Le rôle du système mélanocortine dans le contrôle de
l’activité thermogène du tissu adipeux brun.
Thèse
Boris Monge Roffarello
Doctorat en neurobiologie
Philosophiae doctor (Ph.D.)
Québec, Canada
Résumé
L’obésité se caractérise par un excès de masse adipeuse corporelle. Elle est due à un déséquilibre de la balance énergétique qui dépend de l’apport énergétique et les dépenses énergétiques, notamment via la thermogenèse du tissu adipeux brun (brown adipose tissue — BAT). Le BAT est sous l’influence de différents systèmes de neurotransmetteurs au sein du système nerveux central et en particulier au niveau de l’hypothalamus par le système mélanocortines (SM). Cependant, le rôle du SM dans l’hypothalamus sur le contrôle du BAT reste à éclaircir. Les travaux présentés dans cette thèse visaient à i) montrer que le noyau paraventriculaire de l’hypothalamus (PVH) est au centre de la modulation des effets du SM sur la thermogenèse du BAT par le système endocannabinoïde (SE) et ii) mettre en évidence que le noyau préoptique médial (MPO) est un site d’activation de la thermogenèse par les mélanocortines dépendant d’un relais dans le noyau dorsomédian de l’hypothalamus (DMH).
Nous avons observé que l’injection intra-cérébro-ventriculaire de MTII, un agoniste des récepteurs aux mélanocortines, augmente la dépense énergétique via la thermogenèse du BAT. D’autre part, les effets du MTII sur le BAT sont inhibés ou partiellement potentialisés par l’injection respective d’un agoniste (Δ9-THC) ou d’un antagoniste (AM251) du SE. Par la suite, nous avons mis en évidence que ces observations font intervenir spécifiquement le récepteur aux mélanocortines 4 et le récepteur aux cannabinoïdes de type 1. Enfin, notre étude a montré que des neurones du PVH co-expriment ces deux récepteurs et que les effets sur la thermogenèse de l’injection de MTII dans le PVH, sont totalement inhibés par l’administration de Δ9-THC dans le 4éme ventricule, suggérant donc, que la modulation du SM par le SE a lieu au sein de neurones du PVH projetant vers la moëlle épinière. D’autre part, l’injection de MTII dans le MPO stimule la thermogenèse du BAT. Toutefois, des lésions du DMH causées par l’acide kaïnique inhibent les effets du MTII. De plus, l’expression de gènes impliqués dans le métabolisme du tissu adipeux blanc inguinal est stimulée par le MTII, mais seulement chez les rats lésés. Ces résultats permettent donc d’établir que le duo MPO-DMH est une cible importante dans la modulation de l’homéostasie énergétique par les mélanocortines. L’ensemble de ces résultats montre le rôle majeur du SM au sein de l’hypothalamus dans le contrôle de l’activité thermogène du BAT. Cependant, la compréhension des réseaux neuronaux impliquant le SM et ses co-régulateurs reste
Abstract
Obesity is characterized by an adiposity excess. It is due to an imbalance between energy intake and energy expenditure, which includes a few components including brown adipose tissue (BAT) thermogenesis. BAT is controlled by different neuronal systems of the central nervous system, including the melanocortin system (MS). However, the role of the hypothalamic melanocortin system in the control of BAT thermogeneis remains unclear. The studies presented in this thesis were designed to study i) that the paraventricular nucleus of the hypothalamus (PVH) is central for modulating the effects of MS on BAT thermogenesis by the endocannabinoid system (ES) and ii) to highlight the influence of the medial preoptic nucleus (MPO) as a site of the thermogenic action of MS and exploring the role played by the dorsomedial nucleus of the hypothalamus (DMH) in this action.
We observed that intracerebroventricular (i.c.v) injection of melanocotin II (MTII), a melanocortin receptor agonist, increased energy expenditure through BAT thermogenesis. The MTII effects on BAT were inhibited or partially potentiated by an injection of ES agonist (Δ9-THC) or antagonist (AM251) respectively. Subsequently, we demonstrated that the melanocortin 4 receptor and the cannabinoid receptor type 1 were specifically involved in these observations. Finally, our study showed that PVH neurons co-expressed both these receptors and the effects on thermogenesis of the MTII injection into the PVH were completely inhibited by the administration of Δ9-THC in the 4th ventricle, suggesting that the modulation of MS by the ES occurred through PVH neurons projecting to the spinal cord. On the other hand, the injection of MTII in MPO stimulated BAT thermogenesis. Nonetheless, DMH lesions caused by kainic acid inhibited the effects of MTII. Furthermore, the gene expression involved in inguinal white adipose tissue metabolism were stimulated by MTII, but only in lesioned rats. These results indicate that the MPO-DMH duet is an important target in the modulation of energy homeostasis by the melanocortins. All of these results show the major role of MS within the hypothalamus in the control of BAT thermogenic activity. However, understanding of neural networks involving the MS and its co-regulators remains to be clarified before considering therapeutic treatment of obesity through the activation of MS.
Tables des matières
RESUME ... III
ABSTRACT ... V
TABLES DES MATIERES ... VII
LISTE DES TABLEAUX ... XI
LISTE DES FIGURES ... XIII
LISTE DES ABREVIATIONS ... XV
REMERCIEMENTS ... XXI
AVANT-‐PROPOS ... XXIII
INTRODUCTION ... 1
1 LA REGULATION DE L’HOMEOSTASIE ENERGETIQUE. ... 5
1.1 Les signaux périphériques régulant l’homéostasie énergétique. ... 6
1.1.1 Les signaux sensoriels et la phase céphalique. ... 8
1.1.2 L’effet des signaux digestifs et des métabolites sur la prise alimentaire. ... 8
1.1.2.1 Les signaux gastro-‐intestinaux. ... 9
1.1.2.2 L’effet des métabolites. ... 11
1.1.3 Les signaux postprandiaux. ... 13
1.1.3.1 L’insuline. ... 13
1.1.3.2 La leptine. ... 14
1.2 La régulation centrale de l’homéostasie énergétique. ... 15
1.2.1 Le rôle de l’hypothalamus dans l’homéostasie énergétique. ... 15
1.2.1.1 Les neurones de premier ordre du noyau arqué. ... 17
1.2.1.2 Les neurones de second ordre. ... 21
1.2.2 Le rôle du NTS dans la régulation de l’homéostasie. ... 23
1.2.2.1 Le NTS est le centre de l’activité du SNA. ... 24
1.2.2.2 Les interactions du NTS et de l’hypothalamus dans la régulation de l’homéostasie. ... 24
2 LA THERMOGENESE DU TISSU ADIPEUX BRUN. ... 27
2.1 Le tissu adipeux brun. ... 28
2.1.1 Les caractéristiques du tissu adipeux brun. ... 28
2.1.1.1 Origine et développement du tissu adipeux brun. ... 28
2.1.1.2 Localisation du tissu adipeux brun chez le rat et l’homme. ... 31
2.1.1.3 Le secrétome du tissu adipeux brun. ... 31
2.1.2 Les mécanismes cellulaires permettant la production de chaleur. ... 35
2.1.2.1 L’activation de l’adipocyte brun : la cascade adrénergique. ... 35
2.1.2.2 Les mécanismes de l’activité thermogène. ... 38
2.1.2.3 Les mécanismes de la capacité thermogène. ... 39
2.1.2.4 Les facteurs endocriniens périphériques influençant l’adipocyte brun. ... 40
2.2 Le contrôle central de l’activité thermogène du tissu adipeux brun. ... 42
2.2.1 Le contrôle central du tissu adipeux brun lors de la thermorégulation. ... 42
2.2.1.1 Les afférences de la perception thermique cutanée et centrale. ... 43
2.2.1.2 Les mécanismes hypothalamiques impliqués dans le contrôle du BAT. ... 45
2.2.1.3 Le système nerveux sympathique. ... 48
2.2.2 Les autres mécanismes impliqués dans le contrôle central de l’activité du iBAT. ... 50
2.2.2.1 Rythme ultradien et stress : rôle de l’orexine. ... 50
2.2.2.2 La fièvre. ... 51
2.2.2.3 L’hypoglycémie ... 52
2.2.2.4 L’hypoxie. ... 52
3 IMPLICATION DU SYSTEME MELANOCORTINE DANS LA REGULATION DE L’HOMEOSTASIE ENERGETIQUE : SON ROLE DANS LA THERMOGENESE. ... 55
3.1 Le système mélanocortine. ... 55
3.1.1 Ses principaux acteurs. ... 55
3.1.1.1 Localisation et synthèse des ligands endogènes. ... 55
3.1.1.2 Localisation et fonction des récepteurs. ... 56
3.1.2 Ses partenaires dans le contrôle de la prise alimentaire. ... 58
3.1.2.1 L’effet de la leptine et de l’insuline sur l’expression de la POMC. ... 58
3.1.2.2 Les endocannabïnoides. ... 59
3.2 La thermogenèse induite par l’alimentation ... 60
3.3 La mise en évidence de l’implication du système mélanocortine dans le contrôle de la thermogenèse. ... 61
3.3.1 Les évidences génétiques ... 62
3.3.2 Les évidences pharmacologiques. ... 62
3.3.3 Les évidences anatomo-‐fonctionnelles. ... 63
PROBLEMATIQUE ET OBJECTIFS GENERAUX DES TRAVAUX. ... 67
Problématique. ... 69
Objectifs généraux des travaux. ... 71
Objectifs spécifiques. ... 71
CHAPITRE 1 ... 73
THE CANNABINOID RECEPTOR 1 IS INVOLVED IN THERMOGENESIS INDUCED BY THE BRAIN STIMULATION OF THE MELANOCORTIN-‐4 RECEPTOR IN MALE RATS. ... 75
Résumé ... 77
Abstract ... 79
Introduction ... 81
Research Design and Methods ... 83
Results ... 91 Discussion ... 93 Acknowledgements ... 95 References ... 97 Tables ... 103 Figure Legends ... 105 Figures ... 109 CHAPITRE 2 ... 117
THE MEDIAL PREOPTIC NUCLEUS AS A SITE OF THE THERMOGENIC AND METABOLIC ACTIONS OF MELANOTAN II IN MALE RATS. ... 119
Résumé ... 121
Abstract ... 123
Introduction ... 125
Research Design and Methods ... 127
Results ... 131 Discussion ... 133 Acknowledgements ... 137 References ... 139 Tables ... 143 Figure Legends ... 145 Figures ... 147
DISCUSSION GENERALE, PERSPECTIVES DE RECHERCHE ET CONCLUSION. ... 151
Chapitre 1 ... 153
Chapitre 2 ... 157
Perceptives de recherche et conclusion ... 161
Liste des tableaux Introduction.
