Effect of aerobic exercise on skeletal muscle mitochondrial content and function in older adults

Regular aerobic exercise training, which is touted as a way to ameliorate metabolic diseases, increases aerobic capacity. Aerobic capacity usually declines with advanced age. The decline in aerobic capacity is typically associated by a decrease in the quality of skeletal muscle. At the molecular level, this decreased quality comes in part from perturbations in skeletal muscle mitochondria. Of particular is a decrease in the total amount of mitochondria that occupy the skeletal muscle volume. What is not well established is if this decrease in mitochondrial content is due to inactive lifestyle or the process of aging. Herein, the work of the thesis shows a clear connection between mitochondrial content and aerobic capacity. This indicates that active individuals with higher VChmax levels also contain higher volumes of mitochondria inside their muscle as opposed to sedentary counterparts who have lower levels of mitochondrial content. Upon taking these previously sedentary individuals and entering them into an aerobic exercise intervention, they are able to recover their mitochondrial content as well as function to similar levels of lifelong athletes of the same age. Furthermore, the results of this thesis show that mitochondrial content and function also correlate with exercise efficiency. If one is more efficient, he/she is able to expend less energy for a similar power output. Furthermore, individuals who increase in efficiency also increase in the ability to oxidize and utilize fat during pro-longed exercise. This increased reliance on fat after the intervention is associated with an increased amount of mitochondria, particularly in the intermyofibrillar region of skeletal muscle. Therefore, elderly adults who were once sedentary were able to recover mitochondrial content and function and are able to reap other health benefits from regular aerobic exercise training. Aging per se does not seem to be the culprit that will lead to metabolic diseases but rather it seems to be a lack of physical activity. -- Un entraînement sportif d'endurance, connu pour réduire le risque de développer des maladies métaboliques, augmente notre capacité aérobie. La capacité aérobie diminue généralement avec l'âge. Ce déclin est typiquement associé d'une diminution de la qualité du muscle squelettique. Au niveau moléculaire, cette diminution est due à des perturbations dans les mitochondries du muscle squelettique,, ce qui conduit à une diminution de la quantité totale des mitochondries présentes dans le muscle squelettique. Il n'a pas encore été établi si cette diminution de la teneur mitochondriale est due à un mode de vie sédentaire ou au processus du vieillissement. Ce travail de thèse montre un lien clair entre le contenu mitochondrial et la capacité aérobie. Il indique que des personnes âgées actives, avec des niveaux de V02max plus élevés, possèdent également un volume plus élevé de mitochondries dans leurs muscles en comparaison à leurs homologues sédentaires. En prenant des individus sédentaires et leur faisant pratiquer une activité physique aérobie, il est possible d'accroître leur contenu de même que leur fonction mitochondriale à des niveaux similaires à ceux d'athlètes du même âge ayant pratiqué une activité physique tout au long de leur vie. De plus, les résultats de ce travail démontrent que le contenu et la fonction mitochondriale sont en corrélation avec l'efficiscience lors d'exercice physique. En agumentant l'effiscience, les personnes sont alors capables de dépenser moins d'énergie pour une puissance d'exercice similaire. Donc, un volume mitochondrial accru dans le muscle squelettique, associé à une fonction mitochondriale améliorée, est associté à une augmentation de l'effiscience. En outre, les personnes qui augmentent leur effiscience, augmentent aussi leur capacité à oxyder les graisses durant l'exercice prolongé. Une augmentation du recours au graisses après l'intervention est associée à une quantité accrue de mitochondries, en particulier dans la région inter-myofibrillaire du muscle squelettique. Par conséquent, les personnes âgées autrefois sédentaires sont en mesure de récupérer leur contenu et leur fonction mitochondriale ainsi que d'autres avantages pour la santé grâce à un entraînement aérobie régulier. Le vieillissement en soi ne semble donc pas être le coupable conduisant aux maladies métaboliques qui semblent plutôt être lié à un manque d'activité physique.

