Cortisol is a glucocorticoid produced by the zona fasciculata (ZF) of the adrenal cortex. Traditionally, cortisol production and release was seen as being regulated strictly by adrenocorticotropic hormone (ACTH). While this is true of baseline cortisol levels and in response to acute mental stress, the picture is somewhat more complicated in other situations.Interleukin-6 (IL-6) contributes to the maintenance of cortisol levels in situations of prolonged immune or inflammatory stress. AMP activated protein kinase (AMPK) was investigated as a possible mediator of the action of IL-6 or as an independent actor in raising cortisol levels in response to hypoxemic or hypoglycemic stress.5-aminoimidazole-4-carboxamide 1-b-D-ribofuranoside (AICAR) was used to activate AMPK. Bovine ZF tissue fragments were exposed to AICAR alone and together with a known AMPK inhibitor, compound C. Protein or mRNA was then extracted from these tissue fragments. As an indicator of overall steroidogenic activity, these extracts were tested using RT-PCR and western blot assays for relative protein and mRNA levels of steroidogenic acute regulatory (StAR) protein, steroidogenic factor-1 (SF-1), and dosage sensitive sex reversal adrenal hypoplasia congenita gene on the X chromosome, gene 1 (DAX-1). Also a reporter gene assay was performed on H295R cells with a transfected StAR promoter.In bovine ZF tissue fragments, AICAR caused a significant increase of StAR protein and mRNA and SF-1 protein with a decrease of DAX-1 protein in a dose and time dependant manner. DAX-1 mRNA was shown to decrease in response to AICAR administration in a dose dependant manner. AICAR induced increases in StAR protein and SF-1 protein, and the attendant decrease in DAX-1 protein were all shown to be reduced by administration of compound C. This demonstrated that in this situation AICAR is acting through AMPK. When IL-6 was given with compound C the levels of StAR, SF-1, and DAX-1 were significantly reduced from samples treated with IL-6 alone. AICAR exposure also increased StAR promoter activity in a dose and time dependant manner. This AMPK induced increase in steroidogenic activity provides a possible mechanism for increased cortisol during hypoxia and hypoglycemia, and a possible mediator for IL-6 in the ZF.

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)

AMP-activated protein kinase (AMPK) is known as a pivotal cellular energy sensor, mediating the adaptation to low energy levels by deactivating anabolic processes and activating catabolic processes in order to restore the cellular ATP supply when the cellular AMP/ATP ratio is increased. Besides this well-known role, it has also been shown to exert protective effects under hypoxia. While an insufficient supply with oxygen might easily deplete cellular energy levels, i.e., ATP concentration, manifold other mechanisms have been suggested and are heavily disputed regarding the activation of AMPK under hypoxia independently from cellular AMP concentrations. However, an activation of AMPK preceding energy depletion could induce a timely adaptation reaction preventing more serious damage. A connection between AMPK and the master regulator of hypoxic adaptation via gene transcription, hypoxia-inducible factor (HIF), has also been taken into account, orchestrating their concerted protective action. This review will summarize the current knowledge on mechanisms of AMPK activation under hypoxia and its interrelationship with HIF.

Yes / AMP-activated protein kinase (AMPK) is a pivotal regulator of metabolism at the cellular and organismal levels. AMPK also suppresses inflammation. We found that pharmacological activation of AMPK rapidly inhibited the Janus kinase (JAK)–signal transducer and activator of transcription (STAT) pathway in various cells. In vitro kinase assays revealed that AMPK directly phosphorylated two residues (Ser515 and Ser518) within the SH2 domain of JAK1. Activation of AMPK enhanced the interaction between JAK1 and 14-3-3 proteins in cultured vascular endothelial cells and fibroblasts, an effect which required the presence of Ser515 and Ser518 and was abolished in cells lacking AMPK catalytic subunits. Mutation of Ser515 and Ser518 abolished AMPKmediated inhibition of JAK-STAT signaling stimulated either by the sIL-6Rα/IL-6 complex or by expression of a constitutively active V658F-mutant JAK1 in human fibrosarcoma cells. Clinically used AMPK activators metformin and salicylate enhanced the inhibitory phosphorylation of endogenous JAK1 and inhibited STAT3 phosphorylation in primary vascular endothelial cells. Therefore our findings reveal a mechanism by which JAK1 function and inflammatory signaling may be suppressed in response to metabolic stress and provide a mechanistic rationale for the investigation of AMPK activators in a range of diseases associated with enhanced activation of the JAK-STAT pathway.