Tableau 1: Principaux facteurs hypothalamiques impliqués dans la régulation de l’homéostasie énergétique. ... 18 Tableau 2: Résumé des principales fonctions, sites d’expression et de l’affinité des ligands pour les récepteurs aux mélanocortines. ... 57 Chapitre 1.
Table 1: qPCR gene information. ... 103 Table 2: probes characterizations. ... 103
Chapitre 2.
Table 1: qPCR gene information. ... 143 Table 2: Effects of MTII infusion in MPO on blood variation of insulin, NEFA and triglycerides in DMH-lesioned rats. ... 144
Liste des Figures Introduction.
Figure 1: Régulation de l’homéostasie énergétique. ... 6
Figure 2: Représentation spatiotemporelle des différentes phases d’un cycle de prise alimentaire.6 Figure 3: Modèle d’intégrationdes signaux d'adiposité et de satiété. ... 7
Figure 4: Section sagittale du cerveau de rat montrant l'emplacement de l'hypothalamus. ... 16
Figure 5: Représentation tridimensionnelle de l'hémisphère droit de l'hypothalamus du rat. ... 16
Figure 6: La régulation centrale de la balance énergétique. ... 26
Figure 7: Representation schématique de la différenciation des adipocytes. ... 30
Figure 8: Localisation du tissu adipeux brun chez le rat et l’homme. ... 33
Figure 9: L’activation de l’adipocyte brun. ... 36
Figure 10: Représentation de la circuiterie neuronale contrôlant l’activité du iBAT. ... 42
Chapitre 1. Figure 1: Experimental protocol. ... 109
Figure 2: Effects of Δ9-THC and AM251 on the MTII effects on whole body thermogenesis. . 110
Figure 3: Effects of Δ9-THC and AM251 on the MTII effects on iBAT thermogenesis, whole body thermogenesis and metabolic activity. ... 111
Figure 4: Effects of Δ9-THC and AM251 on the MTII effects on iBAT gene expression. ... 112
Figure 5: Effect of HS024 or Δ9-THC and AM251 on the MTII effects on iBAT thermogenesis, whole body thermogenesis and metabolic activity. ... 113
Figure 6: Colocalization of MC4R with CB1 and VGLUT2 mRNA in the PVH. ... 114 Figure 7: Effect of Δ9-THC on the PVH MTII infusion effect on iBAT thermogenic activity and capacity. ... 115
Chapitre 2.
Figure 1: Histological verification. ... 147 Figure 2: Effects of the MPO infusion of MTII in Sham- and DMH-lesioned rats on iBAT and
whole body thermogenesis. ... 148 Figure 3: Effects of the MPO infusion of MTII on iBAT, iWAT, liver and heart metabolic
activity in Sham- and DMH-lesioned rats. ... 149 Figure 4: Effects of the MPO infusion of MTII on iBAT and iWAT gene expression in Sham- and DMH-lesioned rats. ... 150
Liste des abréviations Abréviation Définition 2-AG 2-Arachidonylglycerol α-MSH Alpha-melanocyte-stimulating hormone β-MSH Beta-melanocyte-stimulating hormone γ-MSH Gamma-melanocyte-stimulating hormone Δ9-THC Delta-9-tetrahydrocannabinol
ACC Acétyl-coenzyme A carboxylase aCSF Artificial cerebrospinal fluid ACTH Adrénocorticotrophine ADRB3 Récepteur β-3 adrénergique ADP Adénosine diphosphate
AEA Anandamide
AGL Acides gras libres
AGLC- AGL à longue chaine chargée négativement AGPAT Acylglycérol-phosphate acyltransférase AgRP Agouti-releated peptide
ALP Acide lysophosphatidique
AMPc Adénosine monophosphate cyclique ANP Atrial natriuretic peptide
AP Area postrema
APp Acide phosphatidique
ARNm ARN messager
ATF2 Activating-transcription factor-2 ATGL Lipase des TG du tissu adipeux
ATP Adénosine triphosphate
BAT Tissu adipeux brun
BDNF Brain-derived neurotrophic factor BMP-7 Bone morphogenetic protein-7 BMP-8b Bone morphogenetic protein-8b BNP Brain-derived natriuretic peptide C/EBPβ CCAAT/enhancer-binding protein-β
CART Cocaine- and amphetamine- regulated transcript CB1 Récepteur aux cannabinoïdes de type 1
CCK Cholécystokinine
CNP C-type natriuretic peptide
CPT1β Carnitine palmitoyl transférase 1β
CRE cAMP response element
CRH Corticotropin-releasing hormone
DG Diglycéride
DGAT Diacylglycérol acyltransférase DIO2 Deiodinase iodothyronine 2
DMH Noyau dorsomédian de l’hypothalamus DPP-4 Dipeptidyl-peptidase 4
En1 Engrailed-1
FADH2 Flavine adénine dinucléotide H2
FAS Acides gras synthetase
FATP1 Protéine transporteuse d’acide gras 1
FDG Fluoro-deoxyglucose
FGF-2 Fibroblast growth factor-2 FGF-21 Fibroblast growth factor-21
FOXC2 Forkhead box C2
FOXO1 Forkhead box containing protein 1
G3P Glycerol-3-phosphate
GHS-R Récepteur de la ghréline GLP-1 Glucagon-like peptide 1
GLUT4 Transporteur au glucose de type 4 GPAT Glycérol-phosphate acyltransférase
H+ Protons
HSL Lipase sensible aux hormones iBAT BAT interscapulaire
i.c.v. Intra-cérébro-ventriculaire IGF-1 Insulin-like growth factor-1
IL-6 Interleukine-6
IML Colonne intermediolatérale de la moelle épinière INS-R Récepteur de l’insuline
Jak2 Janus kinase 2
L-PGDS Lipocalin prostaglandin D synthase
LHA Aire latérale de l’hypothalamus
LPS Lipopolysaccharide
MAG Monoacylglycérol
MC3/4R Récepteurs aux mélanocortines 3 et 4 MCH Melanin-concentrating hormone MCR Récepteurs aux mélanocortines MGL Lipase du monoacylglycérol MnPO Noyau préoptique médian MPO Noyau préoptique médial
MTII Melanotan-II
MVL Médulla ventrolatérale
MVMR Médulla ventromédiale rostrale Myf5 Facteur myogénique 5
NA Noradrénaline
NADH, H+ Nicotinamide adénine dinucléotide H, H+ NMDA Acide N-méthyl-D-aspartique
NPY Neuropeptide Y
NRF1 Nuclear respiratory factor 1 NRF2 Nuclear respiratory factor 2 NTS Noyau du tractus solitaire
OXM Oxyntomoduline
PAG Substance grise périaqueducale PBL Noyau parabrachial latéral
PBLle PBL latéral externe
PC Pro-hormones convertases
PGC1α PPAR-γ co-activator 1α
PGE2 Prostaglandine
PKA Protéine kinase A
PLA2 Phospholipase A2
PI3K Phosphatidylinositol-3-kinase PNs Peptides natriurétiques
POMC Pro-opiomélanocortine
PP Polypeptide pancréatique
PPAR-γ Peroxisome-proliferator-activated receptor-γ PPRE PPAR response element
pRB Retinoblastoma protein
PRDM16 PRD1-BF1-RIZ1 homologous domain-containing-16
pSTAT-3 Phosphorylated signal transducer and activator of transcription 3 PVH Noyau paraventriculaire de l’hypothalamus
PYY Peptide YY
PYY (1-36) Peptide YY (1-36) PYY (3-36) Peptide YY (3-36)
RARE Retinoic acid response elements RBP-4 Retinol-binding protein-4 RIP40 Receptor-interacting protein 140
RPa Noyau du raphé pallidus
SNA Système nerveux autonome SNC Système nerveux central SNS Système nerveux sympathique
T3 Triiodothyronine
T4 Thyroxine
TEP Tomographie par émission de positrons
