Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

De par leur importante diversité phénotypique (10000 espèces), les oiseaux ont colonisé la plupart des niches écologiques, aussi " extrêmes " soient-elles. Les zones polaires (Arctique et Antarctiques) et le climat extrêmement froid qui les aractérise, suscitent l'intérêt de nombreuses études. Ce travail de thèse avait pour but d'explorer les différents mécanismes intervenant dans la mise en place de la thermorégulation chez l'oiseau. Nous nous sommes principalement intéressés, par une approche intégrative, de l'animal entier (méthodes de calorimétrie indirecte) à l'expression génique (techniques de RT-PCR), à caractériser les modifications métaboliques et l'implication d'une protéine découplante (avUCP) dans les mécanismes de thermorégulation, et principalement la thermogenèse sans frisson (NST) en réponse à une exposition chronique au froid.Au cours de deux études menées chez le caneton de Barbarie, nous avons démontré l'aspect " adaptatif " de la NST ainsi que l'implication potentielle de l'UCP aviaire dans ce mécanisme en faisant varier tout d'abord la température d'acclimatation puis la durée d'exposition pour caractériser la mise en place de la NST au cours de la croissance. Lors d'une troisième étude, nous nous sommes intéressés à une étape clé de la vie des manchots royaux (passage en mer) caractérisée par un stress thermique important et une activité physique accrue dus aux longs séjours en eau froide. Ce contexte environnemental et physiologique entraine nécessairement des adaptations métaboliques, comme la mise en place d'un métabolisme lipidique efficace soutenant ainsi les dépenses énergétiques accrues lors des voyages en mer.

Les principaux substrats oxydés à l’exercice, soit les glucides, les lipides et les pro- téines ne contribuent pas tous au même niveau à la fourniture d’énergie lors de l’effort prolongé. De plus, le glucose peut provenir de différentes sources endogènes (muscle, foie) et exogènes. Plusieurs facteurs peuvent influencer leur contribution respective incluant : la masse musculaire impliquée et l’entraînement préalable, le sexe, l’état nutritionnel et les conditions environnementales. L’utilisation d’isotopes stables, tels que le carbone 13 (13C), combinée à la calorimétrie indirecte respiratoire corrigée pour l’excrétion d’urée dans l’urine et la sueur, permet de différencier les substrats endogènes et exogènes et d’évaluer la contribution de leur oxydation à la fourniture d’énergie. Ces méthodes d’investigation permettant d’apprécier la sélection des substrats lors de l’exercice prolongé avec ingestion de glucose ont permis d’effectuer les comparaisons qui ont fait l’objet des trois études de cette thèse. Dans la première étude, la sélection des substrats au cours d’un effort prolongé effectué avec les membres inférieurs ou les membres supérieurs a été comparée avec et sans ingestion de glucose. Une différence modeste fut observée entre la sélection des substrats selon le mode d’exercice avec l’ingestion d’eau, celle-ci favorisant légèrement l’oxydation des glucides lors de l’effort avec les membres supérieurs. La quantité de glucose exogène oxydée était plus faible lors de l’exercice avec les membres supérieurs qu’avec les membres supérieurs, mais sa contribution plus importante, conséquence d’une dépense énergétique plus faible. Dans la deuxième étude, on a comparé la sélection des substrats chez des sujets mas- culins et féminins et les effets d’une alimentation enrichie en glucides ou de l’ingestion de glucose, au cours d’un exercice prolongé d’une durée de deux heures. On reconnaît généralement que, pour une même puissance relative, les femmes utilisent moins de glucides et davantage de lipides que les hommes. Les effets séparés d’une alimentation riche en glucides ou de l’ingestion de glucose pendant l’exercice sur la sélection des substrats furent pourtant similaires chez les deux sexes. L’effet combiné des deux procédures de supplémentation est toutefois plus important chez la femme que chez l’homme, soutenant l’hypothèse qu’un léger déficit en glucides soit présent chez les femmes. Dans la troisième étude, l’oxydation des substrats