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La néoglucogenèse intestinale: un nouvel acteur du contrôle de la prise alimentaire
biologie générale biologie générale
LA NÉOGLUCOGENÈSE INTESTINALE : UN NOUVEL ACTEUR DU CONTRÔLE DE LA PRISE ALIMENTAIRE Gilles MITHIEUX 1, Christophe MAGNAN 2
Peut-être stimulée en cela par nos habitudes sociales et culturelles, l’école de Nutrition Française a produit, par le passé, des résultats clés mettant en exergue les interrelations du métabolisme glucidique et de l’homéostasie énergétique. Ainsi, dès les années 1970, l’équipe du Professeur Le Magnen documentait le rôle régulateur du glucose plasmatique dans la prise alimentaire en montrant qu’une diminution aussi faible que 5 % de la glycémie périphérique suffisait à déclencher l’acte alimentaire chez le rat [1]. Dans les années 1980, Jean Peret et ses collaborateurs caractérisaient l’impact des alimentations riches en protéines sur le métabolisme glucidique hépatique en montrant notamment qu’un régime hyperprotéique complètement dépourvu de glucides induisait la néoglucogenèse dans le foie plus rapidement que le jeûne [2]. Plus récemment, une équipe américaine a rapporté l’effet bénéfique pour l’équilibre glycémique des patients diabétiques de type 2 d’une augmentation de 15 à 30 % du pourcentage de protéines dans le régime alimentaire [3]. Au contraire, les alimentations riches en lipides sont connues pour exercer diverses actions délétères sur la tolérance au glucose et la sensibilité à l’insuline [4-6].
L’intestin grêle : nouvel organe néoglucogénique dans le territoire splanchnique La production endogène de glucose (PEG) est une fonction physiologique cruciale dans la régulation de la glycémie. Elle permet de maintenir cette dernière à un niveau suffisant en dehors des périodes d’approvisionnement alimentaire, tandis que son inhibition pendant les périodes postprandiales permet de limiter l’augmentation de la glycémie due à l’apport du glucose alimentaire [7]. L’enzyme clé de la PEG est la glucose-6 phosphatase (Glc6Pase), dernière enzyme de la néogluco1. INSERM U449, INRA 1235, Université Lyon 1, Faculté Laennec, 69372 Lyon Cedex 8, France. 2. CNRS 7059, Université Paris 7, Faculté Jussieu, 75251 Paris Cedex 05, France. Correspondance : Gilles Mithieux, à l’adresse ci-dessus. Email : [email protected] Cah. Nutr. Diét., 41, 4, 2006
genèse (NGG), qui catalyse l’étape biochimique finale d’hydrolyse du glucose-6-phosphate en glucose. Jusqu’au milieu des années 1990, on considérait sur la base du dosage de son activité enzymatique que seuls le foie et le rein exprimaient cette enzyme et pouvaient, par conséquent, contribuer à la PEG [7]. L’identification du gène de la Glc6Pase [8] a procuré de nouveaux outils moléculaires qui ont permis de poser la question de l’expression du gène sur d’autres bases que celles de l’activité phosphatasique, toujours difficile à apprécier spécifiquement sur échantillon biologique. C’est ainsi qu’en recherchant la présence de l’ARNm de la Glc6Pase par une approche de RT-PCR dans de nombreux tissus autres que le foie et le rein, nous avons obtenu la preuve de l’expression de ce gène dans l’intestin grêle de rat et d’homme [9]. Il existe un gradient décroissant du duodénum au jéjunum distal chez le rat tandis que le gène est exprimé jusque dans l’iléon chez l’homme [9, 10]. Comme dans le foie, le gène de la Glc6Pase intestinale est contrôlé par l’insuline, ce qui se traduit par 211
biologie générale
