La membrane cellulaire est un objet jouant divers rôles en biologie. Elle sert en particulier de barrière sélective entre l'intérieur et l'extérieur d'une cellule. Une membrane est une bicouche majoritairement composée de lipides, particulièrement de phospholipides, entre lesquels des protéines peuvent s'insérer. Les membranes ont besoin de contrôler l'organisation des protéines pour répondre à différentes fonctions biologiques. En physique de la matière condensée une interface signifie généralement une frontière entre deux phases distinctes, les fluctuations de cette frontière pouvant être étudiées avec les outils de la physique statistique et ceux associés aux phénomènes critiques. C'est dans ce cadre que s'insèrent nos travaux. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à l'organisation bidimensionnelle des lipides dans la membrane. Nous avons développé un modèle analytique de vésicule, objet tridimensionnel constitué d'une membrane fermée, où les lipides sont modélisés comme un fluide binaire en proportions différentes dans les deux feuillets de la bicouche. Un hamiltonien de Landau, qui décrit les interactions entre les lipides dans un feuillet, est couplé à un hamiltonien d'Helfrich qui rend compte des propriétés élastiques du système via une courbure spontanée et un module de courbure élastique qui dépendent de la composition locale. Dans ce modèle, le système présente différentes phases thermodynamiques qui peuvent être associées à des domaines soit épais soit courbés. Les domaines épais sont de bons candidats pour modéliser les radeaux (ou "rafts") lipidiques, qui jouent supposément le rôle de plate-forme de signalisation pour les cellules. La seconde partie porte sur l'impact de ces différentes phases sur la forme globale des vésicules. Pour répondre à cette question nous avons développé un programme numérique qui simule des vésicules composées de différents lipides. Lors de la comparaison de nos premiers résultats avec les solutions du modèle analytique, nous nous sommes aperçus qu'il existe une différence importante entre les paramètres élastiques microscopiques et ceux associés aux spectres de fluctuations mesurés. En effet, deux paramètres sufisent pour décrire le modèle de Helfrich, la tension de surface et le module de courbure élastique. Bien que les variations du module de courbure soient faibles, celles de la tension de surface sont importantes. Nous avons obtenus une formule simple qui relie la tension microscopique à celle du spectre des fluctuations. A l'aide de simulations Monte Carlo extensives et précises nous avons vérifié l'accord de ces résultats. De plus, nous avons étudié la transition de la forme sphérique à la forme "érythrocyte" et montré qu'elle pouvait être associée à l'annulation de la tension de Laplace du système. Nous avons également re-exploré la renormalisation des paramètres du modèle d'Helfrich pour une membrane plane et fait une analogie avec le modèle delta non- linéaire, un modèle de spins bien connu en matière condensée. / The cell membrane is an object playing many roles in biology. It is used in particular as a selective barrier between the interior and the exterior of a cell. A membrane is a bilayer composed mostly of lipids, and in particular of phospholipids, in which proteins can be inserted. The membrane needs to control the spatial organization of proteins to achieve various biological functions. In condensed matter physics, an interface usually means a boundary between two phases, the fluctuations of such border can be studied with the tools of statistical physics and those of critical phenomena. It is in this context that our work is inscribed. In a first part, we are interested in the two-dimensional organization of lipids in the membrane. We have developed an analytical model of a vesicle, a three-dimensional object consisting of a closed membrane, where the lipid bilayer is modeled as a binary mixture with di erent average compositions on both leaflets. A Landau hamiltonian describing the lipid- lipid interactions on each leaflet is coupled to a Helfrich one, accounting for the membrane elasticity, via both a local spontaneous curvature, and a bending modulus which depend on the local composition of lipids. In this model there are different thermodynamics phases that can be associated with thick or curved patches. These thick patches are good candidates for modeling lipidic rafts, which serve as signaling platforms for cells. The second issue concerns the impact of the different phases on the global shape of the vesicles. To answer this, we developed a numerical code that simulates vesicles composed of various lipids. When we compared our first results with analytical solutions, we realized that there is a significant difference between the microscopic elastic parameters and those associated with the fluctuation spectrum in the output of the simulation. Indeed, two parameters are enough to describe the Helfrich hamiltonian, the surface tension and the bending modulus. Although we observe small changes in the bending modulus, those of the surface tension are important. We have obtained a simple formula which connects the microscopic tension with the one associated with the fluctuation spectrum. Using extensive and accurate Monte Carlo simulations we checked the agreement of these results. In addition, we have studied the transition from the spherical shape to the "erythrocyte" one and showed that it could be associated with the cancellation of the Laplace pressure. We also explored the renormalization of Helfrich parameters for a flat membrane and proposed an analogy with the nonlinear delta model, a well known spin model in condensed matter.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2005-2006

