Avec l'augmentation préoccupante des cas d'obésité à l'échelle mondial depuis les dernières décennies, la communauté scientifique s'intéresse de plus en plus aux facteurs responsables de cette hausse alarmante et aux différents mécanismes impliqués dans la régulation du bilan d'énergie. Cette régulation dépend de deux composantes principales, la prise alimentaire et la dépense d'énergie, contrôlées par différentes voies périphériques et neuronales, parmi lesquelles les circuits neuronaux hypothalamiques ont été les plus étudiés. Ces circuits forment des systèmes bien définis, qui incluent le système à mélanocortine, qui essentiellement comprend les neurones à proopiomélanocortine (POMC) du noyau arqué (ARC), les neurones adjacents à ces derniers qui produisent le Agouti-related peptide et les neurones arborant les récepteurs des mélanocortines 4 (MC4R) qui se retrouvent dans diverses régions du cerveau. La stimulation du système à mélanocortine diminue la prise alimentaire et augmente la dépense énergétique. L'activité du système à mélanocortine est modulée de plusieurs façons et par différentes molécules, incluant l'Acyl-CoA Binding Domain 7 (ACBD7). Cette protéine produit deux fragments peptidiques, nommément le nonadecaneuropeptide (NDN) et le new endozepine member 18 (NEM18). L'implication de NDN a été récemment démontrée dans le contrôle de la prise alimentaire et de la dépense énergétique chez la souris. De plus, on a pu démontrer que les effets du peptide disparaissaient en présence d'un antagoniste du MC4R. Le projet de recherche sous-jacent à ce mémoire visait à (i) confirmer l'implication d'ACBD7 dans le contrôle de la balance énergétique chez le rat, (ii) étudier les effets d'ACBD7 sur l'aversion gustative conditionnée et (iii) comparer l'expression cérébrale des ARNm ACBD7 et DBI, les sites d'action neuronaux de ces protéines ainsi que leurs effets cataboliques. Contrairement à ce qui a été observé chez la souris, NDN n'altère pas les composantes énergétiques chez le rat. Les résultats obtenus suggèrent plutôt l'implication de NEM18 dans le contrôle de la prise alimentaire et de la dépense énergétique. On observe d'abord une augmentation de la prise alimentaire lors de l'injection intracérébroventriculaire de 0,125 et 0,250 µg de NEM18. Les variables énergétiques, telles que la consommation d'oxygène ainsi que la dépense énergétique en kcal, se trouvent également modulées par la présence de NEM18 chez le rat. / With the worrying increase in obesity cases worldwide over the last decades, the scientific community has increasingly been interested in the various mechanisms involvedin the regulation of energy balance. The energy balance regulation is based on two main components, namely food intake and energy expenditure, insured by various peripheral and neural circuits. The hypothalamus plays a major role in energy balance regulation. It hosts the proopiomelanocortin (POMC) and agouti-related peptide (AgRP) neurons, which are found in the arcuate nucleus, and which form, together with the melanocortin 4 receptor (MC4R), the melanocortin system. The melanocortin system when activated reduces foodintake and stimulates energy expenditure. Its role in energy balance regulation is prominentand its activity is modulated by various molecules including the Acyl-CoA Binding Domain 7 (ACBD7) protein which can generate two peptide fragments, namely, nonadecaneuropeptide (NDN) and the new endozepine member 18 (NEM18). The involvement of NDN has been shown to reduce food intake and stimulate energy expenditure in mice, effect that can be blocked by a MC4R antagonist. This study constituting the core of this mémoire aimed to (i) confirm the involvement of ACBD7 in the control of energy balance in rats, (ii) study the effects of ACBD7 on conditioned taste aversion and (iii) compare the cerebral expression, the neural action sites and the catabolic effects caused by ACBD7 and DBI. In contrasts with what has been observed in mice, NDN does not influence energy balance in rats. Results obtained suggest the involvement of NEM18 in the control of food intake and energy expenditure. We observed an increase infood intake following the intracerebroventricular injection of 0,125 and 0,250 µg of NEM18. Energetic parameters, as oxygen consumption and energy expenditure in kcal, were also modulated by NEM18 in rats.