et particulièrement celle d’amidon exogène au cours d’une marche prolongée à une faible puissance de travail a été décrite. Les individus qui pratiquent des activités physiques prolongées à des intensités faibles (< 40 %VO2max) sont encouragés à ingérer des glucides et de l’eau pendant l’effort, mais la contribution de leur oxydation à la fourniture d’énergie est relativement peu connue. Nous avons montré que, contrairement aux observations précédemment effectuées à jeun sans ingestion de glucides pendant l’effort, les glucides (incluant de source exogène) peuvent fournir une très grande partie de l’énergie lorsqu’ils sont ingérés à des intervalles réguliers au cours de l’exercice prolongé. Dans l’ensemble, les résultats des études expérimentales présentées dans cette thèse montrent que les glucides ingérés peuvent fournir une grande proportion de l’énergie pendant l’exercice prolongé. Toutefois, le mode d’exercice, le sexe et la puissance de travail mènent à des variations qui sont en grande partie liées à une dépense énergétique variable selon les conditions et les groupes d’individus ayant des caractéristiques différentes. / The main substrates oxidized during prolonged exercise, whether carbohydrates, fats or proteins, do not contribute equally to the energy supply. In addition, glucose can originate from different endogenous (muscle, liver) and exogenous sources. Many factors can affect their respective contribution including: active muscle mass, training, sex, nutritional state and environmental conditions. The use of stable isotopes, such as carbon 13 (13C), combined with indirect respiratory calorimetry corrected for urea excretion in urine and sweat, allows the differentiation of endogenous and exogenous substrates and the estimation of their contribution to the energy yield. These methods, allowing the measurement of fuel selection during prolonged exercise with glucose ingestion, enabled the comparisons found in the three experimental studies part of this thesis. In the first study, fuel selection was compared during prolonged upper- and lower-body exercise with or without glucose ingestion. The difference in fuel selection between upper- and lower-body exercise when water was ingested was modest with a slightly higher reliance on carbohydrate oxidation during upper-body exercise. The amount of exogenous glucose oxidized was lower but its contribution to the energy yield was higher during upper-body exercise due to the lower energy expenditure. In the second study of the thesis, the effects on fuel selection in women and men of a diet rich in carbohydrate and glucose ingestion during prolonged exercise were compared. It is generally recognized that for a given relative workload, women rely less on carbohydrates and more on fat than men. The separate effects of a diet rich in carbohydrates or glucose ingestion during exercise on fuel selection were indeed similar in men and women. However, the combined effects of both procedures were larger in women than in men, supporting the suggestion that a small carbohydrate deficit could be present in women. In the third study, substrate oxidation and particularly that of exogenous starch during prolonged walking at a low workload was described. Subjects engaged in prolonged exercise at low workload (<40 %VO2max) are encouraged to ingest carbohydrate along with water before and during exercise but there is currently few data on the contribution to the energy yield of ingested carbohydrate in this situation. In contrast to what is observed in fasted subjects without carbohydrate ingestion during exercise, we have shown that carbohydrate (including exogenous starch) can supply a very large proportion of the energy yield when ingested before and at regular interval during prolonged exercise. Taken together, the results of the experimental studies show that ingested carbohydrates can supply a large fraction of the energy yield during prolonged exercise. However, the exercise mode, the sex and the workload sustained has shown some differences that are mostly due to variations in energy expenditure between experimental conditions or groups of individuals with different characteristics.