Nous avons observé dans une cohorte de 9477 sujets que le biais associé à l'équation de Friedewald n'était pas relié au niveau de cholestérol (C) et que cette équation ne démontrait aucun biais significatif chez les patients avec un niveau de triglycérides entre 4.51-8.82 mmol/L. Le ratio C-VLDL/triglycérides expliquait environ 63.0% de la variance du biais associé à l'équation de Friedewald et que le génotype de l'apolipoprotéine (apo) E contribuait à expliquer 39.0% de la variance de ce ratio. D'autre part, la relation inverse entre les niveaux de triglycérides et de C-HDL est très bien établie. Par contre, nous avons observé que la réduction des niveaux de C-HDL associée à l'augmentation des triglycérides est plus élevée que la réduction concomitante de l'apolipoprotéine (apo) A-I des HDL. Le rôle du récepteur LDL dans le métabolisme de l'apo B48-B100 demeure toujours controversé. En examinant les paramètres cinétiques des apos B48-B100 marquées à l'aide d'un isotope stable, nos résultats n'ont démontré aucune évidence d'une une réduction du catabolisme de l'apo B48 des lipoprotéines riches en triglycérides (TRL) chez des patients avec une hypercholestérolémie familiale (HF) hétérozygote comparativement à des contrôles. De plus, nous avons observé une augmentation significative du taux de production de l'apo BlOO des VLDL ainsi qu'une diminution du catabolisme de l'apo BlOO des LDL chez les patients avec une HF comparativement à des sujets contrôles. D'autre part, nos résultats ont également démontré que les patients caractérisés par la coexistence de la dysbêtalipoprotéinémie et de THF démontraient une accumulation de TRL apo B48 et IDL apo BlOO due à une augmentation de leurs productions et à une diminution de leurs catabolismes et qu'un traitement au fénofibrate réduisait considérablement les niveaux de TRL principalement en augmentant leur taux de catabolisme. De plus, ces patients étaient également caractérisés par une augmentation des niveaux d'apo C-III et un traitement au fénofibrate a eu pour effet de diminuer les niveaux d'apo C-III via une augmentation du catabolisme et une diminution de la production. Finalement, chez des patients modérément hypercholestérolémiques, l'ézétimibe a diminué significativement les niveaux de C-LDL principalement en augmentant le catabolisme des particules contenant l'apo BlOO. / We observed in 9477 subjects that the bias associated with the Friedewald formula was not related to the plasma cholesterol (C) levels and that this equation did not show any significant bias in patients with triglyceride levels between 4.51-8.82 mmol/L. The VLDLC/triglyceride ratio explained 63.0% of the variance of the bias associated with the Friedewald formula. Moreover, our results revealed that the apolipoprotein (apo) E genotype explained 39.0% of the variance of the VLDL-C/triglyceride ratio and that the mean error as well as the bias associated with the Friedewald formula were increased in subjects with type III phenotype (E2/E2). On the other hand, the inverse relationship between triglyceride and HDL-C levels is well established. However, we observed that the reduction of HDL-C concentrations associated with the increase of triglyceride levels was higher than the concomitant reduction in HDL-apo A-I levels. The role of the LDL receptor in the apo B48-B100 metabolism is still unclear. Kinetic parameters of apo B48- B100 labeled with a stable isotope showed no significant evidence for a reduction in the triglyceride-rich lipoproteins (TRL) apo B48 catabolism in patient with heterozygous familial hypercholesterolemia (FH) as compared with controls. Furthermore, we observed a significant increase of VLDL apo BlOO production rate and a significant decrease of LDL apoBlOO fractional catabolic rate in FH patients as compared with controls. Our results also showed an accumulation of TRL apo B48 and IDL apo BlOO in subjects with coexisting dysbetalipoproteinemia and heterozygous FH due to an increased synthesis and a decreased catabolism of these particles. A treatment with fenofibrate considerably reduced the TRL-IDL apo B levels mainly by increasing their catabolism. Moreover, these patients also showed increased apo C-III levels and the treatment with fenofibrate also reduced apo C-III concentrations via an increased fractional catabolic rate and a decreased production rate. Finally, in patients with moderate hypercholesterolemia, ezetimibe significantly decreased LDL-C levels mainly by increasing the fractional catabolic rate of apo B100- containing lipoproteins.