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Le but de cette étude était d'évaluer et de comparer l'état de la qualité de la viande de poitrine des deux souches de poulets de chair à rendement standard les plus utilisées sur le marché mondial : Cobb 500 et Ross 308. Pour ce faire, des poussins des deux sexes des deux souches ont été placés dans un design en blocs complets randomisés (4 groupes x 4 répétitions en 4 blocs) et nourris d'un régime standard de démarrage, de croissance et de finition de 1 à 35 jours. À 35 jours, les oiseaux (n = 40/souche/sexe) ont été abattus et leur rendement et la qualité de la viande de poitrine ont été évalués. L'interaction souche-sexe n'était pas significative pour la plupart des caractères analysés. Les oiseaux de la souche Cobb 500 avaient un poids corporel plus élevé (*P* < 0,001), un rendement en viande de poitrine plus élevé (*P* = 0,02) et un rendement en cuisse moins important (*P* < 0,001) que les Ross 308. Ils présentaient également un score plus élevé (*P* = 0,04) de la myopathie de durcissement de la poitrine et des pertes d'eau plus importantes par exsudation (*P* = 0,01) et après cuisson (*P* = 0,01). Un modèle de glycolyse *in vitro* a révélé que la chute post-mortem du pH du muscle *Pectoralis major* était influencée par l'interaction entre la souche et l'âge (*P* < 0,001). À 14 jours, le pH initial était plus élevé (*P* < 0,05) chez Cobb 500, mais à 33 jours, il était similaire dans les deux souches. Aux deux âges et pour les deux souches, le pH ultime de ce muscle a été atteint à3 heures post-mortem. En conclusion, le développement musculaire est négativement corrélé à la qualité de la viande. Par conséquent, le choix de combinaison de souches et de sexe pour la production de poulets de chair nécessite un compromis entre le rendement et la qualité de la viande. / The purpose of this study was to evaluate and compare the state of breast meat quality in the two most used standard-yielding broiler chicken strains on today's market: Cobb 500 and Ross 308. To achieve this, chicks from both sexes of both strains were placed in a randomized complete block design (4 groups × 4 replicates in 4 blocks) and fed a standard starter, grower, and finisher diet from 1 to 35 d. At 35 d, birds (n = 40/strain/sex) were processed, and their yield and breast meat quality were evaluated. The strain-by-sex interaction was not significant for most analyzed traits. Birds from the Cobb 500 strain had higher body weight (*P* < 0.001), greater breast meat yield (*P* = 0.02), and lower leg meat yield (*P* < 0.001) than Ross 308 birds. They also exhibited higher wooden breast score (*P* = 0.04) and greater dri*P* (*P* = 0.01) and cooking (*P* = 0.01) losses. An in vitro glycolysis model revealed that post-mortem decline in the pH of the *Pectoralis major* muscle was influenced by the interaction between strain and age (*P* < 0.001). At 14 d, the initial pH was higher (*P* < 0.05) in Cobb 500, but at 33 d it was similar in both strains. At both ages and for both strains, the ultimate pH in this muscle was reached at 3 h post-mortem. In conclusion, muscle growth and development are negatively associated with meat quality. Thus, the choice of strain and sex combinations for broiler production requires a compromise between meat yield and quality.

La mesure de flux métaboliques cérébraux, en particulier de ceux participant au métabolisme énergétique, présente un intérêt majeur autant d'un point de vue fondamental, pour la compréhension des réactions biochimiques et de leur couplage, que d'un point de vue clinique, pour la mise à jour de biomarqueurs d'évolution des pathologies neurodégénératives et la détermination des mécanismes déficients sous jacents. Ainsi, au cours des dernières décennies, des techniques de neuroimagerie atraumatiques et non invasives permettant la mesure de flux métaboliques cérébraux, parmi lesquelles la tomographie par émission de positrons (TEP) et la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (SRM), ont connu un développement considérable. Plus particulièrement, la SRM du 31P présente la caractéristique et l'avantage de permettre la mesure directe du flux cérébral de synthèse d'ATP, et ce sans injection de précurseur marqué. Cependant, cette approche apparaît encore à ce jour un défi méthodologique et des études de validation complémentaires restent nécessaires afin de démontrer la pertinence de la SRM du 31P pour la mesure de la synthèse énergétique cérébrale. Dans ce contexte, une étude de neuroimagerie multimodale, basée sur l'utilisation de nouvelles techniques de neuroimagerie, a été menée afin de permettre, dans un même temps, d'obtenir une vision intégrée du métabolisme énergétique cérébral et de valider la méthode de transfert de saturation par SRM du 31P comme une méthode de mesure robuste et quantitative de la synthèse d'ATP cérébrale. Plus précisement, la consommation régionale de glucose CMRglc, la vitesse du cycle de Krebs (VTCA) et la vitesse de synthèse d'ATP (VATP) ont été mesurées dans le cerveau de primate sain respectivement par PET 18F-FDG, SRM du 13C et transfert de saturation par SRM du 31P. Ces trois mesures complémentaires, réalisées dans une zone cérébrale définie chez les mêmes animaux en conditions physiologiques identiques, ont conduit aux résultats suivants : CMRglc= 0.27 ± 0.07 μmol/g/min, VTCA = 0.63 ± 0.12 μmol/g/min et VATP = 7.8 ± 2.3 μmol/g/min. La cohérence de ces trois flux avec les valeurs rapportées dans la littérature, mais surtout leur cohérence l'un par rapport à l'autre, a permis de valider la méthode de transfert de saturation par SMR du 31P pour la mesure directe de la synthèse d'ATP cérébrale. Cette étape de validation ayant été conduite, l'intérêt de la technique de transfert de saturation a, dans un deuxième temps, été évalué en clinique sur une population de patients atteints de la maladie de Huntington (MH). Une attitude exploratoire a été adoptée, dans laquelle les concentrations en métabolites phosphorylés, le pH cérébral et la vitesse de synthèse d'ATP ont été évalués. Cette étude a permis en premier lieu de mettre en évidence un maintien de l'homéostasie métabolique chez les patients Huntington (HD), en particulier en ATP, Pi et PCr, et ce malgré une atrophie cérébrale importante. Une diminution de la vitesse de synthèse d'ATP cérébrale a également été observée chez ces patients. Cependant, au vu de la faible sensibilité de la méthode de transfert de saturation par SRM du 31P, la significativité de cette diminution n'a pu être établie. Enfin, une augmentation significative du pH cérébral a été mesurée chez les patients HD relativement aux contrôles. Cette alcalinisation cérébrale, pour la première fois mesurée dans la MH, présentait de plus une corrélation avec les scores cliniques moteurs évalués chez les patients HD, démontrant l'intérêt potentiel de la mesure de pH cérébral pour le suivi de la pathologie. Au vu de ce résultat, une étude visant à évaluer la précocité des variations de pH associées à laMH a été réalisée sur un modèle rongeur au cours d'une intoxication chronique à l'acide 3-nitropropionique (3NP), neurotoxine mitochondriale. Cette étude a permis de mettre en évidence une augmentation significative du pH cérébral précédant l'apparition de lésions striatales, démontrant la potentialité du pH cérébral comme biomarqueur précoce de la MH. Au niveau biochimique, il a été montré que variations de pH et pourcentages d'inhibition de la succinate déshydrogénase (SDH), cible spécifique du 3NP, présentaient la même évolution temporelle au cours du protocole d'intoxication. Des hypothèses sur les mécanismes biochimiques sous jacents ont alors été proposées afin de tenter d'expliquer les variations de pH cérébral mesurées dans cette étude.

Le cerveau humain est un organe très métaboliquement actif. Cet énorme besoin énergétique l’expose à un risque accru de détérioration causée par un dérèglement de ce métabolisme. Dans la phase précoce de la maladie d’Alzheimer, un hypométabolisme cérébral du glucose est observé. Cette carence énergétique serait à l’origine des détériorations observée lors du développement de cette maladie. Le cerveau a accès à une autre source endogène d’énergie : les cétones. Les cétones sont particulièrement importantes pour le cerveau puisqu’il ne possède pas la capacité d’utiliser les acides gras comme source énergétique à l’instar des autres organes. Les cétones sont issues de la β-oxydation hépatique des acides gras. Ils sont produits en situation de jeûne lorsque les niveaux circulants de glucose et d’insuline sont bas. Les cétones se sont déjà montré efficaces dans le traitement de divers troubles neurologiques comme l’épilepsie. Par contre, outre les diètes cétogènes et le jeûne prolongé, il n’existe pas de traitement efficace pour maintenir une cétonémie modérée chez l’adulte. Le métabolisme énergétique cérébral en situation de cétose modérée reste encore mal compris dans cette population. Les travaux de cette thèse se sont donc concentrés à étudier la possibilité d’une combinaison d’approche nutritionnelle et pharmacologique afin de stimuler la cétogenèse chez l’adulte. Ils ont aussi exploré les changements de métabolisme cérébral chez l’adulte durant une cétose modérée. L’objectif de la première étude était d’étudier le potentiel du bezafibrate à stimuler la cétogenèse induite par une supplémentation en triglycérides de moyennes chaînes (MCT). Cette première étude a démontré que le bezafibrate avait peu d’effet sur la stimulation de la cétogenèse induite par les MCT et que le facteur limitant dans cette stimulation était donc la disponibilité des substrats et non la capacité cétogène des cellules hépatiques. L’objectif de la seconde étude était d’étudier les changements de capture des cétones et du glucose au cerveau durant un état de cétose modérée chez l’adulte. Les résultats de cette deuxième étude ont montré que la capture des cétones au cerveau est directement proportionnelle à leur concentration plasmatique. Cette étude a aussi démontré que la capture cérébrale des cétones était directement reliée à leur concentration plasmatique alors que la capture cérébrale du glucose est modulée par les besoins énergétiques du cerveau. Une stimulation cétogénique chez des personnes atteintes de déclin cognitif pourrait donc aider à rétablir la balance énergétique et ralentir l’apparition des symptômes chez ces personnes mais cet effet devra être étudié dans une étude ultérieure. / Abstract : The human brain is the most metabolically active organ of the body. This high need for energy exposes it to an increase risk in case of hypometabolism. Such a glucose hypometabolism is seen during the early stages of Alzheimer’s disease. This factor is believed to be one of the cause of the disease. Ketones are the main alternate substrate for the human brain. Ketones are particularly important since, unlike other organs, the brain can not use fatty acids as alternative fuel. Ketones are mainly produce through β-oxidation of