Le Syndrome de l'Intestin Irritable (SII) est caractérisé par des douleurs abdominales chroniques, des diarrhées, des constipations ou l'alternance des deux. Les neurones sensitifs des patients seraient surexcitables et ainsi à l'origine de l'hypersensibilité viscérale ressentie. Parmi les médiateurs impliqués dans le SII, les protéases ont un rôle prépondérant notamment car il a été observé une augmentation de leur activité dans des surnageants de biopsies coliques de patients atteints du SII. Ces protéases sont capables d'activer les " Protease-Activated Receptors " (PARs) dans les neurones sensitifs de souris. L'activation des neurones sensitifs murins peut être déclenchée selon un mécanisme dépendant de PAR2 et générant une hypersensibilité viscérale, mais inhibée par un mécanisme dépendant de PAR4. Dans certaines cellules (plaquettes), les PARs ont des rôles très différents entre la souris et l'homme. L'expression et la signalisation des PARs dans les neurones sensitifs humains étant jusqu'alors inconnues, cette thèse a eu pour objectif général d'étudier la signalisation des PARs et d'identifier les effets de médiateurs présents dans les tissus de patients atteints du SII, sur leur capacité à activer des neurones sensitifs humains. Le but ultime était d'identifier de potentielles cibles thérapeutiques pour le traitement de la douleur viscérale associée au SII chez l'homme. Le premier objectif a été de mettre au point la culture de neurones humains des ganglions spinaux dorsaux (GSD) thoraciques, contenant des projections coliques de neurones sensitifs. Une culture de neurones sensitifs d'une pureté de 90% a été obtenue, ces neurones étaient viables et fonctionnels, mobilisant du calcium intracellulaire en réponse à différents agonistes pro-nociceptifs. L'expression des PARs a été étudiée dans ces cultures et comparée à celle dans des tissus de GSD frais. PAR1, PAR2 et PAR4 de même que d'autres récepteurs canaux de la famille des " Transcient Receptors Potential " (TRPs) étaient exprimés de façon comparable dans les GSD fraichement isolés et dans les cultures de neurones, validant ainsi le phénotype physiologique des neurones en culture. L'effet des agonistes des PARs a ensuite été étudié sur la signalisation calcique dans ces cultures de neurones sensitifs humains. De tous les agonistes peptidiques des PARs utilisés, seul le peptide activateur de PAR1 a conduit à une augmentation du flux calcique dans les neurones sensitifs humains, tandis que le peptide agoniste de PAR4 l'a réduite. Comme le peptide activateur de PAR1, la thrombine, une protéase capable d'activer à la fois PAR1 et PAR4 a induit une augmentation du flux calcique dans les neurones sensitifs humains. La mobilisation calcique induite par la thrombine a été inhibée par un antagoniste de PAR1 et potentialisée par un antagoniste de PAR4. La thrombine exerce donc un double effet contradictoire sur les neurones sensitifs humains, induisant un signal calcique par l'activation de PAR1 et l'inhibant par l'activation de PAR4. Les surnageants de biopsies coliques de patients atteints du SII mais pas ceux de contrôles sains, ont provoqué un flux calcique dans les neurones sensitifs humains par un mécanisme dépendant de l'activation de PAR1. Nos résultats mettent en évidence l'importance de réduire la sensibilisation des neurones sensitifs humains dépendante de l'activation de PAR1 dans le SII. Notre technique de culture de GSD humains offre de nouvelles applications en neurosciences et nos résultats permettent d'envisager de nouvelles perspectives thérapeutiques quant à l'utilisation d'un antagoniste de PAR1 pour le traitement de la douleur viscérale associée au SII. / Irritable Bowel Syndrome (IBS) is characterized by chronic abdominal pain, diarrhea and/or constipation. Sensory neurons from IBS patients are considered to be over-activated, being thereby responsible of the experienced visceral pain. Among mediators involved in IBS, proteases seem to have a prominent role. First, proteolytic activity is increased in the supernatants of colonic biopsies from IBS patients. Second, these proteases activate " Proteases-Activated Receptors " (PARs) in rodent sensory neurons. Rodent primary afferent activation can be induced by a PAR2-dependent mechanism, which generates visceral hypersensitivity. This mechanism can be inhibited by a PAR4-dependent mechanism. In some cell types such as platelets, PARs may have very different functions in rodent versus human. The expression and the signalization of PARs in human sensory neurons have never been explored. The general aim of this thesis was to study the signalization of PARs and to identify the effect of mediators present in tissues from IBS patients, on their ability to activate human sensory neurons. The final objective was to identify new possible therapeutic targets to treat visceral pain associated with IBS. The first objective was to establish a protocol for culturing human sensory neurons