Type 2 diabetes mellitus is a metabolic disease characterised by defects in insulin secretion and insulin action and disturbances in carbohydrate, fat and protein metabolism. Hepatic insulin resistance contributes to hyperglycemia and also leads to disturbances in fat metabolism in type 2 diabetes. Psammomys obesus is a unique poly genie animal model of type 2 diabetes and obesity, ideally suited for studies examining physiological and genetic aspects of these diseases. To identify metabolic abnormalities potentially contributing to the obesity and diabetes phenotype in P. obesus, indirect calorimetry was used to characterise whole body energy expenditure and substrate utilisation. Lean-NGT, obese-IGT and obese-diabetic animals were examined in fed and fasted states and following 14 days of dietary energy restriction. Energy expenditure and fat oxidation were elevated in the obese-IGT and obese-diabetic groups in proportion to body weight. Glucose oxidation was not different between groups. Obese-diabetic P. obesus displayed elevated nocturnal blood glucose levels and fat oxidation. Following 14 days of dietary energy restriction, body weight was reduced and plasma insulin and blood glucose levels were normalised in all groups. Glucose oxidation was reduced and fat oxidation was increased. After 24 hours of fasting, plasma insulin and blood glucose levels were normalised in all groups. Energy expenditure and glucose oxidation were greatly reduced and fat oxidation was increased. Following either dietary energy restriction or fasting, energy expenditure, glucose oxidation and fat oxidation were not different between groups of P. obesus. Energy expenditure and whole body substrate utilisation in P. obesus was similar to that seen in humans. P. obesus responded normally to short term fasting and dietary energy restriction. Elevated nocturnal fat oxidation rates and plasma glucose levels in obese-diabetic P. obesus may be an important factor in the pathogenesis of obesity and type 2 diabetes in these animals. These studies have further validated P. obesus as an ideal animal model of type 2 diabetes and obesity. It was hypothesised that many genes in the liver of P. obesus involved in glucose and fat metabolism would be differentially expressed between lean-NGT and obese-diabetic animals. These genes may represent significant factors in the pathophysiology of type 2 diabetes. Two gene discovery experiments were conducted using suppression subtractive hybridisation (SSH) to enrich a cDNA library for differentially expressed genes. Experiment 1 used cDNA dot blots to screen 576 clones with cDNA derived from lean-NGT and obese-diabetic animals. 6 clones were identified as overexpressed in lean-NGT animals and 6 were overexpressed in obese-diabetic animals. These 12 clones were sequenced and SYBR-Green PCR was used to confirm differential gene expression. 4 genes were overexpressed (≥1.5 fold) in lean-NGT animals and 4 genes were overexpressed (≥1.5 fold) in obese-diabetic animals. To explore the physiological role of these genes, hepatic gene expression was examined in several physiological conditions. One gene, encoding thyroxine binding globulin (TBG), was confirmed as overexpressed in lean-NGT P. obesus with ad libitum access to food, relative to both obese-IGT and obese-diabetic animals. TBG expression decreased with fasting in all animals. Fasting TBG expression remained greater in lean-NGT animals than obese-IGT and obese-diabetic animals. TBG expression was not significantly affected by dietary energy restriction. TBG is involved in thyroid metabolism and is potentially involved in the regulation of energy expenditure. Fasting increased hepatic site 1 protease (SIP) expression in lean-NGT animals but was not significantly affected in obese-IGT and obese-diabetic animals. SIP expression was not significantly affected by dietary energy restriction. SIP is involved in the proteolytic processing of steroid response element binding proteins (SREBP). SREBPs are insulin responsive and are known to be involved in lipid metabolism. Gene expression studies found TBG and SIP were associated with obesity and diabetes. Future research will determine whether TBG and SIP are important in the pathogenesis of these diseases. Experiment 2 used SSH and cDNA microarray to screen 8064 clones. 223 clones were identified as overexpressed in lean-NGT P. obesus and 274 clones were overexpressed in obese-diabetic P. obesus (p ≤0.05). The 9 most significantly differentially expressed clones identified from the microarray screen were sequenced (p ≤0.01). 7 novel genes were identified as well as; sulfotransferase related protein and albumin. These 2 genes have not previously been associated with either type 2 diabetes or obesity. It is unclear why hepatic expression of these genes may differ between lean-NGT and obese-diabetic groups of P. obesus. Subsequent studies will explore the potential role of these novel and known genes in the pathophysiology of type 2 diabetes.

