Étude des modifications fonctionnelles et épigénétiques induites par la dénutrition périnatale sur les circuits cérébraux de régulation de la prise alimentaire

Analysis of functional and epigenetic modifications induced by perinatal undernutrition on the cerebral circuits regulating food intake

• Auteur / Autrice : David Ricardo Orozco-Solis
• Direction : Francisco Bolaños-Jimenez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie neurobiologie
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé Nantes-Angers (2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Filtres à protéines

Filtres à ADN

Hypothalamus

Épigénétique

Comportement alimentaire

Dénutrition

Périnatalogie

Résumé

L’objectif global de cette étude a été de déterminer l’influence de l’environnement nutritif précoce sur le fonctionnement des réseaux neuronaux régulant la prise alimentaire. Le support conceptuel de ces investigations est l’hypothèse dite de programmation métabolique selon laquelle un organisme en voie de développement soumis à une réduction des apports nutritionnels au cours du développement périnatal, « programme » son métabolisme de façon à survivre dans des conditions de restriction alimentaire. Cependant, lorsque cet organisme est par la suite suralimenté, l’incompatibilité entre sa programmation physiologique et les nouvelles conditions nutritionnelles entraîne une altération de la tolérance au glucose, de l’hypertension artérielle et un taux augmenté de triglycérides. Plus précisément, au cours de ce travail de thèse nous avons cherché à: 1) définir si le déséquilibre nutritionnel au cours du développement périnatal affecte le fonctionnement des circuits cérébraux de régulation de la prise alimentaire et ; 2) déterminer si ces altérations sont associées à des modifications épigénétiques. Concernant la première partie, l’ensemble des résultats que nous avons obtenus indique que : 1) la restriction protéique pendant le développement périnatal, réduit le poids corporel à la naissance mais augmente, après sevrage et jusqu’à l’âge de 2 mois, la prise alimentaire journalière et accélère la prise de poids ; 2) l’hyperphagie chez les jeunes animaux dénutris a lieu essentiellement pendant la nuit, est due à un retard dans l’apparition de la satiété et s’accompagne d’une augmentation de la taille du repas ; 3) la dénutrition périnatale réduit les effets anorexigènes de la sérotonine ainsi que son action stimulatrice sur les neurones du noyau para-ventriculaire de l’hypothalamus via la désensibilisation des récepteurs sérotoninergiques de type 5-HT1B ; 4) les animaux dénutris présentent une augmentation du niveau d’expression dans l’hypothalamus des peptides orexigènes NPY et AgRP couplée à une diminution du niveau d’expression du peptide anorexigène POMC; 5) la restriction nutritionnelle au cours du développement induit des modifications de l’horloge circadienne. Ces modifications se traduisent par des altérations du profil d’ingestion de nourriture au cours de la journée ainsi que par l’abolition du profil circadien d’expression des gènes de l’horloge et des gènes codant le NPY et l’AgRP ; 6) en dépit d’avoir ingéré depuis l’âge de 2 mois la même quantité de nourriture par jour que les animaux contrôles, les âgés animaux dénutris pendant leur développement précoce, présentent des altérations corporelles et métaboliques propres de l’obésité dont une augmentation de la masse grasse abdominale et des taux élevés de triglycérides et d’acides gras libres dans le sérum ; 7) la dénutrition périnatale modifie sur le long terme les niveaux d’expression de deux groupes des gènes. Le premier de ces groupes est impliqué dans la voie de signalisation de l’insuline et dans les processus de détection de l’énergie. Le deuxième est composé de plusieursrécepteurs nucléaires et co-régulateurs de la transcription impliqués dans la détection et l’utilisation des lipides comme source d’énergie ainsi que dans la régulation de l’horloge circadienne. Dans leur ensemble, ces résultats montrent que la dénutrition périnatale induit une augmentation de la prise alimentaire. Cette hyperphagie est le résultat combiné d’une déficience des mécanismes de rétrocontrôle négatif de la prise alimentaire et d’une augmentation de l’expression des signaux impliqués dans le déclenchement et le maintien du repas. Cependant, la dénutrition périnatale « programme » le développement d’obésité via un mécanisme indépendant de ses effets sur l’ingestion de nourriture. Nos résultats indiquent aussi que le fonctionnement du système de l’horloge est programmé par la dénutrition périnatale. Concernant la deuxième partie, nos résultats indiquent que la dénutrition périnatale altère le profil post-traductionnelle des histones H3 et H4 dans le SNC. Ces modifications varient en fonction du type de modification post-traductionnelle et diffèrent d’une région cérébrale à une autre. Dans l’hypothalamus, ces altérations épigénétiques semblent avoir lieu de façon prépondérante dans le noyau paraventriculaire. De façon concordante avec les résultats du transcriptome, l’analyse par la technique de ChIP on chip du profile de méthylation de l’ADN du génome, semble indiquer que la dénutrition périnatale induit une altération du niveau de méthylation des gènes impliqués dans la régulation de processus métaboliques.