fatty acid by the liver. This happens mainly during fasting when circulating levels of glucose and insulin are low. Studies have shown that ketones can have a therapeutic effect in a variety of neurological diseases, mainly epilepsy and Alzheimer’s disease. Nevertheless, apart from ketogenic diet and prolonged fasting, there is currently no effective ways to induce and maintain moderate ketosis in adults. Brain energy metabolism under moderate ketosis remains also misunderstood in this population. This thesis aimed look at the effect of a combination of a pharmacological treatment and a nutritional supplementation to induce moderate sustain ketosis in adults. It also studied the effect of a moderate ketosis on brain energy metabolism in adults. The aim of the first study was to study the effect of a pharmacological treatment, bezafibrate, on the potentiation of the ketogenic effect induced by a medium-chain triglycerides (MCT) supplementation. The results of this study that bezafibrate had little effect on the ketosis induced by a MCT supplementation and, therefore, that the limiting factor in human ketosis was not the liver cells capacity to produce ketones but the availability of substrates for ketogenesis. The aim of the second study was to study the impact of a nutritional moderate ketosis on brain glucose and ketone uptake. The results of this study showed a direct correlation between brain ketone uptake and plasma ketone concentrations. This study also showed that brain ketone uptake is regulated by blood ketone concentration whereas brain glucose uptake is regulated by the brain energy needs. Further studies should then look if such a moderate ketosis induced in cognitively impaired patients could re-equilibrate the energy balance in the brain and then slow the apparition of clinical symptoms in this population.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse porte sur l'écophysiologie et la physiologie d'une bactérie hyperthermophile et microaérophile, Aquifex aeolicus, cultivée dans différentes conditions d'oxygénation. Au cours de ce travail, trois systèmes expérimentaux (jarres, microcosmes et fermenteur) ont été testés : (1) le nouveau système de jarres qui été mis au point est muni de microplaques de 24 puits couplé à un robot. Il permet d'étudier un grand nombre de facteurs trophiques ou de formulations de milieux de cultures tout en conservant une atmosphère de composition constante, (2) pour l'étude de facteurs trophiques gazeux, l'utilisation des microcosmes a été montrée peu adaptée, amenant même dans certains cas, à des interprétations erronées, et, 3) le fermenteur reste le meilleur outil pour étudier l'influence de la concentration en O2 dissous (pO2) sur le métabolisme d'A. aeolicus. A partir des cinétiques de croissance obtenues en fermenteur, il a été établi que la densité de biomasse est constante et que la vitesse de croissance est maximale pour une pO2 comprise, respectivement, entre 0.006 et 6 mg/L et, entre 1 et 2 mg/L. Pour des pO2 supérieures à 2 mg/L, il a été montré que l'oxygène a un effet toxique sur la croissance d'A. aeolicus. Pour des conditions optimales d'oxygénation (pO2=1.5 mg/L) et lorsque l'H2 (100 mL/min) limite la croissance, le catabolisme énergétique est alors dévié vers la consommation du thiosulfate. En effet, pour les débits d'H2 de 450 et 100 mL/min, d'une part 97 et 79 % de l'O2 sont respectivement réduits par l'hydrogène et d'autre part 3 et 21 % de l'O2 sont respectivement réduits par le thiosulfate. / This manuscript addresses the physiology and ecophysiology of the microaerophilic hyperthermophilic bacterium Aquifex aeolicus, grown under different oxygen-supply conditions. Three experimental systems, jar, microcosm and fermentor were tested in those experiments: (1) a newly-engineered jar system containing 24-well microplates coupled to an automated controller. This system allows to study a broad spectrum of trophic factors or culture media formulations while maintaining a constant atmospheric composition; (2) microcosm systems were, here, proved ill-adapted to studying gas-phase trophic factors, and in some cases even to leading to false interpretations; 3) the fermentor system remains the best tool to studying the influence of dissolved O2 concentration (pO2) on A. aeolicus metabolism. Based on in-fermentor growth kinetic curves, we established that biomass density was maximum and constant at a pO2 in the range 0.006 to 6 mg/L and growth rate was maximum at a pO2 of about 2 mg/L. At a pO2 over 2 mg/L, oxygen level had a toxic effect on A. aeolicus growth. Under optimal oxygen supply (pO2 = 1.5 mg/L) and when H2 (100 mL/min) is the growth-limiting factor, energy catabolism is diverted towards thiosulfate consumption: at H2 flow-rates of 450 and 100 mL/min, 97% and 79% of O2 is reduced by hydrogen while 3% and 21% of O2 is reduced by thiosulfate, respectively. Under over-oxygenation conditions (pO2 = 10.5 and 12 mg/L), growth was correlated to high thiosulfate consumption whereas the expression of genes encoding hydrogenases was significantly downregulated and hydrogenase activity was null.