isolated from thoracic dorsal root ganglia (DRG). Thoracic DRG contain the stroma of sensory neurons projecting from the colon. The culture of human sensory neurons was 90% pure with viable and functional neurons, which were able to induce calcium flux in response to different pro-nociceptive agonists. PAR expression was studied in cultures and compared to fresh DRG tissues. PAR1, PAR2 and PAR4 as well as others receptors from the " Transcient Receptors Potential " (TRPs) channel family were similarly expressed in neurons from fresh DRG tissues and in cultured sensory neurons, thereby validating the physiological phenotype of human DRG neurons in culture. The effect of PAR agonists was studied by imaging calcium mobilization in human sensory neuron cultures. From all PAR agonist peptides used, only PAR1 agonist peptide was able to increase calcium signaling in human sensory neurons, while PAR4 agonist peptide was able to decrease this calcium signaling. Similar to PAR1 agonist peptide, thrombin a protease capable of activating both PAR1 and PAR4, induced an increase of calcium flux in human sensory neurons. Thrombin-induced calcium mobilization was inhibited by a PAR1 antagonist and was potentiated by a PAR4 antagonist. Thus, thrombin has a contradictory double effect on human sensory neurons, inducing calcium signaling through PAR1 activation and inhibiting calcium signaling through PAR4 activation. In addition, supernatants of colonic biopsies from IBS patients but not from healthy controls, provoked an increased calcium signaling in human sensory neurons. This effect was dependent on the activation of PAR1. In the context of IBS, our results highlight the importance of targeting PAR1-induced sensitization in human sensory neurons. The DRG culture technique we have established offers important and new applications in the domain of neurosciences. All together, these data point to new therapeutic possibilities for the use of PAR1 antagonist in the treatment of visceral pain associated with IBS.

Les microvillosités apicales des cellules intestinales, sont de fines expansions membranaires structurées par un réseau de filaments d'actine organisé par plusieurs protéines de liaison à l'actine. L'objectif de ce travail de thèse consiste à mieux comprendre comment ces protéines de liaison à l'actine régulent deux fonctions critiques de ces organelles : leur fonctionnalité et leur plasticité. Ttrois protéines de liaison à l'actine organisent le réseau de microfilaments soutenant les microvillosités : villine, espine et plastine 1. Nous avons montré que ces protéines ne sont pas essentielles à la formation des microvillosités. En revanche, elles assurent l'agencement d'une fine architecture d'actine qui est requise pour la rétention à la membrane des microvillosités des protéines nécessaires pour la physiologie intestinale. En plus de sa fonction structurale, la villine fragmente les filaments d'actine, suggérant un rôle central dans la dynamique du cytosquelette de la microvillosité. Celles-ci sont en effet sujettes à des réorganisations morphologiques majeures lors de stress intestinaux. Nous avons apporté les preuves définitives montrant que la villine joue un rôle critique au cours de la réparation tissulaire en participant au processus de migration cellulaire par l'initiation du désassemblage du pôle apical. Le pool d'actine microvillositaire est alors remobilisé pour assurer la formation de structures migratoires efficaces. Ces travaux de thèse documentent ainsi deux aspects importants de la biologie de la cellule épithéliale intestinale: l'établissement de la fonctionnalité du pôle apical et son remodelage dynamique permettant une réponse rapide à un stress.

La barrière intestinale est la plus grande surface de contact entre le milieu extérieur et le milieu intérieur. Outre ses fonctions d'absorption des nutriments, elle exerce un rôle important de défense contre les agents indésirables (toxines, bactéries) contenus dans la lumière intestinale. Une augmentation de la perméabilité intestinale a été observée chez les patients atteints du syndrome de l'intestin irritable (SII) ou des maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI). Cette hyperperméabilité intestinale est contemporaine d'une hypersensibilité viscérale à la distension de la paroi intestinale. Des travaux récents rapportent également une augmentation de l'activité protéolytique du contenu intestinal dans le cadre de ces deux pathologies. Les estrogènes, par leurs propriétés anti-inflammatoires et leur capacité à moduler la perméabilité intestinale par activation de leurs récepteurs (REs) peuvent contribuer à l'amélioration des symptômes associés à ces pathologies digestives. Une variété de traitements médicaux a été utilisée pour la prise en charge thérapeutique du SII et de MICI. Cependant, les patients questionnent les cliniciens sur des conseils diététiques susceptibles d'améliorer leur qualité de vie. Ainsi, l'objectif