré que lors d'une infection pulmonaire aiguë chez la souris par une souche de P. aeruginosa ne produisant pas de kynurénine, il y a une perte de virulence (diminution de la mortalité des souris et de la charge bactérienne pulmonaire). Le but de notre travail est donc d'examiner le rôle du métabolisme de la kynurénine durant l'interaction entre P. aeruginosa et les cellules de système immunitaire, en particulier les neutrophiles et les macrophages. Nous avons montré que la plupart des souches de P. aeruginosa isolées de patients atteints de mucoviscidose produisent un niveau élevé de kynurénine. De plus, une forte activation transcriptionnelle de kynA (le premier gène de la voie des kynurénines de P. aeruginosa) a été observée lors du contact avec les cellules de l'immunité, en particulier les neutrophiles et les macrophages. Durant la coculture des neutrophiles humains avec différentes souches mutantes de P. aeruginosa, produisant des niveaux variables de kynurénine, nous avons démontré que la kynurénine favorise la survie des bactéries. De plus la production de formes réactives de l'oxygène (FRO) par la NADPH oxydase des neutrophiles activés (évaluée par chimiluminescence en présence de luminol ou d'isoluminol ou par test de réduction du cytochrome c sensible à la superoxyde dismutase) est inhibée par des doses croissantes de kynurénine synthétique. Cette inhibition n'est due ni à un défaut de phagocytose ni à une inhibition directe de la NADPH oxydase. En utilisant des systèmes de production in vitro de FRO, nous avons montré que la kynurénine est un « scavenger » du peroxyde d'hydrogène et, dans une moindre mesure, des anions superoxydes. Ce « scavenging » a lieu principalement en intracellulaire lors de la stimulation par les bactéries, probablement dans le phagosome. Nous avons également confirmé que les neutrophiles n'expriment pas le récepteur de la kynurénine, le récepteur d'aryl-hydrocarbone (AhR). A l'inverse, les macrophages expriment ce récepteur et son expression est induite par la kynurénine 48h après activation par P. aeruginosa ou par du LPS (lipopolysaccharide). La kynurénine a également un impact sur la polarisation des macrophages, étudiée par cytométrie en flux, en stabilisant le phénotype immunosuppresseur M2c. Enfin, la première enzyme de la voie des kynurénines de P. aeruginosa a été produite, purifiée et caractérisée. Nous avons démontré que KynA est une enzyme allostérique, avec un K' pour le L-tryptophane de 10,8 mM, une Vm de 2862 nM/min, et un Kcat de 4,09 M de N-formylkynurénine/min/M d'enzyme, indiquant une possible régulation au niveau enzymatique de la voie des kynurénines. Par ailleurs, l'analogue du substrat (le L-1-methyl-tryptophane) inhibe légèrement l'enzyme pure, mais n'a pas d'effet sur une culture bactérienne. Pour conclure, nous avons montré au cours de ce projet que la voie des kynurénines de P. aeruginosa est un des mécanismes qui permet à cette bactérie d'échapper au système immunitaire inné. La voie des kynurénines de P. aeruginosa pourrait donc être une nouvelle cible thérapeutique. L'enzyme recombinante KynA purifiée est un nouvel outil qui pourrait permettre de cribler des inhibiteurs spécifiques. / Pseudomonas aeruginosa is responsible for persistent infections in cystic fibrosis patients, suggesting an ability to circumvent innate immune defenses. Many host cells produce kynurenine, which is known to control immune system homeostasis. Interestingly this bacterium uses the kynurenine pathway to catabolize tryptophan. In addition, preliminary results of our laboratory showed that during acute pulmonary infection in mice with a strain of P. aeruginosa which does not produce kynurenine, there is a loss of virulence (reduction of mice mortality and pulmonary bacterial burden). The aim of this study is to investigate the role of kynurenine metabolism in the interaction between P. aeruginosa and immune system cells, in particular neutrophils and macrophages. We showed that most strains of P. aeruginosa isolated from cystic fibrosis patients produce a high level of kynurenine. Moreover, a strong transcriptional activation of kynA (the first gene involved in the kynurenine pathway in P. aeruginosa) was observed upon contact with immune cells and particularly with neutrophils and macrophages. In addition, using coculture of human neutrophils with various mutant strains of P. aeruginosa producing variable levels of kynurenine, we demonstrated that kynurenine promotes bacterial survival. Increasing amounts of synthetic kynurenine inhibits reactive oxygen species (ROS) production by the NADPH oxidase of activated neutrophils, as evaluated by chemiluminescence with luminol or isoluminol or superoxide dismutase-sensitive cytochrome c reduction assay. This inhibition is due neither to a phagocytosis defect nor to