The fact that some salmon spend only one year and a little more feeding in the sea before returning to their home river has been clearly demonstrated through scale reading and tagging experiments. These fish are called "grilse". In other words, a grilse usually enters its river of origin after one complete year and part of a summer at sea (A.1+) whereas a fully grown salmon (the backbone of a salmon fishery) usually remains in the sea 25 or 26 months (A.2 or A.2+), 36, 37 or 38 months (A.3 or A.3+), and in some rare cases, 48, 49 or 50 months (A.4 or A.4+) up to 60, 61 or 62 months (A.5 or A.5+) n For the past twenty years, the conservation of Salmo salar L. in Swedish rivers has necessitated the erection of modem smolt rearing stations and the undertaking of expensive management programs elsewhere, in order to compensate for the loss of natural spawning and nursing areas which were destroyed, in one river after another, by the construction of hydro-electric power developments, or simply by the deterioration of the environment.

L’obésité ne cesse d’augmenter avec l’adoption généralisée de la diète occidentale et atteint aujourd’hui des proportions pandémiques. Elle cause des désordres métaboliques néfastes pour la santé, augmentant ainsi les risques de développer du diabète de type 2 (DT2) et des maladies cardiovasculaires (MCV). Il est alors crucial de comprendre les effets des nutriments sur le développement de ces pathologies, car la nutrition représente un facteur clé de prévention. D’une part, la consommation excessive de sucres ajoutés est reconnue pour être néfaste pour la santé, mais ces sucres sont surconsommés du fait de leur omniprésence dans les aliments et boissons, notamment sous forme de saccharose. Afin de limiter leur consommation, il est important d’identifier des alternatives moins nocives. Les sucres naturels pourraient bien représenter une option intéressante de par les molécules autres que les sucres qu’ils contiennent. D’autre part, la consommation régulière de poissons protège du DT2 et des MCV. Afin de profiter au maximum de ces bienfaits, il serait pertinent d’identifier les nutriments bénéfiques des poissons et de les concentrer sous forme de nutraceutique ou d’aliment fonctionnel. Le saumon est notamment composé de plusieurs nutriments capables de moduler le développement de l’obésité et des désordres métaboliques associés. Il contient des oméga-3 (w-3) et de la vitamine D3 (VitD3) potentiellement bénéfiques pour la santé cardiométabolique. Il contient aussi des protéines de qualité dont nous avons isolé une fraction bioactive, appelée salmon peptide fraction (SPF). Toutefois, les effets de ces nutriments de saumon et leur combinaison ont été peu étudiés, et plusieurs de leurs effets et mécanismes d’action restent à élucider. Cette thèse avait donc pour ambition d’évaluer les effets cardiométaboliques des sucres naturels et des nutriments de saumon (w-3, VitD3, SPF) sur le développement de l’obésité et des désordres métaboliques associés. L’hypothèse générale est que « le remplacement du saccharose par des sucres naturels et la consommation des nutriments de saumon limitent le développement de l’obésité et de ses complications en modulant l’inflammation, la résistance à l’insuline et la santé intestinale ». Nous avons alors réalisé trois études évaluant les effets de la consommation chronique de ces différents nutriments sur le développement de l’obésité et des désordres métaboliques associés dans des modèles murins d’obésité induite par une diète riche en gras et en saccharose. Dans un premier temps, nous avons étudié les effets d’une supplémentation à faible dose de saccharose par rapport à du sirop d’érable, de la mélasse, du sirop de riz brun, du sirop d’agave, du sirop de maïs et du miel, ainsi qu’à du fructose, chez des rats Wistar initialement en santé pendant 8 semaines. Les résultats démontrent que remplacer le saccharose par des sucres naturels limite la résistance à l’insuline et l’inflammation hépatique. Dans une moindre mesure, le sirop d’érable, la mélasse et le sirop d’agave tendent aussi à protéger contre la stéatose hépatique. De plus, cette étude montre que le fructose n’est non seulement pas plus néfaste que le saccharose dans les doses utilisées, mais qu’il permet même d’atténuer la résistance à l’insuline et l’inflammation hépatique. Dans un deuxième temps, nous avons évalué les effets cardiométaboliques des nutriments de saumon, seuls ou en combinaison, dans deux études de 12 semaines. Nous avons d’abord étudié les effets de la VitD3 et des w-3 chez des souris C57BL/6J initialement en santé, puis les effets du SPF et de la VitD3 chez des souris LDLr-/-/ApoB100/100 à haut risque de développer des maladies cardiométaboliques. Les résultats démontrent que la supplémentation