The role of the microRNAs in the age-associated oancreatic β-cell dysfunction

Le corps humain emploie le glucose comme source principale d'énergie. L'insuline, sécrétée par les cellules ß-pancreatiques situées dans les îlots de Langerhans, est l'hormone principale assurant un maintien constant du taux de glucose sanguin (glycémie). Les prédispositions génétiques, le manque d'activité physique et un régime déséquilibré peuvent entraîner une perte de sensibilité à l'insuline et des taux de glucose dans le sang élevé (hyperglycémie), une condition nommée diabète de type 2. Cette maladie est initiée par une sensibilité diminuée à l'insuline dans les tissus périphériques, entraînant une demande accrue en insuline. Cette pression continue finie par épuiser les cellules ß-pancreatiques, qui sécrètent alors des niveaux d'insuline insuffisant en trainant l'apparition du diabète. Le vieillissement est un facteur de risque important pour les maladies métaboliques dont le diabète de type 2 faits partis. En effet la majeure partie des diabétiques de type 2 ont plus de 45 ans. Il est connu que le vieillissement entraine une perte de sensibilité à l'insuline, une sécrétion altérée d'insuline, une baisse de réplication et une plus grande mort des ß-cellules pancréatiques. Le but de ma thèse était de mieux comprendre les mécanismes contribuante au dysfonctionnement des cellules ß- pancréatiques lors du vieillissement. Les travaux du « Human Genome Project » ont révélés que seulement 2% de notre génome code pour des protéines. Le reste non-codant fut alors désigné sous le nom de « ADN déchets ». Cependant, l'étude approfondie de cet ADN non-codant ces dernières deux décennies a démontré qu'une grande partie code pour des «MicroARNs », des ARNs courts (20-22 nucleotides) découverts en 1997 chez le vers C.elegans. Depuis lors ces molécules ont été intensivement étudiées, révélant un rôle crucial de ces molécules dans la fonction et la survie des cellules en conditions normales et pathologiques. Le but de cette thèse était d'étudier le rôle des microARNs dans le dysfonctionnement des cellules ß lors du vieillissement. Nos données suggèrent qu'ils peuvent jouer un rôle tantôt salutaire, tantôt nocif sur les cellules ß. Par exemple, certains microARNs réduisent la capacité des cellules ß à se multiplier ou réduisent leur survie, alors que d'autres protègent ces cellules contre la mort. Pour conclure, nous avons démontré les microARNs jouent un rôle important dans le dysfonctionnement des cellules ß lors du vieillissement. Ces nouvelles découvertes préparent le terrain pour la conception de futures stratégies visant à améliorer la résistance des cellules ß pancréatiques afin de trouver de nouveaux traitements du diabète de type 2. -- Le diabète de type 2 est une maladie métabolique due à la résistance à l'action de l'insuline des tissus cibles combinée à l'incapacité des cellules ß pancréatiques à sécréter les niveaux adéquats d'insuline. Le vieillissement est associé à un déclin global des fonctions de l'organisme incluant une diminution de la fonction et du renouvellement des cellules ß pancréatiques. Il constitue ainsi un risque majeur de développement des maladies métaboliques dont le diabète de type 2. Le but de cette thèse était d'étudier le rôle des microARNs (une classe d'ARN non- codants) dans le dysfonctionnement lié au vieillissement des cellules ß. L'analyse par microarray des niveaux d'expression des microARN dans les îlots pancréatiques de rats Wistar mâles âgés de 3 et 12 mois nous a permis d'identifier de nombreux changements d'expression de microARNs associés au vieillissement. Afin d'étudier les liens entre ces modifications et le déclin des cellules ß, les changements observés lors du vieillissement ont été reproduits spécifiquement dans une lignée cellulaire, dans des cellules ß primaires de jeune rats ou de donneurs humains sains. La diminution du miR-181a réduit la prolifération des cellules ß, tandis que la diminution du miR-130b ou l'augmentation du miR-383 protège contre l'apoptose induite par les cytokines. L'augmentation du miR-34a induit l'apoptose et inhibe la prolifération des cellules ß en réponse aux hormones Exendin-4 et prolactine et au facteur de croissance PDGF-AA. Cette perte de capacité réplicative est similaire à celle observée dans des cellules ß de rats âgés de 12 mois. Dans la littérature, la perte du récepteur au PDGF-r-a est associée à la diminution de la capacité proliférative des cellules ß observée lors du vieillissement. Nous avons pu démontrer que PDGF-r-a est une cible directe de miR- 34a, suggérant que l'effet néfaste de miR-34a sur la prolifération des cellules ß est, du moins en partie, lié à l'inhibition de l'expression de PDGF-r-a. L'expression de ce miR est aussi plus élevée dans le foie et le cerveau des animaux de 1 an et augmente avec l'âge dans les ilôts de donneurs non-diabétiques. Ces résultats suggèrent que miR-34a pourrait être non seulement impliqué dans l'affaiblissement des fonctions pancréatiques associé à l'âge, mais également jouer un rôle dans les tissus cibles de l'insuline et ainsi contribuer au vieillissement de l'organisme en général. Pour conclure, les travaux obtenus durant cette thèse suggèrent que des microARNs sont impliqués dans le dysfonctionnement des cellules ß pancréatiques durant le vieillissement. -- Type 2 diabetes is a metabolic disease characterized by impaired glucose tolerance, of the insulin sensitive tissues and insufficient insulin secretion from the pancreatic ß-cells to sustain the organism demand. Aging is a risk factor for the majority of the metabolic diseases including type 2 diabetes. With aging is observed a decline in all body function, due to decrease both in cell efficiency and renewal. The aim of this thesis was to investigate the potential role of microRNAs (short non- coding RNAs) in the pancreatic ß-cell dysfunction associated with aging. Microarray analysis of microRNA expression profile in pancreatic islets from 3 and 12 month old Wistar male rats revealed important changes in several microRNAs. To further study the link between those alterations and the decline of ß-cells, the changes observed in old rats were mimicked in immortalized ß-cell lines, primary young rat and human islets. Downregulation of miR-181a inhibited pancreatic ß-cell proliferation in response to proliferative drugs, whereas downregulation of miR-130b and upregulation of miR-383 protected pancreatic ß-cells from cytokine stimulated apoptosis. Interestingly, miR-34a augmented pancreatic ß-cell apoptosis and inhibited ß-cell proliferation in response to the proliferative chemicals Exendin-4, prolactin and PDGF-AA. This loss of replicative capacity is reminiscent of what we observed in pancreatic ß-cells isolated from 12 month old rats. We further observed a correlation between the inhibitory effect of miR-34a on pancreatic ß-cell proliferation and its direct interfering effect of this microRNA on PDGF-r-a, which was previously reported to be involved in the age-associated decline of pancreatic ß-cell proliferation. Interestingly miR-34a was upregulated in the liver and brain of 1 year old animals and positively correlated with age in pancreatic islets of normoglycemic human donors. These results suggest that miR-34a might be not only involved in the age-associated impairment of the pancreatic ß-cell functions, but also play a role in insulin target tissues and contribute to the aging phenotype on the organism level. To conclude, we have demonstrated that microRNAs are indeed involved in the age-associated pancreatic ß-cell dysfunction and they can play both beneficial and harmful roles in the context of pancreatic ß-cell aging.

