CHARACTERISATION OF ARABIDOPSIS THALIANA PERMEABLE CUTICLE MUTANTS SHOWING A STRONG RESISTANCE TO BOTRYTIS CINEREA

La cuticule des plantes, composée de cutine, un polyester lipidique complexe et de cires cuticulaires, couvre l'épiderme de la plupart des parties aériennes des plantes. Elle est constituée d'une barrière hydrophobique primaire qui minimise les pertes en eau et en soluté et protège l'organisme de différents stress environnementaux tels que les rayons UV, la dessiccation et l'infection par des pathogènes. Elle est aussi impliquée dans la délimitation des organes durant le développement. La cutine est un polyester qui, dans la plupart des espèces végétales, est principalement composé d'acides gras ω-hydroxylés composé de 16 à 18 carbones. Cependant, la cutine des feuilles d'Arabidopsis a une composition différente et est principalement constituée d'acides dicarboxyliques à 16-18 carbones. Les cires sont présentes dans le polyester de la cutine ou le recouvrent. Chez Arabidopsis, un nombre de mutants, tel que 1er, bdg, hth, att1, wbc11, et des plantes transgéniques avec différents changement dans la structure de la cuticule dans les feuilles et la tige, ont récemment été décrits et servent d'outils pour étudier la relation entre la structure et la fonction de la cuticule.7 mutants d'Arabidopsis ont été isolés par une méthode de coloration qui permet de détecter une augmentation dans la perméabilité cuticulaire. Ces mutants ont été appelés pec pour permeable cuticle.Pour la première partie de mon projet, j'ai principalement travaillé avec pec9/bre1 (permeable cuticle 9/botrytis resistance 1). PEC9/BRE1 a été identifié comme étant LACS2 (LONG CHAIN ACYL-CoA SYNTHETASE 2). Dans ce mutant, la cuticule n'est pas visible sous microscopie électronique et la quantité en acides gras omega- hydroxylés et en leurs dérivés est fortement réduite. Ces altérations conduisent à une plus grande perméabilité de la cuticule qui est mise en évidence par une plus grande sensibilité à la sécheresse et aux xénobiotiques et une coloration plus rapide par bleu de toluidine. Le mutant Iacs2 démontre aussi une grande capacité de résistance à l'infection du champignon nécrotrophique B. cinerea. Cette résistance est due à l'extrusion sur les feuilles d'un composé antifongique durant l'infection. Ce travail a été publié dans EMBO journal (Bessire et al., 2007, EMBO Journal).Mon second projet était principalement concentré sur pec1, un autre mutant isolé par le premier crible. La caractérisation de pec1 a révélé des phénotypes similaires à ceux de Iacs2, mais à chaque fois dans des proportions moindres : sensibilité accrue à la sécheresse et aux herbicides, plus grande perméabilité au bleu de toluidine et au calcofluor white, altération de la structure cuticulaire et résistance à B. cinerea à travers la même activité antifongique. PEC1 a été identifié comme étant AtPDR4. Ce gène code pour un transporteur ABC de la famille PDR ("Pleiotropic Drugs Resistance") qui sont des transporteurs ayants un large spectre de substrats. Le mutant se différencie de Iacs2, en cela que la composition en acides gras de la cuticule n'est pas autant altérée. C'est principalement le dihydroxypalmitate des fleurs dont la quantité est réduite. L'expression du gène marqué avec une GFP sous le contrôle du promoteur endogène a permis de localiser le transporteur au niveau de la membrane plasmique des cellules de l'épiderme, de manière polaire. En effet, la protéine est principalement dirigée vers l'extérieure de la plante, là où se trouve la cuticule, suggérant une implication d'AtPDR4 dans le transport de composants de la cuticule. Ce travail est actuellement soumis à Plant Cell.Une étude phylogénétique a aussi montré qu'AtPDR4 était très proche d'OsPDR6 du riz. Le mutant du riz a d'ailleurs montré des phénotypes de nanisme et de perméabilité similaire au mutant chez Arabidopsis.AbstractThe cuticle, consisting principally of cutin and cuticular waxes, is a hydrophobic layer of lipidic nature, which covers all aerial parts of plants and protects them from different abiotic and biotic stresses. Recently, the research in this area has given us a better understanding of the structure and the formation of the cuticle. The Arabidopsis mutants permeable cuticle 1 (peel) and botrytis resistance 1 (brel) were identified in two screens to identify permeable cuticles. The screens used the fluorescent dye calcofluor to measure permeability and also resistance to the fungal pathogen Botrytis. These mutants have highly permeable cuticle characteristics such as higher water loss, intake of chemicals through the cuticle, higher resistance to Botrytis cinerea infection, and organ fusion.BRE1 was cloned and found to be LACS2, a gene previously identified which is important in the formation and biosynthetic pathway of the cuticle. In brel, the amount of the major component of cutin in Arabidopsis leaves and stems, dicarboxylic acids, is five times lower than in the wild type. Moreover, the permeability of the cuticle allows the release of antifungal compounds at the leaf surface that inhibits the growth of two necrotrophic fungi: Botrytis cinerea and Sclerotinia sclerotiorum.PEC1 was identified as AtPDR4, a gene that codes for a plasma membrane transporter of the Pleiotropic Drug Resistance family, a sub-family of the ABC- transporters. AtPDR4 is strongly expressed in the epidermis of expanding tissues. In the epidermis it is located in a polar manner on the external plasma membrane, facing the cuticle. Analysis of the monomer composition of the cutin reveals that in this mutant the amount of hydroxy-acids and dihydroxy-palmitate is 2-3 times lower in flowers, in which organ these cutin monomers are the major components. Thus AtPDR4 is thought to function as a putative cutin monomer transporter.

Effect of acute and chronic exercise on fat oxidation and hormonal and plasma metabolite kinetics in obese and severely obese men

Acute exercise increases energy expenditure (EE) during exercise and post-exercise recovery [excess post-exercise oxygen consumption (EPOC)] and therefore may be recommended as part of the multidisciplinary management of obesity. Moreover, chronic exercise (training) effectively promotes an increase in insulin sensitivity, which seems to be associated with increased fat oxidation rates (FORs). The main purpose of this thesis is to investigate 1) FORs and extra-muscular factors (hormones and plasma metabolites) that regulate fat metabolism during acute and chronic exercise; and 2) EPOC during acute post-exercise recovery in obese and severely obese men (class II and III). In the first study, we showed that obese and severely obese men present a lower exercise intensity (Fatmax) eliciting maximal fat oxidation and a lower reliance on fat oxidation at high, but not at low and moderate, exercise intensities compared to lean men. This was most likely related to an impaired muscular capacity to oxidize non-esterified fatty acids (NEFA) rather than decreased plasma NEFA availability or a change in the hormonal milieu during exercise. In the second study, we developed an accurate maximal incremental test to correctly and simultaneously evaluate aerobic fitness and fat oxidation kinetics during exercise in this population. This test may be used for the prescription of an appropriate exercise training intensity. In the third study, we demonstrated that only 2 wk of exercise training [continuous training at Fatmax and adapted high-intensity interval training (HIIT)], matched with respect to mechanical work, may be effective to improve aerobic fitness, FORs during exercise and insulin sensitivity, which suggest that FORs might be rapidly improved and that adapted HIIT is feasible in this population. The increased FORs concomitant with the lack of changes in lipolysis during exercise suggest an improvement in the mismatching between NEFA availability and oxidation, highlighting the importance of muscular (oxidative capacity) rather than extra-muscular (hormones and plasma metabolites) factors in the regulation of fat metabolism after a training program. In the fourth study, we observed a positive correlation between EE during exercise and EPOC, suggesting that a chronic increase in the volume or intensity of exercise may increase EE during exercise and during recovery. This may have an impact in weight management in obesity. In conclusion, these findings might have practical implications for exercise training prescriptions in order to improve the therapeutic approaches in obesity and severe obesity. -- L'exercice aigu augmente la dépense énergétique (DE) pendant l'exercice et la récupération post-exercice [excès de consommation d'oxygène post-exercise (EPOC)] et peut être utilisé dans la gestion multidisciplinaire de l'obésité. Quant à l'exercice chronique (entraînement), il est efficace pour augmenter la sensibilité à l'insuline, ce qui semble être associé à une amélioration du débit d'oxydation lipidique (DOL). Le but de cette thèse est d'étudier 1) le DOL et les facteurs extra-musculaires (hormones et métabolites plasmatiques) qui régulent le métabolisme lipidique pendant l'exercice aigu et chronique et 2) l'EPOC lors de la récupération aiguë post-exercice chez des hommes obèses et sévèrement obèses (classe II et III). Dans la première étude nous avons montré que les hommes obèses et sévèrement obèses présentent une plus basse intensité d'exercice (Fatmax) correspondant au débit d'oxydation lipidique maximale et un plus bas DOL à hautes, mais pas à faibles et modérées, intensités d'exercice comparé aux sujets normo-poids, ce qui est probablement lié à une incapacité musculaire à oxyder les acides gras non-estérifiés (AGNE) plutôt qu'à une diminution de leur disponibilité ou à un changement du milieu hormonal pendant l'exercice. Dans la deuxième étude nous avons développé un test maximal incrémental pour évaluer simultanément l'aptitude physique aérobie et la cinétique d'oxydation des lipides pendant l'exercice chez cette population. Dans la troisième étude nous avons montré que seulement deux semaines d'entraînement (continu à Fatmax et intermittent à haute intensité), appariés par la charge de travail, sont efficaces pour améliorer l'aptitude physique aérobie, le DOL pendant l'exercice et la sensibilité à l'insuline, ce qui suggère que le DOL peut être rapidement amélioré chez cette population. Ceci, en absence de changements de la lipolyse pendant l'exercice, suggère une amélioration de la balance entre la disponibilité et l'oxydation des AGNE, ce qui souligne l'importance des facteurs musculaires (capacité oxydative) plutôt que extra-musculaires (hormones et métabolites plasmatiques) dans la régulation du métabolisme lipidique après un entraînement. Dans la quatrième étude nous avons observé une corrélation positive entre la DE pendant l'exercice et l'EPOC, ce qui suggère qu'une augmentation chronique du volume ou de l'intensité de l'exercice pourrait augmenter la DE lors de l'exercice et lors de la récupération post-exercice. Ceci pourrait avoir un impact sur la gestion du poids chez cette population. En conclusion, ces résultats pourraient avoir des implications pratiques lors de la prescription des entraînements dans le but d'améliorer les approches thérapeutiques de l'obésité et de l'obésité sévère.