en VitD3 n’a pas d’effet chez les souris initialement en santé, ni n’améliore les effets bénéfiques des w-3. En revanche, elle prévient sensiblement le développement des désordres métaboliques associés à l’obésité chez les souris à haut risque de maladies cardiométaboliques. Elle réduit un facteur de risque de thrombose en circulation et l’inflammation dans l’iléon lorsqu’elle est seule, et la sensibilité à l’insuline lorsqu’elle est combinée au SPF. Finalement, nos travaux révèlent que le SPF limite l’obésité et ses complications notamment grâce à son action anti-inflammatoire sur le foie et le côlon. Cette thèse a donc permis d’élucider les effets de ces différents nutriments sur le développement de l’obésité et des désordres métaboliques associés, et à plus long terme du DT2 et des MCV, et de mieux comprendre leurs mécanismes d’action. / Obesity continues to increase with the widespread adoption of the Western diet and nowadays reaches pandemic proportions. It causes metabolic disorders that are harmful to health, increasing the risk of developing type 2 diabetes (T2D) and cardiovascular disease (CVD). It is therefore crucial to understand the effects of nutrients on the development of these pathologies because nutrition is a key preventive factor. On the one hand, excess consumption of added sugars is known to be harmful to health, but these sugars are over-consumed by their ubiquity in foods and beverages, especially in the form of sucrose. It is therefore important to limit their consumption and identify less harmful alternatives. Natural sugars may well be an interesting option for the molecules other than sugars they contain. On the other hand, regular fish consumption protects against T2D and CVD. In order to make the most of these benefits, it would be relevant to identify the beneficial fish nutrients and concentrate them as a nutraceutical or functional food. Salmon is notably composed of several nutrients able to modulate the development of obesity and associated metabolic disorders. It contains omega-3 (ω-3) and vitamin D3 (VitD3) potentially beneficial for cardiometabolic health. It also contains quality proteins from which we have isolated a bioactive fraction, called salmon peptide fraction (SPF). However, the effects of these salmon nutrients and their combination have been poorly studied, and many of their roles and mechanisms of action remain unclear. This thesis therefore aims to evaluate the cardiometabolic effects of natural sweeteners and salmon nutrients (ω-3, VitD3, SPF) on the development of obesity and associated metabolic disorders. The general hypothesis is that “the replacement of sucrose with natural sweeteners and the consumption of salmon nutrients limit the development of obesity and its complications by modulating inflammation, insulin resistance and intestinal health”. We then conducted three studies evaluating the effects of chronic consumption of these different nutrients on the development of obesity and associated metabolic disorders in murine models of diet-induced obesity. First, we studied the effects of a low-dose supplementation of sucrose compared to maple syrup, molasses, brown rice syrup, agave syrup, corn syrup and honey, as well as fructose, in Wistar rats initially healthy for 8 weeks. The results show that replacing sucrose with natural sweeteners limits insulin resistance and hepatic inflammation. To a lesser extent, maple syrup, molasses and agave syrup also tend to protect against fatty liver. In addition, this study shows that fructose is not only no more harmful than sucrose in the doses used, but it even helps to reduce insulin resistance and hepatic inflammation. In a second step, we evaluated the cardiometabolic effects of salmon nutrients, alone or in combination, in two 12-week studies. We first studied the effects of VitD3 and ω-3 in initially healthy C57BL/6J mice, then the effects of SPF and VitD3 in LDLr- / -/ApoB100/100 mice at high risk to develop cardiometabolic diseases. The results demonstrate that VitD3 supplementation has no effect in initially healthy mice, nor improves the beneficial effects of ω-3. In contrast, it slightly prevents the development of metabolic disorders associated with obesity in mice at high risk of cardiometabolic diseases. It reduces a thrombosis risk factor and inflammation in the ileum when it is alone, and insulin sensitivity when it is combined with SPF. Finally, our work reveals that the SPF limits obesity and its complications thanks to its anti-inflammatory action on the liver and colon. This thesis has thus allowed a better understanding of the effects of these different nutrients on the development of obesity and associated metabolic disorders, and in longer term T2D and CVD, and of their mechanisms of action.