Nocturnal Transcutaneous Carbon Dioxide and Early Changes in Atherosclerosis in Pre- and Postmenopausal Women

The risk of cardiovascular diseases and sleep-disordered breathing increases after menopause. This cross-sectional study focuses on overnight transcutaneous carbon dioxide (TcCO₂) measurements and their power to predict changes in the early markers of cardiovascular and metabolic diseases. The endothelial function of the brachial artery, the intima-media thickness of the carotid artery, blood pressure, glycosylated hemoglobin A1C and plasma levels of cholesterols and triglycerides were used as markers of cardiovascular and metabolic diseases. The study subjects consisted of healthy premenopausal women of 46 years of age and postmenopausal women of 56 years of age. From wakefulness to sleep, the TcCO₂ levels increased more in postmenopausal women than in premenopausal women. In estrogen-users the increase in TcCO₂ levels was even more pronounced than in other postmenopausal women. From the dynamic behaviour of the nocturnal TcCO₂ signal, several important features were detected. These TcCO₂ features had a remarkable role in the prediction of endothelial dysfunction and thickening of the carotid wall in healthy premenopausal women. In addition, these TcCO₂ features were linked with blood pressure, lipid profile and glucose balance in postmenopausal women. The nocturnal TcCO₂ profile seems to contain significant information, which is associated with early changes in cardiovascular diseases in middle-aged women. TcCO₂ might not only measure the tissue carbon dioxide levels, but the TcCO₂ signal variation may also reflect peripheral vasodynamic events caused by increased sympathetic activity during sleep.

Lipotoxicity in Obesity and Coronary Artery Disease. Studies by PET, CT and MR

Lipotoxicity is a condition in which fatty acids (FAs) are not efficiently stored in adipose tissue and overflow to non-adipose tissue, causing organ damages. A defect of adipose tissue FA storage capability can be the primary culprit in the insulin resistance condition that characterizes many of the severe metabolic diseases that affect people nowadays. Obesity, in this regard, constitutes the gateway and risk factor of the major killers of modern society, such as cardiovascular disease and cancer. A deep understanding of the pathogenetic mechanisms that underlie obesity and the insulin resistance syndrome is a challenge for modern medicine. In the last twenty years of scientific research, FA metabolism and dysregulations have been the object of numerous studies. Development of more targeted and quantitative methodologies is required on one hand, to investigate and dissect organ metabolism, on the other hand to test the efficacy and mechanisms of action of novel drugs. The combination of functional and anatomical imaging is an answer to this need, since it provides more understanding and more information than we have ever had. The first purpose of this study was to investigate abnormalities of substrate organ metabolism, with special reference to the FA metabolism in obese drug-naïve subjects at an early stage of disease. Secondly, trimetazidine (TMZ), a metabolic drug supposed to inhibit FA oxidation (FAO), has been for the first time evaluated in obese subjects to test a whole body and organ metabolism improvement based on the hypothesis that FAO is increased at an early stage of the disease. A third objective was to investigate the relationship between ectopic fat accumulation surrounding heart and coronaries, and impaired myocardial perfusion in patients with risk of coronary artery disease (CAD). In the current study a new methodology has been developed with PET imaging with 11C-palmitate and compartmental modelling for the non-invasive in vivo study of liver FA metabolism, and a similar approach has been used to study FA metabolism in the skeletal muscle, the adipose tissue and the heart. The results of the different substudies point in the same direction. Obesity, at the an early stage, is associated with an impairment in the esterification of FAs in adipose tissue and skeletal muscle, which is accompanied by the upregulation in skeletal muscle, liver and heart FAO. The inability to store fat may initiate a cascade of events leading to FA oversupply to lean tissue, overload of the oxidative pathway, and accumulation of toxic lipid species and triglycerides, and it was paralleled by a proportional growth in insulin resistance. In subjects with CAD, the accumulation of ectopic fat inside the pericardium is associated with impaired myocardial perfusion, presumably via a paracrine/vasocrine effect. At the beginning of the disease, TMZ is not detrimental to health; on the contrary at the single organ level (heart, skeletal muscle and liver) it seems beneficial, while no relevant effects were found on adipose tissue function. Taken altogether these findings suggest that adipose tissue storage capability should be preserved, if it is not possible to prevent excessive fat intake in the first place.