Metabolic effects of fructose in humans

Abstract : Fructose is a simple sugar, whose consumption has increased over the past decades. In rodents, a high-fructose diet (HFrD) induces several features of the metabolic syndrome. The aim of the studies included in this thesis was to investigate the metabolic effects of a HFrD in humans, with a focus on insulin sensitivity and ectopic fat deposition. Moreover, we addressed the question whether these effects may differ between individuals according to gender and the genetic background. The first study was designed to evaluate the impact of a 4-week HFrD on insulin sensitivity and lipid metabolism in 7 healthy men. Insulin sensitivity, intrahepatocellular lipids (IHCL) and intramyocellular lipids (IMCL) contents were measured before and after 1 and 4 weeks of HFrD (1.5 g fructose/kg body weight/day). Insulin sensitivity was assessed by a 2-step hyperinsulinemic euglycemic clamp. IHCL and IMCL were measured by 1H-magnetic resonance spectroscopy (MRS). Fructose caused significant (P<0.05) increases in fasting plasma concentrations of triacylglycerol (TG) (+36%), VLDL-TG (+72%) and glucose (+6%) without any change in body weight, IHCL, IMCL, and insulin sensitivity. In the second study, muscle biopsies were taken from five of these healthy male subjects before and after 4 weeks of HFrD. mRNA concentrations of 18 genes involved in lipid and carbohydrate metabolism were quantified by real-time quantitative PCR. We found that a 4-week HFrD increased the expression of genes involved in lipid synthesis, while it decreased those involved in insulin sensitivity and lipid oxidation; these molecular changes maybe early markers of insulin resistance and altered lipid metabolism. The third study aimed at delineating whether male and females equally respond to a HFrD. For this purpose, higher doses of fructose (twice the dose of the previous study) were provided to 8 healthy young males and 8 healthy young females over 6 days. HFrD significantly increased fasting TG in males (+71 %), whereas this increase was markedly blunted in females (+16%). Males also developed hepatic insulin resistance, characterized by increased hepatic glucose output (+12%), and showed higher alanine aminotransferase concentration (+38%), but none of these effect was observed in females. This study suggests that short-term HFrD leads to hypertriglyceridemia and hepatic insulin resistance in men, but premenopausal women seem protected against these effects. Finally, the fourth study investigated whether healthy offspring of type 2 diabetic patients (OffT2D), a subgroup of individuals prone to metabolic disorders due to their genetic background, may have exacerbated response to HFrD. Eight healthy males (Ctrl) and 16 OffT2D received a HFrD and isocaloric diet in a randomized order. In both groups, HFrD significantly increased IHCL (Ctrl: +76%; OffT2D: +79%) and fasting plasma VLDL-TG (Ctrl: +51 %; OffT2D: +110%). In absolute values, these increments were significantly higher in OffT2D, suggesting that these individuals may be more prone to developing metabolic disorders when challenged by high fructose intake. In order to better delineate the specific effects of fructose vs the hypercaloric energy content, we repeated the complete metabolic investigations after an isocaloric high glucose diet in four of the eight Ctrl volunteers. After a high glucose diet, TG and IHCL concentrations remained similar to the control values, in contrast to the marked increases observed after the HFrD. In conclusion, the studies included in this thesis provided novel insights into the metabolic effects of fructose in humans. They showed that fructose may rapidly increase fasting VLDL-TG, IHCL and lead to hepatic insulin resistance; these effects seem specific to fructose, and potential mechanisms may involve both stimulation of hepatic de novo lipogenesis and decreased lipid oxidation. Moreover, the results suggest that women seem protected against such deleterious effects, while OffT2D displayed exacerbated response. Résumé : Le fructose est un sucre simple, dont la consommation a augmenté durant les dernières décennies. Dans les modèles animaux, un régime riche en fructose (RRFru) peut induire plusieurs composantes du syndrome métabolique. Le but de cette thèse était d'étudier les effets d'un régime riche en fructose sur la sensibilité à l'insuline et la déposition de lipides ectopiques chez l'humain, et si ces effets variaient selon le genre ou le background génétique. La première étude avait pour but d'évaluer l'effet d'un RRFru d'une durée de 4 semaines sur la sensibilité à l'insuline et le métabolisme des lipides chez des hommes sains. La sensibilité à l'insuline, les lipides intrahépatiques (IHCL) et intramusculaires (IMCL) ont été mesurés avant, et après 1 et 4 semaines du RRFru (1.5 g fructose/kg/jour). La sensibilité à l'insuline a été déterminée par un clamp hyperinsulinémique euglycémique, et les IHCL/IMCL par spectroscopie à résonnance magnétique. Le fructose a augmenté les concentrations plasmatiques à jeun des VLDL- triglycérides (TG) (+72%) et de glucose (+6%), sans induire de changement au niveau de la sensibilité à l'insuline, IHCL ou IMCL. Dans la deuxième étude, des biopsies de muscle squelettique ont été prélevées chez cinq de ces volontaires avant et après les 4 semaines de RRFru. Les concentrations de mRNA de 18 gènes impliqués dans le métabolisme des lipides et des hydrates de carbone ont été mesurées par RT-PCR quantitative. Le RRFru a augmenté l'expression de gènes impliqués dans la synthèse de lipides, et diminué celles de gènes impliqués dans la sensibilité à l'insuline et l'oxydation de lipides. Ces changements pourraient constituer des altérations précoces de la sensibilité à l'insuline et du métabolisme lipidique en réponse au fructose. La troisième étude avait pour but de définir si les réponses au RRFru étaient semblables entre les hommes et les femmes. Pour ceci, des doses plus élevées de fructose ont été administrées à 8 jeunes hommes et 8 jeunes femmes durant 6 jours. Le RRFru a augmenté les TG chez les hommes (+71 %), et de manière nettement plus modeste chez les femmes (+16%). Les hommes ont développé une résistance hépatique à l'insuline, ainsi qu'une augmentation des concentrations d'alanine aminotransférase (+38%), mais aucun de ces effets n'a été observé chez les femmes. Cette étude suggère qu'à court terme, un RRFru mène à une hypertriglycéridémie et résistance hépatique à l'insuline chez l'homme, tandis que les femmes semblent en être protégées. Finalement, la 4ème étude a investigué si des personnes apparentées à des patients diabétiques de type 2 (AppDT2), qui constituent un groupe d'individus à risque de développer des maladies métaboliques en raison de leur background génétique, avaient des réponses plus marquées au RRFru. Huit hommes sains (Ctrl) et 16 AppDT2 on reçu dans un ordre randomisé un RRFru et une diète isocalorique durant 6 jours. Dans les deux groupes, le RRFru a augmenté significativement les IHCL (Ctrl: +76%; AppDT2: +79%) et les VLDL-TG plasmatiques à jeun (Ctrl: +51%; AppDT2: +110%). En valeurs absolues, ces deux augmentations étaient plus importantes dans le groupe des AppDT2, suggérant que ces individus sont plus à risque de développer des problèmes métaboliques suite à un apport de fructose. Afin de définir les effets spécifiques du fructose, quatre des huit sujets Ctrl ont été soumis à un régime riche en glucose. Après le régime riche en glucose, les concentrations de TG et d'IHCL étaient semblables aux valeurs obtenues après une diète isocalorique, contrairement aux nombreux effets observés après le RRFru. En conclusion, ces différentes études ont démontré que chez l'humain, le fructose peut rapidement induire une augmentation des VLDL-TG à jeun, des IHCL et une résistance hépatique à l'insuline ; ces effets semblent être spécifiques au fructose. De plus, les différents résultats obtenus montrent que les femmes développent des effets moindres en réponse au fructose, contrairement aux AppDT2, chez qui les effets du fructose semblent plus marqués. Résumé grand public : Le fructose est un sucre simple, présent naturellement et en faibles quantités dans les fruits, mais également constituant du sucrose - appelé aussi sucre de table. Depuis les années 1970, la consommation de fructose a augmenté dans les pays industrialisés et émergents, principalement par le biais d'une hausse de consommation de boissons sucrées de type soda. Dans des modèles animaux tels que les rongeurs, un régime riche en fructose mène au développement de plusieurs facteurs de risques étroitement liés aux maladies cardiovasculaires, à l'obésité et au diabète de type 2; ceux-ci sont caractérisés par une augmentation des concentrations de glucose et de lipides sanguins, ainsi qu'une accumulation de lipides dits « ectopiques », à savoir dans le foie et les muscles. Le but de cette thèse était de définir les effets d'un régime riche en fructose chez l'être humain. De plus, nous nous sommes intéressés à savoir si ces effets étaient semblables entre différents groupes d'individus, à savoir des personnes de sexe masculin / féminin, ou des personnes dont au moins un des parents est diabétique de type 2. Pour ceci, différents groupes de volontaires (hommes, femmes, avec histoire familiale de diabète de type 2) âgés de 18-30 ans se sont soumis à une alimentation enrichie en fructose, d'une durée allant de 6 à 28 jours, suivant l'étude à laquelle ils participaient. La quantité de fructose consommée en plus de l'alimentation normale durant ces périodes équivalait au contenu en fructose de 2-4 litres de boissons sucrées par jour. Des prises de sang ont été effectuées au terme de chacun de ces différents régimes, ainsi que des mesures de sensibilité à l'insuline et de concentrations de lipides dans le foie et le muscle par résonnance magnétique nucléaire, en collaboration avec l'Hôpital de l'Ile de Berne. Les résultats montrent qu'après 6 jours de régime riche en fructose, les volontaires sains de sexe masculin ont presque doublé leurs concentrations de lipides sanguins et hépatiques. De plus, le foie de ces volontaires réagissait moins bien à l'insuline, ce qui pourrait mener à long terme à des maladies métaboliques comme le diabète de type 2. Un des mécanismes postulés est que le fructose pourrait stimuler la formation de lipides dans le foie, contribuant ainsi à un dysfonctionnement de cet organe. De manière surprenante, des femmes d'âge et d'IMC (Indice de Masse Corporelle) comparables aux hommes étudiés n'ont pas développé ces différents effets en réponse au régime riche en fructose. Il semblerait donc qu'elles possèdent certaines propriétés pouvant les «protéger », du moins à court terme, des problèmes métaboliques induits par le fructose. De tels mécanismes sont pour l'heure inconnus, mais il est possible que des différences hormonales, ou de répartition de la masse graisseuse dans le corps, puissent jouer un rôle. Enfin, nous avons également démontré que chez certaines personnes ayant au moins un parent (père ou mère) diabétique de type 2, les augmentations de lipides sanguins et hépatiques induits par le fructose étaient plus marquées que chez des volontaires sans parents diabétiques. Ceci est néanmoins à tempérer par le fait que nous avons observé une grande hétérogénéité des réponses parmi ces individus, découlant certainement d'interactions complexes entre différents facteurs tels que la génétique, le mode de vie, l'alimentation et l'activité physique. Ces différents résultats donnent lieu à une meilleure compréhension du rôle de facteurs alimentaires dans le développement de problèmes métaboliques tels que le diabète de type 2. Ils vont également permettre de tester différentes approches thérapeutiques. Bien qu'ayant été obtenus avec des doses de fructose importantes, ces études soulignent l'effet potentiellement dangereux pour la santé d'une alimentation riche en sucres.

