Il est désormais clairement établi que la vélocité de croissance dans les premiers mois de la vie influence le risque d’apparition de maladies métaboliques, telles que l’obésité à l’âge adulte. L’un des mécanismes sous-jacents à cette programmation néonatale pourrait mettre en jeu des perturbations de l’environnement hormonal périnatal pendant des périodes critiques du développement. Cette hypothèse repose sur des travaux réalisés au laboratoire montrant que pendant le développement postnatal, des hormones telles que la ghréline et la leptine peuvent influencer le développement des circuits neuronaux impliqués dans la régulation de la prise alimentaire à l’âge adulte. Dans ce contexte, l’objectif général de ce travail de thèse a été de définir les médiateurs hormonaux par lesquels l’environnement nutritionnel périnatal peut influencer le développement de maladies métaboliques à l’âge adulte. Une attention particulière a été portée à la contribution de la ghréline et de la leptine.Pour induire une surnutrition postnatale, nous avons utilisé un modèle murin de surnutrition postnatale induit par la réduction de la taille de portées. Au troisième jour de vie post-natale, les portées ont été réduites à 3 petits (SL) pour induire une suralimentation et les portées contrôles ont conservé 7 petits. Comparées aux souris NL, les souris SL présentent un gain de poids rapide pendant la lactation, et présentent un surpoids à l'âge adulte même sous régime de nourriture standard. A l’âge adulte, les souris SL ont une adiposité et une glycémie à jeun plus élevée. Sous régime « obésogène » les souris SL présentent également une prise de poids et de graisse plus importante que les souris NL. La première partie de ces travaux a été dédiée à l’étude de la nutrition périnatale sur le développement du système ghrélinergique. Les souris SL présentent des taux réduits de ghréline total et active pedant la troisième semaine de vie post-natale. Ces diminutions des taux de ghréline sont associées à une diminution de l’expression de ghreline dans l'estomac. La normalisation de la ghrélinémie ne parvient pas à restaurer un phénotype métabolique normale chez les souris SL ce qui suggère que les souriceaux SL présenteraient une résistance a la ghréline. En accord avec cette hypothèse, les souriceaux SL présente une atténuation de la réponse centrale suite à l’injection périphérique de ghréline. Les mécanismes sous-jacents à cette résistance à la ghréline semblent mettre en jeu un défaut de transport de l’hormone via les tanycytes de l’éminence médiane. La seconde partie de mon travail de thèse a consisté à étudier l’importance de la leptine dans la programmation nutritionnelle. Etant connu que les souris SL présent des taux anormalement élevés de leptine pendant la deuxième semaine de vie postnatale, nous avons émis l’hypothèse que le blocage partiel de la leptine chez les souris SL pourrait avoir des effets bénéfiques sur le métabolisme de ces souris. Les animaux injectés néonatalement avec l’antagoniste de la leptine ne présentent pas de différences de poids par rapport aux animaux contrôles. En revanche, l’injection de l’antagoniste de la leptine chez les souriceaux SL induit une amélioration de leur masse grasse et une normalisation de leur glycémie. Cette amélioration du phénotype métabolique des souris SL est associée à un rétablissement de la sensibilité centrale à l’hormone leptine.Ainsi, les travaux réalisés au cours de ce doctorat confortent l’importance de l’environnement hormonal périnatal, en particulier de la ghéline et de la leptine, dans la programmation nutritionnelle. / Rapid weight gain after birth is associated with increased risk of metabolic disease in adulthood. This metabolic malprogramming may be mediated by endocrine disturbances during critical periods of development. Several hormones that act on hypothalamic feeding circuits in adulthood to regulate energy homeostasis, such as leptin and ghrelin, are also involved in the postnatal development of these circuits. Previous studies have shown that leptin promotes the growth of axons from the arcuate nucleus of the hypothalamus(ARH), whereas ghrelin inhibits arcuate axon growth. The aim of this thesis was to study whether accelerated growth during early postnatal life is associated with alterations in the ghrelin and leptin systems during postnatal development. Our general objective was also to examine the relative contribution of ghrelin and leptin in the metabolic malprogramming associated with neonatal overnutrition. To