Glycogen metabolism as a marker of astrocyte differentiation.

Glycogen is a hallmark of mature astrocytes, but its emergence during astrocytic differentiation is unclear. Differentiation of E14 mouse neurospheres into astrocytes was induced with fetal bovine serum (FBS), Leukemia Inhibitory Factor (LIF), or Ciliary Neurotrophic Factor (CNTF). Cytochemical and enzymatic analyses showed that glycogen is present in FBS- or LIF- but not in CNTF-differentiated astrocytes. Glycogenolysis was induced in FBS- and LIF-differentiated astrocytes but glycogen resynthesis was observed only with FBS. Protein targeting to glycogen mRNA expression appeared with glial fibrillary acidic protein and S100beta in FBS and LIF conditions but not with CNTF. These results show that glycogen metabolism constitutes a useful marker of astrocyte differentiation.

Nuclear receptor PPARS function in stem cell differentiation and bone physiology

In adult, bone remodeling is a permanent process, reaching an annual turnover of about 10% of the skeleton. Bone remodeling requires the sequential and coordinated actions of the hematopoietic origin osteoclasts, to remove bone and the mesenchymal origin osteoblasts to replace it. An increased level of bone resorption is the primary cause of age-related bone loss often resulting in osteopenia, and is the major cause of osteoporosis.¦Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs), which are expressed in three isotypes, PPARa, PPARp and PPARy, are ligand-activated transcription factors that control many cellular and metabolic processes, more particularly linked to lipid metabolism. In bone, previous works has shown that PPARy inhibits osteogenesis by favoring adipogenesis from common mesenchymal progenitors. In addition, the pro-osteoclastogenesis activity of PPARy results in an increased bone resorption. Accordingly, treatment with PPARy agonist such as the anti-diabetic drug TZD causes bone loss and accumulation of marrow adiposity in mice as well as in postmenopausal women. The aim of the present thesis work was to elucidate the PPARs functions in bone physiology.¦The initial characterization of the PPARP" bone phenotype mainly revealed a decreased BMD. In vitro studies exploring the potency of mesenchymal stem cells to differentiate in osteoblast showed no differences depending on the genotype. However, we could demonstrate an effect of PPARp in partially inhibiting osteoclastogenesis. These results are further sustained by a study made in collaboration with the group of Dr Kronke, which showed an impressive protection against ovariectomy-generated bone loss when the females are treated with a PPARp agonist.¦Observations in PPARy null mice are more complex. The lab has recently been able to generate mice carrying a total deletion of PPARy. Intriguingly, the exploration of the bone phenotype of these mice revealed paradoxical findings. Whereas short bones such as vertebrae exhibit an elevated BMD as expected, long bones (tibia and femur) are clearly osteoporotic. According to their activity when set in culture, osteoblast differentiation normally occurs. Indeed the phenotype can be mainly attributed to a high density of osteoclasts in the cortical bone of PPARy null mice, associated to large bone resorption areas.¦Our explorations suggest a mechanism that involves regulatory processes linking osteoclastogenesis to adipogenesis, the latter being totally absent in PPARy null mice. Indeed, the lack of adipose tissue creates a favorable niche for osteoclastogenesis since conditioned medium made from differentiated adipocyte 3T3L1 inhibited osteoclastogenesis from both PPARy-/- and WT cells. Thus, adipokines deficiency in PPARy-/- mice contributes to de- repress osteoclastogenesis. Using specific blocking antibody, we further identified adiponectin as the major player among dozens of adipokines. Using flow cytometry assay, we explored the levels at which the osteoclastic commitment was perturbed in the bone marrow of PPARy-/- mice. Intriguingly, we observe a general decrease for hematopoietic stem cell and lineage progenitors but increased proportion of osteoclast progenitor in PPARy-/- bone marrow. The general decrease of HSC in the bone marrow is however largely compensated by an important extra-medullary hematopoeisis, taking place in the liver and in the spleen.¦These specific characteristics emphasize the key role of PPARy on a cross road of osteogenesis, adipogenesis and hematopoiesis/osteoclastogenesis. They underline the complexity of the bone marrow niche, and demonstrate the inter-dependance of different cell types in defining bone homeostasis, that may be overseen when experimental design single out pure cell populations.¦Chez l'adulte, même après la fin de la croissance, le renouvellement des os se poursuit et porte sur environ 10% de l'ensemble du squelette adulte, par année. Ce renouvellement implique à la fois des mécanismes séquentiels et coordonnés des ostéoclastes d'origine hématopoïetique, qui dégradent l'os, et des ostéoblastes d'origine mésenchymale, qui permettent la régénération de l'os. La perte en densité osseuse due à l'âge entraîne un fort niveau de résorption, conduisant souvent à une ostéopénie, elle-même cause de l'ostéoporose.¦Les trois isotypes PPAR (Peroxisome proliferator-activated receptor, PPARa, PPARp, et PPARy) sont des récepteurs nucléaires qui contrôlent de nombreux mécanismes cellulaires et métaboliques, plus particulièrement liés au métabolisme lipidique. Au niveau osseux, des travaux précédents ont montré que PPARy inhibe l'ostéoblastogenèse en favorisant la formation d'adipocytes à partir de la cellule progénitrice commune. De plus, l'activité pro- ostéoclastogénique de PPARy induit une résorption osseuse accrue. Condormément à ces observations, les patients diabétiques traités par les thiazolidinediones qui agissent sur PPARy, ont un risque accrue d'ostéoporose liée à une perte osseuse accrue et un accroissement de l'adiposité au niveau de la moelle osseuse. Dans ce contexte, l'objectif de mon travail de thèse a été d'élucider le rôle des PPAR dans la physiologie osseuse, en s'appuyant sur le phénotype des souris porteuses de mutation pour PPAR.¦La caractérisation initiale des os des souris porteuses d'une délétion de ΡΡΑΕφ a principalement révélé une diminution de la densité minérale osseuse (DMO). Alors que l'ostéogenèse n'est pas significativement altérée chez ces souris, l'ostéoclastogenèse est elle augmentée, suggérant un rôle modérateur de ce processus par ΡΡΑΕΙβ. Ces résultats sont par ailleurs soutenus par une étude menée par le groupe du Dr Krônke en collaboration avec notre groupe, et qui monte une protection très importante des souris traitées par un activateur de PPARP contre l'ostéoporose provoquée par l'ovariectomie.¦Les observations concernant PPARy donnent des résultats plus complexes. Le laboratoire a en effet été capable récemment de générer des souris portant une délétion totale de PPARy. Alors que les os courts chez ces souris présentent une augmentation de la DMO, comme attendu, les os longs sont clairement ostéoporotiques. Ce phénotype corrèle avec une densité élevée d'ostéoclastes dans l'os cortical de ces os longs. Deux processus semblent contribuer à ce phénotype. En premier lieu, nous démontrons qu'un milieu conditionné provenant de cultures de cellules 3T3-L1 différenciées en adipocytes contiennent une forte activité inhibitrice d'osteoclastogenesis. L'utilisation d'anticorps neutralisant permet d'identifier l'adiponectine comme l'un des facteurs principaux de cette inhibition. Les souris PPARy étant totalement dépourvues d'adipocytes et donc de tissu adipeux, la sécrétion locale d'adiponectine dans la moelle osseuse est donc également absente, entraînant une désinhibition de l'ostéoclastogenèse. En second lieu, des analyses par FACS révèle une proportion accrue des cellules progénitrices d'ostéoclastes dans la moelle osseuse. Cela s'accompagne par une diminution globale des cellules souches hématopoïétiques, qui est cependant largement compensée par une importante hématopoëise extra-médullaire, dans le foie comme dans la rate.¦L'ensemble de notre travail montre toute l'importance de PPARy au carrefour de l'ostéogenèse, adipogenèse, et hématopoëise/osteoclastogenèse. Il souligne la complexité de la niche que représente la moelle osseuse et démontre l'inter-dépendance des différents types cellulaires définissant l'homéostasie osseuse, complexité qui peut facilement être masqué lorsque le travail expérimental se concentre sur le comportement d'un type cellulaire donné.