Dans le cadre de l'évaluation de la qualité des écosystèmes aquatiques, les réponses en lien avec l'énergie semblent particulièrement pertinentes pour appréhender l'état physiologique des êtres vivants et prévoir des effets populationnels. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail a été de proposer un biomarqueur de l'assimilation de l'énergie chez un amphipode d'eau douce Gammarus fossarum. La caractérisation des activités enzymatiques digestives (amylase, cellulase et trypsine) et des réserves énergétiques (glycogène, lipides et protéines) soumises à l'influence de divers facteurs biotiques et abiotiques (sexe, stade reproducteur, température, conductivité et quantité de nourriture) a permis d'identifier l'amplitude des réponses étudiées afin d'améliorer l'interprétation des réponses obtenues en milieu naturel. Ces résultats ont également validé l'utilisation d'organismes mâles standardisés et nourris ad libitum dans le cadre d'approche active. D'autre part, la pertinence écologique des enzymes digestives en tant que biomarqueur a été évaluée en étudiant le lien existant entre une perturbation des réponses enzymatiques digestives au niveau sub-individuel et ses conséquences au niveau individuel sur le succès reproducteur des gammares. Par ailleurs, dans le cadre de deux campagnes de terrain, les mesures des activités enzymatiques digestives réalisées chez les organismes transplantés ont permis de discriminer les sites en fonction de leur qualité chimique et de proposer pour chaque marqueur une valeur référence et seuil traduisant un effet. Ainsi les activités enzymatiques digestives peuvent être utilisées comme outil pour établir un diagnostic de risque environnemental. / For the assessment of the aquatic ecosystems health, responses related to energy metabolism seem particularly relevant to understanding the physiological state of living organisms and provide population- effects. In this context, the objective of this work was to propose a biomarker of energy assimilation in a freshwater amphipod Gammarus fossarum. The characterization of digestive enzymes activities ( amylase , cellulase and trypsin) and energy reserves (glycogen , lipids and proteins) submited to the influence of various biotic and abiotic factors (sex, reproductive stage , temperature, conductivity and amount of food ) determine the range of responses studied to improve the interpretation of data obtained in the field. These results can also validate the use of standardized male fed ad libitum in caging approach. On the other hand, the ecological relevance of digestive enzymes was assess, the link between digestive enzyme impairments at sub -individual level and its consequences on the fitness of the gammarid population at individual level was established. Furthermore, in the context of two field campaigns, measures of digestive enzyme activities in organisms transplanted allowed to discriminate sites according to their chemical quality and to propose for each marker a benchmarck and a threshold value reflecting an effect. Thus, digestive enzyme activities can be used as diagnostic tool for environmental risk assessment.

