L’obésité et le diabète de type 2 (DT2) sont des pathologies métaboliques associées à des perturbations de l’homéostasie glucidique et énergétique. Les enterohormones sont des acteurs importants de la regulation des mécanismes perturbés lors de ces pathologies. Parmi ces enterohormones, le GLP-1, sécrété par les cellules entéroendocrines de type L suite à un repas, permet d’amplifier la sécrétion d’insuline par les cellules β-pancréatiques et de diminuer la prise alimentaire. L’objectif de ma thèse a été de caractériser le rôle du récepteur nucléaire HNF-4γ dans l’homéostasie énergétique et la fonction endocrine de l’intestin.A l’aide d’un modèle murin d’invalidation totale et constitutive du facteur de transcription HNF-4γ, notre équipe a mis en évidence que l’absence de HNF-4γ induit une amélioration de la tolérance au glucose grâce à une augmentation du nombre de cellules L et de la quantité plasmatique de GLP-1 en réponse au glucose. L’ensemble de ces données démontre pour la première fois un rôle de HNF-4γ dans l’homéostasie glucidique via une modulation du lignage enteroendocrine spécifique du GLP-1 et suggère que son absence pourrait protéger les souris de l’établissement d’un DT2.Par ailleurs, la perte d’expression de HNF-4γ confère une protection vis-à-vis de la prise de poids et de l’intolérance au glucose normalement induites par six semaines d’un régime riche en lipides et en fructose grâce une perte énergétique accrue dans les fécès essentiellement due à une malabsorption des acides gras.En conclusion, cette étude met en exergue le rôle du récepteur nucléaire intestinal HNF-4γ dans la fonction enteroendocrine et la susceptibilité à l’obésité et au DT2. / Obesity and type 2 diabetes (T2D) are metabolic pathologies associated with glucose and energy homeostasis perturbations. Enterohormones are important players in the regulation of the mechanisms disturbed during these pathologies. Among these enterohormones, GLP-1, secreted by enteroendocrine L cells in response to a meal, potentiates insulin secretion by pancreatic β cells and inhibits food intake. The aim of my thesis was to characterize the role of the nuclear receptor HNF-4γ in the energy homeostasis and the endocrine function of the intestine.By using a total and constitutive HNF-4γ knock-out mouse model, our team has highlighted that the loss of hnf-4γ induces an improved glucose tolerance. This effect is due to an increased GLP-1 cell number and GLP-1 plasma levels in response to glucose. All together these data demonstrate for the first time a role of HNF-4γ in glucose homeostasis through a modulation of the enteroendocrine lineage specific for GLP-1 and suggest that its absence could protect mice from the T2D establishment.The loss of HNF-4γ protects mice from body weight gain and glucose intolerance normally induced by six weeks of a high-fat/high-fructose diet demonstrating its involvement in obesity and T2D. HNF-4γ -/- mice are protected from obesity by a greater energy loss in faeces mainly due to lipid malabsorption. These results demonstrate that HNF-4γ is necessary for the intestinal fatty acids uptake.In conclusion, this study highlights the role of the intestinal nuclear receptor HNF-4γ in enteroendocrine function and susceptibility to obesity and T2D.

L’hypothalamus participe au contrôle de l’homéostasie énergétique en détectant les signaux circulants tels que le glucose. L’hypothalamus médiobasal (MBH) en particulier, est capable de détecter l’hyperglycémie afin d’initier des réponses physiologiques adaptées, comme par exemple la sécrétion d’insuline via le système nerveux autonome (par un contrôle vagal). Notre équipe a récemment montré que la détection du glucose nécessite la production d’espèces actives de l’oxygène d’origine mitochondriale (mROS), fortement dépendante de la dynamique mitochondriale (fusion et fission). Récemment, l’étude de modèles génétiques ont permis de faire un lien entre ces évènements dynamiques dans le MBH et le développement de pathologies métaboliques. L’objectif de ma thèse a été tout d’abord été de mettre en place un modèle expérimental présentant uniquement une altération de la détection hypothalamique du glucose induite par l’exposition à un régime gras enrichi en saccharose (HFHS) chez le rat. Après avoir caractérisé ce modèle, nos objectifs ont été de déterminer si l’exposition à ce régime hypercalorique avait un impact sur la dynamique mitochondriale ainsi que la signalisation mROS, via la fonction respiratoire de la mitochondrie dans l’hypothalamus. Nous avons finallement réversé quelques acteurs métaboliques dérégulés, potentiellement impliqués dans la dynamique mitochondriale, dans le but de réverser le phénotype observé chez les rats HFHS. Nos résultats montrent qu’après 3 semaines d’exposition au régime HFHS, les rats ont un poids corporel normal malgré l’augmentation de leur masse grasse, comparés aux rats contrôles. Les rats HFHS présentent aussi une intolérance au glucose et une