Production endogène de Nortestostérone chez l'homme et influence de l'activité physique et du régime alimentaire

RESUME Depuis les années 1980, les stéroïdes androgéniques anabolisants (SAA) sont restés les produits dopants les plus utilisés par les sportifs. Les propriétés principales attribuées à ces substances sont une augmentation de la masse et de la force musculaire ainsi qu'une agressivité supérieure pouvant s'avérer bénéfique lors des entraînements ou des compétitions. En plus de cette "tradition" liée à la consommation des SAA, une autre problématique est apparue dans le monde antidopage suite à la fulgurante expansion de l'utilisation des compléments alimentaires par les athlètes professionnels et amateurs. Dès la fin des années 1990, une recrudescence de cas positifs de dopage aux SAA a été attribuée à la contamination des compléments alimentaires par des composés anabolisants tels que la testostérone ou la nandrolone ou par des prohormones se situant en amont dans le métabolisme de certains SAA et conduisant à la présence, dans les urines, de traces de substances interdites par l'Agence Mondiale Antidopage (AMA). Afin de mettre en garde les autorités antidopage ainsi que les athlètes quant aux problèmes liés aux compléments alimentaires, le Laboratoire Suisse d'Analyse du Dopage (LAD) a décidé d'étudier de manière plus précise la composition d'une centaine de produits accessibles en Suisse par l'intermédiaire d'internet. Cette étude a permis de mettre en évidence un taux de non conformité des produits avoisinant les 20%, avec une contamination plus importante des produits contenant des hormones ou des prohormones. La consommation de doses journalières recommandées des produits contaminés a mené à la détection dans les urines de la présence de substances interdites par l'AMA. Ces résultats confirment ainsi que l'usage de compléments alimentaires peut s'avérer dangereuse dans le cadre de contrôles antidopage et que les effets sur l'état physique et mental des athlètes peuvent dépasser les effets désirés et être dramatiques pour la poursuite d'une carrière sportive. D'autre part, cela démontre que l'alimentation peut mener à la présence urinaire de substances proscrites telles que les métabolites de la nandrolone, la 19-norandrostéreone (19-NA) et la 19-norétiocholanolone (19-NE). Afin de démontrer un effet potentiel de l'exercice physique sur l'excrétion urinaire des métabolites de la nandrolone, une première étude clinique a été réalisée avec 34 volontaires. Deux doses orales de nandrolone marquée avec deux atomes de C13 ont été administrées aux sujets. Les urines ont été récoltées durant les 5 jours suivant les prises orales (études d'excrétion) ainsi qu'avant et après les 8 séances d'entraînements du protocole. Les analyses des études d'excrétion ont permis d'établir une variabilité intra- et inter-individuelle du métabolisme et de la pharmacocinétique de la 19-NA et de la 19-NE. En dépit de la rapide élimination urinaire des métabolites de la nandrolone C13, les analyses des échantillons prélevés avant et après les différents efforts n'ont pas révélé une influence nette de l'exercice physique sur les concentrations urinaires de la 19-NA et 19-NE. Une seconde étude clinique a été effectuée, avec la participation de 30 volontaires. Il s'agissait de déterminer si la consommation de multiples doses orales d'un décanoate de testostérone, de 19-norandrostenedione (un précurseur de la nandrolone) ou de placebo durant un mois, pouvait avoir des effets bénéfiques sur la récupération et la performance physique. En parallèle, les sujets étaient soumis à un entrainement d'endurance intense et individualisé. Divers paramètres physiologiques ont été étudiés dans le sérum et les urines afin de mettre en évidence une meilleure récupération de l'organisme. Aucun de ses paramètres n'a permis de conclure que la consommation orale de SAA est favorable pour optimaliser les capacités de récupération des athlètes. De plus, les performances physiques ont été évaluées avant et après l'entraînement et le traitement. Aucune différence significative n'a été démontrée entre les trois groupes de volontaires. L'état psychologique des volontaires a été évalué à l'aide de questionnaires (short Profile of Mood State, sPOMS) remplis à trois reprises au cours du protocole. De manière générale, l'évolution observée est une augmentation de la fatigue avec une diminution de la vigueur. Des analyses statistiques ont révélé que des prises orales de testostérone, et dans une moindre mesure de 19-norandrostenedione, ont une légère influence sur cette évolution générale en diminuant les effets de l'entrainement sur le profil psychologique. Les urines récoltées durant le protocole ont été analysées par GC/C/IRMS et GCMS afin de détecter les variations des concentrations des hormones liées au métabolisme de la testostérone. Les résultats ont démontré une variabilité interindividuelle du métabolisme de la testostérone qui implique que les critères de positivité imposés par l'AMA ne sont pas forcément valables pour tous les individus. La détection de la 19-NA et de la 19-NE, issus du métabolisme in vivo de la 19norandrostenedione, a confirmé les résultats obtenus sur la pharmacocinétique et le métabolisme de la nandrolone C13 obtenus lors de la première étude clinique. Ce travail a permis de clarifier certains points en lien avec l'abus de la nandrolone dans le sport et notamment par rapport à la consommation de compléments alimentaires. Les deux études cliniques n'ont pas véritablement apporté les réponses souhaitées aux hypothèses de départ. Cependant certains aspects intéressants en relation avec le métabolisme des SAA ont été découverts et pourront peut-être permettre à la lutte antidopage d'évoluer vers une meilleure efficacité. SUMMARY Since 1980's, anabolic androgenic steroids (AAS) are still the most used doping agents in sports. The main properties attributed to these substances are an increase of muscle mass and strength and also a higher aggressiveness that could be beneficial during trainings and competitions. In addition to this "tradition" linked to the AAS intake, another problematics has raised in the antidoping field. Indeed, nutritional supplements have been more and more used by professional and amateur athletes. Since the end of the 1990's, an outburst of positive doping cases with AAS has been attributed to nutritional supplements contaminations with anabolic compounds like testosterone or nandrolone or with prohormones located above in the metabolism of some AAS and prompting urinary traces of forbidden compounds by the World Antidoping Agency (WADA). In order to inform the antidoping authorities and the athletes about the problems linked to the nutritional supplements, the Swiss Laboratory for Doping Analyses (LAD) decided to investigate more precisely the composition of about hundred products accessible in Switzerland through different web sites. This study showed that about 20% of the products were not conformed to the composition announced by the manufacturers. The oral intake of daily recommended doses of the contaminated products revealed the presence in urines of forbidden substances by the WADA. Hence, these results confirm that the use of nutritional supplements can lead to adverse analytical findings in antidoping controls and that the effects on athletes' physical and mental state could be different from the ones desired and could be dramatic for the continuation of an athlete's career. Moreover, this demonstrates that the diet can lead to the presence in urines of proscribed substances like nandrolone metabolites, i.e. 19-norandrosterone (19-NA) and 19-noretiocholanolone (19-NE). To put forward a potential effect of physical exercise on urinary nandrolone metabolites excretion rate, a first clinical study was done with 34 volunteers. Two oral doses of nandrolone labelled with two C13 atoms were administered to the subjects. The urines were collected during the 5 days following the treatment (excretion studies) and before and after the 8 exercise sessions of the protocol. The analyses of excretion studies revealed an intra- and inter-individual variability of the metabolism and the pharmacokinetics of 19-NA and 19-NE. In spite of the rapid urinary elimination of the nandrolone C13 metabolites, the analyses of the urine samples gathered before and after efforts did not show a clear influence of physical exercise on the urinary 19-NA and 19-NE concentrations. A second clinical study was done with the participation of 30 volunteers. The main aim was to determine if multiple oral doses of testosterone undecanoate, 19-norandrostenedione (a nandrolone precursor) or placebo during one month, could have beneficial effects on recovery and physical performance. Meanwhile, the individuals had to follow an intense and personalized endurance training program. Several physiological parameters were investigated in serum and urines in order to demonstrate a better organism's recovery. None of these parameters lead to the conclusion that oral intake of AAS is useful to optimise the recovery capacities of athletes. In addition, physical performances were evaluated before and after the training and treatment month. No significant difference was shown between the three volunteers groups. The psychological state of the volunteers was assessed through questionnaires (short Profile of Mood State, sP4MS) filled three times during the protocol. The global evolution is an increase of fatigue with an decrease of vigour. Statistical analyses revealed that the oral intake of testosterone, and to a lesser extent of 19= norandrostenedione, have a small influence on this general evolution in decreasing the effect of training on the psychological profile. The urines collected during the protocol were analysed by GC/C/IRMS and GCMS to detect concentrations variations of hormones related to the testosterone metabolism. The results revealed an interindividual variability of testosterone metabolism which implies that the guidance concerning endogenous steroids prescribed by the WADA are not uniformly valid for all individuals. Detection of 19-NA and 19-NE, coming from the in vivo metabolism of 19norandrostenedione, confirmed the results previously obtained on the pharamcokinetics and metabolism of the nandrolone C13 in the first clinical study. This work allowed to clarify some aspects linked to nandrolone abuse in sports and noteworthy related to nutritional supplements intake. The two clinical studies did not really bring plain answers to the basal hypotheses but some interesting aspects in relation with AAS metabolism were put forth and would perhaps allow an evolution of a more effective fight against doping.

