Les maladies métaboliques, comme le diabète, la dyslipidémie ou l’obésité, constituent un problème majeur de santé publique dans les pays développés. Ces maladies très répandues restent encore difficiles à traiter malgré une recherche active. Les stratégies thérapeutiques contre ces maladies incluent le développement de nouvelles molécules ciblant les récepteurs aux acides gras, étant donné leur rôle essentiel dans l’homéostasie du métabolisme. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail portant sur deux récepteurs couplés aux protéines G, les récepteurs aux acides gras à courte chaîne 2 et 3 ou free fatty acid receptors 2 (FFA2) et 3 (FFA3). Nous avons tout d'abord cherché à déterminer le profil d'expression des deux récepteurs. Ensuite, nous avons établi des lignées cellulaires stable exprimant FFA2 ou FFA3 afin d’étudier la pharmacologie d’agonistes synthétiques et endogènes de ces récepteurs. Après avoir identifié les voies de signalisation engendrées par l’activation des récepteurs, nous avons démontré que les agonistes synthétiques étaient des activateurs allostériques, c’est-à-dire qu’ils se liaient aux récepteurs sur un site distinct de celui des ligands endogènes. Pour identifier les résidus d’acides aminés nécessaires à la reconnaissance des ligands, nous avons généré une gamme de mutants ponctuels de ces récepteurs par mutagénèse dirigée. En analysant l’effet des mutations dans des tests fonctionnels, nous avons pu déterminer avec précision où se liaient les ligands et ainsi pu dessiner par informatique des modèles structuraux des récepteurs qui pourront être utilisés pour le drug design de futures molécules agonistes de ces récepteurs. / Metabolic diseases, such as diabetes, dyslipidemia or obesity, are more and more weighing on public health expenses in developed countries. Despite active research, these widespread diseases remain difficult to handle. Promising new therapeutic strategies against metabolic diseases include the development of drugs targeting the free fatty acid receptors, as key players in metabolism homeostasis. In this context, the current PhD thesis focuses on the study of two G protein-coupled receptors, namely the short-chain free fatty acid receptors 2 (FFA2) and 3 (FFA3). First, we investigated the expression of the two receptors of interest in a variety of cell types. Then, in order to study the pharmacology and the binding mode of endogenous and synthetic agonists on FFA2 and FFA3, we established stable cell lines expressing each receptor. Once we identified the signaling pathways engendered in response to receptor activation, we showed that synthetic agonists were allosteric activators of the receptors, in the sense that they bind to the receptors at a distinct site from short-chain fatty acids, i.e. the endogenous agonists. To identify the aminoacid residues that were involved in ligand binding, we generated a variety of point mutated receptors by site-directed mutagenesis. By analyzing the effects of the mutations in functional tests, we determined precisely the aminoacid residues that were essential for ligand binding. From these results, we designed in silico structural models which may aid future drug design efforts for the discovery of new FFA2 and FFA3 agonists.

L’obésité s’accompagne de pathologies comme le diabète de type 2 et les maladies cardiovasculaires, liées à des dérégulations métaboliques et endocriniennes du tissu adipeux blanc (TAB). Au cours du vieillissement, la perte de masse musculaire peut être associée à l’obésité et définit le concept d’obésité sarcopénique. Les traitements mis en œuvre pour contrecarrer ces pathologies n’ont qu’un succès très partiel. Il est donc opportun de développer des stratégies alternatives originales qui pourraient aboutir à des thérapeutiques ciblées. Notre équipe étudie les régulations métaboliques du TAB, source majeure de stockage de l’énergie de l’organisme. Les triglycérides stockés sont libérés à jeun grâce à la lipolyse qui libère les acides gras non-estérifiés (AGNE) et le glycérol dans le sang, comme source d’énergie des autres tissus. En plus de la β-oxydation des AGNE, leur ré-estérification partielle intervient pour limiter leur libération lors de la lipolyse. La glycéronéogenèse est nécessaire à la ré-estérification en situation de jeûne. Des études préalables ont montré que l'administration de citrulline (CIT) pendant trois mois à des rats vieillissants induit une diminution d’environ 40% de la masse viscérale du TAB. Cet acide aminé non protéique est un complément alimentaire donné au cours du vieillissement ou à des sportifs pour augmenter la masse musculaire. Nous avons étudié les effets de la CIT sur des cultures d’explants de TAB de rats. Dans la première partie de ce travail, nous montrons que la CIT a un effet direct lipolytique et anti-glycéronéogénique sur les explants des rats qu’ils soient jeunes ou âgés. Cependant, la libération des AGNE du TAB des rats jeunes est limitée par une augmentation de la capacité oxydative du tissu. Avec l’âge, la masse du TAB augmente en parallèle à l’augmentation d’un état pro-inflammatoire. Afin de comprendre l’influence de ces deux paramètres indépendamment de l’âge, nous avons étudié dans la deuxième partie de ce travail, les effets de la CIT sur les explants de TAB de rats jeunes