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.

Les sécrétines de l’hormone de croissance (GHRPs) sont de petits peptides synthétiques capables de stimuler la sécrétion de l’hormone de croissance à partir de l’hypophyse via leur liaison au récepteur de la ghréline GHS-R1a. Le GHRP hexaréline a été utilisé afin d’étudier la distribution tissulaire de GHS-R1a et son effet GH-indépendant. Ainsi, par cette approche, il a été déterminé que l’hexaréline était capable de se lier à un deuxième récepteur identifié comme étant le récepteur scavenger CD36. Ce récepteur possède une multitude de ligands dont les particules oxLDL et les acides gras à longue chaîne. CD36 est généralement reconnu pour son rôle dans l’athérogénèse et sa contribution à la formation de cellules spumeuses suite à l’internalisation des oxLDL dans les macrophages/monocytes. Auparavant, nous avions démontré que le traitement des macrophages avec l’hexaréline menait à l’activation de PPARƔ via sa liaison à GHS-R1a, mais aussi à CD36. De plus, une cascade d’activation impliquant LXRα et les transporteurs ABC provoquait également une augmentation de l’efflux du cholestérol. Une stimulation de la voie du transport inverse du cholestérol vers les particules HDL entraînait donc une diminution de l’engorgement des macrophages de lipides et la formation de cellules spumeuses. Puisque CD36 est exprimé dans de multiples tissus et qu’il est également responsable du captage des acides gras à longue chaîne, nous avons voulu étudier l’impact de l’hexaréline uniquement à travers sa liaison à CD36. Dans le but d’approfondir nos connaissances sur la régulation du métabolisme des lipides par CD36, nous avons choisi des types cellulaires jouant un rôle important dans l’homéostasie lipidique n’exprimant pas GHS-R1a, soient les adipocytes et les hépatocytes. L’ensemble de mes travaux démontre qu’en réponse à son interaction avec l’hexaréline, CD36 a le potentiel de réduire le contenu lipidique des adipocytes et des hépatocytes. Dans les cellules adipeuses, l'hexaréline augmente l’expression de plusieurs gènes impliqués dans la mobilisation et l’oxydation des acides gras, et induit également l’expression des marqueurs thermogéniques PGC-1α et UCP-1. De même, hexaréline augmente l’expression des gènes impliqués dans la biogenèse mitochondriale, un effet accompagné de changements morphologiques des mitochondries; des caractéristiques observées dans les types cellulaires ayant une grande capacité oxydative. Ces résultats démontrent que les adipocytes blancs traités avec hexaréline ont la capacité de se transformer en un phénotype similaire aux adipocytes bruns ayant l’habileté de brûler les acides gras plutôt que de les emmagasiner. Cet effet est également observé dans les tissus adipeux de souris et est dépendant de la présence de CD36. Dans les hépatocytes, nous avons démontré le potentiel de CD36 à moduler le métabolisme du cholestérol. En réponse au traitement des cellules avec hexaréline, une phosphorylation rapide de LKB1 et de l’AMPK est suivie d’une phosphorylation inhibitrice de l’HMG-CoA réductase (HMGR), l’enzyme clé dans la synthèse du cholestérol. De plus, la liaison d'hexaréline à CD36 provoque le recrutement d’insig-2 à HMGR, l’étape d’engagement dans sa dégradation. La dégradation de HMGR par hexaréline semble être dépendante de l’activité de PPARƔ et de l’AMPK. Dans le but d’élucider le mécanisme d’activation par hexaréline, nous avons démontré d’une part que sa liaison à CD36 provoque une déphosphorylation de Erk soulevant ainsi l’inhibition que celui-ci exerce sur PPARƔ et d’autre part, un recrutement de l’AMPK à PGC-1α expliquant ainsi une partie du mécanisme d’activation de PPARƔ par hexaréline. Les résultats générés dans cette thèse ont permis d’élucider de nouveaux mécanismes d’action de CD36 et d'approfondir nos connaissances de son influence dans la régulation du métabolisme des lipides. / Growth hormone releasing peptides (GHRPs) are small synthetic peptides aimed at stimulating GH release from the pituitary through their binding to ghrelin receptor known as growth hormone secretagogue receptor 1a (GHS-R1a). Using the GHRP, hexarelin to study tissue distribution of GHS-R1a and its GH-independent effect, it was observed that hexarelin was capable of binding to a second receptor identified as scavenger receptor CD36. While having multiple ligands, CD36 is mainly known for binding and internalizing oxLDL and long chain fatty acids. CD36 is thought to play a detrimental role in macrophage derived foam cell formation and development of atherosclerosis. Previously, we have shown that in macrophages, expressing both GHS-R1a and CD36, hexarelin promoted an activation of PPARƔ via GHS-R1a but also through its binding to CD36. This activation led to the induction of the LXRα-ABC transporters pathway and an increase in cholesterol efflux, reducing lipid-laden macrophage content. This positive