Changes in insulin secretion and glucose metabolism induced by dexamethasone in lean and obese females

Résumé But: Chez les individus sveltes et en bonne santé, les modifications de la sensibilité à l'insuline secondaires à l'administration de dexaméthasone pendant deux jours sont compensées par une modification de la sécrétion d'insuline, permettant le maintien de l'homéostasie glucidique. Cette étude évalue les modifications du métabolisme glucidique et de la sécrétion d'insuline induites par une administration limitée de dexaméthasone chez les femmes obèses. Méthode de recherche: Onze femmes obèses ayant une tolérance au glucose normale ont été étudiées à deux reprises, 1° sans dexaméthasone et 2° après deux jours d'administration de dexaméthasone à faible dose. Un clamp hyperglycémique comportant deux plateaux (taux plasmatique de glucose à 7.5, respectivement 10 mM) avec du glucose marqué (6.6 ²H2 glc) a été utilisé pour déterminer la sécrétion d'insuline et le métabolisme du glucose du corps entier. Les résultats ont été comparés à ceux d'un groupe de huit femmes sveltes. Résultats : Sans dexaméthasone, les femmes obèses avaient un taux d'insuline plasmatique supérieur à jeun, durant le premier pic de sécrétion d'insuline, et aux deux plateaux hyperglycémiques. Elles avaient toutefois un métabolisme glucidique normal comparé à celui des femmes sveltes, ce qui indique une compensation adéquate. Après administration de la dexaméthasone, les femmes obèses avaient une augmentation du taux d'insuline plasmatique de 66 à 92%, mais une baisse de stockage du glucose de 15.4%. Ceci contrastait avec l'augmentation du taux d'insuline plasmatique de 91 à 113% chez les femmes sveltes et l'absence de changement de stockage du glucose du corps entier. Discussion : L'administration de dexaméthasone conduit à une baisse significative du stockage du glucose du corps entier pour une glycémie fixée chez les femmes obèses mais non chez les femmes sveltes. Ceci indique que les femmes obèses sont incapables d'accroître adéquatement leur sécrétion d'insuline. Abstract: Objective: In healthy lean individuals, changes in insulin sensitivity occurring as a consequence of a 2-day dexamethasone administration are compensated for by changes in insulin secretion, allowing glucose homeostasis to be maintained. This study evaluated the changes in glucose metabolism and insulin secretion induced by short-term dexamethasone administration in obese women. Research Methods and Procedures: Eleven obese women with normal glucose tolerance were studied on two occasions, without and after 2 days of low-dose dexamethasone administration. A two-step hyperglycemic clamp (7.5 and 10 mr1/1 glucose) with 6,6 2H2 glucose was used to assess insulin secretion and whole body glucose metabolism. Results were compared with those obtained in a group of eight lean women. Results: Without dexamethasone, obese women had higher plasma insulin concentrations in the fasting state, during the first phase of insulin secretion, and at the two hyperglycemic plateaus. However, they had normal whole body glucose metabolism compared with lean women, indicating adequate compensation. After dexamethasone, obese women had a 66% to 92% increase in plasma insulin concentrations but a 15.4% decrease in whole body glucose disposal. This contrasted with lean women, who had a 91% to 113% increase in plasma insulin concentrations, with no change in whole body glucose disposal. Discussion: Dexamethasone administration led to a significant reduction in whole body glucose disposal at fixed glycemia in obese but not lean women. This indicates that obese women are unable to increase their insulin secretion appropriately.

Roles of astrocytic sodium dynamics in the neurometabolic coupling : a study by cellular imaging

