Cell type-specific role of the type 1 Cannabinoid receptor in the regulation of energy balance

Le système endocannabinoïde (SEC) a récemment émergé comme un important modulateurde la prise alimentaire et de la balance énergétique. Les récepteurs cannabinoïdes de type 1(récepteurs CB1) et ses ligands endogènes, le 2-arachidonoyl-glycérol (2-AG) et l’anandamide(AEA), sont largement présents au sein du cerveau ainsi qu’au niveau des organespériphériques impliqués dans la régulation du métabolisme énergétique, tels que le foie, letissu adipeux, les muscles squelettiques, le pancréas et le tractus gastro-intestinal. Lastimulation pharmacologique des récepteurs CB1 conduit généralement à une augmentation dela prise et du stockage énergétique, tandis que les antagonistes CB1 exercent les effets opposéschez l’animal ainsi que chez l’homme. De surcroît, des corrélations ont été établies entre unesur régulation pathologique du SEC et les troubles métaboliques.Pourtant, plusieurs preuves indiquent que la relation entre le SEC et le métabolismeénergétique pourrait être plus complexe, probablement à cause de la multiplicité des sites oùle SEC peut agir à travers l’organisme. L’objectif général de ce travail de thèse fut dedisséquer les différents mécanismes par lesquels le SEC régule la prise alimentaire etl’équilibre énergétique. Le premier Chapitre de cette thèse détaille les mécanismes neuronauxmodulant l’équilibre énergétique chez les mammifères. Dans le Chapitre II, nous analysonsles différents types neuronaux cérébraux responsables de l’impact de la signalisation desrécepteurs CB1 sur la prise alimentaire stimulée. Dans le Chapitre III, nous proposons que leblocage pharmacologique des récepteurs CB1 exerce un effet anorexigène en agissant sur lesneurones périphériques sympathiques. Enfin, au cours du Chapitre IV nous disséquons le rôlepossible des récepteurs CB1 sur la balance énergétique.Les antagonistes CB1 ont été montrés comme n’exerçant que des effets anorexigènestransitoires, ceux-ci disparaissant après quelques semaines de traitement chez l’animal etquelques mois chez des patients obèses. De plus, les agonistes CB1 résultent en des effets biphasiques typiques. En effet, des doses faibles à modérées augmentent la prise alimentairechez l’animal tandis que de fortes doses diminuent les comportements d’ingestion. Lesrécepteurs CB1 sont exprimés sur différentes populations neuronales, dont les neuronesGABAergiques et glutamatergiques corticaux. Puisque l’activation des récepteurs CB1 induitgénéralement une réduction de la libération des neurotransmetteurs, il est probable que leseffets manifestement contradictoires des manipulations pharmacologiques soient dus à cetteexpression différentielle des récepteurs CB1. En combinant les approches pharmacologiqueset génétiques, nous avons montré que les récepteurs CB1 localisés au niveau du striatumventral sont associés à une action hypophagique via une inhibition de la transmissionGABAergique. Au contraire, les récepteurs CB1 cérébraux modulant les transmissionsexcitatrices sous-tendent l’effet orexigène bien connu des cannabinoïdes (Chapitre II).L’injection aiguë de l’antagoniste CB1, le SR141716 (Rimonabant) a un puissant effetanorexigène dans des conditions de prise alimentaire stimulée, telles que l’hyperphagieinduite par le jeûne. Néanmoins, la nature de cet effet (centrale versus périphérique) ainsi queles circuits neuronaux impliqués sont encore objets d’investigations. Dans le Chapitre III,nous mettons en évidence que l’hypophagie induite par le Rimonabant est indépendante d’unemodulation des transmissions GABAergique, glutamatergique corticale ou sérotoninergiquepar les récepteurs CB1 dans le cerveau, aussi bien que d’actions intrinsèques des récepteursCB1 au niveau de différents noyaux hypothalamiques. En fait, le Rimonabant inhibe la prisealimentaire stimulée en potentialisant directement l’activité du système périphériquesympathique.En ce qui concerne les fonctions métaboliques du SEC, il n’est actuellement pas encoreclairement établi si ce sont les récepteurs CB1 exprimés sur les neurones ou ceux localisés surles organes métaboliques périphériques qui jouent un rôle majeur dans le contrôle du stockageet de la consommation énergétique dans des conditions physiologiques ou pathologiques.Dans ce scenario, au Chapitre IV, nous montrons que les récepteurs CB1 neuronaux jouent unrôle clé dans le développement de l’obésité induite par la diète. Les souris mutantesconditionnelles caractérisées par une délétion des récepteurs CB1 au niveau des neurones duprosencéphale et des neurones périphériques sympathiques (connus pour contrôler la prisealimentaire et le poids corporel) mais pas au niveau des organes périphériques, exhibent unphénotype de type mince ainsi qu’une résistance à l’obésité induite par la diète. Ce phénotyperésulte d’une augmentation de l’oxydation des lipides et de la thermogenèse associée à unediminution de l’absorption énergétique due à une potentialisation de l’activité sympathique.Dans