Soutenance de thèse de Ambra MASUZZO

Dans la nature, les métazoaires cohabitent avec les micro-organismes avec lesquels ils ont développé des relations étroites. L’exposition à des microbes nocifs peut déclencher une infection et mettre en danger la vie de l'hôte. Pour éradiquer les pathogènes, les animaux ont développé différents mécanismes parmi lesquels l'activation d'une réponse immunitaire contre l'agent envahisseur. En plus de la réponse immunitaire canonique, les animaux adaptent leur comportement à la présence de micro-organismes nocifs pour réduire leur exposition à l'agent pathogène et, donc, leur risque d'infection. Cependant, on ne sait que peu de choses à ce jour sur les mécanismes qui sous-tendent les modifications comportementales induites par les microbes. L'un des objectifs de notre laboratoire est d'identifier les acteurs cellulaires et moléculaires impliqués dans l'immunité comportementale. Il est bien documenté que le peptidoglycane dérivé des bactéries est le principal déclencheur de la réponse immunitaire humorale chez la Drosophile et que sa reconnaissance par des récepteurs spécifiques déclenche la production de peptides antimicrobiens dépendante de la voie NF-κB. L'exposition des mouches au peptidoglycane bactérien réduit également la ponte des femelles. Des travaux de l’équipe ont montré que le peptidoglycane active la signalisation NF-κB dans les neurones octopaminergiques, ce qui entraîne un blocage de la ponte chez la femelle. De plus, nous avons montré que cette réponse comportementale est régulée par une enzyme de dégradation du peptidoglycane appelée PGRP-LB (Kurz,C.L., Charroux,B. et al.,2017). Au cours de la première partie de mon doctorat, j'ai identifié les neurones du système nerveux central de la mouche qui expriment la PGRP-LB. En outre, j'ai découvert qu'un sous-ensemble de ces neurones du cerveau est octopaminergique. En utilisant des stratégies génétiques, j'ai démontré que ce sous-ensemble de neurones régule la ponte des œufs lors de l'exposition au peptidoglycane. L'imagerie calcique m’a enfin permis de montrer que ces neurones octopaminergiques PGRP-LB+ détectent directement le peptidoglycane bactérien et que cette détection entraîne l'inhibition de leur activité (Masuzzo,A. et al.,2019).Dans la deuxième partie de mon doctorat, je me concentre sur la caractérisation des neurones non-octopaminergiques exprimant PGRP-LB. En particulier, je me suis focalisé sur une sous-population de neurones situés dans le proboscis des mouches. J'ai montré que ces neurones correspondent à un sous-ensemble de neurones du goût pour la détection des composés amers. L’imagerie calcique montre que ces neurones réagissent au peptidoglycane bactérien et que cette réaction dépend de certains éléments de la cascade NF-kB. En outre, les neurones du goût pour la détection des composés sucrés réagissent également au peptidoglycane. Toutefois, dans ce cas, la réponse est totalement indépendante de la voie NF-kB. De plus, nous avons montré, à l'aide de tests comportementaux, que les mouches sont attirées par le peptidoglycane et que ce comportement résulte de l'intégration des signaux provenant des neurones du goût amer et du goût sucré (Masuzzo A., Maniere,G., Steiner,C., et al. Manuscrit soumis). En conclusion, les résultats que j'ai obtenus au cours de mon doctorat montrent qu’un composé bactérien unique, le peptidoglycane, induit à la fois la voie de signalisation NF-kB dans les cellules immunitaires « classiques » et dans les neurones, et déclenche ainsi une immunité canonique comportementale. Cependant, certains neurones, tels que les neurones du goût sucré, réagissent au peptidoglycane de manière indépendante de NF-kB, ce qui suggère que d'autres mécanismes sont nécessaires à la détection du peptidoglycane dans ces neurones. Ces résultats soulèvent des questions importantes comme par exemple quelles sont les cibles moléculaires de l'activation du NF-kB dans les neurones et comment ces cibles sont capables de modifier l'activité des neurones.

In nature, metazoans co-habit with micro-organisms and have evolved tight relationships with them. The exposure to harmful microbes can lead to infection and put the host life at risk. Animals have evolved different mechanisms to eradicate pathogens. For instance, infection with pathogenic microbes triggers in the host the activation of a robust immune response against the invading agent. In addition to canonical immune response, animals adapt their behavior to the presence of harmful micro-organisms to reduce their exposure to the pathogen and, thus, their risk of infection. However, up to date little is known about the mechanisms that underline microbe-induced behavioral modifications. One of the goals of our laboratory is to identify the cellular and molecular actors involved in behavioral immunity. It is well known that bacteria-derived peptidoglycan is the main elicitor of the humoral immune response in Drosophila melanogaster and its recognition by specific receptors triggers the NF-κB-dependent production of anti-microbial peptides. In the lab was previously demonstrated that fly exposure to bacterial peptidoglycan not only triggers the antimicrobial response but also reduces female egg-laying. Indeed, peptidoglycan activates NF-kB signaling in octopaminergic neurons leading to female oviposition blockage. Moreover, we showed that this behavioral response is buffered by a dedicated peptidoglycan degrading enzyme known as PGRP-LB (Kurz, C.L., Charroux, B. et al.,2017). During the first part of my Ph.D., I identified some neurons of the fly central nervous system which express PGRP-LB. In addition, I found that a subset of PGRP-LB neurons in the brain is also octopaminergic. By using intersectional strategies, I demonstrated that this specific subset of neurons regulates egg-laying upon peptidoglycan exposure. Furthermore, by using Ca2+ imaging, I showed that these octopaminergic/PGRP-LB expressing neurons directly sense the bacterial peptidoglycan and that this sensing leads to their neuronal activity inhibition (Masuzzo, A. et al.,2019).In the second part of my Ph.D., I focus on the characterization of non-octopaminergic PGRP-LB expressing neurons. In particular, I focused on a subpopulation of these neurons which is located in the proboscis of flies. I showed that these neurons correspond to a subset of taste neurons for the sensing of bitter compounds. In vivo Ca2+ experiments show that these neurons respond to bacterial peptidoglycan and that this response is dependent on some elements of the NF-κB cascade. In addition, also taste neurons for the detection of sweet compounds respond to peptidoglycan. However, in this case, the response is completely independent of the NF-κB pathway. Moreover, we showed by using the behavioral assays that flies are attracted to peptidoglycan and that this behavior results from the integration of the signals coming from both bitter and sweet taste neurons (Masuzzo, A., Maniere, G. , Steiner, C., et al. 2020. Submitted manuscript). The results I obtained during my Ph.D. show that the same bacterial elicitor (peptidoglycan) dually induces the NF-kB signaling pathway in immune-competent cells and neurons, and thus triggers both canonical and behavioral immunity. However, some neurons, i.e. taste sweet neurons, respond to peptidoglycan in an NF-kB independent way, suggesting that other mechanisms are required for the peptidoglycan detection in these neurons. These results raise important questions such as which are the molecular targets of NF-kB activation in neurons and how these targets are able to modify neural activity.