augmentation de la glycémie basale sans modification de leur insulinémie. La sécrétion d’insuline en réponse à la détection hypothalamique du glucose, mesurée après une injection intra-carotidienne de glucose en direction du cerveau qui induit une hyperglycémie uniquement cérébrale, a été fortement diminuée. Cependant, la capacité sécrétoire des îlots pancréatiques est normale chez les rats HFHS. Ces défauts sont associés à une diminution de la production de ROS dans le MBH en réponse au glucose, sans modification du status redox. L’efficacité de la respiration mitochondriale hypothalamique a été mesurée par oxygraphie, et les résultats montrent une déficience de la respiration mitochondriale chez les rats HFHS. La translocation de la protéine de fission DRP1 à la mitochondrie est diminuée en réponse au glucose, suggérant une diminution de la fission mitochondriale. L’augmentation de l’activation de l’AMPK dans l’hypothalamus n’est pas responsable de l’altération de la détection hypothalamique du glucose car sa réversion avec une injection intracérébroventriculaire (ICV) de composé C, n’a pas permis de restaurer la sécrétion d’insuline en réponse à l’hyperglycémie cérébrale. De même, une injection ICV de leptine induisant l’activation de STAT3 n’a pas permis de restaurer la sécrétion d’insuline en réponse à l’hyperglycémie cérébrale. Enfin, la diminution de l’activation d’AKT suggère une résistance centrale à l’insuline. Ces résultats démontrent pour la première fois que l’altération hypothalamique de la signalisation ROS, de la fission et de la respiration mitochondriale, sont présent chez les rats exposés pendant 3 semaines à un régime HFHS. Ces défauts précoces hypothalamiques pourraient ainsi participer à un défaut primaire du contrôle de la sécrétion d’insuline, et finallement, à l’installation d’un phénotype diabétique. / The hypothalamus participates in the control of energy homeostasis by detecting circulating nutrients, such as glucose. The mediobasal hypothalamus (MBH), in particular, senses hyperglycemia and initiates physiological responses, e.g., insulin secretion via the autonomous (vagal) nervous system. We have recently demonstrated that glucose sensing requires mitochondrial reactive oxygen species (mROS) signaling heavily dependant on mitochondrial fusion and fission (dynamics). Recently, genetic models have associated some of these dynamics within the MBH to their obesogenic susceptibility. The aims of my thesis were first to establish a model that only presents a hypothalamic glucose sensing defect induced by a high fat high sucrose (HFHS) feeding in rats. After caracterizing this model, our objectives were to determine whether modulating the diet affects mitochondrial dynamics, and thus, mROS signaling, through the mitochondrial respiratory function in the hypothalamus. We finally reversed some dysregulated metabolic signalings potentially involved in mitochondrial dynamics in order to reverse the phenotype observed in HFHS fed rats. Our results demonstrate that after 3 weeks of HFHS feeding, rats had a normal body weight despite an increase in the fat mass compared to control rats. HFHS fed rats displayed also a glucose intolerance, increased fasting glycemia but no modification of fasting insulinemia. Hypothalamic glucose sensing induced insulin secretion, measured after an intra-carotid glucose injection towards the brain that only increases brain glycemia without alteration in peripheral glycemia, was drastically decreased. However, glucose stimulated insulin secretion in isolated islets was not different compared to controls. These defects correlate with a decrease of MBH ROS production in response to glucose, with no modification in the redox status. Efficiency of hypothalamic mitochondrial respiration was evaluated using oxygraphy, and results showed mitochondrial respiratory deficiencies in HFHS fed rats. The fission protein DRP1 exhibited decreased mitochondrial translocation in the MBH in response to glucose, suggesting decreased mitochondrial fission. The increase of AMPK activation in the hypothalamus was not responsible for the alteration of hypothalamic glucose sensing since its reversal with an intracerebroventricular (ICV) injection of compound C failed to restore brain hyperglycemia induced insulin secretion. Likewise, an ICV injection of leptin that induced STAT3 activation also failed to restore brain hyperglycemia induced insulin secretion. Finally, the decrease in AKT activation suggested a central insulin resistance. These results demonstrate for the first time that hypothalamic alteration of mitochondrial ROS signaling, fission and respiration were present in rats exposed to a 3 weeks HFHS diet. Such hypothalamic glucose sensing defects are early events preceding those in islets. These early but drastic hypothalamic modifications could participate in a primary nervous defect of the control of insulin secretion, and finally, the etablishment of a diabetic phenotype.