Thèse de doctorat : Procédés biotechnologiques et alimentaires : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

Le diabète de type 2 (DT2) est un trouble multifactoriel complexe de l’homéostasie du glucose. Cette maladie, bien qu’elle possède une composante génétique, est principalement induite par des causes socio-environnementales comme de mauvaises habitudes alimentaires. En dépit des mesures hygiéno-diététiques et des traitements médicaux utilisés pour prévenir et traiter la maladie, le DT2 ne cesse de progresser. L’identification et la production de peptides bioactifs à partir de sources naturelles offrent une alternative intéressante aux médicaments de synthèse, dont les préoccupations concernant les effets secondaires ne cessent d’augmenter. Ainsi, en raison de leur abondance et leur richesse en molécule bioactive, les coproduits de la transformation du poisson offrent une source presque inépuisable de peptides bioactifs. En effet, lors d’études précédentes, il a été démontré que des protéines de morue et de saumon permettaient d’améliorer la santé cardio-métabolique in vivo, et d’améliorer la captation du glucose musculaire, de diminuer la production du glucose hépatique et l’inflammation. De plus, avec un nombre de plus en plus important d’individus à nourrir, l’industrie de la transformation doit augmenter sa production, et les déchets ne cessent de s’accumuler. Néanmoins, afin d’exercer leur effet bioactif, il est nécessaire de libérer ces peptides bioactifs des structures protéiques au sein desquelles ils sont imbriqués et sous forme inactive générant ainsi des hydrolysats complexes. Par la suite, une ou plusieurs étapes de séparation sont utilisées afin de concentrer ces peptides dans des fractions plus actives, par exemple en fractionnant ces hydrolysats complexes par électrodialyse avec membranes d’ultrafiltration. En effet, Il a été démontré l’efficacité de l’électrodialyse avec membranes d’ultrafiltration pour la génération de fractions améliorant, in vitro, la captation du glucose à partir d’hydrolysats de protéines de soya et de saumon. Ainsi, l’objectif principal de cette thèse était de concentrer et d’identifier des peptides bioactifs par le fractionnement d’un hydrolysat de protéines issu d’un coproduit de saumon iv par l’électrodialyse avec membranes d’ultrafiltration, et d’étudier l’impact de ces fractions et peptides sur le DT2. Lors de la première étude, il a été démontré qu’un empilement judicieux de membranes permettait de fractionner les peptides issus d’un hydrolysat de coproduit de saumon, en générant des fractions possédant des peptides avec des propriétés physico-chimiques (charge et masse) différentes. De plus, cet empilement de trois membranes d’ultrafiltration de seuils de coupure différents a permis de moduler la réponse in vitro de la captation du glucose. En effet, des peptides cationiques de plus haut poids moléculaire ont amélioré la captation du glucose dans une étude in vitro, alors que les peptides cationiques de plus faible poids moléculaire ont démontré un effet inhibiteur de la bioactivité. Finalement, l’analyse par spectrométrie de masse des fractions a permis de caractériser (temps de rétention et charge) 17 peptides cationiques et 21 peptides anioniques, potentiellement responsables de l’effet bioactif des fractions. Lors de la deuxième étude, le fractionnement par EDUF des fractions finales récupérées lors de la précédente séparation et l’étude in vitro de la bioactivité de ces fractions (captation du glucose, production du glucose hépatique et inflammation) ont permis d’identifier deux fractions très prometteuses, démontrant un effet sur ces trois bioactivités. De plus, l’analyse par spectrométrie de masse en tandem de ces fractions a permis d’identifier, à l’aide de base de données, la séquence peptidique de 24 peptides anioniques, potentiellement responsables de ces effets bioactifs. Finalement, lors de la troisième étude, basées sur l’analyse des spectres obtenus par spectrométrie de masse en tandem, 13 peptides ont été sélectionnés et synthétisés, puis testés individuellement pour leurs capacités à augmenter l’absorption du glucose au