Antiobesity and antidiabetic activity of P. balsamifera, its active Salicortin, and L. laricina, medicinal plants from the traditional pharmacopoeia of the James Bay Cree

La prévalence de l’obésité, du diabète de type 2, et du syndrome métabolique, sont à la hausse chez les Cris d’Eeyou Istchee (CEI-Nord du Québec). Ces problèmes sont aggravés par leur diète non traditionnelle, leur sédentarité, ainsi que par une résistance culturelle aux produits pharmaceutiques. Afin de développer des traitements antidiabétiques culturellement adaptés, notre équipe a effectué une enquête ethnobotanique qui a identifié 17 plantes provenant de la pharmacopée traditionnelle des CEI. À partir des études de criblage effectuées in vitro, deux plantes parmi les 17 ont attiré notre attention. Populus balsamifera L. (Salicaceae) pour ses propriétés anti-obésité et Larix laricina K. Koch (Pinaceae) pour ses propriétés antidiabétiques. P. balsamifera et son composé actif salicortin ont inhibé l’accumulation de triglycérides durant l’adipogénèse dans les adipocytes 3T3-L1. L. laricina a augmenté le transport de glucose et l’activation de l’AMPK dans les cellules musculaires C2C12, l’adipogénèse dans les 3T3-L1 et a démontré un fort potentiel découpleur (propriété anti-obésité). Les objectifs de cette thèse sont d'évaluer les potentiels anti-obésité et antidiabétique et d’élucider les mécanismes d'action de P. balsamifera, salicortin, et L. laricina chez la souris C57BL/6 rendue obèse par une diète riche en gras (HFD). Les souris ont été soumises pendant huit (étude préventive) ou seize semaines (étude traitement) à une HFD, ou à une HFD dans laquelle P. balsamifera, salicortin, ou L. laricina a été incorporé soit dès le départ (prévention), ou dans les 8 dernières des 16 semaines d'administration de HFD (traitement). iv Les résultats démontrent que P. balsamifera (dans les deux études) et salicortin (évalué dans l’étude traitement) diminuent: le poids corporel, le gras rétropéritonéal, la sévérité de la stéatose et l’accumulation de triglycérides hépatique (ERK impliqué), les niveaux de glycémie et d'insuline, et le ratio leptine/adiponectine. Dans les deux études, P. balsamifera a significativement réduit la consommation de nourriture mais cet effet coupe-faim nécessite d’être approfondi. Dans l'étude préventive, P. balsamifera a augmenté la dépense énergétique (hausse de la température à la surface de la peau et de l’activation de la protéine découplante-1; UCP-1). Les voies de signalisation activées par P. balsamifera et par salicortin (de façon plus modeste) sont impliquées dans: la production de glucose hépatique (Akt), l’expression de Glut4 dans le muscle squelettique, la captation du glucose et du métabolisme des lipides (Akt dans le tissu adipeux), la différenciation des adipocytes (ERK et PPARg), l’inflammation dans le foie (IKKαβ), et l'oxydation des acides gras dans le muscle, le foie, ou le tissu adipeux (PPARa et CPT-1). D’autre part, L. laricina a également diminué les niveaux de glycémie et d’insuline, le ratio leptine/adiponectine, le gras rétropéritonéal et le poids corporel. Ces effets ont été observés en conjonction avec une augmentation de la dépense énergétique: hausse de température à la surface de la peau (prévention) et amélioration de la fonction mitochondriale et de la synthèse d'ATP (traitement). En conclusion, l’utilisation de P. balsamifera, salicortin et L. laricina comme des traitements alternatifs et culturellement adaptés aux CEI représente une contribution importante dans la prévention et le traitement de l’obésité et du diabète.