Nous avons étudié l’expression et la régulation de la lipogenèse dans les aortes et CMLV et déterminé si elle est modifiée par l’insulino-résistance et le diabète. Les rats Zucker obèses (ZO), diabétiques et Psammomys obesus accumulent plus de lipides dans leurs aortes que leurs contrôles. Cependant l’expression des gènes de la lipogenèse et ceux impliqués dans la captation des acides gras, n’est pas augmentée. Un résultat similaire a été retrouvé dans des pièces d’endartériectomies chez l’homme. Le milieu adipogénique, le glucose ou l’insuline seule stimulent modérément la lipogenèse uniquement dans les CML de Zucker contrôles, aucun effet n’a été observé dans les CML de ZO. Nous avons montré que les effets du TO901317 sur la lipogenèse dans les CMLV sont dus uniquement à l’activation du récepteur nucléaire LXRα, PXR n’a aucun effet. En conclusion, la lipogenèse n’est pas augmentée dans la paroi artérielle durant l’insulino-résistance et le diabète. / We investigated the expression and regulation of lipogenesis in aortas and VSMC and determined if it is modified during metabolic abnormalities. Zucker obese (ZO), diabetic (ZDF) rats, and the high fat diet fed Psammomys obesus accumulated more triglycerides in their aortas than control rats. However the expression of lipogenic genes, or of genes involved in fatty acids uptake, was not increased. Lipogenesis was not increased in human carotid endarterectomy of diabetic compared to non-diabetic patients. The adipogenic medium (ADM), glucose or insulin stimulated moderately lipogenesis but only in VSMC from control rats. No effect was observed in VSMC from ZO. We showed that the lipogenic effects of TO901317observed in VSMC from Zucker control rats are due solely to the nuclear receptor LXRα, PXR agonist had no effect. Conclusion: Lipogenesis is not increased in arterial wall during insulin-resistance and diabetes.

Defects in fat metabolism are central to the aetiology and pathogenesis of obesity and type II diabetes. The liver plays a central role in these disease states via its regulation of glucose and fat metabolism. In addition, accumulation of fat within the liver has been associated with changes in key pathways of carbohydrate and fat metabolism. However a number of questions remain. It is hypothesised that fat accumulation within the liver is a primary defect in the aetiology and pathogenesis of obesity and type II diabetes. Fat accumulating in the liver is the result of changes in the gene expression of key enzymes and proteins involved with fat uptake, fat transport, fat oxidation, fat re-esterification or storage and export of fat from the liver and these changes are regulated by key lipid responsive transcription factors. To study these questions Psammomys obesus was utilised. This polygenic rodent model of obesity and type II diabetes develops obesity and diabetes in a similar pattern to susceptible human populations. In addition dietary and environmental changes to Psammomys obesus were employed to create different states of energy balance, which allowed the regulation of liver fat gene expression to be examined. These investigations include: 1) Measurement of fat accumulation and fatty acid binding proteins in lean, obese and diabetic Psammomys obesus. 2) Characterisation of hepatic lipid enzymes, transport protein and lipid responsive transcription factor gene expression in lean, obese and diabetic Paammomys obesus. 3) The effect of acute and chronic energy restriction on hepatic lipid metabolism in Psammomys obesus. 4) The effect of sucrose feeding on the development of obesity and type II diabetes in Psammomys obesus. 5) The effect of nicotine treatment in lean and obese Psammomys obesus, 6) The effect of high dose leptin administration on hepatic fat metabolism in Psammomys obesus. The results of these studies demonstrated that fat accumulation within the liver was not a primary defect in the aetiology and pathogenesis of obesity and type II diabetes. Fat accumulating in the liver was not the result of changes in the gene expression of key enzymes and proteins involved in hepatic fat metabolism. However changes in the mRNA level of the transcription factors PPAR∝ and SREBP-1C was associated with the development of diabetes and the gene expression of these two transcription factors was associated with changes in diabetic status.

