The obesity epidemic is an important global health concern. Obesity is associated with a number of diseases including type 2 diabetes, non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD), cardiovascular disease, and some cancers. Insulin resistance, a precursor to type 2 diabetes, is defined as an unresponsiveness of metabolic tissues to insulin, leading to long-term hyperglycemia and hyperinsulinemia. The fatty acid-induced model of insulin resistance indicates that an accumulation of lipid intermediates interferes with insulin signal transduction leading to insulin resistance. It is, therefore, important to examine means by which these lipid intermediates can be reduced to alleviate interferences in insulin signaling in the treatment of insulin resistance and type 2 diabetes. Exercise and metformin are two common interventions in patients with type 2 diabetes and obesity. They both commonly activate AMP-activated protein kinase (AMPK). AMPK contributes to a number of metabolic processes including increased glucose and fatty acid oxidation. However, the effects of AMPK activation on insulin sensitivity are currently not fully understood. This compilation of studies examined the insulin sensitizing effects of AMPK activation via metformin, exercise, and novel AMPK activator R419 in obese mice. In Chapter 2 we show that metformin increases AMPK phosphorylation of acetyl-CoA carboxylase (ACC) 1 Ser79 and ACC2 Ser212, resulting in increased fatty acid oxidation, decreased lipid content and improvements in hepatic insulin sensitivity. In Chapter 3 we show that exercise-induced improvements in insulin sensitivity occur independent of AMPK phosphorylation of ACC phosphorylation sites and independent of lipid content in the liver. Finally, in Chapter 4 we show that R419 improves skeletal muscle insulin sensitivity independent of AMPK and lipid content but improves exercise capacity via a skeletal muscle AMPK-dependent pathway in obese mice. These findings suggest that future studies examining the effects of AMPK activation in obesity will aid in our understanding of the mechanisms of insulin resistance and introduce methods of prevention and treatment of obesity and type 2 diabetes. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

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Diversas evidências comprovam que a obesidade está associada a alterações estruturais e funcionais do coração em modelos humanos e animais. Outros estudos recentes também demonstram que a obesidade humana está associada com alterações na função e na estrutura vascular, especialmente em grandes e médias artérias. Estudos epidemiológicos têm confirmado que a obesidade é um fator de risco significativo para o aparecimento de proteinúria e de doença renal terminal em uma população normal. Com o objetivo de determinar as alterações morfológicas relacionadas ao remodelamento cardíaco, vascular e renal em um modelo experimental de obesidade induzida pelo glutamato monossódico (MSG) e os efeitos da metformina sobre estes achados, foram estudados 25 ratos divididos em cinco grupos: controle com 16 e 22 semanas (CON-16 e CON-22); obeso com 16 e 22 semanas (MSG-16 e MSG-22) e obeso + metformina (MET-22) 300mg/Kg/dia por via oral. A caracterização da resistência à insulina foi feita através da medida da insulina plasmática e cálculo do índice de HOMA-IR. As análises morfológicas e quantificação do colágeno miocárdico foram feitos pelo sistema de imagem Image Pro Plus analysis. A pressão arterial sistólica foi levemente maior no grupo MSG-22, adquirindo significância estatística quando comparada com o grupo MSG-16 (1222 vs 1082 mmHg, p<0,05). Por outro lado, o grupo MET-22 mostrou níveis mais baixos de pressão arterial (1181 mmHg), sem alcançar diferença significativa. No grupo de animais obesos, foi observado aumento na relação média-lumen com 16 semanas (39,93,7 vs 30,22,0 %, p<0,05) e com 22 semanas (39,81,3 vs 29,51,2%, p<0,05), que foi reduzida com o uso da metformina (31,50,9%). O depósito de colágeno na área perivascular no ventrículo esquerdo foi significativamente maior no grupo MSG-22 (1,390,06 vs 0,830,06 % no CON-22, p<0,01), sendo atenuado pela metformina (1,020,04%). No rim, a área seccional transversa das arteríolas intrarrenais foi semelhante entre os grupos (18,52,2 no CON-16; 19,93,7 no MSG-16; 18,93,1 no CON-22; 21,81,5 no MSG-22; 20,21,4 no MET-22). Foi observado aumento da área glomerular no grupo MSG-22 (141,34,5 vs 129,50,5 m2), mas sem significância estatística. Em conclusão, nos ratos com obesidade induzida pelo MSG, com resistência à insulina, as alterações cardíacas foram mais proeminentes do que as alterações renais. No coração foram observados sinais de remodelamento vascular hipertrófico nas pequenas artérias intramiocárdicas e evidências de fibrose miocárdica mais proeminente na área perivascular, alterações que foram, pelo menos parcialmente, atenuadas com o uso de metformina durante seis semanas, mostrando que esta droga pode ser benéfica na prevenção de complicações cardíacas, vasculares e renais associadas com a obesidade. / Many evidences show that obesity is associated to structural and functional changes in the heart of human and animal models. Recent studies also show that human obesity is associated with vascular structural and functional modifications, specially at large and medium-sized arteries. Epidemiological studies have confirmed that obesity is a significant risk factor for the development of proteinuria and end-stage renal disease in a normal population. With the objective to determinate morphological changes related to cardiac, vascular and renal remodeling in an experimental model of monosodium glutamate (MSG)-induced obesity and the effect of metformin at this finding. Twenty five rats were studied and divided into five groups: control with 16 e 22 weeks (CON-16 and CON-22); obese with 16 and 22 weeks (MSG-16 e MSG-22), and obese + metformin (MET-22) 300mg/Kg/day per oral. The characterization of insulin resistance was done through measurement of plasma insulin and calculation of HOMA-IR index. The morphological analysis and the quantification of myocardial collagen were carried out by Image Pro Plus analysis system. The systolic blood pressure