Développement d'une puce à ADN métabolique et application à l'étude d'un modèle murin d'obésité et de diabète de type II

Résumé tout public : Le développement du diabète de type II et de l'obésité est causé par l'interaction entre des gènes de susceptibilité et des facteurs environnementaux, en particulier une alimentation riche en calories et une activité physique insuffisante. Afín d'évaluer le rôle de l'alimentation en absence d'hétérogénéité génétique, nous avons nourri une lignée de souris génétiquement pure avec un régime extrêmement gras. Ce régime a conduit à l'établissement de différents phénotypes parmi ces souris, soit : un diabète et une obésité (ObD), un diabète mais pas d'obésité (LD) ou ni un diabète, ni une obésité (LnD). Nous avons fait l'hypothèse que ces adaptations différentes au stress nutritionnel induit par le régime gras étaient dues à l'établissement de programmes génétiques différents dans les principaux organes impliqués dans le maintien de l'équilibre énergétique. Afin d'évaluer cette hypothèse, nous avons développé une puce à ADN contenant approximativement 700 gènes du métabolisme. Cette puce à ADN, en rendant possible la mesure simultanée de l'expression de nombreux gènes, nous a permis d'établir les profils d'expression des gènes caractéristiques de chaque groupe de souris nourries avec le régime gras, dans le foie et le muscle squelettique. Les données que nous avons obtenues à partir de ces profils d'expression ont montré que des changements d'expression marqués se produisaient dans le foie et le muscle entre les différents groupes de souris nourries avec le régime gras. Dans l'ensemble, ces changements suggèrent que l'établissement du diabète de type II et de l'obésité induits par un régime gras est associé à une synthèse accrue de lipides par le foie et à un flux augmenté de lipides du foie jusqu'à la périphérie (muscles squelettiques). Dans un deuxième temps, ces profils d'expression des gènes ont été utilisés pour sélectionner un sous-ensemble de gènes suffisamment discriminants pour pouvoir distinguer entre les différents phénotypes. Ce sous-ensemble de gènes nous a permis de construire un classificateur phénotypique capable de prédire avec une précision relativement élevée le phénotype des souris. Dans le futur, de tels « prédicteurs » basés sur l'expression des gènes pourraient servir d'outils pour le diagnostic de pathologies liées au métabolisme. Summary: Aetiology of obesity and type II diabetes is multifactorial, involving both genetic and environmental factors, such as calory-rich diets or lack of exercice. Genetically homogenous C57BL/6J mice fed a high fat diet (HFD) up to nine months develop differential adaptation, becoming either obese and diabetic (ObD) or remaining lean in the presence (LD) or absence (LnD) of diabetes development. Each phenotype is associated with diverse metabolic alterations, which may result from diverse molecular adaptations of key organs involved in the control of energy homeostasis. In this study, we evaluated if specific patterns of gene expression could be associated with each different phenotype of HFD mice in the liver and the skeletal muscles. To perform this, we constructed a metabolic cDNA microarray containing approximately 700 cDNA representing genes involved in the main metabolic pathways of energy homeostasis. Our data indicate that the development of diet-induced obesity and type II diabetes is linked to some defects in lipid metabolism, involving a preserved hepatic lipogenesis and increased levels of very low density lipoproteins (VLDL). In skeletal muscles, an increase in fatty acids uptake, as suggested by the increased expression of lipoprotein lipase, would contribute to the increased level of insulin resistance observed in the ObD mice. Conversely, both groups of lean mice showed a reduced expression in lipogenic genes, particularly stearoyl-CoA desaturase 1 (Scd-1), a gene linked to sensitivity to diet-induced obesity. Secondly, we identified a subset of genes from expression profiles that classified with relative accuracy the different groups of mice. Such classifiers may be used in the future as diagnostic tools of each metabolic state in each tissue. Résumé Développement d'une puce à ADN métabolique et application à l'étude d'un modèle murin d'obésité et de diabète de type II L'étiologie de l'obésité et du diabète de type II est multifactorielle, impliquant à la fois des facteurs génétiques et environnementaux, tels que des régimes riches en calories ou un manque d'exercice physique. Des souris génétiquement homogènes C57BL/6J nourries avec un régime extrêmement gras (HFD) pendant 9 mois développent une adaptation métabolique différentielle, soit en devenant obèses et diabétiques (ObD), soit en restant minces en présence (LD) ou en absence (LnD) d'un diabète. Chaque phénotype est associé à diverses altérations métaboliques, qui pourraient résulter de diverses adaptations moléculaires des organes impliqués dans le contrôle de l'homéostasie énergétique. Dans cette étude, nous avons évalué si des profils d'expression des gènes dans le foie et le muscle squelettique pouvaient être associés à chacun des phénotypes de souris HFD. Dans ce but, nous avons développé une puce à ADN métabolique contenant approximativement 700 ADNc représentant des gènes impliqués dans les différentes voies métaboliques de l'homéostasie énergétique. Nos données indiquent que le développement de l'obésité et du diabète de type II induit par un régime gras est associé à certains défauts du métabolisme lipidique, impliquant une lipogenèse hépatique préservée et des niveaux de lipoprotéines de très faible densité (VLDL) augmentés. Au niveau du muscle squelettique, une augmentation du captage des acides gras, suggéré par l'expression augmentée de la lipoprotéine lipase, contribuerait à expliquer la résistance à l'insuline plus marquée observée chez les souris ObD. Au contraire, les souris minces ont montré une réduction marquée de l'expression des gènes lipogéniques, en particulier de la stéaroyl-CoA désaturase 1 (scd-1), un gène associé à la sensibilité au développement de l'obésité par un régime gras. Dans un deuxième temps, nous avons identifié un sous-ensemble de gènes à partir des profils d'expression, qui permettent de classifier avec une précision relativement élevée les différents groupes de souris. De tels classificateurs pourraient être utilisés dans le futur comme outils pour le diagnostic de l'état métabolique d'un tissu donné.