La néoglucogène intestinale : lien entre les protéines alimentaires et leur effet de satiété C’est la mise en perspective de plusieurs données qui nous a conduit à émettre l’hypothèse d’un rôle possible de la NGG intestinale dans le contrôle du comportement alimentaire. Il était, en effet, connu depuis les années 1980 que la perfusion de glucose dans la veine porte (à des flux destinés à reproduire les flux postprandiaux) inhibait en soi la prise alimentaire chez le rat [15]. Il était également démontré que l’effet de ce glucose portal sur la prise alimentaire était initié dans les parois de la veine porte et était dépendant d’une transmission centrale par une branche hépatosplanchnique du nerf vague [16]. D’autre part, il était aussi connu que les régimes riches en protéines étaient capables d’induire des phénomènes de satiété chez l’animal et chez 212
2,5
*
2,0 1,5
B
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1,0 0
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N
J
D
N
J
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PEPCK (µmol/min/g)
A
G6Pase (µmol/min/g)
une forte induction de son expression dans les situations d’hypoinsulinisme telles que le jeûne et le diabète insulinoprive expérimental (fig. 1a) [9, 10]. Il est, cependant, très intéressant de remarquer que le gène est induit dans l’iléon de rat à jeun, tandis qu’il ne l’est pas dans l’iléon de rat diabétique [9, 10]. Ceci est en accord avec l’existence de régulations nutritionnelles (et pas seulement hormonales) très efficaces dans l’intestin grêle. La quantification de la production intestinale de glucose (PIG) in vivo s’est confrontée à la difficulté de devoir estimer cette production en présence d’une utilisation concomitante très active de glucose, l’intestin étant connu pour être un organe glycolytique très actif. Pour contourner cette difficulté, nous avons mis en œuvre la combinaison d’une approche de balance glycémique artério-veineuse (pour estimer le résultat net de la production et de l’utilisation) et d’une approche de dilution de traceur tritié (pour estimer l’utilisation) [10, 11]. Ceci nous a permis d’en déduire la production et de démontrer que l’intestin ne contribue probablement pas (de façon détectable par cette approche) à la PEG à l’état nourri post-absorptif ou pendant un jeûne court (inférieur ou égal à 24 heures) chez le rat [10, 11]. En revanche, par une autre approche basée sur l’exclusion de l’intestin par ligature des vaisseaux sanguins et l’étude des répercussions sur la PEG, nous avons suggéré que l’intestin pourrait contribuer pour une faible part de la PEG dans ces situations nutritionnelles [12]. Quoi qu’il en soit, il est clair que la PIG est induite après 24 heures de jeûne pour représenter environ 20 % de la PEG à 48 heures. Cette PIG pourrait contribuer jusqu’à un tiers de la PEG à 72 heures de jeûne chez le rat ou au cours du diabète insulinoprive expérimental [10, 11]. Des études d’incorporation de précurseurs néoglucogéniques radioactifs nous ont permis de montrer que la glutamine (et le glycérol pour une part moindre) est le précurseur principal du glucose produit par l’intestin, tandis que l’alanine et le lactate (principaux substrats néoglucogéniques hépatiques) ne sont pas précurseurs du glucose intestinal [11]. Nous avons également caractérisé les voies métaboliques de la NGG intestinale en démontrant notamment la présence des enzymes clés comme la glycérokinase, ainsi que le rôle régulateur (comme dans le foie) de la phosphoénolpyruvate carboxykinase (PEPCK) (fig. 1b) [9, 13, 14].
0
Figure 1. Induction des gènes régulateurs de la NGG intestinale au cours du jeûne et du diabète. A : expression de l’ARNm de la Glc6Pase analysé par Northern blot (panneau du haut), et de l’activité enzymatique à la Vmax (panneau du bas), chez la rat nourri (N), à jeun 48 heures (J) et diabétique (D). B : expression du gène de la PEPCK. Les résultats sont exprimés en µmol de substrat hydrolysé par minute et par gramme de tissu frais (jejunum médian). Les méthodes utilisées sont décrites en détail dans les références citées dans le texte.
