Metabolic utilization of dietary carbohydrates in lean and fat lines of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss)

L objectif de la thèse était d'identifier s il existait des différences d utilisation digestive et métabolique des glucides alimentaires entre deux lignes de truite sélectionnées pour leur teneur divergente en lipides intramusculaires: la lignée maigre (L) à faible taux de lipides dans le muscle et la lignée grasse (F) à teneur élevée de lipides musculaires. Dans ce but les deux lignées ont été nourries avec deux aliments, un contenant des glucides alimentaires (20% d amidon), l autre ne contenant pas. Chez les deux lignées, la présence d amidon dans les régimes n a pas eu d effets sur la croissance, a été associée à une épargne protéique, et a provoqué une hyperglycémie postprandiale modérée, en induisant les acteurs impliqués dans la signalisation cellulaire (TOR/AMPK). Aucune différence entre les deux lignées n a été observée pour la digestion de l'amidon, le niveau d expression des gènes codant les transporteurs de glucose dans l intestin, la glycémie postprandiale et l'utilisation périphérique du glucose (muscle et tissu adipeux). Par contre, la lignée F se caractérise par une croissance et une efficacité alimentaire plus faibles, des capacités plus élevées de stockage du glucose sous forme de glycogène hépatiques et de lipogenèse (sans impact sur l utilisation des glucides) et un métabolisme lipidique spécifique (plus faible catabolisme des acides gras, plus fortes capacités à synthétiser des chylomicrons et à bio-convertir des acides gras). Dans une seconde étude, le remplacement de l'huile de poisson de l aliment par un mélange d'huiles végétales a supprimé la plupart des différences moléculaires observées précédemment entre les deux génotypes. Toutefois, l apport de glucides alimentaires a alors entrainé des modifications métaboliques au niveau intestinal et hépatique avec, par exemple, l induction des capacités moléculaires de bioconversions des acides gras. Globalement, nos données ont donc démontré qu il existait des différences métaboliques importantes entre les deux lignées mais que cela n aboutissait pas à une meilleure utilisation des glucides alimentaires. En outre, nos travaux soulignent l'importance de la composition des aliments dans les réponses' des différents génotypes de poissons.The aim of the thesis was to characterise the differences in digestive and metabolic utilisation of dietary carbohydrates between two lines of rainbow trout divergently selected for muscle fat content (Fat-F and Lean-L), when fed diets with (20%) or without gelatinised starch. In both lines, starch intake did not adversely affect growth, resulted in a moderate postprandial hyperglycemia, enhanced protein/lipid retention and a distinct intracellular signalling pattern in the liver involving the energy sensor AMPK and nutrient sensor TOR-S6. No difference between the two lines was observed for the apparent digestibility of starch, the mRNA levels of genes encoding glucose transporters in the intestine, regulation of postprandial glycemia and utilisation of glucose in the peripheral tissues (muscle and adipose tissue). However when compared to the L line, the F line was characterised by lower growth and feed efficiency; better capacity to store excess glucose as indicated by higher glycogen levels and mRNA levels of lipogenic markers in the liver (with no impact on glucose homeostasis); and a specific lipid metabolism (a greater potential to synthesise chylomicrons and to bioconvert fatty acids, coupled with a lower potential to oxidise fatty acids). In a separate study, replacement of fish oil in the diet with a blend of vegetable oils was found to suppress most of the molecular differences previously observed between the two genotypes. Starch intake under the vegetable oil diet regime led to different metabolic changes in the intestine and liver, for example, elicited a higher transcriptional response of key desaturase and elongase enzymes in both lines. Overall, our data demonstrated the existence of significant metabolic differences between the two trout lines, but it did not lead to better utilisation of dietary carbohydrates. In addition, our work highlights the importance of diet composition in the growth and metabolic response of different genotypes of fish.PAU-BU Sciences (644452103) / SudocSudocFranceF

The Autophagic Flux Inhibitor Bafilomycine A1 Affects the Expression of Intermediary Metabolism-Related Genes in Trout Hepatocytes