Non-canonical bioenergetics concerns with those physiological and pathophysiological situations under which ATP synthesis is suppressed. This thesis brings an outcome of three types of studies within the field of the non-canonical bioenergetics, investigating specific bioenergetic phenotypes of cancer cells, on one hand; and a role of mitochondrial uncoupling proteins as deduced from their transcript distribution in various tissues and organs; plus a role of a novel and likely pro-apoptotic factor CIDEa in mitochondria. Cancer cells generally present abnormal bioenergetic properties including an elevated glucose uptake, a high glycolysis and a poorly efficient oxidative phosphorylation system. However, the determinants of cancer cells metabolic reprogramming remain unknown. The main question in this project was how environmental conditions in vivo can influence functioning of mitochondrial OXPHOS, because details of mitochondrial bioenergetics of cancer cells is poorly documented. We have combined two conditions, namely glucose and oxygen deprivation, to measure their potential interaction. We examined the impact of glucose deprivation and oxygen deprivation on cell survival, overall bioenergetics and OXPHOS protein expression. As a model, we have chosen a human breast carcinoma (HTB-126) and appropriate control (HTB-125) cultured cells, as large fraction of breast malignancies exhibit hypoxic tumor regions with low oxygen concentrations and poor glucose delivery. The results demonstrate that glucose presence or absence largely influence functioning of mitochochondrial oxidative phosphorylation. The level of mitochondrial respiration capacity is regulated by glucose; by Crabtree effect, by energy substrate channeling towards anabolic pathways that support cell growth and by mitochondrial biogenesis pathways. Both oxygen deprivation and glucose deprivation can remodel the OXPHOS system, albeit in opposite directions. As an adaptative response to hypoxia, glucose inhibits mitochondrial oxidative phosphorylation to the larger extent than in normoxia. We concluded that the energy profile of cancer cells can be determined by specific balance between two main environmental stresses, glucose and oxygen deprivation. Thus, variability of intratumoral environment might explain the variability of cancer cells´ bioenergetic profile. Mitochondrial uncoupling proteins are proteins of inner mitochondrial membrane that uncouple respiration from ATP synthesis by their protonophoric activity. Originally determined tissue distribution seems to be invalid, since novel findings show that UCP1 is not restricted exclusively to brown fat and that originally considered brain-specific isoforms UCP4 and UCP5 might have wider tissue distribution. Hence, in second part of this thesis, I discuss consequences of findings of UCPn transcripts in the studied mouse and rat tissues. We have shown that mRNA of UCPn varies up to four orders of magnitude in rat and mouse tissues with highest expression in rat spleen, rat and mouse lung, and rat heart. Levels of the same order of magnitude were found for UCP3 mRNA in rat 100 and mouse skeletal muscle, for UCP4 and UCP5 mRNA in mouse brain, and for UCP2 and UCP5 mRNA in mouse white adipose tissue. Further, we have shown that expression pattern of UCPn varies between animal species, rat versus mouse, such as the dominance of UCP3/UCP5 vs. UCP2 transcript in mouse heart and vice versa in rat heart; or UCP2 (UCP5) dominance in rat brain contrary to 10-fold higher UCP4 and UCP5 dominance in mouse brain. spontaneous apoptosis due to CIDEa overexpression in HeLa cells, adapted for a tetracycline-inducible CIDEa expression, a portion of mitochondria-localized CIDEa molecules migrates to cytosol or nucleus. / Résumé non disponible

L’impact de l’environnement dans le développement de certaines pathologies est avéré bien qu’il soit difficile à évaluer. L’Homme est chroniquement exposé à des cocktails de xénobiotiques -des molécules étrangères à l’organisme- dont la nature, la concentration et les interactions sont variables avec des effets néfastes ou bénéfiques pour la santé humaine. Parmi ceux-ci, les polluants environnementaux jouent un rôle non négligeable dans l’apparition de certains cancers. Au contraire, des molécules naturelles comme le resvératrol, possède des propriétés anti-cancéreuses. Au cours de la cancérogenèse, les cellules tumorales acquièrent un phénotype métabolique réversible caractérisé par une glycolyse et une production de lactate élevées en présence ou non d’oxygène (effet Warburg). La flexibilité du métabolisme permet aux cellules cancéreuses d’assurer des niveaux d’énergie et de métabolites et de co-facteurs suffisants pour maintenir leur phénotype tumoral dans un microenvironnement qui fluctue. Dans cette étude, les effets de différents xénobiotiques seuls ou en mélange ont été évalués sur la progression du phénotype tumoral dans des cellules tumorales humaines. Dans une 1ère partie, les effets de 2 polluants organiques persistants agissant via des voies de signalisation différentes, la tétrachlorodibenzo-para-dioxine (TCDD) et l’a-endosulfan, un pesticide organochloré, ont été étudiés, seuls ou en mélange, sur le phénotype tumoral des cellules tumorales coliques humaines (Caco2). Nous avons montré que la TCDD (25 nM) et l’a-endosulfan (10µM) diminuent les capacités