soumis à un régime contrôle (CD) ou hyperlipidique (HFD). Nous observons une augmentation, induite par la CIT, de la lipolyse et de la capacité ß-oxydative du TAB des rats quel que soit le régime, alors que la glycéronéogenèse est diminuée. Toutefois, les AGNE sont sélectivement libérés par le TAB de rats HFD, en relation avec une réduction drastique de leur ré-estérification. Le NO est un médiateur de ces effets. Dans une troisième partie, nous démontrons que la CIT agit directement sur le TAB de rats CD et HFD pour induire l'expression de la protéine découplante, UCP1, en lien avec le « brunissement » potentiel du TAB par cet acide aminé. Ces effets ne sont pas observés au sein du TAB des rats âgés. L’ensemble de nos résultats établit les bases pour de futures investigations visant à élucider les mécanismes par lesquels la CIT réduit la masse adipeuse et ouvre de nouvelles perspectives thérapeutiques pour lutter contre le surpoids et l’obésité sarcopénique. / Obesity is frequently associated with type 2 diabetes and cardiovascular diseases, related to metabolic and endocrine dysregulation of white adipose tissue (WAT). During aging, the loss of muscle mass may be associated with obesity and defines the concept of sarcopenic obesity. Treatments implemented to counteract these conditions showed a very partial success. It is therefore appropriate to develop original alternative strategies that could lead to targeted therapies. Our team studies the metabolic regulation of WAT, the major source of energy storage in the body. Non-esterified fatty acids (NEFA) and glycerol are released in the blood from stored triglycerides through lipolysis and used as a source of energy for other tissues. In addition to their β-oxidation, NEFA are re-esterified in part, a process that limits their release in the blood. Glyceroneogenesis is the pathway necessary to NEFA re-esterification in the fasting state. Previous studies showed that administration of citrulline (CIT) for three months to aging rats induced a decrease of approximately 40% of the visceral WAT mass. This non-protein amino acid is given as a dietary supplement during aging or sports to increase muscle mass. We studied the effects of CIT on explant cultures of rat WAT. In the first part of this work, we show that CIT exerts a direct lipolytic and anti-glyceroneogenic effect on explants from rats whether young or old. However, the release of NEFA from the explants of young rats is limited by an increase in the oxidative capacity of the tissue. During aging, WAT mass augments in parallel to the increase in a pro-inflammatory state. To understand the influence of these two parameters regardless of age, we studied in the second part of this work, the effects of CIT on WAT explants from young rats fed a control (CD) or high fat (HFD) diet. We show an CIT-induced increase in lipolysis and beta-oxidative capacity of WAT from rats whatever the diet, while glyceroneogenesis is reduced. However, NEFA are selectively released from WAT of HFD rats, in connection with a drastic reduction of their re-esterification. NO is a mediator of these effects. In the third part of this work, we show that CIT acts directly on WAT from CD and HFD rats to induce the expression of uncoupling protein, UCP1, in line with the potential "browning" of WAT by this amino acid. These effects were not observed in explants from old rats. Altogether our results establish the basis for future investigations aimed at elucidating the mechanisms by which CIT reduces body fat and open new therapeutic perspectives to fight overweight and sarcopenic obesity.

Le pétrissage des pâtes constitue une étape clé en panification qui conduit au développement des réseaux de gluten et d'arabinoxylanes. Lors du pétrissage, les réactions d'oxydation, pour la plupart enzymatiques, participent à l'acquisition des propriétés viscoélastiques de la pâte et contribuent à la qualité du produit final. Afin de mesurer et caractériser les réactions d'oxydations au seins de la pâte, l'objectif de ce travail de thèse est la mise au point d'un pétrin pilote, le sitoxygraphe, instrumenté pour la mesure directe de la consommation et des vitesse de consommation d'oxygène et de l'évolution du couple s'exerçant sur le bras mobile du pétrin. Ces mesures ont permis d'étudier l'influence de la composition biochimique des farines sur les consommations d'oxygène et sur les paramètres de couple, confirmant l'importance du système lipoxygénasique dans les premiers instants de pétrissage ainsi que la probable participation de réactions secondaires. Les corrélations entre les données oxygène et les paramètres de couple ainsi qu'entre les paramètres de couple du sitoxygraphe et des données rhéologiques ont mis en évidence la contribution des réactions d'oxydation dans l'acquisition des propriétés rhéologiques de la pâte. Quelques effets d'améliorants connus ont également été mesurés. Enfin, après avoir sélectionné deux laccases (polyphénoloxydases) potentiellement intéressantes en panification, leurs effets au cours du pétrissage ont été étudiés mettant en évidence un effet positif sur la consommation d'oxygène et négatif sur les paramètres de couple (probable suroxydation). L'oxydation de composés endogènes par ces enzymes via un médiateur d'oxydation constitue une voie intéressante.