Individual dietary counselling during and after pregnancy: Impact on diet and body weight

In Finland, maternity and child health clinics play a key role in promoting health in young families. Currently, obesity causes the greatest challenges to clinics. In obese pregnant women, an increased risk for metabolic diseases exist which can affect both the mother and child. The purpose of this thesis was to explore the role of dietary counselling: in Finnish health clinics; in the regulation of dietary intake; and in affecting the body weight of women. The main aim was to test the effect of dietary counselling and probiotic intervention on dietary intake and maternal body weight during and after pregnancy. In addition to dietary counselling, the effect of other factors, such as eating behaviour on dietary intake and body weight control after pregnancy was assessed. Another aim was also to evaluate dietary counselling practices by nurses (n = 327) in Finnish health clinics assessed by a questionnaire. At the beginning of the pregnancy, women (n = 256) enrolled in a dietary intervention study, were randomised into three groups. One group received dietary counselling with probiotics, one had counselling with placebo and the third group was the control group. The control group consisted of women whom did not receive counselling and took placebo. Probiotics and placebo supplements were used until the end of exclusive breastfeeding or six months after pregnancy. Women were followed from early pregnancy up to four years after pregnancy. Follow-up visits took place three times during pregnancy, at one and six months, and one, two and four years after pregnancy. Dietary counselling, provided by a nutritionist, aimed to influence the quality of dietary fat intake. Dietary counselling is important to provide in clinics, as determined by the nurses, and these nurses expressed a want to improve their own nutritional knowledge through education. The nurses had varying knowledge of current dietary recommendations. Dietary counselling for women during and after pregnancy resulted in beneficial changes in dietary intake up to one year after pregnancy and body weight and waist circumference up to four years after pregnancy. Probiotics had a beneficial effect together with dietary counselling on waist circumference until one year after pregnancy, but not throughout the long term, four years after pregnancy. Other factors, such as eating behaviour, associated with dietary intake and body weight control after pregnancy. Specifically, dietary recommendations are reached amongst women whom had high cognitive restraint in their eating behaviour and did not demonstrate uncontrolled eating. Overweight women more frequently emotionally ate compared to normal weight women and women with central adiposity related more frequently to having an uncontrolled eating behaviour than women with normal waist circumference. In addition, being overweight prior to pregnancy and excessive weight gain during pregnancy associated with increased body weight retention after pregnancy. This study showed that individual dietary counselling is useful in influencing dietary intake which adheres to dietary recommendations and this counselling influences, favourably, body weight after pregnancy. Especially, women with the risk for weight retention, such as women who have emotional and uncontrolled eating behaviours, who were overweight prior to pregnancy or those who had excessive weight gain during pregnancy, may benefit from individual dietary counselling. This study underscores the need to develop dietary counselling practices for pregnant women and their follow-up after pregnancy in Finnish health clinics. These practices include increasing the efficacy of the counselling such as collaboration with families, having knowledgable health professionals and having sufficient resources.

Effects of exercise training on autonomic and myocardial dysfunction in streptozotocin-diabetic rats

Several investigators have demonstrated that diabetes is associated with autonomic and myocardial dysfunction. Exercise training is an efficient non-pharmacological treatment for cardiac and metabolic diseases. The aim of the present study was to investigate the effects of exercise training on hemodynamic and autonomic diabetic dysfunction. After 1 week of diabetes induction (streptozotocin, 50 mg/kg, iv), male Wistar rats (222 ± 5 g, N = 18) were submitted to exercise training for 10 weeks on a treadmill. Arterial pressure signals were obtained and processed with a data acquisition system. Autonomic function and intrinsic heart rate were studied by injecting methylatropine and propranolol. Left ventricular function was assessed in hearts perfused in vitro by the Langendorff technique. Diabetes (D) bradycardia and hypotension (D: 279 ± 9 bpm and 91 ± 4 mmHg vs 315 ± 11 bpm and 111 ± 4 mmHg in controls, C) were attenuated by training (TD: 305 ± 7 bpm and 100 ± 4 mmHg). Vagal tonus was decreased in the diabetic groups and sympathetic tonus was similar in all animals. Intrinsic heart rate was lower in D (284 ± 11 bpm) compared to C and TD (390 ± 8 and 342 ± 14 bpm, respectively). Peak systolic pressure developed at different pressures was similar for all groups, but +dP/dt max was decreased and -dP/dt max was increased in D. In conclusion, exercise training reversed hypotension and bradycardia and improved myocardial function in diabetic rats. These changes represent an adaptive response to the demands of training, supporting a positive role of physical activity in the management of diabetes.

Inhibition of in vitro CO2 production and lipid synthesis by 2-hydroxybutyric acid in rat brain

2-Hydroxybutyric acid appears at high concentrations in situations related to deficient energy metabolism (e.g., birth asphyxia) and also in inherited metabolic diseases affecting the central nervous system during neonatal development, such as "cerebral" lactic acidosis, glutaric aciduria type II, dihydrolipoyl dehydrogenase (E3) deficiency, and propionic acidemia. The present study was carried out to determine the effect of 2-hydroxybutyric acid at various concentrations (1-10 mM) on CO2 production and lipid synthesis from labeled substrates in cerebral cortex of 30-day-old Wistar rats in vitro. CO2 production was significantly inhibited (30-70%) by 2-hydroxybutyric acid in cerebral cortex prisms, in total homogenates and in the mitochondrial fraction. We also demonstrated a significant inhibition of lipid synthesis (20-45%) in cerebral cortex prisms and total homogenates in the presence of 2-hydroxybutyric acid. However, no inhibition of lipid synthesis occurred in homogenates free of nuclei and mitochondria. The results indicate an impairment of mitochondrial energy metabolism caused by 2-hydroxybutyric acid, a fact that may secondarily lead to reduction of lipid synthesis. It is possible that these findings may be associated with the neuropathophysiology of the situations where 2-hydroxybutyric acid is accumulated.