Roles of PPARβ and PPARγ in mouse placental development

RESUME Les gènes des PPARs jouent des rôles importants dans la régulation du métabolisme énergétique, lipidique et glucidique. Le présent travail, caractérise et analyse les défauts placentaires responsables de la mort embryonnaire des souris mutantes pour PPARβ et pour PPARγ, entre le jour E9.5 et E10.5. Les placentas issus d'embryons PPARP présentent un sévère retard de croissance, alors que les placentas mutants PPARγ montrent de graves défauts vasculaires. Nous montrons que les placentas issus d'embryons PPARβ-/-, au jour E9.5 présentent une réduction prononcée de la couche de cellules géantes, associée à une diminution des niveaux de protéines exprimées par les cellules géantes, tel que le placenta lactogène-I et la « proliferin ». Par ailleurs, nous montrons que le traitement d'un lignée trophoblastique par un ligand spécifique de PPARP augmente considérablement leur différentiation en cellules géantes. Cette différentiation dépendante de la voie de signalisation P13-kinase, s'accompagne d'une élévation de l'expression de l'ADRP, une protéine de structure associée aux vésicules lipidiques. Ainsi nous démontrons que PPAR5 est un régulateur majeur de la différentiation des cellules géantes, lesquelles sont primordiales aussi bien pour l'établissement de la structure placentaire, que pour la fonction endocrine. Par contre, les placentas PPARγ-/- présentent un défaut de vascularisation. Le niveau d'une protéine anti-angiogénique, la « proliferin-related protein », est très basse et ne peut pas contre-balancer l'élévation normale de la protéine pro-angiogénique « proliferin ». La formation des vaisseaux se trouve alors altérée. Ainsi, PPARγ constitue un régulateur majeur de l'activité anti-angiogénique. En conclusion, ce travail fournit de nouveaux éléments sur le rôle complémentaires de PPARβet PPARγ dans les événements complexes qui régissent le développement placentaire. SUMMARY Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) are nuclear hormone receptors involved in energy homeostasis and growth. Herein, we characterize the placental defects that cause embryonic lethality around E9.5/E10.5 in PPARβ- and in PPARγ-deficient mouse lines. Most but not all PPARβ-null mutants die around E9.5/E10.5 with severe growth retardation. The placentas from PPARβ-/- embryos at E9.5 exhibit a strongly reduced giant cell layer, associated with reduced levels of proteins expressed by giant cells such as Placental lactogen-I and Proliferin. Ectopic treatment of a rat trophoblast cell line with PPARβ ligand markedly accelerated PI3 kinase-dependent giant cell differentiation. In addition, we demonstrate that ADRP, a pen-related lipid droplet-bound protein, is up-regulated by PPARβ in differentiated Rcho-1 cells. These results indicate that PPARβ is a crucial regulator of the differentiation secondary giant cells, which play a major role in the establishment of the placental structure as well as an important endocrine function. In contrast, the main alteration of the PPARγ-null placentas concerns the vasculogenesis. We show that in these placentas, the level of the anti-angiogenic proliferin-related protein is very low, and cannot balance the normal elevation of the pro-angiogenic proliferin expression, leading to the defective placental vessel formation. Consistently, the dramatic increase of PPARγ expression in late stage of gestation in wild-type mice is likely a major regulator of the anti-angiogenic activity, particularly important at the end of the pregnancy. This work emphasizes the important and complementary roles of PPARβ and PPARγ in mouse placental development and provides new tools for understanding the complex regulatory events that governs placental development and function. Understanding the function of PPARβ and PPARγ are of crucial interest with respect to human placental development and associated pathologies.

Role of the epithelial sodium channel (ENaC) and its positive regulator, the channel-activating protease 1 (CAP1) in skin