l’homme, même si un mécanisme clair n’avait pas encore été établi [17]. Enfin, les régimes riches en protéines étaient capables d’induire fortement la NGG dans le foie, il était donc vraisemblable qu’ils pouvaient également l’induire dans l’intestin grêle. En accord avec l’induction possible d’une NGG intestinale à l’état nourri, au moins dans certaines conditions nutritionnelles particulières (alimentation lactée), nous avions préalablement rapporté l’induction de l’expression des gènes régulateurs de la NGG dans l’intestin grêle des ratons nouveau-nés pendant la période néonatale [18]. Nous avons donc testé l’hypothèse que l’induction de la NGG intestinale par les protéines alimentaires, à travers la génération et la détection d’un signal glucose dans la veine porte perdurant pendant la période post-absorptive, pourrait expliquer, au moins en partie, l’effet « satiétogène » de ce type de régime. Alimentés par un régime enrichi en protéines (50 % en masse au lieu de 17 % chez le rat témoin), les rats mangent moins et leur gain de poids est diminué d’autant (-15 % en moyenne sur une période de 15 jours) [19]. Il faut noter que ce pourcentage de 50 % de protéines est choisi par le rat lorsqu’on lui laisse le libre choix de la composition de son alimentation [20]. En accord avec notre hypothèse, nous avons mis en évidence une forte induction de l’expression des gènes régulateurs de la NGG intestinale par le régime enrichi en protéines, du même ordre de grandeur que chez le rat à jeun ou diabétique (fig. 1). De plus, le même type d’induction était observé pour le gène de la glutaminase, enzyme clé de l’utilisation intestinale de la glutamine [19]. En utilisant la même combinaison de dilution de traceur et de différence glycémique artério-veineuse, nous avons montré que l’intestin grêle de rats alimentés par le régime riche en protéines libère, dès le premier jour, une quantité significative de glucose pendant la période postabsorptive. La PIG est doublée, dès le deuxième jour, et plafonne ensuite à une valeur représentant 20 % de la PEG globale de l’animal (fig. 2). Il est important de remarquer que la PEG n’est pas augmentée chez ces Cah. Nutr. Diét., 41, 4, 2006
A
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PEG (µmol/kg/min)
PIG (µmol/kg/min)
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Figure 2. Induction de la PIG par une alimentation hyperprotéique. A : la PIG est quantifiée par dilution de traceur et balance glycémique artério-veineuse, avant (barres hachurées), et après, passage à l’alimentation hyperprotéique (barres grises). B : la PEG est déterminée par dilution de traceur. Les résultats sont exprimés en µmol de glucose produit par minute et par kilogramme. Les approches utilisées sont décrites en détail dans [11] et [19].
animaux, l’apparition de glucose dans le sang portal étant bien connue pour inhiber de façon proportionnelle la libération de glucose par le foie. En utilisant des rats conscients, porteurs de cathéters à demeure en veine porte, nous avons étudié l’impact de la perfusion de glucose à des flux comparables à la PIG sur la prise alimentaire des animaux. La perfusion de tels flux de glucose portal diminue bien, après quelques heures de jeûne préalable, la prise alimentaire subséquente des rats. La diminution est de 15 à 20 % en période nocturne (période d’alimentation préférée des rongeurs) et de 30 à 40 % en période diurne (période pendant laquelle les rats mangent moins) [19]. Confirmant le rôle de la détection portale du signal glucose, les rats ayant subi une dénervation chimique des afférences vagales portales au moment de l’implantation du cathéter, ne sont pas sensibles à la perfusion portale de glucose. De même, la perfusion de glucose dans une veine périphérique n’a aucune influence sur la prise alimentaire des animaux [19]. Il est important
de noter que cette diminution de la prise alimentaire par le glucose portal est effective aussi bien chez le rat alimenté par un régime standard (ce qui montre l’effet du glucose portal per se), que chez le rat alimenté par le régime hyperprotéique (ce qui montre l’effet dominant de ce glucose sur les autres mécanismes putatifs induits par les protéines alimentaires pendant la période post-absorptive). Enfin, nous nous sommes intéressés à l’impact, soit de la perfusion portale de glucose, soit du régime riche en protéines, sur les principales régions de l’hypothalamus impliquées dans le contrôle de la prise alimentaire [21]. Dans les deux types de protocoles (perfusion de glucose versus sérum salin ou régime riche en protéines versus régime standard riche en amidon), l’expression du gène de la protéine c-Fos, reflétant l’activation cellulaire, est fortement induite dans le noyau arqué, l’hypothalamus latéral, ventromédian et dorsomédian, et le noyau paraventriculaire (fig. 3). Il est important de mentionner que dans les deux cas, l’analyse a été effectuée à l’état postabsorptif, c’est-à-dire après la période d’assimilation du glucose alimentaire. Confirmant le rôle de la veine porte et la communauté des phénomènes, aucune activation n’a été notée dans les deux types de protocole lorsque la veine porte des rats avait été préalablement dénervée [19]. Également en accord avec l’identité de ces phénomènes, les rats dont la veine porte a été préalablement dénervée se révèlent insensibles à l’alimentation hyperprotéique, et mangent comme les rats normaux alimentés par le régime standard [19].