Les principaux substrats oxydés à l’exercice, soit les glucides, les lipides et les pro- téines ne contribuent pas tous au même niveau à la fourniture d’énergie lors de l’effort prolongé. De plus, le glucose peut provenir de différentes sources endogènes (muscle, foie) et exogènes. Plusieurs facteurs peuvent influencer leur contribution respective incluant : la masse musculaire impliquée et l’entraînement préalable, le sexe, l’état nutritionnel et les conditions environnementales. L’utilisation d’isotopes stables, tels que le carbone 13 (13C), combinée à la calorimétrie indirecte respiratoire corrigée pour l’excrétion d’urée dans l’urine et la sueur, permet de différencier les substrats endogènes et exogènes et d’évaluer la contribution de leur oxydation à la fourniture d’énergie. Ces méthodes d’investigation permettant d’apprécier la sélection des substrats lors de l’exercice prolongé avec ingestion de glucose ont permis d’effectuer les comparaisons qui ont fait l’objet des trois études de cette thèse. Dans la première étude, la sélection des substrats au cours d’un effort prolongé effectué avec les membres inférieurs ou les membres supérieurs a été comparée avec et sans ingestion de glucose. Une différence modeste fut observée entre la sélection des substrats selon le mode d’exercice avec l’ingestion d’eau, celle-ci favorisant légèrement l’oxydation des glucides lors de l’effort avec les membres supérieurs. La quantité de glucose exogène oxydée était plus faible lors de l’exercice avec les membres supérieurs qu’avec les membres supérieurs, mais sa contribution plus importante, conséquence d’une dépense énergétique plus faible. Dans la deuxième étude, on a comparé la sélection des substrats chez des sujets mas- culins et féminins et les effets d’une alimentation enrichie en glucides ou de l’ingestion de glucose, au cours d’un exercice prolongé d’une durée de deux heures. On reconnaît généralement que, pour une même puissance relative, les femmes utilisent moins de glucides et davantage de lipides que les hommes. Les effets séparés d’une alimentation riche en glucides ou de l’ingestion de glucose pendant l’exercice sur la sélection des substrats furent pourtant similaires chez les deux sexes. L’effet combiné des deux procédures de supplémentation est toutefois plus important chez la femme que chez l’homme, soutenant l’hypothèse qu’un léger déficit en glucides soit présent chez les femmes. Dans la troisième étude, l’oxydation des substrats et particulièrement celle d’amidon exogène au cours d’une marche prolongée à une faible puissance de travail a été décrite. Les individus qui pratiquent des activités physiques prolongées à des intensités faibles (< 40 %VO2max) sont encouragés à ingérer des glucides et de l’eau pendant l’effort, mais la contribution de leur oxydation à la fourniture d’énergie est relativement peu connue. Nous avons montré que, contrairement aux observations précédemment effectuées à jeun sans ingestion de glucides pendant l’effort, les glucides (incluant de source exogène) peuvent fournir une très grande partie de l’énergie lorsqu’ils sont ingérés à des intervalles réguliers au cours de l’exercice prolongé. Dans l’ensemble, les résultats des études expérimentales présentées dans cette thèse montrent que les glucides ingérés peuvent fournir une grande proportion de l’énergie pendant l’exercice prolongé. Toutefois, le mode d’exercice, le sexe et la puissance de travail mènent à des variations qui sont en grande partie liées à une dépense énergétique variable selon les conditions et les groupes d’individus ayant des caractéristiques différentes. / The main substrates oxidized during prolonged exercise, whether carbohydrates, fats or proteins, do not contribute equally to the energy supply. In addition, glucose can originate from different endogenous (muscle, liver) and exogenous sources. Many factors can affect their respective contribution including: active muscle mass, training, sex, nutritional state and environmental conditions. The use of stable isotopes, such as carbon 13 (13C), combined with indirect respiratory calorimetry corrected for urea excretion in urine and sweat, allows the differentiation of endogenous and exogenous substrates and the estimation of their contribution to the energy yield. These methods, allowing the measurement of fuel selection during prolonged exercise with glucose ingestion, enabled the comparisons found in the three experimental studies part of this thesis. In the first study, fuel selection was compared during prolonged upper- and lower-body exercise with or without glucose