Autophagy is an evolutionarily conserved process of cellular self-eating which emerged these last years as a major adaptive metabolic response to various stresses such as fasting, hypoxia, or environmental pollutants. However, surprisingly very few data is currently available on its role in fish species which are directly exposed to frequent environmental perturbations. Here, we report that the treatment of fasted trout hepatocytes with the autophagy inhibitor Bafilomycine A1 lowered the mRNA levels of many of the gluconeogenesis-related genes and increased those of genes involved in intracellular lipid stores. Concurrently, intracellular free amino acid levels dropped and the expression of the main genes involved in the endoplasmic reticulum (ER) stress exhibited a sharp increase in autophagy inhibited cells. Together these results highlight the strong complexity of the crosstalk between ER, autophagy and metabolism and support the importance of considering this function in future studies on metabolic adaptation of fish to environmental stresses

The Metabolic Consequences of Hepatic AMP-Kinase Phosphorylation in Rainbow Trout

AMP-activated protein kinase (AMPK), a phylogenetically conserved serine/threonine protein kinase, is proposed to function as a “fuel gauge” to monitor cellular energy status in response to nutritional environmental variations. However, in fish, few studies have addressed the metabolic consequences related to the activation of this kinase. This study demonstrates that the rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) possesses paralogs of the three known AMPK subunits that co-diversified, that the AMPK protein is present in the liver and in isolated hepatocytes, and it does change in response to physiological (fasting-re-feeding cycle) and pharmacological (AICAR and metformin administration and incubations) manipulations. Moreover, the phosphorylation of AMPK results in the phosphorylation of acetyl-CoA carboxylase, a main downstream target of AMPK in mammals. Other findings include changes in hepatic glycogen levels and several molecular actors involved in hepatic glucose and lipid metabolism, including mRNA transcript levels for glucokinase, glucose-6-phosphatase and fatty acid synthase both in vivo and in vitro. The fact that most results presented in this study are consistent with the recognized role of AMPK as a master regulator of energy homeostasis in living organisms supports the idea that these functions are conserved in this piscine model

Nutrient-gene interactions in fish

Résumé communication orale invitéeInternational audienc

Nouvelles stratégies alimentaires pour une meilleure adaptation des poissons aux nouveaux aliments : exemple avec les glucides

Session NutritionNational audienc

Rôle des acides aminés dans la régulation de l'expression des gênes hépatiques du métabolisme intermédiaire chez la truite arc-en-ciel (Oncorhynchus mykiss)

Ce travail de thèse avait pour objectif d étudier la régulation de l expression des gènes du métabolisme intermédiaire par les acides aminés alimentaires dans le foie de truite arc-en-ciel. Ces études ont permis de caractériser, pour la première fois dans le foie de truite, les principaux acteurs de la voie de signalisation Akt/TOR et leurs régulations. Nos résultats in vitro montrent qu un mélange d acides aminés, seul ou avec l insuline, est capable de réguler l expression de nombreux gènes impliqués dans la lipogenèse, la néoglucogenèse et la glycolyse. Les régulations observées en présence conjointe d un mélange d acides aminés et d insuline semblent être, pour la plupart, dépendantes de la voie TOR. Par la suite, nous avons étudié l effet de certains acides aminés comme la leucine (connue pour son effet signal ) ainsi que la lysine et la méthionine (souvent ajoutées dans les aliments piscicoles riches en matières premières végétales afin d atteindre l équilibre en acides aminés). En présence d insuline, la leucine, contrairement à la lysine et la méthionine, active la voie de signalisation TOR et régule l expression de certains gènes (néoglucogenèse et lipogenèse) de façon similaire à un mélange d acides aminés. Parallèlement, in vivo, nous avons étudié la régulation de l expression des gènes du métabolisme intermédiaire lors d un remplacement partiel ou total des huiles et farines de poisson par des produits végétaux dans l aliment piscicole. Cette expérimentation a montré que, ni les voies de signalisation Akt/TOR, ni l expression des gènes cibles ne sont affectés par ces nouveaux aliments. En conclusion, ces travaux ont montré que les acides aminés semblent jouer un rôle important dans la régulation de l expression des gènes hépatiques du métabolisme intermédiaire chez la truite arc-en-ciel.The objective of my PhD was to characterize the regulation of the intermediary metabolism related gene expression by dietary amino acids in the liver of rainbow trout. This work allowed us to characterize, for the first time in the liver of trout, the main proteins of the Akt/TOR signalling pathway and their regulations. In vitro results showed that a mixture of amino acids, in the presence or absence of insulin, is able to regulate the expression of numerous genes involved in lipolysis, gluconeogenesis and glycolysis. Such regulations induced by an amino acid mix together with insulin appear to be, at least partly, TOR-dependent. Afterwards, I studied the effect of specific amino acids known to be a signalling molecule (leucine) or having potential application as supplements to reach essential amino acid balance in plant ingredients-rich diet (lysine and methionine). In the presence of insulin, leucine, in contrast to lysine and methionine, is able to activate the TOR signalling pathway and regulate the expression of several genes involved in gluconeogenesis and lipogenesis in the same way as a mixture of amino acids. Furthermore, we studied in vivo, the effect of partial or total replacement of fish oil and fish meal by plant products in fish feed on .the regulation of intermediary metabolism related gene expression. This study showed that neither Akt/TOR signalling pathway nor the expression of the target genes were affected by such diets. In conclusion, these studies showed that amino acids seem to play an important role in the hepatic regulation of intermediary metabolism gene expression in the rainbow trout.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Régulation nutritionnelle du métabolisme glucidique chez les poissons : exemple de la truite arc-en-ciel (Oncorhynchus mykiss), faible utilisatrice des glucides alimentaires