oxydatives des cellules tumorales. Cet effet est plus marqué lorsque les cellules sont exposées au mélange des 2 polluants, suggérant un effet synergique. Ces altérations sont associées à une diminution drastique de la respiration mitochondriale, corrélée à une forte réduction de l’activité du complexe I de la chaine respiratoire des mitochondries. Ces observations sont en partie liées à une diminution de l’expression de NDUFS3, l’une des sous unité du complexe I. Parallèlement, nous avons mis en évidence que l’exposition aux polluants entraine l’engagement des cellules tumorales vers une transition épithélio-mésenchymateuse (EMT). Ces données suggèrent que les polluants favorisent la progression tumorale en altérant le métabolisme énergétique des cellules tumorales coliques humaines et en favorisant la mise en place d’une EMT. Le lien entre ces 2 processus ainsi que les voies de signalisation impliquées restent à élucider. Dans une 2ème partie, nous avons évalué les effets du resvératrol (RSV), un composé naturel présent entre autre dans le vin, sur sur la progression du phénotype tumoral. Ce polyphénol a été largement décrit pour ses effets bénéfiques sur le cancer et pour ses capacités à modifier le métabolisme, notamment en mimant la restriction calorique. Nous avons montré que le RSV, à une concentration proche des doses sériques mesurées chez l’Homme (10 µM), diminue la prolifération cellulaire sans affecter la viabilité. Le RSV réoriente le métabolisme énergétique des cellules tumorales en augmentant leurs capacités oxydatives et en diminuant leurs capacités glycolytiques et l’activité de la voie des pentoses phosphates. Nous avons identifié le complexe pyruvate déshydrogénase comme une cible du RSV, mis en évidence que le calcium est impliqué dans cette régulation et que les effets métaboliques induits par le RSV sont relayés en partie par la voie CamKKß/AMPK. L’ensemble de ces résultats démontre que l’environnement, via les xénobiotiques, peut moduler le phénotype tumoral, et que le métabolisme tumoral, en raison de son extrême flexibilité, est une cible majeure de ces modulations. / The impact of the environment in the development of several human diseases is well established but difficult to evaluate. Humans are chronically exposed to xenobiotics mixture - foreign chemicals substances which are not normally present within the organism – with different nature, concentration and interactions leading to deleterious or beneficial effects on human health. Among these xenobiotics, environmental pollutants play a significant role in the development of some cancers. On the contrary, a natural molecule like resveratrol has anti-cancer properties. During carcinogenesis, tumor cells acquire a reversible metabolic phenotype characterized by a high glycolysis and a massive lactate production with or without oxygen (Warburg effect). The flexibility of the metabolism allows cancer cells to provide sufficient levels of energy, metabolites and cofactors to maintain their tumor phenotype in a fluctuating microenvironment. In this study, the effects of several xenobiotics alone or in a mixture were assessed on human cancer cell progression. In the first part, the effects of 2 persistent organic pollutants acting by different signaling pathways, tetrachlorodibenzo-para-dioxin (TCDD) and a-endosulfan, an organochlorine pesticide, were studied alone or in a mixture, on human colonic cancer cells (Caco2) progression. We have shown that TCDD (25 nM) and a-endosulfan (10µM) decrease the oxidative capacity of tumor cells. This effect is more pronounced when cells are exposed to the mixture, suggesting a synergistic effect. These alterations are associated with a drastic decrease in mitochondrial respiration, correlated with a strong reduction in the activity of the mitochondrial respiratory chain complex I. These observations are in part linked to a decrease of NDUFS3 gene expression, one of the subunit of the complex I. We have also found that the dysregulation of tumor cell metabolism was associated with an epithelial-mesenchymal transition (EMT). Our data show that pollutants strengthen the Warburg effect associated with an EMT, which suggests that the pollutants affect the progression of the tumor phenotype. The signaling pathways involved in these observations are under investigation. In the second part, we assessed the effects of resveratrol (RSV), a natural compound present among other in wine, on cancer cell progression. This polyphenol has been widely described for its benefits on cancer and its ability to mimic caloric restriction. We have shown that the RSV, with a close concentration of serum doses measured in humans (10 µM), decreases cell proliferation without modulate cell viability. RSV redirects the energy metabolism of tumor cells by increasing their oxidative capacity, decreasing their glycolytic capacity and reducing the activity of the pentose phosphate pathway. We have identified the complex pyruvate dehydrogenase as a target of the RSV and highlighted that the calcium is involved in the regulation of PDH activity. We have also shown that the RSV induces its metabolic effects in part through CamKKß/AMPK signaling pathway. These results demonstrate that the xenobiotics can modulate tumor phenotype, and tumor metabolism, because of its extreme flexibility, is a major target of these modulations.