Étude dans la cellule bêta pancréatique de voies inhibitrices de la sécrétion d'insuline liées au métabolisme des lipides

Le diabète de type 2 (DT2) est une maladie métabolique complexe causée par des facteurs génétiques mais aussi environnementaux, tels la sédentarité et le surpoids. La dysfonction de la cellule β pancréatique est maintenant reconnue comme l’élément déterminant dans le développement du DT2. Notre laboratoire s’intéresse à la sécrétion d’insuline par la cellule β en réponse aux nutriments calorigéniques et aux mécanismes qui la contrôle. Alors que la connaissance des mécanismes responsables de l’induction de la sécrétion d’insuline en réponse aux glucose et acides gras est assez avancée, les procédés d’inhibition de la sécrétion dans des contextes normaux ou pathologiques sont moins bien compris. L’objectif de la présente thèse était d’identifier quelques-uns de ces mécanismes de régulation négative de la sécrétion d’insuline dans la cellule β pancréatique, et ce en situation normale ou pathologique en lien avec le DT2. La première hypothèse testée était que l’enzyme mitochondriale hydroxyacyl-CoA déshydrogénase spécifique pour les molécules à chaîne courte (short-chain hydroxyacyl-CoA dehydrogenase, SCHAD) régule la sécrétion d’insuline induite par le glucose (SIIG) par la modulation des concentrations d’acides gras ou leur dérivés tels les acyl-CoA ou acyl-carnitine dans la cellule β. Pour ce faire, nous avons utilisé la technologie des ARN interférants (ARNi) afin de diminuer l’expression de SCHAD dans la lignée cellulaire β pancréatique INS832/13. Nous avons par la suite vérifié chez la souris DIO (diet-induced obesity) si une exposition prolongée à une diète riche en gras activerait certaines voies métaboliques et signalétiques assurant une régulation négative de la sécrétion d’insuline et contribuerait au développement du DT2. Pour ce faire, nous avons mesuré la SIIG, le métabolisme intracellulaire des lipides, la fonction mitochondriale et l’activation de certaines voies signalétiques dans les îlots de Langerhans isolés des souris normales (ND, normal diet) ou nourries à la dière riche en gras (DIO) Nos résultats suggèrent que l’enzyme SCHAD est importante dans l’atténuation de la sécrétion d’insuline induite par le glucose et les acides aminés. En effet, l’oxydation des acides gras par la protéine SCHAD préviendrait l’accumulation d’acyl-CoA ou de leurs dérivés carnitine à chaîne courtes potentialisatrices de la sécrétion d’insuline. De plus, SCHAD régule le métabolisme du glutamate par l’inhibition allostérique de l’enzyme glutamate déshydrogénase (GDH), prévenant ainsi une hyperinsulinémie causée par une sur-activité de GDH. L’étude de la dysfonction de la cellule β dans le modèle de souris DIO a démontré qu’il existe une grande hétérogénéité dans l’obésité et l’hyperglycémie développées suite à la diète riche en gras. L’orginialité de notre étude réside dans la stratification des souris DIO en deux groupes : les faibles et forts répondants à la diète (low diet responders (LDR) et high diet responder (HDR)) sur la base de leur gain de poids corporel. Nous avons mis en lumières divers mécanismes liés au métabolisme des acides gras impliqués dans la diminution de la SIIG. Une diminution du flux à travers le cycle TG/FFA accompagnée d’une augmentation de l’oxydation des acides gras et d’une accumulation intracellulaire de cholestérol contribuent à la diminution de la SIIG chez les souris DIO-HDR. De plus, l’altération de la signalisation par les voies AMPK (AMP-activated protein kinase) et PKC epsilon (protéine kinase C epsilon) pourrait expliquer certaines de ces modifications du métabolisme des îlots DIO et causer le défaut de sécrétion d’insuline. En résumé, nous avons mis en lumière des mécanismes importants pour la régulation négative de la sécrétion d’insuline dans la cellule β pancréatique saine ou en situation pathologique. Ces mécanismes pourraient permettre d’une part de limiter l’amplitude ou la durée de la sécrétion d’insuline suite à un repas chez la cellule saine, et d’autre part de préserver la fonction de la cellule β en retardant l’épuisement de celle-ci en situation pathologique. Certaines de ces voies peuvent expliquer l’altération de la sécrétion d’insuline dans le cadre du DT2 lié à l’obésité. À la lumière de nos recherches, le développement de thérapies ayant pour cible les mécanismes de régulation négative de la sécrétion d’insuline pourrait être bénéfique pour le traitement de patients diabétiques.