Ce projet de maîtrise avait pour but d'étudier l'influence de polymorphismes de gènes impliqués dans le métabolisme des lipides sur la réponse lipidique à un traitement au fénofibrate. Pour ce faire, 168 sujets on été soumis à 3 mois de traitement au fénofibrate. Le fénofibrate étant un activateur de PPARa, tous les gènes étudiés contenaient un PPRE dans leur promoteur. Les polymorphismes étudiés sont les suivants : PPARaL162V, LPL D9N, LPL P207L, SRBI G2S, SRBI 1050 C/T, ApoCIII SstI, ApoAII Mspl, ApoAI+83, LFABP T94A et ABCA1 R219K. Chacun de ces polymorphismes a été génotype pour l'ensemble de la cohorte et la réponse lipidique a été comparée entre les différents groupes génotypiques. La LPL semble être une enzyme importante dans la réponse du cholestérol-LDL et du cholestérol-HDL à un traitement au fénofibrate. De plus, les polymorphismes SRBI G2S et apoAI+83 affecteraient la réponse du cholestérol-HDL. Par ailleurs, les porteurs de l'allèle LFABP A94 seraient plus à risque de présenter des concentrations de triglycérides au-dessus de la valeur cible de 2.0 mmol/1 après le traitement au fénofibrate. Enfin, plusieurs effets d'interaction ont été observés entre PPARa L162V et certains polymorphismes comme apoAII Mspl, apoCIII SstI, apoAII Mspl et SRBI G2S et cela pour certaines variables lipidiques. Ces résultats suggèrent donc que certains polymorphismes peuvent avoir une influence sur la réponse lipidique à un traitement au fénofibrate.

Thèse présentée en cotutelle : Doctorat en Bioingénierie (Politecnico di Milano) et Doctorat en génie des matériaux et de la métallurgie (Université Laval) / Les stratégies de livraison de gènes non viraux ont suscité un intérêt manifeste pour le développement de nouvelles approches thérapeutiques ainsi que pour la recherche fondamentale et appliquée in vitro. Par rapport aux vecteurs viraux populaires, la classe des vecteurs non- viraux, comme les lipides (CLs) et les polymères (CPs) cationiques, capables de réagir spontanément avec des acides nucléiques (NAs) chargés négativement pour former des nanoparticules appelées complexes, connaît actuellement un regain d'intérêt au sein de la communauté scientifique. En effet, en plus d'être relativement sécuritaires, rentables, ils peuvent être facilement produits et fonctionnalisés, même à grande échelle. Cependant, leur efficacité est encore trop faible pour surpasser leurs homologues viraux. L'efficacité des vecteurs non viraux est un équilibre entre leur capacité à introduire des NAs dans les cellules, permettant ou inhibant ainsi leur expression, leur toxicité inhérente et leur capacité à délivrer des gènes aux cellules cibles. Ces dernières années, des efforts considérables en recherche ont donc été déployés pour développer de nouveaux moyens d'améliorer l'efficacité de cette classe de systèmes de livraison. Cette thèse de doctorat avait ainsi pour but de développer des stratégies innovantes pour améliorer l'efficacité des vecteurs non viraux. Dans ce contexte, nous avons considéré la problématique de la livraison sous deux perspectives différentes : d'une part, la modulation de la chimie du vecteur a été évaluée comme moyen de développer des transporteurs multifonctionnels avec une meilleure efficacité ; d'autre part, une stratégie de stimuler les interactions cellules-nanoparticules par modulation mécanique du comportement cellulaire sur la capacité de livraison de vecteurs non viraux a été étudiée. La première partie de cette thèse visait donc à mettre en évidence l'importance de la chimie de ces vecteurs, plus particulièrement ceux à base de lipides, sur la relation structure-fonction de ces matériaux et l'impact de la chimie du vecteur sur leur capacité ultime à livrer des gènes. Cette thèse a ensuite exploré de nouvelles façons d'améliorer les performances de la polyéthylèneimine (PEI), à savoir le vecteur polymère de référence, en configuration linéaire (lPEI) et ramifiée (bPEI). Tout d'abord, une étude approfondie de toutes les variables expérimentales qui peuvent influencer les performances des polyplexes à base de PEI, a été réalisée afin de déterminer les meilleures conditions de fonctionnement des vecteurs à base de PEI et d'améliorer la standardisation des protocoles de criblage in vitro. Ensuite, le focus a été fait sur le développement d'une approche vectorielle pour fonctionnaliser le bPEI avec des entités fonctionnelles ciblées afin d'améliorer la sélectivité du vecteur envers un type de cellule spécifique. Ainsi, il a été synthétisé une gamme de bPEI conjugués incorporant des peptides de ciblage pour délivrer sélectivement des gènes aux cellules musculaires lisses vasculaires (vSMCs). De plus, ces vecteurs de ciblage spécifique ont été incorporés dans une matrice afin de permettre leur libération locale et contrôlée pour des approches liées au domaine cardiovasculaire. Grâce à la conjugaison d'une séquence peptidique dérivée de l'élastine à la structure de la bPEI, l'efficacité du polymère sur les vSMCs a été améliorée tout en laissant les cellules non ciblées intactes. Ceci est particulièrement important pour la translation des approches non virales de livraison de gènes vers le in