The innate immune system is the first line of defense against invading pathogens. Innate immune cells are classified into subpopulations that show high plasticity to modulate their functions in response to external stimuli. Recently, the reprogramming of innate immune cells has been described to afford protection against infections, a process named “training”. Histone deacetylases (HDACs) form a family of enzymes comprising classical HDACs (HDAC1-11) and sirtuins (SIRT1-7). HDACs regulate metabolic and immunologic pathways. Inhibition of HDACs has a context-dependent effect with reports showing either pro-inflammatory or anti-inflammatory effects. While HDACs share common location and targets, their crosstalk is poorly understood. In this project, we combined different approaches using propionate as an inhibitor of HDACs (HDACi), sirtuin knockout mice and a model of trained immunity to study the modulation of innate immune responses and host defenses.
Propionate is a short-chain fatty acid with anti-inflammatory properties produced by the gut microbiota during fiber fermentation. Since inflammatory responses are required to fight pathogens, we tested whether food supplementation with propionate increases susceptibility to infection. Propionate reduced the production of inflammatory cytokines by innate and adaptive immune cells. However, propionate had no effect on the survival of mice in a panel of preclinical models of infections and toxic shock. These observations support the safety of using propionate-based therapies in the treatment of inflammatory diseases without increasing the risk of infections.
In the second part, we characterized the innate immune status of mouse lines deficient in SIRT2, SIRT3, SIRT5, SIRT2/3 and SIRT3/5. We show that SIRT2 deficiency increased phagocytosis by macrophages and protected from staphylococcal infection, while SIRT3 and SIRT5 deficiencies had no effect on host susceptibility to infections. SIRT2/3 and SIRT3/5 deficiencies increased cytokine production. SIRT2/3 deficiency reduced glycolysis and protected mice from endotoxemia. SIRT3/5 deficiency increased the production of reactive oxygen species (ROS) and modulated immune cell frequencies in mice with little effect on host responses to infections. Altogether, our results suggest a crosstalk between sirtuins affecting innate immune responses.
In the last part, we analyzed the breadth of protection and the cellular mechanisms underlying the protection conferred by trained immunity. We show that training with a fungal cell wall preparation rich in ß-glucan protected from systemic, peritoneal, gastrointestinal and pulmonary infections. Training increased the number of bone marrow and splenic hematopoietic progenitors as well as blood monocytes and neutrophils. In vitro, training increased macrophage effector functions. Thus, training afforded a broad protection by increasing the number and the reactivity of innate immune cells.
Overall, our study uncovers crosstalk between sirtuins affecting innate immune responses that should be considered during the development of therapeutic drugs. Moreover, they support the development of drugs to target cells and cellular pathways involved in trained immunity to fight against infectious and inflammatory diseases.
--
Le système immunitaire inné représente la première ligne de défense contre l’invasion de pathogènes. Les cellules immunitaires innées expriment des récepteurs leur permettant de reconnaître un grand nombre de structures microbiennes et sont capables de moduler leur fonctionnalité en réponse à des stimuli externes. Des études récentes montrent que la reprogrammation des cellules immunitaires innées, un processus appelé « training », protège des infections. Les déacétylases d’histones (HDACs) forment une famille d’enzymes composée de 18 membres: HDAC1-11 et SIRT1-7. Les HDACs régulent des voies métaboliques et immunologiques. L’inhibition des HDACs induit une réponse pro- inflammatoire ou anti-inflammatoire selon le type de cellule, d’organe et de maladie étudié. Alors que la localisation et les cibles des HDACs se chevauchent, l’interaction entre HDACs est méconnue. Dans ce projet, nous avons étudié l’impact du propionate comme inhibiteur d’HDAC1-11, de déficiences en sirtuines (SIRT) et du training sur la réponse immunitaire innée et les défenses de l’hôte.
Le propionate, un acide gras à chaîne courte avec des propriétés anti-inflammatoires, est produit par les bactéries intestinales durant la fermentation de fibres. La réponse inflammatoire étant nécessaire à l’élimination de pathogènes, le propionate pourrait augmenter la susceptibilité aux infections. Dans nos expériences, le propionate inhibait la production de cytokines inflammatoires par les cellules immunitaires innées et adaptatives. Cependant, le propionate n’influençait pas la survie des souris dans des modèles d’infection et de choc toxique. Ces observations suggèrent que des thérapies utilisant du propionate dans le traitement de maladies inflammatoires n’augmentent pas le risque infectieux.
Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons caractérisé des lignées de souris déficientes en SIRT2, SIRT3, SIRT5, SIRT2/3 et SIRT3/5 en terme de réponse immunitaire innée. Nous avons montré que la déficience en SIRT2 augmentait la phagocytose et protégeait les souris dans un modèle d’infection chronique à Staphylococcus aureus, alors que les déficiences en SIRT3 et SIRT5 n’avaient aucun effet sur la réponse anti-infectieuse. Les déficiences en SIRT2/3 et SIRT3/5 augmentaient la production de cytokines. La déficience en SIRT2/3 réduisait la glycolyse et protégeait de l’endotoxémie. La déficience en SIRT3/5 augmentait la production d’espèces réactives d’oxygène par les mitochondries et modulait les proportions de cellules immunitaires sans influencer la survie dans des modèles d’infection. En résumé, nos résultats montrent une interaction entre sirtuines affectant la réponse immunitaire innée.
Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons analysé l’ampleur et les mécanismes cellulaires de la protection médiée par le training. Nous avons montré que le training induit par un composé fongique riche en ß-glucan protégeait d’infections systémiques, péritonéale, gastro-intestinale et pulmonaires. Le training augmentait le nombre de progéniteurs hématopoïétiques dans la moelle osseuse et la rate ainsi que de monocytes et neutrophiles dans le sang. In vitro, le training augmentait les fonctions effectrices des macrophages. Par conséquent, la protection induite par le training résulte de l’augmentation du nombre et de la réactivité des cellules immunitaires innées.
Dans l’ensemble, nos études révèlent des interactions entre sirtuines influençant la réponse immunitaire innée qu’il est important de considérer lors du développement de médicaments. De plus, nos résultats montrent que les cellules et les voies de signalisation impliquées dans le training sont des cibles intéressantes pour le traitement de maladies infectieuses et inflammatoires.