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The prevalence of obesity is dramatically increasing and thus constitutes a major risk factor for developing chronic diseases such as type 2 diabetes, dyslipidemia, cardiovascular diseases, and certain forms of cancer. High-caloric nutrition and a lack of physical activity are the main contributing factors for this global epidemic. Estrogen receptors (ERs) are recognized to be involved in many processes related to the control of energy homeostasis. In my studies, I investigated the impact of estrogens (17beta-estradiol (E2)) on energy homeostasis. Special emphasis was given to the effects of two synthetic ER subtype-selective agonists, 16alpha-LE2 (Alpha) and 8beta-VE2 (Beta), to determine to what extend the two distinct ER subtypes are involved in the underlying molecular mechanisms. Because of its estrogenic activity and also its widespread use as a nutritional supplement the influence of the isoflavone genistein (Gen) was examined. For this purpose two different female rat models were used: Wistar rats with nutrition-induced obesity and leptin resistant Zucker diabetic fatty (ZDF) rats. In both experiments, the animals were ovariectomized (OVX) and treated with vehicle (untreated controls) or the estrogenic compounds. The most important finding was that treatment of OVX animals with Beta enlarges soleus muscle fiber sizes in both animal models compared to untreated OVX animals. This anabolic effect may in turn improve the muscle/fat ratio of the body that enhances muscular uptake and utilization of fuels. By contrast, in the gastrocnemius muscle of OVX ZDF rats substitution with Alpha increased expression and distribution of the insulin-dependent glucose transporter 4 (GLUT4). Consequently, systemic insulin sensitivity in both animal models was improved by treatment with estrogenic compounds compared to untreated OVX animals. The strongest effect was observed in E2-treated rats that indicate an additive effect through activation of both pathways. In all OVX rats, treatment with either ER subtype-selective agonist showed an anti-lipogenic effect in adipose tissue, liver, and skeletal muscle of nutrition-induced obese Wistar rats in comparison to OVX animals without treatment. Decreased visceral fat mass, adipocyte sizes, serum leptin levels, triglyceride accumulation in liver and muscle as well as mRNA expression of genes that are involved in lipo-/adipogenesis reflected this. Therefore, the lower visceral fat mass as well as decreased accumulation of triglycerides in non-adipose tissues such as liver and skeletal muscle most likely contributes to the improved insulin sensitivity in such treated animals. Gen exerted effects similar to those of the ER beta-selective agonist (except on adipose tissue in Wistar rats). Especially, the similar ability to induce anabolic activity in the soleus muscle might be highly relevant. Gen-treated animals might have a more effective utilization of fuels compared to untreated OVX animals because they showed a lower TG content in muscle and liver as well as improved glucose metabolism. In conclusion, because of my studies and the fact that ER beta signaling is not involved in proliferation of uterus and mammary gland, an effective way to treat obesity and co-morbidities in postmenopausal women might be substances that only activate ER beta. A combination with physical activity may support the therapy of obesity and co-morbidities. The isoflavone Gen is able to activate both ER-subtypes. This compound is already placed on the market for treatment of postmenopausal complaints, although adverse effects of Gen cannot be excluded so far (e.g., increased risk of breast cancer). However, Gen might be a natural alternative – not only to the conventional hormone replacement therapy, but also as a strategy for treatment of obesity and co-morbidities – that deserves further research with respect to these new data. / Die dramatisch zunehmende Prävalenz der Adipositas und das damit verbundene Risiko für Folgeerkrankungen wie Diabetes mellitus, Hypertonie, Dyslipidämie und koronare Herzkrankheiten stellt eine große Herausforderung für das Gesundheitswesen dar. Als Hauptursache wird ein chronisches Missverhältnis der Energiehomöostase aufgrund permanenter Überernährung und Bewegungsmangel postuliert. Estrogene beeinflussen den Glukose- und Lipidstoffwechsel und sind somit in die Regulation des Energiehaushaltes involviert. Estrogene vermitteln ihre Effekte über zwei Estrogenrezeptor (ER)-Subtypen, den ER alpha und den ER beta. Ziel der vorliegenden Arbeit war es mittels tierexperimentellen Studien den Einfluss von Estrogenen, speziell 17beta-Estradiol, auf den Energiehaushalt zu untersuchen. Um einen tieferen Einblick in die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen zu erhalten, wurden zwei Subtyp-selektive ER-Agonisten, 16alpha-LE2 (Alpha) and 8beta-VE2 (Beta), synthetischer Herkunft eingesetzt. Aufgrund der estrogenen Aktivität und der Verfügbarkeit als Nahrungsergänzungsmittel wurde des Weiteren der Einfluss des Isoflavons Genistein untersucht. Für die Studien wurden zwei Tiermodelle genutzt: zum einen weibliche Wistar-Ratten mit ernährungsinduzierter Adipositas und zum anderen weibliche leptinresistente „Zucker diabetic fatty“ (ZDF)-Ratten. Die Tiere wurden ovarektomiert (OVX) und entweder mit einem Vehikel (unbehandelte Kontrolltiere) oder mit der entsprechenden estrogenen Substanz behandelt. Die interessanteste Erkenntnis war, dass im Vergleich zu unbehandelten OVX-Tieren beider Tiermodelle die Behandlung mit Beta zur Vergrößerung der Faserquerschnitte im Soleusmuskel führte. Dieser anabole Effekt