de ce travail était d'évaluer les effets et les mécanismes d'action impliqués, d'un traitement par du germe de soja fermenté (SG) sur l'hyperalgésie viscérale et l'hyperperméabilité intestinale dans des modèles animaux mimant le SII et les MICI afin de proposer des futures allégations santé à ce produit. Le rationnel de l'évaluation de cet ingrédient était basé sur sa composition intéressante, à savoir, sa teneur en composés à propriétés estrogéniques (isoflavones) et sa capacité à inhiber les protéases (BBI). Dans un premier temps, nous avons montré qu'un traitement oral de 15 jours par le SG diminue de façon significative l'hypersensibilité viscérale, l'hyperperméabilité intestinale ainsi que l'augmentation de l'activité protéolytique induites par un stress de contrainte chez le rat. La diminution de la perméabilité intestinale implique une surexpression de l'occludine, protéine des jonctions serrées. De même, le traitement par du SG réduit la densité des mastocytes au niveau du côlon. Tous les effets préventifs du SG sauf ceux sur l'activité protéolytique sont estrogéno-dépendants car bloqués par l'antagoniste des REs. Dans un second temps, nous avons montré qu'un traitement préventif par le SG pendant 15 jours présente des effets protecteurs vis-à-vis d'une inflammation intestinale induite par du TNBS. Le SG atténue la sévérité de l'inflammation, l'hyperperméabilité, l'hypersensibilité et l'augmentation de l'activité protéolytique induites par la colite. Les effets anti-inflammatoires du SG sont à la fois dépendants des phytoestrogènes et du contenu de l'ingrédient en BBI. En conclusion, ces données sont prometteuses pour une future utilisation du SG dans la gestion thérapeutique du SII et des MICI comme traitement adjuvant / The intestinal barrier is the largest area of contact between the external environment and internal environment. In addition to its function of nutrient absorption, the intestinal barrier plays a key role of defense against noxious agents (toxins, bacteria) contained in the intestinal lumen. An increase in intestinal permeability was observed in patients with irritable bowel syndrome (IBS) or inflammatory bowel disease (IBD). This intestinal hyperpermeability was often associated with visceral hypersensitivity to colorectal distension. Recent studies also report an increase in the proteolytic activity in patients with IBS or IBD. Estrogens, through their anti-inflammatory properties and their ability to modulate intestinal permeability by activating estrogen receptors (ERs), can play an important role in these digestive diseases. A variety of medical therapies have been used for treatment of IBS and IBD. However, patients question clinicians about dietary suggestions to improve their symptoms and quality of life. Thus, the aim of this study was to evaluate the effects and mechanisms of action involved of a treatment with fermented soy germ (SG) on visceral hyperalgesia, intestinal hyperpermeability in animal models mimicking the IBS and IBD. The evaluation of this ingredient was based on its interesting composition, i.e its content of isoflavones and a family of serine protease inhibitors known as BBI. Initially, we demonstrated that an oral treatment of 15 days by SG significantly reduces visceral hypersensitivity, intestinal hyperpermeability and increased proteolytic activity induced by acute stress in the rat. Decreased intestinal permeability is due to overexpression of occludin, a transmembrane tight junction protein. Similarly, treatment with SG reduces the density of colonic mast cells. All preventive effects of SG except those on the proteolytic activity are estrogen-dependent because blocked by the antagonist of ERs. In a second step, we demonstrated that a treatment for 15 days with SG induces protective effects against intestinal inflammation induced by TNBS. SG reduces the severity of colitis, decreases TNBS-induced hyperpermeability, hypersensitivity and increased proteolytic activity. The anti-inflammatory effects of SG are estrogen and/or BBI dependent. In conclusion, these data are promising for future use of the SG as adjuvant therapy in IBS and IBD management

Introduction : L’inflammation intestinale observée dans les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI) est essentiellement située au niveau du côlon et peut sur le long terme provoquer l’apparition du cancer colorectal (CCR). Cette inflammation est étroitement régulée par les cellules immunitaires de la muqueuse intestinale qui sont majoritairement représentées par les macrophages. Ces derniers jouent un rôle clé dans la pathogenèse des MICI et contribuent au maintien de l’inflammation intestinale. A l’heure actuelle, les traitements disponibles proposés pour traiter ces pathologies visent surtout à diminuer l’inflammation. Les travaux menés au cours de cette thèse, s’inscrivent dans ce contexte. En effet, des expériences précédentes réalisées par notre laboratoire avaient