direct NADPH oxidase inhibition. Using in vitro ROS-producing systems, we showed that kynurenine scavenges hydrogen peroxide and, to a lesser extent, superoxide anions. Kynurenine's scavenging effect occurs mainly intracellularly after bacterial stimulation, probably in the phagosome. We also confirmed that neutrophils do not express the kynurenine receptor, the arylhydrocarbon receptor (AhR). Conversely, macrophages express this receptor and the kynurenine induces its expression after 48h of activation by P. aeruginosa or LPS (lipopolysaccharide). After activation, kynurenine impacts also macrophage polarization, analysed by flow cytomerty, by stabilizing immunosuppressive phenotype M2c. Finally, the first enzyme of the kynurenine pathway of P. aeruginosa was produced, purified and characterized. We demonstrated that KynA is an allosteric enzyme, with a K' of 10,8 mM of L-tryptophan, a Vm of 2862 nM/min and a Kcat of de 4,09 M of N-formylkynurenine/min/M of enzyme, indicating a possible regulation at the enzymatic level of the kynurenine pathway. Furthermore, the substrate analogue (L-1-methyl-tryptophan) inhibits slightly the pure enzyme, but has no effect on bacterial culture. In conclusion, the kynurenine pathway allows P. aeruginosa to circumvent the innate immune response. The kynurenine pathway of P. aeruginosa could be a new therapeutic target. Purified recombinant enzyme KynA is a new tool that could help to screen specific inhibitors.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-10-20T12:15:15Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Thèse-Paula Honório de Melo Martimiano - para imprimir.pdf: 2048933 bytes, checksum: 7f54e2714049362a7394297a27060229 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-20T12:15:15Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Thèse-Paula Honório de Melo Martimiano - para imprimir.pdf: 2048933 bytes, checksum: 7f54e2714049362a7394297a27060229 (MD5) Previous issue date: 2016-03-26 / CAPES / COFECUB / La dénutrition périnatale prédispose le nouveau-né au développement des maladies métaboliques et des déficits cognitifs. Cependant, il existe très peu d'informations sur la relation cause-effet entre le manque d’un, ou de plusieurs nutriments, pendant les étapes critiques du développent et la susceptibilité pathologique à l’âge adulte. L’objectif de cette thèse a été d’étudier l’impact à court terme et à long terme de la dénutrition périnatale sur le métabolisme du tryptophane (Trp) cérébral. Le Trp est un acide aminé essentiel qui est métabolisé en sérotonine (5-HT) et, via la voie de la kynurénine (KYN), en de nombreux autres composés neuro-actifs dont l’acide kynurénique (KA) et l’acide xanthurénique (Xa). L'analyse quantitative par spectrométrie de masse des voies métaboliques du Trp, a montré que la restriction en apports protéiques chez la mère entraine une diminution importante de la concentration de Trp, de 5-HT et des métabolites du Trp issus de la KYN dans les cerveaux des embryons. En revanche, les rats adultes nés et allaités par des mères dénutries, présentent une augmentation de la concentration cérébrale de Trp, de 5-HT, de KYN et de Xa. Il n’y avait pas de modification des métabolites du Trp chez les animaux de deuxième génération. Ces résultats montrent que la dénutrition périnatale provoque des altérations à court terme et à long terme dans le métabolisme cérébral du Trp, mais qu’elles ne sont pas transmises à la deuxième génération. / A desnutrição perinatal predispõe o recém-nascido ao desenvolvimento de doenças metabólicas e défices cognitivos que podem ser transmitidas para a segunda geração. No entanto, há muito pouca informação sobre a relação causa-efeito entre a falta de um ou mais nutrientes durante estágios críticos de desenvolvimento e susceptibilidade à doença em curto e longo prazo. O objetivo dessa tese foi estudar o impacto a curto e longo prazo da desnutrição perinatal sobre o metabolismo do triptofano (Trp) cerebral. O Trp é um aminoácido essencial que é metabolizado em serotonina (5-HT) e através da via da quinurenina (KYN) em muitos outros compostos neuroativos como o ácido quinurênico (KA) e o ácido xanturênico (Xa). A análise quantitativa por espectrometria de massa das vias metabólicas de Trp mostrou que a restrição da ingestão de proteína na mãe resulta numa diminuição significativa na concentração de Trp, 5-HT e metabólitos da KYN em cérebros de embriões. Em contraste, ratos adultos nascidos e alimentados por mães desnutridas, exibem um aumento na concentração cerebral de Trp, 5-HT, KYN e Xa. Não houve modificação nos metabólitos do Trp nos animais de segunda geração. Estes resultados mostram que a desnutrição perinatal provoca alterações em curto e longo prazo no metabolismo cerebral do Trp, porém que não são transmitidas para a segunda geração.

