Soutenance de thèse de Martina MONTANARI

D. melanogaster se nourrit et pond sur des fruits en décomposition habités par des micro-organismes. En cas d'infection, le système immunitaire de la mouche est induit. Cependant, il est reconnu que d'autres mécanismes de défense non immunologiques peuvent protéger l'hôte. Une approche fascinante est l'adoption de changements comportementaux destinés à éviter l'infection ou à empêcher sa propagation. Notre laboratoire travaille à l'identification des acteurs cellulaires et moléculaires impliqués dans les changements comportementaux induits par les microbes. Le peptidoglycane d'origine bactérienne (PGN) est un éliciteur connu de la réponse immunitaire chez D. melanogaster. Nos recherches ont montré que l'exposition des mouches au PGN active la réponse immunitaire, mais inhibe également la ponte chez les femelles. Cet effet est médié par l'activation de la voie NF-kB dépendant du PGN dans quelques neurones du cerveau (Masuzzo et al., 2019). D’autres laboratoires ont montré que les composants bactériens, notamment le lipo-poly-saccharide (LPS) et le PGN, sont détectés par le système sensoriel de la drosophile et déclenchent des changements comportementaux de défense (Soldano et al., 2016; Yanagawa et al., 2019). En outre, notre récent article a montré que l'enzyme de clivage des PGN est exprimée dans les neurones gustatifs labellaires (Masuzzo et al., 2022), ce qui suggère un lien entre gout et détection des PGN dans l’environnement. Mon doctorat visait à comprendre comment la drosophile peut modifier ses comportements suite à la détection des bactéries. Dans la première partie de mon doctorat, j'ai travaillé sur la réponse comportementale des larves de drosophile face aux bactéries. Lorsque les larves sont nourries avec des aliments contaminés par E. carotovora carotovora ou B. thuringiensis, les bactéries sont bloquées dans la partie antérieure de l'intestin. L'imagerie en direct a montré que les pathogènes bloqués sont ensuite éliminés dans les 8 heures. Ce blocage qui nécessite les enzymes DUOX dans les entérocytes ainsi que l'homologue du nocicepteur TRP TRPA1 et l'hormone diurétique DH31 dans les cellules entéroendocrines, peut être artificiellement induit par l'homologue humain de DH31, hCGRP. Par manipulation génétique, nous avons démontré que la perte de ce blocage entraîne une prolifération bactérienne et la mort prématurée de l'hôte. Les bactéries bloquées dans l'intestin antérieur sont tuées par des peptides antimicrobiens produits lors de l'induction de la voie IMD. Donc, lors de l'ingestion de bactéries pathogènes, les larves bloquent les bactéries in situ, empêchant leur prolifération et leur propagation et laissant le temps à la réponse immunitaire de les éliminer. Dans la deuxième partie de mon doctorat j'ai étudié la réaction comportementale des adultes à la présence de PGN par le biais du système gustatif. J'ai découvert que le PGN provoque une réponse aversive immédiate lorsqu'il est détecté par le système gustatif. Nous avons identifié les neurones gustatifs ppk23+ et Gr66a+ comme étant nécessaires à la transduction de la réponse de la mouche au PGN et avons démontré qu'ils jouent des rôles très différents dans ce processus. L'inactivation fonctionnelle contrôlée dans le temps et l'imagerie du calcium in vivo démontrent que si les neurones ppk23+ sont nécessaires chez les mouches adultes pour transduire directement le signal PGN, les neurones Gr66a+ doivent être fonctionnels chez les larves pour permettre aux futurs adultes de devenir sensibles au PGN. De plus, nos données suggèrent que l'absence de bactéries pendant le stade larvaire altère la capacité des mouches adultes à détecter les PGN, et que la recolonisation des larves axéniques avec L. brevis est suffisante pour restaurer la réponse aux PGN chez les adultes. Donc, les caractéristiques génétiques et environnementales des larves sont essentielles pour que les futurs adultes soient capables de répondre à certains stimuli sensoriels tels que les PGN.

Drosophila melanogaster lays its eggs and feeds on decaying fruits which are inhabited by a variety of microorganisms. Some microorganisms are beneficial, while others can cause infections that threaten the fly's survival. Upon infection the fly's immune system responds to fight pathogens. However, it is now increasingly recognized that other non-immunological defense mechanisms can protect the host. A fascinating approach to preventing infection is the adoption of behavioral changes designed to avoid infection or prevent the spread of infection. Our laboratory works to identify the cellular and molecular actors involved in microbe induced behavioral changes. Bacterial-derived peptidoglycan (PGN) is a known elicitor of the humoral immune response in D. melanogaster. Our previous research has shown that exposing flies to PGN not only activates the antimicrobial response, but also inhibits egg-laying in females. This effect is mediated by PGN-dependent NF-kB pathway activation in few octopaminergic neurons in the brain (Masuzzo et al., 2019). Therefore, a small number of neurons in the female brain regulate the body's physiological response to infection by recognizing a common bacterial component. Earlier studies found that bacterial components, including LipoPolySaccharide (LPS) and PGN, are detected by Drosophila sensory system and triggers defense behavioral changes (Soldano et al., 2016; Yanagawa et al., 2019). Moreover, our recent paper showed that a PGN cleaving enzyme is expressed in labellar gustatory neurons (Masuzzo et al., 2022), suggesting that they may play a role in the detection of external PGN. My PhD work focused on understanding how Drosophila perceives bacterial-derived PGN in its external environment and its effects on feeding behavior, during the larval and adult stages. In the first part of my PhD, I worked on deciphering the behavioral response of Drosophila larvae to bacteria. When larvae are fed food contaminated with pathogenic Erwinia carotovora carotovora or Bacillus thuringiensis, bacteria are blocked in the anterior part of the gut. Live imaging showed that trapped pathogens are then eliminated within 8 hours. This bacterial blockage, which requires DUOX enzymes in enterocytes as well as the TRP nociceptor homolog TRPA1 and the diuretic hormone DH31 in entero-endocrine cells, can be artificially induced by the human homolog of DH31, hCGRP. Through genetic manipulation, we demonstrated that impairment of this bacterial blockade leads to bacterial overgrowth and premature host death, whereas bacteria trapped in the anterior gut are usually killed by antimicrobial peptides produced upon induction of the IMD pathway. Therefore, upon ingestion of pathogenic bacteria, larvae exhibit a defense mechanism that blocks the bacteria in situ, preventing their proliferation and spreading and allowing time for the immune response to eliminate them. In the second part of my PhD, I focused on how adult Drosophila detects bacteria through the gustatory system. I found that PGN elicits an immediate aversive feeding response when detected by the gustatory system. Although we identify ppk23+ and Gr66a+ gustatory neurons as necessary to transduce fly response to PGN, we demonstrate that they play very different roles in the process. Time-controlled functional inactivation and in vivo calcium imaging demonstrate that while ppk23+ neurons are required in the adult flies to directly transduce PGN signal, Gr66a+ neurons must be functional in larvae to allow future adults to become PGN sensitive. Moreover, our data suggest that the absence of bacteria during larval development impairs the ability of adult flies to detect PGN, and recolonization of axenic larvae with Lactobacillus brevis is sufficient to restore the PGN response in adult flies. Our data reveal that the genetic and environmental characteristics of the larvae are essential to make future adults competent to respond to certain sensory stimuli such as PGN.