RESUME LARGE PUBLIC Le système nerveux central est principalement composé de deux types de cellules :les neurones et les cellules gliales. Ces dernières, bien que l'emportant en nombre sur les neurones, ont longtemps été considérées comme des cellules sans intérêts par les neuroscientifiques. Hors, les connaissances modernes à leurs sujets indiquent qu'elles participent à la plupart des tâches physiologiques du cerveau. Plus particulièrement, elles prennent part aux processus énergétiques cérébraux. Ceux-ci, en plus d'être vitaux, sont particulièrement intrigants puisque le cerveau représente seulement 2 % de la masse corporelle mais consomme environ 25 % du glucose (substrat énergétique) corporel. Les astrocytes, un type de cellules gliales, jouent un rôle primordial dans cette formidable utilisation de glucose par le cerveau. En effet, l'activité neuronale (transmission de l'influx nerveux) est accompagnée d'une augmentation de la capture de glucose, issu de la circulation sanguine, par les astrocytes. Ce phénomène est appelé le «couplage neurométabolique » entre neurones et astrocytes. L'ion sodium fait partie des mécanismes cellulaires entrant en fonction lors de ces processus. Ainsi, dans le cadre de cette thèse, les aspects dynamiques de la régulation du sodium astrocytaire et leurs implications dans le couplage neurométabolique ont été étudiés par des techniques d'imagerie cellulaires. Ces études ont démontré que les mitochondries, machineries cellulaires convertissant l'énergie contenue dans le glucose, participent à la régulation du sodium astrocytaire. De plus, ce travail de thèse a permis de découvrir que les astrocytes sont capables de se transmettre, sous forme de vagues de sodium se propageant de cellules en cellules, un message donnant l'ordre d'accroître leur consommation d'énergie. Cette voie de signalisation leur permettrait de fournir de l'énergie aux neurones suite à leur activation. RESUME Le glutamate libéré dans la fente synaptique pendant l'activité neuronale, est éliminé par les astrocytes environnants. Le glutamate est co-transporté avec des ions sodiques, induisant une augmentation intracellulaire de sodium (Na+i) dans les astrocytes. Cette élévation de Na+i déclenche une cascade de mécanismes moléculaires qui aboutissent à la production de substrats énergétiques pouvant être utilisés par les neurones. Durant cette thèse, la mesure simultanée du sodium mitochondrial (Na+mit) et cytosolique par des techniques d'imagerie utilisant des sondes fluorescentes spécifiques, a indiqué que les variations de Na+i induites par le transport du glutamate sont transmises aux mitochondries. De plus, les voies d'entrée et de sortie du sodium mitochondrial ont été identifiées. L'échangeur de Na+ et de Ca2+ mitochondrial semble jouer un rôle primordial dans l'influx de Na+mit, alors que l'efflux de Na+mit est pris en charge par l'échangeur de Na+ et de H+ mitochondrial. L'étude du Na+mit a nécessité l'utilisation d'un système de photoactivation. Les sources de lumière ultraviolette (UV) classiques utilisées à cet effet (lasers, lampes à flash) ayant plusieurs désavantages, une alternative efficace et peu coûteuse a été développée. Il s'agit d'un système compact utilisant une diode électroluminescente (LED) à haute puissance et de longueur d'onde de 365nm. En plus de leurs rôles dans le couplage neurométabolique, les astrocytes participent à la signalisation multicellulaire en transmettant des vagues intercellulaires de calcium. Ce travail de thèse démontre également que des vagues intercellulaires de sodium peuvent être évoquées en parallèle à ces vagues calciques. Le glutamate, suite à sa libération par un mécanisme dépendent du calcium, est réabsorbé par les transporteurs au glutamate. Ce mécanisme a pour conséquence la génération de vagues sodiques se propageant de cellules en cellules. De plus, ces vagues sodiques sont corrélées spatialement avec une consommation accrue de glucose par les astrocytes. En conclusion, ce travail de thèse a permis de montrer que le signal sodique astrocytaire, déclenché en réponse au glutamate, se propage à la fois de façon intracellulaire aux mitochondries et de façon intercellulaire. Ces résultats suggèrent que les astrocytes fonctionnent comme un réseau de cellules nécessaire au couplage énergétique concerté entre neurones et astrocytes et que le sodium est un élément clé dans les mécanismes de signalisations cellulaires sous-jacents. SUMMARY Glutamate, released in the synaptic cleft during neuronal activity, is removed by surrounding astrocytes. Glutamate is taken-up with Na+ ions by specific transporters, inducing an intracellular Na+ (Na+i) elevation in astrocytes which triggers a cascade of molecular mechanisms that provides metabolic substrates to neurons. Thus, astrocytic Na+i homeostasis represents a key component of the so-called neurometabolic coupling. In this context, the first part of this thesis work was aimed at investigating whether cytosolic Na+ changes are transmitted to mitochondria, which could therefore influence their function and contribute to the overall intracellular Na+ regulation. Simultaneous monitoring of both mitochondrial Na+ (Na+mit) and cytosolic Na+ changes with fluorescent dyes revealed that glutamate-evoked cytosolic Na+ elevations are indeed transmitted to mitochondria. The mitochondrial Na+/Ca2+ exchangers have a prominent role in the regulation of Na+mit influx pathway, and Na+mit extrusion appears to be mediated by Na+/H+ exchangers. To demonstrate the implication of Na+/Ca2+ exchangers, this study has required the technical development of an UV-flash photolysis system. Because light sources for flash photolysis have to be powerful and in the near UV range, the use of UV lasers or flash lamps is usually required. As an alternative to these UV sources that have several drawbaks, we developped a compact, efficient and lowcost flash photolysis system which employs a high power 365nm light emitting diode. In addition to their role in neurometabolic coupling, astrocytes participate in multicellular signaling by transmitting intercellular Ca2+ waves. The third part of this thesis show that intercellular Na+ waves can be evoked in parallel to Ca2+ waves. Glutamate released by a Ca2+ wave-dependent mechanism is taken up by glutamate transporters, resulting in a regenerative propagation of cytosolic Na+ increases. Na+ waves in turn lead to a spatially correlated increase in glucose uptake. In conclusion, the present thesis demonstrates that glutamate-induced Na+ changes occurring in the cytosol of astrocytes propagate to both the mitochondrial matrix and the astrocytic network. These results furthermore support the view that astrocytic Na+ is a signal coupled to the brain energy metabolism.

Storage and uptake of D-serine into astrocytic synaptic-like vesicles specify gliotransmission.

Glial cells are increasingly recognized as active players that profoundly influence neuronal synaptic transmission by specialized signaling pathways. In particular, astrocytes have been shown recently to release small molecules, such as the amino acids l-glutamate and d-serine as "gliotransmitters," which directly control the efficacy of adjacent synapses. However, it is still controversial whether gliotransmitters are released from a cytosolic pool or by Ca(2+)-dependent exocytosis from secretory vesicles, i.e., by a mechanism similar to the release of synaptic vesicles in synapses. Here we report that rat cortical astrocytes contain storage vesicles that display morphological and biochemical features similar to neuronal synaptic vesicles. These vesicles share some, but not all, membrane proteins with synaptic vesicles, including the SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor) synaptobrevin 2, and contain both l-glutamate and d-serine. Furthermore, they show uptake of l-glutamate and d-serine that is driven by a proton electrochemical gradient. d-Serine uptake is associated with vesicle acidification and is dependent on chloride. Whereas l-serine is not transported, serine racemase, the synthesizing enzyme for d-serine, is anchored to the membrane of the vesicles, allowing local generation of d-serine. Finally, we reveal a previously unexpected mutual vesicular synergy between d-serine and l-glutamate filling in glia vesicles. We conclude that astrocytes contain vesicles capable of storing and releasing d-serine, l-glutamate, and most likely other neuromodulators in an activity-dependent manner.

Evolution and functional characterisation of the IR chemosensory receptors in the Drosophila larval gustatory system

Chemosensory receptor gene families encode divergent proteins capable of detecting a huge diversity of environmental stimuli that are constantly changing over evolutionary time as organisms adapt to distinct ecological niches. While olfaction is dedicated to the detection of volatile compounds, taste is key to assess food quality for nutritional value and presence of toxic substances. The sense of taste also provides initial signals to mediate endocrine regulation of appetite and food metabolism and plays a role in kin recognition. The fruit fly Drosophila melanogaster is a very good model for studying smell and taste because these senses are very important in insects and because a broad variety of genetic tools are available in Drosophila. Recently, a family of 66 chemosensory receptors, the Ionotropic Receptors (IRs) was described in fruit flies. IRs are distantly related to ionotropic glutamate receptors (iGluRs), but their evolutionary origin from these synaptic receptors is unclear. While 16 IRs are expressed in the olfactory system, nothing is known about the other members of this repertoire. In this thesis, I describe bioinformatic, expression and functional analyses of the IRs aimed at understanding how these receptors have evolved, and at characterising the role of the non-olfactory IRs. I show that these have emerged at the basis of the protostome lineage and probably have acquired their sensory function very early. Moreover, although several IRs are conserved across insects, there are rapid and dramatic changes in the size and divergence of IR repertoires across species. I then performed a comprehensive analysis of IR expression in the larva of Drosophila melanogaster, which is a good model to study taste and feeding mechanisms as it spends most of its time eating or foraging. I found that most of the divergent members of the IR repertoire are expressed in both peripheral and internal gustatory neurons, suggesting that these are involved in taste perception. Finally, through the establishment of a new neurophysiological assay in larvae, I identified for the first time subsets of IR neurons that preferentially detect sugars and amino acids, indicating that IRs might be involved in sensing these compounds. Together, my results indicate that IRs are an evolutionarily dynamic and functionally versatile family of receptors. In contrast to the olfactory IRs that are well-conserved, gustatory IRs are rapidly evolving species-specific receptors that are likely to be involved in detecting a wide variety of tastants. - La plupart des animaux possèdent de grandes familles de récepteurs chimiosensoriels dont la fonction est de détecter l'immense diversité de composés chimiques présents dans l'environnement. Ces récepteurs évoluent en même temps que les organismes s'adaptent à leur écosystème. Il existe deux manières de percevoir ces signaux chimiques : l'olfaction et le goût. Alors que le système olfactif perçoit les composés volatiles, le sens du goût permet d'évaluer, par contact, la qualité de la nourriture, de détecter des substances toxiques et de réguler l'appétit et le métabolisme. L'un des organismes modèles les plus pertinents pour étudier le sens du goût est le stade larvaire de la mouche du vinaigre Drosophila melanogaster. En effet, la principale fonction du stade larvaire est de trouver de la nourriture et de manger. De plus, il est possible d'utiliser tous les outils génétiques développés chez la drosophile. Récemment, une nouvelle famille de 66 récepteurs chimiosensoriels appelés Récepteurs Ionotropiques (IRs) a été découverte chez la drosophile. Bien que leur orogine soit peu claire, ces récepteurs sont similaires aux récepteurs ionotropiques glutamatergiques impliqués dans la transmission synaptique. 16 IRs sont exprimés dans le système olfactif de la mouche adulte, mais pour l'instant on ne connaît rien des autres membres de cette famille. Durant ma thèse, j'ai effectué des recherches sur l'évolution de ces récepteurs ainsi que sur l'expression et la fonction des IRs non olfactifs. Je démontre que les IRs sont apparus chez l'ancêtre commun des protostomiens et ont probablement acquis leur fonction sensorielle très rapidement. De plus, bien qu'un certain nombre d'IRs olfactifs soient conservés chez les insectes, d'importantes variations dans la taille et la divergence des répertoires d'IRs entre les espèces ont été constatées. J'ai également découvert qu'un grand nombre d'IRs non olfactifs sont exprimés dans différents organes gustatifs, ce qui leur confère probablement une fonction dans la perception des goûts. Finalement, pour la première fois, des neurones exprimant des IRs ont été identifiés pour leur fonction dans la perception de sucres et d'acides aminés chez la larve. Mes résultats présentent les IRs comme une famille très dynamique, aux fonctions très variées, qui joue un rôle tant dans l'odorat que dans le goût, et dont la fonction est restée importante tout au long de l'évolution. De plus, l'identification de neurones spécialisés dans la perception de certains composés permettra l'étude des circuits neuronaux impliqués dans le traitement de ces informations.