montré que des surnageants de biofilms du probiotique Lactobacillus induisaient une réponse anti-inflammatoire chez les macrophages humains. Il avait également été remarqué que l’immunodéplétion de GroEL (une protéine de choc thermique) du surnageant bactérien abrogeait de manière dose-dépendante ces propriétés anti-inflammatoires. Méthodes : Par conséquent, au cours de ce travail de thèse nous nous sommes intéressés aux effets bénéfiques que pourrait exercer GroEL sur l’inflammation intestinale via son action au niveau des macrophages. Pour ce faire, nous avons étudié les effets de GroEL provenant de la souche Lactobacillus reuteri sur des modèles in vitro (macrophages humains), ex vivo (explants tissulaires de côlon) et in vivo (modèles murins d’inflammation intestinale et de polypose). Résultats : Nous avons démontré que la protéine GroEL provenant de la souche L. reuteri prévient la polarisation des macrophages vers un phénotype M1 (pro-inflammatoire) tout en favorisant la polarisation des macrophages vers un phénotype M2 (anti-inflammatoire). De façon similaire, le traitement des macrophages par cette protéine a permis de diminuer l’inflammation et le stress oxydant induits par le LPS. Ces expériences ont été confirmées sur des explants tissulaires de côlon, où le traitement par GroEL a permis de réduire l’inflammation, l’apoptose et le stress oxydant provoqués par le LPS. Par ailleurs, l’effet anti-inflammatoire de GroEL de L. reuteri a pu être démontré sur un modèle murin d’inflammation intestinale induite par le DSS. Dans ce modèle, l’administration intra-rectale de GroEL de L. reuteri a permis de prévenir le raccourcissement du côlon, la dégradation de la muqueuse intestinale et la perte de poids provoqués par le DSS. Enfin, nous avons également remarqué que GroEL de L. reuteri pouvait agir comme un agent prophylactique étant donné que les souris APCMin/+ traitées avec cette protéine présentaient une diminution significative du nombre de polypes sporadiques situés au niveau du côlon. Conclusion : La protéine GroEL de L. reuteri, par ses propriétés anti-inflammatoires, pourrait être un complément thérapeutique intéressant aux traitements disponibles dans la prise en charge des MICI et la prévention du CCR.Mots clés : GroEL, inflammation du côlon, probiotiques, MICI et CCR. / Introduction : Intestinal inflammation observed in inflammatory bowel disease (IBD) is mainly located in the colon and could lead to the onset of colorectal cancer (CRC). This inflammation is tightly regulated by the immune cells of the intestinal mucosa which are predominantly represented by macrophages. These cells play a key role in the pathogenesis of IBD and contribute to the maintenance of intestinal inflammation. Currently, available treatments proposed to treat these pathologies are aimed primarily at reducing inflammation. The work carried out during this thesis is part of this context. Indeed, previous experiments performed by our laboratory showed that supernatants of probiotic Lactobacillus biofilms induced an anti-inflammatory response in human macrophages. It was also noted that this effect was abrogated upon immunodepletion of the stress protein GroEL (a heat shock protein). Methods : Therefore, during this thesis work we have been interested in the beneficial effects that GroEL could exert on intestinal inflammation via its action on human macrophages. In order to do this, we used GroEL from the Lactobacillus reuteri strain and its effect in vitro (in human macrophages isolated from buffy coats), ex vivo in colon human explants and in vivo in two different models was analyzed (murine models of intestinal inflammation and polyposis). Results : We found that Lactobacillus reuteri GroEL inhibited the polarization of macrophages towards a M1-like phenotype (pro-inflammatory) while facilitating the polarization of macrophages towards an M2-like phenotype (anti-inflammatory). As a consequence, macrophages treated with L. reuteri GroEL presented a decrease in inflammation and oxidative stress induced by LPS. This was confirmed in colon tissues from biopsies, where L. reuteri GroEL was able to decrease inflammation, apoptosis and oxidative stress induced by LPS. Besides, the beneficial anti-inflammatory effect of Lactobacillus GroEL was demonstrated in a mice model of DSS-induced intestinal inflammation. Rectal administration of L. reuteri GroEL prevented colon shortening and degradation of intestinal mucosa. Further, it abrogated the drastic weight loss induced by DSS. We also showed the potential role of GroEL as a prophylactic agent since APCMin/+ mice treated with L. reuteri GroEL exhibited a significant decrease in the number of sporadic colonic polyps. Conclusion : L. reuteri GroEL protein, by its anti-inflammatory properties, could be an interesting adjunct therapy to the available treatments in the care of IBD and the prevention of CRC.Keywords : GroEL, colonic inflammation, probiotics, IBD and CRC.