was slightly higher in MSG-22 group, reaching statistical significance when compared to MSG-16 group (1222 vs 1082 mmHg, p<0.05). On the other hand, the MET-22 group demonstrated lower blood pressure levels (1181 mmHg), without reaching statistical difference. The obese animals presented increase in media-to-lumen ratio with 16 weeks (39.93.7 vs 30.22.0 %, p<0.05) and with 22 weeks (39.81.3 vs 29.51.2%, p<0.05), which was reduced with use of metformin (31.50.9%). The collagen deposition in perivascular area of left ventricle was significantly greater in MSG-22 group (1.390.06 vs 0.830.06 % in CON-22, p<0.01), and attenuated by metformin (1.020.04%). In the kidney, the media cross-sectional area of intrarenal arterioles was similar among the groups (18.52.2 in CON-16; 19.93.7 in MSG-16; 18.93.1 in CON-22; 21.81.5 in MSG-22; 20.21.4 in MET-22). An increase of glomerular area was observed in MSG-22 group (141.34.5 vs 129.50.5 m2), but without statistical significance. In conclusion, rats with MSG-induced obesity and insulin resistance presented more pronounced cardiac changes than renal alterations. In the heart, there were evidences of hypertrophic vascular remodeling were observed in intramyocardial small arteries and perivascular fibrosis. These findings were, at least partially, attenuated by metformin for six weeks, suggesting that this drug may be beneficial for prevention of cardiac, vascular and renal complications associated with obesity.

Diversas evidências comprovam que a obesidade está associada a alterações estruturais e funcionais do coração em modelos humanos e animais. Outros estudos recentes também demonstram que a obesidade humana está associada com alterações na função e na estrutura vascular, especialmente em grandes e médias artérias. Estudos epidemiológicos têm confirmado que a obesidade é um fator de risco significativo para o aparecimento de proteinúria e de doença renal terminal em uma população normal. Com o objetivo de determinar as alterações morfológicas relacionadas ao remodelamento cardíaco, vascular e renal em um modelo experimental de obesidade induzida pelo glutamato monossódico (MSG) e os efeitos da metformina sobre estes achados, foram estudados 25 ratos divididos em cinco grupos: controle com 16 e 22 semanas (CON-16 e CON-22); obeso com 16 e 22 semanas (MSG-16 e MSG-22) e obeso + metformina (MET-22) 300mg/Kg/dia por via oral. A caracterização da resistência à insulina foi feita através da medida da insulina plasmática e cálculo do índice de HOMA-IR. As análises morfológicas e quantificação do colágeno miocárdico foram feitos pelo sistema de imagem Image Pro Plus analysis. A pressão arterial sistólica foi levemente maior no grupo MSG-22, adquirindo significância estatística quando comparada com o grupo MSG-16 (1222 vs 1082 mmHg, p<0,05). Por outro lado, o grupo MET-22 mostrou níveis mais baixos de pressão arterial (1181 mmHg), sem alcançar diferença significativa. No grupo de animais obesos, foi observado aumento na relação média-lumen com 16 semanas (39,93,7 vs 30,22,0 %, p<0,05) e com 22 semanas (39,81,3 vs 29,51,2%, p<0,05), que foi reduzida com o uso da metformina (31,50,9%). O depósito de colágeno na área perivascular no ventrículo esquerdo foi significativamente maior no grupo MSG-22 (1,390,06 vs 0,830,06 % no CON-22, p<0,01), sendo atenuado pela metformina (1,020,04%). No rim, a área seccional transversa das arteríolas intrarrenais foi semelhante entre os grupos (18,52,2 no CON-16; 19,93,7 no MSG-16; 18,93,1 no CON-22; 21,81,5 no MSG-22; 20,21,4 no MET-22). Foi observado aumento da área glomerular no grupo MSG-22 (141,34,5 vs 129,50,5 m2), mas sem significância estatística. Em conclusão, nos ratos com obesidade induzida pelo MSG, com resistência à insulina, as alterações cardíacas foram mais proeminentes do que as alterações renais. No coração foram observados sinais de remodelamento vascular hipertrófico nas pequenas artérias intramiocárdicas e evidências de fibrose miocárdica mais proeminente na área perivascular, alterações que foram, pelo menos parcialmente, atenuadas com o uso de metformina durante seis semanas, mostrando que esta droga pode ser benéfica na prevenção de complicações cardíacas, vasculares e renais associadas com a obesidade. / Many evidences show that obesity is associated to structural and functional changes in the heart of human and animal models. Recent studies also show that human obesity is associated with vascular structural and functional modifications, specially at large and medium-sized arteries. Epidemiological studies have confirmed that obesity is a significant risk factor for the development of proteinuria and end-stage renal disease in a normal population. With the objective to determinate morphological changes related to cardiac, vascular and renal remodeling in an experimental model of monosodium glutamate (MSG)-induced obesity and the effect of metformin at this finding. Twenty five rats were studied and divided into five groups: control with 16 e 22 weeks (CON-16 and CON-22); obese with 16 and 22 weeks (MSG-16 e MSG-22), and obese + metformin (MET-22) 300mg/Kg/day per oral. The characterization of insulin resistance was done through measurement of plasma insulin and calculation of HOMA-IR index. The morphological analysis and the quantification of myocardial collagen were carried out by Image Pro Plus analysis system. The systolic blood pressure was slightly higher in MSG-22 group, reaching statistical significance when compared to MSG-16 group (1222 vs 1082 mmHg, p<0.05). On the other hand, the MET-22 group demonstrated lower blood pressure levels (1181 mmHg), without reaching statistical difference. The obese animals presented increase in media-to-lumen ratio with 16 weeks (39.93.7 vs 30.22.0 %, p<0.05) and with 22 weeks (39.81.3 vs 29.51.2%, p<0.05), which was reduced with use of metformin (31.50.9%). The collagen deposition in perivascular area of left ventricle was significantly greater in MSG-22 group (1.390.06 vs 0.830.06 % in CON-22, p<0.01), and attenuated by metformin (1.020.04%). In the kidney, the media cross-sectional area of intrarenal arterioles was similar among the groups (18.52.2 in CON-16; 19.93.7 in MSG-16; 18.93.1 in CON-22; 21.81.5 in MSG-22; 20.21.4 in MET-22). An increase of glomerular area was observed in MSG-22 group (141.34.5 vs 129.50.5 m2), but without statistical significance. In conclusion, rats with MSG-induced obesity and insulin resistance presented more pronounced cardiac changes than renal alterations. In the heart, there were evidences of hypertrophic vascular remodeling were observed in intramyocardial small arteries and perivascular fibrosis. These findings were, at least partially, attenuated by metformin for six weeks, suggesting that this drug may be beneficial for prevention of cardiac, vascular and renal complications associated with obesity.