Arginase as a marker of disease severity in human leishmaniasis

The leishmaniases are a group of diseases transmitted by the bite of Leishmania infected female phlebotomine sand flies. The diseases occur in different forms: localized, diffuse and muco-cutaneous leishmaniasis, and visceral leishmaniasis (VL). Inside macrophages, the main host cells of the obligate intracellular Leishmania parasites, nitric oxide synthase and arginase can regulate parasite killing or growth. In experimental leishmaniasis, we previously reported that non-healing disease is associated with higher arginase activity at site of pathology, correlating with local suppression of T cell function. To test whether these data translate to human leishmaniasis, the following study was initiated: I first tested the hypothesis that local suppression of T cell responses observed in persistent CL is associated with arginase induced L-arginine depletion. The results showed that arginase activity is increased at site of pathology compared to peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) of LCL patients and intact skin of healthy controls. The phenotype of arginase expressing cells was identified in both compartments as CD15+ CD14|0W low-density granulocytes (LDGs). Finally, high arginase activity at site of pathology observed in cutaneous lesions of patients coincides with downregulation of CD3Ç, CD4 and CD8 molecules in CD4+ and CD8+ T cells at site of pathology. We concluded that increased arginase levels in lesions of LCL patients might contribute to CL pathogenesis by impairing T cell effector function at site of pathology. Next, it was tested whether arginase, an enzyme associated with immunosuppression, is higher in patients with VL and contributes to impaired T cell function through depletion of L- arginine. The results showed that higher level of arginase activity in the PBMC coincides with active phase of VL. Cells expressing arginase in PBMCs were also found to be LDGs. Importantly, increased arginase activity and frequency of degranulated neutrophils coincided with lower plasma L-arginine levels. Furthermore, downregulation of CD3Ç, in T cells correlated with low plasma arginine levels. VL/HIV co-infection is a frequently reported leishmaniasis complication in Ethiopia associated with poor prognosis, with up to 40% mortality rate and high relapse rate. Arginase activity was significantly increased in PBMCs and plasma of VL patients co-infected with HIV than in those having VL alone. Similarly, cells expressing arginase in PBMCs were found to be LDGs. In summary, the results presented here show that increased arginase activity is a marker of disease severity in human leishmaniasis with and without HIV; further, these results suggest that arginase mediated L-arginine depletion may inhibit T cell function and contribute to impaired control of infection. - Les leishmanioses sont un groupe de maladies transmises par la piqûre de mouches des sables femelles, appelées phlébotomes, ayant été infectées par Leishmania. Les maladies se manifestent sous différentes formes: la leishmaniose cutanée localisée, la leishmaniose diffuse et mucocutanée et la leishmaniose viscérale (LV). A l'intérieur des macrophages, les principales cellules hôtes des parasites, l'oxyde nitrique synthase et l'arginase, peuvent contrôler, soit la mort du parasite, soit sa croissance. Pour la leishmaniose expérimentale, nous avons déjà rapporté que le développement de lesions qui ne guérissent pas est associé à une activité plus grande d'arginase au site d'infection, en corrélation avec la suppression locale de la fonction des cellules T. Pour vérifier si ces données pouvaient s'appliquer à la leishmaniose humaine, j'ai d'abord vérifié l'hypothèse selon laquelle la suppression locale des réponses des cellules T observée dans la CL persistante, est associée à la la diminution de L- arginine induite par l'arginase. Les résultats ont montré que l'activité arginase est augmentée au site d'infection, par rapport aux cellules mononucléées du sang périphérique (CMSP) de patients LCL et à la peau intacte des contrôles sains. Le phénotype de cellules exprimant l'arginase a été identifié dans les deux compartiments comme des granulocytes CD15+ et CD 14" de basse densité (LDG). Enfin, l'activité arginase élevée au site de la pathologie, observée dans les lésions cutanées de patients, coïncide avec la reduction dde l'expression des molécules CD3Ç, CD4 et CD8 dans les cellules T CD4+ et CD8+ au site de pathologie . Nous avons conclu que l'augmentation des niveaux d'arginase dans les lésions de patients LCL pourrait contribuer