L'incidence des pathologies métaboliques n'a de cesse d'augmenter au cours des dernières décennies atteignant des proportions épidémiques. Les facteurs génétiques, l'alimentation et/ou la sédentarité n'expliquent qu'en partie ce phénomène. Les contaminants environnementaux sont également suspectés être impliqués dans l'étiologie de ces perturbations. Plusieurs études rapportent l'implication des récepteurs nucléaires comme médiateur de ces désordres métaboliques. Dans le cadre de ces travaux nous nous sommes intéressés aux rôles du récepteur nucléaire CAR dans la régulation de l'homéostasie énergétique et comme médiateur des perturbations métaboliques induites suite à une exposition à un mélange de pesticides. CAR est un récepteur nucléaire clé du système de détoxification de composés, qu'ils soient de nature exogène ou endogène. Son rôle sur le métabolisme énergétique a été étudié principalement chez les souris mâles, or certaines fonctions métaboliques et de détoxification sont fortement dépendantes du sexe. Le premier objectif de ces travaux a consisté à évaluer les conséquences sur l'homéostasie énergétique de la délétion du récepteur nucléaire CAR (CAR-/-) chez des souris mâles et femelles au cours du vieillissement. Les résultats montrent que l'absence de CAR est délétère chez les mâles qui développent une obésité, un diabète et une stéatose hépatique. Les souris femelles CAR-/- sont protégées de ces troubles et présentent une amélioration de leur tolérance au glucose. Cependant la suppression de leurs hormones sexuelles grâce à la réalisation d'ovariectomies enlève totalement cette protection, suggérant un rôle majeur de ces hormones dans cette protection. Les analyses du transcriptome, lipidome et métabolome hépatique sont en accord avec ces données phénotypiques. Le deuxième objectif de ces travaux a consisté à évaluer les conséquences métaboliques d'une exposition chronique in vivo à un mélange de pesticides présent dans l'alimentation à des doses supposées non toxiques. Après un an d'exposition à ce mélange, les souris mâles développent un surpoids avec une augmentation de leurs masses adipeuses. Ce surpoids s'accompagne d'une intolérance au glucose et d'une stéatose hépatique. Les souris femelles présentent, en revanche une hyperglycémie à jeun, du stress oxydatif au niveau hépatique et une perturbation de métabolites urinaires liées au microbiote intestinal. Ces résultats montrent pour la première fois un effet obésogène et diabétogène dépendant du sexe d'une exposition à un mélange de pesticides. Nous avons également mis en évidence un rôle du récepteur nucléaire CAR dans le dimorphisme sexuel observé suite à cette exposition. L'ensemble de ces travaux apporte des liens de causalité en faveur d'une relation contaminants environnementaux et santé dépendant du sexe et un rôle du récepteur nucléaire CAR dans les effets observés. Cela soulève la question de la prise en considération du sexe et de l'effet mélange dans l'évaluation des risques pour la santé liée à l'exposition à des contaminants environnementaux. / The incidence of metabolic diseases has steadily increased in recent decades reaching epidemic proportions. It is conventionally accepted that their main cause is related to a diet rich in fats and sugar and/or a sedentary lifestyle that can be aggravated by certain genetic polymorphisms. Chemical contaminants in our environment are also suspected to contribute to the development of these metabolic disorders by disrupting the energy balance of organisms. Several studies report the role of nuclear receptors as mediators of these metabolic effects induced by environmental contaminants. As part of this PhD work, we investigated the role of the CAR nuclear receptor in the regulation of energy homeostasis and as a mediator of the metabolic effects induced by exposure to a mixture of pesticides. CAR is a key nuclear receptor for the detoxification system of compounds, whether exogenous or endogenous. Its role in energy metabolism has been studied mainly in male mice, but metabolic and detoxification functions are highly dependent on sex. The first objective of this work was to evaluate the consequences on the energy homeostasis of the deletion of the CAR nuclear receptor in male and female mice. These animals were followed over a period of more than one year and their phenotype was compared to that of non-invalidated mice for this receptor. The results show that the absence of CAR is very deleterious in males that develop obesity, diabetes and hepatic steatosis. CAR-/- females mice are protected from these disorders and even have better glucose tolerance. This protection is lifted by ovariectomy of these females suggesting a role of female sex hormones in their protection. Transcriptomic, metabolomic and lipidomic analysis are in agreement with this phenotypic change. The second objective of this work was to evaluate the in vivo metabolic consequences of chronic exposure to a mixture of pesticides present in the diet at presumed non-toxic doses. After one year of exposure to this mixture, male mice developed an overweight with an increase in their fat masses. This overweight was accompanied by glucose intolerance and hepatic steatosis. On the other hand, female mice showed fasting hyperglycemia, hepatic oxidative stress and a disturbance of urinary microbiota related to the intestinal microbiota. These results show for the first time an obesogenic and diabetogenic sex-dependent effect of exposure to a mixture of pesticides. We have also demonstrated a role of the CAR nuclear receptor in the sexual dimorphism observed following this exposure. All of this work provides causal links in favor of a relationship between environmental contaminants and sex-dependent health and a role of the nuclear receptor CAR in the effects observed. This raises the issue of gender and mixture in the risk assessment linked to exposure to environmental contaminants.