The main objective of the present work was to determine the influence of the early nutritional environment on the functioning of the hypothalamic neuronal networks regulating food intake and energy homeostasis. The conceptual framework for this research is the thrifty phenotype hypothesis which postulates that in response to nutrient restriction during perinatal development an organism makes metabolic adaptations to survive optimally in a poor nutrient environment. However, when nutrition is adequate or overabundant, the conflict between the metabolic programming and the new nutritional conditions leads to obesity, insulin resistance and hypertension. More precisely, the aims of the present work were: 1) to identify and characterize the effects of protein restriction during gestation and lactation on feeding behavior; 2) to determine if these alterations are associated to epigenetic modifications. The results of the first part of our work indicate that: 1) perinatal protein-restriction leads to increased food intake in relation to body weight during the first six weeks after weaning and accelerates body weight gain; 2) the hyperphagia exhibited by young undernourished animals is characterized by a delayed appearance of satiety, an increase in meal size and reduced latency to eat as well as by an enhanced hypothalamic expression of the orexigenic peptides AgRP and NPY and a reduction in the expression levels of the mRNA coding for the anorexigenic peptide POMC; 3) protein restriction during perinatal development attenuates the inhibitory action of serotonin on food intake via a reduced sensitivity of 5-HT1B Collectively, these results indicate that the higher food intake of young undernourished rats relative to control animals is the result of both a decreased action of negative feedback signals critical to meal termination and an enhanced function of the positive signals than initiate and maintain eating. However, the fact that under conditions of exposure to standard chow, old animals exposed to protein-restriction during perinatal development consume daily the same amount of food than control offspring but exhibit body composition and metabolic disturbances indicative of obesity, suggests that perinatal malnutrition programmes obesity through a mechanism independent of its effects on feeding behaviour. This hypothesis is further sustained by the analysis of the hypothalamus transcriptome in 180 days-old rats which indicate that the programming of the hypothalamic circuits regulating energy homeostasis rather than food intake is a key step in the development of obesity associated with malnutrition in early life. Our receptors; 4) feeding a low-protein diet during gestation and lactation induces a long-lasting disruption of the diurnal expression pattern of the canonical circadian clock genes CLOCK, BMAL1 and Period1 as well as that of several genes involved in the regulation food intake. These effects persist long time after weaning and are associated with hyperphagia; 5) in spite of the fact that since the age of 2 months the offspring of protein-restricted dams consume the same quantity of food by day than their control counterparts, at 8 months, perinatal-undernourished rats show metabolic and body composition disturbances indicative of obesity including elevated levels of triglycerides and fatty acids in serum along with increased visceral fat; 6) a comparative genome wide analysis of the transcriptome in the hypothalamus of metabolic programmed rats versus controls, showed that that perinatal undernutrition induces permanent changes in the transcriptional profile of two gene clusters. The first one is constituted by several genes of the insulin and leptin signaling pathway which, additionally, act as gate keeper genes for regulation of nutrient sensing. The second cluster encompasses a functional network of nuclear receptors and co-regulators of transcription involved in the detection and use of lipid nutrients as fuel which, in addition, link temporal and nutritional cues to metabolism trough their tight interaction with the circadian clock. 12 observations constitute also the first direct evidence that the circadian clock is submitted to metabolic programming. Concerning the second part, as a first attempt to delineate the epigenetic changes induced by early malnutrition on the neuronal circuits regulating food intake, we analyzed the epigenetic status of Histone 3 (H3) and Histone 4 (H4) in several brain regions of 35 days-old offspring born to Spraguey-Dawley rats fed either a control (20%) or a low (8%) protein diet from the day of conception throughout gestation and lactation. Miniaturized protein arrays of histones from the hypothalamus, brain stem, hippocampus, and cerebral cortex of both control and undernourished animals were constructed and screened with anti-H3 or anti-H4 antibodies recognizing epigenetic modifications associated either with increased or with decreased gene transcription. The results of these experiments indicate that perinatal protein-restriction induced significant changes in the acetylated and methylated status of both H3 and H4 that differed from one brain region to another. Interestingly, the epigenetic modifications observed in the hypothalamus of malnourished animals are globally related to active gene transcription. In line with the results of the transcriptome analysis, the genome-wide high throughput study of DNA methylation in the hypothalamus using the methodology of ChIP on chip, indicated that perinatal undernutrition alters essentially the methylation levels of the promoter regions of the genes involved in the regulation of metabolic process.