Metabolism of oral glucose in children born small for gestational age : evidence for an impaired whole body glucose oxidation

Résumé Les études épidémiologiques indiquent que la restriction intra-utérine confère un risque accru de développement de diabète de type 2 au cours de la vie. Certaines études ont documenté la présence d'une résistance à l'insuline chez les jeunes adultes ou les adolescents nés petits pour l'âge gestationnel. Comme la plupart des études ont impliqués des individus post-pubères et comme la puberté influence de manière marquée le métabolisme énergétique, nous avons évalué le devenir du glucose administré oralement dans un groupe incluant essentiellement des enfants pré-pubères ou en début de puberté avec restriction intra-utérine, et chez des enfants matchés pour l'âge et pour le poids. Tous les enfants ont eu une évaluation de leur composition corporelle par mesure des plis cutanés. Ils ont ensuite été étudiés dans des conditions standardisées et ont reçu 4 charges consécutives orales de glucose à raison de 180 mg/kg de poids corporel jusqu'à atteindre un état d'équilibre relatif. La dépense énergétique et l'oxydation des substrats ont été évaluées durant la quatrième heure par calorimétrie indirecte. Comparativement avec les enfants matchés pour l'âge et le poids, les enfants nés petits pour l'âge gestationnel avaient une plus petite stature. Leur dépense énergétique n'était pas significativement abaissée, mais leur oxydation du glucose était plus basse. Ces résultats indiquent que des altérations métaboliques sont présentes précocement chez les enfants nés petits pour l'âge gestationnel, et qu'elles sont possiblement reliées à des altérations de la composition corporelle. Abstract: Epidemiological studies indicate that intrauterine growth restriction confers an increased risk of developing type 2 diabetes mellitus in subsequent life. Several studies have further documented the presence of insulin resistance in young adults or adolescent children born small for gestational age. Since most studies addressed postpubertal individuals, and since puberty markedly affects energy metabolism, we evaluated the disposal of oral glucose in a group including mainly prepubertal and early pubertal children with intrauterine growth restriction and in healthy age- and weight-matched control children. All children had an evaluation of their body composition by skinfold thickness measurements. They were then studied in standardized conditions and received 4 consecutive hourly loads of 180 mg glucose/kg body weight to reach a near steady state. Energy expenditure and substrate oxidation were evaluated during the fourth hour by indirect calorimetry. Compared to both age- and weight-matched children, children born small for gestational age had lower stature. Their energy expenditure was not significantly decreased, but they had lower glucose oxidation rates. These results indicate that metabolic alterations are present early in children born small for gestational age, and are possibly related to alterations of body composition.

Répercussions de l'agression sur le métabolisme et la composition corporelle chez l'individu obèse : Nutrition de l'obèse agressé. [Repercussions of injury on metabolic and body composition factors in obese individuals : Nutrition and obese critical patients]

La réponse métabolique de l'obèse apparemment « sainen situation d'agression aiguë (polytraumatisés, traumatisés crâniens, patients chirurgicaux, grands brûlés, opérations électives) ne se distingue pas ou peu de celle de l'individu non-obèse. Cependant, les complications médicales liées à l'agression (insuffisances respiratoire et cardiaque, bronchopneumonie, infections de plaies, thrombophlébites et embolies) demeurent plus importantes chez l'obèse morbide que chez l'individu de poids normal. Grâce à l'inflation de ses réserves énergétiques, l'obèse apparemment sain est avantagé, par rapport au sujet mince, au cours d'une agression nutritionnelle chronique telle que le jeûne prolongé. Le facteur fonctionnel limitant la survie dépend avant tout de la composition corporelle initiale et du degré d'adaptation métabolique (et comportementale) en particulier du degré de conservation de la masse maigre par rapport à la masse grasse. La mobilisation accrue de la masse grasse associée à la perte de poids chez l'obèse (par rapport à son homologue non-obèse) est favorable à une prolongation de la vie, car, en brûlant davantage de graisse corporelle, la part des protéines corporelles endogènes utilisée à des fins énergétiques est plus faible. Il s'ensuit chez l'obèse qu'un niveau de masse maigre critique pour la survie n'est atteint qu'après une réduction très marquée de ses réserves énergétiques. En revanche, le sujet mince perd davantage de masse maigre lors de l'amaigrissement et, par conséquent, son métabolisme de repos diminuera plus rapidement que celui du sujet obèse. Cela peut constituer un avantage énergétique évident en termes d'économie d'énergie consécutive à l'adaptation métabolique, mais un inconvénient majeur quant à la durée de la survie. The metabolic response of « apparently healthyobese individuals following acute injury (multiple trauma, head injury and surgical patients, extended burns, elective surgery) is not dramatically different from that of a non-obese individuals. However, the medical complications following the injury (respiratory and cardiac insufficiency, broncho-pneumonia, infections of wounds, trombophlebitis and embolism) are more prevalent in morbid obese patients than in individuals of normal body weight. Because of a large increase in their individuals energy store, "apparently healthy" obese individuals have an advantage over very lean subjects when exposed to a chronic nutritional aggression such as total fasting. The functional limiting factor for survival depends primarily on initial body composition and the magnitude of metabolic adaptation (including behavioral adaptation). The key factor is the extent to which the fat-free mass is maintained (versus to the fat mass) during weight loss. The increased proportion of body fat mobilized during weight loss in obese patients, compared with their non-obese counterparts, favors prolonged survival, because more adipose tissue is burned off, the fraction of body protein endogenously utilized for energy purpose individuals, is smaller. This implies that obese individuals do not reach a fat-free mass "critical" for their survival until their energy stores reach very low values. In contrast, lean subject tend to lose more fat-free mass during weight loss than obese subjects and, as a result, their energy expenditure drops more rapidly. This may offer a potential advantage in terms of energy economy (more energy saving) but a major disadvantage in terms of duration of survival.

