TD 5 VF - Cours de Licence 3. PDF

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C. BRETON

Physiologie de la Nutrition TD 5 : Hypothalamus et prise alimentaire.

15/03/2017

Relations hypothalamus et le tissu adipeux (schéma), hormonales et nerveuses, et qui permettent par des boucles rétrocontrôles de réguler la prise alimentaire et le métabolisme énergétique. - Décrire la figure (méthodologie, ce qui a été fait), - Résultats, - Interprétation du résultat. Document 1 : La régulation de la PA et de la dépense énergétique est régulée par l’hypothalamus (structure cérébrale). Les premières expériences 1940-1950s qui ont mis en évidence le rôle de l’hypothalamus dans la régulation de la PA se faisaient pas des lésions ou des stimulations de certaines zones. Certains éléments ont suggéré le rôle de l’HT. Ici, deux zones principales : - HMV (Hypothalamus Médio-Ventral), ou HVM (Ventro-Médian), ou Médial. - Aires latérales. Les auteurs ont détruit l’HVM, ils ont observé une hyperphagie et donc l’obésité. L’HMV est donc le centre de la satiété. Les auteurs ont ensuite lésé l’hypothalamus latéral (HL), ou aires latérales de l’Hypothalamus, la souris devient aphagique (pas d’anorexie chez les animaux, seulement chez les humains), voire la mort. Donc l’HL est le centre de la faim. Hypothalamus : ensemble de noyaux qui sont tous plus ou moins impliqués dans la PA. Document 2 : Doc. I : les auteurs ont stimulé par implantation d’électrodes de certaines régions hypothalamiques (HL et HMV), suite à un jeûne de 18 heures, donc statut énergétique négatif. Pour le contrôle sans stimulation : après 18 heures de jeûne, on le remet avec une nourriture à volonté, on observe qu’au cours du temps, elle se jette sur la nourriture et mange beaucoup (plateau 30 minutes) puis reprend une ingestion continue (car les rongeurs, 18 heures de jeûne  3 jours, animaux diurnes mangeant la nuit). Lorsqu’on stimule l’HVM : ingestion alimentaire moins importante par rapport au contrôle. L’alimentation est moindre pendant la 1ère heure puis continue à s’alimenter mais toujours inférieurement au contrôle. Lorsqu’on stimule l’HL : l’ingestion est plus importante : elle continue à manger de façon plus abondante. L’HVM est considéré comme le centre de la satiété, stimulation  augmentation de la satiété donc elle mange moins. Si on stimule HL  centre de la faim, donc on mange plus. Cette expérience a été faite dans les 1950s. Doc. II : Activité des neurones HVM et HL par électrodes (stéréotaxie), on stimule une zone et on regarde l’activité de l’autre. Lorsqu’on stimule l’HL : inhibition de l’activité électrique des neurones du noyau médian. Et inversement, inhibition électrique des neurones de l’HL. Interprétation : activité antagoniste entre les deux noyaux de l’HT, on parle de deux centres opposés. Quand l’un est activé, l’autre est inhibé. Document 3 :