TG Triglycéride
TIA Thermogenèse induite par l’alimentation
TRE Thyroid response element
TRH Thyrotropin-releasing hormone
TRP Transient receptor potential family of cation channels UCP-1 Uncoupling protein 1
VEGF-A Vascular endothelial growth factor-A VMH Noyau ventromédian de l’hypothalamus
Y1 Récepteurs du NPY de types 1
Y2 Récepteurs du NPY de types 2
Remerciements
Je tiens tous d’abord à remercier mon directeur de recherche, le professeur Denis Richard pour m’avoir accueilli au sein de son équipe de recherche et soutenu lors de mes années d’études doctorales. J’ai beaucoup apprécié son encadrement bienveillant ainsi que la confiance qu’il m’a accordée lors de la réalisation de mes travaux. Enfin je le remercie pour ces paroles stimulantes qui surent m’amener au bout de mon aventure doctorale ; il restera un modèle d’engagement et d’éthique scientifique.
Je remercie sincèrement le Dr Elena Timofeeva, le Dr David Saint-Pierre et le Dr Yves Deshaies d’avoir accepté d’examiner cette thèse et de siéger parmi les membres du jury. J’aimerais remercier particulièrement le Dr Elena Timofeeva pour son soutien et ses conseils lors de mes travaux et le Dr Yves Deshaies pour ces conseils et son soutien dans mes choix d’avenir mais aussi pour nos quelques discussions fortement inspirantes sur la place et le rôle d’un scientifique dans notre société.
Je tiens aussi à remercier chaleureusement et amicalement tous les membres des équipes du Dr Yves Deshaies, Dr Mathieu Laplante, Dr Fréderic Picard, Dr Elena Timofeeva et Dr Denis Richard avec qui j’ai eu le grand plaisir de travailler. J’aimerais remercier Julie Plamondon, Marie Claude Roy, Pierre Samson et Yves Gélinas pour leur soutien et leurs conseils dans mon travail au laboratoire, pour leur générosité, pour leur accueil et de m’avoir offert leur amitié. Je remercie aussi Cynthia Bouchard et Audrey Chalifoux pour leur aide à l’animalerie et leurs sourires. Un grand merci à Annie Moreau pour sa disponibilité et son assistance. J’aimerais par la suite remercier mes collègues et amis étudiants, à commencer par Alexandre Caron, le Dr Sébastien Labbé, le Dr Pierre-Gilles Blanchard pour leur aide et leurs précieux conseils. Enfin pour finir la section collègues de travail, je souhaite remercier plus qu’un collègue, un ami, le Dr Damien Lanfray, qui m’a apporté son aide et son soutien dans la rédaction de ce manuscrit et avec qui j’ai partagé en compagnie d’Émilie sa conjointe de nombreux bons moments et bons repas qui vont me manquer. Merci à vous deux.
Je tiens à remercier mes amis dont certains sont mentionnés ci-dessus et ma famille. J’exprime toute ma gratitude à mes parents, ma mère et Yann qui m’ont encouragé tout au long
de détente nécessaire à l’accomplissement d’un doctorat. Enfin, je remercie Agathe ma conjointe, le mot est faible et je n’aurais pas assez de mots pour lui témoigner toute ma reconnaissance et mon amour pour être présente à mes cotés. Sans elle rien n’aurait été possible.
Je dédie cette thèse à mon grand-père et ma grand-mère disparus pendant la réalisation de celle-ci.
Avant-propos
Le dépôt de cette thèse à la Faculté des études supérieures et postdoctorales de l’Université Laval signifie l’évaluation finale en vue de l’obtention du grade de Philosophae doctor ès Sciences (Ph.D.). Ce manuscrit vise à montrer l’implication du système mélanocortine dans le contrôle central de l’activité thermogène du tissu adipeux brun. La première section de cet ouvrage est constituée d’une introduction générale rédigée en français abordant les caractéristiques du système mélanocortine et des ses partenaires neuronaux impliqués dans la régulation de la balance énergétique, ainsi que l’innervation sympathique et les caractéristiques du tissu adipeux brun. Les chapitres 1 et 2 constituent la seconde section, celle-ci s’intéresse aux travaux dans le domaine sus-cité que j’ai réalisés au cours de ces dernières années dans le laboratoire de Dr Denis Richard. Étant déjà soumis dans des journaux scientifiques spécialisés dans le domaine des neurosciences et de la physiologie, ces chapitres prennent la forme d’articles scientifiques rédigés en langue anglaise, conformément aux exigences éditoriales. La dernière section de cette thèse discute des résultats, dans le but de démontrer leur nouveauté, leur pertinence et de proposer de nouvelles orientations de recherche susceptibles de contribuer à l’avancement des connaissances dans le domaine de la neurobiologie de l’obésité.
Articles présentés
Lors de mon séjour dans le laboratoire du Dr Denis Richard, j’ai eu la chance et le plaisir d’être sollicité pour contribuer aux travaux de quelques étudiants-chercheurs de talent. Ces collaborations avec mes collègues ont abouti à la parution de nombreux articles dans des journaux à fort impact, en plus de diversifier les champs de compétences de chacun d’entre nous. Cependant, les articles formant le cœur de cette thèse et présentés ici sont l’expression des projets de recherche pour lesquels j’ai oeuvré à la direction des travaux, de la planification initiale des hypothèses de travail et des expérimentations à la rédaction, en passant par la mise au point des protocoles.
La liste des articles qui suit retranscrit mes activités de recherche lors de mes études doctorales. Les études précédées d'un astérisque et en caractère gras sont celles qui ont été insérées dans cet ouvrage, elles sont accompagnées d’un avant-propos spécifique aux travaux
Lanfray, D., Arthaud, S., Ouellet, J., Compère, V., Do Rego, J.-L., Leprince, J., Lefranc, B., Castel, H., Bouchard, C., Monge-Roffarello, B., Richard, D., pelletier, G., Vaudry, H., Tonon, M-C., Morin, F. (2013). Gliotransmission and Brain Glucose-Sensing: Critical Role of Endozepines. Diabetes. 62(3):801-10
Lopez, C.A., Guesdon, B., Baraboi, E.-D., Roffarello, B.M., Hétu, M., and Richard, D. (2011). Involvement of the opioid system in the orexigenic and hedonic effects of melanin-concentrating hormone. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 301, R1105–
11.
Richard, D., Monge-Roffarello, B., Chechi, K., Labbé, S.M., and Turcotte, E.E. (2012). Control and physiological determinants of sympathetically mediated brown adipose tissue thermogenesis. Front Endocrinol (Lausanne) 3, 36.