niveau de cellules musculaires, à diminuer la production de glucose hépatique et finalement à diminuer la réponse inflammatoire de macrophages. Ainsi, pour la première fois, quatre nouveaux peptides ont été identifiés à partir de coproduits de saumon, et leurs propriétés glucorégulatrices in vitro ont été démontrées. / Type 2 diabetes (T2DM) is a complex multifactorial disorder of glucose homeostasis. This disease has a genetic basis but is mainly caused by socio-environmental behaviours, such as overeating and a lack of physical activity. Despite dietary measures and medical treatments used to prevent and treat the disease, T2D continues to progress. The identification and production of bioactive peptides from natural sources offer an interesting alternative to synthetic drugs, whose concerns about side effects are constantly increasing. Thus, because of their abundance and richness in bioactive molecules, fish processing co-products offer an almost inexhaustible source of bioactive peptides. Indeed, in previous studies, cod and salmon proteins have been shown to improve cardio-metabolic health in in vivo studies, and to improve muscle glucose uptake, decrease hepatic glucose production, and inflammation. In addition, with a growing number of people to feed, the processing industry is at its height, and waste continues to accumulate. Nevertheless, in order to exert their bioactive effect, it is necessary to release these bioactive peptides from native proteins. Subsequently, one or more separation, using for example electrodialysis with ultrafiltration membranes, are needed to concentrate these peptides and generate bioactive fractions. Indeed, it was previously demonstrated the effectiveness of electrodialysis with ultrafiltration membranes to generate bioactive fractions, from complex matrices, able to improve the glucose uptake in vitro, from soy and salmon protein hydrolysates. In this context, the main objective of this thesis was to concentrate and identify bioactive peptides, by fractionating a protein hydrolysate from a salmon co-product, by electrodialysis with ultrafiltration membranes, and to study the impact of these fractions and peptides on T2D. In the first study, results demonstrated that a triple size selective separation by EDUF allowed to generate peptide fractions with different physicochemical properties (charge and mass). Moreover, it was demonstrated that such a separation allowed to modulate the in vitro response of the fractions for glucose metabolism. Indeed, from a single EDUF separation, cationic peptides with higher molecular weights were concentrated and demonstrated to enhance their glucose uptake capacity. Whereas, cationic peptides with lower molecular weights have decreased the glucose uptake capacity. In addition, analyses by mass spectrometry of the vi fractions allowed to characterize (retention time and charge) 17 cationic peptides and 21 anionic peptides, potentially responsible for the bioactive effect of the fractions. In a second study, a second EDUF fractionation, using as feed solution the final fractions recovered during the previous separation was performed. The selectivity of the process was confirmed by liquid chromatography-mass spectrometry analyses. Moreover, in vitro study of the bioactivities (glucose uptake, hepatic glucose production and inflammation) effect of these fractions, led to the identification of two very promising fractions, demonstrating a simultaneous effect on all three bioactivities tested. In addition, the tandem mass spectrometry analysis of these fractions allowed the sequence identification of 24 anionic peptides, potentially responsible for these bioactive effects. Finally, in a third study, based on the analysis of the spectra obtained by tandem mass spectrometry, 13 peptides were selected and synthesized, then individually tested for their ability to increase glucose uptake in muscle cells, to reduce glucose production by hepatic cells, and to decrease the inflammatory response of macrophages. Thus, for the first time, four new peptides identified from salmon by-products, demonstrated in vitro glucoregulatory properties.