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C. BRETON Physiologie de la Nutrition 15/03/2017 Dans les années 50s toujours, d’autres expériences ont été réalisées sur la compréhension des modèles génétiquement obèses : deux souches de souris, une souche génétique obèse (ob/ob et db/db). Les auteurs suspectaient à cette époque qu’il existe un facteur périphérique (théorie lipostatique) qui donnait des informations à l’HT, de la quantité et glucose et de masse grasse, régulant peut-être la PA. Les auteurs ont donc fait des expériences de parabioses, avec les deux souches de souris ob/ob et db/db et des souris WT. On joint les circulations sanguines des deux animaux. Les animaux sont vivants. Parabiose 1 : le HMV (centre de la satiété)  facteur de satiété périphérique qui circule pour produire la satiété (leptine). Il y a un récepteur à la leptine dans le centre de la satiété, plus particulièrement dans le NA. Les auteurs ont lésé HVM donc le NA, donc enlèvement site de réception de la leptine (facteur de la satiété), qui ne peut plus agir sur l’HT  hyperphagie et obésité. La souris WT arrête de manger car : lorsque le récepteur de fonctionne plus, la production hormonale augmente, car il n’y a plus de rétrocontrôle négatif. Le corps essaie donc de compenser en produisant plus d’hormone, ne sert plus à rien (cas du diabète de type II). La leptine est donc produite en grande quantité, comme c’est un facteur satiétogène, la souris devient obèse, stocke beaucoup et aura beaucoup de leptine  phénomènes qui vont s’additionner (absence de RTcontrôle et la souris WT ayant eu lésion produit beaucoup de leptine par les TA). Le récepteur à la leptine (noyau arqué) et la leptine est produite par le TA  hyperleptinémie. La leptine produite passe dans la circulation chez le WT, baigné par beaucoup de leptine  récepteurs normaux, arrête de manger et meurt. Donc dû seulement à l’hyperleptinémie. Parabiose 2: mutation de la leptine, elle est produite mais non fonctionnelle chez la souris ob (problème conformationnel). La souris ob a une mutation naturelle. La souris ob a le récepteur intègre mais pas la leptine fonctionnelle. Le manque de leptine fonctionnelle de la souris ob est compensé par la leptine de la souris WT. La circulation hormonale de la leptine était coupée en 2 : facteur 2 pas gênant. Parabiose 3 : exactement la (1), sauf que dans la (1), c’est une destruction mécanique, et ici, la db a des récepteurs non fonctionnels (mutations génétiques), voir parabiose 1. Parabiose 4 : la souris db reste obèse car ne dispose pas des récepteurs à la leptine. Cependant, sa surproduction de la leptine agit sur les récepteurs de la souris ob, intègres, donc la surdose de leptine fait arrêter de manger la souris et elle meurt. A cette époque, ni la leptine, ni le récepteur n’était connu. Document 4 : Evolution de la neurobiologie, connaissance de tous les noyaux de l’HT, des facteurs (neuropeptides surtout) impliqués dans la PA. Un des facteurs les plus importants du NA : le Neuropeptide Y. Le NA reçoit d’abord les informations périphériques. Les auteurs ont pris ce NPY et injecté en ICV, dans le IIIème ventricule (stéréotaxie pour orienter l’aiguille), il diffuse et donne sa fonction au niveau de l’HT, 5 injections espacées de 6 heures puis sacrifices de l’animal. On observe qu’après injection du NPY, augmentation de la masse corporelle, de la consommation en nourriture, du poids du tissu blanc adipeux. Le NPY active les voies anaboliques : - Augmente la PA. - Diminue la dépense énergétique périphérique  augmentation du stockage, dans le tissu adipeux blanc et brun.  Lipogénèse : augmentation du stockage en périphérie. Comprendre la relation entre leptine, masse de tissu adipeux et expression de leptine au niveau du cerveau. Document 5 :

