The dorsal vagal complex (DVC), containing the nucleus of the solitary tract (NTS) and the dorsal motor nucleus of the vagus nerve (DMV), plays a pivotal role in autonomic regulation. Afferent fibers from peripheral organs and higher brain centers synapse in the NTS, which integrates these synaptic connections as well as information from systemically circulating hormones and metabolites. The integrated information is relayed to the dorsal motor nucleus of the vagus nerve (DMV), which in turn, projects motor fibers to elicit parasympathetic control of digestive and other viscera. Physiological functions mediated by the DVC are disrupted in diabetic patients and synaptic plasticity within the DVC has been linked to these complications. N-methyl-D-aspartic acid (NMDA) receptors have been extensively studied for their involvement in synaptic plasticity in a variety of central nervous system disorders; and their activation in the DVC modulates hepatic glucose production and feeding behavior. Although chronic disease can alter NMDA function, changes in DVC expression and/or sensitivity of NMDA receptors in diabetic states has not been addressed. Using whole cell electrophysiology, functional properties of the nuclei in the DVC were investigated in normoglycemic and type 1 diabetic mice. Preterminal NMDA (preNMDA) receptors were discovered to tonically modulate excitatory neurotransmission on terminals contacting DMV neurons. While these preNMDA receptors were not found to differentially modulate tonic excitatory neurotranmission, soma-dendritic NMDA receptor responses of NTS neurons were augmented in type 1 diabetic mice. Through the use single-cell PCR, increased NMDA receptor responses could be correlated to neurons that mediate excitatory neurotransmission and would argue that augmented NMDA receptor responses increase vagal output. In general, enhancing vagal output decreases activity of connected peripheral organs. Molecular approaches were employed to corroborate the observed functional NMDA receptors changes to their protein and mRNA expression levels. Overall, results argue that NMDA receptors are involved in synaptic plasticity in DVC of type 1 diabetic mice to enhance excitatory neurotransmission. This modulation may potentially serve as a physiological counter regulatory mechanism to control pathological disturbances of gastrointestinal homeostatic reflex responses.

La metformine, un composé antidiabétique reste de nos jours recommandée comme traitement de première intention pour le diabète de type 2. Ses mécanismes d’action en tant que composé anti-hyperglycémiant sont de plus en plus documentés. En revanche, son action anorexigène et ses cibles centrales demeurent peu étudiées. Par ailleurs, des données croissantes de la littérature semblent indiquer que l’activité physique, souvent associée aux thérapies anti-obésité et antidiabétiques, pourrait accroitre la sensibilité des réseaux neuronaux aux signaux endogènes permettant de réguler la prise alimentaire et le poids corporel. Ceci suggère que l’efficacité des thérapies induisant des modulations d’expression de ces signalisations pourrait être directement augmentée par l’activité physique. Dans le présent travail, nous avons cherché i) à explorer les effets centraux de la metformine chez la souris et ii) à déterminer si l’activité physique pouvait potentialiser les effets de la metformine. L’ensemble de mon travail de thèse, réalisée en partenariat avec la société BIOMEOSTASIS, a permis d’apporter des éléments nouveaux quant aux mécanismes impliqués dans les effets centraux de la metformine et d’identifier la nesfatine-1 comme un acteur potentiel dans les effets anorexigènes de ce composé. / Metformin, an antidiabetic compound, still remains a first-line treatment for type 2 diabetes. The mechanisms by which this compound exerts its antihyperglycemic effect are increasingly documented. However, its anorectic action and central targets remain less studied. Furthermore, increasing data in the literature suggest that physical activity, commonly associated with anti-obesity and anti-diabetic therapies, may increase neural networks’ sensitivity to endogenous signals involved in food intake and body weight control. This suggests that the efficacy of therapies inducing expression modulation of these signals may be directly enhanced by physical activity. In the present study, we sought i) to explore the central effects of metformin in mice and, ii) determine whether physical activity could potentiate the effects of metformin. All my work, in partnership with the company BIOMEOSTASIS brought new elements about mechanisms involved in the central effects of metformin and identified nesfatin-1 as a potential actor for the anorectic effects of this compound.

