Le rôle du stress oxydant dans les changements épigénétiques contribuant aux complications du syndrome métabolique

Abstract

La méthylation de l'ADN est l'une des modifications épigénétiques au niveau des îlots CpG. Cette modification épigénétique catalysée par les ADN méthyltransférases (DNMTs) consiste en la méthylation du carbone 5' d’une cytosine ce qui aboutit à la formation de 5-méthylcytosine. La méthylation de l'ADN est clairement impliquée dans l'inactivation des gènes et dans l'empreinte génétique. Elle est modulée par la nutrition, en particulier par les donneurs de méthyle et par une restriction protéique. Ces modifications épigénétiques persistent plus tard dans la vie et conduisent au développement de nombreuses pathologies telles que le syndrome métabolique et le diabète de type 2. En fait, de nombreux gènes clés subissent une modification de leur état de méthylation en présence des composants du syndrome métabolique. Cela montre que la méthylation de l'ADN est un processus important dans l'étiologie du syndrome métabolique. Le premier travail de ce doctorat a porté sur la rédaction d’un article de revue qui a examiné le cadre central du syndrome métabolique et analyser le rôle des modifications épigénétiques susceptibles d'influer sur l'apparition du stress oxydant et des complications cardiométaboliques. D’autre part, les cellules intestinales Caco-2/15, qui ont la capacité de se différencier et d’acquérir les caractéristiques physiologiques de l'intestin grêle, ont été utilisées et traitées avec du Fer-Ascorbate pour induire un stress oxydant. Le Fer-Ascorbate a induit une augmentation significative de l’inflammation et de la peroxydation des lipides (malondialdehyde) ainsi que des altérations de de la défense antioxydante (SOD2 et GPx) accompagnées de modifications épigénétiques. De plus, la pré-incubation des cellules avec de la 5-aza-2'-désoxycytidine, un agent de déméthylation et/ou l’antioxydant Trolox a normalisé la défense antioxydante, réduit la peroxydation des lipides et prévenu l'inflammation. Ce premier travail a démontré que les modifications du redox et l’inflammation induites par le Fer-Ascorbate peuvent impliquer des changements épigénétiques, plus particulièrement des changements dans la méthylation de l’ADN. Pour mieux définir l’impact du stress oxydant au niveau nutritionnel, des cochons d’Inde âgés de trois jours ont été séparés en trois groupes : 1) Témoins: alimentation régulière; 2) Nutrition parentérale (NP) 3) H2O2 : Témoins + 350 uM H2O2. Après quatre jours, pour un groupe, les perfusions ont été stoppées et les animaux sacrifiés pour la collecte des foies. Pour l’autre groupe d’animaux, les perfusions ont été arrêtées et les animaux ont eu un accès libre à une alimentation régulière jusqu'à la fin de l’étude, huit semaines plus tard où ils ont été sacrifiés pour la collecte des foies. Ceci a démontré qu’à une semaine de vie, l'activité DNMT et les niveaux de 5'-méthyl-2'-désoxycytidine étaient inférieurs pour les groupes NP et H2O2 par rapport aux témoins. A neuf semaines de vie, l’activité DNMT est restée basse pour le groupe NP alors que les niveaux de 5'-méthyl-2'-désoxycytidine étaient plus faibles pour les groupes NP et H2O2 par rapport aux témoins. Ce travail a démontré que l'administration de NP ou de H2O2, tôt dans la vie, induit une hypométhylation de l'ADN persistante en raison d'une inhibition de l'activité DNMT. Finalement, des souris ayant reçu une diète riche en gras et en sucre (HFHS) ont été utilisées comme modèle in vivo de syndrome métabolique. Les souris ont été nourris soit avec un régime standard chow (témoins), soit avec une diète riche en gras et en sucre (HFHS) ou avec une diète HFHS en combinaison avec du GFT505 (30 mg/kg), un double agoniste de PPARα et de PPARδ, pendant 12 semaines. La diète HFHS était efficace à induire un syndrome métabolique étant donnée l’augmentation du poids corporel, du poids hépatique, des adiposités viscérales et sous-cutanées, de l’insensibilité à l’insuline, des lipides plasmatiques et hépatiques, du stress oxydant et de l’inflammation au niveau du foie. Ces perturbations étaient accompagnées d’une déficience dans l’expression des gènes hépatiques PPARα et PPARγ concomitant avec une hyperméthylation de leurs promoteurs respectifs. L’ajout de GFT505 à la diète HFHS a empêché la plupart des effets cardiométaboliques induits par la diète HFHS via la modulation négative de l’hyperméthylation des promoteurs, résultant en l’augmentation de l’expression des gènes hépatiques PPARα et PPARγ. En conclusion, GFT505 exerce des effets métaboliques positifs en améliorant le syndrome métabolique induit par l'alimentation HFHS via des modifications épigénétiques des gènes PPARs. Ensemble, les travaux de cette thèse ont démontré que le stress oxydant provenant de la nutrition induit d’importants changements épigénétiques pouvant conduire au développement du syndrome métabolique. La nutrition apparait donc comme un facteur crucial dans la prévention de la reprogrammation fœtale et du développement du syndrome métabolique. Puisque les mécanismes suggèrent que le stress oxydant agit principalement sur les métabolites du cycle de la méthionine pour altérer l’épigénétique, une supplémentation en ces molécules ainsi qu’en antioxydants permettrait de restaurer l’équilibre redox et épigénétique.