Summary: The mammalian epidermis is a pluristratified epithelium composed of 90% keratinocytes, and its main function is to serve as barrier for the body. The epithelial sodium channel (ENaC), formed by three homologous subunits α, β and γ is found in a variety of epithelia including epidermis. Previous studies showed that ENaC modulates different aspects of epidermal differentiation, such as synthesis of differentiation-specific proteins and lipid secretion. ENaC plays also a critical role in sodium homeostasis of renal and pulmonary epithelia, and its activity is thereby well controlled by hormones and non-hormonal factors, such as the serine protease CAP1 (channel-activating protease 1), also termed prostasin encoded by Prss8 gene. Serine proteases are proteolytic enzymes involved in numerous physiological and pathological processes in the epidermis. In order to evaluate the role of β and γENaC in epidermis, we analyzed the skin phenotype of β and γENaC null mutant (βENaC-/- and γENaC-/-) mice in comparison with the phenotype of αENaC-deficient mice. Furthermore, keratin14-specific CAP1-deficient mice (Prss8lox/Δ /K14-Cre) were generated in order to unveil the role of the serine protease CAP1 in epidermal development and function. This study reveals that the skin phenotype of βENaC and γENaC null mutant mice is less severe than the one of αENaC-deficient mice. However, all these mice present a common premature lipid secretion in the mid-granular layer of the epidermis. Further, the composition of the lipids of the stratum corneum in αENaC-deficient mice is strongly altered, suggesting that epidermal barrier function is compromised. K14-specific CAP1-deficient newborn mice are born at the expected Mendelian ratio, but die soon after birth, showing that CAP1 is required for postnatal survival. The epidermis of these mice exhibits striking malformations of the stratum corneum showing hyperkeratosis. These defects seriously affect both inward and outward epidermal barrier function, leading to rapid and fatal dehydration. As in αENaC-deficient mice, the lipid composition of the stratum corneum of K14-specific CAP1-deficient mice is disturbed. Furthermore, lack of CAP1 leads to the selective loss of filaggrin monomers, important for keratins aggregation and skin moisturization, and to an increased of aberrant profilaggrin precursors. In conclusion, both ENaC and CAP1 expression in the epidermis are crucial for keratinocyte differentiation processes and/or barrier function. Since the abnormalities in K14-specific CAP1-deficient mice resemble key features of human skin ichthyosis, in particular Harlequin ichthyosis, the study of ENaC and CAP1 mutant mice might allow new insights into mechanisms underlying skin diseases. Résumé: L'épiderme des mammifères est un épithélium pluristratifié, protégeant le corps contre les perturbations extérieures et la déshydratation. Le canal épithélial à sodium (ENaC), formé de trois sous-unités α, β et γ, est exprimé dans de nombreux épithélia, comme l'épiderme. Des études ont montré que l'absence de la sous-unité αENaC modulait différents aspects de la différenciation des kératinocytes de l'épiderme, comme la synthèse de protéines spécifiques ou la sécrétion de lipides dans la couche granulaire de l'épiderme. ENaC joue également un rôle crucial dans l'homéostasie du sodium dans les épithélia électriquement étanches, comme l'épithélium rénal ou pulmonaire. L'activité de ENaC est par conséquent finement régulée, en partie par des hormones, mais aussi par des facteurs non-hormonaux, telle que la sérine protéase CAP1 (« channel-activating protease 1 >>) (nommée également prostasine et codée par le gène Prss8). Le but de ce travail a donc été d'étudier le rôle des sous-unités β et γENaC dans l'épiderme en comparaison avec celui de la sous-unité α en utilisant des souris mutantes βENaC-/- et γENaC-/-. Dans un deuxième temps, le phénotype d'une souris chez qui CAP1 a été spécifiquement invalidé dans l'épiderme (Prsslox/Δ/K14-Cre) a été analysé, dans le but de mettre en évidence le rôle de cette protéase dans l'épiderme. Comme déjà montré pour les souris αENaC-/-, la sécrétion des lipides dans la couche granulaire de l'épiderme des souris βENaC-/- et γENaC-/- est prématurée. Cependant, l'hyperplasie et l'expression anormale des protéines marqueurs de la différenciation présents chez les souris αENaC-/- n'ont pas été observés dans l'épiderme des souris βENaC-/- et γENaC-/-. La composition lipidique de la couche cornée des souris αENaC-/- est fortement altérée suggérant que la fonction de barrière de l'épiderme de ces souris est compromise. Les souris mutantes CAP1 ont quant à elles révélé des malformations sévères de leur couche cornée, affectant la fonction de barrière de leur épiderme et conduisant à la mort de ces souris par déshydratation quelques jours après leur naissance. De plus, la composition en lipides de la couche cornée ainsi que la taille des cellules cornées, les cornéocytes, de ces souris sont modifiées par rapport aux souris contrôles. L'invalidation de la protéine CAP1 dans l'épiderme conduit aussi à la perte de la filaggrine, une protéine cruciale pour l'agrégation des kératines dans la couche cornée et le maintien du niveau d'hydratation de la peau, et à l'accumulation de ses précurseurs. En conclusion, l'expression de ENaC et de CAP1 est cruciale pour la différenciation de l'épiderme et/ou sa fonction de barrière. De plus, le phénotype des souris mutantes CAP1 présente des caractéristiques qui ressemblent à celles observées dans certaines pathologies humaines cutanées, comme l'ichthyose d'Harlequin. L'étude des souris mutantes ENaC et CAP1 pourrait donc apporter de nouvelles connaissances dans les mécanismes impliqués dans l'ichthyose d'Harlequin ou d'autres maladies de la peau chez l'homme. Résumé tout public: La peau est le plus grand organe vital du corps humain. Sa fonction principale est de protéger le corps comme une barrière, contre les agressions extérieures et la déshydratation. De nombreuses maladies de la peau résultent d'une perte de fonction de cette barrière. Bien que les pathologies cutanées soient très bien décrites, leur cause génétique n'est en général pas encore connue. La souris est alors un modèle de choix pour la recherche fondamentale. En effet, grâce aux progrès récents de la science, le génome de la souris peut aujourd'hui être modifié dans le but d'étudier le rôle de nombreuses protéines. Dans différents organes, comme le rein et le poumon, le canal épithélial à sodium (ENaC), composé de trois sous-unités protéiques homologues (α, β, et γ), joue un rôle essentiel dans la réabsorption du sodium. L'activité de ENaC est régulée par de nombreux facteurs hormonaux et non-hormonaux, telle que la protéase CAP1 (« channel-activating protease 1 »). L'invalidation de la sous-unité αENaC chez la souris a permis de montrer que dans la peau, le canal ENaC est impliqué dans la différenciation des cellules de l'épiderme et la croissance des poils. Durant ce travail, le phénotype des souris chez qui la protéine βENaC, γENaC ou CAP1 a été invalidée (souris mutantes), a été étudié dans le but de mieux comprendre le rôle des sous-unités du canal ENaC et de son régulateur CAP1 dans la peau. Les résultats de ce projet ont montré que les souris mutantes βENaC et γENaC présentent un épiderme anormal avec une synthèse prématurée de lipides dans la couche granulaire, suggérant l'implication de ENaC dans la fonction de barrière de la peau. De plus, quand CAP1 est invalidé de manière totale chez les souris, le développement embryonnaire est perturbé et ces souris meurent avant la naissance. CAP1 a donc été invalidé spécifiquement dans l'épiderme des souris. Ces souris mutantes « épiderme-spécifique » naissent normalement, mais meurent peu après la naissance de déshydratation. La couche superficielle de l'épiderme, appelée couche cornée, de ces souris est malformée et ne confère plus à la peau sa fonction de barrière. De plus, les composants de la couche cornée, les cellules cornées entourées de lipides, sont sévèrement altérés. Le phénotype de ces souris ressemble aux caractéristiques présentes chez les patients atteints d'ichthyoses, en particulier l'ichthyose d'Harlequin. En conclusion, le canal ENaC ainsi que son régulateur CAP1 jouent un rôle clé dans les processus de différenciation de l'épiderme et/ou de sa fonction de barrière. De plus, les souris mutantes pour CAP1 et ENaC se révéleront peut-être comme des modèles appropriés dans l'étude de l'ichthyose d'Harlequin ou d'autres maladies cutanées.

Integrating receptor interactions and dynamics and Interference with endocrine disruptors in the mechanisms of action of PPAR nuclear receptors

Abstract Peroxisome Proliferator-Activated Receptors (PPARs) form a family of three nuclear receptors regulating important cellular and metabolic functions. PPARs control gene expression by directly binding to target promoters as heterodimers with the Retinoid X Receptor (RXR), and their transcriptional activity is enhanced upon activation by natural or pharmacological ligands. The binding of PPAR/RXR heterodimers on target promoters allows the anchoring of a series of coactivators and corepressors involved in promoter remodeling and the recruitment of the transcription machinery. The transcriptional output finally depends on a complex interplay between (i) the respective expression levels of PPARs, RXRs and of other nuclear receptors competing for DNA binding and RXR recruitment, (ii) the availability and the nature of PPAR and RXR ligands, (iii) the expression levels and the nature of the different coactivators and corepressors and (iv) the sequence and the epigenetic status of the promoter. Understanding how all these factors and signals integrate and fine-tune transcription remains a challenge but is necessary to understand the specificity of the physiological functions regulated by PPARs. The work presented herein focuses on the molecular mechanisms of PPAR action and aims at understanding how the interactions and mobility of the receptor modulate transcription in the physiological context of a living cell: Such observations in vivo rely on the use of engineered fluorescent protein chimeras and require the development and the application of complementary imaging techniques such as Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP), Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) and Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS). Using such techniques, PPARs are shown to reside solely in the nucleus where they are constitutively associated with RXR but transcriptional activation by ligand binding -does not promote the formation of sub-nuclear structures as observed with other nuclear receptors. In addition, the engagement of unliganded PPARs in large complexes of cofactors in living cells provides a molecular basis for their ligand-independent activity. Ligand binding reduces receptor diffusion by promoting the recruitment of coactivators which further enlarge the size of PPAR complexes to acquire full transcriptional competence. Using these molecular approaches, we deciphered the molecular mechanisms through which phthalates, a class of pollutants from the plastic industry, interfere with PPARγ signaling. Mono-ethyl-hexyl-phthalate (MEHP) binding induces the recruitment of a specific subset of cofactors and translates into the expression of a specific subset of target genes, the transcriptional output being strongly conditioned by the differentiation status of the cell. This selective PPARγ modulation induces limited adipogenic effects in cellular models while exposure to phthalates in animal models leads to protective effects on glucose tolerance and diet-induced obesity. These results demonstrate that phthalates influence lipid and carbohydrate metabolism through complex mechanisms which most likely involve PPARγ but also probably PPARα and PPARß, Altogether, the molecular and physiological demonstration of the interference of pollutants with PPAR action outlines an important role of chemical exposure in metabolic regulations. Résumé Les PPARs (Peroxisome Proliferator-Activated Receptors) forment une famille de récepteurs nucléaires qui régulent des fonctions cellulaires et métaboliques importantes. Les PPARs contrôlent l'expression des gènes en se liant directement à leurs promoteurs sous forme d'hétérodimères avec les récepteurs RXR (Retinoid X Receptor), et leur activité transcriptionnelle est stimulée par la liaison de ligands naturels ou pharmacologiques. L'association des hétérodimères PPAR/RXR avec les promoteurs des gènes cibles permet le recrutement de coactivateurs et de corépresseurs qui vont permettre le remodelage de la chromatine et le recrutement de la machinerie transcriptionnelle. Les actions transcriptionnelles du récepteur dépendent toutefois d'interactions complexes qui sont régulées par (i) le niveau d'expression des PPARs, des RXRs et d'autres récepteurs nucléaires entrant en compétition pour la liaison à l'ADN et l'association avec RXR, (ii) la disponibilité et la nature de ligands de PPAR et de RXR, (iii) les niveaux d'expression et la nature des différents coactivateurs et corépresseurs et (iv) la séquence et le marquage épigénétique des promoteurs. La compréhension des mécanismes qui permettent d'intégrer ces aspects pour assurer une régulation fine de l'activité transcriptionnelle est un défi qu'il est nécessaire de relever pour comprendre la spécificité des fonctions physiologiques régulées par les PPARs. Ce travail concerne l'étude des mécanismes d'action moléculaire des PPARs et vise à mieux comprendre comment les interactions du récepteur avec d'autres protéines ainsi que la mobilité de ce dernier régulent son activité transcriptionnelle dans le contexte physiologique des cellules vivantes. De telles observations reposent sur l'emploi de protéines fusionnées à des protéines fluorescentes ainsi que sur le développement et l'utilisation de techniques d'imagerie complémentaires telles que le FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), le FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) ou la FCS (Fluorescence Corrélation Spectroscopy). En appliquant ces méthodes, nous avons pu montrer que les PPARs résident toujours dans le noyau où ils sont associés de manière constitutive à RXR, mais que l'ajout de ligand n'induit pas la formation de structures sub-nucléaires comme cela a pu être décrit pour d'autres récepteurs nucléaires. De plus, les PPARs sont engagés dans de larges complexes protéiques de cofacteurs en absence de ligand, ce qui procure une explication moléculaire à leur activité ligand-indépendante. La liaison du ligand réduit la vitesse de diffusion du récepteur en induisant le recrutement de coactivateurs qui augmente encore plus la taille des complexes afin d'acquérir un potentiel d'activation maximal. En utilisant ces approches moléculaires, nous avons pu caractériser les mécanismes permettant aux phtalates, une classe de polluants provenant de l'industrie plastique, d'interférer avec PPARγ. La liaison du mono-ethyl-hexyl-phtalate (NERF) à PPARγ induit un recrutement sélectif de cofacteurs, se traduisant par l'induction spécifique d'un sous-ensemble de gènes qui varie en fonction du niveau de différentiation cellulaire. La modulation sélective de PPARγ par le MEHP provoque une adipogenèse modérée dans des modèles cellulaires alors que l'exposition de modèles animaux aux phtalates induit des effets bénéfiques sur la tolérance au glucose et sur le développement de l'obésité. Toutefois, les phtalates ont une action complexe sur le métabolisme glucido-lipidique en faisant intervenir PPARγ mais aussi probablement PPARα et PPARß. Cette démonstration moléculaire et physiologique de l'interférence des polluants avec les récepteurs nucléaires PPAR souligne un rôle important de l'exposition à de tels composés dans les régulations métaboliques.