Nigella sativa ou cumin noir est une plante et un condiment populaires. Les graines de N. sativa sont très utilisées en médecine traditionnelle des pays nord africains pour le traitement du diabète. Cependant, les mécanismes d'actions cellulaires et moléculaires via lesquels cette plante exerce son effet euglycémiant restent encore mal compris. Le but de notre étude est d'examiner l’effet de N. sativa sur la sécrétion d’insuline, le transport de glucose et sur les voies de signalisation impliquées dans l’homéostasie et le métabolisme de glucose, en utilisant des essais biologiques sur des cultures cellulaires murines (cellules β pancréatiques βTC, myoblastes C2C12, hépatocytes H4IIE et adipocytes 3T3-L1) et des études in vivo chez le rat normoglycémique et le Meriones shawi (rongeur) diabétique. Chez les cellules β pancréatiques, N. sativa a augmenté leur prolifération ainsi que la sécrétion basale et gluco-stimulée de l’insuline. N. sativa a augmenté aussi la prise de glucose de 50% chez les cellules musculaires alors que chez les cellules graisseuses, la prise de glucose est augmentée jusqu’au 400%. Les expériences d’immunobuvardage de type western ont montré que N. sativa stimule les voies de signalisation de l’insuline (Akt et ERKs) et aussi celle insulino-indépendante (AMPK) chez les cellules C2C12. Par contre, chez les 3T3-L1, l’augmentation de transport de glucose est plutôt reliée à une activation de la voie de peroxisome proliferator activated receptor γ (PPARγ). Chez les hépatocytes, N. sativa augmente la stimulation des protéines intracellulaires Akt et 5' adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK). Cette activation de l’AMPK est associée à un effet découpleur de la plante au niveau de la phosphorylation oxydative mitochondriale. Par ailleurs, chez les Meriones shawi diabétiques, N. sativa diminue graduellement la glycémie à jeun ainsi que la réponse glycémique (AUC) à une charge orale en glucose (OGTT) pour atteindre des valeurs semblables aux animaux témoins après quatre semaines de traitement. Une amélioration du profile lipidique est observée autant chez les Meriones shawi diabétiques que chez les rats normaux. Au niveau moléculaire, N. sativa augmente le contenu musculaire en glucose transporter 4 Glut4 et la phosphorylation de l’acetyl-coenzyme A carboxylase ACC dans le muscle soléaire et le foie chez les Mériones shawi diabétiques. Par contre, chez le rat normal, on assiste à une stimulation des voies de signalisation de l’insuline (Akt et ERK) au niveau hépatique. En conclusion, nous avons confirmé l’action insulinotropique de N. sativa au niveau des cellules β pancréatiques et mis en évidence un effet proliférateur pouvant potentiellement s’avérer utile pour contrecarrer la perte de masse cellulaire observée chez les diabétiques. Notre étude a également mis en évidence pour la première fois que N. sativa exerce son activité antidiabétique par une combinaison d’effets insulino-mimétiques et insulino-sensibilisateurs directs permettant ainsi d’augmenter le transport de glucose des tissus périphériques. Cette action de N. sativa est liée à une stimulation des voies de signalisation intracellulaires insulinodépendantes et -indépendantes (AMPK) chez le muscle squelettique et le foie alors qu’elle passe par la voie des PPARγ au niveau du tissu adipeux. Finalement, l’étude in vivo vient confirmer l’effet antidiabétique de N. sativa. Notre apport novateur se situe au niveau de la démonstration que l’activité antidiabétique de N. sativa chez le Meriones shawi diabétique est la résultante des mêmes activités que celles déterminées au niveau de l’étude in vitro. En effet, N. sativa active la voie de l’AMPK, améliore la sensibilité à l’insuline et augmente l’insulinémie. Notre étude montre aussi que N. sativa possède une activité antilipidémiante. Ces résultats confirment le bien-fondé de l'utilisation ethnopharmacologique de N. sativa comme traitement du diabète et des perturbations du métabolisme lipidique qui y sont associées. De plus, les actions pléiotropiques de N. sativa en font un traitement alternatif ou complémentaire du diabète très prometteur qui encouragent à présent la tenue d’études cliniques de bonne qualité. / Nigella sativa or black cumin is a medicinal plant and a popular condiment. The seeds of N. sativa are widely used in the traditional medicine of North African countries for the treatment of diabetes. However, the cellular and molecular mechanisms of action through which the plant exerts its hypoglycemic effect remain unclear. The aim of our study is to determine the effect of N. sativa on insulin secretion, glucose transport and signaling pathways involved in the regulation of glucose homeostasis and metabolism. We carried out in vitro murine cell-based bioassays (βTC pancreatic β cells, C2C12 myoblasts, H4IIE hepatocytes and 3T3-L1 adipocytes) and in vivo studies in normoglycemic rats and diabetic Meriones shawi (rodent). In pancreatic β cells, N. sativa