Une nouvelle approche d’isotopomique pour identifier les dysrégulations du métabolisme des protéines et des acides aminés lors du développement du syndrome métabolique

Although the different components of the metabolic syndrome (MS) are likely to affect protein and amino acid (AA) metabolism, the available data are few and often contradictory, due to the heterogeneity of presentation of this syndrome and the limitations of classical approaches to investigate nitrogen metabolism. The present thesis work uses a novel isotopomic approach, based on the measurement of the natural abundance of stable isotopes of nitrogen (δ15N) and carbon (δ13C) in tissue proteins and AA to identify alterations in protein metabolism occurring during the nutritional induction of MS in rats. Our results allow to validate experimentally the predictions of a multi-compartimental model developed in the laboratory and showing that the δ15N reflects the differential orientation of AA between anabolic (proteosynthesis) and catabolic (oxidation) pathways. We have also shown that under certain conditions, the δ13C can allow to estimate the proportion of carbons in AA and tissue proteins issuing from dietary proteins, carbohydrates and lipids respectively, thus providing information on the metabolic flexibility of individuals. The measurements of δ15N and δ13C in proteins and AA, alone or combined with the measurement of protein synthesis rates after administration of deuterated water, then allowed us to highlight the changes in protein and AA metabolism occurring during perinatal and post-weaning exposure to a high-fat high-sugar diet, as well as those associated with individual differences in sensitivity to the induction of a MS by the same kind of diet. These alterations are tissuespecific and differ according to whether they result solely from differences in individual sensitivity to diet or whether they are also attributable to differences in the carbohydrate/lipid balance of the diet. Altogether, our results show that the development of MS is associated with changes in AA metabolic partitioning between the anabolic and oxidative pathways, differently affecting the liver, muscle, intestine and adipose tissue, and with an altered metabolic flexibility in muscle. This work opens the way to human studies, based on the measurements of δ15N and δ 13C in accessible pools.Si les différentes composantes du syndrome métabolique (SM) sont susceptibles d’affecter le métabolisme protéique et des acides aminés (AA), les données disponibles sont peu nombreuses et souvent contradictoires, du fait de l’hétérogénéité de présentation de ce syndrome et des limites des approches classiques d’investigation du métabolisme azoté. Ce travail de thèse met à profit une nouvelle approche isotopomique, s’appuyant sur la mesure de l’abondance naturelle des isotopes stables de l’azote (δ15N) et du carbone (δ13C) dans les protéines et AA tissulaires pour identifier les altérations du métabolisme protéique survenant lors de l’induction nutritionnelle d’un SM chez le rat. Nos résultats permettent dans un premier temps de valider expérimentalement les prédictions d’un modèle multi-compartimental développé dans le laboratoire et montrant que les δ15N reflètent l’orientation différentielle des AA entre les voies anaboliques (protéosynthèse) et cataboliques (oxydation). Nous avons également montré que sous certaines conditions, les δ13C permettent d’estimer la part des carbones des AA et protéines tissulaires provenant respectivement des protéines, glucides et lipides alimentaires, renseignant ainsi sur la flexibilité métabolique des individus. Les mesures de δ15N et δ13C dans les protéines et AA, seules ou combinées à la mesure des taux de synthèse protéique après administration d’eau deutérée, nous ont ensuite permis de mettre en évidence les modifications du métabolisme protéique et des AA survenant lors de l’exposition périnatale et post-sevrage à un régime gras et sucré, ainsi que celles associées à des différences de sensibilité individuelles à l’induction d’un syndrome métabolique par ce même type de régime. Ces altérations sont tissu-spécifiques et diffèrent selon qu’elles proviennent uniquement de différences de sensibilité individuelle au régime ou qu’elles sont également attribuables à des différences d’équilibre glucido-lipidique dans l’alimentation. L’ensemble de nos résultats montrent que l’apparition d’un SM est associée à des réorientations du métabolisme des AA entre les voies anaboliques et d’oxydation, affectant de façon différente le foie, le muscle, l’intestin et le tissu adipeux, et à une altération de la flexibilité métabolique dans le muscle. Ces travaux ouvrent la voie à des études chez l’Homme, s’appuyant sur les mesures de δ15N et δ13C dans des pools accessibles

A new isotopomic approach for identifying the dysregulations of protein and amino acid metabolism during the development of the metabolic syndrome