effect on macrophages was reproduced in apolipoprotein E-null mice on a high fat diet treated with hexarelin. A significant reduction in the size of atherosclerotic lesions was observed while similar increases in the expression of PPARƔ, LXRα and ABC transporters occurred in isolated peritoneal macrophages. CD36 also plays a role in fatty acid uptake, and to further investigate the impact of the interaction of hexarelin with CD36, we aimed at evaluating the role of CD36 in regulating lipid metabolism in cells devoid of GHS-R1a such as adipocytes and hepatocytes. In the present thesis, we demonstrated through its interaction with hexarelin, the ability of CD36 to decrease intracellular lipid content in both adipocytes and hepatocytes. In adipocytes, hexarelin was able to increase the expression of several genes involved in fatty acid mobilization, fatty acid oxidation but also to induce the expression of the thermogenic markers, PGC-1α and UCP-1. In addition, hexarelin increased the expression of genes involved in mitochondrial biogenesis which was accompanied by mitochondrial morphological changes in agreement with what is usually seen in highly oxidative cells. In support of these findings, we also observed an increase in the activity of cytochrome c oxidase (a component of the respiratory chain) which could reflect an increase in oxidative phosphorylation. The results generated with cultured white adipocytes suggest the ability of hexarelin to promote changes toward a brown fat-like phenotype which also occurred in vivo and was dependent on the presence of CD36. In hepatocytes, CD36 was capable of regulating cholesterol metabolism by rapidly phosphorylating LKB1 and AMPK which subsequently resulted in the inactivating phosphorylation of HMG-CoA reductase, the rate-limiting enzyme in cholesterol synthesis. Hexarelin via CD36 also induced the recruitment of insig-2 to HMGR, the committed step in HMGR degradation while lifting the exerted inhibitory effect of Erk on nuclear receptor PPARƔ activity, and promoting the recruitment of AMPK to PPARƔ coactivator PGC-1α, suggesting an enhanced transcriptional potential of PPARƔ. The results generated during my graduate studies represent unique and novel mechanisms by which CD36 is capable of regulating lipid metabolism.

Insulin resistance is an early marker of Type II diabetes. Excessive lipid accumulation in muscle and liver leads to insulin resistance, and lowering tissue lipids causes an enhancement of insulin action. The enzyme AMP-activated protein kinase (AMPK) is activated when cellular energy levels are compromised, such as during exercise; this enhances fuel oxidation and inhibits energy consuming processes. The hypothesis in this thesis was that activating AMPK in a lipid-induced insulin resistant state leads to tissue lipid reduction and improved insulin sensitivity. Insulin resistant high-fat fed (HF-) rats were administered 5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-??-D-ribofuranoside (AICAR), a specific AMPK activator. During an euglycaemic hyperinsulinaemic clamp performed 24h later, HF-rats showed increased whole body, muscle and liver insulin action, independent of changes in PKB-phosphorylation. The liver had reduced triglycerides, malonyl-CoA and increased IkB-a content. A lowering of muscle malonyl-CoA was consistent with conditions favouring increased lipid utilisation. Normal, chow-fed rats also showed improved insulin action post-AICAR. Further studies showed that basal glucose uptake was not increased 24h after AICAR, suggesting that AMPK activation had caused an increase in insulin sensitivity. Diacylglycerols and triglycerides, but not ceramides, were reduced in the liver of AICAR treated HF-rats, suggesting lipid reduction as a likely mediator of enhanced liver insulin action. These lipid species were not reduced in muscle. AICAR administration to HF-rats lowered plasma glucose and fatty acids (FA) acutely, probably due to increased muscle glucose uptake and FA oxidation. Glycogen was reduced in liver and increased in muscle, suggesting glucose mobilisation from liver to muscle. Adrenergic blockade excluded the sympathetic nervous system in the acute AICAR effects. AMPK was activated in white muscle and liver of HF-rats immediately after AICAR, the same tissues that exhibited later improved insulin sensitivity. Tracer technologies used to investigate glucose and lipid fluxes showed that AMPK activation in white muscle simultaneously increased both glucose and FA uptake and their metabolism, with glucose also being stored as glycogen. The liver showed lower lipid synthesis, consistent with reduced liver lipid accumulation observed 24h post-AICAR. In conclusion, these results suggest that activation of AMPK leads to selective tissue lipid reduction and improved insulin action, and is a potential target for the treatment of insulin resistance and type II diabetes.

