Consequences of autophagy manipulation on liver metabolism and atherosclerosis progression

L’autophagie est un processus de recyclage cellulaire au cours duquel des composants intracellulaires sont adressés aux lysosomes pour être dégradés. Des défauts d’autophagie ont été observés dans de nombreuses pathologies, désignant ce processus comme une cible thérapeutique potentielle. Néanmoins, des résultats divergents ont été observés quant à la modulation de l’autophagie dans le cadre pathologique. Dans ce contexte, mon projet de thèse s’organise autour de deux principaux objectifs : 1. Évaluer les effets d’un défaut d’autophagie sur le métabolisme du foie en utilisant un modèle d’inactivation hépatique de la phosphatidylinositol 3-kinase de classe 3, VPS34. 2. Déterminer le potentiel d’une activation chronique de l’autophagie, induite par jeûne intermittent (Intermittent Fasting, IF), dans la prévention du développement de l’athéroclérose. 1. VPS34 contrôle le trafic vésiculaire en produisant du phosphatidylinositol-3-monophosphate. Aussi, VPS34 contribue à la formation de complexes multi-protéiques impliqués dans l’endocytose et/ou l’autophagie. Chez la souris, des résultats obtenus sur des modèles de délétion hépatique de VPS34 laissent envisager que cette kinase pourrait constituer une cible thérapeutique prometteuse pour certaines pathologies comme la stéatose hépatique et le carcinome hépatocellulaire. Cependant, dans ces modèles, l’expression des partenaires de VPS34 est également fortement diminuée suggérant que les phénotypes observés ne peuvent être entièrement attribués à la fonction de VPS34. Afin d’étudier le rôle spécifique de VPS34 dans la fonction hépatique et l’homéostasie systémique, nous avons généré un modèle murin original, VPS34-LIN, dans lequel les animaux expriment dans le foie une forme inactive de VPS34. Nous montrons que cette inactivation induit un défaut d’endocytose et d’autophagie, sans affecter l’expression des partenaires d’interaction de VPS34. En outre, les animaux VPS34-LIN présentent à 8 semaines d’âge une hépato-splénomégalie, une hypercholestérolémie, ainsi qu’un phénotype hépatique pro-fibrotique et pro-inflammatoire. De manière intéressante, l’inactivation hépatique de VPS34 altère la réponse adaptative au jeûne, en diminuant la stéatose hépatique induite par le jeûne et en augmentant les taux circulants de glucose et de corps cétoniques, par des mécanismes impliquant le catabolisme lipidique et la fonction mitochondriale. Ces résultats indiquent que l’inactivation de VPS34 dans le foie est délétère pour l’intégrité hépatique et l’homéostasie systémique. 2. Dans un deuxième temps, nous avons utilisé le modèle murin athérogène Apoe-/- afin de déterminer l’impact de l’IF sur l’athérosclérose, et ce en fonction du sexe et du régime alimentaire. Durant l’IF, les souris Apoe-/- mâles et femelles ont accès illimité à la nourriture un jour sur deux, et ce pendant 16 semaines à partir de 8 semaines d’âge. Les souris ont été nourries avec un régime standard (Chow Diet, CD), ou un régime riche en lipides (High Fat and high Cholesterol Diet, HFCD). Sous CD, nous avons observé que l’IF réduit les taux plasmatiques de triglycérides (TGs) indépendamment du sexe, mais entraîne une réduction du gain de poids uniquement chez les mâles. À l’inverse, l’IF exacerbe l’accumulation plasmatique et hépatique de TGs chez les souris sous HFCD. De façon intéressante, nous montrons que l’IF réduit la taille de la plaque d’athérome chez les mâles et femelles sous CD alors qu’il n’a pas d’effet sur la lésion athéromateuse chez les animaux sous HFCD . En conclusion, l’IF améliore la dyslipidémie et le développement de l’athérosclérose de manière indépendante du genre uniquement sous régime CD. L’efficacité de l’IF dans le cadre du développement de l’athérosclérose pourrait donc dépendre du comportement nutritionnel. En résumé, mes travaux soulignent les précautions qui doivent être prises quant à l’utilisation clinique d’activateurs ou d’inhibiteurs de l’autophagie.)Autophagy is a cellular recycling process by which intracellular components are targeted to lysosomes for degradation. A default in autophagy has been reported in several pathologies, highlighting this process as a potential therapeutic target. However, discrepancies were reported among models of inactivation or induction of autophagy. Thus, additional studies are needed to further define the consequences of the regulation of autophagy level, in particular in the pathological environment. In this context, my thesis project focused on two main objectives: 1. Uncover the effects of autophagy failure upon liver metabolism and homeostasis, by inactivating hepatic class III phosphatidylinositol 3-kinase, VPS34. 2. Evaluate the relevance of sustained induction of autophagy, through intermittent fasting (IF), in the prevention of atherosclerosis development. 1. The class III PI3K VPS34 controls vesicular trafficking by producing phosphatidylinositol-3-monophosphate. Additionally, VPS34 has a scaffolding role in the assembly of multi-protein complexes with specific functions as endocytosis and/or autophagy. Studies of liver-specific VPS34 deletion have emphasized this protein as a new therapeutic target in the treatment of diseases such as NAFLD and hepatocellular carcinoma. However, in these models, the loss of VPS34 expression induces a dramatic reduction of proteins that form VPS34 complexes, suggesting that phenotypic effects should not be attributed only to VPS34 function. To uncover the specific role of VPS34 in hepatic integrity and organismal homeostasis, we generated an original mouse model we called VPS34-LIN, in which endogenous liver VPS34 is converted to a kinase domain truncated protein. We found that this inactivation leads to a defect in autophagy and endocytosis, without affecting the expression of VPS34 binding partners. Furthermore, VPS34 inactivation leads to hepatomegaly without hepatic steatosis. Interestingly, at 8 weeks after birth, VPS34-LIN mice present a hepatosplenomegaly, a hypercholesterolemia, as well as liver fibrosis and inflammation. In addition, we show that hepatic VPS34 inactivation impairs fasting-induced hepatosteatosis by a mechanism involving an increase in hepatic lipid catabolism and mitochondria function. Hepatic VPS34 inactivation also potentiates fasting-induced gluconeogenesis and cetogenesis, resulting in elevated plasma glucose and ketone bodies. Together, these results demonstrate deleterious consequences of hepatic VPS34 inactivation toward liver integrity and organism homeostasis. 2. In a second time, we used atherosclerosis-prone Apoe?/? mice to explore the relevance of intermittent fasting (IF) as a non-drug therapy in the prevention of atherosclerosis, taking into account the impact of sex and diet. The IF protocol used was an every-other-day fasting regimen in which male or female mice had free access to food only on alternate days over 16 weeks from 8 weeks of age. During this period, mice were fed either standard chow diet (CD) or high fat and high cholesterol diet (HFCD). First, under CD, IF reduces body weight of males while it lowers plasma triglycerides levels independently from sex. In contrast, in HFCD-fed mice, IF exacerbates triglycerides accumulation in the plasma and the liver. Interestingly, IF regimen markedly decreases atherosclerotic lesions in male and female CD-fed mice. In conclusion, intermittent fasting is effective in reducing hyperlipidemia and spontaneous atherosclerosis progression in Apoe-/- mice, independently of sex. Conversely, IF is detrimental when mice were challenged with atherogenic diet. Thus, the effectiveness of IF against atherosclerosis progression might vary according to nutritional behavior. Collectively, the results of my thesis highlight that caution should be undertaken when using autophagy manipulation approaches in the context of metabolic and cardiovascular diseases.

