Effects of maternal immune activation on neurodevelopmental changes in the mouse: Potential role of disrupted microglial fractalkine signaling

Inflammation during pregnancy can disturb brain development and lead to neurodevelopmental disorders like autism spectrum disorder (ASD). Abnormal synaptic formation and neuronal connections are critical features of these disorders, and microglia—better known as the resident immune cells of the brain, have been shown to be essential for synaptic pruning, the developmental shaping of connections between neurons. This sculpting task during brain development involves several microglia immune signals to eliminate superfluous synaptic spines including microglial fractalkine receptor (CX3CR1). As an immune cell with a role in brain development, we sought to understand whether an acute activation of the maternal immune system is associated with aberrant microglia pruning function and altered neurodevelopment.We used lipopolysaccharide, a bacterial immunogen, to induce immune activation during late gestation in mice. We assessed the resulting inflammatory response and in both male and female offspring, then, quantified the number of spines in Golgi-stained neurons of the hippocampus at the peak of synaptic pruning and measured mRNA changes by RT-qPCR for known microglia-relevant pruning genes (Cx3cr1, C1q and C3). We further assessed behavior characteristic of neurodevelopmental disorders like ASD and to identify critical mediators we investigated microglia changes in number and phenotype. We found a male-specific higher spine density in cells of the pup’s hippocampus that was paralleled by a significant reduction in the expression of CX3CR1 mRNA. We further observed behavioral changes relevant to ASD in all the offspring and determined that while microglia numbers remain intact, these cells undergo morphological changes typical of a more activated phenotype. Lastly, there was a male-specific decrease in microglial receptor CX3CR1 in the offspring, which to rescue would require a tool to overexpress it in microglia. We therefore constructed plasmids with microglia promoter regions for the Cx3cr1 gene to adapt a novel red-light activated gene switch.A CX3CR1 gene variant in humans, that results in disrupted fractalkine signaling, has been recently associated with an increased risk of developing neurodevelopmental disorders like schizophrenia and ASD. We show that an acute immune insult during late gestation can potentially disrupt fractalkine signaling by reducing the expression of CX3CR1 and appears to induce similar neurodevelopmental characteristics and behavioral deficits as those observed in the genetic Cx3cr1 knock-out a mouse ASD model. Our work helps position microglia fractalkine signaling as a relevant target underlying environmental risk factors leading to neurodevelopmental disorders.L'inflammation pendant la grossesse peut perturber le développement cérébral et conduire à des troubles du développement neurologique tels que les troubles du spectre de l’autisme (TSA). Ces troubles sont essentiellement caractérisés par des connexions neuronales et formation synaptiques anormales. La microglie, cellule immunitaire résidente du cerveau, est essentielle pour l'élagage synaptique ainsi que la formation des connexions entre neurones. Au cours du développement cérébral, cette tâche de modelage implique plusieurs signaux immunitaires de la microglie qui permettent l’élimination des épines synaptiques superflues, notamment le récepteur microglial de la fractalkine (CX3CR1). Considérant les propriétés immunitaires et le rôle dans le développement cérébral des microglies, nous avons cherché à comprendre si une activation aiguë du système immunitaire de la mère affecte l'élagage synaptique par la microglie et est associée à une altération du développement neurologique.Nous avons utilisé le lipopolysaccharide, un immunogène bactérien, pour induire une activation immunitaire en fin de gestation chez la souris et évaluer la réponse inflammatoire résultante chez la progéniture mâle et femelle. Nous avons également quantifié les épines dans les neurones de l'hippocampe en utilisant une coloration Golgi au pic de l'élagage synaptique et mesuré les changements d'ARNm par RT-qPCR pour des gènes microgliaux impliqués dans l'élagage synaptique (CX3CR1, C1q et C3). Enfin, nous avons évalué certains aspects du comportement qui s’apparentent à certains troubles du développement ; et dans le but d'identifier des médiateurs critiques, nous avons mesuré le nombre et cherché à identifier le phénotype de la microglie.Nous avons trouvé une augmentation du nombre d'épines ainsi qu'une réduction significative de l’expression de l’ARNm de CX3CR1 dans les cellules de l’hippocampe des progénitures mâle. Nous avons en outre observé des modifications comportementales chez tous les descendants et avons déterminé que, même si le nombre de microglies demeure intact, ces cellules subissent des modifications morphologiques typiques d'un phénotype plus activé. Enfin, nous avons mesuré une diminution du récepteur microglial CX3CR1 chez la progéniture mâle spécifiquement, motivant le développement d'un outil permettant sa surexpression dans la microglie. Nous avons donc construit des plasmides avec des régions du promoteur de la microglie pour le gène Cx3cr1 afin d'adapter un nouveau commutateur génique activé par la lumière rouge.Une variante du gène CX3CR1, entraînant une perturbation de la signalisation de la fractalkine, a récemment été identifiée chez l’homme et associée à un risque accru de troubles du développement cérébral tels que la schizophrénie et l’autisme. Nous avons démontré qu'une activation immunitaire aiguë en fin de gestation peut potentiellement perturber la signalisation de la fractalkine en réduisant l'expression de CX3CR1. Cette procédure semble également induire des caractéristiques neurodéveloppementales et des déficits comportementaux similaires à ceux observés dans le modèle génétique d'invalidation du gène Cx3cr1, un modèle murin de trouble du spectre de l’autisme. Ainsi, notre travail présente la signalisation de la fractalkine dans la microglie comme un des facteurs de risque environnementaux menant à des troubles du développement cérébral