Les kinases régulées par les signaux extracellulaires (ERK1/2) régulent une multitude de processus cellulaires, incluant la prolifération, la survie et la différenciation. Ces kinases représentent l’élément terminal de la voie ERK/MAPK, laquelle est activée dans près de 30% de tous les cancers humains et donc généralement perçue comme étant un effecteur critique de la progression tumorale. Cependant, une accumulation d’observations suggèrent que les kinases ERK pourraient également induire la suppression tumorale. Le but premier de cette thèse est de démontrer comment la signalisation par ERK peut contribuer à la suppression tumorale et de concilier les mécanismes impliqués avec son rôle dans la progression du cancer. Puisque nos travaux ont une incidence sur les bénéfices attendus de certaines thérapies actuellement en développement, le deuxième objectif de la thèse est de proposer de nouvelles stratégies thérapeutiques pour combattre le cancer. Nous avons démontré qu’une hyperactivation des kinases ERK induit la sénescence cellulaire. Le mécanisme implique la dégradation sélective et dépendante du protéasome de nombreuses protéines, ce que nous avons nommé le SAPD (Senescence-Associated Protein Degradation). Ce processus cible des protéines requises pour différentes fonctions cellulaires, incluant la progression du cycle cellulaire, les fonctions mitochondriales et la biogenèse des ribosomes. Ensuite, nos résultats montrent qu’en plus d’inhiber l’établissement de la sénescence, une diminution de la signalisation par les kinases ERK favorise la reprogrammation cellulaire, laquelle permet aux cellules précancéreuses de développer leur tumorigénicité et aux cellules cancéreuses d’acquérir des propriétés attribuables aux cellules souches. Ces observations suggèrent que les mécanismes qui inhibent la voie ERK/MAPK pourraient favoriser l’initiation du cancer, la formation de métastases et la résistance à diverses thérapies. Enfin, nous avons démontré que la metformine, utilisée pour le traitement du diabète, inhibe le facteur de transcription NF-kB. Ce dernier joue un rôle central dans la reprogrammation cellulaire et dans la production de cytokines pro-inflammatoires nocives par les cellules sénescentes. Ainsi, nous émettons l’hypothèse que la metformine pourrait être utilisée en combinaison avec certaines thérapies afin d’éviter les effets secondaires tant d’une inhibition des kinases ERK que d’une hyperactivation. Globalement, les résultats présentés démontrent que l’effet de la voie ERK/MAPK dépend de la force de son activation. Alors qu’une activation modérée peut contribuer à la prolifération de la plupart des cellules, une forte activation induit la sénescence tandis qu’au contraire, une faible activation favorise la reprogrammation des cellules cancéreuses et donc une augmentation de l’agressivité de la tumeur. Cette polyvalence de la voie suggère une certaine prudence face à l’usage des inhibiteurs de la voie ERK/MAPK. Cependant, elle nous motive à travailler au développement de nouvelles stratégies thérapeutiques, lesquelles pourraient inclure la metformine. / The Extracellular Signal-Regulated Kinases (ERK1/2) regulate multiple cellular processes such as proliferation, survival and differentiation. These kinases are the last component of the ERK/MAPK pathway, which is activated in about 30% of all human cancers. Therefore, current thinking proposes that the ERK/MAPK pathway is a critical mediator of tumor progression. However, a steadily growing number of observations suggest that ERK kinases could trigger tumor suppression as well. The first aim of this thesis is to determine how ERK signaling triggers tumor suppression and to try to reconcile these mechanisms with its putative contribution to tumor progression. Since our work has a profound impact on the value of some therapies currently in development, the second aim of the thesis is to propose new strategies to fight cancer. We found that hyperactivation of the ERK kinases induces cellular senescence. Mechanistically, this involves selective proteasome-dependent protein degradation. This “Senescence-Associated Protein Degradation” (SAPD) targets proteins required for several cellular functions, including cell cycle progression, mitochondrial functions and ribosome biogenesis. Furthermore, our results showed that downregulation of ERK signaling not only inhibits the establishment of senescence but promotes cellular reprogramming, thereby allowing precancerous cells to gain tumorigenicity and cancer cells to acquire stem cell-like properties. These results suggest that mechanisms downregulating the ERK/MAPK pathway could promote cancer initiation, metastasis and resistance to multiple therapies. Finally, we demonstrated that the antidiabetic drug metformin targets the transcription factor NF-kB. The latter plays a central role in reprogramming, but also in the generation of deleterious pro-inflammatory cytokines by senescent cells. Hence, we suggest that metformin could be used in combination with other therapies to avoid the side effects of either downregulating or overactivating ERK signaling. Taken together, the results presented in this thesis demonstrate that the outcome of the ERK/MAPK pathway activity depends on signaling strength. While a moderate activation of the pathway may contribute to cell proliferation, a strong activation induces senescence and, conversely, a low activation promotes cancer cell reprogramming. This versatility of the pathway suggests caution with the use of ERK/MAPK pathway inhibitors, but motivates us to develop new therapeutic strategies, which could include metformin.