vivo. D'autre part, une nouvelle approche basée sur la régulation de la réponse cellulaire à l'administration de la nanoparticule a été élaborée. En effet, les cellules in vivo sont constamment exposées à différents facteurs environnementaux qui gouvernent certaines fonctions cellulaires essentielles. L'application d'un stimulus mécanique exogène en termes de sollicitation vibratoire sur des cellules en cours de transfection (processus de livraison de NAs par vecteurs non-viraux) a donc été évaluée avec des polyplexes à base de lPEI et bPEI. Étonnamment, l'efficacité des polyplexes à base d'lPEI a été grandement améliorée grâce à l'activation de certaines réponses cellulaires clés. Plus précisément, les stimulations mécaniques appliquées aux cellules ont amélioré l'internalisation des polyplexes en déclenchant l'activation de l'endocytose médiée par la clathrine (CME). Cette stratégie a mis en évidence l'importance des réponses cellulaires aux signaux exogènes sur l'internalisation et l'expression finales d'un gène d'intérêt et a ouvert la voie à une nouvelle façon de traiter la question de la livraison non virale. En conclusion, ce projet de doctorat a clairement mis en évidence la pertinence de ces approches chimiques et cellulaires comme moyens efficaces d'améliorer l'efficacité des vecteurs non viraux. En combinant les stratégies conçues dans le cadre de ce projet, il serait possible de franchir une autre étape en ce qui concerne la recherche sur l'administration de gènes non viraux. En effet, le développement d'approches multidisciplinaires tenant en compte à la fois du vecteur d'administration, de l'environnement dans lequel l'administration des gènes a lieu et de la réponse cellulaire, pourrait ouvrir la voie à des stratégies encore plus efficaces et accélérer le passage du laboratoire au patient pour cette catégorie de matériaux. / Non-viral gene delivery strategies have attracted significant interest in the development of novel therapeutic approaches as well as for basic and applied research in vitro. Compared to popular viral vectors, the class of non-viral carriers, namely cationic lipids (CLs) and polymers (CPs) able to spontaneously interact with negatively charged nucleic acids (NAs) to give nanoparticles called complexes, is now witnessing a surge of interest within the scientific community because they are relatively safe, cost-effective, and they can be easily produced and functionalized even at large scale. However, their efficiency in achieving the delivery tasks is still too low to outperform their viral counterparts. The efficacy of non-viral vectors is a tradeoff between their ability to drive NAs into cells, thus allowing/inhibiting their expression, their inherent toxicity, and their ability to deliver genes to target cells. Extensive research effort has thus been put into developing novel ways to improve the efficiency of such a class of delivery systems. In this context, my Ph.D. aimed at developing innovative strategies to improve non-viral vector effectiveness. To this purpose, we dealt with the delivery issue from two different perspectives: on one hand, the modulation of the vector chemistry was disclosed as a way to develop multifunctional carriers with improved effectiveness; on the other hand, we sought to improve cell-(nano)particles' interactions through the mechanical modulation of the cell behavior in response to the delivery of non-viral vectors. The first part of this thesis was thus aimed at highlighting the importance of vector chemistry on the structure-function relationship of such kinds of materials, with a focus on lipid-based carriers. Furthermore, I dealt with the characterization of a novel class of lipid-based vectors to investigate the interconnection between their structure and ultimate gene transfer ability. This thesis next explored novel ways to improve the performances of polyethyleneimine (PEI), namely the gold standard polymer vector, both in linear (lPEI) and branched (bPEI) topography. First, a thorough investigation of all the experimental variables affecting the performances of PEI-based polyplexes was carried out to disclose the best working conditions of PEI-based carriers and improve the standardization of in vitro screening protocols. Next, I focused on the development of a vector-based approach to functionalize bPEI with targeting moieties to improve the vector's selectivity towards a specific cell type. We thus synthesized a series of bPEI conjugates incorporating targeting peptides to selectively deliver genes to vascular smooth muscle cells (vSMCs). Moreover, the targeting vectors were incorporated into a polyplex releasing matrix to enable their local and controlled release for cardiovascular-related approaches. Through the conjugation of an elastin-derived peptide sequence to the bPEI structure, we were able to improve the polymer's effectiveness on target vSMCs while leaving off-target cells unaffected, a fact that is especially relevant for the translation of non-viral gene delivery approaches in vivo. On the other side, a novel strategy based on the regulation of cell response to the delivery of nanoparticles was