* Monge-Roffarello, B.*, Labbe, S.M.*, Roy, M-C., Lemay, M-L., Coneggo, E., Sanson, P., Lanfray, D., Richard D. (2014). The cannabinoid receptor 1 is involved in thermogenesis induced by the brain stimulation of the melanocortin-4 receptor in male rats.
Endocrinology. 155(9): 3448-58.
Les travaux présentés dans ce premier chapitre sont le fruit d’une collaboration de nombreux membres de l’équipe du Dr Richard : Dr Sébastien M. Labbé (stagiaire postdoctoral), Marie-Claude Roy (M. Sc., Assistante de recherche), Marie-Laurence Lemay (stagiaire d’été, étudiante en pharmacologie à l’université Laval), Estelle Coneggo (Stage de fin d’étude, Étudiante à l’école d’ingénieur polytech de l’université de Nice Sophia Antipolis) et le Dr Damien Lanfray (Stagiaire postdoctoral). Estelle Coneggo a participé aux expériences d’injections chroniques, ainsi qu’au soin des animaux de laboratoire nécessaires à ces expériences. Marie-Laurence Lemay a assuré la préparation logistique et le soin des animaux de laboratoire nécessaires aux expériences de mesure de température du iBAT et injection de traceur radioactif. Marie-Claude Roy a apporté sa précieuse aide lors du sacrifice des animaux de
laboratoire et à la lyse des tissus dans le cadre des mesures de captage de C14-bromopalmitate et de H3-deoxyglucose. Le Dr Damien Lanfray a participé à la lyse des tissus dans le cadre des mesures de captage de C14-bromopalmitate et de H3-deoxyglucose, mais a surtout partagé son savoir-faire dans la quantification d’ARNm. Enfin, le Dr Sébastien M. Labbé c’est très activement impliqué dans les expériences de mesure de température du iBAT ; il a aussi apporté son expertise lors des injections de traceurs radioactifs et m’a conseillé tout au long des travaux.
Personnellement, ma participation s’est échelonnée tout au long du projet. J’ai participé à sa conceptualisation avec le Dr Richard, réalisé les chirurgies stéréotaxiques et les injections centrales. J’ai aussi eu à développer et mettre au point une méthode fiable afin de mesurer la température du iBAT, ainsi que des procédures d’hybridation in situ couplées à une immunohistochimie. Enfin, j’ai participé à l’ensemble des mesures effectuées, à la compilation, à l’analyse des résultats, et finalement à la rédaction du manuscrit. Les Drs Richard et Labbé m’ont ensuite fait part de leurs corrections qui ont grandement amélioré le manuscrit, qui a été soumis en décembre 2013 à la revue Endocrinology. La révision de l’article qui a surtout consisté à retirer les éléments portant sur la colocalisation de MC4R et de CB1 dans le PVH.
* Monge-Roffarello, B., Labbe, S.M., Lenglos, C., Caron, A., Lanfray, D., Samson, P., Richard D. (2014). The medial preoptic nucleus as a site of the thermogenic and metabolic actions of Melanotan II in male rats. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 307(2):
R158-66.
Les travaux présentés dans ce second chapitre sont le fruit d’une collaboration de nombreux membres de l’équipe du Dr Richard : le Dr Sébastien M. Labbé (stagiaire postdoctoral), Mr Alexandre Caron (étudiant au doctorat), le Dr Damien Lanfray (Stagiaire postdoctoral) et Mr Pierre Samson (professionnel de recherche). Mr Pierre Samson a participé à l’étalonnage et à l’entretien du système permettant d’évaluer la quantité de CO2 exhalée par les animaux lors des expériences de mesure de température du iBAT et d’injection de traceur radioactif. Le Dr Damien Lanfray a apporté sa précieuse aide lors de la lyse des tissus dans le cadre des mesures de captage de 14C-bromopalmitate et de 3H-deoxyglucose, mais a surtout partagé son savoir faire dans la
Personnellement, ma participation s’est échelonnée toute au long du projet. J’ai participé à sa conceptualisation avec le Dr Richard, réalisé les chirurgies stéréotaxiques et les injections centrales. J’ai utilisé mes connaissances acquises lors des études réalisées dans le chapitre 1 pour réaliser l’ensemble des procédures expérimentales chez l’animal de manière autonome. Enfin, j’ai participé à l’ensemble des mesures effectuées, à la compilation et à l’analyse des résultats, et finalement à la rédaction du manuscrit dont Mr Alexandre Caron a effectué des relectures qui ont amélioré la qualité de l’anglais. Par la suite, les Dr Richard et Labbé m’ont fait part de leurs corrections qui ont grandement amélioré le manuscrit, qui a été soumis en février dernier à la revue American Journal of Physiology⎯Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. La révision de l’article a consisté à améliorer la figure 1 en ajoutant un gradient de couleur permettant d’évaluer l’effet de chacun des sites d’injections de Mélanotane II sur l’élévation de la température du tissu adipeux brun.
L’obésité est définie par un excès de tissu adipeux blanc. Elle a pour origine une dérégulation à long terme du bilan d’énergie et a des conséquences majeures sur la santé des sujets atteints. L’obésité a pris une dimension pandémique au cours des 40 dernières années. En effet, dans les années 70 la prévalence de l’obésité était de 10% au Canada pour atteindre 26% en 2010, une augmentation qui a des conséquences importantes sur la mortalité précoce (environ 20% des cas sont imputables à l’obésité des sujets) et les hospitalisations. Effectivement, certaines pathologies sont reconnues comme étant une conséquence directe de l’obésité. Parmi celles-ci, on compte environ 70 % des cas de diabète de type 2, 25 % des cas d’ostéoarthrite, 18 % des cancers colorectaux et 12 % des cas de dépression (Janssen, 2013).
L’augmentation de la prévalence de l’obésité a des conséquences économiques direct et indirect important. En effet, les patients obèses sont souvent atteints de complications générées par les facteurs de comorbidités associés aux pathologies citées précédemment, avec pour conséquence 3,9 milliards de dollars de dépense dans les soins de santé directs en 2006 pour les hospitalisations, les médicaments, les visites chez le médecin et les services d’urgences. De plus, Il faut ajouter 3,2 milliards de dollars de coûts indirects reliés à l’incapacité et à la perte de productivité en raison de la maladie ou de décès prématurés.
Dans ce contexte, l’amélioration du niveau de compréhension des mécanismes qui aboutissent à la dérégulation du bilan d’énergie apparaît primordiale. La question des mécanismes contrôlant la prise alimentaire a été largement discutée. Or, celle ayant attrait à la dépense énergétique fut peu étudiée jusqu'à la mise en évidence de la présence du tissu adipeux brun (Brown Adipose Tissue — BAT) fonctionnel chez l’adulte, celui-ci participant la thermogenèse et donc la dépense d’énergie. Il apparaît donc qu’une meilleure compréhension des mécanismes centraux contrôlant le BAT représente une nouvelle voie de recherche majeure dans la lutte contre l’obésité.
L’introduction générale de cette thèse se propose donc de s’intéresser à la régulation du bilan d’énergie, et plus particulièrement au contrôle des deux principaux acteurs qui y participent, la prise alimentaire et la thermogenèse. Dans les lignes qui vont suivre, nous allons aborder la régulation du bilan d’énergie, puis nous mettrons l’emphase sur le BAT principal effecteur de la thermogenèse et son contrôle central lui permettant d’assurer cette fonction. Enfin, nous
1 La régulation de l’homéostasie énergétique.
L’homéostasie énergétique de l’organisme est finement régulée par le contrôle des apports et de la dépense énergétique. La prise alimentaire constitue l’unique composante de l’apport exogène tandis que la dépense énergétique correspond à la somme des dépenses liées aux métabolisme basal, à l’activité physique volontaire et à la thermogenèse (Richard, 2007). Le bilan énergétique de l’organisme correspond à la différence entre l’apport et la dépense d’énergie. Ainsi, dans des conditions d’homéostasie énergétique, cette valeur est égale à zéro, on parle alors de bilan d’énergie nul. Lorsque le bilan d’énergie est positif, c’est-à-dire que l’apport est supérieur à la dépense énergétique, l’excès calorique est alors stocké sous forme de graisse. Afin d’éviter l’accumulation excessive de tissu adipeux, des signaux provenant de la périphérie vont informer le système nerveux central (SNC) du bilan d’énergie et de l’état des réserves de l’organisme. Par la suite, le SNC et plus particulièrement l’hypothalamus via des neuropeptides anaboliques et cataboliques ajuste l’apport en énergie. Parallèlement, le système de récompense réduit la satiété, alors que le système nerveux sympathique (SNS) stimule la thermogenèse, Ainsi, la complémentarité de ces systèmes permet une régulation fine du poids corporel (Figure 1.).