increased cell proliferation as well as basal and glucose stimulated insulin secretion. It also enhanced glucose uptake in muscle cells by 50%. Moreover, the increase of glucose uptake in fat cells reached levels up to 400%. The experiments using Western immunoblot analysis showed that N. sativa stimulated insulin-dependent (Akt and ERK) as well as -independent (AMPK) pathways in C2C12 cells. In 3T3-L1 cells, the increase of glucose uptake was attributed to the activation of the peroxisome proliferator activated receptor γ (PPARγ) pathway. Similarly to C2C12 cells, N. sativa activated Akt and 5' adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK) in hepatocytes. This activation of AMPK was associated with an uncoupling effect on mitochondrial oxidative phosphorylation. In diabetic Meriones, N. sativa gradually decreased fasting blood glucose and the glycemic response to an oral glucose load (OGTT) to values similar to normal animals at the end of treatment. Improved lipid profile is observed in both animal models. At the molecular level, N. sativa increased muscle glucose transporter 4 (Glut4) content and acetyl-coenzyme A carboxylase (ACC) phosphorylation in soleus muscle and liver in diabetic Meriones shawi. In normal rats, the plant extract induced a stimulation of insulin signaling pathways (Akt and ERK) in the liver. In conclusion, N. sativa has an insulinotropic effect on pancreatic β cells. Our study has revealed for the first time that N. sativa exerts its antidiabetic activity by a combination of insulino-mimetic and insulin-sensitizing effects, thereby increasing glucose uptake in peripheral tissues. This effect of N. sativa is linked to the stimulation of insulin-dependent and -independent (AMPK) pathway in skeletal muscle and liver, while in adipose tissue, the effect was attributed to the activation of PPARγ. Finally, the in vivo study confirms the antidiabetic and antihyperlipidemic effects of N. sativa. Our original contribution lies in the demonstration that the in vivo antidiabetic action of N. sativa is exerted though the same mechanisms identified by our in vitro studies. These data support the soundness of the ethnobotanical use of this plant for the treatment of diabetes and its associated dyslipidemia. Moreover, the pleiotropic actions of N. sativa make it a very promising alternative or complementary treatment for diabetes, which calls for immediate high quality clinical trials.

Le diabète est un syndrome métabolique caractérisé par une hyperglycémie chronique due à un défaut de sécrétion de l’insuline, de l’action de l’insuline (sensibilité), ou une combinaison des deux. Plus d'un million de canadiens vivent actuellement avec le diabète. La prévalence de cette maladie est au moins trois fois plus élevée chez les autochtones que dans la population canadienne en général. Notre équipe vise à étudier les effets potentiellement antidiabétiques de certaines plantes médicinales utilisées par les Cris d'Eeyou Istchee (Baie James, Québec) où l’adhérence aux traitements médicamenteux est faible, en partie à cause de la déconnection culturelle de ces derniers. Grâce à une approche ethnobotanique, notre équipe a identifié 17 plantes médicinales utilisées par cette population pour traiter des symptômes du diabète. Parmi ces plantes, l’extrait éthanolique de Rhododendron groenlandicum (Thé du Labrador) a montré un fort potentiel antidiabétique chez plusieurs lignées cellulaires, notamment les adipocytes (3T3-L1). Cette plante induit la différenciation adipocytaire probablement par l’activation du peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAR γ). Cette stimulation améliore la résistance à l’insuline et constitue un mécanisme privilégié pour une classe de médicaments antidiabétiques, les thiazolidinediones. Le but de la présente étude est de valider l’efficacité et l’innocuité de R. groenlandicum in vivo, dans un modèle animal de résistance à l’insuline, d’élucider les mécanismes par lesquels cet extrait exerce ses effets antidiabétiques et d’identifier les principes actifs responsables de son activité. L'isolation et l'identification des constituants actifs ont été réalisées à l’aide d'une approche de fractionnement guidé par bioessai; en l'occurrence, l'adipogénèse. Cette approche, réalisée dans la lignée adipocytaire 3T3-L1, a pour but de mesurer leur teneur en triglycérides. Des études in vivo ont été réalisées sur le modèle de souris DIO (diet induced obesity). L'extrait éthanolique du R. groenlandicum a été incorporé à la nourriture grasse (35% d’apport calorique lipidique) à trois doses différentes (125, 250 et 500 mg / kg) sur une période de 8 semaines. Des tissus cibles de l’insuline (foie, muscle squelettique et tissus adipeux) ont été récoltés afin de faire des analyses d’immunobuvardage de type western. La quercétine, la catéchine et l’épicatéchine ont été identifiées comme étant les composés actifs responsables de l'effet antidiabétique du R. groenlandicum. Seules