Bile acids and the regulation of metabolic homeostasis : role of their receptor Farnesoid X Receptor (FXR) in the pancreatic beta cell : variation of bile acid pool after Roux-en-Y Gastric Bypass bariatric surgery
Les acides biliaires et la régulation de l’homéostasie métabolique : rôle du récepteur Farnesoid X Receptor (FXR) dans la cellule bêta-pancréatique : variation du pool des acides biliaires et chirurgie bariatrique Roux-en-Y Gastric Bypass
Résumé
Bile acids (BAs) are molecules produced in the liver, stored in the gallbladder, secreted into the intestine and returning to the liver via the enterohepatic circulation. A fraction of BAs escapes the reuptake by the liver and enters the systemic circulation, by which they reach the peripheral organs including the pancreas. Besides their function in facilitating the intestinal absorption of lipids, BAs are signaling molecules that act through receptors for BAs, which are expressed in the key tissues for metabolic regulation, and whose modulation by BAs contribute to regulate energy homeostasis. Thus, variations in the composition of the BAs pool determine the modulation of metabolism via their receptors. The BA-receptor Farnesoid-X receptor (FXR) is involved in the regulation of glucose, lipid and BA metabolism by its action in the liver, intestine, adipose tissue and pancreas. Whole body FXR deficient mice are glucose intolerant and insulin resistant in liver and peripheral tissues, whereas in a context of obesity, FXR deficiency rather improves these parameters. Furthermore, FXR is expressed in the pancreatic beta cell (bcell), where it regulates the synthesis and the secretion of insulin, but the molecular mechanisms have not been fully elucidated yet. To understand 1) the contribution of FXR bcell in the metabolic phenotype of the total FXRKO-mouse, and 2) the molecular mechanisms of the regulation of insulin production by FXR in the bcell, I developed a mouse model invalidated for FXR specifically in the bcell by the Cre-loxP strategy. The development of the model showed nonspecific recombination phenomena, and I developed a genotyping strategy to overcome this problem. To highlight the phenotype of the FXRKObcell mouse I tested various metabolic contexts (standard and high fat diet, fasting and refeeding conditions, circadian variations). Compared to control, FXRKO-bcell mice developed glucose intolerance and has lower insulinémia, defects increased by a high fat diet. The global transcriptomic analysis in the islets identified a set of microRNA strongly deregulated by invalidating FXR in the bcell, which could explain the dysfunctions in insulin secretion. Besides the modulation of the activity of the receptors, metabolic effects can be obtained by varying the composition of the pool of their ligands BAs. Thus, metabolic perturbations (such as insulin resistance and type 2 diabetes, obesity) are associated with qualitative and/or quantitative variations in the BA pool. In addition, variations of the BAs pool are associated to the metabolic improvement that precedes the weight loss after the surgical practice of Roux-en-Y Gastric Bypass (RYGB), which suggests that the BAs can be among the actors of the ‘weight loss-indipendent’ beneficial metabolic effects of RYGB. To investigate this hypothesis, some preclinical models of RYGB have been developed. During my thesis I compared the pool of BAs pre and post RYGB among three species (rat, pig and human; Coll. Prof. F. Pattou and Dr. E.Osto) with the aim of assessing which preclinical model is most suitable for these studies in terms of characteristics of the BAs pool. In a second study, I focused on the causes and mechanisms underlying the increased concentrations of circulating BAs induced by RYGB. In the model of minipig (coll. Pr. F. Pattou), the analysis of the plasma BA pool composition and the hepatic gene expression before and after RYGB, allowed to show that changes in the hepatic function are - at least in part - responsible for the increase of the BA pool following RYGB.
Les acides biliaires (ABs) sont des molécules produites dans le foie, stockées dans la vésicule biliaire, sécrétées dans l’intestin et retournant au foie via le cycle entéro-hépatique. Une fraction des ABs échappe à la recaptation par le foie et passe dans la circulation systémique par laquelle ils atteignent les organes périphériques dont le pancréas. Outre leur fonction de faciliter l’absorption intestinale des lipides, les ABs sont des molécules de signalisation qui agissent via les récepteurs aux ABs, exprimés dans les tissu clés de la régulation du métabolisme, et dont la modulation par les ABs contribue à réguler l’homéostasie énergétique. Ainsi des variations dans la composition du pool d’ABs peuvent déterminer la modulation du métabolisme via leurs récepteurs.Le récepteur aux ABs Farnesoid-X-receptor (FXR) est impliqué dans la régulation du métabolisme glucidique, lipidique et des ABs par son action dans le foie, l’intestin, les tissus adipeux et le pancréas. La souris déficiente pour FXR dans le corps entier présente une intolérance au glucose et une insulino-résistance dans le foie et dans les tissus périphériques, alors que dans un contexte d’obésité la déficience de FXR améliore ces paramètres. De plus, FXR est exprimé dans la cellule bêta-pancréatique (bcell) où il régule la synthèse et la sécrétion d'insuline, mais les mécanismes moléculaires n’ont pas été complètement élucidés. Pour comprendre 1) la contribution de FXR bcell dans le phénotype métabolique de la souris FXRKO-total, et 2) les mécanismes moléculaires de la régulation de l’insuline par FXR dans la bcell, j’ai développé un modèle murin invalidé pour FXR spécifiquement dans la bcell par la stratégie Cre-LoxP. Le développement du modèle a mis en évidence des phénomènes de recombinaison non-spécifiques et j’ai mis au point une stratégie de génotypage permettant de pallier à cette problématique. J’ai testé différents contextes métaboliques permettant de mettre en évidence le phénotype de la souris FXRKObcell (régime standard et riche en graisses, conditions de jeûne et re-nourriture, variation circadienne). Par rapport au contrôle, la souris FXRKO-bcell développe une intolérance au glucose et présente des insulinémies plus basses, défauts majorés par un régime riche en graisses. L’analyse transcriptomique globale des îlots a permis d’identifier un ensemble de microRNA fortement dérégulés par l’invalidation de FXR bcell qui pourraient expliquer les dysfonctions de sécrétion d’insuline.Outre la modulation de l’activité des récepteurs, des effets métaboliques peuvent être obtenus en modulant la composition du pool de leurs ligands, les ABs. Ainsi, des perturbations métaboliques (comme l’insulino-résistance et le diabète de type 2, l’obésité) sont associées à des variations qualitative et/ou quantitative du pool d’ABs. De plus, des variations du pool d’ABs accompagnent les améliorations métaboliques qui suivent la pratique chirurgicale de Roux-en-Y Gastric Bypass (RYGB) avant la perte de poids, ce que suggère que les ABs puissent être parmi les acteurs des effets métaboliques bénéfiques indépendants de la perte de poids. Pour étudier cette hypothèse, des modèles précliniques de RYGB ont été développés. Au cours de ma thèse j’ai comparé le pool d’ABs pre et post RYGB entre trois espèces (rat, cochon et Homme ; coll. Pr. F. Pattou et Dr. E. Osto) avec l’objectif d’évaluer quel modèle préclinique est le plus approprié pour ces études en termes de caractéristiques du pool d’ABs. La deuxième étude concerne la recherche des causes et mécanismes sous-jacents à l’augmentation des concentrations en ABs circulants induits par le RYGB. Dans le modèle de minipig (coll. Pr. F. Pattou), l’analyse de la composition des pool d’ABs circulants et d’expression génique dans le foie avant et après RYGB, a permis de montrer que des changements de la fonction hépatique sont - au moins en partie - responsables de l’augmentation dans le pool d’AB qui suit le RYGB.
Origine : Version validée par le jury (STAR)