Intégration centrale des voies du métabolisme : dialogues entre TR et LXR

• Auteur / Autrice : Rym Ghaddab Zroud
• Direction : Barbara Demeneix, Marie-Stéphanie Clerget-Froidevaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et moléculaire, mention physiologie
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris, Muséum national d'histoire naturelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Debey
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammed Taouis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karine Gauthier, Franck Delaunay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hypothalamus

Récepteurs nucléaires (biochimie)

Récepteurs

Hormones thyroïdiennes

Récepteurs LXR

Métabolisme -- Régulation

Troubles du métabolisme

Résumé

L’incidence des maladies métaboliques et des maladies neuro-dégénératives ne cesse d’augmenter dans nos sociétés occidentales, ce qui représente un véritable problème de santé publique et engendre des coûts très élevés. Il s’avère donc crucial de mieux comprendre les mécanismes physiologiques de régulation du métabolisme, en particulier au niveau central, afin de pouvoir potentiellement intervenir pour éviter les dérèglements à l’origine de ces maladies. Plusieurs facteurs de transcription, en particulier ceux des familles des récepteurs nucléaires (RN) majoritairement impliqués dans le métabolisme des lipides comme LXRs (Liver X Receptors), semblent être cruciaux dans les voies de signalisation mises en cause dans ces maladies. Ces récepteurs sont impliqués dans les régulations du métabolisme énergétique en périphérie en exerçant un contrôle sur l’expression d’un grand nombre de gènes métaboliques. Un deuxième type de RN, les récepteurs aux hormones thyroïdiennes (TRs), joue un rôle prépondérant dans le contrôle du métabolisme énergétique en périphérie. En effet, les hormones thyroïdiennes (HT) sont connues pour réguler du point de vue transcriptionnel toutes les étapes du métabolisme du cholestérol. De plus, ces deux types de RN interagissent entre eux en périphérie dans le cadre de la régulation du métabolisme lipidique. Or, le métabolisme périphérique est régulé au niveau de l’hypothalamus, reconnu comme étant le centre intégrateur des régulations du métabolisme. Partant du fait que TR et LXR sont exprimés dans l’hypothalamus, qu’ils partagent le même partenaire d’hétérodimérisation RXR, et que leurs éléments de réponse sont très semblables, nous avons posé l’hypothèse que des interactions entre ces deux facteurs de transcription peuvent se mettre en place afin de coréguler des gènes et des voies de signalisation impliqués dans la régulation centrale du métabolisme, et en particulier, dans l’intégration des signaux en provenance de la périphérie qui renseignent sur l’état des réserves énergétiques. Par transfert de gènes in vivo dans l’hypothalamus de nouveau-nés de souris (NN), nous avons pu montrer que l’activation de LXR par son agoniste synthétique GW3965 réprime l’activité transcriptionnelle des promoteurs de Trh et Mc4r, deux gènes cruciaux dans le contrôle central du métabolisme. Cette répression est observée uniquement chez les NN euthyroïdiens et pas chez les hypothyroïdiens. Nous avons donc exploré l’importance du statut thyroïdien dans le dialogue TR/LXR. Le rétablissement du statut thyroïdien restaure la répression transcriptionnelle de Trh par le ligand de LXR mais pas celle de Mc4r. Le mécanisme de cette régulation de Trh par LXR a été exploré par immunoprécipitation de chromatine (ChIP). Nous avons pu ainsi montrer que LXR est recruté sur la région du promoteur de Trh en présence de T3. Nos résultats suggèrent que la voie de signalisation LXR pourrait être impliquée dans le rôle joué par la voie des HT et de la mélanocortine dans le contrôle central du métabolisme. De plus, nous avons complété ces résultats par l’étude de la régulation par la T3 de l’expression de certains gènes cibles de LXR dans l’hypothalamus ce qui confirme la possibilité d’une interaction centrale entre les HT et la voie LXR. Nous avons comparé par RNAseq le transcriptome de noyaux paraventriculaires (PVN) de souris traitées ICV ou non avec la T3, ainsi que celui de PVN de souris LXRα,ß-/- et sauvages, afin d’identifier des réseaux de gènes régulés par LXR ou TR potentiellement impliqués dans le contrôle central du métabolisme. Les résultats sont en phase d’analyse. Ainsi, la compréhension des dialogues existant entre les RN impliqués dans le métabolisme énergétique et l'identification de leurs gènes cibles augmenteront notre connaissance des mécanismes moléculaires à la base du contrôle de la balance énergétique et ouvriront des perspectives pour l’identification de potentielles molécules cibles de médicaments anti-obésité. Ce travail a également comporté un axe secondaire, dans lequel nous avons orienté nos recherches vers l’étude des effets de l’hypothyroïdisme périnatal sur l’expression des acteurs majeurs dans la signalisation thyroïdienne au niveau central. Nous avons comparé les expressions de ces gènes dans deux régions différentes du cerveau (région hypothalamique et région périventriculaire ZV) en fonction du statut thyroïdien. L’expression des TRs est beaucoup plus faible dans la ZV des NN hypothyroïdiens que chez les euthyroïdiens alors que l’hypothyroïdisme n’affecte que faiblement les niveaux des TRs dans la région hypothalamique. L’expression de la désiodase de type II (Dio2) est plus importante dans la ZV alors que celle de Dio3 est plus importante dans la région hypothalamique, et les expressions des transporteurs MCT8 et OATP1C1 sont semblables dans les deux régions. La capacité de ces zones à répondre à la T3 exogène a été étudiée et nous avons montré que la ZV est plus affectée par l'hypothyroïdisme que la région hypothalamique. Nous avons complété ces résultats par des études de gènes rapporteurs in vivo. Nos résultats ont démontré que les régulations transcriptionnelles induites par la T3 ne peuvent être totalement efficaces dans un environnement hypothyroïdien, du fait de l’impact même de l’hypothyroïdie sur les effecteurs de la signalisation thyroïdienne. Ainsi, au niveau physiologique, nos travaux ont pu mettre en avant l’importance du statut thyroïdien dans la régulation de l’expression de gènes, que ce soit en agissant sur les principaux acteurs de la signalisation thyroïdienne et de la disponibilité en ligand dans le cerveau, ou lors de la régulation transcriptionnelle de Trh et Mc4r par la voie de signalisation de LXR dans une région du cerveau essentielle à l’homéostasie métabolique : les PVNs de l’hypothalamus.