Les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI) se caractérisent par une inflammation sévère de l'intestin grêle et du côlon et comprennent la maladie de Crohn (MC) et la rectocolite hémorragique (RCH). Les MICI sont des maladies complexes faisant intervenir des facteurs génétiques : certains senseurs bactériens, l'autophagie et le stress du réticulum endoplasmique. Un défaut de barrière de l'épithélium digestif est également fortement impliqué dans la physiopathologie du processus inflammatoire. La fonction barrière de l'épithélium digestif est assurée par plusieurs types cellulaires, synthétisant entre autres, des peptides antimicrobiens (PAM) et des mucines. Dans les MICI, une augmentation de la perméabilité intestinale et une perte de muco-sécrétion ont été décrites. Les protéases jouent un rôle fondamental dans la digestion du bol alimentaire mais également dans le maintien de l'homéostasie intestinale en activant ou dégradant divers motifs moléculaires, ou in induisant des signaux spécifiques aux cellules par l'activation de quatre récepteurs : les PARs (Protease-Activated Receptor). Dans les MICI, un excès d'activité protéolytique de type trypsine est observé. L'origine de cette activité est théoriquement attribuée aux cellules immunitaires, à une surproduction pancréatique ou au microbiote, mais les cellules épithéliales intestinales semblent également être une source majeure de protéases. L'objectif de mon projet de thèse visait à étudier l'impact des principales voies impliquées dans les MICI sur l'homéostasie des protéases épithéliales et le rôle de celles-ci dans la déstabilisation de la fonction de barrière. Nos résultats ont confirmé un excès de protéases à sérine dans les cellules épithéliales de patients atteint de MC ou de RCH. In vitro, sur des monocouches de cellules Caco-2, l'induction de l'autophagie diminuait la libération apicale de protéase de type trypsine, alors que le senseur bactériens NOD2 n'avait aucun effet. A l'inverse, une stimulation du Stress du réticulum endoplasmique (SRE) par la Thapsigargin, induisait une libération accrue de protéases actives de type trypsine au pôle apical des cellules. [...] / Crohn's disease (CD) and Ulcerative colitis (UC) are two forms of Inflammatory Bowel Disease (IBD), a chronic inflammatory pathology affecting the digestive tract. Patients suffer from relapsing flares, diarrhea, abdominal pain and bleeding. Although the molecular mechanisms of IBD are poorly understood, recent data suggest that IBD occurs in genetically predisposed individuals developing an abnormal immune response to intestinal microbes after, being exposed to specific environmental triggers. Genetic studies have reported more than 170 polymorphisms susceptible to be involved in IBD pathogenesis. The strongest associations have highlighted three main pathways altered in IBD including bacterial sensing (NOD2, CD), autophagy (ATG16L1 and IRGM, CD) and endoplasmic reticulum stress (ER-Stress) (XBP1, UC). The role of intestinal barrier function is also strongly implicated in IBD pathogenesis, and is modulated by factors present in the lumen derived from microbiota, food or at a molecular level, by factors such as proteases. In IBD pathophysiology, the inflammatory process is characterized by impaired intestinal biology including disruption of tight junctions and leaky gut, decreased amount of Paneth and Goblet cells, and translocation of luminal antigens triggering inflammation. Previous studies have demonstrated an increased level of active serine proteases in the stools and tissues of IBD patients, supposing that proteases originate from infiltrated immune cells, pancreatic secretion or microbiota. However, our team has reported that intestinal epithelial cells are a major source of serine proteases, in particular trypsin-like enzymes, are released by a stressed epithelium in pathogenic context such as irritable bowel syndrome. In this project, we aimed at better understanding whether the three main pathways involved in IBD (Nod2, autophagy, ER-stress) could be linked to an epithelial release of trypsin and reciprocally, if epithelial trypsin is able to induce or modulate these three IBD pathways. We confirmed that trypsin-like activity was significantly higher in biopsies from UC and CD patients compared to healthy controls. In Caco-2 monolayers cultured in transwells, secreted trypsin-like proteolytic activity remained stable upon NOD2 stimulation but decreased under autophagy induction. Thapsigargin (Tg) stimulation a well-known ER-stress inducer, enhanced the apical release of trypsin-like activity in Caco2 cells. [...]

Les espèces réactives de l'oxygène (ROS) sont produites en continu dans tous les organismes aérobies et sont impliquées dans la signalisation cellulaire, les défenses contre les pathogènes, mais aussi le stress oxydant. Ce dernier correspond à un déséquilibre entre la production des ROS et leur prise en charge par les défenses anti-oxydantes de la cellule. Le stress oxydant est associé à de nombreuses pathologies, notamment les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI). Parmi les métallo-enzymes qui contrôlent la concentration en ROS, les superoxide dismutases (SOD) jouent un rôle essentiel. Ces enzymes sont responsables de la régulation du superoxyde le premier ROS produit lors de la réduction du dioxygène. Dans ces travaux, des complexes de Mn(II) mimant l'activité de la Mn-SOD (SODm) ont été conçus en utilisant une approche biomimétique. Leur intérêt pour limiter le stress oxydant et l'inflammation dans un modèle cellulaire des MICI a été examiné. En particulier, leur activité biologique a été étudiée au vu de leurs propriétés physico-chimiques et de leur biodisponibilité. Les résultats obtenus avec un complexe parent ont mené à la conception d'une deuxième génération de SODm couplés à une sonde multimodale, à des peptides pénétrants, ou à des peptides adressant aux mitochondries. L'étude du complexe parent fonctionnalisé par des peptides polyarginines a démontré l'influence de charges positives portées par le ligand sur la constante de vitesse. Dans la continuité de l'approche biomimétique développée ici, la conception de SODm de novo est présentée et constitue un premier pas vers l'imitation de l'influence de la seconde sphère de coordination. / Reactive oxygen species (ROS) are produced continuously in all aerobic organisms and are involved in cell signaling, defenses against pathogens, but also oxidative stress. This latter corresponds to an imbalance between ROS production and their consumption by the antioxidant defenses of the cell. Oxidative stress is associated with numerous pathologies, such as inflammatory bowel diseases (IBD). Among the metalloenzymes controlling the concentration of ROS, superoxide dismutases (SOD) play a crucial role. These enzymes are responsibles for the regulation of superoxide, the first ROS produced by the reduction of oxygen. In this work, Mn(II) complexes mimicking the activity of the Mn-SOD (SODm) were designed using a biomimetic approach. Their relevance to limit oxidative stress and inflammation in a cellular model of IBD was investigated. In particular, their biological activity was studied in light of their physico-chemical properties and of their bioavailability. The results obtained with a parent complex led to the design of a second generation of SOD mimics conjugated with a single core multimodal probe, cell-penetrating peptides, or mitochondria-penetrating peptides. An effect of electrostatic interactions on the catalytic rate constant of the parent complex functionalized with polyarginines peptides was demonstrated, similarly to what is observed for the enzyme. In the continuity of the biomimetic approach envisioned here, the design of de novo SOD mimics is presented and constitutes a first step toward the mimicry of second sphere influence.