Etude de la toxicité hépatique de la cocaïne associée à de l'alcool: Effets de l'éthanol sur le métabolisme de la cocaïne dan les hépatocytes de rat en suspension et dans un modèle enzymatique humain

Le but essentiel de notre travail a été d?étudier la capacité du foie, premier organe de métabolisation des xénobiotiques, à dégrader la cocaïne en présence d?éthanol, à l?aide de deux modèles expérimentaux, à savoir un modèle cellulaire (les hépatocytes de rat en suspension) et un modèle acellulaire (modèle reconstitué in vitro à partir d?enzymes purifiées de foie humain). La première partie a pour objectifs de rechercher les voies de métabolisation de la cocaïne qui sont inhibées et / ou stimulées en présence d?éthanol, sur hépatocytes isolés de rat. Dans ce but, une méthode originale permettant de séparer et de quantifier simultanément la cocaïne, le cocaéthylène et huit de leurs métabolites respectifs a été développée par Chromatographie Phase Gazeuse couplée à la Spectrométrie de Masse (CPG / SM). Nos résultats préliminaires indiquent que l?éthanol aux trois concentrations testées (20, 40 et 80 mM) n?a aucun effet sur la cinétique de métabolisation de la cocaïne. Notre étude confirme que l?addition d?éthanol à des cellules hépatiques de rat en suspension supplémentées en cocaïne résulte en la formation précoce de benzoylecgonine et de cocaéthylène. L?apparition retardée d?ecgonine méthyl ester démontre l?activation d?une deuxième voie de détoxification. La production tardive d?ecgonine indique une dégradation de la benzoylecgonine et de l?ecgonine méthyl ester. De plus, la voie d?oxydation intervenant dans l?induction du stress oxydant en produisant de la norcocaïne est tardivement stimulée. Enfin, notre étude montre une métabolisation complète de la concentration initiale en éthanol par les hépatocytes de rat en suspension. La deuxième partie a pour but de déterminer s?il existe d?autres enzymes que les carboxylesterases formes 1 et 2 humaines ayant une capacité à métaboliser la cocaïne seule ou associée à de l?éthanol. Pour ce faire, une méthode de micropurification par chromatographie liquide (Smart System®) a été mise au point. Dans le cadre de nos dosages in situ de la cocaïne, du cocaéthylène, de la benzoylecgonine, de l?acide benzoïque et de la lidocaïne, une technique par Chromatographie Liquide Haute Performance couplée à une Détection par Barrette de Diode (CLHP / DBD) et une méthode de dosage de l?éthanol par Chromatographie Phase Gazeuse couplée à une Détection par Ionisation de Flamme équipée d?un injecteur à espace de tête (espace de tête CPG / DIF) ont été développées. La procédure de purification nous a permis de suspecter la présence d?autres enzymes que les carboxylesterases formes 1 et 2 de foie humain impliquées dans le métabolisme de la cocaïne et déjà isolées. A partir d?un modèle enzymatique reconstitué in vitro, nos résultats préliminaires indiquent que d?autres esterases que les formes 1 et 2 de foie humain sont impliquées dans l?élimination de la cocaïne, produisant benzoylecgonine et ecgonine méthyl ester. De plus, nous avons montré que les sensibilités de ces enzymes à l?éthanol sont variables.<br/><br/>The main purpose of our work was to study the ability of the liver, as the first organ to metabolise xenobiotic substances, to degrade cocaine in the presence of ethanol. In order to do this, we used two experimental models, namely a cellular model (rat liver cells in suspension) and an a-cellular model (model reconstructed in vitro from purified human liver enzymes). The purpose of the first part of our study was to look for cocaine metabolising processes which were inhibited and / or stimulated by the presence of ethanol, in isolated rat liver cells. With this aim in mind, an original method for simultaneously separating and quantifying cocaine, cocaethylene and eight of their respective metabolites was developed by Vapour Phase Chromatography coupled with Mass Spectrometry (VPC / MS). Our preliminary results point out that ethanol at three tested concentrations (20, 40 et 80 mM) have no effect on the kinetic of metabolisation of cocaine. Our study confirms that the addition of alcohol to rat liver cells in suspension, supplemented with cocaine, results in the premature formation of ecgonine benzoyl ester and cocaethylene. The delayed appearance of ecgonine methyl ester shows that a second detoxification process is activated. The delayed production of ecgonine indicates a degradation of the ecgonine benzoyl ester and the ecgonine methyl ester. Moreover, the oxidising process which occurs during the induction of the oxidising stress, producing norcocaine, is stimulated at a late stage. Finally, our study shows the complete metabolisation of the initial alcohol concentration by the rat liver cells in suspension. The second part consisted in determining if enzymes other than human carboxylesterases 1 and 2, able to metabolise cocaine on its own or with alcohol, existed. To do this, a micropurification method us ing liquid phase chromatography (Smart System®) was developed. A technique based on High Performance Liquid Chromatography coupled with a Diode Array Detection (HPLC / DAD) in the in situ proportioning of cocaine, cocaethylene, ecgonine benzoyl ester, benzoic acid and lidocaine, and a method for proportioning alcohol by quantifying the head space using Vapour Phase Chromatography coupled with a Flame Ionisation Detection (head space VPC / FID) were used. The purification procedure pointed to the presence of enzymes other than the human liver carboxylesterases, forms 1 and 2, involved in the metabolism of cocaine and already isolated. The preliminary results drawn from an enzymatic model reconstructed in vitro indicate that human liver carboxylesterases, other than forms 1 and 2, are involved in the elimination of cocaine, producing ecgonine benzoyl ester and ecgonine methyl ester. Moreover, we have shown that the sensitivity of these enzymes to alcohol is variable.

Métabolisme d'antidépresseurs dans différentes espèces : aspects méthodologiques et pharmacogénétiques, perspectives cliniques