könnte die muskuläre Aufnahme und Verwertung von Brennstoffmolekülen verbessern und sich insgesamt positiv auf die Körperzusammensetzung auswirken. Den stärksten Effekt hinsichtlich einer erhöhten Expression und Translokation des insulinabhängigen Glukosetransporters 4 (GLUT4) in die Zellmembran des Gastrocnemiusmuskels zeigte sich dagegen durch die Behandlung von OVX ZDF-Ratten mit Alpha. Im Endergebnis zeigten die Tiere beider Modelle durch die Behandlung mit estrogenen Substanzen eine verbesserte systemische Insulinsensitivität im Vergleich zu unbehandelten Kontrolltieren. E2-behandelte Tiere tolerierten die Glukose am besten und lassen einen additiven Effekt aufgrund der Aktivierung beider Signalwege vermuten. Im Vergleich zu unbehandelten OVX Wistar-Ratten führte die Behandlung mit E2 oder mit jeweils einem der beiden ER-Subtyp-selektiven Agonisten zu einer geringeren viszeralen Fettmasse, kleineren Fettzellen, niedrigeren Leptinspiegeln im Serum und geringeren Triglyzeridwerten in Leber und Muskel. Auf der Ebene der Genexpression waren zudem geringere mRNA-Spiegel von lipo- und adipogenen Genen messbar. Somit scheinen beide ER-Subtypen in die antilipogene Wirkung von E2 involviert zu sein. Sowohl die reduzierte viszerale Fettmasse als auch die geringere Anreicherung von Triglyzeriden in Leber und Muskel tragen sehr wahrscheinlich ebenfalls zur verbesserten Insulinsensitivität bei. Die Behandlung von OVX Tieren mit Gen führte zu ähnlichen Ergebnissen wie die Behandlung mit Beta. Eine alleinige Ausnahme stellte das Fettgewebe dar, da hier eine Gen-Behandlung keine antilipogenen/-adipogenen Effekte zeigte. Speziell die Fähigkeit von Gen ebenfalls anabol zu wirken, könnte die molekulare Grundlage sein, weshalb Gen-behandelte Tiere im Vergleich zu unbehandelten Tiere eine verbesserte Toleranz gegenüber Glukose und eine geringere Anreicherung von Triglyzeriden in Muskel und Leber zeigten. Der ER beta ist nicht in die estrogenvermittelte Proliferation von Uterus und Brustdrüse involviert. Vor diesem Hintergrund lassen meine Ergebnisse vermuten, dass eine Behandlung mit ER beta-selektiven Substanzen eine effektive Möglichkeit darstellt, um Adipositas und deren Folgeerkrankungen in postmenopausalen Frauen zu behandeln, ohne deren Risiko für estrogenabhängige Krebsformen zu erhöhen. Eine Kombination mit regelmäßiger körperlicher Aktivität könnte die Erfolge bei der Behandlung von Adipositas und deren Folgeerkrankungen noch maximieren bzw. eine geringere Dosierung der verwendeten Substanz bei gleichbleibendem Behandlungserfolg ermöglichen. Das Isoflavon Gen mit seiner Fähigkeit beide ERs zu aktivieren ist eine bereits auf dem Markt befindliche Substanz und wird zur Behandlung von postmenopausalen Beschwerden eingesetzt, obwohl mögliche negative Effekte (z.B. ein erhöhtes Brustkrebsrisiko) noch nicht abschließend geklärt sind. Falls diese Risiken von Gen ausgeräumt werden können, könnte diese Substanz eventuell eine kostengünstige Alternative darstellen, um sowohl postmenopausale Beschwerden als auch Adipositas und deren Folgekrankheiten zu behandeln.

<p dir="ltr">Primary cilia are hair-like structures found on nearly all mammalian cell types, including cells in the developing and adult brain. Cilia establish a unique signaling compartment for cells. For example, a diverse set of receptors and signaling proteins localize within cilia to regulate many physiological and developmental pathways including the Hh pathway. Defects in cilia structure, protein localization, or cilia function lead to genetic disorders called ciliopathies, which present with various clinical features including several neurodevelopmental phenotypes and hyperphagia associated obesity. Despite their dysfunction being implicated in several disease states, understanding their roles in CNS development and signaling has proven challenging. I hypothesize that dynamic changes to ciliary protein composition contributes to this challenge and may reflect unrecognized diversity of CNS cilia. The proteins ARL13B and ADCY3 are established ciliary proteins in the brain and assessing their localization is often used in the field to visualize cilia. ARL13B is a regulatory GTPase important for regulating cilia structure, protein trafficking, and Hh signaling, while ADCY3 is a ciliary adenylyl cyclase thought to be involved in ciliary GPCR singaling. Here, I examine the ciliary localization of ARL13B and ADCY3 in the perinatal and adult mouse brain by defining changes in the proportion of cilia enriched for ARL13B and ADCY3 depending on brain region and age. Furthermore, I identify distinct lengths of cilia within specific brain regions of male and female mice. As mice age, ARL13B cilia become relatively rare in many brain regions, including the hypothalamic feeding centers, while ADCY3 becomes a prominent cilia marker. It is important to understand the endogenous localization patterns of these proteins throughout development and under different physiological conditions as these common cilia markers may be more dynamic than initially expected. Understanding regional and development associated cilia signatures and physiological condition cilia dynamic changes in the CNS may reveal molecular mechanisms associated with ciliopathy clinical features such as obesity.</p>