Distribution of the novel peptide beacon in the hypothalamus of Sprague-Dawley rats was examined by immunohistochemical methods. Beacon-immunoreactive (irBC) neurons were found in the paraventricular, supraoptic, and accessory neurosecretory nuclei, and intensely labeled fibers in the median eminence and infundibulo-pituitary stalk. Scattered cells and/or fibers were noted in the suprachiasmatic nucleus, arcuate nucleus, retrochiasmatic area, lateral and medial preoptic area, as well as anterior and lateral hypothalamic area. The wide distribution of irBC in the hypothalamus of Sprague-Dawley rats suggests that the peptide may influence, in addition to a proposed role in feeding, a multitude of biological activities associated with the hypothalamic-pituitary axis.

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. / Physiopathology of type II Diabetes is characterized by severe metabolic abnormalities suchas hyperglycemia and dyslipidemia also implicated in development of cardiovasculardiseases. Impaired AMPK activity in tissues such as skeletal muscle and liver is associatedwith these metabolic disorders whereas its pharmacologic activation is able to restore suchabnormalities. Nevertheless, tissue-specific heterotrimeric αβγ AMPK likely confers distinctroles and regulation that remain unexplored in intestine, an organ promoting enhancednutrients absorption in type II diabetes situation. This study demonstrates α1β2γ1 AMPKcomplex preponderance in intestinal Caco-2 cells whose α1 subunit role is to regulate ACCenzyme responsible of fatty acid synthesis. Unlike in the liver, AMPK doesn’t regulate HMGCoAreductase enzyme implicated in cholesterol synthesis. AMPK activation mimics insulineffect by reducing intestinal glucose and lipids absorption whereas its alteration in insulinresistancesituation (e.g.: induced by 4-HHE in Caco-2 cell model or in Psammomys obesusanimal model) enhances glucose and lipids absorption which could exacerbate postprandialhyperglycemia and dyslipidemia associated to type II diabetes. Thus, AMPK at the intestinallevel could be a potential therapeutic target in prevention and treatment of type II diabetes

L’expansion des maladies métaboliques dans les sociétés modernes exige plus d’activités de recherche afin d’augmenter notre compréhension des mécanismes et l’identification de nouvelles cibles d’interventions cliniques. L’obésité, la résistance à l’insuline (RI) et la dyslipidémie, en particulier sont tous des facteurs de risque associés à la pathogenèse du diabète de type 2 (DT2) et des maladies cardiovasculaires. Ainsi, la dyslipidémie postprandiale, notamment la surproduction des lipoprotéines hépatiques et intestinales, contribue d’une façon significative à l’hypertriglycéridémie. Quoique plusieurs études cliniques et fondamentales chez l’homme et les modèles animaux aient mis en évidence les rôles importants joués par le foie et l’intestin dans la dyslipidémie, les mécanismes moléculaires en cause ne sont pas bien élucidés. L’une des voies principales régulant le métabolisme lipidique est la voie de la protéine kinase AMPK. L’épuisement de l’ATP intracellulaire entraîne une activation de l’AMPK qui va œuvrer pour rétablir l’équilibre énergétique en stimulant des voies génératrices d’ATP et en inhibant des voies anaboliques consommatrices d’ATP. Les effets positifs de l’activation de l’AMPK comprennent l’augmentation de la sensibilité à l’insuline dans les tissus périphériques, la réduction de l’hyperglycémie et la réduction de la lipogenèse, d’où son importance dans les interventions cliniques pour la correction des dérangements métaboliques. Il est à souligner que le rôle de l’AMPK dans le foie et l’intestin semble plus complexe et mal compris. Ainsi, la voie de signalisation de l’AMPK n’est pas bien élucidée dans les situations pathologiques telles que le DT2, la RI et l’obésité. Dans le présent projet, notre objectif consiste à caractériser le rôle de cette voie de signalisation dans la lipogenèse hépatique et dans le métabolisme des lipides dans l’intestin chez le Psammomys obesus, un modèle animal d’obésité, de RI et de DT2. À cette fin, 3 groupes d’animaux sont étudiés (i.e. contrôle, RI et DT2). En caractérisant la voie de signalisation de l’AMPK/ACC dans le foie, nous avons constaté une augmentation de l’expression génique des enzymes clés de la lipogenèse (ACC, FAS, SCD-1 et mGPAT) et des facteurs de transcription (ChREBP, SREBP-1) qui modulent leur niveau d’expression. Nos analyses détaillées ont révélé, par la suite, une nette augmentation de l’expression de l’isoforme cytosolique de l’ACC, ACC1 (impliqué dans la lipogenèse de novo) concomitante avec une invariabilité de l’expression de l’isoforme mitochondrial ACC2 (impliqué dans la