<p><b>Background and aims:</b> Type 2 diabetes mellitus is connected with elevated glucose levels, which cause impaired glucose-stimulated insulin secretion (GSIS) and degeneration of β-cells. Mechanisms for such glucotoxic effects were explored in the present study.</p><p><b>Materials and methods:</b> INS-1E cells were cultured for 5 days in 5.5, 11, 20 or 27 mM glucose in the presence or absence of AMPK-agonist AICAR. GSIS was determined from INS-1E cells and islets obtained from type 2 diabetes and control donors. Human islets and INS-1E cells were functionally characterized (GSIS) and protein profiled (SELDI-TOF MS). Glucose-induced <i>de novo</i> synthesis of fatty acyls (HR-MAS NMR spectroscopy), fatty acid composition (GC-MS), triglyceride content and specific proteins (Western blotting) were determined in INS-1E cells.</p><p><b>Results:</b> Impaired GSIS was observed from INS-1E cells exposed to chronic hyperglycaemia and islets isolated from type 2 diabetics compared to INS-1E cells cultured at normal glucose levels and control islets, respectively. Several glucose-regulated proteins were found when type 2 diabetes and control islets or mitochondria from INS-1E cells cultured at different glucose concentrations were protein profiled. Glucose induced lipid <i>de novo</i> synthesis of both saturated and unsaturated fatty acids in specific proportions. Glucose-induced impairment of function and mass was reverted by inclusion of AICAR, which lowered levels of pro-apoptotic protein CHOP but left triglyceride content unaffected.</p><p><b>Conclusions:</b> Impaired GSIS and increased apoptosis observed in β-cells after prolonged exposure to elevated glucose concentrations involved accumulation of lipid species in specific proportions, AMPK-inactivation, ER-stress activation and complex, coordinated changes in expression patterns of mitochondrial and human islet proteins.</p>

<b>Background and aims:</b> Type 2 diabetes mellitus is connected with elevated glucose levels, which cause impaired glucose-stimulated insulin secretion (GSIS) and degeneration of β-cells. Mechanisms for such glucotoxic effects were explored in the present study. <b>Materials and methods:</b> INS-1E cells were cultured for 5 days in 5.5, 11, 20 or 27 mM glucose in the presence or absence of AMPK-agonist AICAR. GSIS was determined from INS-1E cells and islets obtained from type 2 diabetes and control donors. Human islets and INS-1E cells were functionally characterized (GSIS) and protein profiled (SELDI-TOF MS). Glucose-induced de novo synthesis of fatty acyls (HR-MAS NMR spectroscopy), fatty acid composition (GC-MS), triglyceride content and specific proteins (Western blotting) were determined in INS-1E cells. <b>Results:</b> Impaired GSIS was observed from INS-1E cells exposed to chronic hyperglycaemia and islets isolated from type 2 diabetics compared to INS-1E cells cultured at normal glucose levels and control islets, respectively. Several glucose-regulated proteins were found when type 2 diabetes and control islets or mitochondria from INS-1E cells cultured at different glucose concentrations were protein profiled. Glucose induced lipid de novo synthesis of both saturated and unsaturated fatty acids in specific proportions. Glucose-induced impairment of function and mass was reverted by inclusion of AICAR, which lowered levels of pro-apoptotic protein CHOP but left triglyceride content unaffected. <b>Conclusions:</b> Impaired GSIS and increased apoptosis observed in β-cells after prolonged exposure to elevated glucose concentrations involved accumulation of lipid species in specific proportions, AMPK-inactivation, ER-stress activation and complex, coordinated changes in expression patterns of mitochondrial and human islet proteins.