National audienceDietary carbohydrates are potential sources of digestible energy. However, fish such as rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) use dietary carbohydrates rather poorly: there is prolonged postprandial hyperglycemia. after feeding carbohydrates as wen as decrease in growth when dietary carbohydrate levels are above 25-30%. Of late, there is a regain of interest to understand the nutritional control of glucose homeostasis and utilisation in fish. Recent results show that in rainbow trout, while hepatic glucose phosphorylation is rather closely controlled by dietary carbohydrate supply, that of hepatic glucose production is not. Besides, efficiency of glucose utilisation as an energy source by muscle appears limited in fish. Further, the hormonal control of glucose homeostasis shows some specificities (somatostatines, glucagon-like peptide) which made fish distinct from mammals.En alimentation des poissons, le potentiel d’utilisation des glucides comme source d’énergie digestible est quelque peu controversé. Par exemple, la truite arc-en-ciel (Oncorhynchus mykiss), l’espèce la plus élevée en France, est considérée mauvaise utilisatrice des glucides, avec une hyperglycémie postprandiale prolongée et une baisse de croissance suite à un apport élevé en glucides (supérieur à 25-30 %). Afin d’améliorer l’utilisation des glucides alimentaires, une meilleure compréhension des mécanismes de contrôle nutritionnel du métabolisme du glucose s’est donc avéré nécessaire. Ainsi, en présence de glucides alimentaires, des études ont montré que la truite arc-en-ciel semble avoir des difficultés pour diminuer sa production endogène de glucose dans le foie et pour utiliser le glucose comme source énergétique au niveau musculaire. De plus, la truite présente des particularités dans le contrôle hormonal de l’homéostasie glucidique (somatostatines, glucagon-like peptide) qui jouent probablement aussi un rôle important

Molecular biology in fish nutritional studies

International audienc

How Tom Moon's research highlighted the question of glucose tolerance in carnivorous fish

Fifteen years ago, Tom Moon wrote a review on this journal in order to propose some explanations to the exacerbated glycaemic response after a glucose load or a carbohydrate meal intake observed in fish, the socalled intolerance to glucose. Before, but in most of cases after this paper, several laboratories worldwide started to make important efforts in order to better understand this strange phenotype observed in fish and that so far seemed to belong to diabetic humans only. Tom had been worked on fish metabolism for at least 30 years when he proposed that mini-review and the paths opened by him in 2001 were followed by tens of fish researchers, making this paper a breaking point on the field. Fifteen years later, we propose not only to have a look to the answers given to the questions rose in that paper, but also to summarize how his career over all these years impacted the domain of glucose metabolism in fish. In the review, we will show how Tom Moon analysed at different levels (from genes up to the whole organism), using distinct experimental tools (cells, hormone or glucose injection, pumps, drugs) the questions of glucose metabolism, tolerance and nutrition in fish specie

High dietary lipids induce liver glucose-6-phosphatase expression in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss)

International audienc