la catéchine et l’épicatéchine activent l’adipogénèse uniquement à forte concentration (125-150 M), tandis que la quercétine l’inhibe. L’étude in vivo a montré que le traitement avec R. groenlandicum chez les souris DIO réduit le gain de poids de 6%, diminue l'hyperglycémie de 13% et l’insulinémie plasmatique de 65% et prévient l’apparition des stéatoses hépatiques (diminution de 42% de triglycéride dans le foie) sans être toxique. Les analyses d’immunobuvardage ont montré que R. groenlandicum stimule la voie de l’insuline via la phosphorylation de l’Akt et a augmenté le contenu protéique en Glut 4 dans les muscles des souris traitées. Par contre, dans le foie, le R. groenlandicum passerait par deux voies différentes, soit la voie insulino-dépendante par l’activation de l’AKT, soit la voie insulino-indépendante par la stimulation de l’AMPK. L’amélioration observée des stéatoses hépatiques chez les souris DIO traitées, a été confirmée par une baisse du facteur de transcription, SREBP-1, impliqué dans la lipogénèse de novo, ainsi qu’une diminution de l’inflammation hépatique (diminution de l’activité d’IKK α/β). En conclusion, l’ensemble de ces résultats soutiennent le potentiel thérapeutique de Rhododendron groenlandicum et de ses composants actifs dans le traitement et la prévention du diabète de type 2. Nous avons validé l'innocuité et l'efficacité de cette plante issue de la médecine traditionnelle Cri, qui pourrait être un traitement alternatif du diabète de type 2 dans une population ayant une faible adhérence au traitement pharmacologique existant. / Diabetes is a metabolic syndrome characterized by chronic hyperglycemia due to a defect in insulin secretion, insulin action (sensitivity), or both. More than one million Canadians are currently living with diabetes. The prevalence of this disease is at least three times higher among indigenous people than in the general Canadian population. Our team studied the potential effects of certain anti-diabetic medicinal plants used by the Cree nation of Eeyou Istchee (James Bay, Quebec) where compliance to western treatment is low due in part to the cultured disconnect of the latter. Using an ethnobotanical approach, we identified 17 medicinal plants used by this population to treat symptoms of diabetes. Among these plants, the ethanol extract of Rhododendron groenlandicum (Labrador Tea) showed strong anti-diabetic potential in several cell lines, including adipocytes (3T3-L1) where it induced differentiation probably by stimulating the peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAR γ). Such stimulation has been shown to improve insulin resistance, a mechanism used by a class of anti-diabetic drugs, the thiazolidinediones. The aim of the present study is to validate the effectiveness and the safety of R. groenlandicum in vivo in a mouse model of insulin resistance, to elucidate the mechanisms by which it exerts its effects and to identify the active principles responsible for its activity. Isolation and identification of active constituents of R. groenlandicum were performed using a fractionation approach guided by the increase of triglyceride content in the adipocyte (3T3-L1). In vivo studies were performed on a DIO (diet induced obesity) mouse model. The ethanolic extract of R. groenlandicum was incorporated into the high fat diet (35% energy derived from lipids) at three different doses (125, 250 and 500 mg / kg) over a period of 8 weeks. Western immunoblot analysis was performed on different tissues (liver, skeletal muscle, adipose tissue) collected at the end of the study. Quercetin, catechin and epicatechin were identified as the active compounds responsible for the anti-diabetic effect of R. groenlandicum. Alone, catechin and epicatechin activate adipogenesis only at high concentrations (125-150 M) while quercetin inhibits it. In vivo, treatment of DIO mice with R. groenlandicum diminished weight gain by 6 %, reduced blood glucose by 13%, insulin plasma by 65% and prevented hepatic steatosis (triglycerides levels decreased by 42%) without significant toxicity. Western blot analysis showed that R. groenlandicum increased Glut 4 protein content in skeletal muscle by activating the insulin dependent pathway implicating Akt. Effects of R. groenlandicum on hepatic steatosis seems to involve both pathways; the insulin dependent Akt and insulin independent AMPK pathways. This correlated with decreased SREBP-1 hepatic content, a transcription factor involved in de novo lipogenesis, and with a reduction of inflammation (decrease in the activity of IKK alpha / beta). Taken together, these results support the therapeutic potential of Rhododendron groenlandicum and its active compounds in the treatment and prevention of type 2 diabetes. We validated the safety and efficacy of this plant from traditional Cree medicine. It could represent an alternative treatment of type 2 diabetes in a population that has a poor compliance to pharmacological treatments.