ingestion. The difference in fuel selection between upper- and lower-body exercise when water was ingested was modest with a slightly higher reliance on carbohydrate oxidation during upper-body exercise. The amount of exogenous glucose oxidized was lower but its contribution to the energy yield was higher during upper-body exercise due to the lower energy expenditure. In the second study of the thesis, the effects on fuel selection in women and men of a diet rich in carbohydrate and glucose ingestion during prolonged exercise were compared. It is generally recognized that for a given relative workload, women rely less on carbohydrates and more on fat than men. The separate effects of a diet rich in carbohydrates or glucose ingestion during exercise on fuel selection were indeed similar in men and women. However, the combined effects of both procedures were larger in women than in men, supporting the suggestion that a small carbohydrate deficit could be present in women. In the third study, substrate oxidation and particularly that of exogenous starch during prolonged walking at a low workload was described. Subjects engaged in prolonged exercise at low workload (<40 %VO2max) are encouraged to ingest carbohydrate along with water before and during exercise but there is currently few data on the contribution to the energy yield of ingested carbohydrate in this situation. In contrast to what is observed in fasted subjects without carbohydrate ingestion during exercise, we have shown that carbohydrate (including exogenous starch) can supply a very large proportion of the energy yield when ingested before and at regular interval during prolonged exercise. Taken together, the results of the experimental studies show that ingested carbohydrates can supply a large fraction of the energy yield during prolonged exercise. However, the exercise mode, the sex and the workload sustained has shown some differences that are mostly due to variations in energy expenditure between experimental conditions or groups of individuals with different characteristics.

Plusieurs études ont montré que certaines kinases situées dans le foie, « mammalian target of rapamycin » (mTOR), « adenosine monophosphate-activated protein kinase » (AMPK) et « general control non-depressible kinase 2 » (GCN2) répondent à la disponibilité en acides aminés.L’objectif de nos études a été de préciser le rôle de deux de ces voies, l’AMPK et GCN2, dans les adaptations du métabolisme énergétique et de la synthèse protéique en réponse aux variations en protéines du régime. Pour cela, des souris de type sauvage et des souris KO n’exprimant plus la voie AMPK ou GCN2 dans le foie ont été nourries pendant trois semaines avec un régime faible, normal ou fort en protéines. Les analyses ont montré que les souris KO-AMPK foie spécifique et nourries sous régime normoprotéique adaptent leur métabolisme hépatique notamment en sécrétant le facteur fibroblastique FGF21 ce qui leur permet de compenser l’absence d’AMPK et de présenter des profils d’oxydation normaux.Au contraire, les souris KO-AMPK foie spécifique nourries avec des régimes faibles ou forts en protéines présentent des altérations des profils d’oxydation des lipides et des glucides liées à une absence de modification du métabolisme hépatique.La délétion de GCN2 dans le foie, quant à elle, n’a d’effet que sous régime faible en protéines : les souris KO-GCN2 foie spécifique présentent une plus faible oxydation lipidique et une plus forte oxydation glucidique que les souris sauvages en période postprandiale dû à l’absence d’induction de la sécrétion de FGF21.Concernant le métabolisme des protéines, les kinases GCN2 et AMPK ne semblent pas impliquées dans l’intensité du flux de synthèse protéique dans le foie et en périphérie dans le muscle en période postprandiale.En conclusion, ces travaux montrent que les délétions de l’AMPK et de GCN2 hépatiques affectent le métabolisme énergétique mais pas le métabolisme protéique et que les conséquences dépendent de la composition du régime. / Several studies have reported that some kinases located in the liver respond to the availability of amino acids. These kinases are mammalian target of rapamycin '(mTOR), "adenosine monophosphate-activated protein kinase" (AMPK) and "general control non-depressible kinase 2" (GCN2).The aim of our study was to clarify the role of two of these signaling pathways, AMPK and GCN2 in the adaptations of energy and protein metabolism in response to the modulation of dietary protein content. Wild-type and liver AMPK-deficient or liver GCN2-deficient mice were fed either a