devised. Indeed, cells in vivo are constantly subjected to different environmental cues that govern some key cell functions. We thus investigated the application of an exogenous mechanical stimulus in terms of vibrational loading to cells undergoing transfection (i.e., the delivery of NAs utilizing non-viral vectors) using lPEI and bPEI-based polyplexes. Interestingly, mechanical stimuli applied to cells improved polyplex internalization by triggering the activation of clathrin-mediated endocytosis (CME), thus leading to greater transfection outcomes. This strategy outlined the importance of cell responses to exogenous cues on the ultimate internalization and expression of a gene of interest and set the stage for a novel way to deal with the non-viral delivery issue. Overall, the big picture drawn by this Ph.D. project highlighted the suitability of chemical-based approaches and cell-based approaches as promising ways to improve non-viral vector effectiveness. Further improvement in non-viral gene delivery research might be achieved by combining the strategies devised in this project. The development of multidisciplinary approaches taking into account both the delivery vector, the environment in which the delivery of genes takes place, and the cell response may thus pave the way to ever more effective strategies, and expedite the translation from the bench to the bedside of these materials.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Le foie reçoit un afflux substantiel de lipides de la circulation sanguine, qui doivent être triés efficacement vers diverses organites en fonction des besoins cellulaires et systémiques. En effet, le foie distingue les lipides destinés à la sécrétion extracellulaire, emballés dans les lipoprotéines de très basse densité (VLDL), de ceux destinés au catabolisme intracellulaire, qui implique les mitochondries et les peroxysomes. Ces voies systémiques et intracellulaires reposent sur un pool commun de lipides, établissant ainsi une interdépendance complexe entre elles. Il n'est cependant pas clair si et comment l'hépatocyte compartimentalise le flux de lipides et assure un partage approprié de ces processus. Les études présentées dans cette thèse visent à identifier la structure cellulaire responsable de la compartimentalisation des lipides et de la régulation de leur flux dans l'hépatocyte. Par le biais de la microscopie électronique, nous avons découvert que le foie de la souris est peuplé d'un type courbé de réticulum endoplasmique rugueux qui enveloppe la plupart des mitochondries et des peroxysomes dans les hépatocytes, que nous avons baptisé "wrappER". De plus, le wrappER organise la moitié de la population mitochondriale et peroxysomale en un complexe à trois organites. Ce contact tripartite est dynamique et régulé métaboliquement, car il réagit à la transition du jeûne à l'alimentation chez l'animal et augmente en fréquence dans des conditions associées à une plus grande charge en acides gras dans l'hépatocyte. Nous avons constaté que la préservation de l'architecture du contact est cruciale pour la régulation appropriée de l'homéostasie hépatique des lipides, car la diminution de l'expression de Synj2bp, qui contrôle spécifiquement l'ampleur du contact wrappER-mitochondries, entraîne une dyslipidémie, une accumulation de gouttelettes lipidiques et une altération de la sécrétion de VLDL. Au cours de mes travaux doctoraux, j'ai développé un protocole ad hoc pour l'isolement de fractions enrichies en complexes peroxysome-wrappER-mitochondrie intacts à partir du foie de la souris. Les analyses multi-omiques effectuées sur ces fractions ont mis en évidence le wrappER comme un site de biogenèse des VLDL, une voie qui est compromise par la perte de la structure de contact wrappER-mitochondrie. De plus, la protéomique quantitative de ce complexe isolé à partir de foies Mttp[exposant -/-], une condition dans laquelle la synthèse des VLDL est arrêtée, a révélé une augmentation globale de la β-oxydation des acides gras. Chez ces souris, nous avons également observé une fréquence accrue de cette association à trois organites, intégrant ainsi sa dynamique dans les réponses du flux hépatique des acides gras. Ainsi, dans le foie, le complexe peroxysome-wrappER-mitochondries intègre les voies extracellulaires et intracellulaires hépatiques, acheminant les lipides vers la biosynthèse des VLDL pour la sécrétion ou vers la β-oxydation pour leur catabolisme, régulant ainsi l'homéostasie lipidique hépatique et systémique. / The liver receives substantial influx of lipids from the circulation, which must efficiently sort to various organelles based on cellular and systemic needs. Indeed, the liver distinguishes between lipids destined for extracellular secretion, packed in Very-Low-Density Lipoproteins (VLDLs), and those intended for intracellular catabolism, which involves mitochondria and peroxisomes. These systemic and intracellular pathways rely on a shared pool of lipids, thus establishing an intricate interdependence between them. It is however unclear whether and how the hepatocyte compartmentalizes the flux of lipids and ensures proper partitioning of these processes. The