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'hypothalamus est fortement impliqué dans la régulation nerveuse de l'homéostasie énergétique. Il existe dans cette structure des neurones spécialisés (gluco-sensibles) qui détectent notamment l’hyperglycémie puis déclenchent des réponses adaptées comme le maintien de la glycémie, en stimulant la sécrétion d’insuline ou encore le rassasiement. Les astrocytes sont suspectés de participer à la détection neuronale du glucose. Dans l’ensemble du cerveau, il existe un couplage métabolique entre astrocytes et neurones. Le lactate, issu de la métabolisation du glucose par les astrocytes, est transporté par les neurones par des transporteurs aux monocarboxylates (MCTs). De plus, il a récemment été montré que les jonctions gap (GJ), à l’origine de la formation de réseaux au sein des astrocytes sont indispensables au passage du glucose de la circulation sanguine vers les neurones en activité. Ces GJ astrocytaires sont formées majoritairement de connexines 43 et 30 (Cxs).Mon travail de thèse s’est orienté suivant deux axes, qui ont visé à étudier le rôle des astrocytes dans la détection hypothalamique du glucose et du lactate. Dans un premier temps, nous avons montré que le lactate, comme le glucose, est détecté au niveau central et induit une sécrétion d’insuline. Dans un modèle de rat hyperglycémique pendant 48h (qui présente aussi une hyperlactatémie), nous avons montré que la détection du glucose et du lactate est altérée. Ces modifications ne sont pas dues à une variation de l’expression protéique des MCTs astrocytaires ou neuronale de l’hypothalamus.Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au rôle des Cxs astrocytaires. La Cx43 est très exprimée autour des micro-vaisseaux sanguins de l’hypothalamus médio-basal (MBH), un site présentant de nombreux neurones gluco-sensibles. L’expression de la Cx30 est plus diffuse dans cette structure. Nous montrons également que l’expression protéique des Cxs astrocytaires varie très rapidement suite à des modifications du statut métabolique (jeûne, réalimentation, hyperglycémie). Afin d’évaluer l’implication de la Cx43 astrocytaire (majoritaire) dans la détection hypothalamique du glucose, nous avons inhibé son expression dans le MBH, in vivo, en injectant des siRNA permettant d’inhiber la synthèse de cette protéine. L’inhibition de la Cx43 (30% à 72h) induit une diminution de la prise alimentaire sans modification du poids, de la glycémie et de l’insulinémie comparée aux témoins. Suite à l’injection carotidienne de glucose (censée mimer une hyperglycémie), la sécrétion d’insuline est fortement inhibée chez les animaux siCx43. De même, l’effet satiétogène du glucose semble inhibé chez ces animaux lors de la réalimentation après un jeûne.Ces résultats montrent pour la première fois, de façon intégrée, l’importance des connexines, et probablement des réseaux astrocytaires, lors de la détection hypothalamique du glucose. Ces nouvelles données renforcent l’importance du rôle métabolique des astrocytes lors de fonctions neuronales précises / The hypothalamus plays a pivotal role in the nervous control of glucose homeostasis. This area contains gluco-sensitive neurons. Some of them detect increases in glucose levels and regulate glucose homeostasis by stimulating insulin secretion or inhibiting food intake. It is widely accepted that astrocytes are metabolically coupled to neurons. Lactate, resulting from the metabolism of glucose by astrocytes, is transported via the monocarboxylate transporters (MCTs). In addition, gap junctions (GJ), that form networks within astrocytes, are essential to transfer glucose from the bloodstream to the active neurons. These astroglial GJ mainly consist of connexins 43 and 30 (Cxs).The aims of my thesis are twofold: first, to show that an intracarotid lactate injection toward the brain, as for glucose, triggers insulin secretion and, second, to investigate the role of astroglial Cxs.Our results demonstrate that lactate and glucose sensing are altered in 48h hyperglycemic rats (accompanied by high blood lactate level). These alterations are not due to changes in protein expression of astroglial or neuronal MCTs in the hypothalamus. We then show that Cx43 is highly expressed in astrocytic end-feet enwraping blood vessels, in medio-basal hypothalamus (MBH) where many gluco-sensitive neurons are present. The Cx30 expression is more diffuse in this structure. We also show that the protein expression of astroglial Cxs varies very rapidly due to changes in metabolic status (fasting, refeeding and hyperglycemia). To evaluate the involvement of astroglial Cx43 (the major isoform) in the hypothalamic glucose sensing, we silenced its expression in the MBH in vivo by injecting specific siRNA. A 30% diminution in protein levels (after 72h) induced a decrease in food intake without changes in weight, blood glucose and insulin levels compared to vehicle treated animals. The central response to glucose is drastically inhibited in terms of insulin secretion in siCx43 animals. Similarly, an intracarotid injection of glucose towards the brain does not reduce refeeding in siRNA treated animals.These results demonstrate for the first time in vivo, the importance of connexins and astroglial networks in hypothalamic glucose sensing mechanism. These new data reinforce the importance of the metabolic role of astrocytes in specific neuronal functions