Plasma free and total carnitine measured in children by tandem mass spectrometry

Free and total carnitine quantification is important as a complementary test for the diagnosis of unusual metabolic diseases, including fatty acid degradation disorders. The present study reports a new method for the quantification of free and total carnitine in dried plasma specimens by isotope dilution electrospray tandem mass spectrometry with sample derivatization. Carnitine is determined by looking for the precursor of ions of m/z = 103 of N-butylester derivative, and the method is validated by comparison with radioenzymatic assay. We obtained an inter- and intra-day assay coefficient of variation of 4.3 and 2.3, respectively. Free and total carnitine was analyzed in 309 dried plasma spot samples from children ranging in age from newborn to 14 years using the new method, which was found to be suitable for calculating reference age-related values for free and total carnitine (less than one month: 19.3 ± 2.4 and 23.5 ± 2.9; one to twelve months: 28.8 ± 10.2 and 35.9 ± 11.4; one to seven years: 30.7 ± 10.3 and 38.1 ± 11.9; seven to 14 years: 33.7 ± 11.6, and 43.1 ± 13.8 µM, respectively). No difference was found between males and females. A significant difference was observed between neonates and the other age groups. We compare our data with reference values in the literature, most of them obtained by radioenzymatic assay. However, this method is laborious and time consuming. The electrospray tandem mass spectrometry method presented here is a reliable, rapid and automated procedure for carnitine quantitation.

Caractérisation de la voie de signalisation AMPK/ACC dans le foie et l’intestin du Psammomys obesus, un modèle animal de résistance à l’insuline et de diabète de type 2

L’expansion des maladies métaboliques dans les sociétés modernes exige plus d’activités de recherche afin d’augmenter notre compréhension des mécanismes et l’identification de nouvelles cibles d’interventions cliniques. L’obésité, la résistance à l’insuline (RI) et la dyslipidémie, en particulier sont tous des facteurs de risque associés à la pathogenèse du diabète de type 2 (DT2) et des maladies cardiovasculaires. Ainsi, la dyslipidémie postprandiale, notamment la surproduction des lipoprotéines hépatiques et intestinales, contribue d’une façon significative à l’hypertriglycéridémie. Quoique plusieurs études cliniques et fondamentales chez l’homme et les modèles animaux aient mis en évidence les rôles importants joués par le foie et l’intestin dans la dyslipidémie, les mécanismes moléculaires en cause ne sont pas bien élucidés. L’une des voies principales régulant le métabolisme lipidique est la voie de la protéine kinase AMPK. L’épuisement de l’ATP intracellulaire entraîne une activation de l’AMPK qui va œuvrer pour rétablir l’équilibre énergétique en stimulant des voies génératrices d’ATP et en inhibant des voies anaboliques consommatrices d’ATP. Les effets positifs de l’activation de l’AMPK comprennent l’augmentation de la sensibilité à l’insuline dans les tissus périphériques, la réduction de l’hyperglycémie et la réduction de la lipogenèse, d’où son importance dans les interventions cliniques pour la correction des dérangements métaboliques. Il est à souligner que le rôle de l’AMPK dans le foie et l’intestin semble plus complexe et mal compris. Ainsi, la voie de signalisation de l’AMPK n’est pas bien élucidée dans les situations pathologiques telles que le DT2, la RI et l’obésité. Dans le présent projet, notre objectif consiste à caractériser le rôle de cette voie de signalisation dans la lipogenèse hépatique et dans le métabolisme des lipides dans l’intestin chez le Psammomys obesus, un modèle animal d’obésité, de RI et de DT2. À cette fin, 3 groupes d’animaux sont étudiés (i.e. contrôle, RI et DT2). En caractérisant la voie de signalisation de l’AMPK/ACC dans le foie, nous avons constaté une augmentation de l’expression génique des enzymes clés de la lipogenèse (ACC, FAS, SCD-1 et mGPAT) et des facteurs de transcription (ChREBP, SREBP-1) qui modulent leur niveau d’expression. Nos analyses détaillées ont révélé, par la suite, une nette augmentation de l’expression de l’isoforme cytosolique de l’ACC, ACC1 (impliqué dans la lipogenèse de novo) concomitante avec une invariabilité de l’expression de l’isoforme mitochondrial ACC2 (impliqué dans la régulation négative de la β-oxydation). En dépit d’un état adaptatif caractérisé par une expression protéique et une phosphorylation (activation) élevées de l’AMPKα, l’activité de la kinase qui phosphoryle et inhibe l’ACC reste très élevée chez les animaux RI et DT2. Au niveau de l’intestin grêle des animaux RI et DT2, nous avons démontré que l’augmentation de la lipogenèse intestinale est principalement associée avec une diminution de la voie de signalisation de l’AMPK (i.e. expression protéique et phosphorylation/activation réduites des deux isoformes AMPKα1 et AMPKα2). La principale conséquence de la diminution de l’activité AMPK est la réduction de la phosphorylation de l’ACC. Étant donné que le niveau d’expression totale d’ACC reste inchangé, nos résultats suggèrent donc une augmentation de l’activité des deux isoformes ACC1 et ACC2. En parallèle, nous avons observé une réduction de l’expression protéique et génique de la CPT1 [enzyme clé de la β-oxydation des acides gras (AG)]. L’ensemble de ces résultats suggère une inhibition de l’oxydation des AG concomitante avec une stimulation de la lipogenèse de novo. Enfin, nous avons démontré que l’intestin grêle est un organe sensible à l’action de l’insuline et que le développement de la résistance à l’insuline pourrait altérer les deux voies de signalisation (i.e. Akt/GSK3 et p38MAPK) essentielles dans plusieurs processus métaboliques. En conclusion, nos résultats indiquent que l’augmentation de la lipogenèse qui contribue pour une grande partie à la dyslipidémie dans la résistance à l’insuline et le diabète serait due, en partie, à des défauts de signalisation par l’AMPK. Nos observations illustrent donc le rôle crucial du système AMPK au niveau hépatique et intestinal, ce qui valide l’approche thérapeutique consistant à activer l’AMPK pour traiter les maladies métaboliques.