DNA methylation is one of the epigenetic modifications to CpG islands. This covalent epigenetic modification, catalyzed by DNA methyltransferases (DNMTs), consists of localized cytosine methylation in carbon 5’ of the CpG islands resulting in 5-methylcytosine. DNA methylation is clearly implicated in stable gene inactivation and also in the genetic footprint. It is modulated by nutrition, particularly methyl donors and protein restriction. These epigenetic changes persist later in life and lead to the development of numerous pathologies such as metabolic syndrome and type 2 diabetes. In fact, many key genes undergo a modification to their methylation status in the presence of metabolic syndrome components. This shows that DNA methylation is a major process in the etiology of metabolic syndrome. The first work of this Ph.D focused on writing a journal article that examined the central part of the metabolic syndrome and analyze the role of epigenetic changes that may affect the occurrence of oxidative stress and cardiometabolic complications. Furthermore, intestinal cells Caco-2/15, which have the capacity to differentiate and acquire the physiological characteristics of the small intestine, were used and treated with iron-ascorbate to induce oxidative stress. Iron-ascorbate induced a significant increase in inflammation and lipid peroxidation (malondialdehyde) and alterations of the antioxidant defense (GPx and SOD2) accompanied by epigenetic changes. Moreover, pre-incubation of Caco-2/15 cells with 5-Aza-2′-deoxycytidine, a demethylating agent, and/or Trolox antioxidant normalized the activities of SOD2 and GPx, reduced lipid peroxidation and prevented inflammation. This initial work has shown that changes in the redox and inflammation induced by iron-ascorbate may involve epigenetic changes, particularly DNA methylation. To better define the impact of oxidative stress on the nutritional level, Guinea pigs aged three days were divided into three groups : 1) Control: animals enterally fed with regular chow; 2) Total parenteral nutrition (TPN); 3) H2O2: Control+ i.v. infusion with 350 μM H2O2. After four days, for one group, animals were sacrificed for liver sampling. The other group of animals had free access to regular chow and water until the end of study, 8 weeks later and were sacrificed after this period. This work has shown that at one week of age, DNMT activity and 5’-methyl-2’-deoxycytidine levels were lower in TPN and H2O2 groups compared to controls. At nine weeks, DNMT activity remained lower in TPN group whereas 5’-methyl-2’-deoxycytidine levels were lower in TPN and H2O2 groups. This work has demonstrated that administration of TPN or H2O2, early in life in Guinea pigs, induces a sustained hypomethylation of DNA following inhibition of DNMT activity. Finally, mice that have received a high-fat high-sugar diet (HFHS) were used as in vivo model of metabolic syndrome. Mice were fed either a standard chow diet (controls), a high-fat/high-sucrose (HFHS) diet, or the HFHS diet in combination with GFT505 (30 mg/kg), for 12 weeks. The HFHS diet was effective in inducing metabolic syndrome characteristics in view of increases in body weight, visceral adiposity, insulin insensitivity, plasma and hepatic lipids, oxidative stress and inflammation in liver. These derangements were accompanied with deficient in PPARα and PPARγ hepatic gene expressions and hypermethylation of their respective promoters. Addition of GFT505 to the HFHS diet prevented most of the cardiometabolic effects induced by HFHS diet via negative modulation of promoter hypermethylation, resulting in raised PPARα and PPARγ hepatic gene expression. In conclusion, GFT505 exerts positive metabolic effects by improving HFHS diet-induced metabolic syndrome due to epigenetic alterations of PPARs genes. Together, the work of this thesis has shown that oxidative stress from nutrition can regulate epigenetic that lead to the development of metabolic syndrome. Nutrition appears as a critical factor in the prevention of fetal reprogramming and development of the metabolic syndrome. Since the mechanisms suggest that oxidative stress acts on metabolites of methionine cycle to alter the epigenetic, supplementation of these molecules and antioxidants could help to restore the redox balance and the epigenetic.