Rôle de la ghréline dans la régulation du coactivateur transcriptionnel PGC-1alpha

L’adaptation de l’organisme à son environnement est essentielle à sa survie. L’homéostasie énergétique permet l’équilibre entre les apports, les dépenses et le stockage d’énergie. Un surplus calorique important dérègle ce processus et mène au développement du syndrome métabolique caractérisé, entre autres, par une obésité, un diabète de type II, des maladies cardiovasculaires et des dyslipidémies. La ghréline participe au maintien de l’équilibre énergétique durant le jeûne en stimulant la production de glucose par le foie et le stockage lipidique dans le tissu adipeux. Le coactivateur transcriptionnel PGC-1alpha, surexprimé en situation de jeûne, est impliqué dans l’induction de la production de glucose par le foie et l’oxydation des acides gras. Notre hypothèse est que ces deux acteurs clés du métabolisme énergétique constituent un axe de régulation commun. Dans cette étude, nous montrons que la ghréline participe à la régulation de PGC-1alpha. Son récepteur GHS-R1a, possédant une forte activité constitutive, est également impliqué de façon indépendante au ligand. GHS-R1a réduit l’activité transcriptionnelle de PGC-1alpha tandis que l’ajout du ligand inverse modérément cette action. L’effet de GHS-R1a corrèle avec l’acétylation de PGC-1alpha qui est fortement augmentée de façon dose-dépendante. La stabilité de PGC-1alpha est également augmentée par le GHS-R1a indépendamment de l’ubiquitine. La ghréline diminue la capacité de PGC-1alpha à lier PPARbeta, un récepteur nucléaire partenaire de PGC-1alpha. De plus, la ghréline réduit, de façon ligand-dépendante, la capacité de coactivation de PGC-1alpha sur PPARbeta dans les hépatocytes. L’ensemble de ces résultats identifie PGC-1alpha comme cible du signal de la ghréline et suggère un axe de régulation ghréline/PGC-1alpha/PPARbeta.Une meilleure compréhension de cet axe de régulation va permettre la mise en évidence de nouvelles cibles thérapeutiques pour faire face aux pathologies associées au syndrome métabolique.

Monoacylglycerol, alpha/beta-hydrolase domain-6, and the regulation of insulin secretion and energy metabolism