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C. BRETON Physiologie de la Nutrition 15/03/2017 Effets du jeûne chez des souris WT à différents âges, vs. Souris ayant libre accès à la nourriture. - Diminution de la [leptine] dans le sérum, quel que soit l’âge. - En parallèle, diminution de l’expression du gène codant pour la leptine, down-regulation, diminution de l’ARNm. - La figure B montre qu’il y a une augmentation du gène codant pour la NPY, avec l’augmentation de l’ARNm au niveau de l’HT.  Le taux de leptine est proportionnel à la masse du tissu adipeux : la souris en 48 heures peut perdre 2535% de son poids, donc de tissu adipeux, donc le taux de leptine sera plus faible. En plus, l’expression est diminuée dans le TA (phénomène transcriptionel). La perte du tissu et adipeux et la down-regulation du gène se compensent, faisant que cela diminue. Au niveau central, augmente le taux de NPY pour induire la faim. La leptine sur son récepteur, induit la voie STAT3, et inhiber le NPY. Quand il y a peu de leptine, il y a donc augmentation du NPY : hypoleptinémie donc augmentation du NPY. Document 6 : Utilisation de souris db/db (B) et sauvages (A), HIS avec une sonde repérant le gène codant pour le gène de la NPY. Les auteurs ont privé les souris de nourriture 48 heures (à jeun) et injection de leptine par ICV. Les auteurs observent l’expression du gène codant pour le NPY. Document A : Après injection de la leptine : aire d’hybridation diminue. En effet, la leptine inhibe le NPY, on mime ainsi un statut énergétique + pour mimer le tissu adipeux. Ceci est donc observé au niveau de l’hypothalamus. Document B : chez la souris db/db, à droite, le taux basal de la souris db/db est largement supérieur à celui observé chez le WT car le récepteur n’est pas fonctionnel, donc la leptine n’a aucun moyen d’inhiber le NPY. Ceci est caractéristique des animaux obèses : surexpression du NPY. En injectant de la leptine chez ces animaux, on ne voit pas de variations car les récepteurs ne sont pas fonctionnels. La souris db/db est hyperphagique car la leptine (hormone satiétogène) ne fonctionne pas, elle ne peut réduire l’expression du NPY  surexpression du NPY, peptide orexigène, plus bloqué par l’hormone satiétogène. Il y a une relation entre masse de TA, leptine et NPY. Peu de TA, peu de leptine et beaucoup de NPY (augmentation de l’expression du NPY). Document 7 : Lorsqu’on augmente le NPY, au niveau du TA. Dans le TA blanc : équilibre entre lipogenèse et lipolyse. La LHS clive les TGs. La LHS est active quand elle est phosphorylée. Elle est phosphorylée par l’action de la PKA, activée par le taux d’AMPc, venant de l’ATP, modifié en AMPc par l’AC (schéma). Sur l’adipocyte, on trouve un récepteur à la NorA B3. Quand le SNO à la NorA est activé, la NorA se fixe sur son récepteur B3, stimule la transduction et entraine la lipolyse (schéma). L’activation du SNO conduit à la lipolyse. L’activité physique ou le stress active également le SNO et induit la lipolyse. Il existe une relation nerveuse entre hypothalamus et tissu adipeux blanc, modulant l’équilibre entre lipogenèse et lipolyse, via le SNO. Lorsque le NPY est produit en grande quantité dans le NA, travaillent sur souris anesthésié, étudie un nerf sympathique du tissu adipeux (fortement innervé). Les auteurs ont injecté du NPY en ICV et ont observé l’effet sur l’activité du système nerveux sympathique, innervant le tissu adipeux, diminuant de l’activité du nerf après injection. En injectant en ICV une solution contrôle : basal. En injectant du NPY, on inhibe l’activité du SNO, exactement la même chose B. Lorsqu’on a beaucoup de NPY, lorsqu’il est produit, augmente le stockage et diminue la dépense énergétique, donc inhibe le SNO. Le SNO joue un

