L’obésité est un problème de santé publique, de par son incidence et son association avec d’autres pathologies. La leptine est une hormone clé pour l’homéostasie énergétique et glucidique, en activant son récepteur OBR, exprimé majoritairement dans l’hypothalamus. L’obésité est fréquemment associée à une résistance à la leptine, caractérisée par une diminution de la sensibilité à l’hormone. Comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine de cette résistance, afin de la prévenir ou de la corriger, constitue un enjeu thérapeutique majeur. L’objectif de mes travaux de thèse a été d’étudier deux nouveaux mécanismes de la régulation de la fonction d’OBR, suspectés être à l'origine de la résistance à la leptine associée à l’obésité.Concernant le premier mécanisme, notre laboratoire a découvert la protéine Endo1, qui interagit avec OBR, et le retient dans des compartiments intracellulaires, limitant ainsi la sensibilité de la cellule à l’hormone. Mon travail a contribué à montrer que l'extinction d'Endo1, dans le noyau arqué de l’hypothalamus, associée au retour à un régime classique, permet de corriger l’installation de la résistance à la leptine et de l’obésité de souris rendues obèses par régime gras. En revanche, l'extinction d'Endo1 n’arrive pas à corriger l’altération de l’homéostasie glucidique de ces animaux sous régime gras, montrant ainsi une dissociation entre obésité et diabète de type II. Sur le plan moléculaire, nous montrons qu'Endo1 régule de façon différentielle les voies de signalisation d’OBR. Endo1 inhibe, comme attendu, l'activation de la voie anorexigène STAT3 ; mais de façon plus surprenante, Endo1, en interagissant avec la sous-unité régulatrice de la PI3K (p85), semble nécessaire à l'activation de la voie PI3K/AKT, voie impliquée dans le métabolisme du glucose. Ces résultats suggèrent le rôle crucial d’Endo1 comme (i) régulateur de la sensibilité neuronale à la leptine, (ii) et médiateur de la signalisation de la leptine.Le second projet, mené en collaboration avec l'équipe du Dr Prévot, a permis d’identifier une nouvelle modification post-traductionnelle (PTM) affectant OBR. Nous avons étudié les conséquences de cette PTM sur l’activation d’OBR, sa signalisation et sur le développement de la résistance à la leptine et l'obésité. Des résultats in vivo ont montré que l’enzyme responsable de la PTM voit son activité augmentée dans l’hypothalamus de souris rendues obèses par régime gras. L’inactivation génétique ou pharmacologique de cette enzyme prévient la mise en place d’une résistance à la leptine, de façon dépendante d’OBR. Au niveau moléculaire, nous avons identifié certains résidus d’OBR comme cibles de cette PTM. La modification de ces résidus cruciaux altère l’état d’activation moléculaire d’OBR et abolie l’activation des voies de signalisation induites par la leptine. En outre, cette enzyme interagit avec OBR dans des cellules hypothalamiques ; sa suractivation au niveau cellulaire, après traitement au palmitate mimant le régime gras, abolit l’activation de la voie PI3K/AKT induite par la leptine. Aussi, ces résultats démontrent que cette PTM affectant OBR est un nouveau mécanisme à l’origine de la résistance à la leptine et ouvre donc de nouvelles perspectives thérapeutiques. / Obesity is a major issue of public health because of its incidence and association with other pathologies. Leptin is a key hormone involved in the regulation of energy and glucose homeostasis, through the activation of its receptor OBR, mainly expressed in the hypothalamus. Obesity is frequently associated with leptin resistance, characterized by a decreased sensitivity to the hormone. Understanding the molecular mechanisms related to leptin resistance, in order to prevent or reverse it, represents major therapeutic concerns. The objective of my PhD work was to explore two new mechanisms involved in the regulation of OBR function, suspected to be related to leptin resistance associated with obesity.Regarding the first mechanism, the laboratory described a new protein namely Endo1, which interacts with OBR and retains the receptor in intracellular compartments, leading to decreased cellular leptin sensitivity. We showed that Endo1 silencing, specifically in the arcuate nucleus of hypothalamus, combined with a switch to chow diet, reverses the establishment of leptin resistance and obesity of obese mice fed a high fat diet (HFD). However, Endo1 silencing cannot reverse the alteration of glucose homeostasis upon HFD feeding, underlying a disassociation between obesity and type II diabetes. At the molecular level, we showed that leptin-induced signaling pathways are differentially regulated by Endo1. Endo1 inhibits, as expected, the anorectic STAT3 pathway; but surprisingly, by interacting with the PI3K regulatory subunit (p85), Endo1 seems to be necessary for the activation of PI3K/AKT pathway, which is involved in glucose homeostasis. These results indicate a crucial role for Endo1 as (i) a regulator of neuronal leptin sensitivity, (ii) a scaffolding protein involved in leptin signaling transduction.The second mechanism, investigated in collaboration with Dr. Prevot’s team, is based on the discovery of a new post-translational modification (PTM) on OBR. We studied the functional consequences of this PTM on OBR activation state, its signaling and the development of leptin resistance and obesity. In vivo results showed that the enzyme responsible for the PTM has an increased activity in the hypothalamus of obese mice fed a HFD. Genetic or pharmacological inactivation of this enzyme prevents the establishment of leptin resistance, in an OBR dependent manner. At the molecular level, we identified some OBR residues that can undergo this PTM. Modifications of those crucial residues by the PTM impair the molecular activation state of OBR and subsequently abolish the activation of leptin-induced signaling pathways. Likewise, this enzyme interacts with OBR in hypothalamic cell; and its overactivation at the cellular level after palmitate treatment (mimicking HFD), abolishes the leptin-induced PI3K/AKT activation. These results demonstrate that the PTM targeting OBR is a new mechanism underlying leptin resistance and thus open new therapeutic perspectives against obesity.