Hypolipidemic therapeutics and muscle metabolism

Summary : Lipid metabolism disorders, leading to obesity and cardiovascular diseases, are a major public health issue worldwide. These diseases have been treated by drugs and surgery, leading to tremendous costs and secondary morbidity. The aim of this thesis work is to investigate the mechanisms of actions of a new, micronutrition-based, approach to prevent obesity and cardiovascular diseases. This specific combination of micronutrients, Lipistase, incorporated into any dietary ail can be used in the daily food. Micronutrients are substances used by the living organism in small quantities to maintain physiological homeostasis. However, the human body is not able to produce them and has to obtain them from dietary sources. The combination of micronutrients investigated here, is composed of 26 compounds including trace elements, vitamins, minerals, ails and plant extracts, known to have individually a beneficial effect on lipid metabolism regulation. These specific micronutrients are used for the first time in a combinatorial mode targeting several metabolic pathways for better homeostasis control as opposed to a single target treatment, either chemical or natural. Short and long term studies, in different mouse strains, showed a significant decrease in plasma triglycerides, body weight gain and body fat mass in animals that were fed with a standard diet containing Lipistase. Additionally, a greatly reduced fat accumulation was observed in adipose tissue and liver of Lipistase-treated animals, while lipid and glucose utilization by skeletal muscle was enhanced. Moreover, the size of atherosclerotic plaques was significantly reduced in mice whose masher was treated during pregnancy and suckling, without showing any adverse effect. Finally, Lipistase has been shown to increase longevity by 20%. The control mice that did not receive Lipistase in their diet did not show all these beneficial effects. These micronutrients are used at the lowest dosage ever reported for treating Lipid disorders, resulting in far much lower costs as well as probably a higher safety. This is the first approach being very suitable for an effective large scale prevention policy for obesity and cardiovascular diseases, like iodine in dietary salt has been for goiter. Résumé : Les dysrégulations du métabolisme des lipids, à l'origine d'obésité et de maladies cardiovasculaires, sont un problème de santé publique majeur et mondial. Ces maladies impliquent des traitements médicamenteux et chirurgicaux dont le coût la morbidité secondaire sont très important. Le but de ce travail de thèse est d'étudier les mécanismes d'action d'une nouvelle approche préventive, basée sur la micronutrition. Cette combinaison spécifique de micronutriments, Lipistase, peut être incorporée dans n'importe quelle huile alimentaire et utilisée dans l'alimentation quotidienne. Les micronutrirnents sont des substances essentielles, à très faibles doses, pour le maintien de l'homéostasie physiologique des organismes vivants. Cependant, étant incapable de les synthétiser, le corps humain est dépendant en cela de l'apport alimentaire. La combinaison de micronutriments que nous avons étudié contient 26 composants, incluant des extraits de plantes, des huiles, des vitamines, des métaux et des minéraux, tous connus pour avoir individuellement des effets bénéfiques sur la régulation du métabolisme des lipides. Ces micronutriments spécifiques sont utilisés pour la première fois en mode combinatoire, ciblant ainsi plusieurs voies métaboliques pour un meilleur control de l'homéostasie, par opposition monothérapies chimiques ou naturelles. Des expériences de court et long terme, avec divers modèles de souris, ont montré une diminution significative des taux de triglycérides plasmatiques, de la prise de poids et de la masse graisseuse corporelle chez les animaux qui ont reçu Lipistase dans la nourriture standard. Une accumulation significativement moins importante des graisses a été observée dans le tissu adipeux et hépatique des souris traitées, alors que l'utilisation des lipides et glucose a été favorisée dans le muscle. En outre, la taille des plaques d'athérosclérose aété significativement réduite chez les souris dont la mère a été traitée pendant la grossesse et l'allaitement, sans montrer aucun effet indésirable. Enfin, les souris traitées par Lipistase ont vécu 20% plus longtèmps. Les souris contrôles qui n'ont pas reçu Lipistase dans la nourriture n'ont montré aucun de ces effets bénéfiques. Ces micronutriments sont utilisés au dosage le plus faible jamais rapporté pour le traitement des maladies du métabolisme lipidique, permettant ainsi un coût plus faible et surtout une meilleure sécurité. C'est une approche adéquate pour une politique de prévention de santé publique à large échelle de l'obésité et des maladies cardiovasculaires. C'est en cela et sous bien d'autres aspects, une première dans la prise en charge des maladies du métabolisme lipidique et pourrait même être pour ces dernières ce que l'iode du sel de cuisine a été pour le goitre.

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

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

The CoLaus study : a population-based study to investigate the epidemiology and genetic determinants of cardiovascular risk factors and metabolic syndrome

Rapport de synthèse : Les maladies cardio-vasculaires constituent les causes principales causes de morbidité et de mortalité dans les pays industrialisés. Des études épidémiologiques ont démontré l'implication de facteurs de risques comme l'hypertension, l'hypercholestérolémie, l'obésité abdominale, le diabète et le tabagisme dans le développement des affections cardiovasculaires comme l'infarctus du myocarde ou l'accident vasculaire cérébral. De larges études génétiques cas-contrôle ont contribué modestement à l'identification de gènes de susceptibilité au développement de ces FRCV. Une étude populationnelle offre par contre l'avantage d'effectuer des études associatives pour des traits phénotypiques continus correctement mesurés et aussi pour des traits de catégories utilisant des protocoles d'étude cas-contrôle très discordants. ~ Elle permet l'exploration des déterminants génétiques comme par exemple le syndrome métabolique. Cette approche permet également de procéder à des analyses de séquençage sur l'ADN des participants chez qui un trait phénotypique spécifique est étudié mais distribué de manière opposée. A titre d'exemple, le séquençage de l'ADN de participants à taux très élevé d'HDL-cholestérol versus très bas de ce marqueur lipidique permet d'identifier des variants génétiques rares localisés sur les parties codantes de gènes spécifiques associés aux dyslipidémies. Pour ce faire, nous avons recruté 6'188 personnes âgées de 35 à 75 ans, d'origine caucasienne et résidant en ville de Lausanne (3251 femmes et 2937 hommes). L'obtention d'un tel collectif a nécessité l'échantillonnage aléatoire de quelque 19'830 personnes de cette tranche d'âge. Les participants ont fait l'objet d'une anamnèse approfondie et d'un examen clinique. Le bilan était complété par une prise de sang pour le dosage de paramètres biologiques ainsi qu'une analyse .génétique. Cette dernière a été effectuée après extraction d'ADN au moyen d'une puce Affimetrix qui évalue la présence de quelques 500'000 SNPs. Les données récoltées lors de cette étude dévoilent que l'obésité (index de masse corporelle > 30 kg/m2), le tabagisme, l'hypertension (pression artérielle >_ 140/90 mmHg et/ou hypertension traitée), une dyslipidémie (LDL cholestérol élevé et/ou HDL cholestérol bas et/ou triglycéride élevé) et le diabète (glucose à jeun >_ 7 mmol/l et/ou traitement) affectent respectivement 947 (15,7%), 1673 (27%), 2268 (36,7%), 2113 (34,2%) et 407 (6,6%) participants. La prévalence de ces FRCV est plus marquée chez les hommes que chez les femmes. Dans les deux genres les prévalences de l'obésité, de l'hypertension et du diabète augmentent drastiquement avec l'âge. En conclusion la prévalence des FRCV est élevée au sein d'une population représentative de Lausanne âgée de 35 à 75 ans. A l'avenir, l'étude CoLaus constituera par la richesse de ses données phénotypiques et génétiques, une source unique pour investiguer l'épidémiologie et l'identification de gènes associés à ces FRCV.