A l`heure où le cancer a supplanté les maladies cardiovasculaires en tant que première cause de mortalité en France, le CCR représente la deuxième cause de mortalité par cancer. Longtemps dominé par la génétique, le paradigme du cancer colorectal a récemment évolué laissant une place prépondérante aux facteurs environnementaux. Il est néanmoins difficile d’étudier l’impact de l’environnement sur la carcinogénèse colorectale de façon exhaustive compte tenu de la multiplicité de ces facteurs environnementaux. Dans la présente étude, nous avons essayé d’appréhender la contribution de la composition du microbiote intestinal, de la composition métabolomique des eaux fécales et des altérations épigénétiques de l’hôte comme témoin de ces facteurs environnementaux au cours de la carcinogénèse colorectale et d’en évaluer le bénéfice en tant que marqueur diagnostique non invasif. Nous avons ainsi pu montrer au sein d’une population de patients à risque moyen de cancer colorectal qu’il existait une signature microbiologique, métabolomique et épigénétique spécifique du cancer colorectal. Nous avons également pu montrer que ces marqueurs présentaient des performances diagnostiques supérieures au test colorimétrique au guaiac utilisé dans le dépistage organisé du cancer colorectal. / Colorectal cancer (CRC) is a significant cause of morbidity and mortality in developed countries. The majority of CRC are called sporadic, meaning they are due to environmental factors rather than constitutional genetic alterations. Indeed, the role of environment, i.e. western lifestyle, is also underlined by dramatic geographic variations in CRC incidence in both sexes. However, it is difficult to take into account the totality of human environmental exposures for a better understanding of the colorectal cancer pathogenesis. In the present work, we tried to highlight the contribution of the environment in the development of colorectal cancer by studying the role of the intestinal microbiota together with the role of the fecal metabolites and the presence of epigenetic alterations of the host. We also investigated the performance accuracy of the latter changes for colorectal cancer diagnosis as compared to the guaiac fecal occult blood test which is widely used as a non-invasive test in several screening program. We demonstrated a specific signature associated with advanced colorectal neoplasia for the intestinal microbiota and the fecal metabolite profile for colorectal cancer as well as a link between colorectal cancer and Wif-1 gene methylation in urine and/or fecal samples. Those specific signatures disclosed higher diagnostic accuracy compared to guaiac fecal occult blood test as colorectal cancer screening test.

La maladie de Crohn (MC) et la rectocolite hémorragique (RCH) sont les deux principales formes cliniques des maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI) responsables d’une atteinte inflammatoire de la paroi du tube digestif avec des ulcérations extensives. Ce sont des maladies fréquentes en Europe et en Amérique du Nord avec plus de 2.5 millions de malades. Du fait de l’augmentation importante de leur prévalence, de leur morbidité, du retentissement sur la qualité de vie des malades et du coût de leur prise en charge médicale, les MICI sont devenues un problème majeur de santé publique. Au cours de ces maladies, l’inflammation intestinale peut être contrôlée par les traitements médicamenteux ou la chirurgie sans pour autant obtenir de guérison complète et définitive. Bien que leur origine reste mal connue, l’hypothèse actuelle présente les MICI comme des maladies multifactorielles, secondaires à une réponse immunitaire muqueuse anormale dirigée contre la flore intestinale, survenant chez des individus génétiquement prédisposés et entrainant une inflammation intestinale. Le but du travail était d’explorer les mécanismes à l’origine de cette inflammation intestinale associée au développement des MICI en étudiant plus particulièrement certains facteurs environnementaux, moléculaires et microbiens. Nous avons étudiés tout d’abord l’aluminium comme facteur environnemental en démontrant qu’il pouvait participer au développement et à l’aggravation de l’inflammation intestinale sur des modèles de colite chez la souris. Nous avons ensuite étudié un facteur moléculaire important pour l’apoptose des cellules, la caspase-8. Nous avons montré que cette caspase-8 maintenait l’homéostasie intestinale des cellules épithéliales intestinales et que sont absence entraînait une inflammation intestinale ressemblant à la maladie de Crohn. Finalement nous nous sommes intéressés à un facteur microbien, Saccharomyces cerevisiae CNCM I-3856 qui est une levure. Nous avons démontré que cette levure était capable d’induire un effet anti-inflammatoire et analgésique chez l’animal en activant PPARγ dans le colon. Chez l’homme nous avons montré dans une étude randomisée que Saccharomyces cerevisiae CNCM I-3856 réduisait les douleurs abdominales chez les patients atteints du syndrome de l’intestin irritable. En conclusion, l’exploration de ces trois facteurs environnementaux, moléculaires et microbiens permet de mieux comprendre le développement de l’inflammation intestinale. La perspective de ce travail est le développement dans un futur proche des nouvelles thérapeutiques ciblées permettant de lutter contre l’inflammation intestinale. / Crohn's disease (CD) and ulcerative colitis (UC) are the two main clinical forms of chronic