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C. BRETON Physiologie de la Nutrition 15/03/2017 rôle dans le contrôle de la lipolyse (via phosphorylation LHS), la lipogenèse est favorisée. Chez les souris ob/ob, la régulation du SNO n’est pas. L’activité du SNO est modulée par le NA, qui envoie un message au NTS. La souris est à jeun, pas beaucoup de TA et donc peu de leptine, cela augmente le NPY, donc l’animal augmente sa PA et va envoyer un signal pour inhiber le SNO, inhiber la lipolyse et favoriser la lipogenèse, stockage pour restaurer sa masse. Inversement pour un animal obèse qui ne mangera pas et qui ne va pas stocker. Document 8 : On regarde l’activité de la LPL en conditions normales et après injection de NPY en ICV pour mimer l’augmentation du NPY au niveau du noyau arqué. L’activité de la LPL est beaucoup plus importante : le NPY augmente l’expression de la LPL. La LPL est # de la LHS, est une lipase produite par les adipocytes, exportée au niveau des capillaires pour exporter des chylomicrons, elle va cliver le TGs pour donner les AGs libres et TG, et les AGs libres entrent dans les adipocytes. L’adipocyte produit une estérification, mono-, di-, TGs. C’est la preuve que quand le NPY est quantitativement important (faible leptine), cela inhibe la lipolyse, active la lipogenèse, active le LPL, favorise le stockage. Le SNO et la lipolyse sont inhibés par le NPY lorsqu’il est en grande quantité. En parallèle, la lipogenèse est activée. La LPL et LPH sont toutes les deux produites par les adipocytes mais seule la LPL est exportée en dehors des tissus adipeux (exportation au niveau des capillaires), pour réaliser la lipogenèse. Quand le taux de leptine circulant est faible, cela signifie que le taux de tissu adipeux est faible. Document 9 : En cas d’obésité, appliqué à l’Homme et plus chez le rat. Plus l’IMC est élevé, plus la quantité de masse grasse est importante, pas totalement le cas. Il s’agit d’une relation linéaire entre ces deux paramètres. Plus il y a de tissu adipeux, plus il y a de leptine. Chez les gens d’obésité importante, s’installent des phénomènes d’hyperphagie, mais leur taux de leptine est important, comme cela est possible ? La résistance à l’insuline dans le cadre d’un DTII, hyperinsulinémie et hyperglycémie. La résistance à l’insuline peut être due à la voie de signalisation du récepteur qui est altérée. Ici, il se met en place une résistance pour la leptine, lorsqu’il y a trop de leptine et que l’on prend trop de poids : le système d’homéostasie ne fonctionne plus. L’hormone satiétogène ne fonctionne plus. La leptine a du mal à arriver au niveau du récepteur du noyau arqué, 90% des récepteurs à la membrane sont dans des cellules (~phénomène de désensibilisation : mécanismes, lorsque l’hormone se fixe sur le récepteur, pour arrêter la transduction du signal le récepteur est endocyté, et ici, le récepteur n’est plus sensible à l’hormone, et ensuite le récepteur remonte pour se remettre à la membrane. Dans ce cas, la désensibilisation est constante, c’est-à-dire que le récepteur ne revient plus à la membrane), certains facteurs circulants bloquent la voie de transduction Jak2/STAT3.). La majorité des personnes obèses sévères sont résistantes à la leptine. Document 10 : Mélanocortines et obésité. Cf. texte. La POMC est exprimée dans les cellules corticotropes de l’adénohypophyse. Un précurseur est une protéine qui en son sein a des peptides biologiques actifs, qui doivent être clivés du précurseur (maturation) pour être actifs. La maturation se fait grâce à des enzymes : PC ou proconvertase ou pro-hormone convertase, enzyme (5 différentes) qui vont cliver à des endroits précis : des doublets d’acides aminés basiques (arginine – lysine (A – L), …). Au sein du précurseur, un certain nombre de ces doublets d’AA sont basiques. Les PC peuvent aller couper ces doublets d’AA basiques. La maturation différentielle : certains précurseurs sont exprimés dans plusieurs tissus différents, mais le clivage sera différent et génère des peptides différents, car les enzymes utilisées seront différentes selon les tissus : à la base du même précurseur. Le POMC est un précurseur exprimé dans plusieurs tissus/organes : noyau arqué. Historiquement, elle a été découverte au niveau de cellules appelées mélanocytes, cellules spécialisées dans la production de pigments (mélanines, plus d’une 30aines de types différents), caractérisée dans un premier temps chez les poissons (téléostéens, truites et poissons notamment). La POMC subit une maturation et produit de l’a-MSH, peptide de 13 AA, a-Melanocyte Stimulating Hormone.