Conclusion Nous avons montré que les régimes enrichis en protéines induisent l’expression des gènes régulateurs de la NGG intestinale chez le rat et que cette induction se traduit par la libération de glucose dans le sang portal. Cette libération est suffisante pour activer le détecteur portal de glucose et pour moduler l’activité des régions
A
B
Figure 3. Activation par le régime hyperprotéique des régions hypothalamiques impliquées dans le contrôle de la prise alimentaire. L’expression de la protéine c-Fos (étudiée par immunocytochimie) dans le noyau dorsomédian de rats nourris avec le régime standard (A) est comparée à celle de rats alimentés avec le régime hyperprotéique (B). Les inductions sont du même ordre de grandeur dans tous les noyaux étudiés. La technique utilisée est décrite en détail dans [19]. Cah. Nutr. Diét., 41, 4, 2006
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biologie générale
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Cortex, Système limbique Cervelet NTS
HYP Diminution de la prise alimentaire
3
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Moelle épinière
OAA Repas riche en protéines
Glu
PEPCK
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Glutaminase
G6P G6Pase
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Gln
Gln Veine porte
Figure 4. Représentation schématique de l’effet des protéines sur la prise alimentaire. 1. Les repas riches en protéines induisent l’expression des gènes de la néoglucogenèse à partir de la glutamine (Gln) dans l’intestin grêle, ce phénomène aboutissant à la libération de glucose (G) dans la veine porte. 2. Des cellules sensibles au glucose détectent ce signal dans les parois de la veine porte et le transmettent au noyau du tractus solitaire (NTS) via des afférences vagales. 3. Des relais nerveux convoient le message vers l’hypothalamus (HYP). 4. Il en résulte une diminution de sensation de faim et de la prise alimentaire subséquente. 5. Le message peut interagir avec des signaux cognitifs dans les régions supérieures du cerveau (système limbique, cortex).
hypothalamiques régulant la prise alimentaire de telle façon qu’un phénomène d’hypophagie prenne place au final (fig. 4). Il reste à préciser quels sont les mécanismes moléculaires de l’induction de la NGG intestinale et les mécanismes prenant place au niveau de l’hypothalamus. Néanmoins, les phénomènes que nous avons mis en lumière fournissent l’explication mécanistique de l’effet de satiété des protéines alimentaires, connu depuis longtemps mais resté inexpliqué [17]. Ils pourraient constituer le premier exemple d’un nouveau concept de régulation des sensations de faim et de satiété, impliquant le métabolisme glucidique intestinal en tant que relais essentiel de la composition en macronutriment de l’alimentation à la quantité d’aliment ingéré. La NGG est une fonction présente dans l’intestin grêle humain [9, 13, 22]. De plus, l’effet de satiété induit par les protéines existe chez l’homme [17, 23]. Le métabolisme glucidique intestinal pourrait donc constituer une nouvelle cible d’intérêt dans les approches préventives ou thérapeutiques de traitement des désordres du comportement alimentaire. Remerciements Les auteurs remercient tous les collaborateurs de leurs équipes respectives qui ont contribué à des titres divers à ces travaux. 214
Résumé Introduction : Les interactions entre le métabolisme glucidique et l’homéostasie énergétique sont connues depuis longtemps, notamment pour ce qui concerne le rôle suppresseur du glucose portal sur la prise alimentaire. Matériel et Méthodes : L’expression des gènes de la néoglucogenèse a été caractérisée au niveau de l’ARNm, de la protéine et de l’activité enzymatique. La production intestinale de glucose a été estimée par une approche combinant dilution de traceur (3-3H) glucose et balance glycémique artério-veineuse. L’effet du glucose portal sur la prise alimentaire a été étudié à l’aide de rats conscients porteurs de cathéters dans la veine porte. L’impact des perfusions au niveau hypothalamique a été étudié par immunodétection de la protéine c-Fos. Résultats : Les gènes régulateurs de la néoglucogenèse sont exprimés dans l’intestin grêle de rat et d’homme, et sont induits fortement : au cours du jeûne et par une alimentation riche en protéines, chez le rat. Dans les deux cas, l’induction se traduit par la libération de glucose dans la veine porte, qui perdure après la période postprandiale pour l’aliment riche en protéines. La perfusion de glucose dans la veine porte à des flux comparables diminue la prise alimentaire du rat et active les régions de l’hypothaCah. Nutr. Diét., 41, 4, 2006
biologie générale lamus impliquées dans la prise alimentaire de la même façon que le régime hyperprotéique. Conclusion : Ces résultats fournissent l’explication mécanistique de l’effet « satiétogène » des protéines, connu chez l’animal et chez l’homme, mais resté inexpliqué à ce jour. Mots-clés : Néoglucogenèse – Intestin grêle – Signal glucose portal – Comportement alimentaire.