Les sécrétines de l’hormone de croissance (GHRPs) sont de petits peptides synthétiques capables de stimuler la sécrétion de l’hormone de croissance à partir de l’hypophyse via leur liaison au récepteur de la ghréline GHS-R1a. Le GHRP hexaréline a été utilisé afin d’étudier la distribution tissulaire de GHS-R1a et son effet GH-indépendant. Ainsi, par cette approche, il a été déterminé que l’hexaréline était capable de se lier à un deuxième récepteur identifié comme étant le récepteur scavenger CD36. Ce récepteur possède une multitude de ligands dont les particules oxLDL et les acides gras à longue chaîne. CD36 est généralement reconnu pour son rôle dans l’athérogénèse et sa contribution à la formation de cellules spumeuses suite à l’internalisation des oxLDL dans les macrophages/monocytes. Auparavant, nous avions démontré que le traitement des macrophages avec l’hexaréline menait à l’activation de PPARƔ via sa liaison à GHS-R1a, mais aussi à CD36. De plus, une cascade d’activation impliquant LXRα et les transporteurs ABC provoquait également une augmentation de l’efflux du cholestérol. Une stimulation de la voie du transport inverse du cholestérol vers les particules HDL entraînait donc une diminution de l’engorgement des macrophages de lipides et la formation de cellules spumeuses. Puisque CD36 est exprimé dans de multiples tissus et qu’il est également responsable du captage des acides gras à longue chaîne, nous avons voulu étudier l’impact de l’hexaréline uniquement à travers sa liaison à CD36. Dans le but d’approfondir nos connaissances sur la régulation du métabolisme des lipides par CD36, nous avons choisi des types cellulaires jouant un rôle important dans l’homéostasie lipidique n’exprimant pas GHS-R1a, soient les adipocytes et les hépatocytes. L’ensemble de mes travaux démontre qu’en réponse à son interaction avec l’hexaréline, CD36 a le potentiel de réduire le contenu lipidique des adipocytes et des hépatocytes. Dans les cellules adipeuses, l'hexaréline augmente l’expression de plusieurs gènes impliqués dans la mobilisation et l’oxydation des acides gras, et induit également l’expression des marqueurs thermogéniques PGC-1α et UCP-1. De même, hexaréline augmente l’expression des gènes impliqués dans la biogenèse mitochondriale, un effet accompagné de changements morphologiques des mitochondries; des caractéristiques observées dans les types cellulaires ayant une grande capacité oxydative. Ces résultats démontrent que les adipocytes blancs traités avec hexaréline ont la capacité de se transformer en un phénotype similaire aux adipocytes bruns ayant l’habileté de brûler les acides gras plutôt que de les emmagasiner. Cet effet est également observé dans les tissus adipeux de souris et est dépendant de la présence de CD36. Dans les hépatocytes, nous avons démontré le potentiel de CD36 à moduler le métabolisme du cholestérol. En réponse au traitement des cellules avec hexaréline, une phosphorylation rapide de LKB1 et de l’AMPK est suivie d’une phosphorylation inhibitrice de l’HMG-CoA réductase (HMGR), l’enzyme clé dans la synthèse du cholestérol. De plus, la liaison d'hexaréline à CD36 provoque le recrutement d’insig-2 à HMGR, l’étape d’engagement dans sa dégradation. La dégradation de HMGR par hexaréline semble être dépendante de l’activité de PPARƔ et de l’AMPK. Dans le but d’élucider le mécanisme d’activation par hexaréline, nous avons démontré d’une part que sa liaison à CD36 provoque une déphosphorylation de Erk soulevant ainsi l’inhibition que celui-ci exerce sur PPARƔ et d’autre part, un recrutement de l’AMPK à PGC-1α expliquant ainsi une partie du mécanisme d’activation de PPARƔ par hexaréline. Les résultats générés dans cette thèse ont permis d’élucider de nouveaux mécanismes d’action de CD36 et d'approfondir nos connaissances de son influence dans la régulation du métabolisme des lipides. / Growth hormone releasing peptides (GHRPs) are small synthetic peptides aimed at stimulating GH release from the pituitary through their binding to ghrelin receptor known as growth hormone secretagogue receptor 1a (GHS-R1a). Using the GHRP, hexarelin to study tissue distribution of GHS-R1a and its GH-independent effect, it was observed that hexarelin was capable of binding to a second receptor identified as scavenger receptor CD36. While having multiple ligands, CD36 is mainly known for binding and internalizing oxLDL and long chain fatty acids. CD36 is thought to play a detrimental role in macrophage derived foam cell formation and development of atherosclerosis. Previously, we have shown that in macrophages, expressing both GHS-R1a and CD36, hexarelin promoted an activation of PPARƔ via GHS-R1a but also through its binding to CD36. This activation led to the induction of the LXRα-ABC transporters pathway and an increase in cholesterol efflux, reducing lipid-laden macrophage content. This positive effect on macrophages was reproduced in apolipoprotein E-null mice on a high fat diet treated with hexarelin. A significant reduction in the size of atherosclerotic lesions was observed while similar increases in the expression of PPARƔ, LXRα and ABC transporters occurred in isolated peritoneal macrophages. CD36 also plays a role in fatty acid uptake, and to further investigate the impact of the interaction of hexarelin with CD36, we aimed at evaluating the role of CD36 in regulating lipid metabolism in cells devoid of GHS-R1a such as adipocytes and hepatocytes. In the present thesis, we demonstrated through its interaction with hexarelin, the ability of CD36 to decrease intracellular lipid content in both adipocytes and hepatocytes. In adipocytes, hexarelin was able to increase the expression of several genes involved in fatty acid mobilization, fatty acid oxidation but also to induce the expression of the thermogenic markers, PGC-1α and UCP-1. In addition, hexarelin increased the expression of genes involved in mitochondrial biogenesis which was accompanied by mitochondrial morphological changes in agreement with what is usually seen in highly oxidative cells. In support of these findings, we also observed an increase in the activity of cytochrome c oxidase (a component of the respiratory chain) which could reflect an increase in oxidative phosphorylation. The results generated with cultured white adipocytes suggest the ability of hexarelin to promote changes toward a brown fat-like phenotype which also occurred in vivo and was dependent on the presence of CD36. In hepatocytes, CD36 was capable of regulating cholesterol metabolism by rapidly phosphorylating LKB1 and AMPK which subsequently resulted in the inactivating phosphorylation of HMG-CoA reductase, the rate-limiting enzyme in cholesterol synthesis. Hexarelin via CD36 also induced the recruitment of insig-2 to HMGR, the committed step in HMGR degradation while lifting the exerted inhibitory effect of Erk on nuclear receptor PPARƔ activity, and promoting the recruitment of AMPK to PPARƔ coactivator PGC-1α, suggesting an enhanced transcriptional potential of PPARƔ. The results generated during my graduate studies represent unique and novel mechanisms by which CD36 is capable of regulating lipid metabolism.