Etude des effets du monoxyde d'azote (NO) sur le métabolisme des acides gras libres à partir d'un modèle de souris invalidée pour le gène de la NO synthase endothéliale

RESUME GENERAL Au cours de ces dernières années, le monoxyde d'azote (NO) produit par une famille d'enzymes, les NO synthases (NOS), est apparu comme un effecteur central dans la régulation du système cardiovasculaire et du métabolisme énergétique. Chez l'homme, un défaut de production du NO est associé à des maladies cardiovasculaires et métaboliques comme la résistance à l'insuline ou le diabète de type 2. Ces pathologies se retrouvent chez les souris invalidées pour la NO synthase endothéliale (eN0S-/-) qui présentent non seulement une hypertension mais également une résistance à l'insuline et une dyslipidémie (augmentation des triglycérides et des acides gras libres). Ces anomalies sont étroitement associées et impliquées dans le développement du diabète de type 2. Dans cette étude, nous avons essayé de déterminer à partir du modèle de souris eN0S-/-, l'influence de la eNOS et de son produit, le NO, sur la régulation du métabolisme lipidique intracellulaire. Ainsi, nous avons montré que cette enzyme et le NO régulent directement l'activité β-oxydative des mitochondries isolées du muscle squelettique, du muscle cardiaque et du tissu adipeux blanc. Par ailleurs, dans le muscle de ces souris, le contenu des mitochondries et l'expression des gènes impliqués dans leur biogénèse sont diminués, ce qui suggère que la eNOS et/ou le NO contrôlent également la synthèse de ces organelles. Les mitochondries, via la β-oxydation, sont impliquées dans la production d'énergie à partir des acides gras libres. Dans notre modèle animal, la diminution de la β-oxydation dans le muscle, s'accompagne d'une accumulation des triglycérides intramyocellulaires. Cette accumulation prédispose fortement au développement de la résistance à l'insuline. Les anomalies du métabolisme β-oxydatif favorisent donc probablement l'apparition de la dyslipidémie et le développement de la résistance à l'insuline observées chez les souris eN0S-/-. Cette hypothèse est soutenue par différentes études effectuées chez l'homme et l'animal qui suggèrent qu'une dysfonction mitochondriale peut être à l'origine de la résistance à l'insuline. Ces données récentes et les résultats de ce travail apportent un regard nouveau sur le rôle du NO dans le développement des maladies métaboliques que sont la résistance à l'insuline, le diabète de type 2 et l'obésité. Elles placent aux centres de ces mécanismes une organelle, la mitochondrie, située au carrefour des métabolismes glucidiques et lipidiques. SUMMARY Over the last years, nitric oxide (NO), synthesized by a family of enzymes, the NO synthases, has become a central regulator of the cardiovascular system and energy metabolism. In humans, defective NO production is found in cardiovascular and metabolic diseases such as insulin resistance or type 2 diabetes mellitus. These alterations are also found in knockout mice for the endothelial nitric oxide synthase (eN0S-/-), which are not only hypertensive but also display insulin resistance and dyslipidemia (with increased triglyceride and free fatty acid levels). These pathologic features are tightly linked and involved in the pathogenesis of type 2 DM. In this study, using eN0S-/- mice, we determined the role played by this enzyme and its product, NO, on intracellular lipid metabolism. We show that eNOS and NO directly regulate β-oxidation in mitochondria isolated from skeletal and cardiac muscle as well as white adipose tissue. Furthermore, in the skeletal muscle of these mice, the mitochondrial content and the expression of genes involved in mitochondrial biogenesis are decreased, suggesting that eNOS and/or NO also regulate the synthesis of this intracellular organelle. Mitochondria, through β-oxidation, play a role in energy production from free fatty acids. In our animal model, decreased β-oxidation in skeletal muscle is associated with accumulation of intramyocellular lipids. This increased lipid content plays an important role in the pathogenesis of insulin resistance. Defective β-oxidation, therefore, probably favours the development of insulin resistance and dyslipidemia as seen in these animals. This hypothesis is strengthened by studies in humans and animals indicating that mitochondrial dysfunction is associated with insulin resistance. These recent data and the results of this work provide evidence for a role of NO in the development of metabolic diseases such as insulin resistance or type diabetes mellitus. They put as a central player, an organelle, the mitochondria, which lies at the crossway of carbohydrate and lipid metabolism. RESUME DIDACTIQUE Le maintien des fonctions vitales et l'accomplissement d'une activité physique nécessitent, chez l'homme, un apport quotidien d'énergie. Cette énergie est présente, dans l'alimentation, principalement sous forme de graisses (lipides) ou de sucres. La production d'énergie s'effectue en majorité dans le muscle au niveau d'une organelle particulière, la mitochondrie. La régulation du métabolisme énergétique fait intervenir de nombreux facteurs de régulation dont l'un des plus connu est l'insuline. De nombreuses maladies comme le diabète de type 2, l'obésité ou le syndrome métabolique découlent de la dérégulation du métabolisme énergétique. Un mécanisme particulier, la résistance à l'insuline, qui se caractérise par un défaut d'action de l'insuline au niveau de ses tissus cibles (foie, muscle...) est souvent impliqué dans le développement de ces pathologies. L'étude de ces anomalies métaboliques nécessite l'utilisation de modèles, notamment animaux, qui ont la particularité de reproduire partiellement un état pathologique caractéristique de certaines maladies humaines. Dans ce travail, nous avons utilisé un modèle de souris dont la particularité est de ne pas exprimer une enzyme, la monoxyde d'azote (NO) synthase endothéliale (eNOS), responsable de la synthèse d'un gaz, le NO. Ces souris présentent une hypertension artérielle, des anomalies du métabolisme des lipides et une résistance à l'insuline. Or, de récents travaux effectués chez l'homme montrent que des individus insulino-résistants ou diabétiques de type 2 ont une diminution de la production de NO. Lors de nos investigations, nous avons démontré que la quantité et la capacité des mitochondries à utiliser les lipides comme substrat énergétique est diminuée dans les muscles des souris eN0S-/-. Par ailleurs, ces deux anomalies sont associées dans ce tissu à une accumulation des lipides. De façon très intéressante, ce phénomène est décrit dans de nombreuses études effectuées chez l'homme et l'animal comme favorisant le développement de la résistance à l'insuline. Les résultats de ce travail suggèrent donc que la eNOS et/ou le NO joue un rôle important dans l'activité et la synthèse des mitochondries. Le NO pourrait donc constituer une cible thérapeutique dans le traitement des maladies métaboliques.

Améliorer la prescription d'un traitement hypolipémiant lors d'un syndrome coronarien aigu: absence de benefice d'une alerte automatique.

Introduction: Seulement 25-30% des patients avec syndrome coronarien aigu (SCA) atteignent les valeurs cibles de LDL-cholestérol (LDL-C) dans leur suivi. L'objectif de cette étude pré/post est de tester une alerte automatique centralisée pour améliorer les pratiques. L'alerte apparaît sur les feuilles de laboratoire pour tous les patients ayant une troponine >= 0,1 microg/l; elle précise notamment les recommandations en matière de profil lipidique (LDL-C cible) à atteindre. Méthode: Tout patient admis au CHUV pour un SCA avec troponine >= 0,1 microg/l était éligible. Durant les 2 phases de l'étude (du 23.11.2008 au 15.08.201), un bilan lipidique complet a été dosé à l'admission et à 3 mois. La phase 1 (pré) était observationnelle et le message d'alerte a été introduit pour la phase 2 (post). Résultats: Phase 1: 157 patients dont 56 (35%) étaient déjà traités par une statine: 114 hommes (âge moyen 62 ans) et 43 femmes (73 ans). LDL-C moyen: 3,4 ± 1,0 mmol/l à l'admission et 2,4 ± 0,8 mmol/l à 3 mois (p <0,001). Phase 2: 140 patients dont 42 (30%) étaient déjà traités par une statine: 116 hommes (62 ans) et 24 femmes (67 ans). LDL-C moyen: 3,4 ± 1,1 mmol/l à l'admission et 2,2 ± 1,0 mmol/l à 3 mois (p <0,001). 66 % (104 patients) atteignent un LDL-C cible < = 2,6 mmol/l à 3 mois lors de la phase 1, versus 78% (110 patients) lors de la phase 2 (p = 0,2). Les patients déjà sous statine à l'admission ont une faible diminution du LDL-C à 3 mois (de 2,8 à 2,5 mmol/l phase 1, p <0,05; de 2,5 à 2,6 mmol/l phase 2, p = 0.2), alors que les patients chez qui une statine est introduite à l'admission ont une baisse significative et plus importante du LDL-C à 3 mois (de 3,8 à 2,3 mmol/l phase 1, p <0,001; de 3,7 à 2,1 mmol/l phase 2, p <0,001) que les patients déjà sous statine au préalable. Conclusion: La phase observationnelle montre un taux élevé de patients atteignant un LDL-C cible à 3 mois. L'introduction d'une alarme automatique centralisée n'a pas permis d'améliorer ces résultats. Par contre, les patients arrivant à l'hôpital avec un SCA et étant déjà sous statine devraient avoir une intensification de leur traitement.