L’objectif principal des études présentées dans cette thèse était d’étudier les effets physiologiques et mécanistiques d’une fraction de peptides de saumon (SPF) de faible poids moléculaire (molecular weight, MW) combinée ou non avec une huile riche en oméga-3 (fish oil, FO), dans un contexte d’obésité induite par une diète riche en gras et en sucre (high-fat and sucrose diet, HFS). Le modèle de souris utilisé en était un du syndrome métabolique (metabolic syndrome, MetS), la souris LDL-/-/ApoB100/100. Dans l’étude de 3 mois (JN, 2015), nous avons montré que les souris nourries avec le SPF ou à la combinaison (SPF+FO) étaient plus tolérantes au glucose. Elles présentaient également des améliorations de plusieurs conditions généralement associées avec le MetS, soit un meilleur profil lipidique, une diminution de l’inflammation du tissu adipeux épidydimaire et une amélioration de la voie de signalisation de l’insuline hépatique. Ces effets étaient associés à une légère diminution du poids corporel, du poids du foie et de l’efficience alimentaire. Les effets observés in vivo du SPF ont ensuite été validés dans 3 lignées cellulaires. Deuxièmement, nous avons voulu valider les effets du SPF au niveau de la tolérance au glucose après 3 mois de diète. Puis, nous avons exploré les mécanismes derrière les effets bénéfiques du SPF et du FO en analysant le métabolome plasmatique des acylcarnitines (AC) et l’expression de gènes hépatiques. Les niveaux d’adiponectine ainsi que l’expression de plusieurs gènes impliqués dans l’homéostasie du glucose, des lipides, dans l’inflammation et dans la β-oxydation mitochondriale et peroxisomale étaient modulés par le SPF et le FO. Le profil en AC a démontré plusieurs changements causés par le SPF et le FO autant au niveau des AC à courte chaîne qu’à moyenne et longue chaîne. Troisièmement, nous avons une fois de plus validé les effets du SPF au niveau de la tolérance au glucose, mais sur une période de 6 mois. Nous nous sommes concentrés sur le profil métabolomique des acides aminés (AA) plasmatiques et avons tenté de comprendre les changements importants survenus après 6 mois de diète en faisant l’analyse par immunobavardage des protéines et enzymes régulant le catabolisme des acides aminés à chaîne ramifiée (branched-chain amino acids, BCAA). L’utilisation du plasma obtenu au sacrifice à l’état de jeûne et post prandial de notre cohorte de souris nourries pendant 3 mois nous a permis d’évaluer l’association entre la signature métabolomique des AA et les effets physiologiques du SPF. Ces études démontrent le potentiel du SPF jumelé ou non avec le FO dans la prévention de complications reliées à l’obésité, comme l’intolérance au glucose, l’inflammation de bas degré et la dyslipidémie. / The main objective of this thesis was to evaluate the metabolic and mechanistic effects of a low-molecular-weight salmon peptide fraction (SPF) combined or not with omega-3-rich fish oil (FO) in the context of diet-induced obesity (DIO) in a murine model of the metabolic syndrome (MetS), the LDL-/-/ApoB100/100 mouse. In the first study, we have shown that mice fed the SPF alone or in combination with FO (SPF+FO) were more glucose tolerant and had marked improvements in their plasma lipid profile, adipose tissue inflammation and hepatic insulin signaling pathway. These effects were associated with a small reduction in body weight, liver weight and energy efficiency. These in vivo effects were then validated in 3 cell lines. Secondly, we validated once again the beneficial impact of SPF on glucose tolerance after 3 months of diet. We aimed to explore its mechanisms of action by doing an extensive assessment of the acylcarnitine (AC) plasma metabolome and the hepatic gene expression of the mice. We found that adiponectin levels and many hepatic genes involved in inflammation, in glucose and lipid homeostasis and in mitochondrial and peroxisomal β-oxidation were altered with SPF and FO. The AC profile was modified upon dietary treatment with FO and SPF, with significant changes in short-, medium- and long-chain AC. Thirdly, we validated the beneficial effects of SPF on glucose tolerance over a 6- month period, and decided to concentrate on the metabolomic profile of plasma amino acids (AA). We aimed to understand the important alterations that occured after 6-months on diet in the SPF-fed animals. Then we also looked at changes in the proteins and enzymes regulating branched-chain amino acids (BCAA) catabolism in liver, skeletal muscle and epidydimal adipose tissue by Western blotting. The metabolomic analyses of plasma obtained after 3 months of diet in our other cohort of mice gave us the opportunity to evaluate the association between the AA signature and the physiological effects of SPF. These studies show the potential of SPF combined or not with FO as a nutraceutical for the prevention of obesity-related complications, such as glucose intolerance, low-grade inflammation and dyslipidemia.