L’acidose lactique du Saguenay-Lac-St-Jean, ou syndrome de Leigh de forme canadienne-française (LSFC), est une maladie mitochondriale neurodégénérative causée par des mutations du gène LRPPRC et caractérisée par des crises d’acidose menant au décès en bas âge. On ne comprend pas encore les causes exactes de ces crises, et aucun traitement n’est actuellement disponible. L’objectif de cette étude a été de comparer le profil des métabolites sanguins et urinaires chez des sujets LSFC et des témoins, avant et après un repas, par une approche métabolomique ciblée. Le projet s’inscrit dans une démarche à long terme visant l’identification de biomarqueurs prédictifs des crises, permettant d'intervenir plus rapidement afin d’éviter le décès. Les échantillons biologiques ont été prélevés chez 9 sujets atteints du LSFC et 9 témoins appariés, à jeun et 90 minutes après un repas standardisé. Les analyses incluent un bilan biochimique et hormonal, un profil des acides aminés, des acides gras, des acides organiques et des acylcarnitines. Les métabolites significativement modifiés chez les patients peuvent être classés en deux catégories : (i) le reflet d’une dysfonction mitochondriale, et plus particulièrement de l’accumulation d’équivalents réduits en amont de la chaîne respiratoire, et (ii) des indices de risque cardiométabolique, qui s’observent davantage chez les patients adultes malgré leur jeune âge. Ainsi, il serait intéressant d’inclure au traitement des stratégies visant la diminution des facteurs de risque cardiométabolique, notamment par une modification des habitudes de vie. Notre étude démontre la pertinence d’avoir recours à la métabolomique dans l’étude des désordres de la phosphorylation oxydative. / L’acidose lactique du Saguenay-Lac-St-Jean, ou syndrome de Leigh de forme canadienne-française (LSFC), est une maladie mitochondriale neurodégénérative causée par des mutations du gène LRPPRC et caractérisée par des crises d’acidose menant au décès en bas âge. On ne comprend pas encore les causes exactes de ces crises, et aucun traitement n’est actuellement disponible. L’objectif de cette étude a été de comparer le profil des métabolites sanguins et urinaires chez des sujets LSFC et des témoins, avant et après un repas, par une approche métabolomique ciblée. Le projet s’inscrit dans une démarche à long terme visant l’identification de biomarqueurs prédictifs des crises, permettant d'intervenir plus rapidement afin d’éviter le décès. Les échantillons biologiques ont été prélevés chez 9 sujets atteints du LSFC et 9 témoins appariés, à jeun et 90 minutes après un repas standardisé. Les analyses incluent un bilan biochimique et hormonal, un profil des acides aminés, des acides gras, des acides organiques et des acylcarnitines. Les métabolites significativement modifiés chez les patients peuvent être classés en deux catégories : (i) le reflet d’une dysfonction mitochondriale, et plus particulièrement de l’accumulation d’équivalents réduits en amont de la chaîne respiratoire, et (ii) des indices de risque cardiométabolique, qui s’observent davantage chez les patients adultes malgré leur jeune âge. Ainsi, il serait intéressant d’inclure au traitement des stratégies visant la diminution des facteurs de risque cardiométabolique, notamment par une modification des habitudes de vie. Notre étude démontre la pertinence d’avoir recours à la métabolomique dans l’étude des désordres de la phosphorylation oxydative.