Altérations métaboliques et nature des acides gras : implication dans la différenciation des cellules régénératives du tissu adipeux

Par la sécrétion d’adipokines, le tissu adipeux blanc viscéral présent chez des patients souffrant d’obésité promeut l’installation d’altérations métaboliques telles que l’intolérance au glucose, la résistance à l’insuline et le diabète de type 2. Les complications cardiovasculaires, en particulier l’athérosclérose, sont les principales causes de mortalité chez les patients atteints de diabète de type 2. Il a été démontré que la fraction vasculaire stromale du tissu adipeux est composée de cellules régénératives dérivées du tissu adipeux (CRTA) et que ces cellules possèdent des caractéristiques des cellules progénitrices stromales (CPS). L’impact de l’intolérance au glucose et du diabète de type 2 sur les adipocytes sont assez bien documentés. Par contre, les conséquences de ces pathologies sur le comportement des CRTA n’ont pas été mesurées d’une façon approfondie. Plus particulièrement, l’impact de ces altérations métaboliques sur le potentiel de différenciation des CRTA en adipocytes et en cellules endothéliales n’a pas été étudié. Ce projet a pour but d’évaluer, dans un modèle murin, l’effet de ces altérations métaboliques sur l’équilibre de la différenciation in vitro des CRTA en adipocytes ou en cellules endothéliales. L’intolérance au glucose et le diabète de type 2 ont été induit chez les souris par la prise de deux diètes riches en acides gras de provenance végétale (DV) ou animale (DA). L’impact de l’origine des acides gras sur la différenciation des CRTA a également été étudié. Pour ce faire, une mise au point de la culture cellulaire des CRTA s’est avérée nécessaire et compte pour une partie de ces travaux de maîtrise. Nos travaux ont démontré en premier lieu, que le DMSO est un agent qui conserve la viabilité et les propriétés progénitrices des CRTA suite à leur congélation. De plus, parmi les matrices testées, le collagène s’est avéré être celle qui conserve le mieux les caractéristiques des progéniteurs et même, qui enrichie la population cellulaire ensemencée en cellules progénitrices. La densité cellulaire des cellules non-adipeuses du tissu adipeux s’avère être significativement plus élevée chez les souris du groupe de la DV comparativement aux souris contrôles. De plus, l’évaluation in vitro de la différenciation adipogénique démontre un potentiel de différenciation plus important pour les CRTA provenant des souris de la DV par rapport au groupe contrôle et à la DA. Cependant, la différenciation en cellules endothéliales est inhibée chez les CRTA de la DV, comparativement à un retard de ce processus pour la DA. Nos travaux suggèrent que le potentiel de différenciation adipogénique et endothéliale des CRTA est affecté par le statut métabolique des souris ainsi que par la nature de la diète. Ces résultats mettent en lumière pour la première fois l’importance d’évaluer le comportement des CRTA en fonction du statut métabolique du donneur, un paramètre pouvant avoir un impact majeur dans l’utilisation des CRTA autologues en thérapie cellulaire pour la réparation de tissus vasculaires chez des patients diabétiques.

Rôle du stress oxydant en période néonatale dans l'hypertension artérielle et la dysfonction vasculaire et métabolique de l'adulte

Thèse réalisée dans le cadre d'une cotutelle entre l'Université de Montréal et l'Université d'Auvergne en France

Génomique fonctionnelle des cellules corticotropes hypophysaires : contrôle génétique de la gestion systémique des stress