Le cycle glycérolipides/acides gras libres (GL/FFA) est une voie métabolique clé qui relie le métabolisme du glucose et des acides gras et il est composé de deux processus métaboliques appelés lipogenèse et lipolyse. Le cycle GL/FFA, en particulier la lipolyse des triglycérides, génère diverses molécules de signalisation pour réguler la sécrétion d'insuline dans les cellules bêta pancréatiques et la thermogenèse non-frissonnante dans les adipocytes. Actuellement, les lipides provenant spécifiquement de la lipolyse impliqués dans ce processus sont mal connus. L’hydrolyse des triglycérides dans les cellules β est réalisée par les actions successives de la triglycéride lipase adipocytaire pour produire le diacylglycérol, ensuite par la lipase hormono-sensible pour produire le monoacylglycérol (MAG) et enfin par la MAG lipase (MAGL) qui relâche du glycerol et des acides gras. Dans les cellules bêta, la MAGL classique est très peu exprimée et cette étude a démontré que l’hydrolyse de MAG dans les cellules β est principalement réalisée par l'α/β-Hydrolase Domain-6 (ABHD6) nouvellement identifiée. L’inhibition d’ABHD6 par son inhibiteur spécifique WWL70, conduit à une accumulation des 1-MAG à longues chaines saturées à l'intérieur des cellules, accompagnée d’une augmentation de la sécrétion d'insuline stimulée par le glucose (GSIS). Baisser les niveaux de MAG en surexprimant ABHD6 dans la lignée cellulaire bêta INS832/13 réduit la GSIS, tandis qu’une augmentation des niveaux de MAG par le « knockdown » d’ABHD6 améliore la GSIS. L'exposition aiguë des monoacylglycérols exogènes stimule la sécrétion d'insuline de manière dose-dépendante et restaure la GSIS supprimée par un inhibiteur de lipases appelé orlistat. En outre, les souris avec une inactivation du gène ABHD6 dans tous les tissus (ABHD6-KO) et celles avec une inactivation du gène ABHD6 spécifiquement dans la cellule β présentent une GSIS stimulée, et leurs îlots montrent une augmentation de la production de monoacylglycérol et de la sécrétion d'insuline en réponse au glucose. L’inhibition d’ABHD6 chez les souris diabétiques (modèle induit par de faibles doses de streptozotocine) restaure la GSIS et améliore la tolérance au glucose. De plus, les résultats montrent que les MAGs non seulement améliorent la GSIS, mais potentialisent également la sécrétion d’insuline induite par les acides gras libres ainsi que la sécrétion d’insuline induite par divers agents et hormones, sans altération de l'oxydation et l'utilisation du glucose ainsi que l'oxydation des acides gras. Nous avons démontré que le MAG se lie à la protéine d’amorçage des vésicules appelée Munc13-1 et l’active, induisant ainsi l’exocytose de l'insuline. Sur la base de ces observations, nous proposons que le 1-MAG à chaines saturées agit comme facteur de couplage métabolique pour réguler la sécrétion d'insuline et que ABHD6 est un modulateur négatif de la sécrétion d'insuline. En plus de son rôle dans les cellules bêta, ABHD6 est également fortement exprimé dans les adipocytes et son niveau est augmenté avec l'obésité. Les souris dépourvues globalement d’ABHD6 et nourris avec une diète riche en gras (HFD) montrent une faible diminution de la prise alimentaire, une diminution du gain de poids corporel et de la glycémie à jeun et une amélioration de la tolérance au glucose et de la sensibilité à l'insuline et ont une activité locomotrice accrue. En outre, les souris ABHD6-KO affichent une augmentation de la dépense énergétique et de la thermogenèse induite par le froid. En conformité avec ceci, ces souris présentent des niveaux élevés d’UCP1 dans les adipocytes blancs et bruns, indiquant le brunissement des adipocytes blancs. Le phénotype de brunissement est reproduit dans les souris soit en les traitant de manière chronique avec WWL70 (inhibiteur d’ABHD6) ou des oligonucléotides anti-sense ciblant l’ABHD6. Les tissus adipeux blanc et brun isolés de souris ABHD6-KO montrent des niveaux très élevés de 1-MAG, mais pas de 2-MAG. L'augmentation des niveaux de MAG soit par administration exogène in vitro de 1-MAG ou par inhibition ou délétion génétique d’ABHD6 provoque le brunissement des adipocytes blancs. Une autre évidence indique que les 1-MAGs sont capables de transactiver PPARα et PPARγ et que l'effet de brunissement induit par WWL70 ou le MAG exogène est aboli par les antagonistes de PPARα et PPARγ. L’administration in vivo de l’antagoniste de PPARα GW6471 à des souris ABHD6-KO inverse partiellement les effets causés par l’inactivation du gène ABHD6 sur le gain de poids corporel, et abolit l’augmentation de la thermogenèse, le brunissement du tissu adipeux blanc et l'oxydation des acides gras dans le tissu adipeux brun. L’ensemble de ces observations indique que ABHD6 régule non seulement l’homéostasie de l'insuline et du glucose, mais aussi l'homéostasie énergétique et la fonction des tissus adipeux. Ainsi, 1-MAG agit non seulement comme un facteur de couplage métabolique pour réguler la sécrétion d'insuline en activant Munc13-1 dans les cellules bêta, mais régule aussi le brunissement des adipocytes blancs et améliore la fonction de la graisse brune par l'activation de PPARα et PPARγ. Ces résultats indiquent que ABHD6 est une cible prometteuse pour le développement de thérapies contre l'obésité, le diabète de type 2 et le syndrome métabolique.

