Les odeurs peuvent préparer notre intestin à combattre l’infection

De nombreux organismes réagissent à l’odeur des agents pathogènes mortels en les évitant par réflexe. Mais une étude récente de l’Université de Californie à Berkeley montre que le nématode C. elegans réagit également à l’odeur des bactéries pathogènes en préparant ses cellules intestinales à résister à une éventuelle attaque.

Comme chez l’homme, les intestins des nématodes sont souvent la cible de bactéries pathogènes. Le nématode réagit en détruisant les organites contenant du fer, appelés mitochondries, qui produisent l’énergie d’une cellule, pour protéger cet élément essentiel des bactéries voleuses de fer. Le fer est un catalyseur essentiel dans de nombreuses réactions enzymatiques dans les cellules, en particulier dans la production de la monnaie énergétique du corps, l’ATP (adénosine triphosphate).

La présence chez C. elegans de cette réponse protectrice aux odeurs produites par les microbes suggère que les cellules intestinales d’autres organismes, y compris les mammifères, peuvent également conserver la capacité de répondre de manière protectrice à l’odeur des agents pathogènes, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Andrew Dillin, professeur de biologie moléculaire et cellulaire à l’UC Berkeley et chercheur au Howard Hughes Medical Institute (HHMI).

« Existe-t-il réellement une odeur qui se dégage des agents pathogènes et qui nous aide à combattre une infection ? », a-t-il déclaré. « Nous avons essayé de le démontrer sur des souris. Si nous parvenons à comprendre que les humains sentent un agent pathogène et se protègent ensuite, nous pourrons envisager un jour une sorte de parfum protecteur contre les agents pathogènes. »

Jusqu’à présent, cette réaction n’a été constatée que chez C. elegans. Cette découverte est néanmoins surprenante, car ce nématode est l’un des organismes les plus étudiés en laboratoire. Les biologistes ont compté et suivi chaque cellule de l’organisme depuis l’embryon jusqu’à la mort.

« La nouveauté réside dans le fait que C. elegans se prépare à affronter un pathogène avant même de le rencontrer », a déclaré Julian Dishart, qui a récemment obtenu son doctorat à l’Université de Californie à Berkeley et est le premier auteur de l’étude. « Il existe également des preuves montrant qu’il se passe probablement beaucoup plus de choses en plus de cette réponse mitochondriale, qu’il pourrait y avoir une réponse immunitaire plus généralisée simplement en sentant des odeurs bactériennes. Comme l’olfaction est conservée chez les animaux, en termes de régulation de la physiologie et du métabolisme, je pense qu’il est tout à fait possible que l’odorat fasse quelque chose de similaire chez les mammifères à ce qu’il fait chez C. elegans. »

Le travail a été publié le 21 juin dans la revue Progrès scientifiques.

Les mitochondries communiquent entre elles

Dillin est un pionnier dans l’étude de la façon dont le stress dans le système nerveux déclenche des réponses protectrices dans les cellules, en particulier l’activation d’une série de gènes qui stabilisent les protéines produites dans le réticulum endoplasmique. Cette activation, appelée réponse protéique dépliée (UPR), est « comme une trousse de premiers soins pour les mitochondries », a-t-il déclaré.

Les mitochondries ne sont pas seulement les centrales énergétiques de la cellule, brûlant des nutriments pour produire de l’énergie, mais jouent également un rôle clé dans la signalisation, la mort cellulaire et la croissance.

Dillin a montré que les erreurs dans le réseau UPR peuvent conduire à la maladie et au vieillissement, et que le stress mitochondrial dans une cellule est communiqué aux mitochondries des cellules de tout le corps.

Il manquait cependant une pièce essentielle du puzzle. Si le système nerveux peut communiquer le stress par l’intermédiaire d’un réseau de neurones aux cellules qui effectuent le travail quotidien de fabrication des protéines et de métabolisme, qu’est-ce qui, dans l’environnement, déclenche le système nerveux ?