Les acides gras polyinsaturés à longue chaîne (AGPI-LC) de la série n-3 jouent des rôles essentiels dans le fonctionnement du cerveau et notamment dans les processus de plasticité synaptique et de mémoire, altérés au cours du vieillissement. Il est maintenant bien admis que ces AGPI peuvent réguler la transcription génique en se liant à des récepteurs nucléaires spécifiques, les PPAR (peroxisome proliferator-activated receptors), mais aussi aux récepteurs de l’acide 9-cis rétinoïque, les RXR (retinoid X receptors). En tant que partenaires communs d’hétérodimérisation des PPAR et des RAR (récepteurs de l’acide tout-trans rétinoïque), les RXR sont des acteurs clés de la modulation de l’expression génique par les acides gras et les rétinoïdes. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse était d’étudier, au cours du vieillissement chez le rat, les effets d’une supplémentation en AGPI-LC n-3 sur l’activité des voies de signalisation des acides gras et des rétinoïdes, les processus de plasticité cérébrale (plasticité synaptique et neurogenèse) et la mémoire spatiale. Nos principaux résultats montrent qu’une supplémentation en AGPI-LC n-3, pendant 21 semaines chez des rats à mi-vie, maintient dans l’hippocampe les niveaux d’expression des ARNm codant pour RXRγ et GAP-43 (protéine synaptique) altérés au cours du vieillissement. De plus les rats âgés supplémentés en AGPI-LC n-3 présentent une augmentation du nombre de néo-neurones hippocampiques et une amélioration de la mémoire spatiale de travail, comparés aux rats âgés contrôle. Les résultats de cette étude plaident en faveur d’un effet bénéfique des AGPI-LC n-3 sur la mémoire de travail au cours du vieillissement via notamment, une action sur la plasticité cérébrale. De plus, nos travaux suggèrent l’implication des RXR dans l’effet neuroprotecteur des AGPI-LC n-3, qui réguleraient l’expression de certains gènes cibles impliqués dans la plasticité synaptique et les processus de neurogenèse hippocampique. / Long chain polyunsaturated fatty acids (LC-PUFA) of the n-3 series play essential roles in brain functions, including brain plasticity and memory processes which are altered during aging. It is now well accepted that these PUFA regulate gene transcription through binding and activating specific nuclear receptors such as PPAR (peroxisome proliferator-activated receptors) and RXR (retinoid X receptors, which also bind 9-cis retinoic acid). As a common heterodimeric partner of both PPAR and RAR (all-trans retinoic acid receptors), RXR is a key factor in the modulation of gene expression by fatty acids and retinoids. In this context, the purpose of this work was to study the effects of a n-3 LC-PUFA supplementation on fatty acid and retinoid signalling pathways and on cerebral plasticity and spatial memory processes. Our main results show that n-3 LC-PUFA supplementation for 21 weeks in mid-life rats, maintains the mRNA levels of RXRγ and GAP-43 (synaptic protein) which were altered in aged rat hippocampus. Besides, supplemented aged rats exhibited increased numbers of newly generated neurons and improved spatial working memory, when compared with control aged rats. To summarize, our results support the neuroprotective effects of n-3 LC-PUFA during aging, in particular on cerebral plasticity and working memory. Furthermore, our works suggest the implication of RXR in the set up of these effects through notably the regulation of some target genes involved in synaptic plasticity and hippocampal neurogenesis processes.

Ce travail de thèse a eu pour objectif principal l'étude thermodynamique des changements métaboliques dans l'acidogénèse. L'acidogénèse est un procédé anaérobie à double intérêt qui en traitant des résidus organiques, permet de produire des composés chimiques comme l'hydrogène, l'éthanol et les acides organiques. Par conséquent, l'acidogénèse se place comme un procédé biotechnologique dans le concept de bioraffinerie. En outre, ce processus n'a pas besoin de conditions stériles d'opération et fonctionne sur une large gamme de pH. Ces changements métaboliques sont dépendants des modifications dans les conditions opératoires. Afin d'étudier ces changements métaboliques, des expériences basées sur des modifications du ciel gazeux du réacteur par introduction d'azote et sur des changements du pH, ont été menées. Un des résultats les plus intéressants a été l'augmentation du rendement de production d'hydrogène de 1 à 3,2 molH2/molglucose à pH 4,5 et débit de N2 de 58,4 L/d. Ce rendement est proche de la valeur théorique (4 molH2/molglucose). L'étude thermodynamique a permis d'expliquer les mécanismes métaboliques concernant l'hydrogène, dont la production importante, représentée par le rendement de 3,2 molH2/molglucose, est due à la réaction inverse H2/NAD+, qui est thermodynamiquement faisable à faibles pressions partielles d'hydrogène (par exemple 0,02 bar). En outre, les bas rendements en hydrogène ont été expliqués par l'action consommatrice d'hydrogène par la réaction d'homoacetogénèse. Cependant, le modèle n'a pas été capable d'expliquer les changements métaboliques de l'acétate, du butyrate et de l'éthanol lors de la fermentation acidogénique du glucose. / This thesis deals with thermodynamic based modelling of metabolic shifts during acidogenic fermentation. Acidogenic fermentation is an anaerobic process of double purpose: while treating organic residues, it produces chemical compounds, such as hydrogen, ethanol and organic acids. Therefore, acidogenic fermentation arises as an attractive biotechnology process towards the biorefinery concept. Moreover, this process does not need sterile operating conditions and works under a wide range of pH.Changes of operating conditions produce metabolic shifts, inducing variability on acidogenic product yields. In order to study these metabolic shifts, an experiment design was based on reactor headspace N2-flushing (gas phase) and pH step changes (liquid phase). A major result was the hydrogen yield increase from 1 to 3.2 (molH2/molglucose) at pH 4.5 and N2-flushing of 58.4 L/d. This yield is close to the theoretical acidogenic value (4 molH2/molglucose).The thermodynamic model, based on the assumption that acidogenic fermentation is characterised by limited energy available for biological process, allowed to explain the mechanisms that govern hydrogen metabolic shifts, showing that the synthesis of extra hydrogen, i.e. yield of 3.2 (molH2/molglucose), was due to reverse H2/NAD+ redox reaction, which is thermodynamically feasible at low hydrogen partial pressures (e.g. 0.02 bar). Moreover, low hydrogen yields were explained by the action of homoacetogenesis hydrogen consuming reaction. However, the model was not capable to explain the metabolic shifts of acetate, butyrate and ethanol on acidogenic glucose fermentation.