le Chapitre V, nous discutons de la signalisation neuronale des récepteurs CB1 commeune clé déterminante de l’action du SEC sur l’équilibre énergétique. Nous proposons que lesrécepteurs CB1 exercent un contrôle bimodal sur le comportement alimentaire et régulent lesdépenses énergétiques ainsi que l’activité du système nerveux sympathique. Les différencesentre le rôle des agonistes endogènes versus exogènes des récepteurs CB1, mais aussi entre lesagonistes versus antagonistes suggèrent que ces récepteurs pourraient bénéficier de propriétéspharmacologiques particulières à la signalisation du type cellulaire impliqué.The endocannabinoid system (ECS) has recently emerged as an important modulator of foodintake and energy balance. Cannabinoid type-1 (CB1) receptor and endogenous ligands, 2-arachidonoyl-glycerol (2-AG) and anandamide (AEA), are largely present in the brain and inperipheral organs involved in the regulation of energy metabolism, such as liver, adiposetissue, skeletal muscle, pancreas and GI tract. Pharmacological CB1 stimulation generallyleads to an increase in energy intake and storage, whereas CB1 antagonists exert the oppositeeffects in both animals and humans. Furthermore, there is evidence of correlations betweenpathological ECS up-regulation and metabolic diseases.However, several pieces of evidence indicate that the relationship between the ECS andenergy intake and metabolism might be more complex than previously believed, likely due tothe different sites where the ECS could act in the body. The general aim of this Thesis workwas to dissect the different mechanisms through which the ECS regulates food intake andenergy balance. The first Chapter of this Thesis is an overview of the neuronal mechanismsregulating energy balance in mammals. In Chapter II, we analysed the brain neuronal typesresponsible of the impact of CB1 signalling on stimulated food intake. Chapter III, reveals thatthe pharmacological blockade of CB1 exerts anorectic effect acting at peripheral sympatheticneurons. Then (chapter IV) we dissected the possible impact of neuronal CB1 onto energybalance.CB1 antagonists were shown to exert only transient anorectic effects, which disappear afterfew weeks of treatment in animals and few months in obese patients. Furthermore, CB1agonists show typical biphasic effects, with low-to-moderate doses increasing food intake inanimals, and high doses decreasing ingestive behaviour. CB1 is expressed in many differentneuronal populations, including GABAergic and cortical glutamatergic neurons. As thegeneral effect of CB1 activation is a reduction of neurotransmitter release, it is possible thatthese apparently discrepant effects of pharmacological manipulations are due to thedifferential expression of the receptor. By using combined pharmacological and geneticapproaches we found that ventral striatal CB1 receptors are endowed with a hypophagicimpact through inhibition of GABAergic transmission. Conversely, brain CB1 receptorsmodulating excitatory transmission mediate the well-known orexigenic effects ofcannabinoids (Chapter II).The acute injection of CB1 antagonist SR141716 (Rimonabant) has an important anorecticeffect in condition of stimulated food intake, such as fasting-induced hyperphagia. However,the nature of this effect (central versus peripheral) as well as the neuronal circuits involved isstill matter of investigation. In Chapter III we show that rimonabant-induced hypophagia isindependent from CB1 modulation of GABAergic, cortical glutamatergic and serotoninergictransmission in the brain, as well as intrinsic actions of CB1 in different hypothalamic nuclei.In fact, rimonabant inhibits stimulated food intake by directly enhancing peripheralsympathetic actions.In relationship to metabolic functions of the ECS, it is not yet clear whether CB1 receptorsexpressed on neurons or on peripheral metabolic organs play a major role in the control ofenergy storage and consumption in both physiological and pathological conditions. In thisscenario, in Chapter IV, we show that neuronal CB1 receptors play a key role in thedevelopment of diet-induced obesity. Conditional mutant mice lacking CB1 expression inforebrain neurons and sympathetic peripheral neurons, known to control food intake and bodyweight, but not in peripheral organs, displayed a lean phenotype and resistance to diet-inducedobesity. This phenotype results from an increase in lipids oxidation and thermogenesis and adecrease in energy absorption due to an increase of the sympathetic tone.As discussed in the Chapter V, neuronal CB1 signalling is a key determinant of the ECSaction on energy balance, by exerting a bimodal control of feeding behaviour and byregulating energy expenditure and sympathetic nervous system activity. The differencesbetween the role of endogenous versus exogenous CB1 agonists, as well as between agonistsversus antagonists suggest that this receptor may have different pharmacological propertiesaccording to the cell type-specific signalling involved