(tractus(( gastro+intes/nal)( Ghréline,(GLP+1( (pancréas,(( Tissu(adipeux)(( Insuline,(lep/ne((
Réserves d’énergie (graisse) Prise alimentaire Anabolique catabolique NPY( AgRP( MCH( Endocannabïnoides( α+MSH( CART( CRH,(TRH( Sérotonine( (
Cerveau
Hypothalamus Système de la récompense Complexe dorso-vagal (Environnement
Production de chaleur gas ( Gh ( ( Gh ( ( R chale g ( g ( re g ( g ( Pro de de SNS( Thermogénèse(( (BAT,(UCP+1)(Figure 1: Régulation de l’homéostasie énergétique.
Abréviations : α-MSH, Alpha-Melanocyte-Stimulating Hormone; AgRP, Agouti-Releated Peptide;
BAT, tissu adipeux brun; CART, Cocaine- and Amphetamine-Regulated Transcript; CRH, Corticotropin-Releasing Hormone; GLP-1, Glucagon-Like Peptide 1; MCH, Melanin-Concentrating Hormone; NPY, Neuropeptide Y; SNS, Système Nerveux Sympathique; TRH, Thyrotropin-Releasing Hormone; UCP-1, Uncoupling Protein 1. Traduit et adapté de Richard and Boisvert., The neurobiology of obesity, Obesity supp vol. 14, 2006.
1.1 Les signaux périphériques régulant l’homéostasie énergétique.
Les signaux périphériques régulant l’homéostasie énergétique sont libérés de manière séquentielle par différents organes durant ou consécutivement à l’ingestion de nourriture. Aussi, selon le moment où ils sont mis en action, on distingue les stimuli de la phase céphalique (sensoriels), de la phase gastrique (mécaniques, chimiques et hormonaux) et de la phase postprandiale (nutriments et hormones) (Berthoud, 2002). (Figures 2 et 3.).
Figure 2: Représentation spatiotemporelle des différentes phases d’un cycle de prise alimentaire.
Le dégradé de noir et blanc représente l’intensité de la sensation de satiété et de faim.
Abréviation : DR, début du repas; FR, fin du repas; PRC, Phase de réponses céphaliques; PSC, poursuite de stimulation céphalique. Traduit de (Smeets et al., 2010).
PRC$ PSC$ Phase$céphalique$ Phase$gastrique$ Inges6on$$$$$$Diges6on$$$$$$$$Absorp6on$ Sa6a6on$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$Sa6été$ Faim$ DR$ FR$FR$ intervalle$entre$les$repas$$ DR$DR$DR$ $ striq $ distension$de$l’estomac,$détec6on$des$nutriments$$ et$libéra6on$d’hormones$ PRC$ PSC$ La$pensée,$l’an6cipa6on,$la$vision,$l’odorat,$le$gout$et$les$sensa6ons$oropharyngées$$$
Figure 3: Modèle d’intégrationdes signaux d'adiposité et de satiété.
Abréviation : AP, l’area postrema; CCK, la cholécystokinine; GLP-1, Glucagon-Like Peptide 1; NTS, le noyau du tractus solitaire; OXM, l’oxyntomoduline; PP, le polypeptide pancréatique; PYY (3-36), le peptide yy (3-36). Traduit de (Wren and Bloom, 2007).
Afférences vagales Intestin Pancréas Tissu adipeux estomac étirement nutriments Ghréline insuline leptine Adiponectine Visfatine Resistine
1.1.1 Les signaux sensoriels et la phase céphalique.
Avant la phase d’ingestion, les signaux sensoriels visuels, olfactifs, tactiles et gustatifs vont guider nos choix alimentaires. En effet, au cours de l’apprentissage, ces différents sens font appel à la partie hédonique du SNC, dans le but d’attribuer une valeur palatable aux aliments. Il a été montré chez l’humain et d’autres primates que l’information visuelle est intégrée avec les informations provenant de l’olfaction et du goût pour former des associations polymodales au niveau du cortex (Berthoud, 2002). De plus, l’activation de ces sens influe sur la physiologie digestive en permettant d’initier la digestion céphalique, qui prépare le tractus gastro-intestinal, afin d’optimiser notamment la digestion et l’absorption des nutriments. Enfin, la phase céphalique permet à l’organisme d’anticiper l’élévation de la glycémie (Smeets et al., 2010), et intervient également dans l’activation de la thermogenèse (LeBlanc, 2000).
1.1.2 L’effet des signaux digestifs et des métabolites sur la prise alimentaire.
Les signaux digestifs sont secrétés en fonction de la nature physico-chimique du bol alimentaire. En effet, les caractéristiques physiques du bol alimentaire sont détectées par les mécanorécepteurs du tube digestif, qui remplissent une fonction très importante dans le contrôle de la prise alimentaire (Powley and Phillips, 2004). Lors de la distension gastrique, consécutive au passage du bol alimentaire dans l’estomac, les mécanorécepteurs de la paroi gastrique stimulent le nerf vague qui communique avec le SNC pour mettre en place une réponse anorexigène chez le rat (Phillips and Powley, 1996; Berthoud et al., 2001). Ainsi, il a été montré que l’ingestion d’un bol alimentaire volumineux mais à faible valeur calorique chez l’humain a un court effet inhibiteur sur la réalimentation (Kral and Rolls, 2004).
Parallèlement, l’intestin est également capable d’intégrer les caractéristiques chimiques du bol alimentaires. En effet, dans l’intestin les aliments sont dégradés en macro- et micronutriments, facilement transportables et assimilables par l’organisme. La nature de ces nutriments peut être détectée grâce à des chémorécepteurs spécifiques présents sur les différents types de cellules de l’épithélium intestinal (Powley and Phillips, 2004).
L’activation de ces cellules par leur nutriment respectif entraîne une sécrétion d’hormones anorexigènes (Badman and Flier, 2005) (Figure 3.). D’autre part, les nutriments que sont les
métabolites, c’est à dire le glucose, les acides aminés et les acides gras, peuvent agir directement sur le SNC (Blouet and Schwartz, 2010). De ce fait, l’augmentation de leurs concentrations plasmatiques, s’accompagne d’une inhibition proportionnelle de la prise alimentaire.
1.1.2.1 Les signaux gastro-intestinaux.
Le tractus gastro-intestinal est l’organe endocrinien le plus volumineux de l’organisme. Celui-ci synthétise de nombreuses hormones d’environ 10 à 50 acides aminés qui participent au contrôle de la prise alimentaire et de la dépense énergétique (Lancha et al., 2012). Parmi celles-ci, la ghréline qui est synthétisée par l’estomac est la seule hormone orexigène circulante connue à ce jour (Wren et al., 2001). De plus, les signaux anorexigènes comme la cholécystokinine (CCK), le glucagon-like peptide 1 (GLP-1) et le peptide YY (PYY) sont secrétés par l’intestin (Troke et al., 2014).
L’estomac.
La ghréline constitue la principale hormone libérée dans la circulation sanguine par l’estomac. Celle-ci est sécrétée par les cellules X/A du fundus de l’estomac. Son taux plasmatique augmente consécutivement au jeûne et diminue dès l’absorption de nutriments. Des études réalisées chez l’Homme et le rongeur indiquent qu’une injection chronique de ghréline par voie sanguine s’accompagne d’une augmentation de la masse adipeuse (Tschöp et al., 2000; Wren et al., 2001; Rodríguez et al., 2009) et dont l’augmentation dans le sang chez l’Homme est corrélé avec une diminution de la dépense énergétique (St-Pierre et al., 2004), indiquant que cette hormone exerce des effets pro-anaboliques. De plus, des études réalisées chez le rongeur montrent que les effets de cette hormone sont également observés suite à une injection centrale, suggérant que les effets de la ghréline sont relayés en partie par le SNC (Tschöp et al., 2000; Asakawa et al., 2001). Par ailleurs des études réalisées par Chen et ses collaborateurs indiquent que la ghréline constitue à ce jour l’une des rares hormones orexigènes identifiées, capable de stimuler l’activité des neurones à neuropeptide Y (NPY) et/ou à agouti-related peptide (AgRP) situés dans le noyau arqué de l’hypothalamus (ARC) (Chen et al., 2004a), suggérant que les effets pro-anaboliques sont relayés en partie par l’activation de cette population de neurones. Enfin, il a été montré chez la souris que l’effet négatif de la ghréline sur la dépense énergétique
and Sun, 2012), suggérant que la ghréline exerce ces effets via l’activation simultanée de cibles centrales et périphérique via le BAT.