manipulate nutrient intake specifically during postnatal (pre-weaning) life, we manipulated litter size on postnatal day 3 by randomly distributing pups among mothers such that small litters (overfed) had 3 pups and normal litters (normal fed) had 7 pups. SL pups gained substantially more weight than NL pups during lactation, and remained overweight throughout adulthood on a standard chow diet. Adult SL mice displayed increased adiposity and and elevated fasting glucose levels. Adult SL mice also gained more weight and fat when exposed to an obesogenic diet. During postnatal development, SL pups displayed reduced total and active circulating ghrelin levels compared to NL pups, particularly during the third week postnatal week. This was associated with decreased stomach expression of ghrelin in the third postnatal week. Normalization of hypoghrelinemia in overnourished pups is relatively ineffective in ameliorating metabolic outcomes, suggesting that SL pups may present ghrelin resistance. Consistent with this idea, pups raised in small litters displayed an impaired central response to peripheral ghrelin. The mechanisms underlying this ghrelin resistance include diminished ghrelin transport into the brain.In addition to marked changes in ghrelin levels, neonatally overnourished pups also display a marked increase in circulating leptin levels during early postnatal life. To investigate whether these abnormally high levels in circulating leptin levels might be causally involved in the central leptin resistance and metabolic programming, we used a competitive leptin antagonist to partially block leptin action in SL and NL mice between P6 and 16, i.e. when when endogenous leptin levels are high in SL mice. Neonatal injection of the leptin antagonist had no effect on postnatal growth or adult body weight. However, SL pups treated with the leptin antagonist displayed a marked reduction in adult fat mass and normalized glucose tolerance and insulin sensitivity. Previous studies reported that SL exhibit early central leptin resistance. Remarkably, pretreatment with leptin antagonist significantly increased leptin-induced pSTAT3 levels in the ARH of SL pups, suggesting that neonatal leptin antagonism may normalize metabolic programming in neonatally overnourished mice by enhancing central leptin sensitivity. Together our data show that early postnatal nutrition influence the pattern of secretion of metabolic hormones and their ability to act on hypothalamic regions involved in appetite regulation. These hormonal alterations may contribute to the metabolic defects observed in subject exposed to overnutrition during early life.

Nous avons étudié les mécanismes adaptatifs induits par une surnutrition hyperlipidique (+757 kcal/j) de 56 jours sur le métabolisme énergétique et le muscle squelettique chez des sujets sains. En parallèle, nous avons étudié les mécanismes adaptatifs induits par une surnutrition en fructose de 7 jours sur le métabolisme énergétique et le muscle squelettique chez des sujets apparentés diabétiques de type 2 et nous avons réalisé des études in vitro sur myotubes humains afin d'identifier le médiateur contribuant aux effets du fructose. Ces deux surnutritions contribuent à augmenter le poids corporel. Ces modifications sont accompagnées par l'oxydation préférentielle des glucides au détriment des lipides. La surnutrition hyperlipidique induit, au niveau musculaire, une diminution de l'expression de PDK4 qui pourrait être la conséquence de la diminution de la concentration en NAD+ associée à la baisse de l'activité de SIRT1 comme supportée par l'hyperacétylation de PGC1alpha. Bien que l'activation de la voie SIRT1/PGC1alpha semble réduite, la surnutrition hyperlipidique est associée à une augmentation de l'expression des gènes liés à la mitochondrie. La surnutrition riche en fructose induit quant à elle, au niveau musculaire, une baisse de l'expression de nombreux gènes liés à l'oxydation des lipides et à la mitochondrie comme CPT1 et MLYCD. Les études in vitro suggèrent que le fructose agit de manière indirecte sur le muscle squelettique. Ce travail de thèse met en lumière les conséquences d'une balance énergétique positive induite par la surconsommation de lipides ou de fructose sur le métabolisme énergétique et l'expression génique du muscle squelettique / We studied the effects of a high-fat overfeeding (+757 kcal/d) during 56 days on energy metabolism and skeletal muscle of healthy subjects. ln parallel, we studied the effects of high fructose