Les comportements motivés dont l‟addiction aux drogues d‟abus, mettent en jeu le système dopaminergique mésolimbique. Aussi connu sous le nom de système de la récompense, celui-ci comprend les neurones à dopamine de l‟aire tegmentale ventrale qui projettent, entre autres, vers le noyau accumbens. Tout comme les neurones de l‟hypothalamus, les neurones à dopamine de l‟aire tegmentale ventrale répondent aux hormones telles que la leptine, l‟insuline et la ghréline pour modifier la prise alimentaire, la motivation ou encore le tonus dopaminergique. Ceci indique que le système dopaminergique mésolimbique est sensible aux signaux hormonaux circulants et suggère que les neurones de l‟aire tegmentale ventrale pourraient percevoir les signaux métaboliques comme le glucose ou les acides gras. De plus, plusieurs études chez les humains et les rongeurs démontrent que l‟obésité et les diètes riches en gras affectent négativement la fonction dopaminergique mésolimbique. Étant donné les lacunes qui demeurent quant aux mécanismes impliqués dans la dysfonction du système dopaminergique mésolimbique induite par la nourriture riche en gras, nous avons cherché à évaluer les effets de l‟acide oléique et de l‟acide palmitique, deux des acides gras les plus abondants dans l‟organisme et l‟alimentation contemporaine, sur le système de la récompense. Ces deux acides gras, l‟un saturé (acide palmitique) et l‟autre mono-insaturé (acide oléique), se distinguent par leurs effets différentiels sur la prise alimentaire, la signalisation hormonale ou encore leur métabolisme intracellulaire mais aussi sur la santé cardiovasculaire et mentale. Nous avons dans un premier temps évalué la capacité du système dopaminergique mésolimbique à détecter les acides gras. Nous avons comparé les effets de l‟injection d‟acide oléique ou d‟acide palmitique dans l‟aire tegmentale ventrale sur la prise alimentaire, la motivation et l‟activité électrique des neurones à dopamine de l‟aire tegmentale ventrale. Nos résultats montrent que l‟acide oléique, mais pas l‟acide palmitique, diminue la prise alimentaire et le comportement motivé. L‟acide oléique inhibe également l‟activité électrique des neurones à dopamine, ces effets semblent dépendre de son entrée dans la cellule. De plus, nous montrons que les neurones à dopamine de l‟aire tegmentale ventrale expriment plusieurs 3 gènes de protéines importantes pour le transport et le métabolisme des acides gras et qu‟ils sont capables de d‟incorporer les acides gras. Nous avons dans un second temps évalué les effets de l‟acide oléique et de l‟acide palmitique dérivés de l‟alimentation. Nous avons soumis des rats à l‟une de ces trois diètes : une riche en gras enrichie en acide oléique, une riche en gras enrichie en acide palmitique ou une contrôle faible en gras. Après huit semaines, et en l‟absence d‟obésité ou d‟altérations métaboliques majeures, la diète enrichie en acide palmitique, mais pas la diète isocalorique enrichie en acide oléique, induit une hyposensibilité aux effets récompensants et locomoteurs de l‟amphétamine, associée, entre autres, à la diminution de la signalisation du récepteur à la dopamine D1R et de l‟expression du transporteur de la dopamine. Nous avons finalement exploré l‟impact de ces diètes sur l‟activité de l‟axe hypothalamo-hypophysaire-surrénalien. Les résultats montrent que la diète enrichie en acide palmitique altère aussi la fonction de l‟axe et l‟expression de plusieurs gènes cibles des corticostéroïdes, sans toutefois modifier le comportement anxieux. Ce travail de doctorat vient compléter les connaissances sur les dysfonctions du système dopaminergique mésolimbique induites par la nourriture riche en gras. Il met en lumière les effets différentiels des classes d‟acides gras et les mécanismes par lesquels ils modulent les comportements motivés et alimentaires. De façon chronique, avant l‟apparition d‟obésité et d‟altérations métaboliques, les acides gras saturés, et non les acides gras mono-insaturés, issus de l‟alimentation perturbent le fonctionnement de l‟axe hypothalamo-hypophysaire-surrénalien et réduisent la fonction dopaminergique. Ceci pourrait contribuer à perpétuer la recherche et la prise de ce type d‟acides gras afin de compenser ce déficit. / The mesolimbic dopamine system, also known as the reward system, is well recognized for its role in motivated reward-related behaviours such as drug addiction. It consists of dopamine neurons originating in the ventral tegmental area that project, among others, to the nucleus accumbens. Similar to neurons in the hypothalamus, dopamine neurons in the ventral tegmental area can detect circulating hormones such as leptin, insulin and ghrelin to adjust food intake, motivation and dopamine tone. This suggests that they could also perceive nutritional signals like glucose and fatty acids. Moreover, several lines of evidence exist showing that palatable food enriched in fat and obesity reduce mesolimbic dopamine function. Given the many unknowns regarding the mechanisms of obesity-induced dopamine dysfunction, and given that fatty acids differentially influence cardiovascular and mental health according to their class, we sought to determine the effects of the monounsaturated fatty acid oleic acid and the saturated fatty acid palmitic acid, two of the most abundant fatty acids in the body and foods, on mesolimbic dopamine function. Notably palmitic acid and oleic acid differ in their intracellular metabolic fate as well as in their effects on food intake and leptin and insulin signaling at the