low, a normal or high protein diet during three weeks. Analyzes showed that liver AMPK-deficient mice fed under a normo-protein diet exhibit an adapatation of liver metabolism and secret FGF21 which enables them to have normal postprandial oxidation profiles.In contrast, liver AMPK-deficient mice fed a low or a high protein diet exhibit an alteration in postprandial oxidation profiles. The deletion of GCN2 in the liver only has an effect under low protein diet as liver GCN2 deficient mice have a lower lipid oxidation and a higher carbohydrate oxidation linked to the absence of FGF21 secretion. Concerning protein metabolism, AMPK and GCN2 do not seem to be involved in protein synthesis rate in the posrprandial period in the liver and periphery in the postprandial muscle. In conclusion, these studies show that hepatic AMPK and GCN2 deletions affect energy metabolism, but not protein metabolism and that the consequences depend on diet composition.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L’utilisation du glucose exogène est un déterminant de la performance sportive, particulièrement lors d’épreuves de plus d’une heure. Les caractéristiques des sujets, les conditions d’exercice et d’ingestion du glucose sont tous des facteurs pouvant affecter l’oxydation de glucose exogène (OGE). De plus, la co-ingestion d’autres substrats et l’environnement dans lequel l’activité est pratiquée peuvent également avoir un impact sur l’OGE et sa contribution à la fourniture d’énergie. Il est souvent difficile, voire impossible, de comparer les résultats des études qui ont examiné l’OGE due au manque d’uniformité dans la méthodologie. Afin de clarifier l’effet de ces facteurs sur le taux d’OGE, ainsi que sa contribution à la fourniture d’énergie lors de l’exercice prolongé, une revue de littérature et une méta-analyse ont été effectuées. Le sexe, l’âge, la masse corporelle, le VO2max des participants, le moment d’ingestion, le taux d’ingestion, la concentration de la solution, la puissance absolue et relative de l’exercice, et la durée de l’exercice ont été utilisés comme modérateurs. Les facteurs pouvant influencer le taux d’OGE et sa contribution à la fourniture d’énergie pendant l’exercice prolongé rapportés dans cette méta-analyse confirment une relation dose-réponse curvilinéaire. D’autres facteurs, tels le VO2 et le %VO2max de l’exercice, ainsi que le moment d’ingestion, permettent également d’expliquer la relation observée dans le taux d’oxydation exogène et sa contribution à la fourniture d’énergie. La grande majorité des études ayant été effectuées sur une population restreinte (hommes sportifs ou en santé, âgés entre 20 et 30 ans), davantage de travaux sont nécessaires chez les femmes et les sujets d’âge et de masse corporelle différents afin d’éviter les biais d’interprétation dus à au sexe ou aux caractéristiques physiques. Les résultats de cette méta-analyse pourront aider à améliorer les recommandations sur l’ingestion de glucides au cours de l’exercice prolongé. / Exogenous glucose oxidation is a determinant of sports performance especially in activities lasting over 1 hour. Many factors concerning the subjects, the substrate and the exercise itself could influence the capacity of the human body to oxidize exogenous glucose. Furthermore, the co-ingestion of other substrates, as well as the environment in which the activity is performed, could also influence the rate of exogenous glucose oxidation (EGO) and its contribution to the energy yield. The lack of uniformity in methodologies used to investigate EGO makes it very difficult, and in some cases even impossible, to make direct comparisons between study results. In an attempt to shed some light on the impact of those various factors on the rate of EGO and its contribution to the energy yield, the literature was reviewed and a meta-analysis was done. The sex, age, body mass, VO2max, timing of ingestion, rate of ingestion, solution concentration, exercise’s absolute and relative intensity, and exercise duration were used as moderators. Many factors can contribute to EGO and its contribution to the energy yield and the results from this meta-analysis confirm a dose-response relationship. Additional factors, such as exercise VO2 or %VO2max, and ingestion timing also have a significant effect. Further studies might be needed with women and subjects with different age and body mass to avoid bias due to an unbalanced number of studies when comparing subject characteristics. These results should help improve nutritional recommendations for carbohydrate ingestion during prolonged exercise.