Résumé pour large public Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne Lors de la prise d'un médicament, celui-ci va passer par différentes étapes que sont l'absorption, la distribution, le métabolisme et enfin l'élimination. Ces quatre étapes sont regroupées sous le nom de pharmacocinétique. A noter que ces quatre paramètres sont dynamiques et en constante évolution. Durant cette thèse, nous avons investigué différents aspects de la pharmacocinétique, tout d'abord par une revue de la littérature sur la glycoprotéine-P (Pgp). Récemment découverte, cette protéine de membrane est située aux endroits stratégiques de l'organisme comme la barrière hématoencéphalée, le placenta ou les intestins où elle influencera l'entrée de différentes substances, en particulier les médicaments. La Pgp serait impliquée dans les phénomènes de résistances aux agents thérapeutiques en oncologie. La Pgp influence donc l'absorption des médicaments, et son impact en clinique, en termes d'efficacité de traitement et de toxicité prend chaque jour plus d'importance. Ensuite nous avons mis au point une méthode d'analyse quantitative d'un antidépresseur d'une nouvelle génération : la mirtazapine (Remeron®). La nouveauté réside dans la façon dont la mirtazapine interagit avec les neurotransmetteurs impliqués dans la dépression que sont la sérotonine et la noradrénaline. Cette méthode utilise la chromatographie liquide pour séparer la mirtazapine de ses principaux métabolites dans le sang. La spectrométrie de masse est utilisée pour les détecter et les quantifier. Les métabolites sont des substances issues de réactions chimiques entre la substance mère, la mirtazapine, et généralement des enzymes hépatiques, dans le but de rendre cette substance plus soluble en vue de son élimination. Cette méthode permet de quantifier la mirtazapine et ses métabolites dans le sang de patients traités et de déterminer la variation des taux plasmatiques chez ces patients. Puis nous avons étudié le métabolisme d'un autre antidépresseur, le citalopram, qui a un métabolisme complexe. Le citalopram est un racémate, c'est-à-dire qu'il existe sous forme de deux entités chimiques (R-(-) et S-(+) citalopram) qui ont le même nombre d'éléments mais arrangés différemment dans l'espace. La voie métabolique cérébrale du citalopram est sous le contrôle d'une enzyme, la monoamine oxydase (MAO), conduisant à une forme acide du citalopram (l'acide propionique du citalopram). La MAO existe sous deux formes : MAO-A et MAO-B. Nous avons utilisé des souris déficientes d'un gène, celui de la MAO-A, pour mieux en comprendre le métabolisme en les comparants à des souris sauvages (sans déficience de ce gène). Nous avons utilisé le citalopram et deux de ses métabolites (le déméthylcitaloprarn et le didéméthyícitalopram) comme substrats pour tester la formation in vitro de l'acide propionique du citalopram. Nos résultats montrent que la MAO-A favorise la formation de l'entité R-(-) et présente une plus grande affinité pour le citalopram, tandis que la MAO-B métabolise préférentiellement l'entité S-(+) et a une plus grande affinité pour les deux métabolites déméthylés. De plus, la déficience en MAO-A est partiellement compensée parla MAO-B chez les souris déficientes du gène de la MAO-A. Enfin, nous avons étudié une deuxième voie métabolique du citalopram qui s'est avérée toxique chez le chien Beagle. Celle-ci est catalysée par une autre famille d'enzymes, les cytochromes P-450, et mène aux métabolites déméthylés et didéméthylés du citalopram. Nous avons utilisé des tissus hépatiques de chiens Beagle. Plusieurs cytochromes P-450 sont impliqués dans le métabolisme du citalopram menant à sa forme déméthylée, ceci tant chez l'homme que chez le chien. Par contre, dans le métabolisme de la forme déméthylée menant à 1a forme didéméthylée, un seul cytochrome P-450 serait impliqué chez l'Homme, tandis qu'ils seraient plusieurs chez le chien. L'activité enzymatique produisant la forme didéméthylée est beaucoup plus importante chez le chien comparé à l'homme. Cette observation soutien l'hypothèse que des taux élevés de la forme didéméthylée participent à la toxicité spécifique du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant que les enzymes peuvent être stimulées ou inhibées, il importe de pouvoir suivre au plus prés les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Résumé Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne La plupart des médicaments subissent une transformation enzymatique dans l'organisme. Les substances issues de cette métabolisation ne sont pas toujours dotées d'une activité pharmacologique. Il s'est avéré par conséquent indispensable de suivre les taux plasmatiques d'une substance et de ses métabolites et d'établir ou non l'existence d'une relation avec l'effet clinique observé. Ce concept nommé « therapeutic drag monitoring » (TDM) est particulièrement utile en psychiatrie ou un manque de compliance des patients est fréquemment observé. Les médicaments psychotropes ont un métabolisme principalement hépatique (cytochromes P-450) et parfois cérébral (monoamines oxydases), comme pour le citalopram par exemple. Une méthode stéréosélective de chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse a été développée pour analyser les énantiomères R-(-) et S-(+) d'un antidépresseur agissant sur les récepteurs noradrénergiques et sérotoninergiques, la mirtazapine et de ses métabolites déméthylmirtazapine et 8-hydroxymirtazapine. Les données préliminaires obtenues dans les plasmas dosés suggèrent que les concentrations de R-(-)-mirtazapine sont plus élevées que celles de S-(+)-mirtazapine, à l'exception des patients qui auraient comme co-médication des inhibiteurs du CYP2D6, telle que la fluoxétine ou la thioridazine. Il y a une enantiosélectivité du métabolisme de la mirtazapine. En particulier pour la 8-hydroxymirtazapine qui est glucuroconjuguée et pour laquelle le ratio S/R varie considérablement. Cette méthode analytique présente l'avantage d'être utilisable pour le dosage stéréosélectif de la mirtazapine et de ses métabolites dans le plasma de patients ayant d'autres substances en co-médication. La glycoprotéine P fonctionne comme une pompe transmembranaire transportant les xénobiotiques depuis le milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire. Son induction et son inhibition, bien que moins étudiées que pour les cytochromes P-450, ont des implications cliniques importantes en termes d'efficacité de traitement et de toxicité. Cette glycoprotéine P a fait l'objet d'une recherche bibliographique. Nous avons étudié le métabolisme du citalopram, un antidépresseur de la classe des inhibiteurs spécifiques de la recapture de la sérotonine chez la souris et chez le chien. Cette substance subit un métabolisme complexe. La voie de métabolisation conduisant à la formation de l'acide propionique du citalopram, catalysée par les monoamines oxydases, a été étudiée in vitro dans les mitochondries cérébrales chez la souris déficiente du gène de la MAO-A (Tg8). La monoamine oxydase A catalyse la formation de l'énantiomère R-(-) et présente une plus grande affinité pour les amines tertiaires, tandis que la monoamine oxydase B favorise la formation de la forme S-(+) et a une affinité plus marquée pour les amines secondaires et primaires. L'étude du citalopram chez la souris Tg8 adulte a montré que la monoamine oxydase B compense la déficience de la monoamine oxydase A chez ces souris génétiquement modifiées. Une autre voie de métabolisation du citalopram conduisant à la formation de didéméthylcitalopram, catalysée par les cytochromes P-450, a été étudiée in vitro dans des microsomes hépatiques de chiens Beagle. Nos études ont montré que les cinétiques de N-déméthylation du citalopram sont biphasiques chez le chien. Les orthologues canins impliqués dans la première N-déméthylation semblent être identiques aux cytochromes P-450 humains. Par contre, dans la deuxième Ndéméthylation, un seul cytochrome P-450 semble être impliqué chez l'homme (CYP2D6), tandis qu'on retrouve jusqu'à cinq orthologues chez le chien. Le CYP2D15, orthologue canin du CYP2D6, est majoritairement impliqué. De plus, l'activité enzymatique, reflétée par les clairances intrinsèques, dans la première N-déméthylation est jusqu'à 45 fois plus élevée chez le chien comparé à l'homme. Ces différentes observations soutiennent l'hypothèse que des taux élevés de didéméthylcitalopram sont responsables de la toxicité du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant -que les enzymes peuvent être induits ou inhibés, il importe de pouvoir suivre au plus près les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Summary Most of the drugs are metabolized in the organism. Substances issued from this metabolic activity do not always show a pharmacological activity. Therefore, it is necessary to monitor plasmatic levels of drugs and their metabolites, and establish the relationship with the clinical effect. This concept named therapeutic drug monitoring is very useful in psychiatry where lack of compliance is commonly observed. Antidepressants are mainly metabolized in the liver (cytochrome P-450) and sometimes in the brain (monoamine oxidase) like the citalopram, for exemple. A LC-MS method was developed, which allows the simultaneous analysis of R-(-) and S-(+) enantiomers of mirtazapine, an antidepressant acting specifically on noradrenergic and serotonergic receptors, and its metabolites demethylmirtazapine and 8-hydroxymirtazapine in plasma of mirtazapine treated patients. Preliminary data obtained suggested that R-(-) mirtazapine concentrations were higher than those of S-(+) mirtazapine, except in patients comedicated with CYP2D6 inhibitors such as fluoxetine or thioridazine. There is an enantioselectivity in the metabolism of mirtazapine. In particular for the 8-hydroxymirtazapine, which is glucuroconjugated and S/R ratio varies considerably. Therefore this method seems to be suitable for the stereoselective assay of mirtazapine and its metabolites in plasma of patients comedicated with mirtazapine and other drugs for routine and research purposes. P-glycoprotein is working as an efflux transporter of xenobiotics from intracellular to extracellular environment. Its induction or inhibition, although less studied than cytochrome P-450, has huge clinical implications in terms of treatment efficacy and toxicity. An extensive literature search on P-glycoprotein was performed as part of this thesis. The study of citalopram metabolism, an antidepressant belonging to the class of selective serotonin reuptake inhibitors. This substance undergoes a complex metabolism. First metabolization route leading to citalopram propionic acid, catalyzed by monoamine oxidase was studied in vitro in mice brain mitochondria. Monoamine oxidase A catalyzed the formation of R-(-) enantiomer and showed greater affinity for tertiary amines, whereas monoamine oxidase B triggered the formation of S-(+) enantiomer and demonstrated higher affinity for primary and secondary amines. citalopram evaluation in adult Tg8 mice showed that monoamine oxidase B compensated monoamine oxidase A deficiency in those genetically transformed mice. The second metabolization route of citalopram leading to didemethylcitalopram and catalyzed by cytochrome P-450 was studied in vitro in Beagle dog's livers. Our results showed that citalopram N-demethylation kinetics are biphasic in dogs. Canine orthologs involved in the first N-demethylation seemed to be identical to human cytochromes P-450. However, in the second N-demethylation only one cytochrome P-450 seemed to be involved in human (CYP2D6), whereas up to five canine orthologs were found in dogs. CYP2D15 canine ortholog of CYP2D6 was mainly involved. In addition, enzymatic activity reflected by intrinsic clearance in the first N-demethylation was up to 45 fold higher in dogs compared to humans. Those observations support the assumption that elevated rates of didemethylcitalopram are responsible for citalopram toxicity in dogs. We can conclude that several enzymes groups are involved in the brain, as well as in the liver, in antidepressant metabolization. Knowing that enzymes may be induced or inhibited, it makes sense to closely monitor plasmatic levels of antidepressants and their metabolites.

