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

Impact du métabolisme des molécules odorantes sur la perception olfactive chez l'Homme

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.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

Le CSGA attire l’Esprit Sorcier à la Cité des Sciences !: Newsletter sur le site internet du Centre INRA de Dijon annonçant l'animation d'une doctorante du CSGA à la 26e fête de la cité des sciences et de l'industrie de Paris (France) les 7 et 8 octobre 2017

Samedi 7 et dimanche 8 octobre, l’Inra fête la science à la Cité des Sciences et de l’Industrie de Paris – La Villette, aux côtés de 15 autres établissements scientifiques (CEA, CNES, CNRS, Ifremer). Tout le week-end, des chercheurs feront des expériences et répondront aux questions du public. Sur le stand Inra, Aline Robert-Hazotte (doctorante à l’UMR CSGA) présentera dimanche une « manip » sur l’odeur des aliments avec la complicité de ses directeurs de thèse. Un événement à suivre en direct sur la chaîne YouTube de l’Esprit Sorcier, célèbre émission de vulgarisation scientifique de Fred Courant diffusée sur internet. Mais ce n’est pas tout ! Les équipes de l’Inra d’Occitanie – Toulouse proposeront une animation en continu autour du chevreuil, son environnement et son comportement. Samedi 7 octobre, l’Inra proposera un quiz sur l’alimentation en partenariat avec l’Anses et la découverte d’un objet mystère. Dimanche 8 octobre aura lieu une « manip » sur l’extraction de l’huile de tournesol et un quiz sur la diversité de cette espèce et sa sélection variétale. Suivra une rencontre/débat sur l’alternative aux antibiotiques en élevage (avec l’Anses), avec la participation de Catherine Schouler (Inra Val de Loire). A suivre en direct sur la chaîne YouTube de l’Esprit Sorcier ou sur son site internet. Voir tout le programme sur le site de l’Inra. Vous pouvez aussi suivre cette manifestation en live sur le site de l'Inra

MT 180 : Impact des enzymes du métabolisme des odorants sur la perception olfactive chez l’homme

Site Université de Bourgogne - Recherche Scientifique - Actualités MT 180 = Ma Thèse en 180 secondes. Prix « coup de cœur » du public ex aequo lors de la finale régionale du concours MT 180.La finale régionale du concours s'est déroulée le 4 avril devant un amphithéâtre comble. Chloé Laubu et Aline Robert-Hazotte ont toutes deux reçu le prix "coup de coeur" du public. Elles sont issues de l'école doctorale Environnement-Santé. Aline Robert-Hazotte est doctorante au sein de l'unité mixte de recherche Centre des sciences du goût et de l'alimentation (AgroSup Dijon / université de Bourgogne, CNRS, iNRA). Lors de la finale, sa thèse "Impact des enzymes du métabolisme des odorants sur la perception olfactive chez l'Homme" est devenue "Etude d'un mécanisme dirigé par des enzymes, sorte de nettoyeurs biologiques, à l'intérieur du nez humain. Ce mécanisme intervient dans la façon dont l'Homme perçoit les odeurs de son environnement." La présentation de Chloé Laubu (unité mixte de recherche Biogéosciences - université de Bourgogne, CNRS), intitulée "De l'intérêt d'être un poisson optimiste !", n'a pas seulement convaincu le public : elle a également reçu le prix "coup de coeur" du jury à l'issue des délibérations. Sa thèse porte sur le caractère adaptatif de la personnalité et des émotions (heuristiques et prise de décision en contexte sexuel chez un cichlidé monogame). (…

Publisher Correction: Nasal mucus glutathione transferase activity and impact on olfactory perception and neonatal behavior

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Odorant-odorant metabolic interaction, a novel actor in olfactory perception and behavioral responsiveness