L'axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien (HPA) permet de maintenir l'homéostasie de l'organisme face à divers stress. Qu'ils soient de nature psychologique, physique ou inflammatoire/infectieux, les stress provoquent la synthèse et la libération de CRH par l'hypothalamus. Les cellules corticotropes hypophysaires perçoivent ce signal et en réaction, produisent et sécrètent l'ACTH. Ceci induit la synthèse des glucocorticoïdes (Gc) par le cortex surrénalien; ces stéroïdes mettent le système métabolique en état d’alerte pour la réponse au stress et à l’agression. Les Gc ont le rôle essentiel de contrôler les défenses de l'organisme, en plus d'exercer une rétro-inhibition sur l'axe HPA. L'ACTH est une petite hormone peptidique produite par le clivage d'un précurseur: la pro-opiomélanocortine (POMC). À cause de sa position critique dans la normalisation de l'homéostasie, le contrôle transcriptionnel du gène Pomc a fait l'objet d'études approfondies au cours des dernières décennies. Nous savons maintenant que la région promotrice du gène Pomc permet une expression ciblée dans les cellules POMC hypophysaires. L'étude du locus Pomc par des technologies génomiques m'a permis de découvrir un nouvel élément de régulation qui est conservé à travers l'évolution des mammifères. La caractérisation de cet enhancer a démontré qu'il dirige une expression restreinte à l'hypophyse, et plus particulièrement dans les cellules corticotropes. De façon intéressante, l'activité de cet élément dépend d'un nouveau site de liaison recrutant un homodimère du facteur de transcription Tpit, dont l'expression est également limitée aux cellules POMC de l'hypophyse. La découverte de cet enhancer ajoute une toute nouvelle dimension à la régulation de l'expression de POMC. Les cytokines pro-inflammatoires IL6/LIF et les Gc sont connus pour leur antagonisme sur la réaction inflammatoire et sur le promoteur Pomc via l'action des facteurs de transcription Stat3 et GR respectivement. L'analyse génomique des sites liés ii par ces deux facteurs nous a révélé une interrelation complexe et a permis de définir un code transcriptionnel entre ces voies de signalisation. En plus de leur action par interaction directe avec l’ADN au niveau des séquences régulatrices, ces facteurs interagissent directement entre eux avec des résultats transcriptionnels différents. Ainsi, le recrutement de GR par contact protéine:protéine (tethering) sur Stat3 étant lié à l'ADN provoque un antagonisme transcriptionnel. Inversement, le tethering de Stat3 sur GR supporte une action synergique, tout comme leur co-recrutement à l'ADN sur des sites contigus ou composites. Lors d'une activation soutenue, ce synergisme entre les voies IL6/LIF et Gc induit une réponse innée de défense cellulaire. Ainsi lors d'un stress majeur, ce mécanisme de défense est mis en branle dans toutes les cellules et tissus. En somme, les travaux présentés dans cette thèse définissent les mécanismes transcriptionnels engagés dans le combat de l'organisme contre les stress. Plus particulièrement, ces mécanismes ont été décrits au niveau de la réponse globale des corticotropes et du gène Pomc. Il est essentiel pour l'organisme d'induire adéquatement ces mécanismes afin de faire face aux stress et d'éviter des dérèglements comme les maladies inflammatoires et métaboliques.

Effets directs et aigus de médicaments insulinosensibilisateurs sur la cellule bêta des îlots pancréatiques : de l’outil de recherche à l’identification de la décélération métabolique comme mode d’action

Le diabète de type 2 (DT2) apparaît lorsque la sécrétion d’insuline par les cellules β des îlots du pancréas ne parvient plus à compenser la résistance à l’insuline des organes cibles. Parmi les médicaments disponibles pour traiter le DT2, deux classes agissent en améliorant la sensibilité à l’insuline : les biguanides (metformine) et les thiazolidinediones (pioglitazone et rosiglitazone). Des études suggèrent que ces médicaments protègent également la fonction des cellules β. Dans le but d’identifier des mécanismes par lesquels les médicaments insulinosensibilisateurs protègent les cellules β, nous avons étudié les effets aigus de la metformine et de la pioglitazone sur le métabolisme et la fonction des cellules INS 832/13, sécrétrices d’insuline et des îlots pancréatiques isolés de rats. Nous avons aussi validé in vivo avec des rats Wistar les principales observations obtenues en présence de pioglitazone grâce à des clamps glucidiques et par calorimétrie indirecte. Le traitement aigu des cellules β avec de la pioglitazone ou de la metformine inhibe la sécrétion d’insuline induite par le glucose en diminuant la sensibilité des cellules au glucose (inhibition en présence de concentrations intermédiaires de glucose seulement). Dans les mêmes conditions, les traitements inhibent aussi plusieurs paramètres du métabolisme mitochondrial des nutriments et, pour la pioglitazone, du métabolisme des lipides. Les composés affectent le métabolisme en suivant un patron d’inhibition similaire à celui observé pour la sécrétion d’insuline, que nous avons nommé « décélération métabolique ». La capacité de la pioglitazone à inhiber la sécrétion d’insuline et à ralentir le métabolisme mitochondrial de façon aigüe se confirme in vivo. En conclusion, nous avons identifié la décélération métabolique de la cellule β comme nouveau mode d’action pour les médicaments insulinosensibilisateurs. La décélération métabolique causée par les agents insulinosensibilisateurs les plus utilisés semble provenir d’une inhibition du métabolisme mitochondrial et pourrait être impliquée dans les bienfaits de ceux-ci dans un contexte de stress métabolique. Le fait que les deux agents insulinosensibilisateurs étudiés agissent à la fois sur la sensibilité à l’insuline et sur la sécrétion d’insuline, les deux composantes majeures du DT2, pourrait expliquer pourquoi ils sont parmi les agents antidiabétiques les plus efficaces. La décélération métabolique est une approche thérapeutique à considérer pour le traitement du DT2 et d’autres maladies métaboliques.

Carence en œstrogènes et bases moléculaires du métabolisme des triglycérides et du cholestérol dans le foie et l'intestin : effet de l'exercice physique