Circadian clock orchestration of signaling pathways influences mouse metabolism

Circadian clocks, present in organisms leaving in a rhythmic environment, constitute the mechanisms allowing anticipation and adaptation of behavior and physiology in response to these environmental variations. As a consequence, most aspects of metabolism and behavior are under the control of this circadian clock. At a molecular level, in all the studied species, the rhythmic expression of the genes involved are generated by interconnected transcriptional and translational feedback loops. In mammals, the heterodimer composed of BMAL1 and its partners CLOCK or NPAS2 constitutes a transcriptional activator regulating transcription of Per and Cry genes. These genes encode for repressors of the activity of BMAL1:CLOCK or BMAL1: NPAS2 heterodimers, thus closing a negative feedback loop that generates rhythms of approximately 24 hours. The aim of my doctoral work consisted in the investigation of the role of circadian clock in the regulation of different aspects of mouse metabolism through the rhythmic activation of signaling pathways. First, we showed that one way how the circadian clock exerts its function as an oscillator is through the regulation of mRNA translation. Indeed, we present evidence showing that circadian clock influences the temporal translation of a subset of mRNAs involved in ribosome biogenesis by controlling the transcription of translation initiation factors as well as the clock-dependent rhythmic activation of signaling pathways involved in their regulation. Moreover, the circadian oscillator regulates the transcription of ribosomal protein mRNAs and ribosomal RNAs. Thus the circadian clock exerts a major role in coordinating transcription and translation steps underlying ribosome biogenesis. In the second part, we showed the involvement of the circadian clock in lipid metabolism. Indeed, the three PAR bZip transcription factors DBP, TEF and HLF, are regulated by the molecular clock and play key roles in the control of lipid metabolism. Here we present evidence concerning the circadian expression and activity of PPARα via the circadian transcription of genes involved in the release of fatty acids, natural ligands of PPARα. It leads to the rhythmic activation of PPARα itself which could then play its role in the transcription of genes encoding proteins involved in lipid, cholesterol and glucose metabolism. In addition, we considered the possible role of lipid transporters, here SCP2, in the modulation of circadian activation of signaling pathways such as TORC1, PPARα and SREBP, linked to metabolism, and its feedback on the circadian clock. In the last part of this work, we studied the effects of these circadian clock-orchestrated pathways in physiology, as clock disruptions have been shown to be linked to metabolic disorders. We performed in vivo experiments on genetically and high-fat induced obese mice devoid of functional circadian clock. The results obtained showed that clock disruption leads to impaired triglycerides and glucose homeostasis in addition to insulin secretion and sensitivity. -- Les rythmes circadiens, présents chez tout organisme vivant dans un environnement rythmique, constituent l'ensemble de mécanismes permettant des réponses comportementales et physiologiques anticipées et adaptées aux variations environnementales. De ce fait, la plupart des aspects liés au métabolisme et au comportement de ces organismes apparaissent être sous le contrôle de l'horloge circadienne contrôlant ces rythmes. Au niveau moléculaire, dans toutes les espèces étudiées, l'expression rythmique de gènes impliqués sont générés par l'interconnexion de boucles de contrôle transcriptionnelles et traductionnelles. Chez les mammifères, l'hétérodimère composé de BMAL1 et de ses partenaires CLOCK ou NPAS2 constitue un activateur transcriptionnel régulant la transcription des gènes Per et Cry. Ces gènes codent pour des répresseurs de l'activité des hétérodimères BMAL1:CLOCK ou BMAL1:NPAS2. Cela a pour effet de fermer la boucle négative, générant ainsi des rythmes d'environ 24 heures. Le but de mon travail de thèse a consisté en l'investigation du rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de certains aspects du métabolisme chez la souris via la régulation de l'activation rythmique des voies de signalisation. Nous avons tout d'abord montré que l'horloge circadienne exerce sa fonction d'oscillateur notamment au niveau de la régulation de la traduction des ARNm. En effet, nous présentons des preuves montrant que l'horloge circadienne influence la traduction temporelle d'un groupe d'ARNm impliqués dans la biogénèse des ribosomes en contrôlant la transcription de facteurs d'initiation de la traduction ainsi que l'activation rythmique des voies de signalisation qui sont impliquées dans leur régulation. De plus, l'oscillateur circadien régule la transcription d'ARNm codant pour les protéines ribosomales et d'ARN ribosomaux. De cette façon, l'horloge circadienne exerce un rôle majeur dans la coordination des étapes de transcription et traduction permettant la biogénèse des ribosomes. Dans la deuxième partie, nous montrons les implications de l'horloge circadienne dans le métabolisme des lipides. En effet, DBP, TEF et HLF, trois facteurs de transcription de la famille des PAR bZip qui sont régulés par l'horloge circadienne, jouent un rôle clé dans le contrôle du métabolisme des lipides par l'horloge circadienne. Nous apportons ici des preuves concernant l'expression et l'activité rythmiques de PPARα via la transcription circadienne de gènes impliqués dans le relargage d'acides gras, ligands naturels de PPARα, conduisant à l'activation circadienne de PPARα lui-même, pouvant ainsi jouer son rôle de facteur de transcription de gènes codant pour des protéines impliquées dans le métabolisme des lipides, du cholestérol et du glucose. De plus, nous nous sommes penchés sur le rôle possible de transporteurs de lipides, ici SCP2, dans la modulation de l'activation circadienne de voies de signalisation, telles que TORC1, PPARα et SREBP, qui sont liées au métabolisme, ainsi que son impact sur l'horloge elle-même. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons étudié les effets de l'activation de ces voies de signalisation régulées par l'horloge circadienne dans le contexte physiologique puisqu'il a été montré que la perturbation de l'horloge pouvait être associée à des désordres métaboliques. Pour ce faire, nous avons fait des expériences in vivo sur des souris déficientes pour l'horloge moléculaire pour lesquelles l'obésité est induite génétiquement ou induite par la nourriture riche en lipides. Les résultats que nous obtenons montrent des dérèglements au niveau de l'homéostasie des triglycérides et du glucose ainsi que sur l'expression et la réponse à l'insuline.