Consequences of modified lipid and glucose metabolism on peripheral nervous system structure and function

284 million people worldwide suffered from type 2 diabetes mellitus (T2DM) in 2010, which will, in approximately half of them, lead to the development of diabetic peripheral neuropathy (DPN). Although DPN is the most common complication of diabetes mellitus and the leading cause of non-traumatic amputations its pathophysiology is still poorly understood. To get more insight into the molecular mechanism underlying DPN in T2DM, I used a rodent model of T2DM, the db/db mice.¦ln vivo electrophysiological recordings of diabetic animals indicated that in addition to reduced nerve conduction velocity db/db mice also present increased nerve excitability. Further ex vivo evaluation of the electrophysiological properties of db/db nerves clearly established a presence of the peripheral nerve hyperexcitability (PNH) phenotype in diabetic animals. Using pharmacological inhibitors we demonstrated that PNH is mostly mediated by the decreased activity of Kv1 channels. ln agreement with these data 1 observed that the diabetic condition led to a reduced presence of the Kv1.2 subunits in juxtaparanodal regions of db/db peripheral nerves whereas its mANA and protein expression levels were not affected. Lmportantly, I confirmed a loss of juxtaparanodal Kv1.2 subunits in nerve biopsies from type 2 diabetic patients. Together these observations indicate that the type 2 diabetic condition leads to potassium-channel mediated changes of nerve excitability thus identifying them as potential drug targets to treat sorne of the DPN related symptoms.¦Schwann cells ensheath and isolate peripheral axons by the production of myelin, which consists of lipids and proteins in a ratio of 2:1. Peripheral myelin protein 2 (= P2, Pmp2 or FABP8) was originally described as one of the most abundant myelin proteins in the peripheral nervous system. P2, which is a member of the fatty acid binding protein (FABP) family, is a 14.8 kDa cytosolic protein expressed on the cytoplasmic side of compact myelin membranes. As indicated by their name, the principal role of FABPs is thought to be the binding and transport of fatty acids.¦To study its role in myelinating glial cells I have recently generated a complete P2 knockout mouse model (P2-/-). I confirmed the loss of P2 in the sciatic nerve of P2-/- mice at the mRNA and protein level. Electrophysiological analysis of the adult (P56) mutant mice revealed a mild but significant reduction in the motor nerve conduction velocity. lnterestingly, this functional change was not accompanied by any detectable alterations in general myelin structure. However, I have observed significant alterations in the mRNA expression level of other FABPs, predominantly FABP9, in the PNS of P2-/- mice as compared to age-matched P2+/+ mice indicating a role of P2 in the glial myelin lipid metabolism.¦Le diabète de type 2 touche 284 million de personnes dans le monde en 2010 et son évolution conduit dans la moitié des cas à une neuropathie périphérique diabétique. Bien que la neuropathie périphérique soit la complication la plus courante du diabète pouvant conduire jusqu'à l'amputation, sa physiopathologie est aujourd'hui encore mal comprise. Dans le but d'améliorer les connaissances moléculaires expliquant les mécanismes de la neuropathie liée au diabète de type 2, j'ai utilisé un modèle murin du diabète de type 2, les souris db/db.¦ln vivo, les enregistrements éléctrophysiologiques des animaux diabétiques montrent qu'en plus d'une diminution de la vitesse de conduction nerveuse, les souris db/db présentent également une augmentation de l'excitabilité nerveuse. Des mesures menées Ex­ vivo ont montré l'existence d'un phénotype d'hyperexcitabilité sur les nerfs périphériques isolés d'animaux diabétiques. Grâce à l'utilisation d'inhibiteurs pharmacologiques, nous avons pu démontrer que l'hyperexcitabilité démontrée était due à une réduction d'activité des canaux Kv1. En accord avec ces données, j'ai observé qu'une situation de diabète conduisait à une diminution des canaux Kv1.2 aux régions juxta-paranodales des nerfs périphériques db/db, alors que l'expression du transcrit et de la protéine restait stable. J'ai également confirmé l'absence de canaux Kv1.2 aux juxta-paranoeuds de biopsies de nerfs de patients diabétiques. L'ensemble de ces observations montrent que les nerfs périphériques chez les patients atteints de diabète de type 2 est due à une diminution des canaux potassiques rapides juxtaparanodaux les identifiant ainsi comme des cibles thérapeutiques potentielles.¦Les cellules de Schwann enveloppent et isolent les axones périphériques d'une membrane spécialisée, la myéline, composée de deux fois plus de lipides que de protéines. La protéine P2 (Pmp2 "peripheral myelin protein 2" ou FABP8 "fatty acid binding protein") est l'une des protéines les plus abondantes au système nerveux périphérique. P2 appartient à la famille de protéines FABP liant et transportant les acides gras et est une protéine cytosolique de 14,8 kDa exprimée du côté cytoplasmique de la myéline compacte.¦Afin d'étudier le rôle de P2 dans les cellules de Schwann myélinisantes, j'ai généré une souris knockout (P2-/-). Après avoir validé l'absence de transcrit et de protéine P2 dans les nerfs sciatiques P2-/-, des mesures électrophysiologiques ont montré une réduction modérée mais significative de la vitesse de conduction du nerf moteur périphérique. Il est important de noter que ces changements fonctionnels n'ont pas pu être associés à quelconque changement dans la structure de la myéline. Cependant, j'ai observé dans les nerfs périphériques P2-/-, une altération significative du niveau d'expression d'ARNm d'autres FABPs et en particulier FABP9. Ce dernier résultat démontre l'importance du rôle de la protéine P2 dans le métabolisme lipidique de la myéline.

Negative impact of hypocaloric feeding and energy balance on clinical outcome in ICU patients

Résumé Introduction : Les patients nécessitant une prise en charge prolongée en milieu de soins intensifs et présentant une évolution compliquée, développent une réponse métabolique intense caractérisée généralement par un hypermétabolisme et un catabolisme protéique. La sévérité de leur atteinte pathologique expose ces patients à la malnutrition, due principalement à un apport nutritionnel insuffisant, et entraînant une balance énergétique déficitaire. Dans un nombre important d'unités de soins intensifs la nutrition des patients n'apparaît pas comme un objectif prioritaire de la prise en charge. En menant une étude prospective d'observation afin d'analyser la relation entre la balance énergétique et le pronostic clinique des patients avec séjours prolongés en soins intensifs, nous souhaitions changer cette attitude et démonter l'effet délétère de la malnutrition chez ce type de patient. Méthodes : Sur une période de 2 ans, tous les patients, dont le séjour en soins intensifs fut de 5 jours ou plus, ont été enrôlés. Les besoins en énergie pour chaque patient ont été déterminés soit par calorimétrie indirecte, soit au moyen d'une formule prenant en compte le poids du patient (30 kcal/kg/jour). Les patients ayant bénéficié d'une calorimétrie indirecte ont par ailleurs vérifié la justesse de la formule appliquée. L'âge, le sexe le poids préopératoire, la taille, et le « Body mass index » index de masse corporelle reconnu en milieu clinique ont été relevés. L'énergie délivrée l'était soit sous forme nutritionnelle (administration de nutrition entérale, parentérale ou mixte) soit sous forme non-nutritionnelle (perfusions : soluté glucosé, apport lipidique non nutritionnel). Les données de nutrition (cible théorique, cible prescrite, énergie nutritionnelle, énergie non-nutritionnelle, énergie totale, balance énergétique nutritionnelle, balance énergétique totale), et d'évolution clinique (nombre des jours de ventilation mécanique, nombre d'infections, utilisation des antibiotiques, durée du séjour, complications neurologiques, respiratoires gastro-intestinales, cardiovasculaires, rénales et hépatiques, scores de gravité pour patients en soins intensifs, valeurs hématologiques, sériques, microbiologiques) ont été analysées pour chacun des 669 jours de soins intensifs vécus par un total de 48 patients. Résultats : 48 patients de 57±16 ans dont le séjour a varié entre 5 et 49 jours (motif d'admission : polytraumatisés 10; chirurgie cardiaque 13; insuffisance respiratoire 7; pathologie gastro-intestinale 3; sepsis 3; transplantation 4; autre 8) ont été retenus. Si nous n'avons pu démontrer une relation entre la balance énergétique et plus particulièrement, le déficit énergétique, et la mortalité, il existe une relation hautement significative entre le déficit énergétique et la morbidité, à savoir les complications et les infections, qui prolongent naturellement la durée du séjour. De plus, bien que l'étude ne comporte aucune intervention et que nous ne puissions avancer qu'il existe une relation de cause à effet, l'analyse par régression multiple montre que le facteur pronostic le plus fiable est justement la balance énergétique, au détriment des scores habituellement utilisés en soins intensifs. L'évolution est indépendante tant de l'âge et du sexe, que du status nutritionnel préopératoire. L'étude ne prévoyait pas de récolter des données économiques : nous ne pouvons pas, dès lors, affirmer que l'augmentation des coûts engendrée par un séjour prolongé en unité de soins intensifs est induite par un déficit énergétique, même si le bon sens nous laisse penser qu'un séjour plus court engendre un coût moindre. Cette étude attire aussi l'attention sur l'origine du déficit énergétique : il se creuse au cours de la première semaine en soins intensifs, et pourrait donc être prévenu par une intervention nutritionnelle précoce, alors que les recommandations actuelles préconisent un apport énergétique, sous forme de nutrition artificielle, qu'à partir de 48 heures de séjour aux soins intensifs. Conclusions : L'étude montre que pour les patients de soins intensifs les plus graves, la balance énergétique devrait être considérée comme un objectif important de la prise en charge, nécessitant l'application d'un protocole de nutrition précoce. Enfin comme l'évolution à l'admission des patients est souvent imprévisible, et que le déficit s'installe dès la première semaine, il est légitime de s'interroger sur la nécessité d'appliquer ce protocole à tous les patients de soins intensifs et ceci dès leur admission. Summary Background and aims: Critically ill patients with complicated evolution are frequently hypermetabolic, catabolic, and at risk of underfeeding. The study aimed at assessing the relationship between energy balance and outcome in critically ill patients. Methods: Prospective observational study conducted in consecutive patients staying 5 days in the surgical ICU of a University hospital. Demographic data, time to feeding, route, energy delivery, and outcome were recorded. Energy balance was calculated as energy delivery minus target. Data in means+ SD, linear regressions between energy balance and outcome variables. Results: Forty eight patients aged 57±16 years were investigated; complete data are available in 669 days. Mechanical ventilation lasted 11±8 days, ICU stay 15+9 was days, and 30-days mortality was 38%. Time to feeding was 3.1 ±2.2 days. Enteral nutrition was the most frequent route with 433 days. Mean daily energy delivery was 1090±930 kcal. Combining enteral and parenteral nutrition achieved highest energy delivery. Cumulated energy balance was between -12,600+ 10,520 kcal, and correlated with complications (P<0.001), already after 1 week. Conclusion: Negative energy balances were correlated with increasing number of complications, particularly infections. Energy debt appears as a promising tool for nutritional follow-up, which should be further tested. Delaying initiation of nutritional support exposes the patients to energy deficits that cannot be compensated later on.