Liraglutide improves hepatic steatosis and metabolic dysfunctions in a 3-week dietary mouse model of nonalcoholic steatohepatitis: Liraglutide efficacy in a novel NASH model

International audienceNonalcoholic steatohepatitis (NASH) is an emerging health problem worldwide. However, efficacious pharmacological treatment for NASH is lacking. A major issue for preclinical evaluation of potential therapeutics for NASH is the limited number of appropriate animal models, i.e., models that do not require long-term dietary intervention and adequately mimic disease progression in humans. The present study aimed to evaluate a 3-wk dietary mouse model of NASH and validate it by studying the effects of liraglutide, a compound in advanced clinical development for NASH. C57BL6/J mice were fed a diet high in fat (60%), cholesterol (1.25%), and cholic acid (0.5%), along with 2% hydroxypropyl-β-cyclodextrin in drinking water (HFCC-CDX diet). Histological and biological parameters were measured at 1 and 3 wk. After 1-wk diet induction, liraglutide was administrated daily for 2 wk and then NASH-associated phenotypic aspects were evaluated in comparison with control mice. Prior to treatment with liraglutide, mice fed the HFCC-CDX diet for 1 wk developed liver steatosis and had increased levels of oxidative-stress markers and hepatic and systemic inflammation. For mice not treated with liraglutide, these aspects were even more pronounced after 3 wk of the dietary period, with additional liver insulin resistance and fibrosis. Liraglutide treatment corrected the diet-induced alterations in glucose metabolism and significantly reduced hepatic steatosis and inflammation. This study provides a novel 3-wk dietary model of mice that rapidly develop NASH features, and this model will be suitable for evaluating the therapeutic efficacy of compounds in preclinical drug development for NASH.NEW & NOTEWORTHY We propose a diet high in fat (60%), cholesterol (1.25%), and cholic acid (0.5%) along with 2% hydroxypropyl-β-cyclodextrin in drinking water (HFCC-CDX diet) as a new dietary model of nonalcoholic steatohepatitis. We used the HFCC-CDX model to reproduce the main features of disease development in humans for the purpose of facilitating the rapid screening of drug candidates and prioritizing the more promising candidates for advanced preclinical assessment and subsequent clinical trials