overfeeding during 7 days on energy metabolism and skeletal muscle of first-degree relatives of type 2 diabetic patients and we performed in vitro studies with human myotubes to identify the mediator contributing to the fructose effects. High-fat and high-fructose overfeeding both contribute to increase body. These changes are associated with a preferential oxidation of carbohydrates instead of lipid. High-fat overfeeding induces in skeletal muscle, a decrease in PDK4 expression that could be the consequences of decreased NAD+ concentration associated with a decreased SlRT1 activity as supported by the hyperacetylation of PGC1alpha. Although this reduction of the SlRT1/PGC-1alpha pathway appears, the high-fat overfeeding is associated with increased mitochondrial gene expression. The high-fructose overfeeding induces in skeletal muscle a decrease in many genes expression related to lipid oxidation and mitochondria as CPT1 and MLYCD. ln vitro experiments suggest an indirect action of fructose in skeletal muscle. This thesis highlights the consequences of a positive energy balance induced by over- consumption of lipid or fructose, which we can find in the general population, on energy metabolism and skeletal muscle gene expression

Les données épidémiologiques indiquent que le diabète maternel est associé de manière significative aux anomalies congénitales des reins et des voies urinaires (CAKUT), ce qui implique un risque accru de CAKUT chez la progéniture des mères diabétiques par rapport à la population globale. Les causes de CAKUT sont multifactorielles, impliquant des facteurs génétiques et environnementaux. Le récepteur de l’angiotensine II de type 2 (AT2R) est l’un des gènes candidats impliqués dans le CAKUT humain et murin. Bien que de nombreuses études soutiennent l’influence des facteurs génétiques et environnementaux sur le développement rénal et la pathogenèse de CAKUT, les effets du gène AT2R et du milieu hyperglycémique in utero sur le développement rénal et les effets à long terme chez les enfants de mères diabétiques ne sont pas clairs. Cette thèse a pour objectif d'étudier l'influence de chaque facteur individuellement, ainsi que l'interaction entre ces deux facteurs. Premièrement, nous avons examiné si le déficit en AT2R (AT2RKO) altère la glomérulogenèse via la formation, la maturation et l'intégrité des podocytes. Nous avons observé que la glomérulogenèse était diminuée chez les embryons E15 AT2RKO, mais le nombre de néphrons ne présentaient aucune différence entre les nouveaux-nés AT2RKO et les souris de type sauvage. Les souris AT2RKO présentaient une dysplasie rénale avec un volume de touffes glomérulaires et un nombre de podocytes inférieurs à l’âge de trois semaines. Nos études ont démontré que la perte d’AT2R via l’augmentation de la génération des dérivés réactifs de l’oxygène (ROS) induite par la NADPH oxydase 4 (Nox4) stimulait l’interaction avec la protéine Hhip (‘Hedgehog interacting protein’), ce qui déclenchait en outre soit l’apoptose des podocytes par l’activation des voies de la caspase- 3 et de la p53, soit la transition épithéliale-mésenchymateuse des podocytes (EMT) par l’activation de la signalisation TGFβ1–Smad2/3. L'ARNm de Hhip glomérulaire était régulé positivement dans les biopsies rénales chez les patients atteints de glomérulosclérose segmentaire focale (FSGS). Les résultats suggèrent que le déficit en AT2R est associé à une perte ou un dysfonctionnement des podocytes et est dû, au moins en partie, à une expression accrue de Hhip ectopique dans les podocytes. Deuxièmement, nous avons cherché à établir les mécanismes sous-jacents par lesquels un milieu hyperglycémique in utero et un régime riche en graisses (HFD) après le sevrage accélèrent la programmation périnatale des lésions rénales. Nous avons observé que la progéniture des mères atteintes de diabète sévère avait un phénotype de restriction de croissance intra-utérine (IUGR) et avait développé une hypertension légère et des signes d'atteinte rénale à l'âge adulte. De plus, la progéniture nourrie avec une HFD post-sevrage présentait un rattrapage rapide de la croissance puis des lésions rénales associées à une augmentation de l’expression rénale de TGFβ1 et du collagène de type IV, à la production de ROS et à une accumulation de lipides rénaux, mais sans hypertension systémique. Des études in vitro ont démontré que le HFD ou les acides gras libres accéléraient le processus de programmation périnatale des lésions rénales, via une expression accrue de CD36 et de la