studies presented in this thesis aim to identify the cellular structure responsible for the compartmentalization of lipids and the regulation of their flux in the hepatocyte. By means of electron microscopy, we discovered that the mouse liver is populated by a curved type of rough-Endoplasmic Reticulum that wraps most of the mitochondria and peroxisomes in hepatocytes and which we christened wrappER. Furthermore, the wrappER organizes half of the mitochondrial and peroxisomal population into a three-organelle complex. This three-way contact is dynamic and metabolically regulated, as it responds to the animal's fasting-to-feeding transition and increases in frequency under conditions associated with higher fatty acids loading in the hepatocyte. We found that the preservation of the contact architecture is critical for the proper regulation of hepatic lipid homeostasis, as the down regulation of Synj2bp, which we showed controls specifically the extent of wrappER-mitochondria contact, causes dyslipidemia, accumulation of lipid droplets, and altered VLDL secretion. During my doctoral work, I developed an ad hoc protocol for the isolation of fractions enriched in intact peroxisome-wrappER-mitochondria complexes from the mouse liver. Multi-omics analyses performed in these fractions pointed to the wrappER as a site of VLDLs biogenesis, a pathway that is compromised with the loss of the wrappER-mitochondria contact structure. Moreover, quantitative proteomic of these complexes isolated from Mttp[superscript -/-] livers, a condition in which VLDLs synthesis is arrested, unveiled upregulated global fatty acid β-oxidation. In these mice, we also observed an increased frequency of this three-organelle association, there by integrating its dynamics into hepatic fatty acid flux responses. Therefore, in the liver, the peroxisome wrappER-mitochondria complex integrates hepatic extracellular and intracellular pathways together, shunting lipids to VLDL biosynthesis for secretion or to β-oxidation for their catabolism, ultimately regulating liver and systemic lipid homeostasis.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada et Università Studi Cagliari, Cagliari, Italie / Les facteurs environnementaux jouent un rôle clé dans le développement du syndrome métabolique et de l'obésité, qui sont maintenant de véritables épidémies soulevant des problèmes de santé publique. Les excès de graisse corporelle dans l'obésité et la perte de masse grasse et maigre dans les conditions de dénutrition ou d'anorexie mentale sont le résultat d'un déséquilibre énergétique. Par conséquent, le maintien de l'équilibre énergétique est crucial à la fois pour la prévention de l'obésité et pour le traitement de l'anorexie mentale et d'autres formes de dénutrition. Les signaux lipidiques tels que ceux médiés par les médiateurs des endocannabinoidomes sont profondément impliqués dans le contrôle du métabolisme énergétique. Dans cette thèse, au sein de deux projets différents, nous avons étudié comment différents facteurs environnementaux, y compris la restriction calorique, l'activité physique, la supplémentation en vitamine D et les médicaments antipsychotiques, peuvent conduire à une modification du métabolisme énergétique par la modulation de la signalisation des endocannabinoïdomes. Les résultats des travaux expérimentaux montrent comment les différentes conditions étudiées provoquent des changements dans les niveaux tissulaires du médiateur lipidique endocannabinoïdome ainsi que dans l'expression de leurs récepteurs et enzymes métaboliques, ce qui peut contribuer aux changements observés de la masse grasse corporelle et du métabolisme énergétique au sein des modèles. Nous concluons que les conditions étudiées peuvent provoquer des changements dans le bilan énergétique par altération de l'endocannabinoidome. / Environmental factors play a key role in the development of obesity-induced metabolic syndrome and obesity, which are now true epidemics raising public health concerns. Both excess body fat in obesity, and fat and lean mass loss in undernutrition conditions or anorexia nervosa, are the result of energy imbalance. Therefore, maintaining energy balance is crucial for both the prevention of obesity and the treatment of anorexia nervosa and other forms of undernutrition. Lipid signals such as those mediated by endocannabinoidome mediators are deeply involved in the control of energy metabolism. In this thesis, within two different projects, we studied how different environmental factors including calorie restriction, physical activity, vitamin D supplementation and antipsychotic drugs, may lead to energy metabolism modification through modulation of the endocannabinoidome signaling. The results of the experimental work show how the different studied conditions cause changes in the tissue levels of endocannabinoidome lipid mediator as well as in the expression of their receptors and metabolic enzymes, which may contribute to the observed changes in body fat mass and energy metabolism within the models. We conclude that the investigated conditions may cause changes in energy balance through alteration of the endocannabinoidome.