Abstract Introduction: The interactions between glucose and energy homeostasis are well known, especially regarding the suppressing role on food intake of glucose into the portal vein. Material and Methods: The expression of genes of gluconeogenesis was characterized at the level of mRNA, protein, and enzymatic activity. Intestinal glucose production was quantified using a combination of (3-3H) glucose tracer dilution and arterio-venous glucose balance. The effect of portal glucose on food intake was studied using conscious rats with indwelling catheters into the portal vein. The effect of infusions at the hypothalamus level was studied by immunodetection of the protein c-Fos. Results: All regulatory genes of gluconeogenesis are expressed in the small intestine from rat and human. They are strongly induced in rat: during fasting; and by protein-enriched diet. In both cases, this promotes glucose release in the portal vein, lasting after the postprandial period for the protein-enriched regimen. The infusion of glucose at comparable rates into the portal vein decreases food intake in rat, and activates the hypothalamic regions involved in the control of food intake, just as does the protein enriched diet. Conclusion: These results provide a mechanistic explanation for the effect of satiety induced by diet protein, well known to occur in animals and humans, but unsolved up to now. Key-words: Gluconeogenesis – Small intestine – Portal glucose signal – Food behaviour.
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La néoglucogène intestinale : lien entre les protéines alimentaires et leur effet de satiété C’est la mise en perspective de plusieurs données qui nous a conduit à émettre l’hypothèse d’un rôle possible de la NGG intestinale dans le contrôle du comportement alimentaire. Il était, en effet, connu depuis les années 1980 que la perfusion de glucose dans la veine porte (à des flux destinés à reproduire les flux postprandiaux) inhibait en soi la prise alimentaire chez le rat [15]. Il était également démontré que l’effet de ce glucose portal sur la prise alimentaire était initié dans les parois de la veine porte et était dépendant d’une transmission centrale par une branche hépatosplanchnique du nerf vague [16]. D’autre part, il était aussi connu que les régimes riches en protéines étaient capables d’induire des phénomènes de satiété chez l’animal et chez 212
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G6Pase (µmol/min/g)
une forte induction de son expression dans les situations d’hypoinsulinisme telles que le jeûne et le diabète insulinoprive expérimental (fig. 1a) [9, 10]. Il est, cependant, très intéressant de remarquer que le gène est induit dans l’iléon de rat à jeun, tandis qu’il ne l’est pas dans l’iléon de rat diabétique [9, 10]. Ceci est en accord avec l’existence de régulations nutritionnelles (et pas seulement hormonales) très efficaces dans l’intestin grêle. La quantification de la production intestinale de glucose (PIG) in vivo s’est confrontée à la difficulté de devoir estimer cette production en présence d’une utilisation concomitante très active de glucose, l’intestin étant connu pour être un organe glycolytique très actif. Pour contourner cette difficulté, nous avons mis en œuvre la combinaison d’une approche de balance glycémique artério-veineuse (pour estimer le résultat net de la production et de l’utilisation) et d’une approche de dilution de traceur tritié (pour estimer l’utilisation) [10, 11]. Ceci nous a permis d’en déduire la production et de démontrer que l’intestin ne contribue probablement pas (de façon détectable par cette approche) à la PEG à l’état nourri post-absorptif ou pendant un jeûne court (inférieur ou égal à 24 heures) chez le rat [10, 11]. En revanche, par une autre approche basée sur l’exclusion de l’intestin par ligature des vaisseaux sanguins et l’étude des répercussions sur la PEG, nous avons suggéré que l’intestin pourrait contribuer pour une faible part de la PEG dans ces situations nutritionnelles [12]. Quoi qu’il en soit, il est clair que la PIG est induite après 24 heures de jeûne pour représenter environ 20 % de la PEG à 48 heures. Cette PIG pourrait contribuer jusqu’à un tiers de la PEG à 72 heures de jeûne chez le rat ou au cours du diabète insulinoprive expérimental [10, 11]. Des études d’incorporation de précurseurs néoglucogéniques radioactifs nous ont permis de montrer que la glutamine (et le glycérol pour une part moindre) est le précurseur principal du glucose produit par l’intestin, tandis que l’alanine et le lactate (principaux substrats néoglucogéniques hépatiques) ne sont pas précurseurs du glucose intestinal [11]. Nous avons également caractérisé les voies métaboliques de la NGG intestinale en démontrant notamment la présence des enzymes clés comme la glycérokinase, ainsi que le rôle régulateur (comme dans le foie) de la phosphoénolpyruvate carboxykinase (PEPCK) (fig. 1b) [9, 13, 14].