à la pathogenèse de la CL, en altérant la fonction effectrice des celllules T au site de la pathologie. Ensuite, nous avons vérifié si l'arginase, une enzyme associée à l'immunosuppression, était plus élevée chez les patients atteints de VL et si elle contribuait à la mauvaise fonction des cellules T par la depletion en L-arginine. Les résultats ont montré qu'un niveau plus élevé de l'activité arginase dans les PBMC correspond à la phase active de la VL. Les cellules exprimant l'arginase dans les CMSP se sont révélées à être de type LDG . Il est important de souligner que l'augmentation de l'activité arginase et la fréquence des neutrophiles dégranulés a coïncidé avec des niveaux inférieurs de L-arginine plasmatique. En outre, la suppression de CD3Ç dans les cellules T correlle avec de faibles niveaux d'arginine plasmatique . Il a été fréquement rapporté que la co-infection VL/VIH est une complication de la leishmaniose en Ethiopie, associée à un mauvais prognostic, un taux de mortalité pouvant atteindre 40% et un pourcentage élevé de rechutes. L'activité de l'arginase a beaucoup plus augmentée dans les CMSP et le plasma de patients atteints de VL et co-infectés par le VIH, que chez ceux seulement attaints de VL. De même, les cellules exprimant l'arginase dans les CMSP sont aussi des LDG. En résumé, les résultats présentés ici montrent que l'augmentation de l'activité de l'arginase est un marqueur de gravité de la la leishmaniose humaine, avec ou sans VIH ; en outre, ces résultats suggèrent que la déplétion de L-arginine par l'arginase pourrait inhiber la fonction des cellules T et contribuer à un contrôle réduit de l'infection. - Les Leishmanioses sont des maladies parasitaires transmises par la piqûre d'une mouche des sables femelle (phlébotome) infectée par Leishmania. La maladie se manifeste sous différentes formes cliniques : la leishmaniose viscérale, une maladie progressive mortelle en l'absence de traitement, la leishmaniose muco-cutanée (MCL), la leishmaniose cutanée diffuse (LCD ) maladie mutilante, qui peut être de longue durée et la leishmaniose cutanée localisée maladie dont on guérit mais laissant une cicatrice inesthétique à vie. La maladie est largement répandue, elle affecte les populations les plus pauvres dans 98 pays et 350 millions de personnes à risque. Globalement on estime à 500.000 les nouveaux cas de la forme viscérale et 1-1.5 million ceux de la leishmaniose cutanée. La leishmaniose est fortement endémique en Ethiopie et se manifeste dans les formes viscérale et cutanée. Le parasite Leishmania infecte et se multiplie dans les cellules du système immunitaire, principalement les macrophages. Les macrophages sont capables de tuer le parasite Leishmania s'ils reçoivent des instructions correctes de la part d'autres cellules du système immunitaire, les lymphocytes. Les macrophages expriment deux enzymes importants, appelés oxide nitrique synthase inductible (iNOS ) et l'arginase, qui sont respectivement associés à la promotion de la mort du parasite et la multiplication. L'enzyme iNOS présent dans les macrophages métabolise l'arginine afin de générer de l'oxyde d'azote (NO) , une molécule effectrice nécessaire pour tuer le parasite . Au contraire, lorsque les macrophages sont activés d'une certaine manière conduisant à l'augmention de la régulation de l'arginase, ils métabolisent l'arginine en polyamines qui favorisent la croissance du parasite. Au cours du développement de la leishmaniose, les lymphocytes ne parviennent pas à transmettre aux macrophages les signaux nécessaires pour tuer le parasite. Les mécanismes cellulaires qui sont la cause de ce défaut, ne sont pas bien compris. En utilisant des modèles animaux, nous avons montré la régulation à la hausse de l'arginase au site de la pathologie, qui s'est traduit par l'altération de la fonction effectrice des lymphoctes. Nous avons initié des études de leishmaniose humaine en Ethiopie afin d'identifier le rôle de l'arginase dans la sévérité de la maladie. Nos résultats montrent, que l'arginase est fortement augmentée dans la lésion des patients CL, et dans le sang des patients VL et ceux co-infectés par VL / VIH. Le niveau d' arginase régulée à la hausse coincide avec l'expression inférieure d'une molécule de signalisation dans les lymphocytes, qui est essentielle à leur bon fonctionnement. En VL actif, l'augmentation d'arginase se traduit par la diminution de l'arginine qui est indispensable à la synthèse de NO et au bon fonctionnement des lymphocytes. Ainsi, l'incapacité des lymphocytes à envoyer des signaux adéquats aux macrophages pourrait être due à la suppression de l'arginine.