The incidence of metabolic diseases and neurodegenerative disorders is still rising in the western world, presenting a real problem of public health at a high cost. It has thus become crucial to obtain a better understanding of the physiological mechanisms involved in the regulation of metabolism, particularly at the central level, in order to provide interventions to combat the misregulation at the origin of these disorders. Several transcription factors, in particular nuclear receptors (NR) mainly involved in lipid metabolism such as LXRs (Liver X Receptors), seem to be essential in the signalling pathways responsible for metabolic disorders. These receptors are implicated in the regulation of peripheral energy metabolism by controlling the expression of a large number of metabolic genes. Thyroid hormone receptors (TRs), another type of NR, play an overriding role in the control of energy metabolism in the periphery. In fact, thyroid hormones (TH) are known to regulate, at the transcriptional level, every step in cholesterol metabolism. These two types of NR (TR and LXR) interact with one another in the periphery in order to regulate lipid metabolism. Furthermore, peripheral metabolism is regulated at the level of the hypothalamus, known to centrally integrate regulation of metabolism. TR and LXR are expressed in the hypothalamus, they share the same hetereodimeric partner, RXR, and their response elements are highly similar. We therefore proposed the hypothesis that interactions between these two transcription factors can occur in order to coregulate genes and signalling pathways implicated in central control of metabolism, and in particular, in the integration of peripheral signals that indicate the state of energy reserves. Using in vivo gene transfer in the hypothalamus of newborn mice, we have been able to show that LXR activation by its synthetic agonist GW3965 represses transcriptional activity of the Trh and Mc4r promoters, two genes crucial in the central regulation of metabolism. This repression is observed uniquely in euthyroid newborns and thus not in those that are hypothyroid. We therefore explored the importance of the thyroid state in TR/LXR communication. By re-establishing the thyroid state, we restore transcriptional repression of Trh by LXR but not Mc4r. The mechanism of this Trh regulation by LXR was studied by chromatin immunoprécipitation (ChIP), showing that LXR is recruited to the Trh promoter region in the presence of T3. Our results suggest that the LXR signalling pathway could be implicated in the role of the TH and melanocortin pathways in the central control of metabolism. In addition, we have completed these results by studying regulation of the expression of LXR target genes by T3 in the hypothalamus, which confirms the possibility of central interactions between the TH and the LXR pathways. Using RNAseq, we have compared the transcriptome of the paraventricular nucleus (PVN) of mice ICV treated with/without T3, as well as the PVN of LXRα,ß-/- and wild-type mice, in order to identify new gene networks regulated by LXR or TRs, and potentially implicated in the central control of metabolism. These results are still under analysis. Thus, the understanding of the dialogue between NRs implicated in energy metabolism and the identification of their gene targets increase our understanding of the molecular mechanisms underlying the control of the energy balance and provide perspectives for the identification of potential target molecules for anti-obesity treatments. A second axe of this thesis oriented our research towards studying the effect of perinatal hypothyroidism on the expression of major effactors of the central thyroid signalling. We have analysed expression levels of different genes involved in this signalling, comparing two different brain regions (hypothalamus and the periventricular zone, PVZ) as a function of thyroid state. The expression of TRs in the PVZ of hypothyroid newborn mice is much lower than that in euthyroid ones, whilst hypothyroidism only weakly affects TR levels in the hypothalamic region. Expression of type 2 deiodinase (Dio2) is greater in the PVZ, whilst Dio3 expression is greater in the hypothalamic region and the expression of MCT8 and OATP1C1 transporters are similar in the two regions. Moreover, we observed that the capacity of these zones to respond to exogenous T3 is perturbed in a hypothyroid environment, probably due to the differences observed in the expression of the main effectors. Thus, at a physiological level, our work brought to light the importance of the thyroid status on the regulation of gene expression, whether for impacting the main actors of the TH signalling and ligand availability, or regarding Trh and Mc4r transcriptional regulation by LXR signalling.