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Thèse Année : 2022

Exploring the metabolic mechanisms used by Enterobacteriaceae to thrive in the dysbiotic gut of patients suffering from intestinal or extra-intestinal inflammatory diseases

Identification de propriétés métaboliques utilisées par les Enterobacteriaceae pour proliférer dans le tractus digestif de patients souffrant de maladies inflammatoires intestinales ou extra-intestinales

Résumé

An imbalance of the gut microbiota called dysbiosis has been linked to several inflammatory diseases such as Crohn’s disease (CD) and Rheumatoid arthritis (RA). Dysbiosis is often characterized by an expansion of Enterobacteriaceae, a bacterial family that normally represents only a few percentage of the gut microbiota in healthy individuals (HI). To explain proliferation of this bacterial family during dysbiosis, one hypothesis is based on the metabolic adaptation of Enterobacteriaceae to the disturbed gut environment. The global aim of my PhD work was to screen for nutritional substrates that could give a metabolic advantage to Enterobacteriaceae for expansion in the dysbiotic gut of patients suffering from CD or RA. Using a phenotype microarray strategy, the utilization of 190 different substrates as a carbon source was compared between Enterobacteriaceae strains isolated from fecal samples of either HI or from patients suffering from CD or RA. Among the identified substrates, we observed an opposite ability of HI and CD strains to metabolize D-serine and sucrose, a characteristic arising from genetic rearrangements in the argW locus of Escherichia coli chromosome. The D-serine+ phenotype of CD strains was shown to be dependent of the presence of dsdCXA genes and to confer a nutritional advantage over HI strains in vitro. We also evaluated the ability of our strain collections to catabolize ethanolamine (EA), a small organic molecule naturally present in the human gut with an increased concentration in case of gut inflammation. Whereas no specific difference was observed between the 3 strain collections, the ability to consume this substrate was highly diverse between isolates. Strains unable to use EA present either mutations in the eut locus responsible for EA degradation or a defect in the gene transcription process. Isolates consuming EA can use the substrate as a nitrogen source only or as nitrogen and carbon sources. Using a mouse model of gut colonization and a new developed gene reporter tool, we also demonstrated that eut genes are expressed in the gut and that EA utilization is essential for an optimal fitness of commensal E. coli in vivo. With the example of EA, my work highlights the high diversity of phenotypes occurring between gut isolates of the species E. coli, illustrating how Enterobacteriaceae are a major source of variable genes in the gut microbiome. Importantly, our study provides new clues on potential substrates that could promote the expansion of Enterobacteriaceae in dysbiotic conditions and could open new doors on therapeutic approaches in order to restore gut homeostasis and health in patients.
Un déséquilibre du microbiote intestinal appelé dysbiose a été associé à plusieurs maladies inflammatoires telles que la maladie de Crohn (MC) et la polyarthrite rhumatoïde (PR). La dysbiose est souvent caractérisée par une expansion des Enterobacteriaceae, une famille bactérienne qui ne représente normalement qu'un petit pourcentage du microbiote intestinal chez les individus sains (SA). Pour expliquer la prolifération de cette famille bactérienne au cours de la dysbiose, une hypothèse repose sur l'adaptation métabolique des Enterobacteriaceae à l'environnement intestinal perturbé. L'objectif de mon travail de doctorat était de cribler des substrats nutritionnels qui pourraient donner un avantage métabolique aux entérobactéries dans l'intestin dysbiotique de patients souffrant de MC ou de PR. À l'aide d'une technique de criblage phénotypique à haut débit, l'utilisation de 190 substrats différents comme source de carbone a été testée. La capacité à utiliser ces différents substrats a été comparée entre les souches d'entérobactérie isolées à partir d'échantillons fécaux d'SA ou de patients souffrant de MC ou de PR. Parmi les substrats identifiés, nous avons observé une capacité opposée des souches SA et MC à métaboliser la D-sérine et le saccharose, une caractéristique résultant de réarrangements génétiques dans le locus argW du chromosome d'Escherichia coli. Il a été démontré que le phénotype D-sérine+ des souches MC dépendait de la présence de gènes dsdCXA et conférait un avantage nutritionnel par rapport aux souches SA in vitro. Nous avons également évalué la capacité de nos collections de souches à cataboliser l'éthanolamine (EA), une petite molécule organique naturellement présente dans l'intestin humain avec une concentration accrue en cas d'inflammation intestinale. Alors qu'aucune différence spécifique n'a été observée entre les 3 collections de souches, la capacité à consommer ce substrat s’est révélée être très diversifiée entre les isolats. Les souches incapables d'utiliser l'EA présentent soit des mutations dans le locus eut responsable de la dégradation de l'EA, soit un défaut dans le processus de transcription de l’opéron. Les isolats consommant de l'EA peuvent utiliser ce substrat comme source d'azote uniquement ou comme source d'azote et de carbone. À l'aide d'un modèle murin de colonisation intestinale et d'un nouvel outil rapporteur de gènes développé au cours de la thèse, nous avons également démontré que les gènes responsables de la consommation de EA sont exprimés lors de la colonisation du tractus digestif et que l'utilisation de ce substrat est essentielle pour un fitness optimal des E. coli commensaux in vivo. Avec cet exemple de l'EA, mon travail met en évidence la grande diversité de phénotypes présents entre les isolats commensaux intestinaux de l'espèce E. coli, illustrant comment les entérobactéries sont une source majeure de la variabilité génétique constatée dans le microbiome intestinal humain. Aussi, notre étude ouvre de nouvelles pistes quant à des substrats qui pourraient favoriser l'expansion des entérobactéries dans des conditions dysbiotiques et pourraient ouvrir de nouvelles perspectives sur des approches thérapeutiques afin de restaurer l'homéostasie intestinale et la santé des patients.
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Dates et versions

tel-04683828 , version 1 (02-09-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04683828 , version 1

Citer

Maria Ines Moreira de Gouveia. Exploring the metabolic mechanisms used by Enterobacteriaceae to thrive in the dysbiotic gut of patients suffering from intestinal or extra-intestinal inflammatory diseases. Human health and pathology. Université Clermont Auvergne, 2022. English. ⟨NNT : 2022UCFAC089⟩. ⟨tel-04683828⟩
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