Thèse du Microbiote au Cerveau une Approche Transdisciplinaire pour Révéler le Rôle des Lipides Bactériens dans la Maladie de Parkinson H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : BSB - Biologie, Santé, Biotechnologies Laboratoire de recherche : IRSD - Institut de Recherche en Santé Digestive Direction de la thèse : Laure DAVID ORCID 0000000303394941 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 La maladie de Parkinson (MP) est la deuxième maladie neurodégénérative la plus fréquente. Pourtant, aucun traitement ne permet de prévenir ou d'enrayer sa progression, car les événements moléculaires à l'origine de la maladie restent mal compris. De plus en plus de données suggèrent que la MP pourrait prendre naissance dans l'intestin, où une dysbiose du microbiote précède de plusieurs années l'apparition des symptômes moteurs. Cependant, les mécanismes moléculaires reliant les bactéries intestinales à la pathologie de l'-synucléine restent inconnus.

Ce projet, à l'interface de la microbiologie et des neurosciences, vise à étudier un nouveau mécanisme de communication intestin-cerveau. Il a été démontré que les vésicules extracellulaires libérées par les bactéries (bEVs) franchissent la barrière intestinale et se disséminent vers des organes distants, notamment le cerveau. Nous avons également découvert que les bEVs produites par des souches pathogènes d'Escherichia coli, présentes chez 20 % de la population, transportent des lipides bioactifs qui perturbent profondément l'homéostasie lysosomale en induisant une perméabilisation membranaire, une accumulation de cholestérol et une acidification défectueuse, altérant ainsi l'autophagie. Les dysfonctionnements lysosomaux et autophagiques figurant parmi les événements les plus précoces de la MP, nous proposons un nouveau paradigme pathogénique selon lequel des lipides dérivés du microbiote participeraient à la pathologie de l'-synucléine via une altération de la fonction lysosomale. En soutien à cette hypothèse, nos données préliminaires montrent que les bEVs enrichies en lipides ainsi que les lipides bioactifs bactériens purifiés suffisent à induire l'agrégation de l'-synucléine selon un mécanisme d'ensemencement.

Notre hypothèse centrale est que les lipides bioactifs transportés par les vésicules extracellulaires bactériennes favorisent l'agrégation et la libération de l'-synucléine en perturbant l'homéostasie lysosomale et autophagique. Pour répondre à cette question, le projet combine des expertises complémentaires en bactériologie, biologie cellulaire et neurobiologie autour de trois objectifs : (i) déterminer comment les bEVs altèrent l'homéostasie lysosomale ; (ii) comprendre comment les lipides bactériens favorisent l'agrégation et la propagation de l'-synucléine ; et (iii) établir leur contribution à la pathogenèse de la maladie de Parkinson.