Le diabète de type 2 (DT2) apparaît lorsque la sécrétion d’insuline par les cellules β des îlots du pancréas ne parvient plus à compenser la résistance à l’insuline des organes cibles. Parmi les médicaments disponibles pour traiter le DT2, deux classes agissent en améliorant la sensibilité à l’insuline : les biguanides (metformine) et les thiazolidinediones (pioglitazone et rosiglitazone). Des études suggèrent que ces médicaments protègent également la fonction des cellules β. Dans le but d’identifier des mécanismes par lesquels les médicaments insulinosensibilisateurs protègent les cellules β, nous avons étudié les effets aigus de la metformine et de la pioglitazone sur le métabolisme et la fonction des cellules INS 832/13, sécrétrices d’insuline et des îlots pancréatiques isolés de rats. Nous avons aussi validé in vivo avec des rats Wistar les principales observations obtenues en présence de pioglitazone grâce à des clamps glucidiques et par calorimétrie indirecte. Le traitement aigu des cellules β avec de la pioglitazone ou de la metformine inhibe la sécrétion d’insuline induite par le glucose en diminuant la sensibilité des cellules au glucose (inhibition en présence de concentrations intermédiaires de glucose seulement). Dans les mêmes conditions, les traitements inhibent aussi plusieurs paramètres du métabolisme mitochondrial des nutriments et, pour la pioglitazone, du métabolisme des lipides. Les composés affectent le métabolisme en suivant un patron d’inhibition similaire à celui observé pour la sécrétion d’insuline, que nous avons nommé « décélération métabolique ». La capacité de la pioglitazone à inhiber la sécrétion d’insuline et à ralentir le métabolisme mitochondrial de façon aigüe se confirme in vivo. En conclusion, nous avons identifié la décélération métabolique de la cellule β comme nouveau mode d’action pour les médicaments insulinosensibilisateurs. La décélération métabolique causée par les agents insulinosensibilisateurs les plus utilisés semble provenir d’une inhibition du métabolisme mitochondrial et pourrait être impliquée dans les bienfaits de ceux-ci dans un contexte de stress métabolique. Le fait que les deux agents insulinosensibilisateurs étudiés agissent à la fois sur la sensibilité à l’insuline et sur la sécrétion d’insuline, les deux composantes majeures du DT2, pourrait expliquer pourquoi ils sont parmi les agents antidiabétiques les plus efficaces. La décélération métabolique est une approche thérapeutique à considérer pour le traitement du DT2 et d’autres maladies métaboliques. / Type 2 diabetes (T2D) appears when insulin secretion by pancreatic β-cells fails to compensate for insulin resistance. Two classes of anti-diabetic drugs have been used to target insulin resistance: biguanides (metformin) and thiazolidinediones (pioglitazone and rosiglitazone). Some studies suggest that these compounds also protect β-cell function. In order to identify the mechanisms whereby insulin-sensitizing agents protect β-cell function, we used INS 832/13 insulin secreting cells and isolated pancreatic rat islets to study the acute effects of pioglitazone and metformin on β-cell metabolism and function. Key observations obtained with pioglitazone were also validated in vivo in Wistar rats with the use of glucose clamps and indirect calorimetry. In vitro, acute pioglitazone or metformin treatment inhibits glucose-induced insulin secretion by lowering β-cell sensitivity to glucose (inhibition only at sub-maximal glucose concentrations). The same treatments also inhibit parameters of nutrient mitochondrial metabolism and, in the case of pioglitazone, parameters of lipid metabolism. Both compounds alter metabolism following a pattern similar to that observed with insulin secretion, a pattern that we label “metabolic deceleration”. Pioglitazone also acutely inhibits insulin secretion and slows down mitochondrial metabolism in vivo. In conclusion, we identified metabolic deceleration of the pancreatic β-cell as a new mode of action for insulin-sensitizing agents. Pioglitazone and metformin both seem to cause metabolic deceleration of the β-cell via inhibition of mitochondrial metabolism. This mode of action could participate in the beneficial effects of these compounds in the context of metabolic stress. The fact that these drugs affect both insulin sensitivity and insulin secretion, the two major components of T2D, may explain why they are among the most powerful anti-diabetic agents. Metabolic deceleration is a new therapeutic approach worth considering for the treatment of T2D and other metabolic diseases.