METABOLIC EFFECTS OF DIETARY PROTEINS

SUMMARY :Non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) is characterized by an elevated intra- hepatocellular lipid (IHCL) concentration (> 5%). The incidence of NAFLD is frequently increased in obese patients, and is considered to be the hepatic component of the metabolic syndrome. The metabolic syndrome, also characterized by visceral obesity, altered glucose homeostasis, insulin resistance, dyslipidemia, and high blood pressure, represents actually a major public health burden. Both dietary factors and low physical activity are involved in the development of the metabolic syndrome. ln animals and healthy humans, high-fat or high-fructose diets lead to the development of several features of the metabolic syndrome including increased intrahepatic lipids and insulin resistance. ln contrast the effects of dietary protein are less well known, but an increase in protein intake has been suggested to exert beneficial effects by promoting weight loss and improving glucose homeostasis in insulin-resistant patients. Increased postprandial thermogenesis and enhanced satiety after protein ingestion may be both involved. The effects of dietary protein on hepatic lipids have been poorly investigated in humans, but preliminary studies in rodents have shown a reduction of hepatic lipids in carbohydrate fed rats and in obese rats. ln this context this work aimed at investigating the metabolic effects of dietary protein intake on hepatic lipid metabolism and glucose homeostasis in humans. The modulation by dietary proteins of exogenous lipid oxidation, net lipid oxidation, hepatic beta-oxidation, triglycerides concentrations, whole-body energy expenditure and glucose tolerance was assessed in the fasting state and in postprandial states. Measurements of IHCL were performed to quantify the amount of triglycerides in the liver. ln an attempt to cover all these metabolic aspects under different point of views, these questions were addressed by three protocols involving various feeding conditions. Study I addressed the effects of a 4-day hypercaloric high-fat high-protein diet on the accumulation of fat in the liver (IHCL) and on insulin sensitivity. Our findings indicated that a high protein intake significantly prevents intrahepatic fat deposition induced by a short- term hypercaloric high-fat diet, adverse effects of which are presumably modulated at the liver level.These encouraging results led us to conduct the second study (Study ll), as we were also interested in a more clinical approach to protein administration and especially if increased protein intakes might be of benefit for obese patients. Therefore the effects of one-month whey protein supplementation on IHCL, insulin sensitivity, lipid metabolism, glucose tolerance and renal function were assessed in obese women. Results showed that whey protein supplementation reduces hepatic steatosis and improves the plasma lipid profile in obese patients, without adverse effects on glucose tolerance or creatinine clearance. However since patients were fed ud-libitum, it remains possible that spontaneous carbohydrate and fat intakes were reduced due to the satiating effects of protein. The third study (Study lll) was designed in an attempt to deepen our comprehension about the mechanisms involved in the modulation of IHCL. We hypothesized that protein improved lipid metabolism and, therefore, we evaluated the effects of a high protein meal on postprandial lipid metabolism and glucose homeostasis after 4-day on a control or a protein diet. Our results did not sustain the hypothesis of an increased postprandial net lipid oxidation, hepatic beta oxidation and exogenous lipid oxidation. Four days on a high-protein diet rather decreased exogenous fat oxidation and enhanced postprandial triglyceride concentrations, by impairing probably chylomicron-TG clearance. Altogether the results of these three studies suggest a beneficial effect of protein intake on the reduction in lHCL, and clearly show that supplementation of proteins do not reduce IHCL by stimulating lipid metabolism, e.g. whole body fat oxidation, hepatic beta oxidation, or exogenous fat oxidation. The question of the effects of high-protein intakes on hepatic lipid metabolism is still open and will need further investigation to be elucidated. The effects of protein on increased postprandial lipemia and lipoproteins kinetics have been little investigated so far and might therefore be an interesting research question, considering the tight relationship between an elevation of plasmatic TG concentrations and the increased incidence of cardiovascular diseases.Résumé :La stéatose hépatique non alcoolique se caractérise par un taux de lipides intra-hépatiques élevé, supérieur à 5%. L'incidence de la stéatose hépatique est fortement augmentée chez les personnes obèses, ce qui mène à la définir comme étant la composante hépatique du syndrome métabolique. Ce syndrome se définit aussi par d'autres critères tels qu'obésité viscérale, altération de l'homéostasie du glucose, résistance à l'insuline, dyslipidémie et pression artérielle élevée. Le syndrome métabolique est actuellement un problème de santé publique majeur.Tant une alimentation trop riche et déséquilibrée, qu'une faible activité physique, semblent être des causes pouvant expliquer le développement de ce syndrome. Chez l'animal et le volontaire sain, des alimentations enrichies en graisses ou en sucres (fructose) favorisent le développement de facteurs associés au syndrome métabolique, notamment en augmentant le taux de lipides intra-hépatiques et en induisant le développement d'une résistance à l'insuline. Par ailleurs, les effets des protéines alimentaires sont nettement moins bien connus, mais il semblerait qu'une augmentation de l'apport en protéines soit bénéfique, favorisant la perte de poids et l'homéostasie du glucose chez des patients insulino-résistants. Une augmentation de la thermogenese postprandiale ainsi que du sentiment de satiété pourraient en être à l'origine.Les effets des protéines sur les lipides intra-hépatiques chez l'homme demeurent inconnus à ce jour, cependant des études préliminaires chez les rongeurs tendent à démontrer une diminution des lipides intra hépatiques chez des rats nourris avec une alimentation riche en sucres ou chez des rats obèses.Dans un tel contexte de recherche, ce travail s'est intéressé à l'étude des effets métaboliques des protéines alimentaires sur le métabolisme lipidique du foie et sur l'homéostasie du glucose. Ce travail propose d'évaluer l'effet des protéines alimentaires sur différentes voies métaboliques impliquant graisses et sucres, en ciblant d'une part les voies de l'oxydation des graisses exogènes, de la beta-oxydation hépatique et de l'oxydation nette des lipides, et d'autre part la dépense énergétique globale et l'évolution des concentrations sanguines des triglycérides, à jeun et en régime postprandial. Des mesures des lipides intra-hépatiques ont aussi été effectuées pour permettre la quantification des graisses déposées dans le foie.Dans le but de couvrir l'ensemble de ces aspects métaboliques sous différents angles de recherche, trois protocoles, impliquant des conditions alimentaires différentes, ont été entrepris pour tenter de répondre à ces questions. La première étude (Etude I) s'est intéressée aux effets d'u.ne suralimentation de 4 jours enrichie en graisses et protéines sur la sensibilité à l'insuline et sur l'accumulation de graisses intra-hépatiques. Les résultats ont démontré que l'apport en protéines prévient l'accumulation de graisses intra-hépatiques induite par une suralimentation riche en graisses de courte durée ainsi que ses effets délétères probablement par le biais de mécanismes agissant au niveau du foie. Ces résultats encourageants nous ont conduits à entreprendre une seconde étude (Etude ll) qui s'intéressait à l'implication clinique et aux bénéfices que pouvait avoir une supplémentation en protéines sur les graisses hépatiques de patients obèses. Ainsi nous avons évalué pendant un mois de supplémentation l'effet de protéines de lactosérum sur le taux de graisses intrahépatiques, la sensibilité à l'insuline, la tolérance au glucose, le métabolisme des graisses et la fonction rénale chez des femmes obèses. Les résultats ont été encourageants; la supplémentation en lactosérum améliore la stéatose hépatique, le profil lipidique des patientes obèses sans pour autant altérer la tolérance au glucose ou la clairance de la créatinine. L'effet satiétogene des protéines pourrait aussi avoir contribué à renforcer ces effets. La troisième étude s'est intéressée aux mécanismes qui sous-tendent les effets bénéfiques des protéines observés dans les 2 études précédentes. Nous avons supposé que les protéines devaient favoriser le métabolisme des graisses. Par conséquent, nous avons cherché a évaluer les effets d'un repas riche en protéines sur la lipémie postprandiale et l'homéostasie glucidique après 4 jours d'alimentation contrôlée soit isocalorique et équilibrée, soit hypercalorique enrichie en protéines. Les résultats obtenus n'ont pas vérifié l'hypothèse initiale ; ni une augmentation de l'oxydation nette des lipides, ni celle d'une augmentation de la béta-oxydation hépatique ou de l'oxydation d'un apport exogène de graisses n'a pu étre observée. A contrario, il semblerait même plutôt que 4 jours d'a]irnentation hyperprotéinée inhibent le métabolisme des graisses et augmente les concentrations sanguines de triglycérides, probablement par le biais d'une clairance de chylornicrons altérée. Globalement, les résultats de ces trois études nous permettent d'attester que les protéines exercent un effet bénéfique en prévenant le dépot de graisses intra-hépatiques et montrent que cet effet ne peut être attribué à une stimulation du métabolisme des lipides via l'augmentation des oxydations des graisses soit totales, hépatiques, ou exogènes. La question demeure en suspens à ce jour et nécessite de diriger la recherche vers d'autres voies d'exploration. Les effets des protéines sur la lipémie postprandiale et sur le cinétique des lipoprotéines n'a que peu été traitée à ce jour. Cette question me paraît néanmoins importante, sachant que des concentrations sanguines élevées de triglycérides sont étroitement corrélées à une incidence augmentée de facteurs de risque cardiovasculaire.

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.