protéine de liaison aux acides gras (Fabp4) qui cible les ROS, le facteur nucléaire-kappa B et le TGFβ1. Ces résultats indiquent que l'exposition précoce à l'HFD chez les enfants de mères diabétiques ayant subi une IUGR augmente le risque d'apparition de lésions rénales à l’âge adulte, mais pas d'hypertension. En résumé, AT2R joue un rôle essentiel dans la glomérulogenèse et influence l'intégrité et la fonction du podocyte via des altérations de l'expression de Hhip. En outre, les enfants de mères diabétiques ont un risque accru d'hypertension et de lésions rénales; la surnutrition postnatale accélère les lésions rénales chez ces enfants. Bien que le gène AT2R et le milieu hyperglycémique in utero aient tous les deux un impact sur le développement du rein et sur les maladies rénales ultérieures, l'interaction entre ces deux facteurs doit encore faire l'objet d'études supplémentaires. / Epidemiologic data indicate that maternal diabetes significantly associates with congenital anomalies of the kidney and urinary tract (CAKUT), which implies an increased chance of CAKUT in the offspring of mothers with diabetes compared to the general population. The causes of CAKUT are multifactorial, involving genetic and environmental factors. The angiotensin II receptor type 2 (AT2R) is one of the candidate genes to be implicated in both human and murine CAKUT. Although numerous studies support the influence of genetic and environmental factors on kidney development and the pathogenesis of CAKUT, the impacts of the AT2R gene and hyperglycemic milieu in utero on kidney development and long-term outcomes in the offspring of diabetic mothers remain unclear. This thesis aims to investigate the influence of each factor individually, as well as their interaction. Firstly, we investigated whether AT2R deficiency (AT2R knock-out (KO)) impairs glomerulogenesis via podocytes formation, maturation and integrity. We observed that glomerulogenesis is decreased in AT2RKO embryos at embryonic day 15 (E15), but actual nephron numbers are no different between AT2RKO and wild-type newborn mice. AT2RKO mice exhibited renal dysplasia with lower glomerular tuft volume and reduced podocyte numbers at the age of three weeks. Our studies demonstrated that loss of AT2R via NADPH oxidase 4 (Nox4)-derived reactive oxygen species (ROS) generation stimulates ectopic hedgehog interacting protein (Hhip) expression, which further triggers either podocyte apoptosis by the activation of the caspase-3 and p53 pathways or podocyte epithelial–to– mesenchymal transition (EMT) by the activation of TGFβ1–Smad2/3 signaling. Glomerular Hhip mRNA is upregulated in kidney biopsies of patients with focal segmental glomerulosclerosis (FSGS). The results suggest that AT2R deficiency is associated with podocyte loss/dysfunction and is mediated, at least in part, via increased ectopic Hhip expression in podocytes. Secondly, we aimed to establish the underlying mechanisms by which a hyperglycemic milieu in utero and a post-weaning high-fat diet (HFD) accelerate the perinatal programming of kidney injury. We observed that the offspring of dams with severe maternal diabetes have an intrauterine growth restriction (IUGR) phenotype and develop mild hypertension and evidence of kidney injury in adulthood. Moreover, those offspring fed with a post-weaning HFD result in rapid catch-up growth and subsequent profound kidney injury associated with the augmentation of renal TGFβ1 and collagen type IV expression, increased production of ROS, and accumulation of renal lipids, but not systemic hypertension. In vitro studies demonstrated that HFD or free fatty acids accelerate the process of perinatal programming of kidney injury, via increased CD36 and fatty acid-binding protein 4 (Fabp4) expression, which targets ROS, nuclear factor-kappa B and TGFβ1 signaling. These results indicate that early postnatal exposure to HFD in IUGR offspring of diabetic dams increases the risk of later developing kidney injury, but not hypertension. In summary, AT2R plays an essential role in glomerulogenesis and influences the podocyte integrity and function via alterations of Hhip expression. In addition, the offspring of diabetic mothers have an increased risk of hypertension and kidney injury; postnatal overnutrition further accelerates kidney injury in those offspring. Although both AT2R and hyperglycemic milieu in utero have an impact on kidney development and later kidney diseases, the interaction between these two factors still needs further studies.