régulation négative de la β-oxydation). En dépit d’un état adaptatif caractérisé par une expression protéique et une phosphorylation (activation) élevées de l’AMPKα, l’activité de la kinase qui phosphoryle et inhibe l’ACC reste très élevée chez les animaux RI et DT2. Au niveau de l’intestin grêle des animaux RI et DT2, nous avons démontré que l’augmentation de la lipogenèse intestinale est principalement associée avec une diminution de la voie de signalisation de l’AMPK (i.e. expression protéique et phosphorylation/activation réduites des deux isoformes AMPKα1 et AMPKα2). La principale conséquence de la diminution de l’activité AMPK est la réduction de la phosphorylation de l’ACC. Étant donné que le niveau d’expression totale d’ACC reste inchangé, nos résultats suggèrent donc une augmentation de l’activité des deux isoformes ACC1 et ACC2. En parallèle, nous avons observé une réduction de l’expression protéique et génique de la CPT1 [enzyme clé de la β-oxydation des acides gras (AG)]. L’ensemble de ces résultats suggère une inhibition de l’oxydation des AG concomitante avec une stimulation de la lipogenèse de novo. Enfin, nous avons démontré que l’intestin grêle est un organe sensible à l’action de l’insuline et que le développement de la résistance à l’insuline pourrait altérer les deux voies de signalisation (i.e. Akt/GSK3 et p38MAPK) essentielles dans plusieurs processus métaboliques. En conclusion, nos résultats indiquent que l’augmentation de la lipogenèse qui contribue pour une grande partie à la dyslipidémie dans la résistance à l’insuline et le diabète serait due, en partie, à des défauts de signalisation par l’AMPK. Nos observations illustrent donc le rôle crucial du système AMPK au niveau hépatique et intestinal, ce qui valide l’approche thérapeutique consistant à activer l’AMPK pour traiter les maladies métaboliques. / Understanding the cellular mechanisms involved in the development of insulin resistance, and later on the occurrence of type 2 diabetes and its metabolic complications, is a perquisite step toward the identification of new therapeutic targets to fight against the development of these metabolic diseases. In the present studies, we used the gerbil Psammomys obesus, a well-established animal model of obesity, insulin resistance (IR) and type 2 diabetes (T2D), to characterize the hepatic and intestinal signaling abnormalities associated with lipid metabolism disorders during the pathogenesis of IR and T2D. Thus, we are able to demonstrate that the development of these metabolic diseases in Psammomys obesus animals, is accompanied by increased hepatic and intestinal lipogenesis with very high efficiency to form triglycerides rich-lipoproteins. In the liver, we observed an increase in mRNA levels of key lipogenic enzymes (ACC, FAS, SCD-1 and mGPAT) and transcription factors (SREBP-1, ChREBP), which modulate the expression level of lipogenic enzymes. Thereafter, our detailed analysis of the AMPK/ACC signaling pathway revealed a rise in the gene expression of the cytosolic ACC1 isoform of ACC(involved in de novo lipogenesis) concomitant with a constant expression of the mitochondrial ACC2 (negative regulator of β-oxidation). In spite of an adaptive state characterized by higher protein expression and phosphorylation (activation) of AMPKα, the kinase that phosphorylates and inhibits ACC, the activity of the later remains very high in IR and T2D animals. In the small intestine of IR and T2D animals, we demonstrated that the increase in intestinal lipogenesis is mainly associated with a decrease of AMPK signaling pathway (i.e. reduced expression and protein phosphorylation/activation of the two AMPKα1 and AMPKα2 isoforms). The main consequence of the decline in AMPK activity is the reduction of ACC phosphorylation. Given that, the expression levels of ACC remain unchanged; our results thus suggest an increased activity of both ACC isoforms, ACC1 and ACC2. Next, we observed a reduction in protein and gene expression of CPT1 [key enzyme in fatty acid (FA) β-oxidation]. Taken together, these results suggest an inhibition of FA β-oxidation concomitant with a stimulation of de novo lipogenesis. Finally, we demonstrated that the small intestine is an insulin sensitive organ and that the development of IR affects two signaling pathways (i.e. Akt/GSK3 and p38MAPK) essentials for several metabolic processes. In conclusion, our results indicate that increased lipogenesis, in IR and T2D, which exacerbate the dyslipidemia associated with these diseases, might be, at least partially, a result of AMPK signaling defects. In addition, our observations illustrate the crucial role of AMPK/ACC in the liver and intestine and validate AMPK as a potential target to treat the metabolic diseases.