Si les différentes composantes du syndrome métabolique (SM) sont susceptibles d’affecter le métabolisme protéique et des acides aminés (AA), les données disponibles sont peu nombreuses et souvent contradictoires, du fait de l’hétérogénéité de présentation de ce syndrome et des limites des approches classiques d’investigation du métabolisme azoté. Ce travail de thèse met à profit une nouvelle approche isotopomique, s’appuyant sur la mesure de l’abondance naturelle des isotopes stables de l’azote (δ15N) et du carbone (δ13C) dans les protéines et AA tissulaires pour identifier les altérations du métabolisme protéique survenant lors de l’induction nutritionnelle d’un SM chez le rat. Nos résultats permettent dans un premier temps de valider expérimentalement les prédictions d’un modèle multi-compartimental développé dans le laboratoire et montrant que les δ15N reflètent l’orientation différentielle des AA entre les voies anaboliques (protéosynthèse) et cataboliques (oxydation). Nous avons également montré que sous certaines conditions, les δ13C permettent d’estimer la part des carbones des AA et protéines tissulaires provenant respectivement des protéines, glucides et lipides alimentaires, renseignant ainsi sur la flexibilité métabolique des individus. Les mesures de δ15N et δ13C dans les protéines et AA, seules ou combinées à la mesure des taux de synthèse protéique après administration d’eau deutérée, nous ont ensuite permis de mettre en évidence les modifications du métabolisme protéique et des AA survenant lors de l’exposition périnatale et post-sevrage à un régime gras et sucré, ainsi que celles associées à des différences de sensibilité individuelles à l’induction d’un syndrome métabolique par ce même type de régime. Ces altérations sont tissu-spécifiques et diffèrent selon qu’elles proviennent uniquement de différences de sensibilité individuelle au régime ou qu’elles sont également attribuables à des différences d’équilibre glucido-lipidique dans l’alimentation. L’ensemble de nos résultats montrent que l’apparition d’un SM est associée à des réorientations du métabolisme des AA entre les voies anaboliques et d’oxydation, affectant de façon différente le foie, le muscle, l’intestin et le tissu adipeux, et à une altération de la flexibilité métabolique dans le muscle. Ces travaux ouvrent la voie à des études chez l’Homme, s’appuyant sur les mesures de δ15N et δ13C dans des pools accessibles.Although the different components of the metabolic syndrome (MS) are likely to affect protein and amino acid (AA) metabolism, the available data are few and often contradictory, due to the heterogeneity of presentation of this syndrome and the limitations of classical approaches to investigate nitrogen metabolism. The present thesis work uses a novel isotopomic approach, based on the measurement of the natural abundance of stable isotopes of nitrogen (δ15N) and carbon (δ13C) in tissue proteins and AA to identify alterations in protein metabolism occurring during the nutritional induction of MS in rats. Our results allow to validate experimentally the predictions of a multi-compartimental model developed in the laboratory and showing that the δ15N reflects the differential orientation of AA between anabolic (proteosynthesis) and catabolic (oxidation) pathways. We have also shown that under certain conditions, the δ13C can allow to estimate the proportion of carbons in AA and tissue proteins issuing from dietary proteins, carbohydrates and lipids respectively, thus providing information on the metabolic flexibility of individuals. The measurements of δ15N and δ13C in proteins and AA, alone or combined with the measurement of protein synthesis rates after administration of deuterated water, then allowed us to highlight the changes in protein and AA metabolism occurring during perinatal and post-weaning exposure to a high-fat high-sugar diet, as well as those associated with individual differences in sensitivity to the induction of a MS by the same kind of diet. These alterations are tissuespecific and differ according to whether they result solely from differences in individual sensitivity to diet or whether they are also attributable to differences in the carbohydrate/lipid balance of the diet. Altogether, our results show that the development of MS is associated with changes in AA metabolic partitioning between the anabolic and oxidative pathways, differently affecting the liver, muscle, intestine and adipose tissue, and with an altered metabolic flexibility in muscle. This work opens the way to human studies, based on the measurements of δ15N and δ 13C in accessible pools

Natural isotopic signatures of variations in nitrogen metabolism during under- or over-nutrition.

International audienc

La sensibilité à l'induction de l'obésité et du syndrome métabolique par un régime gras et sucré s'accompagne d'une efficacité protéique accrue dans le foie et diminuée dans le muscle