Les maladies cardiométaboliques représentent la première cause de mortalité à travers le monde. La prévalence croissante de ces pathologies est majoritairement due à notre mode de vie sédentaire et à la mauvaise qualité nutritionnelle de notre alimentation. La maladie du foie associée à un dysfonctionnement métabolique, pathologie inflammatoire chronique, est caractérisée par une accumulation de lipides au foie et touche davantage les hommes. Ses causes sont multiples, à savoir : l'obésité, les dyslipidémies, le diabète de type 2, l'hypertension et les facteurs génétiques. Les premiers stades de cette pathologie sont sans symptôme apparent. Cependant, avec le temps, des complications cliniques peuvent survenir si cette dernière n'est pas diagnostiquée et prise en charge rapidement. Afin d'affiner les connaissances concernant cette maladie, il est primordial de caractériser les facteurs associés à la stéatose hépatique et de déterminer la manière dont ils sont impliqués dans la pathogenèse. La protéine de liaison aux facteurs de croissance analogues à l'insuline-2 (IGFBP-2) est majoritairement produite par le foie et est retrouvée dans la circulation systémique. Elle intervient, entre autres, dans le métabolisme énergétique, et notamment celui des triglycérides. Des études récentes ont mis en évidence une association inverse entre les niveaux sériques d'IGFBP-2, la résistance à l'insuline et la quantité de lipides hépatiques. Sur la base de ces éléments, nous avons émis l'hypothèse que la protéine IGFBP-2 pourrait être inversement associée à une accumulation légère de lipides au foie et pourrait être un biomarqueur candidat de la stéatose hépatique. Ces volets ont été testés chez des hommes et femmes asymptomatiques ayant subi une imagerie du foie. Pour affiner les relations entre IGFBP-2 et le métabolisme des lipides, l'association entre IGFBP-2 et la cinétique des lipoprotéines a été évaluée. Nous avons également déterminé, chez des souris mâles et femelles, l'impact direct de l'absence d'IGFBP-2 sur l'accumulation de lipides dans le foie et l'aorte en condition de stress métabolique induit par une diète riche en gras. Les travaux décrits dans cette thèse identifient IGFBP-2 en tant que facteur inversement associé à la stéatose hépatique ; et ce pour les tout premiers stades de la maladie chez l'humain. Des niveaux plasmatiques élevés en IGFBP-2 ont également été associés à un foie sain malgré la présence de graisse viscérale. Les niveaux plasmatiques d'IGFBP-2 combinés à la mesure du tour de taille ont permis de caractériser les individus atteints de stéatose hépatique légère avec une bonne sensibilité et spécificité. D'autre part, de hauts niveaux d'IGFBP-2 ont été corrélés à une meilleure élimination des VLDL et à une production moindre de chylomicrons chez les hommes, ce qui pourrait diminuer les triglycérides accumulés au foie. En revanche, l'absence d'IGFBP-2 n'a pas conduit à une exacerbation marquée de l'accumulation de lipides dans le foie et l'aorte chez la souris. Par conséquent, nos travaux ne suggèrent pas de rôle essentiel d'IGFBP-2 dans la modulation des lipides hépatiques. Finalement, IGFBP-2 ne semble pas contribuer au dimorphisme sexuel retrouvé dans la maladie du foie associée à un dysfonctionnement métabolique. Dans l'ensemble, nos résultats supportent le lien entre IGFBP-2, le métabolisme des lipides et leur accumulation au foie et suggèrent que cette protéine pourrait aider à l'identification précoce des individus à risque de présenter une stéatose hépatique. Des études supplémentaires dans de plus grandes populations sont nécessaires afin de valider le potentiel d'IGFBP-2 comme biomarqueur intégrateur de la stéatose hépatique liée à un dysfonctionnement métabolique. / Cardiometabolic diseases are the first cause of mortality in the world. Sedentary lifestyle and poor nutritional quality are responsible for the increased prevalence of these diseases. Metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease is a chronic inflammatory disease leading to progressive accumulation of lipid in liver and with a higher prevalence and severity in men. Obesity, dyslipidemia, type 2 diabetes, hypertension, and genetic factors are risk factors of fatty liver disease. Although first stages of the pathology are asymptomatic, without treatment, clinical manifestations can occur over time. Insulin-like growth factor binding protein-2 (IGFBP-2) is mostly produced and secreted in blood by the liver. IGFBP-2 plays a key role in energy metabolism, especially that of triglycerides. Low IGFBP-2 levels are inversely correlated with insulin resistance and recent evidence suggests links with hepatic fat fraction. Based on these previous observations, we investigated the hypothesis that IGFBP-2 is inversely associated with early hepatic lipid accumulation and represents a potential biomarker