inflammatory bowel disease (IBD) responsible for intestinal inflammation with extensive ulceration of the mucosa. These are common diseases in Europe and North America with over 2.5 million patients. Due to the significant increase in their prevalence, their morbidity, the impact on quality of life of patients and the cost of their medical care, IBD has become a major public health problem. In these diseases, intestinal inflammation may be controlled by drug treatment or surgery without obtaining a complete and final cure. Although their origin remains unclear, the current hypothesis presents IBD as multifactorial diseases secondary to an abnormal mucosal immune response directed against the intestinal flora, occurring in genetically predisposed individuals and causing intestinal inflammation. The aim of this work was to explore the mechanisms behind this intestinal inflammation associated with the development of IBD studying some particular environmental, molecular and microbial factors. We studied first the aluminum as an environmental factor and demonstrated that he could participate in the development and exacerbation of intestinal inflammation in models of colitis in mice. We then studied an important factor in molecular cell apoptosis, caspase-8. We have shown that caspase-8 was maintaining intestinal homeostasis in intestinal epithelial cells and that absence of caspase-8 leads to intestinal inflammation mimicking Crohn's disease. Finally we studied a microbial factor, Saccharomyces cerevisiae CNCM I-3856 which is yeast. We demonstrated that this yeast was capable of inducing an anti-inflammatory and analgesic effect in animals by activating PPARgamma in the colon. In humans we have shown in a randomized study that Saccharomyces cerevisiae CNCM I-3856 reduced abdominal pain in patients with irritable bowel syndrome. In conclusion, the exploration of these three environmental molecular and microbial factors helps to better understand the development of intestinal inflammation. The perspective of this work is the development in the near future of new targeted therapies directed against intestinal inflammation.

Les peptides antimicrobiens (PAMs) sont des effecteurs de l'immunité innée et exercent leur activité microbicide sur un spectre de microorganismes. Au niveau de l'intestin, leur sécrétion est directement impliquée dans les processus homéostatiques existant entre un hôte et son microbiote. Ces dernières années, plusieurs études ont démontré une corrélation entre le niveau d'expression des PAMs et la susceptibilité des individus à différentes pathologies. Les PAMs peuvent être exprimés constitutivement ou de manière inductible. Dans les deux cas, les mécanismes de régulation (épi)génétique pour contrôler leur expression sont méconnus.Le but de ces travaux de thèse a été d'étudier la composante (épi)génétique des régulations contrôlant l'expression des gènes codant les PAMs. Utilisant un modèle de cellules épithéliales intestinales humaines exposées à des molécules inhibitrices de l'activité d'enzymes modifiant la chromatine, et stimulées par la bactérie Escherichia coli, nous avons identifié l'importance du processus d'acétylation dans l'expression des ces gènes. Nous avons montré que l'inhibition des enzymes de la famille des histones déacétylases augmente significativement le niveau d'induction des gènes antimicrobiens comme la béta-défensine-2, sans impacter celui des gènes pro-inflammatoires comme l'interleukine 8. Enfin, nous avons étudié le mécanisme moléculaire sous-jacent à cette observation, notamment le rôle du facteur de transcription NF- B et celui de l'histone acétyltransférase p300. Ces travaux démontrent l'existence d'un mécanisme (épi)génétique permettant de réguler différentiellement le niveau d'induction des gènes antimicrobiens et pro-inflammatoires. / Antimicrobial peptides (AMPs) are conserved molecules of the innate immune system and actively kill a wide variety of microorganisms. In the intestine AMPs secreted by the epithelium protect against pathogens and support homeostasis with the microbiota. Their importance becomes clear, as their expression has been correlated with susceptibility to infection and a multitude of severe pathologies. Some AMPs are expressed constitutively, while others are inducible. The regulation of inducible AMPs expression is widely undiscovered. The role of chromatin remodeling and histone modifications, as an additional regulatory level to transcription factor activation, in the expression of inducible genes is becoming more and more clear. The aim of this work was to investigate the (epi)genetic mechanisms, which are involved in the regulation of AMPs gene expression in the intestine. By the use of specific inhibitors of chromatin modifying enzymes, in an in vitro model of intestinal epithelial cells challenged with Escherichia coli strains, we discovered the importance of acetylation in the regulation of these genes. Inhibition of histone deacetylase enzymes significantly enhanced the bacteria-induced expression of the beta-defensin-2 and other AMPs, while the expression of the interleukin 8 and other inflammatory genes was not influenced. Furthermore, we detailed the molecular mechanism, especially involvement of the transcription factor NF-κB and the histone acetyltransferase p300 in this observation. This discovery presents a mechanism of (epi)genetic enhancement of AMPs expression, dissociated from the pro-inflammatory response.