In the nasal olfactory epithelium, olfactory metabolic enzymes ensure odorant clearance from the olfactory receptor environment. This biotransformation of odorants into deactivated polar metabolites is critical to maintaining peripheral sensitivity and perception. Olfactory stimuli consist of complex mixtures of odorants, so binding interactions likely occur at the enzyme level and may impact odor processing. Here, we used the well-described model of mammary pheromone-induced sucking-related behavior in rabbit neonates. It allowed to demonstrate how the presence of different aldehydic odorants efficiently affects the olfactory metabolism of this pheromone (an aldehyde too: 2-methylbut-2-enal). Indeed, according to in vitro and ex vivo measures, this metabolic interaction enhances the pheromone availability in the epithelium. Furthermore, in vivo presentation of the mammary pheromone at subthreshold concentrations efficiently triggers behavioral responsiveness in neonates when the pheromone is in mixture with a metabolic challenger odorant. These findings reveal that the periphery of the olfactory system is the place of metabolic interaction between odorants that may lead, in the context of odor mixture processing, to pertinent signal detection and corresponding behavioral effect. (15) Odorant-odorant metabolic interaction, a novel actor in olfactory perception and behavioral responsiveness. Available from: https://www.researchgate.net/publication/318725346_Odorant-odorant_metabolic_interaction_a_novel_actor_in_olfactory_perception_and_behavioral_responsiveness?citedPublicationUid=263745821 [accessed Sep 20, 2017]

Odorants' metabolism in Human: a critical role in odor perception revealed

International audienc

Real-time monitoring of the metabolic capacity of ex vivo rat olfactory mucosa by proton transfer reaction mass spectrometry (PTR-MS)

Rapid communicationInternational audienceOlfactory mucosa (OM) can metabolise odorant volatile organic compounds through various enzymatic mechanisms to produce odorous or non-odorous metabolites. Preliminary ex vivo studies using headspace-gas chromatography (HS-GC) revealed the formation of metabolites when odorant molecules were injected in the headspace above a fresh explant of rat olfactory mucosa. However, this method did not allow accessing the data during the first 5 min of contact between the odorant and the mucosa; thus limiting the olfactory biological significance. Using a direct-injection mass spectrometry technique with a proton transfer reaction instrument (PTR-MS), we have been able, for the first time, to investigate the first moments of the enzymatic process of the metabolic capacity of ex vivo rat olfactory mucosa in real time. Using ethyl acetate as a model volatile odorous substrate, we demonstrated here for the first time that this odorant could be metabolised by an ex vivo olfactory mucosa within seconds, producing ethanol as metabolite

Odorant metabolism in olfactory mucus: characterization and impact on olfactory perception.

Published Abstrac

Nasal mucus glutathione transferase activity and impact on olfactory perception and neonatal behavior

Abstract In olfaction, to preserve the sensitivity of the response, the bioavailability of odor molecules is under the control of odorant-metabolizing enzymes (OMEs) expressed in the olfactory neuroepithelium. Although this enzymatic regulation has been shown to be involved in olfactory receptor activation and perceptual responses, it remains widely underestimated in vertebrates. In particular, the possible activity of OMEs in the nasal mucus, i.e. the aqueous layer that lined the nasal epithelium and forms the interface for airborne odorants to reach the olfactory sensory neurons, is poorly known. Here, we used the well-described model of the mammary pheromone (MP) and behavioral response in rabbit neonates to challenge the function of nasal mucus metabolism in an unprecedented way. First, we showed, in the olfactory epithelium, a rapid glutathione transferase activity toward the MP by ex vivo real-time mass spectrometry (PTR-MS) which supported an activity in the closest vicinity of both the odorants and olfactory receptors. Indeed and second, both the presence and activity of glutathione transferases were evidenced in the nasal mucus of neonates using proteomic and HPLC analysis respectively. Finally, we strikingly demonstrated that the deregulation of the MP metabolism by in vivo mucus washing modulates the newborn rabbit behavioral responsiveness to the MP. This is a step forward in the demonstration of the critical function of OMEs especially in the mucus, which is at the nasal front line of interaction with odorants and potentially subjected to physiopathological changes