International audienceIntroduction et but de l’étude : Il existe une forte variabilité interindividuelle de réponse à une alimentation trop grasse etsucrée : chez les individus les moins aptes à gérer cet excès chronique d'énergie, elle favorise le développement d'uneobésité (O) parfois associée à un syndrome métabolique (SM), avec des altérations du métabolisme énergétique maisaussi probablement du métabolisme protéique qui sont encore mal connues. Cette étude visait à mieux identifier lavariabilité de réponse à un régime gras et sucré ainsi que les différences métaboliques entre individus sensibles etrésistants à l'O et au SM, en utilisant des biomarqueurs isotopiques des orientations préférentielles du métabolismeprotéique, les abondances naturelles en 15N (δ15N) des tissus.Matériel et méthodes : 36 rats Wistar mâles, de poids initialement similaires, ont été nourris avec un régime riche enlipides et sucres, suivis pour leurs consommation et gain de poids pendant 4 mois puis euthanasiés pour mesurerparamètres biochimiques, composition corporelle et δ15N des protéines tissulaires par spectrométrie de masse à ratioisotopique. Nous avons discriminé les rats selon leur sensibilité à l'O et au SM par une classification non supervisée(proc cluster sous SAS), sur la base de 2 indicateurs d'O (poids et adiposité viscérale) et de 2 indicateurs de SM (HOMAIRet triglycérides hépatiques). Nous avons calculé le Zscore global d'O et de SM (ZOSM) comme la moyenne des Zscoresde ces 4 indicateurs, puis analysé les corrélations entre ZOSM, efficacités protéiques tissulaires (protéines tissulaires /protéines ingérées) et δ15N tissulaires.Résultats et Analyse statistique : La classification a distingué 3 groupes de rats : résistants à l'O et au SM (R, n=12),sensibles à l'O mais résistants au SM (O, n=12), ou sensibles à l'O et au SM (OSM, n=12). Les rats R, O et SM avaientles caractéristiques suivantes (moyennes ± écart-types, significativement différentes si elles portent des lettresdifférentes) : poids de 542 ± 42a, 620 ± 44b et 670 ± 33c g ; adiposité viscérale de 6,9 ± 0,5a, 8,3 ± 0,3b et 8,6 ± 0,7b % ;HOMA-IR de 7,1 ± 3,4a, 10,0 ± 5,7a et 21,7 ± 7,3b μg·mmol·L-2 ; triglycérides hépatiques de 57 ± 14a, 62 ± 20a et 101 ± 13b μmol·g-1 ; efficacités protéiques de 2,37 ± 0,20a, 2,41 ± 0,31ab et 2,62 ± 0,18b % dans le foie, 0,53 ± 0,08a, 0,49 ± 0,04aet 0,43 ± 0,04b % dans le muscle gastrocnémien, et 0,19 ± 0,02a, 0,17 ± 0,02ab et 0,16 ± 0,02b % dans le muscle tibialis.Le ZOSM était corrélé (P<0,01) positivement à l'efficacité protéique du foie (R=0,54) et négativement à celles des musclesgastrocnémien (R=-0,48) et tibialis (R=-0,45), et négativement au δ15N des protéines du foie (R=-0,47), érythrocytes (R=-0,43) et poils (R=-0,49).Conclusion : Dans ce modèle, la sensibilité à l'O et au SM concerne 2/3 de la population, avec 1/3 en O saine et 1/3 enO avec SM. Chez les individus sensibles, l'efficacité d'utilisation anabolique des protéines alimentaires est plus grandedans le foie mais plus faible dans certains muscles, et la plus grande efficacité anabolique hépatique est liée à unemoindre orientation catabolique des acides aminés dont attestent les plus faibles δ15N du foie et d'autres pools plusaccessibles (érythrocytes, poils).Conflits d’intérêts: Aucun conflit à déclare

Les signatures isotopiques naturelles révèlent une augmentation du catabolisme des acides aminés dans l’intestin lors de l’exposition à un régime gras et sucré en périodes périnatale et postsevrage

International audienceLes signatures isotopiques naturelles révèlent une augmentation du catabolisme des acides aminés dans l’intestin lors de l’exposition à un régime gras et sucré en périodes périnatale et post-sevrage. Journées Francophones de Nutrition , JFN 201

L'initiation de l'obésité et du syndrome métabolique par un régime gras et sucré s'accompagne d'un défaut de régulation de la lipogenèse de novo.

International audienc

Natural abundance of nitrogen isotopes in amino acids are biomarkers of the metabolic syndrome onset

International audienceIntroduction: The isotope effects associated with nitrogen metabolic pathways result in differences in the nitrogen stable isotopecompositions (δ15N) of metabolic pools within individuals. Thus, inter-individual differences in some δ15N values can reflect differencesin nitrogen metabolismObjectives: Here, we evaluated in rats whether the metabolic syndrome (MS) onset involve some dysregulations of nitrogen metabolismwhich can be traced with δ15N values of individual amino acids in plasma and tissue proteins.Method / Design: Sixty male Wistar rats were fed a high fat diet for 10 weeks and 2 groups were selected in either the upper (MS group,n=10) or the lower (Lean, control group, L, n=10) ends of body weight and fasting insulin distributions and killed for tissue collection. Plasma and tissue proteins were precipitated and hydrolyzed and δ15N values of Ala, Asx, Glx, Gly, Leu, Pro and Ser were determined usinggas chromatograph combustion isotope ratio mass spectrometry.Results: Body weight and fasting insulin were 1.3 and 8.2 fold higher in the MS compared with the L group, respectively. No differencewas observed between groups for δ15N values of Asx, Glx, Leu, Pro and Ser, whereas δ15N values of Ala and Gly were significantly lowerin plasma and muscle proteins of the MS group. A discriminant analysis showed that the difference between δ15N of Gly and Leu in plasmaproteins is the main contributor to group separation. On the basis of this variable alone, 95% of the rats were correctly classified as MS or L.Conclusions: These results evidence that nitrogen metabolism is affected during the onset of insulin resistance in a tissue-specificmanner. They also suggest that the δ15N of some plasma amino acids represent promising early biomarkers of these metabolic changes.Keywords: (maximum 5): compound-specific amino acid δ15N values, early biomarkers, metabolic syndrome, protein and amino acidmetabolis