« Notre système nerveux a évolué pour capter les signaux de l’environnement et créer une homéostasie pour l’organisme tout entier », a déclaré Dillin. « Julian a en fait découvert que les neurones olfactifs captent les signaux environnementaux et quels types d’odeurs provenant des agents pathogènes déclenchent cette réponse. »

Des travaux antérieurs menés dans le laboratoire de Dillin ont montré l’importance de l’odorat dans le métabolisme des mammifères. Il a constaté que les souris privées d’odorat prenaient moins de poids tout en mangeant la même quantité de nourriture que les souris normales. Dillin et Dishart soupçonnent que l’odeur de la nourriture peut déclencher une réponse protectrice, comme la réponse aux agents pathogènes, afin de préparer l’intestin aux effets néfastes de l’ingestion de substances étrangères et de la conversion de cette nourriture en carburant.

« Survivre aux infections est la chose la plus importante que nous ayons accomplie au cours de notre évolution », a déclaré Dillin. « Et la chose la plus risquée et la plus éprouvante que nous faisons chaque jour est de manger, car des agents pathogènes vont se retrouver dans notre nourriture. »

« Manger est également une expérience extrêmement stressante, car le corps métabolise la nourriture mais génère également de l’ATP dans les mitochondries à partir des nutriments qu’elles incorporent. Et cette génération d’ATP provoque un sous-produit appelé espèces réactives de l’oxygène, qui est très dommageable pour les cellules », a déclaré Dishart. « Les cellules doivent faire face à cette présence accrue d’espèces réactives de l’oxygène. Alors peut-être que sentir la nourriture peut nous préparer à faire face à cette charge accrue d’espèces réactives de l’oxygène. »

Dillin avance l’hypothèse que la sensibilité des mitochondries à l’odeur des bactéries pathogènes pourrait être un vestige d’une époque où les mitochondries étaient des bactéries libres, avant qu’elles ne soient incorporées dans d’autres cellules comme centrales énergétiques pour devenir des eucaryotes il y a environ 2 milliards d’années. Les eucaryotes ont fini par évoluer en organismes multicellulaires dotés d’organes différenciés, appelés métazoaires, comme les animaux et les humains.

« Il existe de nombreuses preuves montrant que les bactéries perçoivent leur environnement d’une certaine manière, même si la manière dont elles le font n’est pas toujours claire. Ces mitochondries ont conservé un aspect de cet environnement après avoir été intégrées aux métazoaires », a-t-il déclaré.

Dans ses expériences sur C. elegans, Dishart a découvert que l’odeur des agents pathogènes déclenche une réponse inhibitrice, qui envoie un signal au reste du corps. Cela est devenu évident lorsqu’il a supprimé les neurones olfactifs du ver et a découvert que toutes les cellules périphériques, mais principalement les cellules intestinales, présentaient la réponse au stress typique des mitochondries menacées. Cette étude et d’autres ont également montré que la sérotonine est un neurotransmetteur clé qui communique cette information dans tout le corps.

Dillin et ses collègues de laboratoire étudient les circuits neuronaux qui relient les neurones olfactifs aux cellules périphériques et les neurotransmetteurs impliqués tout au long du trajet. Il cherche à obtenir une réponse similaire chez les souris.

« Je déteste toujours tomber malade. Je me dis : “Mon corps, pourquoi ne t’es-tu pas mieux préparé à ça ?” Il me semble vraiment stupide de ne déclencher des mécanismes de réponse qu’une fois infecté », a déclaré Dillin. « S’il existe des mécanismes de détection plus précoces pour augmenter nos chances de survie, je pense que c’est une énorme victoire évolutive. Et si nous pouvions exploiter cela de manière biomédicale, ce serait assez incroyable. »

Les autres auteurs de l’article de l’UC Berkeley sont Corinne Pender, Koning Shen, Hanlin Zhang, Megan Ly et Madison Webb.