De par leur importante diversité phénotypique (10000 espèces), les oiseaux ont colonisé la plupart des niches écologiques, aussi « extrêmes » soient-elles. Les zones polaires (Arctique et Antarctiques) et le climat extrêmement froid qui les aractérise, suscitent l’intérêt de nombreuses études. Ce travail de thèse avait pour but d’explorer les différents mécanismes intervenant dans la mise en place de la thermorégulation chez l’oiseau. Nous nous sommes principalement intéressés, par une approche intégrative, de l’animal entier (méthodes de calorimétrie indirecte) à l’expression génique (techniques de RT-PCR), à caractériser les modifications métaboliques et l’implication d’une protéine découplante (avUCP) dans les mécanismes de thermorégulation, et principalement la thermogenèse sans frisson (NST) en réponse à une exposition chronique au froid.Au cours de deux études menées chez le caneton de Barbarie, nous avons démontré l’aspect « adaptatif » de la NST ainsi que l’implication potentielle de l’UCP aviaire dans ce mécanisme en faisant varier tout d’abord la température d’acclimatation puis la durée d’exposition pour caractériser la mise en place de la NST au cours de la croissance. Lors d’une troisième étude, nous nous sommes intéressés à une étape clé de la vie des manchots royaux (passage en mer) caractérisée par un stress thermique important et une activité physique accrue dus aux longs séjours en eau froide. Ce contexte environnemental et physiologique entraine nécessairement des adaptations métaboliques, comme la mise en place d’un métabolisme lipidique efficace soutenant ainsi les dépenses énergétiques accrues lors des voyages en mer. / Because of their huge phenotypic diversity (10,000 species), birds were able to colonize many “extreme” ecological niches. Many studies have been focus on the polar areas (i.e. Arctic and Antarctica) with their typical cold climate. The aim of this work was to explore the onset of thermoregulatory mechanisms in birds. Using an integrative approach, from whole animal (indirect calorimetry) to gene expression (RT-PCR analysis), we investigated metabolic adaptations and avian uncoupling protein implication in non shivering thermogenesis (NST) during chronic cold exposure. In two studies, working on Muscovy ducklings, we have highlighted the “adaptative” aspect of NST and potential implication of avUCP in this mechanism in relation to different ambient temperatures of acclimation and to cold exposure duration.In a third study, we were interested by passage from shore to marine life of King Penguins that represents a key step of their life. This is defined by massive cold stress (cold water) and increase of physical activity (long-time swimming), leading great metabolic adaptations, such as an increase of lipid oxidative capacities which would sustain expensive energetic cost of marine life.

Une mesure précise de l'activité physique en conditions de vie libre est nécessaire pour une meilleure compréhension de ses relations avec la santé. Le premier objectif de ce travail thèse a été de valider l'Actiheart (qui combine la mesure de la fréquence cardiaque et du mouvement par accélérométrie) par rapport à l'eau doublement marquée (EDM). Nous montrons un bon niveau de concordance entre la dépense énergétique liée à l'activité physique (DEAP) estimée par l'Actiheart et l'EDM. Une individualisation de la relation entre la fréquence cardiaque et de la DEAP par un test d'effort est nécessaire pour une estimation fiable de la DEAP au niveau individuel et pour évaluer des changements de DEAP tels qu'induits par une intervention. En laboratoire, nous montrons que la précision de l'Actiheart est activité dépendante. Ceci nécessite la mise en place de leur reconnaissance par de nouveaux capteurs et modèles mathématiques. L'adiponectine est une hormone du tissu adipeux qui a un rôle dans le métabolisme énergétique et dont la sécrétion diminue avec l'obésité. Les effets de l'activité physique sont en revanche contradictoires dans la littérature. Le second objectif de ce travail a été d'évaluer l'effet de l'activité physique et d'une intervention avec contrôle du poids sur les taux plasmatiques d'adiponectine. Nous montrons que l'adiponectine totale et à haut poids moléculaire sont associées négativement à la variation du niveau d'activité physique. D'autres travaux sont cependant nécessaires pour comprendre les mécanismes qui sous-tendent cette modulation de l'adiponectine plasmatique qui ne semble pas liée à des variations de synthèse dans le tissu adipeux ou musculaire.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal