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

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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La restriction de croissance intra-utérine (RCIU) est une conséquence immédiate d’un environnement utérin défavorable qui prédispose les individus atteints à de plus grands risques de développer des maladies cardiométaboliques une fois adulte. L’environnement fœtal s’ajoute ainsi à l’hérédité, au sexe et au mode de vie comme facteur déterminant de la santé cardiométabolique. Afin de mieux comprendre les différents aspects de cette prédisposition, notre laboratoire a développé un modèle animal de RCIU asymétrique recréant une diminution de la perfusion placentaire. La caractérisation des animaux a mis en évidence des différences dans la physiologie cardiovasculaire des individus adultes avec des dissemblances selon le sexe, ainsi qu’une différence dans l’expression de plusieurs gènes impliqués dans le métabolisme lipidique chez le fœtus. A partir de ces données, nous émettons l’hypothèse que le cœur fœtal RCIU subit une reprogrammation métabolique, conséquence du stress causé par l’environnement fœtal défavorable. Nous nous attendons aussi à une régulation différente du métabolisme entre les mâles et les femelles. Pour répondre à cette hypothèse, nous avons tout d’abord déterminé la contribution du métabolisme lipidique dans les cœurs fœtaux RCIU ainsi que sa régulation. Ensuite, nous avons approfondi les conséquences d’un métabolisme lipidique élevé dans les cœurs fœtaux RCIU. Le sexe des animaux a été pris en compte dans nos travaux. L’ensemble de ces travaux démontrent une plus grande utilisation du métabolisme lipidique chez les fœtus RCIU, impliquant une activation du récepteur nucléaire PPARα et du coactivateur PGC1a par une abondance d’acides gras (AG) à longue chaîne dans les cœurs fœtaux RCIU. L’activation de PPARα entraine une augmentation de l’expression de nombreux gènes impliqués dans l’oxydation des AG et de la biogenèse mitochondriale. Les mitochondries des cœurs fœtaux RCIU femelles montrent de plus grandes capacités de production d’ATP, comparées aux femelles témoins, mais aucune différence n’a été montrée chez les mâles. Un tel dysmorphisme a également été observé dans l’augmentation des capacités d’oxydation des AG à très longues chaînes chez les femelles RCIU, mais pas chez les mâles. L’augmentation de l’expression de Pdk4 dans les cœurs fœtaux RCIU confirme le fort métabolisme lipidique et suggère une abondance d’acétyl-CoA, molécule intermédiaire à plusieurs voies métaboliques, dont la production de corps cétoniques. Nous avons montré une synthèse intracardiaque de corps cétoniques chez les fœtus RCIU, sans élévation de la cétolyse, causant une accumulation d’acétoacétate et de β-hydroxybutyrate (bHB). Enfin, l’exploration des rôles signalétiques du bHB nous a permis d’observer une régulation positive de ce corps cétonique sur le métabolisme lipidique, par une activation de PPARα. En conclusion, ce projet de thèse a contribué à mieux comprendre les mécanismes d’adaptation métabolique des cœurs fœtaux à une RCIU causée par une diminution de la perfusion placentaire en fonction du sexe. Notre travail ouvre également la voie à de nouvelles avenues de recherche sur le rôle signalétique des corps cétoniques et des AG à longue chaîne dans la programmation des maladies cardiométaboliques. / An unfavorable womb environment often leads to intrauterine growth restriction (IUGR), which is known to increase the likelihood of developing cardiometabolic diseases later in life. The fetal environment is thus added to other factors such as heredity, sex and lifestyle that have an impact on cardiometabolic health. To investigate IUGR predisposed condition, our laboratory has developed an animal model of asymmetric IUGR by decreasing placental perfusion. Our findings using this animal model have highlighted sex-dependent differences in the cardiovascular physiology of IUGR adults, and specific changes in the expression of key genes involved in lipid metabolism in IUGR fetuses. Therefore, we hypothesize that the IUGR fetal heart undergoes a metabolic remodeling in response to the stress caused by the unfavorable uterine environment. We also expect selective metabolic changes in males and females. To verify this hypothesis, we addressed the contribution and regulation of lipid metabolism in IUGR fetal hearts. We also thoroughly investigated the consequences of a high lipid metabolism in IUGR fetal hearts. Changes between males and females were also considered. This study shows an increased use of lipid metabolism in IUGR fetuses, which involves the transcriptional activation of the nuclear receptor PPARα and the coactivator PGC1 in response to accumulated levels of specific long-chain fatty acids (FA) in IUGR fetal hearts. Activation of PPARα lead to an increase in the expression of critical genes involved in the oxidation of FAs and mitochondrial biogenesis. Mitochondrial respiration analysis demonstrated a greater ATP production capability in female IUGR fetal hearts compared to control females, a finding not observed in males. The increased expression of Pdk4 in IUGR fetal hearts attests such a strong lipid metabolism and suggests an abundance of acetyl-CoA, an intermediate molecule to several metabolic pathways, including the production of ketone bodies. Indeed, our results indicate an increased intracardiac synthesis of ketone bodies in IUGR fetuses without inducing ketolytic genes, resulting in significant accumulation of acetoacetate and β-hydroxybutyrate (bHB). Moreover, we provide evidence of a signaling role of bHB with a positive regulation of lipid metabolism through the transcriptional activation of PPARα. In conclusion, this thesis contributes to a better understanding of the mechanisms involved in the metabolic adaptation of fetal hearts to IUGR and highlights selective changes according to sex. Our study also paves the way for new research avenues on the signaling role of ketone bodies and long-chain FAs on the programming of cardiometabolic diseases.

Une diète faible en sodium donnée à des rates lors de la dernière semaine de gestation induit une diminution de l’expansion volumique, du diamètre des artères utérines et du poids des placentas comparativement à des rates témoins. Ces perturbations suggèrent une diminution de la perfusion placentaire affectant l’apport foetal en nutriments. Les ratons naissent avec une restriction de croissance intra-utérine (RCIU). Chez le foetus, le substrat énergétique cardiaque principal est le glucose via la glycolyse. À la naissance, la source principale d’énergie est l’utilisation des acides gras par la β-oxydation. Nous émettons l’hypothèse que dans ce modèle de RCIU, le coeur foetal répond à la diminution d’apport nutritionnel due à une atteinte maternelle en adaptant son métabolisme énergétique cardiaque à la baisse. Les rates gestantes (témoins et recevant la diète faible en sodium) sont sacrifiées au jour 22 de gestation (sur 23). Les coeurs foetaux sont prélevés afin de caractériser les protéines dites « limitantes » in vitro des voies de la glycolyse et de la β-oxydation. Les expressions protéiques de GLUT1, GLUT4, HK1, HK2, CPT2, CPT1β, cytochrome c, PFK1, PKM1/2, mesurées par immunobuvardage de type Western, sont similaires entre les coeurs des foetus RCIU et témoins, mâles et femelles. L’expression protéique de CPT1α est diminuée dans les coeurs des femelles RCIU seulement. Il n’existe aucune différence significative entre les différents groupes quant à l’activité enzymatique de PKM1/2. Nos résultats dressent un profil métabolique général suggérant que le sexe du foetus peut avoir un effet sur la réponse cardiaque foetale à une atteinte du volume sanguin maternel causée par la diète restreinte en sodium. Ce profil métabolique semble démontrer une atteinte du catabolisme des lipides. Afin de bien caractériser cette réponse du mécanisme énergétique, l’activité enzymatique des autres enzymes principales de la glycolyse (HK1, HK2, PFK1), le flux intra-mitochondrial d’acyl CoA à travers les CPTs ainsi que la quantité totale d’acétyl CoA devront être quantifiés. / A low sodium diet was given to pregnant rats during the last week of gestation. This diet diminished the maternal expansion of blood volume, the uterine arteries diameter, and placental weight, when compared to their controls. Together, these results suggest a lower placenta perfusion and a decreased output of nutrients to the fetus. The offspring of these pregnant rats were born with an intra-uterine growth retardation (IUGR). The fetal heart utilizes glucose through glycolysis as the major cardiac energy substrate. At birth, the principal source of energy switches to the oxidation of fatty acids, through β-oxydation. We hypothesized that within our IUGR model, the fetal heart could respond to a diminished nutritional intake due to the maternal input when a decreased cardiac energy metabolism was present. The pregnant rats of both groups (controls and on the low sodium diet) were sacrificed on day 22 of a 23 day gestation. The fetal hearts were then analyzed looking for signs of the limiting proteins glycolysis and β-oxidation. The GLUT1, GLUT4, HK1, HK2, CPT2, CPT1β, cytochrome c, PFK1, PKM1/2 proteins obtained through a Western immunoblot method were similar between the hearts of the IUGR and their control fetuses, whether they were male or female. The protein expression of CPT1α was lower only in female IUGR fetal hearts. There was no significant difference between the groups with respect to the enzymatic activity of PKM1/2. Our results suggest that the metabolic profile changes with regards to the fetus gender and could affect the fetal cardiac metabolism, due to a lower maternal blood flow caused by a sodium controlled diet, by diminishing its lipid metabolism and sparing glucose metabolism. To characterize the energy metabolism, the enzymatic activity of the other principal limiting enzymes glycolysis (HK1, HK2, PFK1), the intra-mitochondrial flux of acyl CoA through the CPTs and the total quantity of acetyl CoA must also be analyzed.

Une diète faible en sodium donnée à des rates lors de la dernière semaine de gestation induit une diminution de l’expansion volumique, du diamètre des artères utérines et du poids des placentas comparativement à des rates témoins. Ces perturbations suggèrent une diminution de la perfusion placentaire affectant l’apport foetal en nutriments. Les ratons naissent avec une restriction de croissance intra-utérine (RCIU). Chez le foetus, le substrat énergétique cardiaque principal est le glucose via la glycolyse. À la naissance, la source principale d’énergie est l’utilisation des acides gras par la β-oxydation. Nous émettons l’hypothèse que dans ce modèle de RCIU, le coeur foetal répond à la diminution d’apport nutritionnel due à une atteinte maternelle en adaptant son métabolisme énergétique cardiaque à la baisse. Les rates gestantes (témoins et recevant la diète faible en sodium) sont sacrifiées au jour 22 de gestation (sur 23). Les coeurs foetaux sont prélevés afin de caractériser les protéines dites « limitantes » in vitro des voies de la glycolyse et de la β-oxydation. Les expressions protéiques de GLUT1, GLUT4, HK1, HK2, CPT2, CPT1β, cytochrome c, PFK1, PKM1/2, mesurées par immunobuvardage de type Western, sont similaires entre les coeurs des foetus RCIU et témoins, mâles et femelles. L’expression protéique de CPT1α est diminuée dans les coeurs des femelles RCIU seulement. Il n’existe aucune différence significative entre les différents groupes quant à l’activité enzymatique de PKM1/2. Nos résultats dressent un profil métabolique général suggérant que le sexe du foetus peut avoir un effet sur la réponse cardiaque foetale à une atteinte du volume sanguin maternel causée par la diète restreinte en sodium. Ce profil métabolique semble démontrer une atteinte du catabolisme des lipides. Afin de bien caractériser cette réponse du mécanisme énergétique, l’activité enzymatique des autres enzymes principales de la glycolyse (HK1, HK2, PFK1), le flux intra-mitochondrial d’acyl CoA à travers les CPTs ainsi que la quantité totale d’acétyl CoA devront être quantifiés. / A low sodium diet was given to pregnant rats during the last week of gestation. This diet diminished the maternal expansion of blood volume, the uterine arteries diameter, and placental weight, when compared to their controls. Together, these results suggest a lower placenta perfusion and a decreased output of nutrients to the fetus. The offspring of these pregnant rats were born with an intra-uterine growth retardation (IUGR). The fetal heart utilizes glucose through glycolysis as the major cardiac energy substrate. At birth, the principal source of energy switches to the oxidation of fatty acids, through β-oxydation. We hypothesized that within our IUGR model, the fetal heart could respond to a diminished nutritional intake due to the maternal input when a decreased cardiac energy metabolism was present. The pregnant rats of both groups (controls and on the low sodium diet) were sacrificed on day 22 of a 23 day gestation. The fetal hearts were then analyzed looking for signs of the limiting proteins glycolysis and β-oxidation. The GLUT1, GLUT4, HK1, HK2, CPT2, CPT1β, cytochrome c, PFK1, PKM1/2 proteins obtained through a Western immunoblot method were similar between the hearts of the IUGR and their control fetuses, whether they were male or female. The protein expression of CPT1α was lower only in female IUGR fetal hearts. There was no significant difference between the groups with respect to the enzymatic activity of PKM1/2. Our results suggest that the metabolic profile changes with regards to the fetus gender and could affect the fetal cardiac metabolism, due to a lower maternal blood flow caused by a sodium controlled diet, by diminishing its lipid metabolism and sparing glucose metabolism. To characterize the energy metabolism, the enzymatic activity of the other principal limiting enzymes glycolysis (HK1, HK2, PFK1), the intra-mitochondrial flux of acyl CoA through the CPTs and the total quantity of acetyl CoA must also be analyzed.

