L’adaptation de la croissance larvaire au microbiote et à la diète par la signalisation intestinale

Résumé de la thèse

La croissance juvénile est un trait plastique et adaptatif, particulièrement critique en cas de sous-nutrition chronique qui entraîne généralement des taux de croissance réduits et un retard de maturation. En utilisant des modèles gnotobiotiques de Drosophile et de souris, il a été démontré, chez ces deux espèces, que lors d’un stress nutritionnel la présence de souches sélectionnées de Lactiplantibacillus restauraient une croissance normale.

L’intestin étant l'interface principale des interactions hôte-microbes, nous avons mené une analyse comparative du transcriptome de l'intestin larvaire en présence ou absence de Lactiplantibacillus plantarumWJL (LpWJL), souche commensale du microbiote de drosophile. Parmi les processus biologiques différentiellement régulés, la signalisation de l'Ecdysone est apparue comme une nouvelle signature médiée par LpWJL au sein de l'épithélium intestinal. Grâce à des études fonctionnelles et morphométriques, nous montrons que l'Ecdysone intestinal ne limite pas la croissance systémique larvaire, mais est requis pour l'adaptation de la croissance du tissu intestinal en présence de LpWJL. Nos résultats révèlent une contribution tissu-spécifique de l'hormone pléiotrope Ecdysone dans la croissance adaptative.

Par ailleurs, nos études précédentes ont également révélé que la croissance juvénile restaurée par LpWJL favorisait l'activité systémique des peptides apparentés à l'insuline de drosophile (DILPs). Cependant, les mécanismes moléculaires et cellulaires permettant la coordination des fonctions endocrines intestinales avec la signalisation systémique de l'insuline dans ce contexte restaient mal élucidés.

Ici, nous démontrons que la Limostatine (Lst) est spécifiquement localisée et produite dans un groupe discret de cellules entéroendocrines (CEE) de larves. L’expression intestinale de lst est fortement induite chez les larves GF, alors qu'elle est maintenue à de faibles niveaux dans des conditions d'alimentation normale ou lors d'association avec LpWJL. L’utilisation de mutants lst nul ou de knockdown spécifique de lst dans les CEE réduit le retard de développement larvaire causé par la malnutrition. De plus, la surexpression de lst dans les CEE réduit la croissance systémique larvaire promue par Lp en cas de malnutrition.

Fait intéressant, nous montrons aussi que la détection des acides aminés par le corps gras et l'intensité de la signalisation systémique de l'insuline qui en résulte sont impliquées dans la modulation de l'expression de lst. En effet, une signalisation de l'insuline atténuée dans les CEE induit l'expression intestinale de lst, en lien avec l'inhibition de la croissance systémique larvaire lors de sous-nutrition. D’autre part, l’expression de Lst inhibe à son tour la libération de DILP2 par les cellules productrices d'insuline du système nerveux central larvaire, créant ainsi une boucle de rétroaction négative qui renforce l'inhibition de la croissance systémique lorsque les nutriments se raréfient.

Ces découvertes permettent de définir la Lst comme une entérokine, une hormone produite au sein de l'intestin en réponse aux signaux alimentaires et microbiens pour moduler la production somatotropique. Sa production spatialement restreinte suggère un rôle unique de l'épithélium intestinal dans le renforcement des réponses endocrines systémiques en cas de stress nutritionnel.

En résumé, cette thèse révèle d’une part, la modulation de la signalisation d’Ecdysone par Lp dans les entérocytes ce qui favorise la croissance du tissu intestinal larvaire, et d’autre part, met en évidence des fonctions endocrines intestinales médiées par la Lst qui permettent d’adapter la croissance larvaire aux conditions de malnutrition. Ces découvertes font ainsi progresser notre compréhension des interactions microbe-hôte pour l'adaptation développementale larvaire au stress nutritionnel.

Gut-derived signals mediate adaptive growth to microbiota and diet in Drosophila larvae

Juvenile growth is a plastic and adaptive trait, particularly critical under chronic undernutrition which typically leads to reduced growth rates and delayed maturation. Using Drosophila and mouse gnotobiotic models, previous studies have established the evolutionarily conserved influence of the intestinal microbiota and selected Lactiplantibacillus strains on juvenile growth. Building upon this foundation, this thesis aimed to identify the molecular mechanisms underlying microbe-mediated Drosophila adaptive growth under nutritional stress.

Recognizing the intestine as the primary interface for host-microbe interactions, we conducted a comparative analysis of the larval midgut transcriptome in the presence or absence of an intestinal Lactiplantibacillus plantarumWJL (LpWJL) strain representative of the Drosophila microbiota. Among the differentially regulated biological processes identified, Ecdysone signaling emerged as a novel LpWJL-mediated signature within the gut epithelium. Through subsequent functional and morphometrical studies, we demonstrate that, upon bacterial association, intestinal Ecdysone is not rate-limiting for systemic larval growth but is specifically required for the adaptation of midgut tissue growth to the presence of LpWJL. Our results reveal a tissue-specific contribution of the pleiotropic hormone Ecdysone in controlling midgut adaptive growth and maturation.

Extending these investigations, our previous findings also unveiled that the association of undernourished germ-free (GF) Drosophila larvae with selected commensal bacteria, including LpWJL, supports juvenile growth by promoting the systemic activity of Drosophila Insulin-like peptides (DILPs). However, the mechanisms by which gut endocrine functions coordinate with systemic insulin signaling in this context remained elusive.

From our midgut bulk RNA-seq data, we identified Limostatin (Lst), a peptide hormone, as being differentially regulated by LpWJL upon malnutrition. We further demonstrate that lst is specifically induced in a discrete group of enteroendocrine cells (EECs) in the anterior midgut of larvae exposed to environmental stress, particularly when dietary protein and the microbiota are severely altered. Moreover, we found that lst-deficiency or EEC-specific knockdown of lst significantly reduced the delay in larval systemic growth caused by malnutrition. Furthermore, overexpression of lst in EECs significantly inhibited Lp-promoted larval systemic growth upon malnutrition.

More intriguingly, amino acid sensing from the fat body and the resulting systemic insulin intensity are involved in regulating gut-derived lst expression; attenuated insulin signaling in EECs triggers the expression of lst, in line with the inhibition of larval systemic growth upon undernutrition. More intriguingly, we show that lst expression is induced in EECs upon reduced circulating DILP2 levels, and that Lst in turn suppresses DILP2 release from brain Insulin-producing cells (IPCs). This establishes a negative feedback loop that reinforces the inhibition of systemic growth when nutrients are scarce. These findings establish Lst as an adaptive enterokine—a gut-derived peptide hormone that integrates dietary and microbial signals to modulate somatotropic output. Our work reveals that, in addition to the fat body, the intestine acts as a nutrient- and microbiota-sensitive endocrine organ that coordinates systemic growth with environmental input.

In summary, this thesis uncovers Lp-modulated Ecdysone signals targeting enterocytes that distinctly promote larval intestinal tissue growth and identifies Lst-mediated gut endocrine functions that contribute to larval adaptive growth under conditions of malnutrition. Collectively, these findings advance our understanding of microbiota-host interactions for larval developmental adaptation to nutrient stress.