L’expansion des maladies métaboliques dans les sociétés modernes exige plus d’activités de recherche afin d’augmenter notre compréhension des mécanismes et l’identification de nouvelles cibles d’interventions cliniques. L’obésité, la résistance à l’insuline (RI) et la dyslipidémie, en particulier sont tous des facteurs de risque associés à la pathogenèse du diabète de type 2 (DT2) et des maladies cardiovasculaires. Ainsi, la dyslipidémie postprandiale, notamment la surproduction des lipoprotéines hépatiques et intestinales, contribue d’une façon significative à l’hypertriglycéridémie. Quoique plusieurs études cliniques et fondamentales chez l’homme et les modèles animaux aient mis en évidence les rôles importants joués par le foie et l’intestin dans la dyslipidémie, les mécanismes moléculaires en cause ne sont pas bien élucidés. L’une des voies principales régulant le métabolisme lipidique est la voie de la protéine kinase AMPK. L’épuisement de l’ATP intracellulaire entraîne une activation de l’AMPK qui va œuvrer pour rétablir l’équilibre énergétique en stimulant des voies génératrices d’ATP et en inhibant des voies anaboliques consommatrices d’ATP. Les effets positifs de l’activation de l’AMPK comprennent l’augmentation de la sensibilité à l’insuline dans les tissus périphériques, la réduction de l’hyperglycémie et la réduction de la lipogenèse, d’où son importance dans les interventions cliniques pour la correction des dérangements métaboliques. Il est à souligner que le rôle de l’AMPK dans le foie et l’intestin semble plus complexe et mal compris. Ainsi, la voie de signalisation de l’AMPK n’est pas bien élucidée dans les situations pathologiques telles que le DT2, la RI et l’obésité. Dans le présent projet, notre objectif consiste à caractériser le rôle de cette voie de signalisation dans la lipogenèse hépatique et dans le métabolisme des lipides dans l’intestin chez le Psammomys obesus, un modèle animal d’obésité, de RI et de DT2. À cette fin, 3 groupes d’animaux sont étudiés (i.e. contrôle, RI et DT2). En caractérisant la voie de signalisation de l’AMPK/ACC dans le foie, nous avons constaté une augmentation de l’expression génique des enzymes clés de la lipogenèse (ACC, FAS, SCD-1 et mGPAT) et des facteurs de transcription (ChREBP, SREBP-1) qui modulent leur niveau d’expression. Nos analyses détaillées ont révélé, par la suite, une nette augmentation de l’expression de l’isoforme cytosolique de l’ACC, ACC1 (impliqué dans la lipogenèse de novo) concomitante avec une invariabilité de l’expression de l’isoforme mitochondrial ACC2 (impliqué dans la régulation négative de la β-oxydation). En dépit d’un état adaptatif caractérisé par une expression protéique et une phosphorylation (activation) élevées de l’AMPKα, l’activité de la kinase qui phosphoryle et inhibe l’ACC reste très élevée chez les animaux RI et DT2. Au niveau de l’intestin grêle des animaux RI et DT2, nous avons démontré que l’augmentation de la lipogenèse intestinale est principalement associée avec une diminution de la voie de signalisation de l’AMPK (i.e. expression protéique et phosphorylation/activation réduites des deux isoformes AMPKα1 et AMPKα2). La principale conséquence de la diminution de l’activité AMPK est la réduction de la phosphorylation de l’ACC. Étant donné que le niveau d’expression totale d’ACC reste inchangé, nos résultats suggèrent donc une augmentation de l’activité des deux isoformes ACC1 et ACC2. En parallèle, nous avons observé une réduction de l’expression protéique et génique de la CPT1 [enzyme clé de la β-oxydation des acides gras (AG)]. L’ensemble de ces résultats suggère une inhibition de l’oxydation des AG concomitante avec