Réguler la prise alimentaire et la dépense énergétique permet en général de limiter d'importants changements de poids corporel. Hormones (leptine, ghréline, insuline) et nutriments sont impliqués dans ces régulations. La résistance à la leptine, souvent associée à l'obésité, limite la régulation de la prise alimentaire. La modélisation mathématique de la dynamique du poids contribue en particulier à une meilleure compréhension des mécanismes de régulation (notamment chez l’humain). Or les régulations hormonales sont largement ignorées dans les modèles existants.Dans cette thèse, nous considérons un modèle de régulation hormonale du poids appliqué aux rats, composé d'équations différentielles non-linéaires. Il décrit la dynamique de la prise alimentaire, du poids et de la dépense énergétique, régulés par la leptine, la ghréline et le glucose. Il reproduit et prédit l'évolution du poids et de la prise alimentaire chez des rats soumis à différents régimes hypocaloriques, et met en évidence l'adaptation de la dépense énergétique. Nous introduisons ensuite le premier modèle décrivant le développement de la résistance à la leptine, prenant en compte la régulation de la prise alimentaire par la leptine et ses récepteurs. Nous montrons que des perturbations de la prise alimentaire, ou de la concentration en leptine, peuvent rendre un individu sain résistant à la leptine et obèse. Enfin, nous présentons une simplification réaliste de la dynamique du poids dans ces modèles, permettant de construire un nouveau modèle combinant les deux modèles précédents / The regulation of food intake and energy expenditure usually limits important loss or gain of body weight. Hormones (leptin, ghrelin, insulin) and nutrients (glucose, triglycerides) are among the main regulators of food intake. Leptin is also involved in leptin resistance, often associated with obesity and characterized by a reduced efficacy to regulate food intake. Mathematical models describing the dynamics of body weight have been used to assist clinical weight loss interventions or to study an experimentally inaccessible phenomenon, such as starvation experiments in humans. Modeling of the effect of hormones on body weight has however been largely ignored.In this thesis, we first consider a model of body weight regulation by hormones in rats, made of nonlinear differential equations. It describes the dynamics of food intake, body weight and energy expenditure, regulated by leptin, ghrelin and glucose. It is able to reproduce and predict the evolution of body weight and food intake in rats submitted to different patterns of caloric restriction, showing the importance of the adaptation of energy expenditure. Second, we introduce the first model of leptin resistance development, based on the regulation of food intake by leptin and leptin receptors. We show that healthy individuals may become leptin resistant and obese due to perturbations in food intake or leptin concentration. Finally, modifications of these models are presented, characterized by simplified yet realistic body weight dynamics. The models prove able to fit the previous, as well as new sets of experimental data and allow to build a complete model combining both previous models regulatory mechanisms

La leptine est une hormone adipocytaire impliquée notamment dans le contrôle de la balance énergétique et de la sécrétion d'hormone de croissance (GH). Ses récepteurs ObRa et ObRb sont exprimés dans les cellules somatotropes de rat, et elle régule l'expression hypophysaire du récepteur de la ghréline. Dans notre modèle de rats obèses DIO, l'altération des taux plasmatiques de GH caractéristique de cette pathologie n'est pas liée à la résistance hypophysaire à la leptine. Chez les rats Lou/C, la GH participe à la résistance à l'obésité, les hormones ghréline et leptine jouant un rôle prépondérant dans le contrôle hypophysaire de sa sécrétion. In vitro, l'internalisation de ObRb est constitutive mais la leptine inhibe l'adressage de ce récepteur de l'appareil de Golgi vers la membrane plasmique. Cette internalisation est indispensable pour l'activation de STAT3 et ce processus pourrait donc participer à l'établissement de la résistance à la leptine.