réalisé en cotutelle avec l'Université Claude Bernard Lyon 1 / La physiopathologie du diabète de type II se caractérise par de sévères anomalies métaboliques telles que l’hyperglycémie et les dyslipidémies contribuant au développement des maladies cardiovasculaires. Une altération de l’activité de l’AMPK dans les tissus tels que le muscle squelettique et le foie est associée à ces désordres métaboliques alors que son activation pharmacologique permet de les rétablir. Toutefois, le complexe hétérotrimérique αβγ tissu-spécifique de l’AMPK confère une régulation et des rôles distincts qui demeurent inexplorés dans l’intestin, un organe favorisant pourtant l’augmentation de l’absorption des nutriments en situation de diabète de type II. La présente étude démontre une prépondérance du complexe α1β2γ1 de l’AMPK dans les cellules intestinales Caco-2 dont l’un des rôles de la sous-unité α1 est de réguler l’ACC, l’enzyme de synthèse des acides gras. Contrairement à l’AMPK exprimée dans le foie, elle ne régule pas l’HMG-CoA Réductase impliquée dans la synthèse du cholestérol. L’activation de l’AMPK mime l’effet de l’insuline en réduisant l’absorption intestinale du glucose et des lipides alors que son altération en situation d’insulino-résistance (e.g : induite par le 4-HHE dans un modèle cellulaire Caco-2 ou induite par la diète dans le modèle animal Psammomys obesus) favorise l’absorption du glucose et des lipides, ce qui exacerberait l’hyperglycémie et la dyslipidémie postprandiale associées au diabète de type II. L’AMPK au niveau intestinal constitue donc une cible thérapeutique potentielle complémentaire pour la prévention et le traitement du diabète de type II. / Physiopathology of type II Diabetes is characterized by severe metabolic abnormalities such as hyperglycemia and dyslipidemia also implicated in development of cardiovascular diseases. Impaired AMPK activity in tissues such as skeletal muscle and liver is associated with these metabolic disorders whereas its pharmacologic activation is able to restore such abnormalities. Nevertheless, tissue-specific heterotrimeric αβγ AMPK likely confers distinct roles and regulation that remain unexplored in intestine, an organ promoting enhanced nutrients absorption in type II diabetes situation. This study demonstrates α1β2γ1 AMPK complex preponderance in intestinal Caco-2 cells whose α1 subunit role is to regulate ACC enzyme responsible of fatty acid synthesis. Unlike in the liver, AMPK doesn’t regulate HMG-CoA reductase enzyme implicated in cholesterol synthesis. AMPK activation mimics insulin effect by reducing intestinal glucose and lipids absorption whereas its alteration in insulin-resistance situation (e.g.: induced by 4-HHE in Caco-2 cell model or in Psammomys obesus animal model) enhances glucose and lipids absorption which could exacerbate postprandial hyperglycemia and dyslipidemia associated to type II diabetes. Thus, AMPK at the intestinal level could be a potential therapeutic target in prevention and treatment of type II diabetes.

La physiopathologie du diabète de type II se caractérise par de sévères anomalies métaboliques telles que l’hyperglycémie et les dyslipidémies contribuant au développement des maladies cardiovasculaires. Une altération de l’activité de l’AMPK dans les tissus tels que le muscle squelettique et le foie est associée à ces désordres métaboliques alors que son activation pharmacologique permet de les rétablir. Toutefois, le complexe hétérotrimérique αβγ tissu-spécifique de l’AMPK confère une régulation et des rôles distincts qui demeurent inexplorés dans l’intestin, un organe favorisant pourtant l’augmentation de l’absorption des nutriments en situation de diabète de type II. La présente étude démontre une prépondérance du complexe α1β2γ1 de l’AMPK dans les cellules intestinales Caco-2 dont l’un des rôles de la sous-unité α1 est de réguler l’ACC, l’enzyme de synthèse des acides gras. Contrairement à l’AMPK exprimée dans le foie, elle ne régule pas l’HMG-CoA Réductase impliquée dans la synthèse du cholestérol. L’activation de l’AMPK mime l’effet de l’insuline en réduisant l’absorption intestinale du glucose et des lipides alors que son altération en situation d’insulino-résistance (e.g : induite par le 4-HHE dans un modèle cellulaire Caco-2 ou induite par la diète dans le modèle animal Psammomys obesus) favorise l’absorption du glucose et des lipides, ce qui exacerberait l’hyperglycémie et la dyslipidémie postprandiale associées au diabète de type II. L’AMPK au niveau intestinal constitue donc une cible thérapeutique potentielle complémentaire pour la prévention et le traitement du diabète de type II. / Physiopathology of type II Diabetes is characterized by severe metabolic abnormalities such as hyperglycemia and dyslipidemia also implicated in development of cardiovascular diseases. Impaired AMPK activity in tissues such as skeletal muscle and liver is associated with these metabolic disorders whereas its pharmacologic activation is able to restore such abnormalities. Nevertheless, tissue-specific heterotrimeric αβγ AMPK likely confers distinct roles and regulation that remain unexplored in intestine, an organ promoting enhanced nutrients absorption in type II diabetes situation. This study