0
Figure 1. Induction des gènes régulateurs de la NGG intestinale au cours du jeûne et du diabète. A : expression de l’ARNm de la Glc6Pase analysé par Northern blot (panneau du haut), et de l’activité enzymatique à la Vmax (panneau du bas), chez la rat nourri (N), à jeun 48 heures (J) et diabétique (D). B : expression du gène de la PEPCK. Les résultats sont exprimés en µmol de substrat hydrolysé par minute et par gramme de tissu frais (jejunum médian). Les méthodes utilisées sont décrites en détail dans les références citées dans le texte.
l’homme, même si un mécanisme clair n’avait pas encore été établi [17]. Enfin, les régimes riches en protéines étaient capables d’induire fortement la NGG dans le foie, il était donc vraisemblable qu’ils pouvaient également l’induire dans l’intestin grêle. En accord avec l’induction possible d’une NGG intestinale à l’état nourri, au moins dans certaines conditions nutritionnelles particulières (alimentation lactée), nous avions préalablement rapporté l’induction de l’expression des gènes régulateurs de la NGG dans l’intestin grêle des ratons nouveau-nés pendant la période néonatale [18]. Nous avons donc testé l’hypothèse que l’induction de la NGG intestinale par les protéines alimentaires, à travers la génération et la détection d’un signal glucose dans la veine porte perdurant pendant la période post-absorptive, pourrait expliquer, au moins en partie, l’effet « satiétogène » de ce type de régime. Alimentés par un régime enrichi en protéines (50 % en masse au lieu de 17 % chez le rat témoin), les rats mangent moins et leur gain de poids est diminué d’autant (-15 % en moyenne sur une période de 15 jours) [19]. Il faut noter que ce pourcentage de 50 % de protéines est choisi par le rat lorsqu’on lui laisse le libre choix de la composition de son alimentation [20]. En accord avec notre hypothèse, nous avons mis en évidence une forte induction de l’expression des gènes régulateurs de la NGG intestinale par le régime enrichi en protéines, du même ordre de grandeur que chez le rat à jeun ou diabétique (fig. 1). De plus, le même type d’induction était observé pour le gène de la glutaminase, enzyme clé de l’utilisation intestinale de la glutamine [19]. En utilisant la même combinaison de dilution de traceur et de différence glycémique artério-veineuse, nous avons montré que l’intestin grêle de rats alimentés par le régime riche en protéines libère, dès le premier jour, une quantité significative de glucose pendant la période postabsorptive. La PIG est doublée, dès le deuxième jour, et plafonne ensuite à une valeur représentant 20 % de la PEG globale de l’animal (fig. 2). Il est important de remarquer que la PEG n’est pas augmentée chez ces Cah. Nutr. Diét., 41, 4, 2006
A
15
B 100
10
50
5 0
0
1
2
3 jours
7
15
0
15
0
PEG (µmol/kg/min)
PIG (µmol/kg/min)
biologie générale
Figure 2. Induction de la PIG par une alimentation hyperprotéique. A : la PIG est quantifiée par dilution de traceur et balance glycémique artério-veineuse, avant (barres hachurées), et après, passage à l’alimentation hyperprotéique (barres grises). B : la PEG est déterminée par dilution de traceur. Les résultats sont exprimés en µmol de glucose produit par minute et par kilogramme. Les approches utilisées sont décrites en détail dans [11] et [19].
