Peripheral and intestinal microbiota alterations in Autism Spectrum Disorders : The specific role of p-Cresol
Perturbations de la périphérie et du microbiote Intestinal dans les Troubles du Spectre Autistique : Le rôle spécifique du p-Crésol
Résumé
This thesis mainly focuses on the peripheral anomalies associated with Autism Spectrum Disorders (ASD), a group of frequent neurodevelopmental pathologies.The first section is devoted to my main thesis work and focuses on the influence of the microbiota and bacterial metabolites in ASD. In autistic patients, deficits in social interaction and repetitive behaviours (stereotypies) are frequently associated with gastrointestinal symptoms, abnormal composition of the intestinal flora and abnormal levels of metabolites produced by the microbiota. This suggests that disturbances in the microbiota-gut-brain axis could contribute to the development of ASD. However, the causal link between dysbiosis, microbial metabolites and autistic behaviour remains to be demonstrated. Our working hypothesis is that certain microbial metabolites are mediators of the deleterious effects of the intestinal flora on the behaviours impacted in ASD. We have studied the microbial metabolite para-Cresol (p-Cresol) that is abnormally elevated in ASD patients and produced in particular by Clostridia bacteria that are overabundant in these patients. We have explored in mice the causal relationship between exposure to p-Cresol and the development of autistic behaviours. We have thus shown that mice exposed to p-Cresol for 4 weeks display social interaction deficits and stereotypies. These behavioural symptoms specific to ASD are accompanied by a decrease in the excitability of dopaminergic neurons in the Ventral Tegmental Area (VTA), a brain region key to social reward and known to be deregulated in ASD patients. We also highlighted anomalies in the composition of the microbiota upon p-Cresol exposure, with the abundances of specific microbial taxa correlated with social behaviour deficits. Finally, the restoration of a healthy microbiota by a transfer of microbiota from normal mice to mice exposed to p-Cresol allowed us to restore social behaviour deficits and VTA dopaminergic activity. This study demonstrates a causal relationship between exposure to the microbial metabolite p-Cresol and the development of ASD core behaviours and also a possible therapeutic avenue for ASD through the manipulation of microbiota.The second section of the thesis consists of three articles, to which I have contributed, that explore peripheral phenotypes in Fragile X Syndrome (FXS), the leading genetic cause of ASD. The first article addresses the deregulation of glucose and lipid metabolism in FXS relying on the Fmr1-KO mouse, the mouse model of FXS, as well as on samples from FXS patients. In the second article, we analysed the impact of Fmr1 gene inactivation on body composition and bone structure in the mouse model of FXS. In the third article, we highlighted anomalies in the profiles of chemokines in the serum of FXS patients, suggesting immune dysfunctions.Overall, my thesis work highlighted peripheral contributions in ASD, and in particular the key role of the microbial metabolite p-Cresol in the development of autistic behaviour.
Ce travail de thèse porte principalement sur les anomalies périphériques associées aux Troubles du Spectre Autistique (TSA), un groupe de pathologies du neurodéveloppement fréquentes.La première section est consacrée au travail principal de ma thèse et porte sur l'influence du microbiote et des métabolites bactériens dans les TSA. Chez les patients autistes, les déficits d’interaction sociale et les comportements répétitifs ou stéréotypies sont fréquemment associés à des symptômes gastro-intestinaux, des anomalies de composition de la flore intestinale et des niveaux anormaux de métabolites produits par le microbiote. Ceci laisse suggérer que des perturbations de l’axe microbiote-intestin-cerveau pourraient contribuer au développement des TSA. Néanmoins, le lien de causalité entre dysbiose, métabolites microbiens et comportements autistiques reste à démontrer. Notre hypothèse de travail est que certains métabolites microbiens sont les médiateurs des effets délétères de la flore intestinale sur les comportements impactés dans les TSA. Nous avons étudié le para-Crésol (p-Crésol), un métabolite microbien anormalement élevé chez les patients TSA et notamment produit par les Clostridies, des bactéries surabondantes chez ces patients. Nous avons exploré chez la souris le lien de causalité entre l’exposition au p-Crésol et le développement de comportements autistiques. Nous avons ainsi montré que les souris exposées au p-Crésol pendant 4 semaines présentent des stéréotypies et des déficits d’interaction sociale. Ces symptômes comportementaux propres aux TSA sont accompagnés d’une diminution de l’excitabilité des neurones dopaminergiques dans l’aire tegmentaire ventrale (ATV), une région du cerveau clé pour la récompense sociale, connue pour être dérégulée chez les patients TSA. Nous observons également des anomalies de la composition du microbiote, avec les abondances de certains taxa microbiens corrélées aux déficits d’interactions sociales. Enfin, la restauration d’un microbiote sain par un transfert de microbiote de souris normales à des souris exposées au p-Crésol nous a permis de restaurer les déficits d’interaction sociale et l'activité dopaminergique. Cette étude démontre, d’une part, un lien de cause à effet entre l’exposition à un métabolite microbien et le développement des comportements autistiques, et d’autre part, que la manipulation du microbiote est une voie thérapeutique possible pour les TSA. La seconde section de la thèse se compose de trois articles, auxquels j’ai contribué, et qui portent sur l’exploration des phénotypes périphériques dans le Syndrome de l'X Fragile (FXS), la première cause génétique de TSA. Le premier article porte sur l'étude de la dérégulation du métabolisme du glucose et des lipides dans le FXS et repose sur la souris Fmr1-KO, le modèle murin du FXS, ainsi que des échantillons de patients FXS. Dans le second article, nous avons analysé l'impact de l’inactivation du gène Fmr1 sur la composition corporelle et la structure osseuse dans le modèle murin du FXS. Dans le troisième article, nous avons mis en évidence des anomalies des profils de chimiokines dans le sérum de patients FXS, laissant supposer des dysfonctions immunitaires.Dans l’ensemble, mon travail de thèse a permis de mettre en évidence une contribution périphérique dans les TSA, et en particulier le rôle clé de métabolite microbien p-Crésol dans le développement des comportements autistiques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)