The role of heme in primary colonization of the digestive tract by Bacteroides thetaiotaomicron
Rôle de l’hème dans la primo-colonisation de Bacteroides thetaiotaomicron dans le tractus digestif
Résumé
The intestinal microbiota comprises the numerous microorganisms colonizing the digestive tract. This flora, and the variations it undergoes are unique and specific to each individual. The microbial balance, which is a determinant of our state of health, develops gradually from birth. In addition to the known roles of the microbiote in digestion, it is now recognized as an important contributor to human metabolism. Among the 10¹³ bacteria inhabiting the human gut, the genus Bacteroides comprises the dominant genus, and is needed to digest complex dietary polysaccharide fibers. This feature, and the resistance to trace oxygen of these Gram-negative anaerobes make them particularly well adapted to the intestinal environment. Remarkably, although heme is a required metabolite for Bacteroides growth, these bacteria are incapable of heme synthesis. Heme, which comprises an iron atom trapped within a porphyrin ring, is a cofactor involved in numerous enzymatic reactions essential to central metabolism. Its bioactivity may also provoke intestinal inflammatory phenomena. We investigated the interactions between the bacterium Bacteroides thetaiotaomicron and environmental heme. We first developed a test to detect nanogram amounts of heme in complex media such as intestinal contents. We then showed that the commensal bacterium Escherichia coli donates heme to B. thetaiotaomicron in vitro. Nevertheless, we found that E. coli is not the major heme source for Bacteroides colonization, as tested in a germfree mouse model. This study led us to conclude that the host must be the major heme donor. We then set up a system to modulate heme availability in the digestive tract by capturing free heme on a hemophore HasA, from Serratia marcescens. We confirmed the HasA system was active in vitro. Preliminary experiments indicate that it 1- reduces levels of intestinal heme, and 2- delays B. thetaiotaomicron colonization. The present work provides tools for better understanding the factors needed for Bacteroides implantation in the gut and underlines the importance of heme in this crucial process of primocolonization. In the longer term, the bacterial heme-capture system may be considered as a means of decreasing free intestinal pools of heme and thereby its pro-inflammatory effect, in chronic inflammatory bowel diseases.
Le microbiote intestinal comprend l’ensemble des micro-organismes présents dans le tractus digestif. Cette flore et sa variabilité est unique et spécifique à chaque individu. L’équilibre microbien, état critique pour la santé, se développe progressivement à partir de la naissance. En complément de la fonction connue du microbiote dans la digestion, son rôle est maintenant avéré comme central dans le métabolisme humain. Dans cet écosystème complexe dans lequel cohabitent et interagissent 10¹³ bactéries, les Bacteroides, genre majoritaire au sein du microbiote, prennent en charge les fibres non digestibles de l’alimentation. Ces bactéries, anaérobies à Gram négatif, sont particulièrement bien adaptées à l’environnement intestinal tout particulièrement dans le domaine de la prise en charge des polysaccharides complexes et celui de la résistance à l’oxygène. Etonnamment, bien que l’hème soit un métabolite requis pour la croissance des Bacteroides, ces bactéries sont incapables de le synthétiser. L’hème, constitué d’un atome de fer fixé sur une porphyrie, est un cofacteur impliqué dans de nombreuses réactions enzymatiques essentielles au métabolisme central. Sa réactivité biochimique le rend responsable d’une induction de phénomènes inflammatoire de l’intestin. Nous avons étudié les interactions entre la bactérie Bacteroides thetaiotaomicron et l’hème environnemental. Nous avons d’abord développé un test permettant la détection de quantités d’hème de l’ordre du nanogramme dans des milieux complexes tels que le contenu intestinal. Nous avons ensuite montré que la bactérie commensale E. coli n’est pas la principale source d’hème lors de la colonisation du tractus digestif par Bacteroides dans un modèle de souris axénique et que l’hôte rempli ce rôle. Nous avons mis en place un système permettant de moduler la quantité d’hème présente dans le tractus digestif en piégeant la molécule sur l’hémophore HasA de Serratia marcescens. Nous avons confirmé que le système HasA était actif in vitro. Les résultats préliminaires montrent que d’une part il réduit la quantité d’hème intestinal disponible et d’autre part cela entraine un retard lors de la colonisation du tractus digestif par Bacteroides. Ce travail fournit des outils permettant de mieux comprendre les facteurs influant sur l’implantation des Bacteroides et souligne l’importance de l’hème dans le processus crucial de la primo-colonisation. Mais cela autorise également à plus long terme d’envisager l’utilisation de ce système pour diminuer la quantité d’hème disponible dans l’intestin et donc son effet pro-inflammatoire, dans les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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