Ce projet devrait fournir les premières preuves mécanistiques démontrant que des lipides bioactifs dérivés du microbiote, transportés par des vésicules extracellulaires bactériennes, agissent comme des facteurs en amont de la maladie de Parkinson. En associant microbiologie et recherche sur les maladies neurodégénératives, il établira un nouvel axe pathogénique reliant les bactéries intestinales à la pathologie de l'-synucléine et identifiera les lipides bactériens comme des cibles thérapeutiques prometteuses pour développer des stratégies modifiant l'évolution de la maladie dès les premiers stades de la MP. Parkinson's disease (PD) is the second most common neurodegenerative disorder, affecting more than 10 million people worldwide and imposing an enormous personal, societal, and economic burden. Despite decades of research, no therapy can halt or delay disease progression because the molecular events initiating PD remain largely unknown. Although -synuclein misfolding and aggregation into Lewy bodies are hallmarks of the disease, the upstream triggers that ignite this pathogenic cascade have yet to be identified. This critical knowledge gap represents one of the greatest barriers to the development of disease-modifying therapies.
A growing body of evidence now suggests that PD may originate in the gut, where gastrointestinal dysfunction and microbiota dysbiosis precede motor symptoms by years, if not decades. Yet the molecular messengers by which gut bacteria influence neuronal proteostasis remain elusive. Our work has uncovered a previously unrecognized communication pathway along the gut-brain axis: bacterial extracellular vesicles (bEVs). We demonstrated that bEVs released by Gram-negative bacteria cross the intestinal barrier and disseminate throughout the body. Even more remarkably, we discovered that bEVs produced by pathogenic Escherichia coli strains naturally colonizing the gut of nearly 20% of the human population deliver a unique repertoire of bioactive lipids that profoundly disrupt lysosomal homeostasis, inducing membrane permeabilization, cholesterol accumulation, defective acidification, and impaired autophagic flux.
This discovery is particularly compelling because lysosomal and autophagic dysfunctions are now recognized as among the earliest pathological events in PD, preceding overt -synuclein pathology and driving the failure of protein quality control. Alterations in lysosomal lipid composition and acidification further exacerbate -synuclein accumulation, positioning lysosomal dysfunction at the core of PD pathogenesis. We therefore propose a new pathogenic paradigm: microbiota-derived bioactive lipids, transported by bacterial extracellular vesicles, act as previously unrecognized initiators of PD by disrupting lysosomal and autophagic machinery in host cells, thereby promoting -synuclein pathology. Supporting this hypothesis, compelling preliminary data generated by the co-supervisor demonstrate that both lipid-enriched bEVs and the purified bioactive lipids alone are sufficient to internalize protein aggregates into cells, causing intracellular -synuclein aggregation. Building on these breakthrough findings, this project will decipher how bEV-derived lipids drive -synuclein aggregation and extracellular release, identify the lysosomal and membrane trafficking pathways involved, and determine their contribution to PD pathogenesis.

By revealing microbiota-derived lipids as a completely new class of disease-promoting molecules, this project has the potential to redefine our understanding of Parkinson's disease initiation and uncover entirely new therapeutic strategies to prevent or halt neurodegeneration at its earliest stages.
Our hypothesis is that bioactive lipids carried by bacterial extracellular vesicles promote -synuclein aggregation and release by disrupting lysosomal and autophagic homeostasis. The project will be divided into 3 objectives :
1. How do bEV perturb lysosomal homeostasis?
2. How do bEV promote -synuclein aggregation and spreading?
3. Do these mechanisms contribute to PD pathology? We will first determine the effects of lipid-enriched bEVs and purified bioactive lipids on -synuclein aggregation using established HEK -synuclein cell-based models available in the lab of the German partner. We will then extend these studies to induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived neurons expressing -synuclein-GFP, where we will assess -synuclein seeding in the presence or absence of bEVs or bioactive lipids. In parallel, given the proposed gut origin of PD, we will investigate the effects of lipid-enriched bEVs and purified bioactive lipids on mouse and human gut organoids (available in the institute of the French partner), with the aim of determining whether these bacterial lipids trigger lysosomal and autophagic dysfunction and promote early -synuclein pathology in the intestinal epithelium. We will further assess whether bEV-derived lipids influence -synuclein release and cell-to-cell propagation by quantifying extracellular -synuclein and monitoring its transfer to recipient cells. To elucidate the underlying mechanisms, we will characterize lysosomal integrity and acidification, autophagic flux, and alterations in endolysosomal and membrane trafficking pathways. Finally, using pharmacological and genetic approaches targeting key lysosomal and trafficking pathways, we will determine whether modulation of these pathways prevents lipid-induced -synuclein aggregation and release, thereby establishing the contribution of lysosomal and trafficking dysfunction to bEV lipid-induced -synuclein pathology. We will use these experimental techniques :
- bacteriology (culture, transformation, bacterial vesicles purification and characterization, etc..)
- cell biology (culture, immunofluorescence, western blot, immunofractionation, etc.) ;
- molecular biology (qRT-PCR, genetic invalidation, lipids purification, etc.) ;