Disruption of the circadian clock within the cardiomyocyte influences myocardial contractile function, metabolism, and gene expression

Virtually every mammalian cell, including cardiomyocytes, possesses an intrinsic circadian clock. The role of this transcriptionally based molecular mechanism in cardiovascular biology is poorly understood. We hypothesized that the circadian clock within the cardiomyocyte influences diurnal variations in myocardial biology. We, therefore, generated a cardiomyocyte-specific circadian clock mutant (CCM) mouse to test this hypothesis. At 12 wk of age, CCM mice exhibit normal myocardial contractile function in vivo, as assessed by echocardiography. Radiotelemetry studies reveal attenuation of heart rate diurnal variations and bradycardia in CCM mice (in the absence of conduction system abnormalities). Reduced heart rate persisted in CCM hearts perfused ex vivo in the working mode, highlighting the intrinsic nature of this phenotype. Wild-type, but not CCM, hearts exhibited a marked diurnal variation in responsiveness to an elevation in workload (80 mmHg plus 1 mu M epinephrine) ex vivo, with a greater increase in cardiac power and efficiency during the dark (active) phase vs. the light (inactive) phase. Moreover, myocardial oxygen consumption and fatty acid oxidation rates were increased, whereas cardiac efficiency was decreased, in CCM hearts. These observations were associated with no alterations in mitochondrial content or structure and modest mitochondrial dysfunction in CCM hearts. Gene expression microarray analysis identified 548 and 176 genes in atria and ventricles, respectively, whose normal diurnal expression patterns were altered in CCM mice. These studies suggest that the cardiomyocyte circadian clock influences myocardial contractile function, metabolism, and gene expression.

N-acetylcysteine in high-sucrose diet-induced obesity: Energy expenditure and metabolic shifting for cardiac health

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Energy Metabolism in Cardiac Remodeling and Heart Failure

Fatty acids are the main substrates used by mitochondria to provide myocardial energy under normal conditions. During heart remodeling, however, the fuel preference switches to glucose. In the earlier stages of cardiac remodeling, changes in energy metabolism are considered crucial to protect the heart from irreversible damage. Furthermore, low fatty acid oxidation and the stimulus for glycolytic pathway lead to lipotoxicity, acidosis, and low adenosine triphosphate production. While myocardial function is directly associated with energy metabolism, the metabolic pathways could be potential targets for therapy in heart failure. © 2013 by Lippincott Williams & Wilkins.

Obesity Preserves Myocardial Function During Blockade of the Glycolytic Pathway

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Cardiac Energy Metabolism and Oxidative Stress Biomarkers in Diabetic Rat Treated with Resveratrol

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The Role of Lipotoxicity in Smoke Cardiomyopathy

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Diferentes doses de Triiodotironina (T3) aumentam a expressão gênica de leptina, adiponectina e TRα com o envolvimento da via fosfatidil inositol 3 quinase (PI3K) em adipócitos, 3T3-L1

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

L-Carnitine induces recovery of liver lipid metabolism in cancer cachexia

Cancer cachexia causes metabolic alterations with a marked effect on hepatic lipid metabolism. l-Carnitine modulates lipid metabolism and its supplementation has been proposed as a therapeutic strategy in many diseases. In the present study, the effects of l-carnitine supplementation on gene expression and on liver lipid metabolism-related proteins was investigated in cachectic tumour-bearing rats. Wistar rats were assigned to receive 1 g/kg of l-carnitine or saline. After 14 days, supplemented and control animals were assigned to a control (N), control supplemented with l-carnitine (CN), tumour-bearing Walker 256 carcinosarcoma (TB) and tumour-bearing supplemented with l-carnitine (CTB) group. The mRNA expression of carnitine palmitoyltransferase I and II (CPT I and II), microsomal triglyceride transfer protein (MTP), liver fatty acid-binding protein (L-FABP), fatty acid translocase (FAT/CD36), peroxisome proliferator-activated receptor-alpha (PPAR-alpha) and organic cation transporter 2 (OCTN2) was assessed, and the maximal activity of CPT I and II in the liver measured, along with plasma and liver triacylglycerol content. The gene expression of MTP, and CPT I catalytic activity were reduced in TB, who also showed increased liver (150%) and plasma (3.3-fold) triacylglycerol content. l-Carnitine supplementation was able to restore these parameters back to control values (p < 0.05). These data show that l-carnitine preserves hepatic lipid metabolism in tumour-bearing animals, suggesting its supplementation to be of potential interest in cachexia.