demonstrates α1β2γ1 AMPK complex preponderance in intestinal Caco-2 cells whose α1 subunit role is to regulate ACC enzyme responsible of fatty acid synthesis. Unlike in the liver, AMPK doesn’t regulate HMG-CoA reductase enzyme implicated in cholesterol synthesis. AMPK activation mimics insulin effect by reducing intestinal glucose and lipids absorption whereas its alteration in insulin-resistance situation (e.g.: induced by 4-HHE in Caco-2 cell model or in Psammomys obesus animal model) enhances glucose and lipids absorption which could exacerbate postprandial hyperglycemia and dyslipidemia associated to type II diabetes. Thus, AMPK at the intestinal level could be a potential therapeutic target in prevention and treatment of type II diabetes. / réalisé en cotutelle avec l'Université Claude Bernard Lyon 1

Nigella sativa ou cumin noir est une plante et un condiment populaires. Les graines de N. sativa sont très utilisées en médecine traditionnelle des pays nord africains pour le traitement du diabète. Cependant, les mécanismes d'actions cellulaires et moléculaires via lesquels cette plante exerce son effet euglycémiant restent encore mal compris. Le but de notre étude est d'examiner l’effet de N. sativa sur la sécrétion d’insuline, le transport de glucose et sur les voies de signalisation impliquées dans l’homéostasie et le métabolisme de glucose, en utilisant des essais biologiques sur des cultures cellulaires murines (cellules β pancréatiques βTC, myoblastes C2C12, hépatocytes H4IIE et adipocytes 3T3-L1) et des études in vivo chez le rat normoglycémique et le Meriones shawi (rongeur) diabétique. Chez les cellules β pancréatiques, N. sativa a augmenté leur prolifération ainsi que la sécrétion basale et gluco-stimulée de l’insuline. N. sativa a augmenté aussi la prise de glucose de 50% chez les cellules musculaires alors que chez les cellules graisseuses, la prise de glucose est augmentée jusqu’au 400%. Les expériences d’immunobuvardage de type western ont montré que N. sativa stimule les voies de signalisation de l’insuline (Akt et ERKs) et aussi celle insulino-indépendante (AMPK) chez les cellules C2C12. Par contre, chez les 3T3-L1, l’augmentation de transport de glucose est plutôt reliée à une activation de la voie de peroxisome proliferator activated receptor γ (PPARγ). Chez les hépatocytes, N. sativa augmente la stimulation des protéines intracellulaires Akt et 5' adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK). Cette activation de l’AMPK est associée à un effet découpleur de la plante au niveau de la phosphorylation oxydative mitochondriale. Par ailleurs, chez les Meriones shawi diabétiques, N. sativa diminue graduellement la glycémie à jeun ainsi que la réponse glycémique (AUC) à une charge orale en glucose (OGTT) pour atteindre des valeurs semblables aux animaux témoins après quatre semaines de traitement. Une amélioration du profile lipidique est observée autant chez les Meriones shawi diabétiques que chez les rats normaux. Au niveau moléculaire, N. sativa augmente le contenu musculaire en glucose transporter 4 Glut4 et la phosphorylation de l’acetyl-coenzyme A carboxylase ACC dans le muscle soléaire et le foie chez les Mériones shawi diabétiques. Par contre, chez le rat normal, on assiste à une stimulation des voies de signalisation de l’insuline (Akt et ERK) au niveau hépatique. En conclusion, nous avons confirmé l’action insulinotropique de N. sativa au niveau des cellules β pancréatiques et mis en évidence un effet proliférateur pouvant potentiellement s’avérer utile pour contrecarrer la perte de masse cellulaire observée chez les diabétiques. Notre étude a également mis en évidence pour la première fois que N. sativa exerce son activité antidiabétique par une combinaison d’effets insulino-mimétiques et insulino-sensibilisateurs directs permettant ainsi d’augmenter le transport de glucose des tissus périphériques. Cette action de N. sativa est liée à une stimulation des voies de signalisation intracellulaires insulinodépendantes et -indépendantes (AMPK) chez le muscle squelettique et le foie alors qu’elle passe par la voie des PPARγ au niveau du tissu adipeux. Finalement, l’étude in vivo vient confirmer l’effet antidiabétique de N. sativa. Notre apport novateur se situe au niveau de la démonstration que l’activité antidiabétique de N. sativa chez le Meriones shawi diabétique est la résultante des mêmes activités que celles déterminées au niveau de l’étude in vitro. En effet, N. sativa active la voie de l’AMPK, améliore la sensibilité à l’insuline et augmente l’insulinémie. Notre étude montre aussi que N. sativa possède une activité antilipidémiante. Ces résultats confirment le bien-fondé de l'utilisation ethnopharmacologique de N. sativa comme traitement du diabète et des perturbations du métabolisme lipidique qui y sont associées. De plus, les actions pléiotropiques de N. sativa en font un traitement alternatif ou complémentaire du diabète très prometteur qui encouragent à présent la tenue d’études cliniques de bonne qualité. / Nigella sativa or black cumin is a medicinal plant and a popular condiment. The seeds of N. sativa are widely used in the traditional medicine of North African countries for the treatment of diabetes. However, the cellular