animaux, l’apparition de glucose dans le sang portal étant bien connue pour inhiber de façon proportionnelle la libération de glucose par le foie. En utilisant des rats conscients, porteurs de cathéters à demeure en veine porte, nous avons étudié l’impact de la perfusion de glucose à des flux comparables à la PIG sur la prise alimentaire des animaux. La perfusion de tels flux de glucose portal diminue bien, après quelques heures de jeûne préalable, la prise alimentaire subséquente des rats. La diminution est de 15 à 20 % en période nocturne (période d’alimentation préférée des rongeurs) et de 30 à 40 % en période diurne (période pendant laquelle les rats mangent moins) [19]. Confirmant le rôle de la détection portale du signal glucose, les rats ayant subi une dénervation chimique des afférences vagales portales au moment de l’implantation du cathéter, ne sont pas sensibles à la perfusion portale de glucose. De même, la perfusion de glucose dans une veine périphérique n’a aucune influence sur la prise alimentaire des animaux [19]. Il est important
de noter que cette diminution de la prise alimentaire par le glucose portal est effective aussi bien chez le rat alimenté par un régime standard (ce qui montre l’effet du glucose portal per se), que chez le rat alimenté par le régime hyperprotéique (ce qui montre l’effet dominant de ce glucose sur les autres mécanismes putatifs induits par les protéines alimentaires pendant la période post-absorptive). Enfin, nous nous sommes intéressés à l’impact, soit de la perfusion portale de glucose, soit du régime riche en protéines, sur les principales régions de l’hypothalamus impliquées dans le contrôle de la prise alimentaire [21]. Dans les deux types de protocoles (perfusion de glucose versus sérum salin ou régime riche en protéines versus régime standard riche en amidon), l’expression du gène de la protéine c-Fos, reflétant l’activation cellulaire, est fortement induite dans le noyau arqué, l’hypothalamus latéral, ventromédian et dorsomédian, et le noyau paraventriculaire (fig. 3). Il est important de mentionner que dans les deux cas, l’analyse a été effectuée à l’état postabsorptif, c’est-à-dire après la période d’assimilation du glucose alimentaire. Confirmant le rôle de la veine porte et la communauté des phénomènes, aucune activation n’a été notée dans les deux types de protocole lorsque la veine porte des rats avait été préalablement dénervée [19]. Également en accord avec l’identité de ces phénomènes, les rats dont la veine porte a été préalablement dénervée se révèlent insensibles à l’alimentation hyperprotéique, et mangent comme les rats normaux alimentés par le régime standard [19].
Conclusion Nous avons montré que les régimes enrichis en protéines induisent l’expression des gènes régulateurs de la NGG intestinale chez le rat et que cette induction se traduit par la libération de glucose dans le sang portal. Cette libération est suffisante pour activer le détecteur portal de glucose et pour moduler l’activité des régions
A
B
Figure 3. Activation par le régime hyperprotéique des régions hypothalamiques impliquées dans le contrôle de la prise alimentaire. L’expression de la protéine c-Fos (étudiée par immunocytochimie) dans le noyau dorsomédian de rats nourris avec le régime standard (A) est comparée à celle de rats alimentés avec le régime hyperprotéique (B). Les inductions sont du même ordre de grandeur dans tous les noyaux étudiés. La technique utilisée est décrite en détail dans [19]. Cah. Nutr. Diét., 41, 4, 2006
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biologie générale
5
Cortex, Système limbique Cervelet NTS
HYP Diminution de la prise alimentaire
3
4
Moelle épinière
OAA Repas riche en protéines
Glu
PEPCK
1
Glutaminase
G6P G6Pase
G
2
G
Gln
Gln Veine porte
Figure 4. Représentation schématique de l’effet des protéines sur la prise alimentaire. 1. Les repas riches en protéines induisent l’expression des gènes de la néoglucogenèse à partir de la glutamine (Gln) dans l’intestin grêle, ce phénomène aboutissant à la libération de glucose (G) dans la veine porte. 2. Des cellules sensibles au glucose détectent ce signal dans les parois de la veine porte et le transmettent au noyau du tractus solitaire (NTS) via des afférences vagales. 3. Des relais nerveux convoient le message vers l’hypothalamus (HYP). 4. Il en résulte une diminution de sensation de faim et de la prise alimentaire subséquente. 5. Le message peut interagir avec des signaux cognitifs dans les régions supérieures du cerveau (système limbique, cortex).