L’hyperglycémie est détectée et intégrée au niveau de l’hypothalamus médio-basal (MBH) qui inhibe la prise alimentaire et déclenche la sécrétion d’insuline. Le MBH renferme des neurones spécialisés gluco-sensibles (GS) qui détectent directement ou indirectement des variations de la concentration extracellulaire en glucose. Dans une première étude, nous suggérons que la détection indirecte du glucose par les neurones GS hypothalamiques repose sur la libération d’endozépines par les astrocytes, un gliotransmetteur connu pour inhiber la prise alimentaire en réponse à l’hyperglycémie. Nous travaux montrent que les endozépines activent spécifiquement les neurones à pro-opiomélanocortine (POMC) du MBH pour générer leur effet anorexigène. Dans une seconde étude, nous montrons que la détection directe de l’hyperglycémie implique les neurones hypothalamiques dits « high gluco-excited » (HGE). Grâce à des approches pharmacologiques et génétiques, nous mettons en évidence que les canaux redox sensibles Transient Receptor Potential Canonical 3 et 4 (TRPC3/4) sont fondamentaux pour la détection du glucose par les neurones HGE in vitro, la stimulation de la sécrétion d’insuline et la diminution de la prise alimentaire en réponse à l’hyperglycémie cérébrale in vivo. De plus, nos travaux démontrent que les canaux TRPC3 du MBH jouent un rôle clef dans le contrôle de l’homéostasie énergétique. Les travaux de cette thèse permettent de mettre en évidence deux nouveaux mécanismes de détection hypothalamique de l’hyperglycémie : l’un reposant sur l’implication des canaux TRPC3/4 dans les neurones HGE et l’autre proposant les endozépines astrocytaires comme relai du signal « glucose » aux neurones POMC. / Hyperglycemia is detected and integrated by the mediobasal hypothalamus (MBH) which, in turn, inhibits food intake and triggers insulin secretion. The MBH houses specialized glucose-sensitive (GS) neurons, which directly or indirectly modulate their electrical activity in response to changes in glucose level. In a first study, we hypothesized that indirect detection of glucose by MBH GS neurons involves the secretion of endozepine by astrocytes, a gliotransmitter known to inhibit food intake in response to hyperglycemia. The present work shows that endozepines selectively activate anorexigenic MBH pro-opiomelanotortine (POMC) neurons. In the second study, we show that the direct detection of increased glucose level involves hypothalamic glucose-excited (HGE) neurons. Using pharmacological and genetic approaches, we demonstrate that the redox-sensitive Transient Receptor Potential Canonical 3 et 4 (TRPC3/4) channels are involved in MBH HGE response to glucose in vitro and increased insulin secretion and decreased food intake in response to cerebral hyperglycemia in vivo. We also obtained evidences that MBH TRPC3 channel is a critical new player for energy homeostasis. This thesis work identifies two new mechanisms involved in hypothalamic detection of hyperglycemia: the first based on the involvement of TRPC3/4 channels in HGE neurons and the second highlighting the astroglial endozepines as a relay of the “glucose” signal to POMC neurons.

L'obésité, caractérisée par une prise de poids excessive et un état inflammatoire, est une maladie métabolique qui devrait être prévenue car elle constitue un facteur de risque pour les maladies cardio-métaboliques. Les régimes riches en énergie et en graisses (high fat diet - HFD) sont une des causes de l'obésité. Plusieurs études suggèrent que les lipides alimentaires peuvent modifier la signalisation neuronale, l’excitabilité et la connectivité dans les aires cérébrales impliquées dans l’homéostasie énergétique. Dans le cerveau, les acides gras (AG) modulent la prise alimentaire, la prise de poids, et, plus récemment décrit, la motivation à obtenir de la nourriture. Ces effets semblent être médiés par l'incorporation des AG et/ou par leur métabolisme intra-neuronal, des mécanismes qui sont facilités par les protéines de transport, en particulier FATP1 (fatty acid transport protein-1). Il a aussi été montré que l’obésité altère l’intensité de l’effet de la dopamine (DA) et la neurotransmission dopaminergique dans le système mésolimbique, bien reconnu pour son implication dans les systèmes de récompense. Certaines études suggèrent que les neurones DA sont capables d’intégrer les AG, et que l'oléate, un acide gras à longue chaîne (AGLC), agit sur les neurones dans l’aire tegmentale ventrale (ventral tegmental area - VTA) d'où sont issus les neurones DA. L’oléate inhiberait l’activité neuronale dopaminergique, et donc les comportements de récompense. Cependant, notre compréhension du métabolisme des AG et de leur incorporation dans le VTA est encore trop partielle. Nous avons voulu : 1) mesurer la captation d’un analogue radiomarqué d’AGLC, le *FTHA, dans diverses régions du cerveau impliquées dans la régulation de la prise alimentaire; 2) vérifier si le blocage pharmacologique de l’entrée des AG dans les cellules, via un inhibiteur de FATP1, module les effets suppresseurs de l'oléate sur la récompense alimentaire lorsqu’injecté dans le VTA; et 3) évaluer les effets d’une longue HFD sur l’accumulation de graisse dans le cerveau, la neuroinflammation, et sur la barrière hémato- encéphalique (brain blood barrier - BBB) dans les régions impliquées dans la récompense. Pour l’objectif 1, nous avons élaboré un protocole permettant de quantifier l’incorporation et l’accumulation d’AG dans le cerveau. Après une injection de *FTHA dans la veine de la queue des souris, leurs cerveaux ont été disséqués, et la radioactivité était mesurée avec un compteur gamma. Nous avons montré que le cortex préfrontal et certaines zones associées au système de récompense (striatum dorsal-DS, VTA et noyau accumbens-NAC), mais pas l'hypothalamus médiobasal (mediobasal hypothalamus – MBH), incorporent le *FTHA. De plus, le VTA et le DS affichaient des taux de radioactivité plus importants et, plus rapidement, que les autres zones d’intérêt. Nous avons aussi déterminé que 15 minutes est le temps d'incubation optimal pour mesurer le *FTHA. Pour l’objectif 2, nous avons confirmé in vitro l’action de l’inhibiteur de la FATP1. Cependant, contrairement à des travaux antérieurs de notre équipe, nous n'avons pas trouvé de différence dans les