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Résumé :

Bacillus thuringiensis (Bt) est une bactérie sporulante Gram-positive appartenant au groupe Bacillus cereus, qui a la particularité de synthétiser des toxines (toxines Cry) aux propriétés entomopathogènes qui sont enfermées dans un cristal au sein de la spore. Les produits Bt sont les bioinsecticides les plus efficaces contre les lépidoptères ravageurs de cultures et sont prédominants en agriculture biologique (Bt est aussi utilisé en agriculture conventionnelle), occupant 70 % des parts de marché des bioinsecticides. La surface mondiale en agriculture biologique a doublé en 10 ans induisant de facto une augmentation de 4% par an de l'utilisation des bioinsecticides. Cette tendance va s'accentuer dans les années à venir suite aux incitations nationales et internationales visant à réduire l’utilisation des produits chimiques. Avec cette forte croissance, les populations sont et seront de plus en plus exposées aux bioinsecticides, et en particulier Bt, via l’alimentation, ce qui soulève la question de leurs effets potentiels à long terme sur la santé. Le premier organe en contact avec de la nourriture contaminée par les bioinsecticides Bt est donc le tube digestif.

Mon projet de thèse s'intéresse aux conséquences physiopathologiques intestinales liées à l'ingestion chronique de Bt aux doses retrouvées sur les légumes "bio" après traitement en utilisant la drosophile comme modèle. La drosophile permet d'identifier les mécanismes physiologiques, cellulaires et génétiques impliqués dans les effets observés. La conservation de ces mécanismes entre la drosophile et les vertébrés permet ensuite de rapidement aborder les problèmes chez les mammifères. J'ai ainsi montré que l'ingestion de bioinsecticides Btk  kurstaki (Btk) aux doses environnementales par des drosophiles adultes induisait sous 24h une apoptose modérée des entérocytes. J'ai montré que cette apoptose est causée par les toxines Cry de Btk. Qui dit apoptose d'entérocytes, dit mise en route du processus de remplacement cellulaire via la différentiation des progéniteurs en entéroblastes puis en entérocytes. Etonnamment, j'ai observé une forte augmentation du nombre de cellules entéroendocrines à partir du premier jour suivant l'ingestion. Par lignage cellulaire, j'ai démontré que peu de nouveaux entérocytes apparaissaient, en tous cas pas suffisamment pour remplacer tous ceux mourant. De fait, le nombre total d'entérocytes dans l'intestin diminue alors que le nombre de cellules entéroendocrine augmente. Ensuite j'ai démontré que les cristaux de toxines de Btk détournaient les progéniteurs de leur destin initial d'entérocytes vers un destin de cellules entéroendocrines, à cause d'un affaiblissement de l'interaction cellule-cellule entre les cellules souches intestinales mères et les cellules filles progénitrices. J'ai pu sauver l'excès de cellules entéroendocrines dépendant du bioinsecticides Btk en augmentant la force des jonctions adhérentes entre les cellules souches et les progéniteurs. La souche Btk composant les produits commerciaux produit 5 toxines Cry différentes (Cry1Aa, Cry1Ab, Cry1Ac, Cry2Aa, et Cry2Ab) ciblant les larves de lépidoptères. J'ai montré que  les toxines de type Cry1A sont capables, seules, d'induire l'augmentation du nombre de cellules entéroendocrines.

En conclusion, une partie de mes travaux participent aux connaissances sur les mécanismes physiologiques, génétiques et cellulaires fondamentaux nécessaires au maintien de l'intégrité de l'épithélium intestinale après une agression modérée. D'autre part, mes travaux montrent que l’ingestion de bioinsecticides Btk aux doses utilisées en agriculture induit une perturbation de l’équilibre physiologique de l'intestin d'un organisme non-cible. La poursuite de ce type de travaux est essentielle pour arriver à évaluer minutieusement les risques consécutifs à une exposition aux biopesticides Btk par les organismes non-cibles. Il est important d’obtenir des données précises pour mettre en place des mesures préventives et/ou curatives pour la santé humaine et l'environnement.

Mots Clefs: Bioinsecticides, Bacillus thuringiensis (Bt), Drosophila melanogaster, Homéostasie cellulaire intestinale, Toxines Cry , Jonctions adhérentes

Devant le jury composé de :

Président du jury :

Dr. FRENDO Pierre, Professeur, Université côte d’Azur

Rapporteurs :

Dr. COLOMBANI Julien, Associate professor, Université de Copenhague

Dr. KURZ Léopold, Maitre de conférence, Aix Marseille Université

Examinateur :

Dr. DELANOUE Renald, Chargé de Recherche INSERM

Directeur de Thèse :

Dr. GALLET Armel, Directeur de recherche CNRS

Co-directeur de Thèse :

Dr. OSMAN Dani, Professeur, Université Libanaise

Abstract

Microbes, toxins and chemicals such as pesticides are harmful agents that could attack the gastrointestinal tract throughout organismal life. This triggers a rapid renewing of damaged intestinal cells to sustain a functional barrier to limit the risk of developing pathologies. The repair process involves a transient proliferation of intestinal stem cells (ISCs) and the differentiation of their progeny into enterocytes to replace the damaged ones. Among pesticides, the broadly used bioinsecticides composed of spores and crystalline (Cry) toxins of Bacillus thuringiensis subsp kurstaki (Btk) are expected to supplant synthetic chemical pesticides to specifically fight lepidopteran pests. We have investigated here the effects of spores and toxins of Btk ingested along with the food on intestinal cellular homeostasis of the non-target dipteran Drosophila melanogaster. We showed that Btk Cry toxins induce enterocyte death and ISC proliferation. Surprisingly, a high proportion of ISC's daughter cells differentiate into enteroendocrine cells instead of their initial enterocyte destiny. This imbalanced intestinal cell composition is due to Cry toxins which weakened cell adhesion between the ISC mother cell and its immediate daughter progenitor leading the latter to adopt an enteroendocrine cell fate. Our results further showed that Cry1A family of toxins is implicated in this intestinal cell fate diversion, suggesting that Btk bioinsecticides induce non-negligible deleterious effects on gut physiology.

Key-words: Bioinsecticides, Bacillus thuringiensis (Bt), Drosophila melanogaster, intestinal homeostasis, Cry toxins, Adherens junctions.