hypothalamiques régulant la prise alimentaire de telle façon qu’un phénomène d’hypophagie prenne place au final (fig. 4). Il reste à préciser quels sont les mécanismes moléculaires de l’induction de la NGG intestinale et les mécanismes prenant place au niveau de l’hypothalamus. Néanmoins, les phénomènes que nous avons mis en lumière fournissent l’explication mécanistique de l’effet de satiété des protéines alimentaires, connu depuis longtemps mais resté inexpliqué [17]. Ils pourraient constituer le premier exemple d’un nouveau concept de régulation des sensations de faim et de satiété, impliquant le métabolisme glucidique intestinal en tant que relais essentiel de la composition en macronutriment de l’alimentation à la quantité d’aliment ingéré. La NGG est une fonction présente dans l’intestin grêle humain [9, 13, 22]. De plus, l’effet de satiété induit par les protéines existe chez l’homme [17, 23]. Le métabolisme glucidique intestinal pourrait donc constituer une nouvelle cible d’intérêt dans les approches préventives ou thérapeutiques de traitement des désordres du comportement alimentaire. Remerciements Les auteurs remercient tous les collaborateurs de leurs équipes respectives qui ont contribué à des titres divers à ces travaux. 214
Résumé Introduction : Les interactions entre le métabolisme glucidique et l’homéostasie énergétique sont connues depuis longtemps, notamment pour ce qui concerne le rôle suppresseur du glucose portal sur la prise alimentaire. Matériel et Méthodes : L’expression des gènes de la néoglucogenèse a été caractérisée au niveau de l’ARNm, de la protéine et de l’activité enzymatique. La production intestinale de glucose a été estimée par une approche combinant dilution de traceur (3-3H) glucose et balance glycémique artério-veineuse. L’effet du glucose portal sur la prise alimentaire a été étudié à l’aide de rats conscients porteurs de cathéters dans la veine porte. L’impact des perfusions au niveau hypothalamique a été étudié par immunodétection de la protéine c-Fos. Résultats : Les gènes régulateurs de la néoglucogenèse sont exprimés dans l’intestin grêle de rat et d’homme, et sont induits fortement : au cours du jeûne et par une alimentation riche en protéines, chez le rat. Dans les deux cas, l’induction se traduit par la libération de glucose dans la veine porte, qui perdure après la période postprandiale pour l’aliment riche en protéines. La perfusion de glucose dans la veine porte à des flux comparables diminue la prise alimentaire du rat et active les régions de l’hypothaCah. Nutr. Diét., 41, 4, 2006
biologie générale lamus impliquées dans la prise alimentaire de la même façon que le régime hyperprotéique. Conclusion : Ces résultats fournissent l’explication mécanistique de l’effet « satiétogène » des protéines, connu chez l’animal et chez l’homme, mais resté inexpliqué à ce jour. Mots-clés : Néoglucogenèse – Intestin grêle – Signal glucose portal – Comportement alimentaire.
Abstract Introduction: The interactions between glucose and energy homeostasis are well known, especially regarding the suppressing role on food intake of glucose into the portal vein. Material and Methods: The expression of genes of gluconeogenesis was characterized at the level of mRNA, protein, and enzymatic activity. Intestinal glucose production was quantified using a combination of (3-3H) glucose tracer dilution and arterio-venous glucose balance. The effect of portal glucose on food intake was studied using conscious rats with indwelling catheters into the portal vein. The effect of infusions at the hypothalamus level was studied by immunodetection of the protein c-Fos. Results: All regulatory genes of gluconeogenesis are expressed in the small intestine from rat and human. They are strongly induced in rat: during fasting; and by protein-enriched diet. In both cases, this promotes glucose release in the portal vein, lasting after the postprandial period for the protein-enriched regimen. The infusion of glucose at comparable rates into the portal vein decreases food intake in rat, and activates the hypothalamic regions involved in the control of food intake, just as does the protein enriched diet. Conclusion: These results provide a mechanistic explanation for the effect of satiety induced by diet protein, well known to occur in animals and humans, but unsolved up to now. Key-words: Gluconeogenesis – Small intestine – Portal glucose signal – Food behaviour.
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