Mitochondrial function of intestinal epithelial cells and intestinal homeostasis in obesity | Fonction mitochondriale des cellules épithéliales intestinales et homéostasie intestinale chez l'obèse

English. Obesity and overweight cause the death of 4 million people each year from associated complications. The low-grade systemic inflammation that causes the metabolic disorders observed in obesity has been associated with dysbiosis and disturbances of intestinal homeostasis. The latter is notably supported by the mitochondrial function of intestinal epithelial cells (IEC) which could be altered by the consumption of a high-fat diet, through altered lipid metabolism of IEC and/or production of deleterious bacterial metabolites. The objective of this work was to determine whether obesogenic diet consumption alters the mitochondrial function of IEC. In mice, we showed that obesogenic diet consumption modifies the mitochondrial function of jejunal and colonic epithelial cells and increases intestinal permeability, through different mechanisms depending upon the intestinal segment and the luminal environment the IEC are exposed to. In the jejunum, the in vivo model showed that enterocyte lipid accumulation following diet consumption induces a disruption of mitochondrial dynamics, marked by a decrease in mitochondrial number and in the expression of the mitochondrial biogenesis regulator Pgc1a, as well as of mitochondrial oxidative capacity. This alteration in IEC bioenergetics is associated with increased proliferation, decreased mature phenotype of IEC and higher expression of Cldn2, a permissive claudin that may contribute to increase jejunal permeability. Furthermore, in vitro data on the IPEC-J2 cell line showed that alterations of IEC bioenergetics are provoked by a mix of dietary fatty acids at high concentration. Yet, fatty acids displayed different effects according to their nature. Palmitic and stearic acids caused mitochondrial dysfunction and increased intestinal permeability contrary to the lauric and myristic acids. In the colon, dietary fatty acids were not stored in colonic epithelial cells (CEC), which did not show any changes in lipid metabolism. In contrast, consumption of an obesogenic diet increased the abundance of Desulfovibrionaceae and concentrations in sulfides in the colonic luminal environment associated with increased colonic permeability. Treatment of murine colonic organoids with sulfides validated the hypothesis of their direct impact on mitochondrial function. Furthermore, acute exposure of isolated mitochondria from murine CEC to sulfides decreased complex IV activity, contributing to explain the mitochondrial dysfunction of CEC induced by obesogenic diet consumption. Taken together, these results indicate that restoring the mitochondrial function of IEC and CEC, through innovative nutraceutical compounds, would allow to recover intestinal homeostasis and limit the development of obesity-related complications.

French. L’obésité et le surpoids provoquent la mort de 4 millions de personnes chaque année des suites des complications associées. L’inflammation systémique de bas-grade à l’origine des troubles métaboliques observés dans l’obésité a été associée à une dysbiose et des perturbations de l’homéostasie intestinale. Cette dernière est notamment soutenue par la fonction mitochondriale des cellules épithéliales intestinales (CEI) qui pourrait être altérée par la consommation d'un régime riche en lipides, par le biais d’une modification de leur métabolisme lipidique et/ou par la production de métabolites bactériens délétères. L’objectif de cette thèse était de déterminer si la consommation d’un régime obésogène modifie la fonction mitochondriale des CEI. Ce travail montre que la consommation d’un tel régime chez la souris modifie la fonction mitochondriale des cellules épithéliales jéjunales et coliques et augmente la perméabilité intestinale, via des mécanismes différents selon le segment intestinal et l’environnement auquel les CEI sont exposées. Dans le jéjunum, les données in vivo montrent que l’accumulation lipidique entérocytaire induite par la consommation d’un régime obésogène perturbe la dynamique mitochondriale, marquée par une diminution du nombre de mitochondries et de l’expression du régulateur de la biogénèse mitochondriale Pgc1a, ainsi que la capacité oxydative. Cette altération de la bioénergétique des CEI est associée à une augmentation de la prolifération, à une diminution du phénotype mature des CEI et à une expression plus élevée de Cldn2, claudine permissive pouvant contribuer à l’augmentation de la perméabilité jéjunale. Les données in vitro sur la lignée d’entérocytes IPEC-J2 montrent que les altérations de bioénergétique des CEI sont provoquées par le mélange des acides gras du régime à forte concentration, acides gras qui présentent cependant des effets différents selon leur nature. Les acides gras palmitique et stéarique provoquent ainsi une dysfonction mitochondriale et une augmentation de la perméabilité intestinale contrairement aux acides gras laurique et myristique. Dans le côlon, les acides gras du régime ne sont pas absorbés par les cellules épithéliales coliques (CEC), qui par ailleurs ne présentent pas de modification du métabolisme lipidique. En revanche, la consommation d’un régime obésogène augmente l’abondance des Desulfovibrionaceae et les concentrations en sulfides dans l’environnement luminal colique, de façon associée à une augmentation de la perméabilité colique. Le traitement d’organoïdes coliques murins avec des sulfides a permis de valider l’hypothèse de leur impact direct sur la fonction mitochondriale des CEC. De plus, l’exposition aigue de mitochondries isolées de CEC murines à des sulfides provoque une diminution de l’activité du complexe IV de la chaîne de respiration mitochondriale et contribue à expliquer la dysfonction mitochondriale induite par le régime obésogène au niveau colique. L’ensemble de ces travaux indique que la restauration de la fonction mitochondriale des CEI et des CEC, par le biais de composés nutraceutiques innovants, permettrait de rétablir l’homéostasie intestinale et ainsi limiter le développement des complications liées à l’obésité.