La protéine kinase activée par AMP (AMPK) est un senseur et régulateur central de l'état énergétique cellulaire, mais ces voies de signalisation ne sont pour le moment que partiellement comprises. Deux criblages non-biaisés pour la recherche de partenaires d'interaction et de substrats d'AMPK ont précédemment été réalisés dans le laboratoire. Ces derniers ont permis l'identification de plusieurs candidats (protéines), mais leur rôle fonctionnel et physiologique n'était pas encore établi. Ici nous avons caractérisé la fonction de la relation entre AMPK et quatre partenaires d'interaction : gluthation S-transferases (GSTP1 and GSTM1), fumarate hydratase (FH), l'E3 ubiquitine-ligase (NRDP1), et les protéines associées à la membrane (VAMP2 and VAMP3). Chacune de ces interactions parait avoir un rôle différent dans la signalisation AMPK, agissant en amont ou en aval de la protéine AMPK. GSTP1 et GSTM1 contribueraient à l'activation d'AMPK en facilitant la S-glutathionylation d'AMPK en conditions oxydatives moyennes. Cette régulation non-canonique suggère que l'AMPK peut être un senseur de l'état redox cellulaire. FH mitochondrial est l'unique substrat AMPK clairement identifié. Etonnamment le site de phosphorylation se trouve dans le peptide signal mitochondrial, ce qui pourrait affecter l'import mitochondrial. NRDP1, protéine pour laquelle nous avons pour la première fois développé un protocole de production de la protéine soluble, est faiblement phosphorylée par l'AMPK. L'interaction ne sert pas à l'ubiquitination d'AMPK, mais affecte le renouvellement de NRDP1. Finalement, l'interaction de VAMP2/3 avec AMPK n'implique pas d'évènement de phosphorylation ou d'activation d'un des partenaires. Nous proposons un mécanisme de recrutement d'AMPK par VAMP2/3 (" scaffold ") au niveau des vésicules en exocytose. Ce recrutement favoriserait la phosphorylation de substrats de l'AMPK à la surface des vésicules en exocytoses. Une fois mis en commun, nos résultats enrichissent les connaissances sur les voies de signalisation AMPK, et suggèrent une grande complexité de ces dernières. Plus que les kinases en amont et des substrats en aval, la régulation de la signalisation d'AMPK se fait via des modifications secondaires autres que la phosphorylation, via des effets sur le renouvellement de protéines, et probablement via un recrutement spécifique de l'AMPK dans certains compartiments cellulaires.

La physiopathologie du diabète de type II se caractérise par de sévères anomaliesmétaboliques telles que l'hyperglycémie et les dyslipidémies contribuant au développementdes maladies cardiovasculaires. Une altération de l'activité de l'AMPK dans les tissus tels quele muscle squelettique et le foie est associée à ces désordres métaboliques alors que sonactivation pharmacologique permet de les rétablir. Toutefois, le complexe hétérotrimériqueαβγ tissu-spécifique de l'AMPK confère une régulation et des rôles distincts qui demeurentinexplorés dans l'intestin, un organe favorisant pourtant l'augmentation de l'absorption desnutriments en situation de diabète de type II. La présente étude démontre une prépondérancedu complexe α1β2γ1 de l'AMPK dans les cellules intestinales Caco-2 dont l'un des rôles de lasous-unité α1 est de réguler l'ACC, l'enzyme de synthèse des acides gras. Contrairement àl'AMPK exprimée dans le foie, elle ne régule pas l'HMG-CoA Réductase impliquée dans lasynthèse du cholestérol. L'activation de l'AMPK mime l'effet de l'insuline en réduisantl'absorption intestinale du glucose et des lipides alors que son altération en situationd'insulino-résistance (e.g : induite par le 4-HHE dans un modèle cellulaire Caco-2 ou induitepar la diète dans le modèle animal Psammomys obesus) favorise l'absorption du glucose etdes lipides, ce qui exacerberait l'hyperglycémie et la dyslipidémie postprandiale associées audiabète de type II. L'AMPK au niveau intestinal constitue donc une cible thérapeutiquepotentielle complémentaire pour la prévention et le traitement du diabète de type II.