Analyse systémique et prospective des usages de l'eau dans la région de Crans-Montana-Sierre (Suisse)

Crans-Montana-Sierre is a tourist area locateci in Rhone valley in central Valais, cha-racterized by dry climate and scarce summer precipitations. More than other regions in Switzerland, this area has suffered the effects of the drought (heat wave) that affec¬ted all Western Europe during summer 2003. In the future, climate change together with societal and economic development will signicantly modify the water need of the region and, consequently, may increase the potential conflicts of interest. Within a long term planning strategy, decision-makers require precise information about the current amount of water needed in the region, with particular attention to temporal and spatial concentration, and the forecasted amount for 2050. This work therefore aims at estimating the variation of the water demand by taking into account the influence of climate change (CH2011) and socio-economic scenarios, developed in cooperation with the competent authorities. This thesis, whose aim is to study the water management and water uses is a core part of the MontanAqua project "Water management in times of scarcity and global change" mainly because of its interdisciplinary topic at the interface between water resources, land development and the socio-political structure. Results show that socio-economic development by 2050 could have a greater impact than expected climate changes (CH2011, A1B scenarios) for the same time horizon for water demand. Demography, spatial planning, tourism and economic development are just some of the factors that could significantly affect the water consumption of the Crans-Montana-Sierre region. Compared with the future water resources available, the maximal water demand forecasted by the socio-economic scenarios developed within the project MontanAqua, could not always be satisfied. This issue, like extreme climate phenomena (as it was the summer drought occurred in 2003 or in April / May 2011), could be mitigated adopting regional management policies relating to a more rational water use and preventive storage of water resource. - Crans-Montana-Sierre est une région touristique située dans la vallée du Rhône; dans le Valais central, qui se caractérise par un climat relativement pauvre en précipitations et qui plus que d'autres a subi les effets de la sécheresse qui a touché l'Europe occidentale durant l'été 2003. À l'avenir, les changements climatiques ainsi que le développement socio-économique modifieront de manière significative les besoins en eau de la région, ce qui risque de faire augmenter les rivalités d'usage concernant cette ressource. Afin de jouer à l'avance, les décideurs ont besoin d'informations précises sur la quantité d'eau nécessaire à la région, avec une attention particulière à sa concentration temporelle et spatiale, à l'heure actuelle et à l'horizon 2050. Ce travail vise donc à estimer la variation de la demande en eau en tenant compte de l'influence des changements climatiques (CH2011) et des scénarios socio-économiques, élaborés en collaboration avec les autorités compétentes. Cette thèse, qui met l'accent sur les usages de l'eau fait partie du projet Montan Aqua « Gestion de l'eau en temps de pénurie et de changement global », est à l'intersection entre les ressources hydriques, l'aménagement du territoire et son organisation socio-politique, fait qui la met, non pas par son importance, mais par son emplacement et ses interconnexions, au coeur de cette recherche. Les résultats obtenus montrent comment les développements socio-économiques d'ici à 2050 ont un impact potentiellement plus important que les changements climatiques prévus par les scénarios AlB de CH2011 pour le même horizon temporel sur la demande en eau. Démographie, aménagement du territoire et contexte économico-touristique, ne sont que quelques-uns des facteurs qui ont la capacité d'agir significativement sur les usages de l'eau en ce qui concerne les aspects qualitatif et quantitatif de la région de Crans-Montana-Sierre. Par rapport aux ressources en eau disponibles à l'avenir, la demande maximale d'eau prévue par les scénarios socio-économiques développés au sein du projet MontanAqua risque de ne pas être toujours satisfaite. Ce danger et la manifestation de phénomènes climatiques extrêmes, comme la sécheresse estivale survenue en 2003 ou celle d'avril/mai 2011, ne pourront être atténués que par l'adoption de politiques de gestion à l'échelle régionale favorisant une utilisation plus rationnelle et un stockage préventif de la ressource en eau.