Influence of odorant metabolism on human olfactory perception

L’odorat est le sens qui permet de percevoir des substances volatiles appelées communément odeurs. Il joue un rôle important dans la subsistance et le bien être des individus car il intervient dans la communication avec leur environnement (recherche de nourriture, de partenaire, détection des prédateurs ...). L’efficacité du système olfactif repose en grande partie sur sa sensibilité, qui dépend de l’affinité des molécules odorantes pour leurs récepteurs olfactifs mais aussi d’un mécanisme de clairance enzymatique des molécules odorantes qui évite à ces récepteurs d’être saturés et qui implique les Enzymes du Métabolisme des Odorants ou EMO. En effet, des études récentes ont démontré que dans l’épithélium olfactif, les EMO qui biotransforment les molécules odorantes conduisent à l’arrêt du signal olfactif en désactivant ces molécules, ce qui permet leur élimination et participent donc ainsi in fine à la perception olfactive. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse est d’apporter une meilleure compréhension des mécanismes enzymatiques impliquant les EMO dans la perception olfactive des mammifères et d’étudier plus particulièrement ces mécanismes chez l’Homme.Le premier axe de ce travail, basé sur des analyses physico-chimiques, a consisté à développer une technique innovante de spectrométrie de masse par réaction de transfert de protons (PTR-MS) permettant le suivi en temps réel de la biotransformation des molécules odorantes par les EMO. Cette technique a été utilisée ex vivo sur des prélèvements d’épithélium olfactif et du mucus olfactif de rat et de lapin et également in vivo directement au sein de la cavité nasale humaine. Ainsi, il a été démontré que la biotransformation olfactive de molécules odorantes catalysée par différentes enzymes de type glutathion transférases, carboxylestérases ou dicarbonyl xylulose réductases (DCXR) est un mécanisme très rapide (de l’ordre de la milliseconde) en parfaite adéquation avec la dynamique physiologique du processus olfactif. Ces analyses ont également révélé que la biotransformation des molécules odorantes peut conduire à la production de métabolites volatils odorants pouvant potentiellement participer à la perception olfactive globale en interagissant eux aussi avec les récepteurs olfactifs. Ces différents métabolites ont été formellement identifiés par une technique de chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS).Le second axe de ce travail, reposant sur des analyses psychophysiques, a consisté à évaluer l’impact du métabolisme des molécules odorantes sur la perception olfactive chez l’Homme. Pour atteindre cet objectif, une stratégie originale de modulation de la perception olfactive reposant sur une compétition entre des molécules odorantes métabolisées par une même EMO, développée récemment au sein de l’équipe chez le lapin, a été transposée à l’Homme. La compétition entre des molécules odorantes de type dicétone vis-à-vis de l’enzyme DCXR a tout d’abord été démontrée in vitro par des analyses biochimiques sur l’enzyme recombinante humaine. Une méthode d’analyse par olfactométrie, appliquée à un panel de 40 sujets, a permis de démontrer que ce mécanisme de compétition entre molécules odorantes induit des modulations de la biotransformation de ces molécules conduisant ainsi à des modifications de leur biodisponibilité relative et in fine de leur perception. Ces résultats inédits démontrent que des modulations affectant la biotransformation d’un odorant conduisent instantanément à une modification de sa perception. Ces travaux de thèse précisent la fonction des EMO chez les mammifères et révèlent pour la première fois, chez l’Homme, une participation significative du métabolisme des molécules odorantes dans la perception olfactive.The sense of smell permits the perception of volatile substances commonly known as odors. This sense plays an important role in the feeding and wellness of individuals because it involves exchanges with their environment (search for food or partners, predators detection…). The efficiency of the olfactory system mainly relies on its sensitivity depending on the odorant affinity for their olfactory receptors but also on an enzymatic clearance mechanism of odorants which involves the Odorant metabolizing Enzymes (OME) to avoid the saturation of the receptors. Recent studies have shown that the biotransformation of odorants by EMO, in the olfactory epithelium, participates in the olfactory perception. Indeed, OME catalyse the deactivation of the odorants and their subsequent elimination which led to the termination of the olfactory signal. In this context, this work aims to provide a better understanding of the enzymatic mechanisms of the OME in mammal olfactory perception and to study more specifically these mechanisms in human.The first axis of this work, based on physicochemical analysis, has consisted to develop an innovative proton transfer reaction mass spectrometry technique (PTR-MS) to allow the analysis in real time of the odorants biotransformation by OME. This technique was first applied ex vivo using rats and rabbits olfactory epithelium and olfactory mucus but also in vivo directly inside the human nasal cavity. Thus, we have demonstrated that the olfactory biotransformation of odorants catalyzed by different enzymes like glutathione transferases, carboxylesterases and dicarbonyl xylulose reductases (DCXR), is a very fast mechanism (few milliseconds). This very high velocity is perfectly consistent with the physiological dynamics of the olfactory process. Moreover, PTR-MS analyzes revealed that the odorants biotransformation could produce volatile metabolites with odorous properties which could participate in the global olfactory perception by interacting also with olfactory receptors. These various metabolites have been formally identified by a gas chromatography-mass spectrometry technique (GC-MS).The second axis, based on psychophysical method, evaluated the impact of the odorant metabolism in the human olfactory perception. For this purpose, an original approach recently developed in the lab, consisting of the modulation of the olfactory perception through a competition between odorants metabolized by the same EMO was transposed from the rabbit model to the human. The metabolic competition between several diketones toward DCXR was first demonstrated by biochemical analysis using the corresponding human recombinant enzyme. Then, an olfactometric study carried out on a 40 subjects panel demonstrated that this competition mechanism between odorants induces modulations of the biotransformation of these molecules and thus leads to modifications of their relative bioavailability and in fine of their perception. These new and significant results demonstrate that modulations impacting odorants metabolism leads immediately to changes in their olfactory perception. This thesis highlights on the function of EMO in mammals and reveals for the first time in human a significant role of the odorant metabolism in olfactory perception