comportements de récompense suite à des injections intra-VTA d'oléate et/ou de l’inhibiteur de la FATP1. Pour l’objectif 3, des souris ont été nourries soit avec une HFD riche en AG saturées, soit avec une diète contrôle durant 20 semaines. Elles sont devenues obèses et, via des techniques immunohistochimiques, nous avons montré que la HFD avait induit une plus grande activation microgliale dans le VTA et le NAC, ainsi qu’une plus grande perméabilité de la BBB au niveau du VTA. En revanche, nous n’avons pas trouvé de différences pour la teneur en lipides, le nombre de microglies, ou les protéines de jonction de la BBB. L'interprétation de nos résultats tient compte de certaines limites dues à nos approches méthodologiques et à la petite taille de nos échantillons. Néanmoins, s’ils sont confirmés, nos travaux pourraient contribuer à mieux comprendre comment les AG circulants sont incorporés dans le cerveau. Nous avons démontré que les AGLC traversent la BBB et s’accumulent dans plusieurs zones de récompense (DS, VTA) de façon plus importante que dans le MBH, une région réputée pour être associée à l’homéostasie énergétique et à la détection des nutriments. Nous avons aussi montré que l’obésité induite par l’HFD est associée à une augmentation de la perméabilité de la BBB dans le VTA, et que l’on peut étendre au VTA la relation entre l’obésité et la neuroinflammation. Notre travail apporte de nouvelles données dans le domaine du métabolisme et de l’incorporation des AG circulants dans le cerveau ainsi que sur les conséquences potentielles d’une exposition prolongée à une HFD. Comme les AG semblent s’accumuler dans le système de récompense et qu’ils pourraient modifier le comportement alimentaire des humains, nos résultats pourraient avoir des implications en obésité. / Obesity is a preventable metabolic disorder characterized by excessive weight gain and inflammation, which predisposes to numerous cardiometabolic diseases. One of the causes of obesity is the continued consumption of an energy dense, high-fat diet (HFD). Increasing evidence suggests that lipid nutrients can modify neural signaling, excitability and connectivity in brain areas involved in energy homeostasis. Moreover, fatty acids (FA) in the brain have been shown to modulate food intake, weight gain, and, more recently, food-motivated behavior. These effects seem to be mediated by FA uptake and intra-cellular metabolism, which is facilitated by FA transport proteins such as FATP1. Obesity has been shown to induce alterations in dopamine (DA) tone and signaling in the mesolimbic system, well known for its implication in reward. Evidence suggests that DA neurons detect FAs and that oleate, a long chain fatty acid (LCFA), acts on neurons in the ventral tegmental area (VTA), where DA neurons originate, to suppress DA neural activity and food-seeking. However, our understanding of FA metabolism and its uptake into VTA is still to be refined. We sought to evaluate whether: 1) the incorporation of a radiolabeled LCFA analog, *FTHA, in brain regions implicated in the regulation of food intake; 2) blocking FA entry into cells of the VTA, using a pharmacological inhibitor of FATP1, modulates the suppressive effects of oleate on food-motivated behavior; and 3) prolonged HFD has effects on fat accumulation, neuroinflammation, and blood brain barrier (BBB) integrity and leakage in reward-related areas. Under objective 1, we developed a protocol to allow the quantification of FA uptake in the brain using tail-vein injections of *FTHA, brain dissections, and gamma counter. We found that the prefrontal cortex and reward-related areas (dorsal striatum [DS], VTA and nucleus accumbens [NAC]), but not the mediobasal hypothalamus (MBH), incorporate *FTHA, that the VTA and DS emitted proportionally more radioactivity, and may do so more rapidly, than the other brain regions assessed. We also determined that a 15-minute incubation was optimal for *FTHA detection. Under objective 2, we showed in vitro a reduction in lipid accumulation in neurons after FATP1 inhibition. However, contrary to previous experiments conducted in our lab, we found no significant difference in food-motivated behavior following an intra-VTA oleate and/or FATP1 inhibitor injection. Under objective 3, mice were fed either a HFD (high saturated FAs) or a control diet for 20 weeks. They became obese, and via immunohistochemical techniques, we found that HFD induced greater microglial activation in the VTA and NAC, and greater BBB permeability in the VTA. However, we did not find differences in cerebral lipid content, number of microglial cells, or changes in BBB tight junction proteins. Interpretation of these experiments are discussed within certain methodological limitations and the small size of our samples. Nonetheless, if confirmed, our data may provide additional insight in the transport of peripheral FAs into the brain. We showed that LCFA pass through BBB and accumulate in reward-related areas. The VTA, and DS had significantly greater accumulation of *FTHA compared to the MBH, a region traditionally associated with energy homeostasis and nutrient sensing. We also showed that diet-induced obesity is associated with increased BBB permeability in the VTA, and we extended the established relationship between obesity and neuroinflammation to the VTA. This work brings forth new insights in the realm of FA uptake and metabolism in the brain, as well as their potential impacts after prolonged exposure. Our data may have potential implications for obesity, as this facilitates this macronutrient uptake in the reward system, and may alter postprandial food-seeking behaviors in humans.