Le sarcome de Ewing est la seconde tumeur pédiatrique de l’os la plus fréquente. Elle est caractérisée par une translocation chromosomique résultant à la fusion de EWSR1 avec un membre de la famille ETS. Chez 85% des patients, cette fusion conduit à l’expression de la protéine chimérique EWS-FLI1 qui est l’oncogène majeur de ce sarcome. Ce dernier agit principalement par son action transcriptionelle sur des cibles qui lui sont propres. Au niveau thérapeutique, le sarcome d’Ewing est traité par chimiothérapie, chirurgie locale et par radiothérapie. La survie à long terme des patients est de l’ordre de 70%, mais beaucoup plus basse pour les patients métastatiques et quasi nulle lors d’une récidive. Parmi maintes caractéristiques, certains cancers présentent une dérégulation énergétique. L’influence d’EWS-FLI1 sur cet aspect n’a fait l’objet d’aucune étude dans le contexte du sarcome d’Ewing. Nous avons donc étudié par profilage métabolomique des cellules de sarcome d’Ewing en présence ou en absence d’EWS-FLI1. En comparant ces deux conditions, des modulations du profil énergétique relatif au cycle de Krebs, des précurseurs de le glycosylation ainsi que des métabolites de la voie de la méthionine et du tryptophane ont été observés. En parallèle, grâce à un crible de banque de shRNAs réalisé dans des conditions expérimentales similaires à l’étude métabolomique (lignée d’Ewing avec ou sans EWS-FLI1), nous avons pu identifier des gènes présentant des caractéristiques « synthétique létales », c'est-à-dire tuant uniquement les cellules du sarcome d’Ewing en présence de son oncogène. / Ewing sarcoma, the second most commonly occurring pediatric bone tumor, is most often characterized by a chromosomal translocation between EWSR1 and FLI1. The gene fusion EWS-FLI1 accounts for 85% of all Ewing sarcoma and is considered the major oncogene and master regulator of Ewing sarcoma. EWS-FLI1 is a transcriptional modulator of targets, both directly and indirectly. Ewing sarcoma is aggressively treated with chemotherapy, localized surgery and radiation and has an overall survival of about 70%, however, survival for metastasis or relapsed cases remains low. One of the cancer hallmarks, metabolic deregulation, is most likely partly dependent on EWS-FLI1 in Ewing sarcoma cells. In order to get a better understanding of Ewing sarcoma biology and oncogenesis, it might be of high interest to investigate the influence of EWS-FLI1 in Ewing sarcoma cells. We therefore performed a global metabolic profiling of Ewing sarcoma cells with or without inhibition of EWS-FLI1. Several changes in the energy metabolism were observed throughout this study; the observed changes were consistent with an energy profile that moved from a cancer cell energy metabolism towards the energy metabolism of a more normal cell upon EWS-FLI1 inhibition, primarily based on the TCA cycle. Levels of TCA intermediates, glycosylation precursors, methionine pathway metabolites and amino acids, especially changes in the tryptophan metabolic pathway, were altered upon EWS-FLI1 inhibition. Parallel to this study, we performed a high-throughput synthetic lethality screen, in order to not only identify essential genes for cell survival and proliferation, but also to identify new synthetic lethal targets that could specifically target Ewing sarcoma cells carrying the EWS-FLI1 fusion gene.