une stimulation de la lipogenèse de novo. Enfin, nous avons démontré que l’intestin grêle est un organe sensible à l’action de l’insuline et que le développement de la résistance à l’insuline pourrait altérer les deux voies de signalisation (i.e. Akt/GSK3 et p38MAPK) essentielles dans plusieurs processus métaboliques. En conclusion, nos résultats indiquent que l’augmentation de la lipogenèse qui contribue pour une grande partie à la dyslipidémie dans la résistance à l’insuline et le diabète serait due, en partie, à des défauts de signalisation par l’AMPK. Nos observations illustrent donc le rôle crucial du système AMPK au niveau hépatique et intestinal, ce qui valide l’approche thérapeutique consistant à activer l’AMPK pour traiter les maladies métaboliques. / Understanding the cellular mechanisms involved in the development of insulin resistance, and later on the occurrence of type 2 diabetes and its metabolic complications, is a perquisite step toward the identification of new therapeutic targets to fight against the development of these metabolic diseases. In the present studies, we used the gerbil Psammomys obesus, a well-established animal model of obesity, insulin resistance (IR) and type 2 diabetes (T2D), to characterize the hepatic and intestinal signaling abnormalities associated with lipid metabolism disorders during the pathogenesis of IR and T2D. Thus, we are able to demonstrate that the development of these metabolic diseases in Psammomys obesus animals, is accompanied by increased hepatic and intestinal lipogenesis with very high efficiency to form triglycerides rich-lipoproteins. In the liver, we observed an increase in mRNA levels of key lipogenic enzymes (ACC, FAS, SCD-1 and mGPAT) and transcription factors (SREBP-1, ChREBP), which modulate the expression level of lipogenic enzymes. Thereafter, our detailed analysis of the AMPK/ACC signaling pathway revealed a rise in the gene expression of the cytosolic ACC1 isoform of ACC(involved in de novo lipogenesis) concomitant with a constant expression of the mitochondrial ACC2 (negative regulator of β-oxidation). In spite of an adaptive state characterized by higher protein expression and phosphorylation (activation) of AMPKα, the kinase that phosphorylates and inhibits ACC, the activity of the later remains very high in IR and T2D animals. In the small intestine of IR and T2D animals, we demonstrated that the increase in intestinal lipogenesis is mainly associated with a decrease of AMPK signaling pathway (i.e. reduced expression and protein phosphorylation/activation of the two AMPKα1 and AMPKα2 isoforms). The main consequence of the decline in AMPK activity is the reduction of ACC phosphorylation. Given that, the expression levels of ACC remain unchanged; our results thus suggest an increased activity of both ACC isoforms, ACC1 and ACC2. Next, we observed a reduction in protein and gene expression of CPT1 [key enzyme in fatty acid (FA) β-oxidation]. Taken together, these results suggest an inhibition of FA β-oxidation concomitant with a stimulation of de novo lipogenesis. Finally, we demonstrated that the small intestine is an insulin sensitive organ and that the development of IR affects two signaling pathways (i.e. Akt/GSK3 and p38MAPK) essentials for several metabolic processes. In conclusion, our results indicate that increased lipogenesis, in IR and T2D, which exacerbate the dyslipidemia associated with these diseases, might be, at least partially, a result of AMPK signaling defects. In addition, our observations illustrate the crucial role of AMPK/ACC in the liver and intestine and validate AMPK as a potential target to treat the metabolic diseases.