La ghréline acylée, une hormone produite par l’estomac, favorise la prise de poids corporel, majoritairement sous forme de masse grasse, par le biais de divers mécanismes centraux et périphériques via le récepteur sécrétagogue de l’hormone de croissance (GHSR). Le GHSR est un récepteur couplé aux protéines G qui, en plus de répondre à la ghréline acylée, possède une signalisation indépendante de la ghréline par le biais de son activité constitutive ou par une modulation de réponses dopaminergiques via oligomérisation du GHSR avec des récepteurs dopaminergiques. Malgré les puissantes réponses pharmacologiques à la ghréline acylée, des modèles animaux capables d’appréhender la complexité du système ghréline acylée-GHSR in vivo manquent, ce qui a considérablement ralenti l’élucidation des rôles physiologiques de cette hormone et de son récepteur. En effet, les modèles génétiques murins générés jusqu’à présent manquent de spécificité au niveau de l’hormone (incapacité à discriminer la ghréline acylée de la ghréline désacylée), et/ou au niveau du GHSR (incapacité à discriminer les différents modes de signalisation du GHSR). Dans ce contexte, de nouveaux modèles qui impacteraient de façon différentielle les voies de signalisation du GHSR seraient des outils pertinents pour contribuer au déchiffrage du système ghréline acylée-GHSR in vivo. Nous nous sommes ainsi attachés à caractériser un modèle de rats porteur d’une mutation ponctuelle dans le Ghsr qui prédit la délétion d’un domaine régulateur dans l’extrémité C-terminale du GHSR (GhsrQ343X). Dans des modèles cellulaires, nous avons montré que cette mutation découple le GHSR des processus d’internalisation du récepteur et de recrutement de la β-arrestine induits par la ghréline acylée, tout en augmentant la réponse aux agonistes du GHSR dans la voie des protéines G. Conformément à ce mécanisme, les rats mutants homozygotes GhsrM/M ont une réponse accrue à l’administration d’agonistes du GHSR sur le plan de la libération d’hormone de croissance, de la prise alimentaire ou de l’activité locomotrice. L’exploration physiologique et comportementale des rats GhsrM/M indique que la mutation GhsrQ343X est associée à une augmentation du poids et de l’adiposité indépendamment de la prise alimentaire, une diminution de l’oxydation globale des acides gras, de la flexibilité métabolique et de la tolérance au glucose, sans impact critique sur la prise alimentaire homéostatique. En outre, étant donné que la mutation GhsrQ343X n’augmente pas les niveaux circulants de ghréline, le phénotype métabolique général des rats GhsrM/M est en accord avec une sensibilité augmentée du GHSR en réponse au tonus endogène de ghréline acylée. Enfin, des résultats préliminaires suggèrent que la mutation GhsrQ343X pourrait être associée à des altérations relatives aux fonctions de récompense et de mémoire dont les mécanismes sous-jacents restent à décrypter. En résumé, nous proposons le modèle de rat mutant GhsrQ343X comme un nouvel outil, plus spécifique que les modèles murins d’invalidation génétique, pour explorer in vivo la signalisation du GHSR dans diverses fonctions biologiques, et à plus long terme aider au design de composés pharmacologiques ciblant le GHSR efficaces dans un cadre clinique. / The stomach-derived hormone acyl ghrelin promotes body weight gain, mostly in the form of fat mass, by means of several central and peripheral mechanisms mediated by the growth hormone secretagogue receptor (GHSR). The GHSR is a G protein-coupled receptor that, in addition to respond to acyl ghrelin, displays agonist-independent signaling through high constitutive activity and possibly heteromerization with dopamine receptors. Despite the potent biological properties of exogenous acyl ghrelin, the lack of animal models able to apprehend the complexity of the acyl ghrelin-GHSR system in vivo has been hampering the elucidation of its physiological roles. Indeed, genetic mouse models generated so far lack specificity either at the level of the hormone (not able to discriminate between acyl ghrelin versus desacyl ghrelin) and/or at the level of the GHSR (not able to discriminate between GHSR signaling modes). In this context, new models differentially affecting GHSR signaling pathways would represent valuable tools to decipher the acyl ghrelin-GHSR system in vivo. We therefore aimed at characterizing a new rat model carrying a point mutation in Ghsr that predicts truncation of a regulatory domain in the C-terminus, the GhsrQ343X mutation. In cellular models, this mutation was found to uncouple the GHSR from agonist-dependent receptor internalization and β-arrestin recruitment, while enhancing GHSR responsiveness in the G protein pathway. Accordingly, homozygous mutant GhsrM/M rats show enhanced responsiveness to exogenous GHSR agonists in terms of growth hormone release, food intake and locomotor activity. Physiological and behavioral exploration of GhsrM/M rats supports that the GhsrQ343X mutation is associated with increased body weight gain and adiposity independently of calorie intake, reduced whole-body fat oxidation, metabolic flexibility and glucose tolerance, without any critical impact on homeostatic feeding behavior. Moreover, given that circulating ghrelin levels are not increased by the GhsrQ343X mutation, the overall metabolic phenotype of GhsrM/M rats is consistent with enhanced GHSR sensitivity to the endogenous tone of acyl ghrelin. Furthermore, preliminary results suggest that the GhsrQ343X mutation could be associated with behavioral alterations related to reward and memory functions, through mechanisms that remain to be elucidated. Altogether, we propose the GhsrQ343X mutant rat model as a novel tool, more specific than knockout mouse models in its mechanism-of-action, to explore GHSR signaling across biological functions in vivo, and ultimately help in the design of efficient GHSR-targeting drugs.