La stéatose hépatique et la détérioration du profil lipidique plasmatique sont des pathologies métaboliques favorisées par la carence œstrogénique post-ménopausique. Cependant les mécanismes à la base de ces pathologies n’ont été que très peu étudiés. Le but de cette thèse a été d’investiguer les mécanismes moléculaires possibles à l’origine de l’hypercholestérolémie et de l’accumulation des lipides (triglycérides : TG et cholestérol) dans le foie en utilisant un modèle animal de la ménopause, la rate Sprague Dawley ovariectomisée (Ovx). Nous avons également examiné si le changement des habitudes de vie comme la pratique de l’exercice physique pouvait prévenir ou corriger les modifications induites par l’Ovx. Enfin, rosuvastatine (statine) a été utilisée comme thérapie pharmacologique de l’hypercholestérolémie dans le but de comprendre son effet au niveau moléculaire chez la rate Ovx. L’objectif de la première étude était de déterminer comment l’Ovx peut affecter les niveaux de TG et de cholestérol dans le foie des rates nourries avec une diète riche en lipides (HF : 42% gras). Les rates ont été soumises à la diète HF ou normale pendant 6 semaines avant d’être Ovx ou Sham (ovariectomie simulée), puis maintenues aux mêmes conditions diététiques pour 6 autres semaines. L’Ovx a provoqué une accumulation de TG dans le foie, mais pas la diète HF seule. Cependant, lorsque l’Ovx était combinée à la diète HF, l’accumulation des TG était beaucoup plus importante comparé à ce qui était observé chez les rates Ovx soumises à la diète normale. L’expression génique (ARNm) de CPT1 (Carnitine palmitoyltransferase 1), PGC1α (Peroxisome proliferator-activated receptor gamma, coactivator 1) et PPARα (Peroxysome proliferetor activated receptor alpha) intervenant dans l’oxydation des acides gras dans le foie était augmentée par la diète HF (p ˂ 0.001; p ˂ 0.01; p ˂ 0.05 respectivement) ; mais atténuée (p ˂ 0.05; p ˂ 0.05; p ˂ 0.07 respectivement) lorsque les rates ont été Ovx, favorisant ainsi l’accumulation des TG dans le foie. La combinaison de la diète HF à l’Ovx a également provoqué une hypercholestérolémie et une accumulation de cholestérol dans le foie malgré la diminution de l’expression de la HMGCoA-r (3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase), enzyme clé de la synthèse du cholestérol. Ceci était associé à l’inhibition de l’expression génique de CYP7a1 (Cytochrome P450, family 7, subfamily a, polypeptide 1), suggérant une diminution de la synthèse des acides biliaires. Ayant constaté dans la première étude que l’Ovx élevait les niveaux de cholestérol hépatique et plasmatique, nous nous sommes fixés comme objectif dans la deuxième étude d’évaluer les effets de l’Ovx sur l’expression génique des transporteurs et enzymes responsables du métabolisme du cholestérol et des acides biliaires dans le foie et l’intestin, et de vérifier si l’exercice sur tapis roulant pouvait prévenir ou corriger les changements causés par l’Ovx. L’hypercholestérolémie constatée chez les rates Ovx comparativement aux Sham était accompagnée de la diminution de l’expression génique des récepteurs des LDL (R-LDL), des résidus de lipoprotéines (LRP1), de SREBP-2 (Sterol regulatory element binding protein 2) et de PCSK9 (Proprotein convertase subtilisin/kexin type 9) dans le foie, suggérant une défaillance dans la clairance des lipoprotéines plasmatiques. L’Ovx a aussi inhibé l’expression génique de la MTP (Microsomal triglyceride transfer protein) et stimulé celle de SR-B1 (Scavenger receptor class B, member 1); mais aucun changement n’a été observé avec CYP7a1. Ces changements moléculaires pourraient par conséquent favoriser l’accumulation de cholestérol dans le foie. L’exercice physique n’a pas corrigé les modifications causées par l’Ovx sur l’expression génique de ces molécules au niveau hépatique à l’exception de SREBP-2. Par contre, au niveau intestinal (iléum), l’exercice sur tapis roulant a inhibé l’expression génique des marqueurs moléculaires intervenant dans l’absorption des acides biliaires (OSTα/β, FXR, RXRα, Fgf15) et du cholestérol (LXRα, NCP1L1) au niveau de l’iléum chez les rates Sham entraînées. Ces adaptations pourraient prévenir le développement de l’hypercholestérolémie protégeant en partie contre la survenue de l’athérosclérose. Au vue des effets délétères (hypercholestérolémie et diminution de l’expression du R-LDL, PCSK9, LRP1, SREBP-2 et HMGCOA-r dans le foie) causés par l’Ovx sur le métabolisme du cholestérol constatés dans l’étude 2, la 3ième étude a été conçue pour évaluer l’efficacité de rosuvastatine (Ros) sur l’expression génique de ces marqueurs moléculaires chez les rates Ovx sédentaires ou soumises à l’entraînement volontaire. Ros a été administrée aux rates Ovx pendant 21 jours par voie sous-cutanée à la dose de 5mg/kg/j à partir de la 9ième semaine après l’Ovx. Ros n’a pas diminué la concentration plasmatique de LDL-C et de TC chez les rates Ovx. Par contre, Ros a stimulé (P ˂ 0.05) l’expression génique de PCSK9, SREBP-2, LRP1, HMGCoA-r et ACAT2 (Acyl-CoA cholesterol acyltransferase) mais pas significativement (P = 0.3) celle du R-LDL dans le foie des rates Ovx sédentaires et entraînées. Ros n’a pas réduit la concentration plasmatique de LDL-C probablement à cause de l’induction plus importante de PCSK9 par rapport au R-LDL. Cependant, la stimulation de LRP1 par Ros protège partiellement contre la survenue des maladies cardiovasculaires. En conclusion, les études de cette thèse indiquent que la baisse du niveau des œstrogènes entraîne des changements radicaux du métabolisme hépatique des TG et du cholestérol provoqués par des altérations de l’expression des gènes clés des voies métaboliques associées.