Jusqu’à présent, la metformine a principalement été employée comme médicament contrôlant l’hyperglycémie des personnes atteintes de diabète de type II. Des études épidémiologiques ont démontré que les personnes, prenant de la metformine, développent moins de cancers. Par exemple, la prise de metformine réduit respectivement de 78% et de 46% les chances de développer un cancer hépatique ou pancréatique. Récemment, il a été montré que la metformine permet de réduire le développement de tumeur au niveau de la peau, suite à l’exposition à des rayons UVB. Dans cette étude, j’ai démontré que la présence de metformine permet une meilleure survie de la levure Saccharomyces cerevisiae suite à l’exposition à des rayons UVC ou UVA. De plus, j’ai démontré que la présence de metformine augmente le recrutement de l’histone Htz1 à la chromatine. Pour une souche htz1Δ, le niveau de survie suite à l’exposition aux rayons UVA est considérablement diminué. Htz1 permet le recrutement de Rad14 au site de dommages à l’ADN faits par les rayons UV. Htz1 est donc important pour la détection de ces sites. Enfin, le recrutement nucléaire de Rad14 en présence de metformine a considérablement augmenté. En absence de Rad14, le niveau de survie suite à l’exposition aux rayons UVA diminue significativement. Donc, Htz1 et Rad14 sont deux protéines clés dans la protection contre les rayons UV apportés par la metformine. En conclusion, avec les différents résultats de cette étude, il est possible de dire que la metformine permet une forme de protection contre les rayons UVC et UVA. / Recently, metformin has been widely used to treat hyperglycemia of humans that have type II diabetes mellitus. Recently, some epidemiological studies have showed that populations of individuals being treated with metformin showed lower incidence of cancer. For example, there is a 78 % and 46 % reduction in the incidences of liver and pancreatic cancers, respectively. It has also been demonstrated that metformin protects against skin cancers caused by ultraviolet radiation-B (UVB) DNA damage. In this study, I have demonstrated that metformin significantly protects the budding yeast Saccharomyces cerevisiae from ultraviolet radiation-C (UVC) and from ultraviolet radiation-A (UVA)-induced death. I also showed that metformin increases the recruitment of the histone Htz1 linked to chromatin. In an htz1Δ strain, the metformin protection from UVAinduced death is significantly reduced. Htz1 is important for the recruitment of Rad14 to sites of DNA damage, important for the detection of these sites. Furthermore, nuclear recruitment of Rad14 was significantly increased in cells previously treated with metformin. In the absence of Htz1, the survival rate to UVA exposure in presence of metformin drops significantly. So, Htz1 and Rad14 are two key proteins involved in the protection by metformin against UV DNA damage. With all the results of this study, it was shown that metformin can confer some protection against UVC and UVA for yeast.

Le cancer du pancréas est l’un des plus chimiorésistants, avec un taux de survie sur 5 ans inférieur à 5%. La chimiorésistance pourrait être due à la présence de cellules initiatrices de tumeur (TICs), une petite sous-population des cellules tumorales possédant la capacité de régénérer une nouvelle tumeur. Il a été démontré que la metformine cible les TICs par un mécanisme non élucidé. Il est connu que la metformine affecte le métabolisme du carbone. Il a également été démontré que le métabolisme du carbone, plus précisément la glycine décarboxylase (GLDC), est à la fois nécessaire et suffisant à l’acquisition de propriétés d’initiation tumorale. Nous proposons que la metformine cible les cellules initiatrices de tumeur en affectant le métabolisme du carbone. Nous avons utilisé des lignées cellulaires dérivées d’un modèle murin de cancer du pancréas pour comparer l’expression génique de lésions bénignes versus malignes. Les cellules malignes surexpriment Gldc. La metformine diminue l’expression de Gldc, et la surexpression de Gldc diminue la sensibilité à la metformine dans un essai de sphères tumorales. La metformine induit une augmentation du ratio NADP+/NADPH, et la surexpression de Gldc empêche cette augmentation. Nous proposons que la metformine diminue l’expression de Gldc, ce qui cause une diminution du flux du métabolisme du carbone, et donc une diminution de la production de NADPH par ce dernier. L’augmentation du ratio NADP+/NADPH inhibe la synthèse des acides gras et la régénération de la glutathione, ce qui pourrait expliquer la diminution de la formation de sphères tumorales sous traitement metformine. / Pancreatic cancer is one of the most chemoresistant cancers, with a 5-year survival rate lesser than 5%. Chemoresistance might be due to the presence of tumor-initiating cells (TICs), a small subpopulation of tumor cells with stem-like characteristics which possess the unique ability to self-renew and to generate a new tumor. Metformin has been shown to affect TICs in various cancer types, but the mechanism through which it does so is unclear. It is known that metformin affects one-carbon metabolism. It has also been shown that one-carbon metabolism, more precisely the glycine decarboxylase (GLDC) enzyme, is both necessary and sufficient to the acquisition of tumor-initiating properties. Considering this, we propose that metformin affects TICs by targeting one-carbon metabolism. Using cell lines derived from a genetically engineered mouse model of pancreatic cancer, we compared gene expression data from cells derived from benign pancreatic neoplasia with cells derived from pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), and found that PDAC cells exhibited a dramatic increase in Gldc expression. Metformin treatment decreases Gldc expression in PDAC cell lines, and Gldc overexpression greatly decreases metformin sensitivity in a tumor sphere assay. Metformin induces an increase in NADP+/NADPH ratio, which is rescued by Gldc overexpression. We propose a model in which metformin decreases Gldc expression, which causes reduced flux through mitochondrial one-carbon metabolism. This results in decreased NADPH production by this pathway. This increase in NADP+/NADPH ratio impairs fatty acid biosynthesis and glutathione regeneration. Together these effects might explain the decrease of tumor sphere formation under metformin treatment.