L’imagerie et la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (IRM et SRM) sont des méthodes non-invasives qui ont le potentiel d’estimer in vivo la quantité et la qualité des adiposités abdominales. Le contexte scientifique et clinique de ce manuscrit s’articule autour de l’étude de surnutrition « Poly-Nut » dont l’un des objectifs est d’analyser les évolutions des tissus adipeux (TA) dans une phase rapide de prise de poids. L’originalité et la complexité de cette thèse résident dans le développement, l’adaptation et la comparaison de plusieurs méthodes quantitatives d’IRM et de SRM, pour l’étude du signal lipidique dans un contexte clinique à 3T. La fiabilité et la validation des mesures obtenues in vivo par ces techniques font ici l’objet d’une étude approfondie. Pour l’analyse quantitative du signal de spectroscopie, différentes méthodes existantes ont été comparées à celle développée spécifiquement pour notre étude clinique. L’estimation paramétrique par moindres carrés non linéaires appliquée aux spectres RMN des lipides peut conduire, selon la fonction modèle utilisée, à un problème non linéaire mal posé. Nous montrons alors que l’utilisation d’un modèle simplifié se fondant sur la structure d’une chaine de triglycéride, comme utilisé récemment en imagerie quantitative, constitue une solution valide au regard de l’état de l’art. Ensuite différentes méthodes (IRM, SRM, Dual Energy X-ray absorptiometry, chromatographie en phase gazeuse) ont été utilisées pour caractériser les TA sous-cutanés et viscéraux. Le suivi par IRM du contenu lipidique du foie ainsi que du volume et de la composition en acide gras des TA à partir d’une unique acquisition en multi-écho de gradient est démontré. Enfin des développements expérimentaux menés parallèlement à l’étude clinique sur un imageur préclinique à 4,7T, comparent différentes stratégies d’encodage du déplacement chimique par imagerie et caractérisent des méthodes SRM pour estimer in vivo la proportion d’omégas-3 dans les chaînes d’acides gras. / Magnetic resonance imaging and spectroscopy (MRI and MRS) are non-invasive methods that have the potential to estimate in vivo the quantity and the quality of abdominal adipose tissues (AT). The scientific and clinical context of this thesis is based on an overfeeding study entitled "Poly-Nut". One of the main objectives of this study is to analyze changes in adipose tissues in a rapid phase of weight gain. The originality and complexity of this thesis rely in the development, adaptation and comparison of several quantitative methods of MRI and MRS, for the study of lipid signal, in a clinical context, at 3T. The reliability and the validation of the measurements obtained in vivo using these techniques are the main subject of this PhD thesis. For the quantitative analysis of the spectroscopy signal, different existing methods have been compared to those developed specifically for our clinical study. According to the model function used, the nonlinear-least-squares parametric estimation applied to the lipid spectra can lead to an ill-posed nonlinear problem. We demonstrated that the use of a simplified model based on the structure of a triglyceride chain, as recently used in quantitative imaging, was a valid solution regarding the state of the art. Then different methods (MRI, MRS, Dual Energy X-ray absorptiometry, gas chromatography) were used to characterize the subcutaneous and visceral AT. We demonstrated the feasibility of MRI to follow the lipid content in the liver as well as the volume and the fatty acid composition of AT using a single multiple gradient-echo acquisition. Finally, experimental developments were carried out in parallel with the clinical study, on a 4.7T preclinical system, first, to compare different strategies for encoding the chemical shift using imaging and, secondly, to characterize MRS methods for in vivo estimation of the relative proportion of omega-3 among all fatty acids.