level of the hypothalamus. We first evaluated the fatty acid sensing properties of the mesolimbic dopamine system. We looked at the effects of the injection of oleic acid or palmitic acid in the ventral tegmental area on food intake, motivation and dopamine neurons activity. Our results demonstrate that oleic acid, but not palmitic acid, reduces basal and motivated feeding behavior and neuronal activity. Those effects seem to be dependent on its entry into the cell. Moreover, using a neurons culture system we show that dopamine neurons can uptake fatty acids. We then examined the effect of food-derived oleic and palmitic acid on mesolimbic dopamine function. We assigned rats to a low-fat control diet or to one or the other of a high-fat diet: one enriched in oleic acid or one enriched in palmitic acid. The two high-fat diets are isocaloric and differed only in the fat source. Following eight weeks of feeding, the palmitic 5 acid-enriched high-fat diet, but not the oleic acid-enriched diet, decreased the sensitivity to the rewarding and locomotor-sensitizing effects of amphetamine. This was associated with a reduction of dopamine receptor D1R signaling and dopamine transporter expression. Importantly this occured independently of weight gain and hormonal changes. Lastly, we explored the impact of those diets on the activity of the hypothalamus-pituitary-adrenal axis. Results show that the saturated fat diet alters the function of the axis as well as the expression of several keys genes targeted by glucocorticoids in the hypothalamus but without affecting anxiety-related behavior. This work provides further insight into how the mesolimbic dopamine system is altered by high-fat food consumption. It brings light to the differential effects of two classes of fatty acids and the mechanisms by which they modulate food intake and motivation. The prolonged intake of saturated fat, but not mono-unsaturated fat, disrupts the hypothalamus-pituitary-adrenal axis and decreases mesolimbic dopamine function prior to the onset of obesity and major metabolic alterations. Dysfunction of dopaminergic systems induced by saturated fat consumption could promote further intake of such palatable food as a means to compensate for reward hyposensitivity.

L’obésité s’accompagne de pathologies comme le diabète de type 2 et les maladies cardiovasculaires, liées à des dérégulations métaboliques et endocriniennes du tissu adipeux blanc (TAB). Au cours du vieillissement, la perte de masse musculaire peut être associée à l’obésité et définit le concept d’obésité sarcopénique. Les traitements mis en œuvre pour contrecarrer ces pathologies n’ont qu’un succès très partiel. Il est donc opportun de développer des stratégies alternatives originales qui pourraient aboutir à des thérapeutiques ciblées. Notre équipe étudie les régulations métaboliques du TAB, source majeure de stockage de l’énergie de l’organisme. Les triglycérides stockés sont libérés à jeun grâce à la lipolyse qui libère les acides gras non-estérifiés (AGNE) et le glycérol dans le sang, comme source d’énergie des autres tissus. En plus de la β-oxydation des AGNE, leur ré-estérification partielle intervient pour limiter leur libération lors de la lipolyse. La glycéronéogenèse est nécessaire à la ré-estérification en situation de jeûne. Des études préalables ont montré que l'administration de citrulline (CIT) pendant trois mois à des rats vieillissants induit une diminution d’environ 40% de la masse viscérale du TAB. Cet acide aminé non protéique est un complément alimentaire donné au cours du vieillissement ou à des sportifs pour augmenter la masse musculaire. Nous avons étudié les effets de la CIT sur des cultures d’explants de TAB de rats. Dans la première partie de ce travail, nous montrons que la CIT a un effet direct lipolytique et anti-glycéronéogénique sur les explants des rats qu’ils soient jeunes ou âgés. Cependant, la libération des AGNE du TAB des rats jeunes est limitée par une augmentation de la capacité oxydative du tissu. Avec l’âge, la masse du TAB augmente en parallèle à l’augmentation d’un état pro-inflammatoire. Afin de comprendre l’influence de ces deux paramètres indépendamment de l’âge, nous avons étudié dans la deuxième partie de ce travail, les effets de la CIT sur les explants de TAB de rats jeunes soumis à un régime contrôle (CD) ou hyperlipidique (HFD). Nous observons une augmentation, induite par la CIT, de la lipolyse et de la capacité ß-oxydative du TAB des rats quel que soit le régime, alors que la glycéronéogenèse est diminuée. Toutefois, les AGNE sont sélectivement libérés par le TAB de rats HFD, en relation avec une réduction drastique de leur ré-estérification. Le NO est un médiateur de ces effets. Dans une troisième partie, nous démontrons que la CIT agit directement sur le TAB de rats CD et HFD pour induire l'expression de la protéine découplante, UCP1, en lien avec le « brunissement » potentiel du TAB par cet acide aminé. Ces effets ne sont pas observés au sein du TAB des rats âgés. L’ensemble de nos résultats établit les bases pour de futures investigations visant à élucider les mécanismes par lesquels la CIT réduit la masse adipeuse et ouvre de nouvelles perspectives thérapeutiques pour lutter contre le surpoids et l’obésité sarcopénique. / Obesity is frequently associated with type 2 diabetes and cardiovascular diseases, related to metabolic and endocrine dysregulation of white adipose tissue (WAT). During aging, the loss of muscle mass may be associated with obesity and defines the concept of sarcopenic