Evidências disponíveis na literatura sugerem uma conexão entre ingestão de frutose, síndrome metabólica e declínio cognitivo. Na sociedade ocidental, o aumento de casos de síndrome metabólica ocorreu em paralelo ao aumento do consumo de excesso de frutose na dieta. Além disso, animais que consomem excesso de frutose em sua dieta apresentam alterações típicas de resistência à insulina em seus cérebros, além de desenvolverem declínio cognitivo. Sabe-se que exercício físico é capaz de prevenir atrofia do hipocampo e atenuar declínio cognitivo. O objetivo desse estudo foi avaliar se exercício aeróbico é capaz de prevenir o declínio cognitivo associado a um excesso de frutose na dieta e investigar os mecanismos pelos quais isso poderia ocorrer. Ratos Wistar machos foram divididos em quatro grupos: controle sedentário, exercício, frutose sedentário e frutose+exercício. A memória operacional foi testada através do labirinto de Barnes. A sinalização de insulina e de moléculas relacionadas ao exercício foram avaliados no hipocampo e no músculo quadríceps através de Western Blot e PCR em tempo real. A ingestão de excesso de frutose induziu declínio cognitivo que não foi atenuado pelo exercício. O hipocampo dos animais que ingeriram frutose não apresentou deficiência na sinalização de insulina, mas apresentou leve diminuição em BDNF e sinaptofisina, o que foi acompanhado de diminuição significativa da expressão de PGC1alfa tanto no músculo quanto no hipocampo. O musculo quadríceps dos animais alimentados com frutose também mostrou uma diminuição significativa na expressão da miocina irisina (FNDC5) e de genes ligados à autofagia, ao transporte de glicose (GLUT4) e à oxidação de ácidos graxos (NR4A3, PPAR?, Erralfa). Treino aeróbico foi incapaz de reverter todas essas alterações. Em contraste, tratamento metformina foi capaz de prevenir o declínio cognitivo de animais que ingeriram excesso de frutose. Podemos concluir que ingestão de frutose prejudicou a expressão de genes críticos à adaptação do músculo ao exercício e, como resultado, atenuou efeitos benéficos do exercício no cérebro. Tratamento com metformina preveniu a queda na expressão de FNDC5 e BDNF e, consequentemente, o declínio cognitivo em ratos alimentados com frutose através de uma ação direta no cérebro, apesar de não prevenir os efeitos deletérios da frutose no músculo esquelético / Available evidence in the literature suggests a link between fructose ingestion, Metabolic Syndrome and cognitive impairment. In Western society, the rise in the frequency of Metabolic Syndrome was paralleled by a rise in consumption of a high fructose diet. Moreover, molecular alterations typically related to insulin resistance have been found in brains of fructose-induced insulin-resistant rats, and these rodents also develop cognitive deterioration. Physical exercise is well known to prevent hippocampal atrophy and to attenuate cognitive decline. The objective of this study was to evaluate if aerobic training can ameliorate cognitive decline associated with excessive fructose ingestion and to investigate the pathways through which this might occur. Male Wistar rats were divided into four groups: sedentary control, exercise, sedentary fructose, fructose+exercise. Working memory was assessed on the Barnes Maze. Intracellular insulin and exercise-related signaling molecules of the hippocampus and quadriceps femori were assayed using Western blot and Real time PCR. Fructose ingestion induced cognitive decline which was not attenuated by exercise. Insulin signaling was not impaired in the hippocampus in the fructose-fed animals, but there was a slight decrease in BDNF and synaptophysin in the hippocampus, accompanied by a significant decrease in exercise-induced expression of PGC1alpha both in the hippocampus and the muscle of exercised animals that ingested fructose. The quadriceps femori of fructose-fed animals also showed a significant decrease in expression of the myokine irisin (FNDC5) and of genes related to autophagy, glucose transport (GLUT4) and fatty acid oxidation (NR4A3, PPAR?, Err alpha). Exercise training was unable to reverse all of these alterations. Contrarily, metformin administration ameliorated cognitive decline in fructose-fed rats. We conclude that fructose feeding impaired expression of genes that are critical to skeletal muscle adaptation to exercise, which in turn attenuated the beneficial effects of exercise in the brain. Treatment with metformin was able to prevent the decline in expression of FNDC5 and BDNF ameliorating cognitive decline in fructose fed rats by direct action in the brain, despite being unable to reverse the effects of fructose feeding in the muscle

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / IntroduÃÃo: A Cissus verticillata à uma planta, utilizada popularmente como antidiabÃtica e antiinflamatÃria, Objetivos: Investigar as atividades antidiabÃtica, analgÃsica, antiinflamatÃria e antioxidante da FraÃÃo SolÃvel em Metanol (FSM), FraÃÃo Rica em Tiramina (FRT) e tiramina (TIR) isolados de Cissus verticillata. Material e MÃtodos: Ratos Wistar, machos, foram tratados por via oral com a FSM (50 e 100 mg/kg), glibenclamida(GLI, 5 mg/kg), Ãgua destilada ou glicose), e o sangue coletado antes e 30, 60, 90 e 120 min apÃs à glicose (3g/kg) para medir a hipoglicemia. Na avaliaÃÃo da glicemia em ratos normais, os animais foram tratados com a FSM (100 mg/kg), GLI (5 mg/kg) ou Ãgua destilada e a glicemia medida antes e 5 dias depois do tratamento. O diabetes foi induzidos com aloxano (40 mg/kg, i.v) e apÃs 48 h, os animais foram tratados por via oral com a FSM (100 mg/kg), GLI (5 mg/kg) e TIR (2 e 4 mg/kg) e a glicemia determinada antes e 30, 60, 90 e 120 min apÃs à glicose. Outros grupos de animais diabÃticos foram tratados com a FSM (50 e 100 mg/kg), FRT (100 mg/kg), TIR (1- 4 mg/kg), GLI (2,5 e 5 mg/kg), MET (50 e 100 mg/kg) e 5 dias depois, o sangue foi coletado para avaliaÃÃo da glicemia, triglicerÃdios, VLDL, colesterol total, HDL, AST, ALT, urÃia e creatinina. Os animais que sobreviveram foram sacrificados, dissecados o pÃncreas e o fÃgado, e os ÃrgÃos foram usados para a avaliaÃÃo histopatolÃgica, sendo este Ãltimo tambÃm utilizado para avaliaÃÃo da atividade antioxidante (TBARS, GSH, catalase e nitritos/nitratos). Para determinaÃÃo da hemoglobina glicada in vitro foi utilizado sangue de ratos nÃo-diabÃticos incubados com D-glicose (50mM) e FSM ou TIR (50 &#61549;g/ml). Na dosagem do glicogÃnio hepÃtico, ratos diabÃticos foram tratados por 10 dias com a FSM. A avaliaÃÃo da atividade analgÃsica foi realizada em camundongos Swiss, machos, tratados com a FSM (50 e 100 mg/kg, v.o.), TIR (1,2 e 4 mg/kg), GLI ( 5 mg/kg) e MOR (10 mg/kg,.) no teste da formalina. A atividade antiinflamatÃria foi analisada com os modelos do edema de pata induzido por carragenina ou dextrano, em ratos e camundongos tratados com FSM (50 e 100 e 200 mg/kg), TIR (1- 4 mg/kg), GLI ( 5 mg/kg), INDO (5 mg/kg) e CIPRO (5 e 10 mg/kg,v.o.). Resultados: A FSM demonstrou pequena atividade hipoglicemiante no teste de tolerÃncia a glicose em ratos normais e foi ineficaz em diabÃticos. A FSM reduziu a glicemia em ratos normais, enquanto a TIR nÃo teve efeito. O tratamento de ratos diabÃticos durante 5 dias com a FSM, FRT, TIR, GLI e MET reduziu a glicemia, triglicerÃdios, VLDL, urÃia e creatinina. Nenhuma potencializaÃÃo do efeito hipoglicÃmico foi observado com a associaÃÃo de FSM + TIR ou GLI + TIR. Os estudos histopatolÃgicos mostraram regeneraÃÃo das lesÃes e aumento do nÃmero de cÃlulas &#61538; apÃs tratamento dos animais diabÃticos com a FSM, TIR e GLI. A FSM e TIR mostraram atividade antioxiodante, como aumento no nÃvel de GSH e reduÃÃo nos nÃveis de catalase e nitritos. A FRT aumentou somente o GSH. A FSM e TIR reduziram a hemoglobina glicada, demonstraram potente atividade analgÃsica, mas foram ineficazes como antiinflamatÃrias. A FSM e TIR nÃo reverteram a hiperglicemia induzida pelo diazÃxido, um bloqueador dos canais de potÃssio. MET e TIR reduziram a glicemia, triglicerÃdios, VLDL, urÃia e creatinina, e os efeitos hipoglicemiantes foram potencializados quando essas duas drogas foram associadas. ConclusÃo: Estes resultados confirmam a atividade hipoglicemiante da FSM. O mecanismo de aÃÃo nÃo parece ser similar aquele apresentado pelas sulfonilurÃias. A potencializaÃÃo do efeito hipoglicemiante da TIR foi observada apÃs sua associaÃÃo com MET, sugerindo que o mecanismo de aÃÃo dos constituintes hipoglicÃmicos de C. verticillata à similar ao das biguanidas. Posteriormente, a FSM e TIR apresentaram atividade antioxidante, reduzidos nÃveis de hemoglobina glicada, aumento do glicogÃnio hepÃtico, e no nÃmero de cÃlulas &#61538; pancreÃticas, sugerindo que essas drogas diminuem a toxicidade hepÃtica e pancreÃtica. Embora a atividade antiinflamatÃria tenha sido marginal, seu efeito foi potencializado pela associaÃÃo com TIR, indicando que a TIR à um dos principais constituintes bioativos de Cissus verticillata. / IntroduÃÃo: A Cissus verticillata à uma planta, utilizada popularmente como antidiabÃtica e antiinflamatÃria, Objetivos: Investigar as atividades antidiabÃtica, analgÃsica, antiinflamatÃria e antioxidante da FraÃÃo SolÃvel em Metanol (FSM), FraÃÃo Rica em Tiramina (FRT) e tiramina (TIR) isolados de Cissus verticillata. Material e MÃtodos: Ratos Wistar, machos, foram tratados por via oral com a FSM (50 e 100 mg/kg), glibenclamida(GLI, 5 mg/kg), Ãgua destilada ou glicose), e o sangue coletado antes e 30, 60, 90 e 120 min apÃs à glicose (3g/kg) para medir a hipoglicemia. Na avaliaÃÃo da glicemia em ratos normais, os animais foram tratados com a FSM (100 mg/kg), GLI (5 mg/kg) ou Ãgua destilada e a glicemia medida antes e 5 dias depois do tratamento. O diabetes foi induzidos com aloxano (40 mg/kg, i.v) e apÃs 48 h, os animais foram tratados por via oral com a FSM (100 mg/kg), GLI (5 mg/kg) e TIR (2 e 4 mg/kg) e a glicemia determinada antes e 30, 60, 90 e 120 min apÃs à glicose. Outros grupos de animais diabÃticos foram tratados com a FSM (50 e 100 mg/kg), FRT (100 mg/kg), TIR (1- 4 mg/kg), GLI (2,5 e 5 mg/kg), MET (50 e 100 mg/kg) e 5 dias depois, o sangue foi coletado para avaliaÃÃo da glicemia, triglicerÃdios, VLDL, colesterol total, HDL, AST, ALT, urÃia e creatinina. Os animais que sobreviveram foram sacrificados, dissecados o pÃncreas e o fÃgado, e os ÃrgÃos foram usados para a avaliaÃÃo histopatolÃgica, sendo este Ãltimo tambÃm utilizado para avaliaÃÃo da atividade antioxidante (TBARS, GSH, catalase e nitritos/nitratos). Para determinaÃÃo da hemoglobina glicada in vitro foi utilizado sangue de ratos nÃo-diabÃticos incubados com D-glicose (50mM) e FSM ou TIR (50 &#61549;g/ml). Na dosagem do glicogÃnio hepÃtico, ratos diabÃticos foram tratados por 10 dias com a FSM. A avaliaÃÃo da atividade analgÃsica foi realizada em camundongos Swiss, machos, tratados com a FSM (50 e 100 mg/kg, v.o.), TIR (1,2 e 4 mg/kg), GLI ( 5 mg/kg) e MOR (10 mg/kg,.) no teste da formalina. A atividade antiinflamatÃria foi analisada com os modelos do edema de pata induzido por carragenina ou dextrano, em ratos e camundongos tratados com FSM (50 e 100 e 200 mg/kg), TIR (1- 4 mg/kg), GLI ( 5 mg/kg), INDO (5 mg/kg) e CIPRO (5 e 10 mg/kg,v.o.). Resultados: A FSM demonstrou pequena atividade hipoglicemiante no teste de tolerÃncia a glicose em ratos normais e foi ineficaz em diabÃticos. A FSM reduziu a glicemia em ratos normais, enquanto a TIR nÃo teve efeito. O tratamento de ratos diabÃticos durante 5 dias com a FSM, FRT, TIR, GLI e MET reduziu a glicemia, triglicerÃdios, VLDL, urÃia e creatinina. Nenhuma potencializaÃÃo do efeito hipoglicÃmico foi observado com a associaÃÃo de FSM + TIR ou GLI + TIR. Os estudos histopatolÃgicos mostraram regeneraÃÃo das lesÃes e aumento do nÃmero de cÃlulas &#61538; apÃs tratamento dos animais diabÃticos com a FSM, TIR e GLI. A FSM e TIR mostraram atividade antioxiodante, como aumento no nÃvel de GSH e reduÃÃo nos nÃveis de catalase e nitritos. A FRT aumentou somente o GSH. A FSM e TIR reduziram a hemoglobina glicada, demonstraram potente atividade analgÃsica, mas foram ineficazes como antiinflamatÃrias. A FSM e TIR nÃo reverteram a hiperglicemia induzida pelo diazÃxido, um bloqueador dos canais de potÃssio. MET e TIR reduziram a glicemia, triglicerÃdios, VLDL, urÃia e creatinina, e os efeitos hipoglicemiantes foram potencializados quando essas duas drogas foram associadas. ConclusÃo: Estes resultados confirmam a atividade hipoglicemiante da FSM. O mecanismo de aÃÃo nÃo parece ser similar aquele apresentado pelas sulfonilurÃias. A potencializaÃÃo do efeito hipoglicemiante da TIR foi observada apÃs sua associaÃÃo com MET, sugerindo que o mecanismo de aÃÃo dos constituintes hipoglicÃmicos de C. verticillata à similar ao das biguanidas. Posteriormente, a FSM e TIR apresentaram atividade antioxidante, reduzidos nÃveis de hemoglobina glicada, aumento do glicogÃnio hepÃtico, e no nÃmero de cÃlulas &#61538; pancreÃticas, sugerindo que essas drogas diminuem a toxicidade hepÃtica e pancreÃtica. Embora a atividade antiinflamatÃria tenha sido marginal, seu efeito foi potencializado pela associaÃÃo com TIR, indicando que a TIR à um dos principais constituintes bioativos de Cissus verticillata.