L’intestin.
L’intestin est subdivisé en plusieurs parties, incluant le duodénum, situé juste après le pylore gastrique, puis le jéjunum, l’iléon et le colon qui est relié au rectum.
Au niveau du duodénum et du jéjunum, les cellules de type I libèrent de la CCK en réponse aux lipides et aux protéines contenus dans le bol alimentaire. La CCK fut la première hormone gastro-intestinale anorexigène à être identifiée chez le rat (Gibbs et al., 1973). Ainsi, des travaux réalisé chez l’homme montrent que l’injection périphérique de CCK induit une diminution dose dépendante de la prise de nourriture (Lieverse et al., 1995). Des études réalisées chez le rongeur suggèrent de plus que ces effets anorexigènes passent par l’activation des récepteurs CCK 1 et 2 situés sur le nerf vague et dans de nombreuses régions cérébrales (Moran et al., 1997). Cependant, à long terme les animaux vont compenser l’effet anorexigène aigu observé. Par ailleurs, des études réalisées par Smith et ses collaborateurs chez le rat, montrent que la CCK ne modifie pas le comportement alimentaire chez des animaux ayant préalablement subi une vagotomie, indiquant que les effets anorexigènes de la CCK sont relayés par le nerf vague (Smith et al., 1981). Enfin, des travaux plus récents indiquent que l’injection périphérique/centrale de la CCK pourrait également stimuler la dépense énergétique (Lo et al., 2010), toutefois la nature des voies impliquées dans cette réponse pro-anabolique est actuellement indéterminée.
Plus en aval dans l’intestin, les cellules L de l’iléon secrètent du GLP-1 consécutivement au passage du bol alimentaire. Celui-ci, en plus d’activer les voies anorexigènes centrales, participe également à la régulation (i) de la sécrétion d’insuline par les cellules β pancréatiques, (ii) de la motilité gastrique et (iii) de la concentration plasmatique de glucagon (Drucker, 2005). Le GLP-1 est une hormone essentielle dans la régulation de l’homéostasie énergétique, car en agissant positivement et rapidement sur la satiété, elle permet de limiter la quantité d’aliments ingérés et d’augmenter le délai entre les repas (Williams et al., 2009). Enfin, des études réaliséeschez le rat montrent que l’injection intraveineuse de GLP-1 s’accompagne d’une augmentation de la consommation d’oxygène (Osaka et al., 2005). Toutefois, des études réalisées par la suite chez la souris montrent que l’invalidation du gène codant pour le récepteur de GLP-1 (GLP-1R) ou bien
l’administration périphérique d’un antagoniste de ce récepteur s’accompagnent d’une augmentation de la dépense énergétique (Hansotia et al., 2007; Knauf et al., 2008), indiquant que les mécanismes de régulation de ce récepteur nécessite d’être mieux appréhendé.
Enfin, suite au passage du bol alimentaire dans la partie distale de l’intestin, les cellules de type L localisées au niveau du colon secrètent du PYY dans la circulation sanguine. Le PYY est une hormone présente chez tous les vertébrés et codée par un gène paralogue au NPY (Tatemoto and Mutt, 1980). Le PYY est secrété sous deux formes aux caractéristiques pharmacologiques distinctes, le PYY (1-36)et le PYY (3-36)qui constitue la forme majoritaire (Grandt et al., 1994; Kirchner et al., 2010). Ainsi, des travaux réalisés chez le rongeur indiquent que le PYY1-36 exerce des effets orexigènes en se liant spécifiquement aux récepteurs du NPY de types 1 (Y1) et 5 (Y5) (Kanatani et al., 2000). Toutefois, des études réalisées chez le rongeur et l’homme indiquent que le PYY (3-36)exerce quant à lui des effets anorexigènes et pro-anaboliques via l’activation du récepteur du NPY de type 2 (Y2), (Dumont et al., 1995; Batterham et al., 2002; Sloth et al., 2007; De Silva et al., 2011) dans l’ARC (Teubner and Bartness, 2013). Enfin, la sécrétion de la forme clivée de PYY est sous le contrôle de la dipeptidyl-peptidase 4 (DPP-4), suggérant que synthèse de DPP-4 est essentiels dans la régulation de la balance énergétique (Troke et al., 2014).
1.1.2.2 L’effet des métabolites.
Les métabolites, tel que le glucose, les acides aminés et les acides gras, sont issus de la dégradation des aliments par les processus de digestion et peuvent être stockés puis libérés par le tissu adipeux et le foie lors d’un jeûne prolongé et même le muscle squelettique dans des cas extrêmes. Les variations de taux circulants des différents métabolites sont détectées au niveau de l’hypothalamus afin de déterminer le statut énergétique de l’organisme.
Le glucose.
Les premières études visant à évaluer la capacité du SNC à intégrer les variations de la glycémie, ont montré qu’une altération centrale de la glycémie s’accompagne d’une diminution de la dépense énergétique et d’une augmentation de la consommation de nourriture chez le rongeur (Müller et al., 1973). Des expériences réalisées par la suite chez les rongeurs montrent
périphérique de glucose (Campfield et al., 1985), suggérant que le glucose constitue à lui seul un signal anorexigène. Par ailleurs, une étude réalisée chez le rongeur indique que la prise alimentaire peut être stimulée par l’injection centrale de 2-deoxyglucose, un analogue non métabolisable du glucose, chez des animaux nourris ad libitum (Berthoud and Mogenson, 1977). Enfin, des travaux réalisés en collaboration avec notre laboratoire montrent que l’intégration par le SNC des variations de la glycémie impliquent la libération d’endozépines par les cellules astrogliales hypothalamiques (Lanfray et al., 2012).
Les acides aminés.
Au milieu du siècle dernier, Mellinkoff suggéra l’existence d’une relation directe entre les taux circulants d’acides aminés et le sentiment de satiété (Mellinkoff et al., 1956). Plus tard, des études ont mis en évidence qu’un régime alimentaire riche en protéines est suivi, dès le premier jour, par une diminution de la prise alimentaire et une augmentation de la concentration en acides aminés dans le sang et dans le liquide céphalorachidien (Peters and Harper, 1987; Harper and Peters, 1989). Par la suite, il a été montré par microdialyse, que les concentrations en acides aminés essentiels, telles que la leucine, sont augmentées dans certains noyaux hypothalamiques consécutivement à la prise d’un repas hyper-protéiné (Currie et al., 1995), suggérant que les variations de leurs concentrations plasmatiques peuvent être intégrées par certaines structures du SNC. Ainsi, des travaux réalisés par Cota et ses collaborateurs ont montré que l’injection centrale de leucine induit une diminution de la prise alimentaire chez des rats à jeun (Cota et al., 2006). Enfin, les travaux de Schwartz et ses collaborateurs ont montré que les effets satiétogènes d’une injection centrale de leucine sont relayés par l’activation des neurones à pro-opiomélanocortine (POMC)/ cocaine- and amphetamine- regulated transcript (CART) du ARC et s’accompagnent d’une stimulation des neurones à ocytocine, du noyau paraventriculaire de l’hypothalamus (PVH) et des fibres sympathiques du noyau du tractus solitaire (NTS) (Blouet et al., 2009).
Les acides gras.
À la même époque que Mellinkoff, Kennedy suggéra que les acides gras circulants sont impliqués dans le contrôle de la prise alimentaire (Kennedy, 1953). De nos jours, il est bien établi que l’intégration centrale des variations de la lipidémie plasmatique participe à la régulation (i) du comportement alimentaire, (ii) de la sécrétion d’insuline ainsi que (iii) de la production
hépatique de glucose. Ainsi, des travaux réalisés chez le rat par Obici et Schwinkendorf ont montré que l’injection centrale d’acide oléique induit une diminution de la prise alimentaire et de la production hépatique de glucose (Obici et al., 2002). Ces effets pro-cataboliques s’accompagnent d’une stimulation des neurones à POMC/CART et d’une inhibition de l’activité des neurones à NPY/AgRP (Obici et al., 2002; Schwinkendorf et al., 2011), suggérant que ces populations neuronales participent à l’intégration centrale des variations de la lipidémie.