Les sécrétines de l’hormone de croissance (GHRPs) sont de petits peptides synthétiques capables de stimuler la sécrétion de l’hormone de croissance à partir de l’hypophyse via leur liaison au récepteur de la ghréline GHS-R1a. Le GHRP hexaréline a été utilisé afin d’étudier la distribution tissulaire de GHS-R1a et son effet GH-indépendant. Ainsi, par cette approche, il a été déterminé que l’hexaréline était capable de se lier à un deuxième récepteur identifié comme étant le récepteur scavenger CD36. Ce récepteur possède une multitude de ligands dont les particules oxLDL et les acides gras à longue chaîne. CD36 est généralement reconnu pour son rôle dans l’athérogénèse et sa contribution à la formation de cellules spumeuses suite à l’internalisation des oxLDL dans les macrophages/monocytes. Auparavant, nous avions démontré que le traitement des macrophages avec l’hexaréline menait à l’activation de PPARƔ via sa liaison à GHS-R1a, mais aussi à CD36. De plus, une cascade d’activation impliquant LXRα et les transporteurs ABC provoquait également une augmentation de l’efflux du cholestérol. Une stimulation de la voie du transport inverse du cholestérol vers les particules HDL entraînait donc une diminution de l’engorgement des macrophages de lipides et la formation de cellules spumeuses. Puisque CD36 est exprimé dans de multiples tissus et qu’il est également responsable du captage des acides gras à longue chaîne, nous avons voulu étudier l’impact de l’hexaréline uniquement à travers sa liaison à CD36. Dans le but d’approfondir nos connaissances sur la régulation du métabolisme des lipides par CD36, nous avons choisi des types cellulaires jouant un rôle important dans l’homéostasie lipidique n’exprimant pas GHS-R1a, soient les adipocytes et les hépatocytes. L’ensemble de mes travaux démontre qu’en réponse à son interaction avec l’hexaréline, CD36 a le potentiel de réduire le contenu lipidique des adipocytes et des hépatocytes. Dans les cellules adipeuses, l'hexaréline augmente l’expression de plusieurs gènes impliqués dans la mobilisation et l’oxydation des acides gras, et induit également l’expression des marqueurs thermogéniques PGC-1α et UCP-1. De même, hexaréline augmente l’expression des gènes impliqués dans la biogenèse mitochondriale, un effet accompagné de changements morphologiques des mitochondries; des caractéristiques observées dans les types cellulaires ayant une grande capacité oxydative. Ces résultats démontrent que les adipocytes blancs traités avec hexaréline ont la capacité de se transformer en un phénotype similaire aux adipocytes bruns ayant l’habileté de brûler les acides gras plutôt que de les emmagasiner. Cet effet est également observé dans les tissus adipeux de souris et est dépendant de la présence de CD36. Dans les hépatocytes, nous avons démontré le potentiel de CD36 à moduler le métabolisme du cholestérol. En réponse au traitement des cellules avec hexaréline, une phosphorylation rapide de LKB1 et de l’AMPK est suivie d’une phosphorylation inhibitrice de l’HMG-CoA réductase (HMGR), l’enzyme clé dans la synthèse du cholestérol. De plus, la liaison d'hexaréline à CD36 provoque le recrutement d’insig-2 à HMGR, l’étape d’engagement dans sa dégradation. La dégradation de HMGR par hexaréline semble être dépendante de l’activité de PPARƔ et de l’AMPK. Dans le but d’élucider le mécanisme d’activation par hexaréline, nous avons démontré d’une part que sa liaison à CD36 provoque une déphosphorylation de Erk soulevant ainsi l’inhibition que celui-ci exerce sur PPARƔ et d’autre part, un recrutement de l’AMPK à PGC-1α