of fatty liver disease. This hypothesis was tested in a cohort of asymptomatic men and women who underwent liver imaging. To better describe the links between IGFBP-2 and lipid metabolism, the relationship between IGFBP-2 levels and lipoprotein kinetics was also assessed in men. In male and female mice, we further analyzed the direct impact of IGFBP-2 deletion on liver fat accumulation and the thoracic aorta induced by a high fat diet. Our work shows that IGFBP-2 is inversely associated with hepatic steatosis. Moreover, high concentrations of IGFBP-2 were associated with healthy liver despite the visceral fat. We also found that the combination of IGFBP-2 concentration and waist circumference identifies individuals at risk of hepatic steatosis in the first stages of disease with good sensitivity and specificity. Furthermore, in men, high levels of IGFBP-2 have been correlated with increased clearance of VLDL and a low chylomicron production, which could contribute to the negative relationship between IGFBP-2 and plasma triglycerides. However, the absence of IGFBP-2 had a little impact on lipid accumulation in the liver and aorta in mice. Therefore, our studies suggest that high IGFBP-2 is associated with a better cardiometabolic profile and lower hepatic TG content but that its absence does not overly alter lipid metabolism. More work will be required to validate the potential of IGFBP-2 as integrative fatty liver biomarker.

Thèse univ.--Paris VI--Sc., 1980. / Bibliogr. p. 197-224.

In the past fifteen years, ubiquitin has emerged as a central regulator of membrane protein trafficking. In this context, covalent attachment of this small protein to lysine residues of cargo proteins, a reversible modification termed ubiquitylation, provides a signal for their targeting to the vacuolar/lysosomal lumen where they are degraded, both in yeast and higher eukaryotes. Ubiquitylation is also used as a means of controlling the function of specific proteins in several trafficking machineries. The role of lipids - and in particular of membrane domains named lipid rafts - in controlling the intracellular trafficking of membrane proteins has also been the subject of intense investigation in recent years. One of the membrane proteins of the yeast Saccharomyces cerevisiae whose intracellular trafficking has been extensively studied is the general amino acid permease Gap1. Yet some aspects of the function of ubiquitin in the nitrogen-dependent control of this protein remain controversial. Moreover, the potential role of lipid rafts in regulating the functional properties and traffic of the Gap1 permease had not been investigated before this thesis work. The first part of our work readdresses the role of Gap1 ubiquitylation, and more precisely of the modification of the permease with polyubiquitin chains linked through the lysine 63 of ubiquitin, in controlling the fate of this protein in the secretory pathway. Our observations indicate that nitrogen-induced ubiquitylation of newly synthesised Gap1 occurs in the trans-Golgi complex. However, contrary to the generally accepted view, this modification is not necessary for the permease to exit this compartment en route to the endosome but only for its subsequent targeting to the vacuolar lumen via the multivesicular body (MVB) pathway. Our results also provide evidence that K63-linked polyubiquitylation is important mostly at the late endosomal level, for proper sorting of Gap1 into the MVB pathway, whether the permease comes from the cell surface by endocytosis or directly from the secretory pathway. In the second part of this work, we present a set of data providing novel insights into the controversial question of the exact nature of lipid rafts in yeast. We first showed that the Gap1 permease is associated with detergent-resistant membranes (DRMs) - the proposed biochemical equivalent of lipid rafts - when it is located at the cell surface. Our data further suggest that this may be true for most if not all yeast plasma membrane proteins. Moreover, we found that Gap1 production must be coupled to de novo synthesis of sphingolipids (SLs), major constituents of rafts, in order for the newly synthesised permease to be correctly folded, active, associated with DRMs, and stable at the cell surface. We propose a model where Gap1 would associate with newly synthesised SLs during its biogenesis and/or secretion, this association shaping the permease into its native conformation and ensuring its incorporation and stabilisation in specific lipid domains at the plasma membrane. Failure of Gap1 to acquire this lipidic microenvironment in turns leads to its ubiquitin-dependent degradation by a quality-control mechanism. This model might be valid for many other plasma membrane proteins and might account for their lateral distribution between distinct membrane domains.