Bile acids signaling as a novel mechanism in the hypothalamic control of energy balance.

par Ashley Castellanos jankiewicz

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Daniela Cota.

Soutenue le 14-11-2019

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux) , en partenariat avec Physiopathologie de la plasticité neuronale (Bordeaux) (laboratoire) .

Le président du jury était Guillaume Ferreira.

Le jury était composé de Gilles Mithieux.

Les rapporteurs étaient Luc Pénicaud, Christophe Magnan.

  • Titre traduit

    La signalisation des acides biliaires comme nouveau mécanisme dans le contrôle hypothalamique de la balance énergétique.


  • Résumé

    Introduction : Les acides biliaires (AB) sont des molécules connues pour digérer les lipides. En activant le récepteur couplé à la protéine G Takeda 5 (TGR5) dans les tissus périphériques, ils peuvent également servir de molécules de signalisation pour réduire le poids corporel et améliorer le profil glycémique. L'activation de TGR5 peut aussi augmenter la dépense énergétique dans le tissu adipeux, mais les voies métaboliques impliquées dans ces effets sont encore mal connues. Ces observations impliquent une action anti-obésité du TGR5. Cependant, toutes les études sur les AB dans la balance énergétique se sont concentrées exclusivement sur des tissus périphériques. Comme le principal centre de convergence des signaux nutritifs, hormonaux et environnementaux se trouve dans le cerveau, et en particulier dans l'hypothalamus, nous avons émis l'hypothèse que l'activité hypothalamique du TGR5 pourrait moduler la balance énergétique, en particulier dans un contexte d’obésité. Objectif : Démontrer la fonction du système AB – TGR5 dans des populations de cellules hypothalamiques connues pour contrôler l’homéostasie énergétique et étudier sa pertinence pour le traitement de l’obésité. Méthodes : Des canules intra-cérébro-ventriculaires (ICV) ont été implantées sur des souris mâles C57Bl6/J minces (sous régime standard) ou obèses (sous régime riche en graisses) pour permettre l'administration pharmacologique aiguë ou chronique des agonistes du TGR5. Des souris TGR5flox/flox ont été utilisées pour provoquer la délétion du récepteur dans l'hypothalamus médio-basal (HMB), par l’injection in situ d’un AAV-Cre. Nous avons mesuré le poids corporel, prise alimentaire, composition corporelle, sensibilité à l'insuline, niveaux des AB hypothalamiques et plasmatiques et dépense énergétique. Pour bloquer la signalisation sympathique, nous avons exposé les souris à un environnement de thermoneutralité (30°C) ou à une sympathectomie chimique. Des marqueurs de la lipolyse, de la thermogenèse ou du métabolisme thyroïdien ont été mesurés dans le foie, le tissu adipeux et l’hypothalamus par qPCR ou western blot. Toutes les études ont été approuvées par le comité d'éthique en expérimentation animale de l'Université de Bordeaux. Résultats : Nous montrons que les transporteurs du TGR5 et des AB s’expriment dans l’HMB et que les souris obèses ont une diminution des AB dans la circulation et l’hypothalamus. L'administration aiguë d'agonistes du TGR5 (ICV ou intra-HMB) réduit la prise alimentaire et le poids corporel chez les souris obèses, tout en améliorant leur sensibilité à l'insuline. De plus, l'administration chronique ICV de l’agoniste réduit le poids corporel et l'adiposité, tout en augmentant la dépense énergétique et les marqueurs de l'activité sympathique dans le tissus adipeux. La thermo-neutralité ainsi que la sympathectomie chimique atténuent ces effets, démontrant que l’activité du récepteur TGR5 nécessite un tonus sympathique accru. La délétion de TGR5 dans le HMB (souris TGR5flox/flox) n'a aucun effet chez les souris minces. Cependant, l’exposition à une nourriture riche en graisse augmente rapidement leur poids, prise alimentaire et adiposité. Lors de l’exposition au froid (4 heures à 4°C), l’expression des marqueurs de lipolyse et thermogenèse dans le tissu adipeux était atténuée, suggérant une interruption de la signalisation sympathique. Enfin, la suppression du TGR5 dans le HMB de souris déjà obèses augmente l'adiposité en induisant une hyperphagie, aggravant l’obésité. Conclusions : Nos résultats prouvent l’existence d’un système fonctionnel du TGR5 hypothalamique, un récepteur des AB. Nous montrons pour la première fois que l'activation du TGR5 dans le HMB induit une myriade d'effets qui améliorent des paramètres métaboliques, et que cela dépend de l'activation du système nerveux sympathique. Ainsi, nous dévoilons un nouveau mécanisme d'action pour des potentiels traitements contre l'obésité.