expliquant ainsi une partie du mécanisme d’activation de PPARƔ par hexaréline. Les résultats générés dans cette thèse ont permis d’élucider de nouveaux mécanismes d’action de CD36 et d'approfondir nos connaissances de son influence dans la régulation du métabolisme des lipides. / Growth hormone releasing peptides (GHRPs) are small synthetic peptides aimed at stimulating GH release from the pituitary through their binding to ghrelin receptor known as growth hormone secretagogue receptor 1a (GHS-R1a). Using the GHRP, hexarelin to study tissue distribution of GHS-R1a and its GH-independent effect, it was observed that hexarelin was capable of binding to a second receptor identified as scavenger receptor CD36. While having multiple ligands, CD36 is mainly known for binding and internalizing oxLDL and long chain fatty acids. CD36 is thought to play a detrimental role in macrophage derived foam cell formation and development of atherosclerosis. Previously, we have shown that in macrophages, expressing both GHS-R1a and CD36, hexarelin promoted an activation of PPARƔ via GHS-R1a but also through its binding to CD36. This activation led to the induction of the LXRα-ABC transporters pathway and an increase in cholesterol efflux, reducing lipid-laden macrophage content. This positive effect on macrophages was reproduced in apolipoprotein E-null mice on a high fat diet treated with hexarelin. A significant reduction in the size of atherosclerotic lesions was observed while similar increases in the expression of PPARƔ, LXRα and ABC transporters occurred in isolated peritoneal macrophages. CD36 also plays a role in fatty acid uptake, and to further investigate the impact of the interaction of hexarelin with CD36, we aimed at evaluating the role of CD36 in regulating lipid metabolism in cells devoid of GHS-R1a such as adipocytes and hepatocytes. In the present thesis, we demonstrated through its interaction with hexarelin, the ability of CD36 to decrease intracellular lipid content in both adipocytes and hepatocytes. In adipocytes, hexarelin was able to increase the expression of several genes involved in fatty acid mobilization, fatty acid oxidation but also to induce the expression of the thermogenic markers, PGC-1α and UCP-1. In addition, hexarelin increased the expression of genes involved in mitochondrial biogenesis which was accompanied by mitochondrial morphological changes in agreement with what is usually seen in highly oxidative cells. In support of these findings, we also observed an increase in the activity of cytochrome c oxidase (a component of the respiratory chain) which could reflect an increase in oxidative phosphorylation. The results generated with cultured white adipocytes suggest the ability of hexarelin to promote changes toward a brown fat-like phenotype which also occurred in vivo and was dependent on the presence of CD36. In hepatocytes, CD36 was capable of regulating cholesterol metabolism by rapidly phosphorylating LKB1 and AMPK which subsequently resulted in the inactivating phosphorylation of HMG-CoA reductase, the rate-limiting enzyme in cholesterol synthesis. Hexarelin via CD36 also induced the recruitment of insig-2 to HMGR, the committed step in HMGR degradation while lifting the exerted inhibitory effect of Erk on nuclear receptor PPARƔ activity, and promoting the recruitment of AMPK to PPARƔ coactivator PGC-1α, suggesting an enhanced transcriptional potential of PPARƔ. The results generated during my graduate studies represent unique and novel mechanisms by which CD36 is capable of regulating lipid metabolism.