cotutelle: Dre Cathy Vaillancourt / Le retard de croissance intra-utérin (RCIU) est un état gestationnel dans lequel le fœtus est empêché de grandir et qui se caractérise par un poids fœtal inférieur au 10e percentile. En ce moment, aucun traitement n'est disponible, ce qui offre peu de possibilités aux personnes à risque. Il a été démontré que l'entraînement physique (ExT) améliore la santé de la mère, du placenta et du fœtus. En outre, le RCIU présent dans un modèle murin de pré-éclampsie a été prévenu par l'ExT. En tant que tel, nous devons nous intéresser uniquement au RCIU, car il n'existe actuellement aucun traitement pour cette pathologie. Le transporteur de glucose, à savoir GLUT4, est régulé à la hausse par l'ExT dans le muscle squelettique. Comme le RCIU est causé par une insuffisance placentaire et une diminution du transport des nutriments, l'objectif de cette ce mémoire est d'évaluer les bénéfices de l'ExT sur le transport placentaire du glucose. Les souris ont été assignées soit au régime japonais, soit au régime nord-américain (NA) à l'âge de 3 semaines, après le sevrage. Comme l'ont étudié précédemment Falcao et ses collègues (2009), nous avons voulu étudier l'effet du régime alimentaire sur le transport du glucose chez les souris WT et KO en raison des différences observées dans l'altération du placenta, le poids de l'organe et la fonction endothéliale. Nous avons donné aux souris l'accès à une roue d'exercice à usage libre 4 semaines avant et pendant la gestation. Les souris ont été sacrifiées à la fin de la gestation et le placenta a été prélevé. Les placentas ont été fixés dans de la cire de paraffine et l'immunohistochimie a été réalisée en utilisant les anticorps pour GLUT1, GLUT3, GLUT4, Pan Cytokératine, un marqueur de la prolifération du trophoblaste et CD31, un marqueur des cellules endothéliales. Nous voulions étudier la colocalisation de ces deux types de cellules dominantes avec les transporteurs de glucose. Nous avons constaté que le marquage de GLUT4 et GLUT1 dans le labyrinthe placentaire était accru chez les souris entraînées des deux génotypes et chez les souris RCIU entraînées, respectivement. En outre, nous avons constaté une colocalisation accrue de GLUT4 avec les cellules endothéliales et trophoblastes chez les souris entraînées dans l'ensemble du placenta. La colocalisation de GLUT3 avec la cytokératine Pan Cytokératine était plus faible chez les souris normales et RCIU entraînées, tandis que la colocalisation GLUT3-CD31 était significativement plus faible uniquement chez les souris ExT KO. Un effet du régime alimentaire a été observé sur GLUT4. La présence de GLUT4-Pan Cytokératine dans la caduque maternelle et le sac vitellin était significativement plus élevée chez les souris WT et KO nourries avec le régime nord- américain (NA). La colocalisation GLUT4-Pan Cytokératine et GLUT4-CD31 dans la plaque choriale était significativement plus élevée chez les souris WT nourries au régime NA que chez les souris nourries au régime japonais. Notre étude suggère que l'ExT améliore le transport placentaire du glucose par la modulation des transporteurs de glucose. À notre connaissance, nous sommes le premier groupe à rapporter ces résultats. L'ExT est donc une voie prometteuse pour la prévention du RCIU, mais d'autres études doivent être menées pour confirmer nos résultats. / Intrauterine Growth Restriction (IUGR) is a gestational condition in which the fetus is prevented from growing and characterized by a fetal weight below the 10th percentile. At present no treatments are available, proposing few avenues for those at risk. Exercise training (ExT) has been shown to improve maternal, placental, and fetal health. In addition, IUGR present in a mouse model of preeclampsia was prevented with Ext. As such, we need to look at IUGR alone as there are no current treatments for this condition. Glucose transporter, namely GLUT4, is upregulated due to ExT in the skeletal muscle. As IUGR is caused by placental insufficiency and diminished nutrient transport, the aim of this thesis is to evaluate the benefits of ExT on placental glucose transport. The mice were either assigned to the Japanese diet or the North American (NA) diet group at 3 weeks of age, after weaning. As previously studied by Falcao and colleagues (2009), we wanted to look at the effect of diet on WT and KO mice on glucose transport due to the differences in placental alteration, organ weight and endothelial function that was observed. We gave the mice access to a free-use exercise wheel 4 weeks prior to and during gestation. The mice were sacrificed at the end of gestation, and the placenta was collected. The placentas were fixed in paraffin wax, and immunohistochemistry was performed using the antibodies for GLUT1, GLUT3, GLUT4, Pan Cytokeratin, a marker of trophoblast proliferation and CD31, a marker of endothelial cells. We wanted to look at the colocalization of these two dominant cell types in conjunction with the glucose transporters. We found that GLUT4 and GLUT1 labelling in the placental labyrinth was increased in trained mice of both genotypes and trained IUGR mice, respectively. Additionally, we found increased GLUT4 colocalization with endothelial and trophoblast cells in trained mice in the overall placenta. GLUT3 colocalization with Pan Cytokeratin was significantly lower in trained normal and IUGR mice while GLUT3-CD31 co-localization was significantly lower in ExT KO mice only. An effect of diet was observed in GLUT4. GLUT4-Pan Cytokeratin in the maternal decidua and the yolk sac was significantly higher in both WT and KO mice fed the North American (NA) diet. GLUT4-Pan Cytokeratin and GLUT4-CD31 colocalization in the chorionic plate was significantly higher in NA diet-fed WT mice compared to the Japanese diet-fed WT mice. Our study suggests that ExT improves placental glucose transport through the modulation of the glucose transporters. To our knowledge, we are the first group to report these findings. As such, ExT is a promising avenue for the prevention of IUGR, however more studies need to be done to confirm our results.