1.1.3 Les signaux postprandiaux.
Les signaux postprandiaux participant à la régulation de l’homéostasie énergétique sont libérés par différents tissus en réponse aux variations des taux circulant de métabolites. Les deux signaux post-prandiaux les mieux caractérisés sont l’insuline et la leptine, qui sont respectivement produits par le pancréas et le tissu adipeux blanc.
1.1.3.1 L’insuline.
L’insuline est secrétée par les cellules β du pancréas lors de l’augmentation de la glycémie en condition postprandiale (Granger and Kushner, 2009). L’insuline est une hormone hypoglycémiante dont les effets sont opposés à ceux du glucagon produit par les cellules α pancréatiques, et qui permet de maintenir la glycémie proche d’une valeur moyenne de 5 mM chez le rongeur et l’homme (Jiang and Zhang, 2003). Des études de liaison radioactive, réalisées au début des années 70, ont permis d’identifier le récepteur de l’insuline (INS-R), un récepteur ubiquitaire présent chez tous les vertébrés (Freychet et al., 1971). Par la suite, des résultats ont montré que l’injection centrale d’insuline induit une diminution de la prise alimentaire ainsi qu’une augmentation de la dépense énergétique chez le singe (Woods et al., 1979), suggérant que l’insuline est capable d’activer certaines voies neuronales pro-cataboliques. Par ailleurs, des expériences réalisées chez le rongeur indiquent que l’injection intrapéritonéale d’insuline stimule l’expression de la POMC dans le ARC, suggérant que cette hormone est capable de traverser la barrière hémato-encéphalique et exerce ses effets anorexigènes via l’activation de la voie du système mélanocortine (Kim et al., 1999). Enfin, une étude réalisée chez le rat montre que l’effet anorexigène d’une injection centrale d’insuline est bloqué par un antagoniste des récepteurs aux mélanocortines 3 et 4 (MC3/4R) (Benoit et al., 2002), confirmant ainsi que l’effet satiétogène de
1.1.3.2 La leptine.
La leptine est une adipokine de 16 kDa codée par le gène ob (Zhang et al., 1994), principalement produite par les adipocytes blancs (Ahima and Osei, 2004). Les taux circulants de cette adipokine sont proportionnels à la quantité de tissu adipeux et reflètent de ce fait le statut énergétique de l’organisme. Les obeses présentent par conséquent des taux sanguins de leptine supérieur à la normale, qui a pour conséquence la mise en place à long terme d’une résistance à la leptine (Carter et al., 2013). Les modèles transgéniques murins déficients pour le gène de la leptine (souris ob/ob) ou pour le gène du récepteur de la leptine (souris db/db) présentent un phénotype obèse caractérisé par une augmentation de la prise alimentaire et une diminution de la dépense énergétique (Friedman and Halaas, 1998). L’administration chronique de leptine à des souris ob/ob entraîne une réduction de la prise alimentaire, une augmentation de la dépense énergétique et une réduction rapide de la masse corporelle (Weigle et al., 1995). Le gène db qui code pour le récepteur de la leptine permet, par des mécanismes d’épissage alternatif, la synthèse de plusieurs isoformes (courtes, longues et secrétées) (Moran and Phillip, 2003). Au niveau du SNC, la leptine se lie à la forme longue Ob-Rb dont l’expression est très élevée dans l’hypothalamus ventromédian (Funahashi et al., 2003). L’invalidation du gène db, spécifiquement dans le SNC, induit un phénotype obèse, hyperphage et hypométabolique (Seeley et al., 1996). Enfin, l’administration de leptine diminue l’expression des acides ribonucléiques messagers (ARNm) codant pour les gènes NPY et AgRP, tout en augmentant ceux codant pour le gène de la POMC (Cowley et al., 2001), suggérant que les effets de la leptine sont relayés par la stimulation et l’inhibition des voies neuronales hypothalamiques respectivement anorexigènes et orexigènes.
Par ailleurs, de nombreuses adipokines tels que l’adiponectine, la resistine et l’acylation stimulating protein issues elles aussi du tissu adipeux blanc semblent également impliquées dans la régulation de l’homéostasie énergétique (Lancha et al., 2012), toutefois l’importance de ces adipokines in vivo reste à être déterminée sachant que leurs secrétions n’est pas synchrone avec la phase postprandiale.
1.2 La régulation centrale de l’homéostasie énergétique.
Le système nerveux central (SNC) est le siège de l’intégration des différents signaux périphériques relatifs au statut énergétique de l’organisme. Chacun des signaux périphériques mobilise une ou plusieurs voies neuronales spécifiques afin de générer une multitude de réponses contrôlant les deux leviers de la régulation de l’homéostasie énergétique. Parmi les différentes structures du SNC impliquées dans ces réponses, l’hypothalamus est considéré comme le principal centre intégrateur régulant l’homéostasie énergétique. Néanmoins, d’autres structures, tels que le noyau du tractus solitaire (NTS), une structure de la région pontique contrôlant l’activité du système nerveux autonome (SNA) et le métabolisme périphérique (Schwartz et al., 2000; Myers and Olson, 2012), agissent en synergie avec l’hypothalamus afin de réguler la balance énergétique.
1.2.1 Le rôle de l’hypothalamus dans l’homéostasie énergétique.
L’hypothalamus est la partie antéro-inférieure du diencéphale. Il est délimité dans sa partie rostrale par le chiasma optique, la lamina terminalis et la commissure antérieure, alors que dans sa partie caudale il est circonscrit par un plan vertical postérieur aux corps mamillaires. Au niveau dorsal, il est bordé par le thalamus, alors que du côté ventral le plancher hypothalamique est en contacte direct avec le liquide céphalorachidien (LCR) (figure 3).
Le rôle essentiel de l’hypothalamus dans le contrôle de l’homéostasie énergétique fut suggéré dès les années 40, par des travaux montrant que la lésion du noyau ventromédian entrainait une hyperphagie et une obésité alors qu’une lésion de l’hypothalamus latéral conduisait à une réduction de la prise alimentaire et à la perte de poids chez le rat (Hetherington and Ranson, 1940; Anand and Brobeck, 1951). Par la suite, de nombreuses études ont montré l’implication de l’ARC dans la régulation de l’homéostasie énergétique.
Figure 4: Section sagittale du cerveau de rat montrant l'emplacement de l'hypothalamus.
Figure 5: Représentation tridimensionnelle de l'hémisphère droit de l'hypothalamus du rat. Abréviations : AHA, aire hypothalamique antérieure; ARC, noyau arqué; AV3V, aire antéroventrale du 3éme ventricule; CI, capsule interne; DP, sous noyau parvocellulaire dorsal du noyau
paraventriculaire (PVH); DMH, noyau dorsomédian; F, fornix; LHA, aire latérale; LM, sous noyau magnocellulaire latéral du PVH; LPOA, l’aire préoptique latérale; ME, éminence médiane; MP, sous noyau parvocellulaire médial du PVH; MPO, noyau préoptique médial; OT, tractus optique; SCh, noyau suprachiasmatique; SON, noyau supraoptique; SI, substantia inomminata; ST, noyau sous-thalamique; VMH, noyau ventromédian; VP, sous noyau parvocellulaire ventral du PVH. Tirée de (Berthoud, 2002).
L’ARC est situé immédiatement au-dessus de l’éminence médiane, un organe circum-ventriculaire permettant le passage des hormones et des nutriments du sang vers le LCR, et est en mesure de percevoir les modifications du statut énergétique de l’organisme (Schwartz et al., 2000; Dhillo, 2007). L’ARC est un noyau composé notamment de deux populations de neurones distinctes dites de premier ordre, agissant de façon opposée sur la prise alimentaire. L’une exprime la POMC, le précurseur de l’alpha melanocyte-stimulating hormone (α-MSH) (Poggioli et al., 1986) et le cocaine and amphetamine-regulated transcript (CART) (Kristensen et al., 1998; Elias et al., 1998b) qui sont des neuropeptides anorexigènes, tandis que l’autre produit le NPY (Stanley et al., 1986; Hahn et al., 1998) et l’agouti-related protein (AgRP) (Hahn et al., 1998; Broberger et al., 1998a), deux neuropeptides orexigènes. Ces deux populations neuronales projettent vers différents neurones dits de second ordre, situés dans l’ensemble de l’hypothalamus et notamment dans le noyau paraventriculaire (PVH), l’aire latérale (LHA), le noyau ventromédian (VMH) et le noyau dorsomédian (DMH) de l’hypothalamus. Ces derniers sont largement impliqués dans le contrôle de la prise alimentaire et/ou dans la régulation de l’homéostasie énergétique (DeFalco et al., 2001; Berthoud, 2002; Myers and Olson, 2012; Parker and Bloom, 2012). Les principaux peptides identifiés comme impliqués dans le contrôle de la prise alimentaire sont recensés dans le tableau 1.