and molecular mechanisms of action through which the plant exerts its hypoglycemic effect remain unclear. The aim of our study is to determine the effect of N. sativa on insulin secretion, glucose transport and signaling pathways involved in the regulation of glucose homeostasis and metabolism. We carried out in vitro murine cell-based bioassays (βTC pancreatic β cells, C2C12 myoblasts, H4IIE hepatocytes and 3T3-L1 adipocytes) and in vivo studies in normoglycemic rats and diabetic Meriones shawi (rodent). In pancreatic β cells, N. sativa increased cell proliferation as well as basal and glucose stimulated insulin secretion. It also enhanced glucose uptake in muscle cells by 50%. Moreover, the increase of glucose uptake in fat cells reached levels up to 400%. The experiments using Western immunoblot analysis showed that N. sativa stimulated insulin-dependent (Akt and ERK) as well as -independent (AMPK) pathways in C2C12 cells. In 3T3-L1 cells, the increase of glucose uptake was attributed to the activation of the peroxisome proliferator activated receptor γ (PPARγ) pathway. Similarly to C2C12 cells, N. sativa activated Akt and 5' adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK) in hepatocytes. This activation of AMPK was associated with an uncoupling effect on mitochondrial oxidative phosphorylation. In diabetic Meriones, N. sativa gradually decreased fasting blood glucose and the glycemic response to an oral glucose load (OGTT) to values similar to normal animals at the end of treatment. Improved lipid profile is observed in both animal models. At the molecular level, N. sativa increased muscle glucose transporter 4 (Glut4) content and acetyl-coenzyme A carboxylase (ACC) phosphorylation in soleus muscle and liver in diabetic Meriones shawi. In normal rats, the plant extract induced a stimulation of insulin signaling pathways (Akt and ERK) in the liver. In conclusion, N. sativa has an insulinotropic effect on pancreatic β cells. Our study has revealed for the first time that N. sativa exerts its antidiabetic activity by a combination of insulino-mimetic and insulin-sensitizing effects, thereby increasing glucose uptake in peripheral tissues. This effect of N. sativa is linked to the stimulation of insulin-dependent and -independent (AMPK) pathway in skeletal muscle and liver, while in adipose tissue, the effect was attributed to the activation of PPARγ. Finally, the in vivo study confirms the antidiabetic and antihyperlipidemic effects of N. sativa. Our original contribution lies in the demonstration that the in vivo antidiabetic action of N. sativa is exerted though the same mechanisms identified by our in vitro studies. These data support the soundness of the ethnobotanical use of this plant for the treatment of diabetes and its associated dyslipidemia. Moreover, the pleiotropic actions of N. sativa make it a very promising alternative or complementary treatment for diabetes, which calls for immediate high quality clinical trials.

Le diabète est un syndrome métabolique caractérisé par une hyperglycémie chronique due à un défaut de sécrétion de l’insuline, de l’action de l’insuline (sensibilité), ou une combinaison des deux. Plus d'un million de canadiens vivent actuellement avec le diabète. La prévalence de cette maladie est au moins trois fois plus élevée chez les autochtones que dans la population canadienne en général. Notre équipe vise à étudier les effets potentiellement antidiabétiques de certaines plantes médicinales utilisées par les Cris d'Eeyou Istchee (Baie James, Québec) où l’adhérence aux traitements médicamenteux est faible, en partie à cause de la déconnection culturelle de ces derniers. Grâce à une approche ethnobotanique, notre équipe a identifié 17 plantes médicinales utilisées par cette population pour traiter des symptômes du diabète. Parmi ces plantes, l’extrait éthanolique de Rhododendron groenlandicum (Thé du Labrador) a montré un fort potentiel antidiabétique chez plusieurs lignées cellulaires, notamment les adipocytes (3T3-L1). Cette plante induit la différenciation adipocytaire probablement par l’activation du peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAR γ). Cette stimulation améliore la résistance à l’insuline et constitue un mécanisme privilégié pour une classe de médicaments antidiabétiques, les thiazolidinediones. Le but de la présente étude est de valider l’efficacité et l’innocuité de R. groenlandicum in vivo, dans un modèle animal de résistance à l’insuline, d’élucider les mécanismes par lesquels cet extrait exerce ses effets antidiabétiques et d’identifier les principes actifs responsables de son activité. L'isolation et l'identification des constituants actifs ont été réalisées à l’aide d'une approche de fractionnement guidé par bioessai; en l'occurrence, l'adipogénèse. Cette approche, réalisée dans la lignée adipocytaire 3T3-L1, a pour but de mesurer leur teneur en triglycérides. Des études in vivo ont été réalisées sur le modèle de souris DIO (diet induced obesity). L'extrait éthanolique du R. groenlandicum a été incorporé à la nourriture grasse (35% d’apport calorique lipidique) à trois doses différentes (125, 250 et 500 mg / kg) sur une période de 8 semaines. Des tissus cibles de l’insuline (foie, muscle