Lethal mitochondrial cardiomyopathy in a hypomorphic Med30 mouse mutant is ameliorated by ketogenic diet

Deficiencies of subunits of the transcriptional regulatory complex Mediator generally result in embryonic lethality, precluding study of its physiological function. Here we describe a missense mutation in Med30 causing progressive cardiomyopathy in homozygous mice that, although viable during lactation, show precipitous lethality 2-3 wk after weaning. Expression profiling reveals pleiotropic changes in transcription of cardiac genes required for oxidative phosphorylation and mitochondrial integrity. Weaning mice to a ketogenic diet extends viability to 8.5 wk. Thus, we establish a mechanistic connection between Mediator and induction of a metabolic program for oxidative phosphorylation and fatty acid oxidation, in which lethal cardiomyopathy is mitigated by dietary intervention.

First report about the mode of action of combined butafosfan and cyanocobalamin on hepatic metabolism in nonketotic early lactating cows

The primary aim was to investigate the effect of combined butafosfan and cyanocobalamin on liver metabolism in early lactating cows through mRNA expression measurements of genes encoding 31 enzymes and transport proteins of major metabolic processes in the liver using 16 multiparous early lactating dairy cows. The treatments included i.v. injection of 10 mL/100 kg of body weight combined butafosfan and cyanocobalamin (TG, n = 8) on 3 d consecutively at 25 +/- 3 d in milk or injection with physiological saline solution similarly applied (CG, n = 8). Results include a higher daily milk production for TG cows (41.1 +/- 0.9 kg, mean +/- SEM) compared with CG cows (39.5 +/- 0.7 kg). In plasma, the concentration of inorganic phosphorus was lower in the TG cows (1.25 +/- 0.08 mmol/L) after the treatment than in the CG cows (1.33 +/- 0.07 mmol/L). The plasma beta-hydroxybutyrate concentration was 0.65 +/- 0.13 mmol/L for all cows before the treatment, and remained unaffected post treatment. The unique result was that in the liver, the mRNA abundance of acyl-coenzyme A synthetase long-chain family member 1, involved in fatty acid oxidation and biosynthesis, was lower across time points after the treatment for TG compared with CG cows (17.5 +/- 0.15 versus 18.1 +/- 0.24 cycle threshold, log(2), respectively). In conclusion, certain effects of combined butafosfan and cyanocobalamin were observed on mRNA abundance of a gene in the liver of nonketotic early lactating cows.

Coordinated gene expression in adipose tissue and liver differs between cows with high or low NEFA concentrations in early lactation

Dairy cows with high and low plasma non-esterified fatty acid (NEFA) concentrations in early lactation were compared for plasma parameters and mRNA expression of genes in liver and subcutaneous adipose tissue. The study involved 16 multiparous dairy cows with a plasma NEFA concentration of >500 mumol/l [n = 8, high NEFA (HNEFA)] and <140 mumol/l [n = 8, low NEFA (LNEFA)] in the first week post-partum (pp). Blood samples, adipose and liver tissues were collected on day 1 (+1d) and at week 3 pp (+3wk). Blood plasma was assayed for concentrations of metabolites and hormones. Subcutaneous adipose and liver tissues were analysed for mRNA abundance by real-time qRT-PCR encoding parameters related to lipid metabolism. Results showed that mean daily milk yield and milk fat quantity were higher in HNEFA than in LNEFA cows (p < 0.01), and the NEB was more negative in HNEFA than in LNEFA in +3wk too (p < 0.05). HNEFA cows had slightly lower (p < 0.1) insulin concentrations than LNEFA cows across the study period, and the body condition score decreased more from +1d to +3wk in HNEFA than in LNEFA (p = 0.09). The mRNA abundance of genes in the liver related to fatty acid oxidation (carnitine palmitoyltransferase 2 and very long chain acyl-coenzyme A dehydrogenase) and ketogenesis (3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A synthase 2) were lower in HNEFA than in LNEFA cows. No differences between the two groups were observed for mRNA expression of genes in adipose tissue. The number of calculated significant correlation coefficients (moderately strong) between parameters in the liver and in adipose tissue was nearly similar on +1d, and higher for HNEFA compared with LNEFA cows in +3wk. In conclusion, dairy cows with high compared with low plasma NEFA concentrations in early lactation show differentially synchronized mRNA expression of genes in adipose tissue and liver in +3wk that suggests a different orchestrated homeorhetic regulation of lipid metabolism.