Insulin resistance is an early marker of Type II diabetes. Excessive lipid accumulation in muscle and liver leads to insulin resistance, and lowering tissue lipids causes an enhancement of insulin action. The enzyme AMP-activated protein kinase (AMPK) is activated when cellular energy levels are compromised, such as during exercise; this enhances fuel oxidation and inhibits energy consuming processes. The hypothesis in this thesis was that activating AMPK in a lipid-induced insulin resistant state leads to tissue lipid reduction and improved insulin sensitivity. Insulin resistant high-fat fed (HF-) rats were administered 5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-??-D-ribofuranoside (AICAR), a specific AMPK activator. During an euglycaemic hyperinsulinaemic clamp performed 24h later, HF-rats showed increased whole body, muscle and liver insulin action, independent of changes in PKB-phosphorylation. The liver had reduced triglycerides, malonyl-CoA and increased IkB-a content. A lowering of muscle malonyl-CoA was consistent with conditions favouring increased lipid utilisation. Normal, chow-fed rats also showed improved insulin action post-AICAR. Further studies showed that basal glucose uptake was not increased 24h after AICAR, suggesting that AMPK activation had caused an increase in insulin sensitivity. Diacylglycerols and triglycerides, but not ceramides, were reduced in the liver of AICAR treated HF-rats, suggesting lipid reduction as a likely mediator of enhanced liver insulin action. These lipid species were not reduced in muscle. AICAR administration to HF-rats lowered plasma glucose and fatty acids (FA) acutely, probably due to increased muscle glucose uptake and FA oxidation. Glycogen was reduced in liver and increased in muscle, suggesting glucose mobilisation from liver to muscle. Adrenergic blockade excluded the sympathetic nervous system in the acute AICAR effects. AMPK was activated in white muscle and liver of HF-rats immediately after AICAR, the same tissues that exhibited later improved insulin sensitivity. Tracer technologies used to investigate glucose and lipid fluxes showed that AMPK activation in white muscle simultaneously increased both glucose and FA uptake and their metabolism, with glucose also being stored as glycogen. The liver showed lower lipid synthesis, consistent with reduced liver lipid accumulation observed 24h post-AICAR. In conclusion, these results suggest that activation of AMPK leads to selective tissue lipid reduction and improved insulin action, and is a potential target for the treatment of insulin resistance and type II diabetes.

Cancer progression is a multi-step process requiring cells to acquire specific properties that aid the neoplastic growth. One such property is the ability to survive in the absence of matrix-attachment, a critical necessity for cells to traverse in circulation and seed metastases. Therefore, understanding the signalling mechanisms that protect cells from undergoing death in matrix-deprived condition, termed as anoikis, is important. We have used two systems to study this, one involving experimental transformation model, and another involving cancer cell lines. In the in vitro transformation model system involving the serial introduction of oncogenes, the ability to survive in anchorage-independent condition and generate spheres/colonies was dependent on the presence of the Simian Virus Small T antigen, SV40 ST. We identified that the viral antigen mediates its effects, at least in part, by activating the master metabolic regulator and cellular stress kinase AMP-activated protein kinase (AMPK) leading to maintenance of energy homeostasis. Consistent with this, our lab has previously identified both activation of AMPK upon matrix-deprivation in breast cells, as well as its requirement for survival under these conditions. However, a pathway often associated with survival under matrix-deprivation is the PI3K/Akt pathway. Surprisingly, we observed an AMPK-dependent decrease in Akt activity under conditions of matrix-detachment. Since this was contrary to the general notion, we probed deeper into a possible crosstalk between these two kinases. Our work revealed that AMPK activation in suspension inhibits Akt via upregulation of a known Akt phosphatase, pleckstrin homology domain leucinrich repeat protein phosphatise (PHLPP). We further show that the AMPK-PHLPP-Akt signalling axis is important for anoikis-resistance and metastasis. In addition, our results point to a yet unidentified protumorigenic role of PHLPP in breast cancer progression. With an aim to identify cellular proteins differentially regulated upon AMPK activation in breast cancer cells, we undertook a proteomics approach. Using 2-dimensional gel electrophoresis followed by mass spectrometric analysis, we identified some candidate proteins. We have validated the increase in levels of one of these proteins, annexin A2, in cancer cells upon AMPK activation. In summary, the present study unveils novel oncogenic functions of AMPK in cancer cells under the stress of matrix-deprivation. Furthermore, our results elucidate a double-negative feedback loop between two critical cellular kinases AMPK and Akt, and also identify a novel pro-tumorigenic role of PHLPP in breast cancer. In addition, we identify PHLPP and annexin A2 as novel proteins upregulated by AMPK in cancer cells. Thus, our results begin to identify pathways utilised by cancer cells to aid anchorage-independent growth, a critical step for cancer metastasis. Based on our results, inhibition of AMPK or perturbation of signalling axes involving AMPK, and PHLPP or annexin A2 might be considered as novel therapeutic approaches to combat cancer progression