1.2.1.1 Les neurones de premier ordre du noyau arqué.
Les neurones POMC/CART.
Bien que l’α-MSH ai été découverte à la fin des années 50 (Harris, 1959), son précurseur, la POMC, ainsi que son principal lieu de synthèse, l’ARC, ne furent identifiés qu’à la fin des années 70 (Mains et al., 1977; Jacobowitz and O'Donohue, 1978). Durantla première moitié des années 90, 5 récepteurs aux mélanocortines (MCR) furent caractérisés (Mountjoy et al., 1992; Chhajlani et al., 1993; Gantz et al., 1993a; 1993b; Labbé et al., 1994), dont notamment les MCR de types 3 et 4, deux récepteurs présents exclusivement au niveau du SNC (Mountjoy, 2010) (Cf. 3.1.1.2). Des expériences, réalisées à l’aide de la technique d’hybridation in situ chez le rongeur, indiquent que le jeûne aigu ou chronique s’accompagne d’une diminution des taux d’ARNm codant la POMC au niveau de l’ARC, et que ces effets sont renversés suite à la réalimentation des
Tableau 1: Principaux facteurs hypothalamiques impliqués dans la régulation de l’homéostasie énergétique.
peptides Récepteur(s) impliqué(s) Site(s) d’expression dans l’hypothalamus références
Facteurs orexigènes
AgRP MC3-‐R, MC4-‐R ARC (Fong et al., 1997) Beacon N.D. ARC, LHA, PVH (Collier et al., 2000) Dynorphine Kappa PVH (Lambert et al., 1993)
GABA GABAa, GABAb ARC, VMH (Patel and Ebenezer, 2004) Galanine Gal-‐R1, -‐R2, -‐R3 ARC, DMH, LHA (Branchek et al., 2000) Galanin-‐like peptide Gal-‐R2 ARC, PVH (Seth et al., 2004)
Ghréline GHS-‐R ARC (Wren et al., 2001) MCH MCH1-‐R, MCH2-‐R LHA (Qu et al., 1996) Neuropeptide Y Y1-‐R, Y2-‐R, Y5-‐R ARC, DMH, VMH (Erickson et al., 1996)
Nociceptine ORL-‐1 ARC (Polidori et al., 2000)
Orexine A Ox1-‐R, Ox2-‐R LHA (Haynes et al., 1999; Shiraishi et al., 2000) VGF N.D. ARC (Hahm et al., 2002)
amandamine CB1R ARC, LHA, VMH, DMH, PVH (Ameri, 1999) 26RFa/43RFa GPR103 LHA (do Rego et al., 2006)
Facteurs anorexigènes
α-‐MSH MC3-‐R, MC4-‐R ARC (Fan et al., 1997; Yaswen et al., 1999) Apéline APJ ARC, PVH (Reaux et al., 2002)
BDNF TrkB VMH (Xu et al., 2003) Bombésine/GRP GRP-‐R PVH (Wada et al., 1998)
CART N.D. ARC, DMH, LHA (Bannon et al., 2000) CGRP CGRP-‐R ARC, LHA (Dhillo et al., 2003)
CRH CRH1-‐R, CRH2-‐R PVH (Richard et al., 2000) ODN RCPG de l’ODN ARC (do Rego et al., 2007) Dopamine D1, D2 ARC, DMH (Ladurelle et al., 1991)
GLP-‐1 GLP1-‐R ARC, DMH, LHA, PVH, VMH (Tang-‐Christensen et al., 1996; Peters et al., 2001) GLP-‐2 GLP2-‐R DMH (Tang-‐Christensen et al., 2000)
Nesfatine-‐1 N.D. ARC, PVH (Kohno et al., 2008) Neuromédine S NMU2R PVH (Ida et al., 2005) Neuromédine U NMU2R VMH (Kowalski et al., 2005) Neuropeptide B et W GPR7 PVH (Ishii et al., 2003)
Neurotensine NTR-‐1 ARC, DMH, PVH, VMH (Remaury et al., 2002) NPFF NPFF-‐1, NPFF-‐2 VMH, DMH (Sunter et al., 2001)
Ocytocine OXT-‐R PVH (Arletti et al., 1989; Olson et al., 1991) PACAP N.D. ARC, VMH (Chance et al., 1995; Mizuno et al., 1998)
PrRP GPR10 DMH (Gu et al., 2004)
Sérotonine 5HT1, 5HT2 PVH (Dourish, 1995; Currie et al., 2002) Somatostatine N.D. ARC, VMH (Scalera and Tarozzi, 1998)
TRH TRH-‐R1 PVH (Kow and Pfaff, 1991)
Urocortine CRH2-‐R VMH, LHA (Ohata et al., 2000; Reyes et al., 2001)
Abreviations: ARC, noyau arqué de l’hypothalamus; DMH, noyau dorsomédian de l’hypothalamus; LHA, l’aire latérale de l’hypothalamus; PVH, noyau paraventriculaire de l’hypothalamus; VMH, noyau ventromédian de l’hypothalamus.
animaux, indiquant que l’expression de la POMC au niveau de l’ARC est fonction du statut énergétique de l’organisme (Swart et al., 2002).
Chez la souris, l’invalidation du gène de la POMC induit un phénotype obèse, hyperphage et hypométabolique, indiquant que la POMC et ses dérivés jouent un rôle essentiel dans le maintien de l’homéostasie énergétique chez le rongeur (Yaswen et al., 1999; Challis et al., 2004). De même, plusieurs cas d’obésité sévère diagnostiqués chez l’homme sont associés à la présence de mutations sur le gène codant pour la POMC (Krude et al., 1998), néanmoins les cas de perte de fonction complète ont très rarement été répertoriés (Farooqi and O'Rahilly, 2006).
Les premières études pharmacologiques réalisées via l’injection intra-cérébro-ventriculaire (i.c.v.) d’α-MSH, ou de son analogue cyclique synthétique, le melanotan-II (MTII), montrent une diminution de la prise alimentaire, qui s’accompagne d’une perte de poids lors d’un traitement chronique chez le rongeur (Fan et al., 1997), indiquant que l’α-MSH est un puissant facteur anorexigène. D’autre part, des études réalisées chez le rongeur indiquent que les effets du MTII sur la prise alimentaire peuvent être abolis par la co-injection d’un antagoniste des MC3/4R (Rossi et al., 1998). L’utilisation de modèles génétiques a permis de mettre en évidence l’importance de MC4R dans le contrôle de la prise alimentaire et dans la régulation de la balance énergétique. En effet, les souris ayant une délétion du gène codant pour MC4R présentent une hyperphagie accompagnée d’une obésité sévère (Huszar et al., 1997), ainsi qu’une absence d’inhibition de la prise alimentaire lors de l’administration d’un agoniste aux MC3/4R (Chen et al., 2000b). D’autre part, la délétion du gène codant MC3R n’entraine par de modification du comportement alimentaire, cependant ces souris sont obèses, suggérant ainsi un rôle dans la régulation du métabolisme périphérique (Chen et al., 2000a). Par ailleurs, la présence du MC3R sur les neurones POMC de l’ARC, suggère que MC3R est un autorécepteur qui module la synthèse de son propre agoniste, l’α-MSH (Jégou et al., 2000; Lee et al., 2008). Cependant, l’implication exacte de cette fonction d’autorécepteur dans le métabolisme périphérique reste à être précisée. Enfin, la double délétion de MC3/4R conduit à une hyperphagie importante et une obésité extrême chez la souris, démontrant ainsi le rôle primordial du système mélanocortinique dans la régulation de l’homéostasie énergétique de l’organisme (Atalayer et al., 2010). Chez l’Homme, les mutations du gène codant pour MC3R sont associées avec de rares cas d’obésités