squelettique et tissus adipeux) ont été récoltés afin de faire des analyses d’immunobuvardage de type western. La quercétine, la catéchine et l’épicatéchine ont été identifiées comme étant les composés actifs responsables de l'effet antidiabétique du R. groenlandicum. Seules la catéchine et l’épicatéchine activent l’adipogénèse uniquement à forte concentration (125-150 M), tandis que la quercétine l’inhibe. L’étude in vivo a montré que le traitement avec R. groenlandicum chez les souris DIO réduit le gain de poids de 6%, diminue l'hyperglycémie de 13% et l’insulinémie plasmatique de 65% et prévient l’apparition des stéatoses hépatiques (diminution de 42% de triglycéride dans le foie) sans être toxique. Les analyses d’immunobuvardage ont montré que R. groenlandicum stimule la voie de l’insuline via la phosphorylation de l’Akt et a augmenté le contenu protéique en Glut 4 dans les muscles des souris traitées. Par contre, dans le foie, le R. groenlandicum passerait par deux voies différentes, soit la voie insulino-dépendante par l’activation de l’AKT, soit la voie insulino-indépendante par la stimulation de l’AMPK. L’amélioration observée des stéatoses hépatiques chez les souris DIO traitées, a été confirmée par une baisse du facteur de transcription, SREBP-1, impliqué dans la lipogénèse de novo, ainsi qu’une diminution de l’inflammation hépatique (diminution de l’activité d’IKK α/β). En conclusion, l’ensemble de ces résultats soutiennent le potentiel thérapeutique de Rhododendron groenlandicum et de ses composants actifs dans le traitement et la prévention du diabète de type 2. Nous avons validé l'innocuité et l'efficacité de cette plante issue de la médecine traditionnelle Cri, qui pourrait être un traitement alternatif du diabète de type 2 dans une population ayant une faible adhérence au traitement pharmacologique existant. / Diabetes is a metabolic syndrome characterized by chronic hyperglycemia due to a defect in insulin secretion, insulin action (sensitivity), or both. More than one million Canadians are currently living with diabetes. The prevalence of this disease is at least three times higher among indigenous people than in the general Canadian population. Our team studied the potential effects of certain anti-diabetic medicinal plants used by the Cree nation of Eeyou Istchee (James Bay, Quebec) where compliance to western treatment is low due in part to the cultured disconnect of the latter. Using an ethnobotanical approach, we identified 17 medicinal plants used by this population to treat symptoms of diabetes. Among these plants, the ethanol extract of Rhododendron groenlandicum (Labrador Tea) showed strong anti-diabetic potential in several cell lines, including adipocytes (3T3-L1) where it induced differentiation probably by stimulating the peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAR γ). Such stimulation has been shown to improve insulin resistance, a mechanism used by a class of anti-diabetic drugs, the thiazolidinediones. The aim of the present study is to validate the effectiveness and the safety of R. groenlandicum in vivo in a mouse model of insulin resistance, to elucidate the mechanisms by which it exerts its effects and to identify the active principles responsible for its activity. Isolation and identification of active constituents of R. groenlandicum were performed using a fractionation approach guided by the increase of triglyceride content in the adipocyte (3T3-L1). In vivo studies were performed on a DIO (diet induced obesity) mouse model. The ethanolic extract of R. groenlandicum was incorporated into the high fat diet (35% energy derived from lipids) at three different doses (125, 250 and 500 mg / kg) over a period of 8 weeks. Western immunoblot analysis was performed on different tissues (liver, skeletal muscle, adipose tissue) collected at the end of the study. Quercetin, catechin and epicatechin were identified as the active compounds responsible for the anti-diabetic effect of R. groenlandicum. Alone, catechin and epicatechin activate adipogenesis only at high concentrations (125-150 M) while quercetin inhibits it. In vivo, treatment of DIO mice with R. groenlandicum diminished weight gain by 6 %, reduced blood glucose by 13%, insulin plasma by 65% and prevented hepatic steatosis (triglycerides levels decreased by 42%) without significant toxicity. Western blot analysis showed that R. groenlandicum increased Glut 4 protein content in skeletal muscle by activating the insulin dependent pathway implicating Akt. Effects of R. groenlandicum on hepatic steatosis seems to involve both pathways; the insulin dependent Akt and insulin independent AMPK pathways. This correlated with decreased SREBP-1 hepatic content, a transcription factor involved in de novo lipogenesis, and with a reduction of inflammation (decrease in the activity of IKK alpha / beta). Taken together, these results support the therapeutic potential of Rhododendron groenlandicum and its active compounds in the treatment and prevention of type 2 diabetes. We validated the safety and efficacy of this plant from traditional Cree medicine. It could represent an alternative treatment of type 2 diabetes in a population that has a poor compliance to pharmacological treatments.