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

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

La résistance à l’insuline et le diabète de type 2 (DT2) sont caractérisés par une hyperlipidémie. Le but de cette étude est de déterminer si le DT2 contribue au dérèglement du métabolisme du cholestérol au niveau du petit intestin et du foie du Psammomys obesus, un modèle animal nutritionnel d’induction de la résistance à l’insuline et du DT2. L’absorption intestinale du cholestérol est diminuée chez les animaux diabétiques. Cette diminution est associée à une baisse (i) de l’expression génique et protéique de NPC1-L1 qui joue un rôle primordial dans l’absorption du cholestérol au niveau des entérocytes; et (ii) de l’ARNm de l’ABCA1 responsable de l’efflux de cholestérol des cellules intestinales à l’apolipoprotéine A-I et aux HDLs. En ce qui a trait aux transporteurs SR-B1 et Annexin II, aucune différence n’a été observée au niveau intestinal. Toutefois, une diminution significative de l’expression génique de l’ABCG5, un intervenant majeur dans la sécrétion du cholestérol des entérocytes vers la lumière intestinale, est mesurée chez les animaux diabétiques. De plus, l’expression protéique est diminuée pour le PCSK9 et augmentée pour le LDLr au niveau du jéjunum, tandis que la quantité de protéine de l’enzyme HMG-CoA réductase est régulée à la baisse chez les Psammomys obesus diabétiques. Finalement, de tous les facteurs de transcription testés seule une augmentation de LXR et une diminution de PPAR/δ sont détectées au niveau de l’intestin. Au niveau hépatique, il y a (i) une augmentation de la masse protéique de NPC1-L1, SR-BI et Annexin II; (ii) une élévation l’ARNm de SR-BI; (iii) une diminution du contenu protéique de ABCG8 et de l’expression génique de l’ABCG5 et de l’ABCA1; et (iv) une élévation de l’ARNm de LXR et de PPAR/δ, tout comme une baisse de l’expression protéique de SREBP-2. Somme toute, nos résultats montrent que le développement du diabète de type 2 chez le Psammomys obesus entraîne un changement dans la machinerie intra-entérocytaire et hépatocytaire, qui mène à un dérèglement de l’homéostasie du cholestérol. / Insulin resistance and type 2 diabetes (T2D) are characterized by hyperlipidemia. The aim of the present study was to elucidate whether T2D contributes to abnormal cholesterol homeostasis in the small intestine and liver of Psammomys obesus, a model of nutritionally induced insulin resistance and type 2 diabetes. Diabetic animals exhibited a lower intestinal cholesterol uptake, which was associated with a decrease in (i) the gene and protein expression of NPC1L1, which plays a pivotal role in cholesterol incorporation in the enterocytes; and (ii) mRNA of ABCA1 that mediates cholesterol efflux from intestinal cells to apolipoprotein A-I and HDL. No changes were observed in the other intestinal transporters SR-BI and Annexin II. On the other hand, in diabetic animals, a significant mRNA decrease was noticed in ABCG5 responsible for the secretion of absorbed cholesterol back into the lumen. Furthermore, jejunal PCSk9 protein was diminished and LDLr was raised, along with a significant downregulation in jejunal HMG-CoA reductase in diabetic Psammomys obesus. Finally, among the transcription factors tested, only an increase in LXR and a decrease in PPAR/δ were detected in the intestine. In the liver, there was (i) an augmentation in the protein mass of NPC1L1, SR-BI and Annexin II; (ii) an upregulation of SR-BI mRNA; (iii) a fall in ABCG8 protein content, ABCG5 mRNA and ABCA1 mRNA; and (iv) an augmentation in LXR and PPAR/δ mRNA, as well as a drop in SREBP-2 protein. Overall, our findings show that the development of type 2 diabetes in Psammomys obesus modifies the whole intra-enterocyte and hepatocyte machinery, causing alterations in cholesterol homeostasis.