Le contrôle central de la balance énergétique implique un réseau neuronal fortement régulé et distribué dans l’hypothalamus et le complexe vagal dorsal (CVD). Au sein de ces structures, les neurones exprimant la pro-opiomélanocortine (POMC) jouent un rôle prépondérant pour limiter la taille des repas et augmenter les dépenses énergétiques. Ainsi l’activité de ces neurones est modulée par la leptine, une hormone qui reflète l’état de réserve énergétique. Les microARN (miARN) sont des ARN non codant de 22 à 26 nucléotides qui régulent l’expression des gènes par appariement spécifique avec des ARNm cibles. Actuellement, le rôle des miARN dans la régulation de la balance énergétique au niveau central reste à être clarifié. Dans ce contexte, nous avons développé un modèle de souris transgéniques qui présentent une perte de l’expression de l’enzyme de maturation des miARN DICER dans les cellules exprimant la POMC. Une augmentation de la sensibilité hypothalamique à la leptine a été observée chez les animaux invalidés ce qui suggère un rôle important des miARN dans le contrôle de l’activité des neurones à POMC par la leptine. Alors, nous avons entrepris d’identifier et de caractériser les miARN qui ciblent potentiellement l’ARNm de la POMC. Une fois identifié les miARN candidats par une approche in silico, l’étude des souris obèses déficientes en leptine (ob/ob) ou en son récepteur (db/db) a montré que l’expression hypothalamique de miR-383, miR-384-3p et miR-488 était augmentée. De plus, l’administration périphérique de leptine chez les souris ob/ob a restauré l’expression de ces miARN à des niveaux semblables à ceux observés chez les animaux non obèses. / The central control of energy balance involves a highly regulated neuronal network within the hypothalamus and the dorsal vagal complex (DVC). In these structures, pro-opiomelanocortin (POMC) neurons are known to reduce meal size and to increase energy expenditure. Thus, leptin, a peripheral signal that relays information regarding body fat content, modulates the activity of POMC neurons. MicroRNAs (miRNAs) are short non-coding RNAs of 22-26 nucleotides that post-transcriptionally interfere with target gene expression by binding to their mRNAs. To date, the role of the miRNAs in the control of energy balance remains to be clarified. In this context, we developed a transgenic mouse model with a deletion of the miRNA processing enzyme DICER specifically in POMC cells. Conditional deletion of Dicer in POMC cells leads to an increase in hypothalamic leptin sensitivity. These results suggest an important role of miRNAs in the leptin-dependent POMC neuron activity. Next, we identified and characterized the miRNAs that potentially target POMC mRNA. After the selection of miRNA of interest by in silico approach, we observed that miR-383, miR-384-3p, and miR-488 expressions were up-regulated in the hypothalamus of leptin deficient ob/ob mice. In accordance with these observations, we showed that miR-383, miR-384-3p and miR-488 were also increased in db/db mice that exhibit a non-functional leptin receptor. The intraperitoneal injection of leptin down-regulated the expression of these miRNAs of interest in the hypothalamus of ob/ob mice, thus showing the involvement of leptin in the expression of miR-383, miR-384-3p and miR-488.

Le maintien de notre poids corporel résulte d'un équilibre entre les dépenses et les apports énergétiques. Cet équilibre appelé « homéostasie énergétique » implique un grand nombre de molécules. Parmi elles, la nesfatine-1, découverte en 2006, est un peptide de 82 acides aminés issu du clivage de la protéine NUCB2. L'intérêt généré par la nesfatine-1 réside dans son action anorexigène exercée indépendamment de la signalisation à la leptine. La nesfatine-1 est exprimée dans plusieurs organes tels que le tissu adipeux, l'estomac, le pancréas, ainsi que le cerveau. Dans le cerveau, son expression se limite principalement à quelques groupes neuronaux localisés dans l'hypothalamus et le complexe vagal dorsal. Au cours de ce travail, nous avons analysé la sensibilité des neurones exprimant NUCB2/nesfatine-1 aux signaux périphériques physiologiques et physiopathologiques affectant la prise alimentaire. Nous montrons que ces neurones sont sensibles à une hypoglycémie et qu'ils pourraient contribuer à la contre-régulation mise en place afin de rétablir la glycémie de base. De plus, nous montrons qu'ils sont activés en réponse à deux stimuli inflammatoires : l'administration de lipopolysaccharide et l'intoxication alimentaire avec une mycotoxine appelée déoxynivalénol. Ainsi, les neurones exprimant NUCB2/nesfatine-1 pourraient contribuer au développement de l'anorexie inflammatoire. Cette étude a constitué la première mise en évidence d'une implication de ce peptide en situation pathologique. L'ensemble de ces résultats suggère qu'en plus de son effet satiétogène, la nesfatine-1 participe à la signalisation centrale impliquée dans la glucodétection et les réponses inflammatoires. / The long term maintenance of body weight results from a balance between energy expenditure and intake. This balance, called “energy homeostasis”, involves a large number of molecules. Among these, nesfatin-1, discovered in 2006, is an 82 amino-acid peptide derived from the cleavage of the protein NUCB2. The interest generated by nesfatin-1 lies in its anorexigenic effect performed independently of leptin signalization. Nesfatin-1 is expressed in several organs such as adipose tissue, stomach, pancreas, and brain. In the brain, its expression is limited to a few neuronal groups located in the hypothalamus and dorsal vagal complex. In this work, we analyzed the sensitivity of NUCB2/nesfatin-1-expressing neurons to physiological and physiopathological peripheral signals affecting food intake. We show that these neurons are sensitive to hypoglycemia and that they could contribute to the counter-regulatory response established in order to restore the basal blood glucose level. Moreover, we show that they are activated in response to two inflammatory stimuli: lipopolysaccharide administration and food intoxication with a mycotoxin named deoxynivalenol. So, NUCB2/nesfatin-1-expressing neurons could contribute to the development of inflammatory anorexia. This study was the first evidence of an involvement of this peptide in a pathological situation. Taken together, these results suggest that in addition to its satiating effect, nesfatin-1 participates in the central signalization involved in glucodetection and inflammatory responses.