Le syndrome de l’intestin irritable (SII) est un trouble fonctionnel d’origine multifactorielle, impliquant des facteurs environnementaux tels que le stress, l’alimentation et met en jeu un dysfonctionnement de l’axe intestin-cerveau, une micro-inflammation, une dysbiose et une hyperperméabilité intestinale. Le rôle du protéasome dans la régulation de la barrière intestinale au cours du SII a été étudié. De plus, ces troubles fonctionnels intestinaux (TFI) ont également été décrits comme exacerbés chez des patients souffrant d’obésité, dont la physiopathologie est complexe. Néanmoins, les mécanismes impliqués dans cette association restent mal compris et ont donc été recherchés. Dans ce travail, des modèles murins « SII-like » comme le modèle de stress « water avoidance stress » ou WAS et le modèle post-inflammatoire « post-TNBS » ont été utilisés afin d’étudier l’impact d’une inhibition du protéasome sur la régulation de la perméabilité intestinale. L’inhibition pharmacologique du protéasome par le PR-957 ou l’utilisation de souris invalidées pour une sous unité β2i du protéasome limite l’hyperperméabilité intestinale. Une supplémentation orale en glutamine permet également de diminuer la perméabilité intestinale. Une étude protéomique au niveau colique des souris WAS et une étude de l’ubiquitome colique de patients souffrant de SII à profil diarrhéique confirment l’implication du protéasome dans la physiopathologie du SII. Nous avons ensuite cherché à comprendre le lien entre l’obésité et le SII en combinant des modèles d’obésité (génétique et induite par une alimentation riche en graisses ou HFD) et le modèle WAS. Seules les souris HFD présentent une exacerbation de l’hyperperméabilité intestinale et une corticostéronémie plasmatique élevée en réponse au modèle WAS. Des études complémentaires suggèrent que ces résultats sont indépendants de la leptine, de la glycémie et du microbiote intestinal. Nos travaux proposent donc de nouvelles pistes de prise en charge des patients souffrant de SII, par intervention nutritionnelle via la glutamine ou en utilisant le protéasome comme cible thérapeutique. Nous suggérons également un rôle de l’alimentation (riche en graisse) dans le développement des TFI au cours de l’obésité. / Irritable bowel syndrome (IBS) is a multifactorial functional disorder, involving environmental factors (stress and diet for instance), gut-brain-axis dysfunction, micro-inflammation, dysbiosis and an alteration of intestinal permeability. The role of the proteasome in the regulation of the intestinal barrier during IBS has been studied. In addition, these intestinal functional disorders have also been described in patients with obesity. Nevertheless, the mechanisms underlying an association of intestinal functional disorders in the obesity context, remain poorly understood and have therefore been investigated in this thesis. In this study, "IBS-like" mouse models such as water avoidance stress (WAS) and the post-inflammatory (post-TNBS) models, were used to study the impact of proteasome inhibition on the regulation of intestinal permeability. We found that the pharmacological inhibition of the proteasome (with PR-957) or the use of knock-out mice for a subunit of the proteasome (β2i -/-) limit intestinal hyperpermeability occured in IBS-Like models. Moreover, we found that oral supplementation with glutamine also reduces intestinal hyperpermeability, wich, thus, can be considered as a putative nutritional treatment for IBS. A colonic proteomic study of WAS mice and a study of colonic ubiquitoma in IBS patients with diarrheal profiles confirmed the involvement of proteasome in the pathophysiology of IBS. Therefore, the link between obesity and IBS was examined by combining models of obesity (ob/ob genetic and high-fat diet [HFD] models) with WAS model. Only HFD mice displayed enhanced intestinal hyperpermeability and higher plasma corticosterone levels in response to WAS. Further studies suggest that these results, themselve, are independent of leptin, glycaemia and gut microbiota. This study paves new ways of treating patients suffering from IBS, by nutritional intervention via glutamine or by using the proteasome as a therapeutic target. We also suggest a role of diet (high fat) in the development of intestinal functional disorders during obesity.