  • Résumé

    Introduction: Bile acids (BA) are cholesterol-derived molecules mostly known for their role in digesting lipids. By activating the Takeda G protein coupled receptor 5 (TGR5) in peripheral organs, they can also act as signaling molecules to reduce body weight and improve glucose homeostasis. Notably, TGR5 activation can increase energy expenditure in brown adipocytes, although the metabolic pathways involved in these effects are not yet clear. These outcomes imply an anti-obesity function for TGR5. However, all studies investigating BA in energy balance have exclusively focused on peripheral tissues. Since the major center of convergence of nutrient, hormonal, and environmental cues is the brain, particularly the hypothalamus, we hypothesized a role for TGR5 in this brain structure, suggesting that hypothalamic TGR5 activity may participate in energy balance, specifically under dietinduced obesity. Objective: To demonstrate the function of the BA – TGR5 system in hypothalamic populations known to control energy homeostasis, and disentangle its relevance for the treatment of diet-induced obesity. Methods: C57Bl6/J male mice that were either lean (standard chow) or diet-induced obese (60% high-fat diet; HFD) were implanted with an intra-cerebroventricular (ICV) cannula for the pharmacological delivery of TGR5 agonists. TGR5flox/flox mice were used to target the sitespecific deletion of the receptor within the mediobasal hypothalamus (MBH), through the stereotaxic delivery of AAV-Cre. The following metabolic outputs were measured: body weight, food intake, body composition (EchoMRI analyzer), insulin sensitivity, serum and hypothalamic BA (liquid mass spectrometry), and energy expenditure (TSE Phenomaster system). To block sympathetic signaling, we exposed mice to thermoneutrality (30°C) or performed chemical sympathectomy (6-hydroxydopamine; 80mg/kg i.p.). Markers of lipolysis, thermogenesis, and thyroid metabolism were measured in the liver, adipose and hypothalamic tissues by qPCR or western blots. All studies received the approval from the animal ethical committee of the University of Bordeaux. Results: We demonstrate that TGR5 and BA transporters are expressed in the MBH and that diet-induced obese mice have decreased circulating and hypothalamic BA. Acute ICV or intra-MBH administration of TGR5 agonists reduced food intake and body weight in dietinduced obese mice only, and improved insulin sensitivity. Accordingly, chronic ICV administration of the TGR5 agonist in obese mice reduced their body weight and adiposity, while increasing energy expenditure and mRNA markers of sympathetic activity in the adipose tissue. Indeed, experiments conducted at thermoneutrality or chemical sympathectomy blunted these effects, demonstrating that central TGR5 effects require an enhanced sympathetic tone. By using TGR5flox/flox mice coupled with the delivery of an AAVCre, we observed that the deletion of TGR5 in the MBH had no effect in chow-fed mice. However, a HFD switch rapidly increased their body weight, food intake and adiposity. When exposed to the cold (4 h at 4°C), protein levels of lipolysis and thermogenesis markers in the adipose tissue were blunted, implying an interruption in sympathetic signaling to the periphery due to hypothalamic downregulation of TGR5. Lastly, Cre-dependent deletion of TGR5 in the MBH of already obese mice rapidly increased adiposity by inducing hyperphagia, worsening their obese phenotype. Conclusions: Our work proves the existence of a functional hypothalamic BA – TGR5 receptor system. We show for the first time that the activation of TGR5 in the MBH decreases body weight and adiposity, while increasing energy expenditure through recruitment of the sympathetic nervous system. Taken together, these results expose a new mechanism of action for potential anti-obesity therapies.



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