Mise en évidence de l’axe microbiote intestinal – muscle squelettique par l’étude de phénotypes musculaires remarquables

Evidence of gut microbiota - skeletal muscle axis, study with remarquable muscular phenotypes

• Auteur / Autrice : Maxence Jollet
• Direction : Christelle Koechlin-Ramonatxo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du Mouvement Humain
• Date : Soutenance le 27/11/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences du Mouvement Humain (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Dynamique musculaire et métabolisme (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Perrey
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christelle Koechlin-Ramonatxo, Stéphane Perrey, Laure Bindels, Nathalie Boisseau, Nuria Mach, Vincent Pialoux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laure Bindels, Nathalie Boisseau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métagénomique

Myopathie primitive progressive

Flore intestinale

Muscles striés

Mots clés libres

Muscle squelettique

Flore intestinale

Dystrophie

Myopathie

Métagénomiques

Physiologie

Skeletal muscle

Gut flora

Dystrophy

Myopathy

Physiology

Metagnomics

Résumé

Le microbiote intestinal est composé de 1014 bactéries essentielles dans la santé de l’individu. Son altération, appelée dysbiose, impacte différents organes (intestin, foie, tissu adipeux) induisant de nombreuses maladies notamment métaboliques. Le muscle squelettique, tissu hautement métabolique et responsable de notre autonomie physique, semble également être sous son influence. Ce doctorat s’est inscrit dans cette problématique émergente de l’existence possible d’un axe microbiote intestinal – muscle squelettique, et d’en comprendre les mécanismes de relation. Nos résultats montrent que les bactéries intestinales sont essentielles à la fonction musculaire squelettique. En effet, la déplétion du microbiote réduit les capacités contractiles musculaires ex-vivo ainsi que le contenu en glycogène musculaire alors que le réensemencement naturel normalise l’ensemble de ces effets. Comprendre la relation fonctionnelle entre microbiote et muscle exige également son étude dans des modèles de phénotypes musculaires remarquables afin d’en révéler l’étendue et se rapprocher de la réalité physiopathologique. Nous avons donc étudié la composition du microbiote intestinal, la fonction et la structure de l’intestin et les liens mécanistiques avec le muscle squelettique chez la souris hypertrophique déficiente en myostatine (KO-mstn), la souris dystrophique mdx, et chez l’Homme avec un modèle original de sédentarité accélérée « Dry Immersion », en collaboration avec le Centre National d’Etudes Spatiales. Nos analyses métagénomiques révèlent des signatures microbiennes spécifiques à chacun des phénotypes musculaires étudiés. Elles suggèrent que la chronicité de l’atteinte musculaire est un facteur dans l’importance des modifications observées au niveau de la flore intestinale. Les marqueurs de diversité sont ainsi fortement altérés dans le phénotype dystrophique mdx, avec une modification plus vaste de la composition bactérienne, un phylum spécifique : Deferribacteres, et des modifications jusqu’au genre pour les phyla Actinobacteria et Proteobacteria. La famille Muribaculaceae est, de façon intéressante, inversement affectée dans nos modèles divergents hypertrophique (KO-mstn) et dystrophique (mdx). De plus, les OTUs relatifs à la famille bactérienne Lachnospiraceae sont impactés dans les trois modèles. La Dry-Immersion de 5 jours modifie les ordres clostridialeso, Lactobacillaceaeo et Selenomonadaleso du phylum Firmicutesp. Ces données suggèrent une implication de certaines familles bactériennes dans le phénotype musculaire. Ces microbiotes intestinaux s’associent parfois à des modifications de fonction et de structure de l’intestin, seule réelle barrière avec le muscle squelettique, ainsi qu’à une moindre production d’acides gras à chaine courte et une surexpression de Fiaf et de marqueurs inflammatoires, potentiellement en lien avec les phénotypes musculaires. En conclusion, ces travaux de thèse apportent un nouvel éclairage sur l’axe microbiote intestinal – muscle squelettique que l’on peut redéfinir en dialogue, avec des pistes de mécanismes sous-jacents. Ils permettent d’envisager l’utilisation du microbiote intestinal comme vecteur d’amélioration de la fonctionnalité́ du muscle squelettique ouvrant ainsi des perspectives thérapeutiques et d’accompagnement pour les nombreuses pathologies affectant le tissu musculaire mais également pour le secteur de la performance sportive.

The gut microbiota represents a community of 1,014 bacteria that are essential for the host’ health. Its alteration, called dysbiosis, impacts various organs (intestine, liver, adipose tissue) leading to numerous diseases, in particular metabolic diseases. Skeletal muscle, a highly metabolic tissue responsible for our physical autonomy, also seems to be under its influence. This work is part of the emerging issue on the potential microbiota - skeletal muscle axis, and the understanding of its related mechanisms. Our results show that gut bacteria are essential for skeletal muscle function. In fact, depletion of the microbiota reduces ex-vivo muscle contractile capacities as well as muscle glycogen content, while natural reseeding normalizes all of these deleterious effects. Understanding the functional relationship between these two organs also requires to analyze it in remarkable muscle phenotypes in order to reveal the nature and the extent of the relation and to come closer to the pathophysiological reality. We therefore studied the composition of the gut microbiota, the function and structure of the gut and the mechanistic links with skeletal muscle in myostatin-deficient hypertrophic mice (KO-mstn), dystrophic mdx mice, and in humans with an original model of accelerated hypoactivity “Dry Immersion”, in collaboration with the Centre National d'Etudes Spatiales.Our metagenomic analyses reveal microbial signatures specific to each of the muscle phenotypes studied. It suggested that the chronicity of muscle damage is a factor in the importance of the composition changes observed in the gut microbiota. Diversity markers are thus strongly altered in the dystrophic mdx phenotype, with a more profound modification of the bacterial composition, with specific phylum presence : Deferribacteres; and modifications down to the genus for the Actinobacteria and Proteobacteria phyla. Interestingly, Muribaculaceae family is inversely affected in our opposite phenotypes : hypoetrophic (KO-mstn) and dystrophic (mdx). Moreover, in all three models, OTUs related to the Lachnospiraceae family are impacted suggesting an involvement in the muscle phenotype.After 5-days of Dry Immersion the Clostridiales, Lactobacillaceae and Selenomonadales orders of phylum Firmicutes are modified. These differential gut microbiotas are sometimes associated with changes in the function and structure of the intestine, the only real barrier with skeletal muscle, as well as with a reduce production of short-chain fatty acids and overexpression of Fiaf and inflammatory markers, potentially related to muscle phenotypes. In conclusion, this thesis shed new light on the gut microbiota – skeletal muscle axis, which can be redefined as a reciprocal cross-talk, with clues to the underlying mechanisms. To envisage the use of the gut microbiota as a vector for improving skeletal muscle function is thus possible opening up therapeutic perspectives for the numerous pathologies affecting the muscle tissue but also for the fields of sports performance.