obesity. Treatments implemented to counteract these conditions showed a very partial success. It is therefore appropriate to develop original alternative strategies that could lead to targeted therapies. Our team studies the metabolic regulation of WAT, the major source of energy storage in the body. Non-esterified fatty acids (NEFA) and glycerol are released in the blood from stored triglycerides through lipolysis and used as a source of energy for other tissues. In addition to their β-oxidation, NEFA are re-esterified in part, a process that limits their release in the blood. Glyceroneogenesis is the pathway necessary to NEFA re-esterification in the fasting state. Previous studies showed that administration of citrulline (CIT) for three months to aging rats induced a decrease of approximately 40% of the visceral WAT mass. This non-protein amino acid is given as a dietary supplement during aging or sports to increase muscle mass. We studied the effects of CIT on explant cultures of rat WAT. In the first part of this work, we show that CIT exerts a direct lipolytic and anti-glyceroneogenic effect on explants from rats whether young or old. However, the release of NEFA from the explants of young rats is limited by an increase in the oxidative capacity of the tissue. During aging, WAT mass augments in parallel to the increase in a pro-inflammatory state. To understand the influence of these two parameters regardless of age, we studied in the second part of this work, the effects of CIT on WAT explants from young rats fed a control (CD) or high fat (HFD) diet. We show an CIT-induced increase in lipolysis and beta-oxidative capacity of WAT from rats whatever the diet, while glyceroneogenesis is reduced. However, NEFA are selectively released from WAT of HFD rats, in connection with a drastic reduction of their re-esterification. NO is a mediator of these effects. In the third part of this work, we show that CIT acts directly on WAT from CD and HFD rats to induce the expression of uncoupling protein, UCP1, in line with the potential "browning" of WAT by this amino acid. These effects were not observed in explants from old rats. Altogether our results establish the basis for future investigations aimed at elucidating the mechanisms by which CIT reduces body fat and open new therapeutic perspectives to fight overweight and sarcopenic obesity.

La consommation de poisson et de mammifères marins représente une source importante d’acides gras oméga-3 connus pour leurs effets bénéfiques sur le développement des fonctions cérébrales et notamment, sur le développement du système visuel. Afin de tester l’hypothèse selon laquelle l’exposition prénatale aux acides gras oméga-3 a des effets bénéfiques à long terme, nous avons examiné les fonctions visuelles chez des enfants Inuits d’âge scolaire exposés à de grandes quantités d’oméga-3 durant la période de gestation. Des enfants Inuits (n = 136; moyenne d’âge = 11.3 ans) du nord du Québec (Nunavik) ont participé à cette étude. Un protocole de potentiels évoqués visuels (PEVs) utilisant des stimuli en couleur et en mouvement a été employé afin d’appréhender les réponses parvo- et magnocellulaires respectivement. Les concentrations d’acide docosahexaénoïque (ADH) ont été mesurées à la naissance à partir du sang de cordon ombilical et au moment du testing, reflétant ainsi les expositions pré- et post-natales. Les relations entre les niveaux sanguins d’ADH et les PEVs ont été examinées à l’aide d’analyses de régression multiples, en tenant compte des contaminants environnementaux et d’autres variables potentiellement confondantes. Aucune association significative n’a été trouvée en ce qui concerne les stimuli de mouvement. Cependant, après ajustement pour les covariables, les concentrations d’ADH à la naissance étaient associées à une latence plus courte des composantes N1 et P1 des PEVs couleur. Notre étude démontre, pour la première fois, des effets bénéfiques de l’exposition prénatale à l’ADH sur le système parvocellulaire à l’âge scolaire. / Fish and sea mammals consumption is an important source of omega-3 fatty acids, known for their beneficial effects on human brain development. Several lines of evidence indicate that omega-3 fatty acids are beneficial especially for the development of the visual system. However, the long-term effect of prenatal exposure to omega-3 fatty acids on human visual development is unknown. This question was addressed using visual evoked potentials (PEVs) to study a cohort of school-age Inuit children (n = 136; mean age = 11.3 years old) from Arctic Quebec (Nunavik) who received high levels of omega-3 intake during gestation. PEV protocols using color and motion-onset stimuli were used to assess the parvocellular and magnocellular responses, respectively. Concentrations of the omega-3 fatty acid DHA were measured at birth in the umbilical cord and at the time of testing, reflecting pre- and post-natal exposure, respectively. Relations between omega-3 and VEPs were assessed by multivariate regression analyses, taking into account environmental contaminants and other potential confounding variables. No significant associations were found with motion-onset VEPs. However, after adjustment for covariables, cord blood concentrations of DHA were associated with a shorter latency of the N1 and P1 components of the color VEPs. Our study suggests beneficial effects of DHA on the visual parvocellular system at school age. This is the first study supporting the longlasting beneficial effects of prenatal exposure to DHA.