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C. BRETON Physiologie de la Nutrition 15/03/2017 Au niveau de la peau (tégument des poissons), on trouve l’a-MSH. Chez les vertébrés supérieurs incluant l’Homme, on trouve également ces mélanocytes. Chez les animaux, on les trouve également au niveau du follicule pileux, comportant des cellules mélanocytes, produisant des mélanines pour la couleur des cheveux ou des poils (chez les rongeurs par ex.). Au niveau des mélanocytes des follicules pileux : a-MSH produite. La POMC est produite également au niveau des cellules de l’hypophyse antérieure (cellules corticotropes : axe du stress), produisant de l’ACTH (peptide de 39 AA). L’a-MSH produite au niveau de la peau est une ACTH coupée en deux : 13ers AA de l’ACTH, avec le CLIP. La POMC est enfin produite également au niveau du noyau arqué pour donner également l’a-MSH. Les récepteurs aux mélanocortines : tous ces récepteurs (les 5) sont codés par des séquences différentes, ce sont des sous-types de récepteurs, chaque récepteur a une expression particulière (tableau). MC1-R : mélanocytes ; MC2-R : Récepteur à l’ACTH, agissant au niveau de la glande surrénale, MC4-R : dans l’hypothalamus, au-dessus du NA, liant l’a-MSH. Document 11 : Lorsque l’a-MSH est en grande quantité dans le NA, cela active les voies cataboliques, c’est un peptide anorexygène. Document 5 : En regardant l’expression de la POMC, on obtiendrait alors une baisse d’expression de la POMC, donc baisse de production de l’a-MSH. Quand le statut énergétique est négatif, on a peu de leptine, donc on inhibe la POMC car on inhibe les voies cataboliques, au profit des voies anaboliques. Quand l’un est activé, l’autre est inhibé. Chaque partie du NA est régulée par le taux de leptine. Si la leptine se trouve au-dessus du seuil (statut énergétique +), diminution de la PA et augmentation de la PA donc activation des voies cataboliques. Document 12 : On injecte en ICV un agoniste, appelé MT-II, il mime l’action de l’a-MSH pour regarder ce qu’il se passe lorsqu’on augmente la [a-MSH] dans l’hypothalamus sur l’activité électrique du nerf sympathique innervant le tissu adipeux. Plus l’a-MSH est injecté en []° croissantes, plus l’activité du nerf augmente. Cela signifie que ça active la lipolyse. MT-II : a-MSH synthétique. Avec MT-II seule : activation, avec MT-II + antagoniste : bloque, donc prouve que cela passe par un récepteur. L’antagoniste n’est pas sélectif pour 3 ou 4, donc peut passer pour 3 et 4 mais surtout 4. L’a-MSH agit sur l’HT via le 4. Document 13 : AMPc, relatif à l’ATP, donc récepteur. L’a-MSH va apparemment agir sur un récepteur de cette famille pour activer l’AMPc. L’a-MSH a un rôle sur ces deux tissus, en agissant sur un récepteur. Document 14 : Yellow : souris obèse aux poils jaunes. Cette souris, y/y. Il existe des souris sauvages ayant un poids « normal » avec un pelage brun/noir. On joue avec la couleur du poil et le poids d’animal. Il existe des souches appelées « agouti » (ag/ag) : le poids de la souris est « normal » et la souris présente un pelage zébré (bandes brunes/jaunes sur les poils). Dans cette souche de souris, les scientifiques ont mis en évidence une protéine appelée agouti, exprimée dans les mélanocytes du follicule pileux. Document 15 : La protéine agouti fait 131 AA, produite dans le follicule pileux. Dans le mélanocyte, la POMC est produite, elle produit l’a-MSH de façon autocrine, se fixant sur un récepteur de type I transmembranaire, activant la voie de l’AMPc. Cela favorise la synthèse d’une catégorie de mélanine : e-mélanine, mélanines plutôt brunes ou noires. Chez

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C. BRETON Physiologie de la Nutrition 15/03/2017 l’animal et l’Homme, ce système fonctionne tout le temps. Chez la souris « agouti », la protéine agouti est seulement produite de façon cyclique, selon la mutation. Lorsqu’elle est produite, elle se fixe sur le récepteur de type I pour l’antagoniser : seules les phaéomélanines (jaune). L’aspect zébré traduit le fait que cela est cyclique. Pour la souris y/y (yellow) : a un pelage entièrement jaune et sont obèses, car la protéine agouti est produite tout le temps, c’est tout le temps la voie de phaéomélanines qui est activée. Chez cette souris, la protéine agouti est exprimée de façon ubiquitaire, donc dans tous les tissus, donc l’hypothalamus, où elle va antagoniser le récepteur MC4-R. La voie catabolique est ainsi constamment bloquée et seule la voie anabolique fonctionne : bloque totalement la voie des mélanocortines et l’a-MSH, favorisant leur surpoids/obésité sévère. Si on invalide juste le récepteur de type 4 de l’hypothalamus, la souris sera obèse/surpoids + brune/noire. Il existe un peptide s’appelant AGRP, 50 aa, co-exprimé avec les neurones NPY, mais deux gènes #. AGRP n’est pas la protéine agouti, c’est un autre gène. Elle a été appelée AGRP car ce peptide a beaucoup d’homologies avec la protéine agouti. L’AgRP est un antagoniste naturel des récepteurs de type IV. Il est produit tout le temps, en endogène, dans le NA. Son expression dépend des statuts énergétiques. Quand la partie est NPY est activée, ça active AgRP également pour inhiber la voie des mélanocortines et donc inhiber les voies cataboliques. CART et POMC proviennent de 2 gènes différents, CART est un peptide de 120 aa, très peu étudié. Document 15 : Cas cliniques. 2 cas cliniques, présentant une prise de poids exacerbée et obésité très rapide. Ces deux enfants ont les cheveux rouges et des problèmes au niveau de la glande surrénale (hyp...