Role of hypothalamic FGF21 in the early onset of high-fat diet-induced hypothalamic inflammation and glucose intolerance

Le système nerveux central, et plus particulièrement l’hypothalamus, joue un rôle crucial dans la régulation de la prise alimentaire et de la balance énergétique. L’altération de ce contrôle hypothalamique, à la suite d’une consommation d’un régime enrichi en lipides (HF), conduit à des désordres métaboliques majeurs contribuant au développement de l’obésité : inflammation hypothalamique et insulino-résistance. Or, il a été montré que l’inflammation hypothalamique apparait dès quelques jours de consommation d’un régime HF et donc bien avant l’apparition de l’obésité. Ce qui suggère, son rôle causal dans le développement de cette pathologie et des dysfonctions métaboliques associés. Toutefois, les facteurs hormonaux et métaboliques impliqués dans ces altérations restent encore inconnus à ce jour. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés au FGF21 (Fibroblast growth factor 21). Cette hépatokine, impliquée dans la régulation du métabolisme des glucides et des lipides, est connue pour ses propriétés anti-inflammatoires et insulino-sensibilisatrices périphériques en situation obésogène. Outre son expression hépatique, il a été récemment rapporté que le FGF21 est également produit dans l'hypothalamus. Cependant, le rôle du FGF21 hypothalamique, son mode d’action ainsi que sa régulation nutritionnelle demeurent très peu documentés à ce jour.Dans ce contexte, les objectifs principaux de cette thèse ont été de : 1/ caractériser l’expression de FGF21 et ses récepteurs (FGFR1/KLB) dans les noyaux hypothalamiques et les populations cellulaires de l’hypothalamus médio-basal (MBH) . 2/ étudier l’impact de la consommation du régime obésogène HF à court terme (pendant 3 et 8 jours) sur l’expression de FGF21 et de ses récepteurs dans le MBH. 3/ étudier les effets de l’invalidation spécifique de FGF21 dans le MBH, sur le développement précoce de la gliose réactionnelle et l’intolérance au glucose induites par la consommation du régime HF pendant 3 jours.Dans un premier temps, en combinant des techniques d’hybridation in situ et d’immunohistochimie, nous avons mis en évidence une expression marquée de FGF21 dans les neurones et les tanycytes du MBH de souris C57Bl/6J. En revanche, aucune expression n’a été détectée ni dans les astrocytes ni dans les cellules microgliales. De plus, nos données révèlent la présence du récepteur à FGF21 (FGFR1) et du corécepteur (KLB) dans les neurones, les tanycytes, la microglie et les astrocytes.Dans un deuxième temps, nos résultats montrent que la courte exposition au régime HF, pendant 3 et 8 jours, augmente significativement l'expression génique de FGF21, en particulier dans les tanycytes et dans les neurones du MBH. De plus, nous trouvons que l’augmentation de cette expression de FGF21 est corrélée positivement à la gliose réactionnelle et à l'intolérance au glucose induites par le régime HF.Enfin sur la base de ces résultats, nous avons cherché à déterminer le rôle du FGF21 hypothalamique. Pour cela, nous avons étudié l’impact de son invalidation spécifique, dans le MBH de souris C57Bl/6J soumises à 3 jours de régime HF, via une approche d’ARN interférent basée sur l’injection stéréotaxique de particules virales adéno-associées (AAV-ShRNA-FGF21). Nous montrons que la diminution dans l’ARC de l’expression de FGF21 exacerbe les effets délétères du régime HF de court terme, avec une gliose réactionnelle plus précoce associée à une accentuation de l’intolérance au glucose. Ces résultats suggèrent donc, pour la première fois, un rôle protecteur du FGF21 hypothalamique. En accord avec ces résultats, nous montrons in vitro, sur des cultures de cellules neuronales, microgliales, tanycytaires et astrocytaires, que le traitement par le FGF21 prévient la réponse inflammatoire induite par une surexposition au palmitate (mimant un régime HF).The central nervous system, and more particularly the hypothalamus, plays a crucial role in the regulation of food intake and energy balance. The alteration of this hypothalamic control, following the consumption of a high-fat diet (HFD), leads to major metabolic disorders contributing to the development of obesity: hypothalamic inflammation and insulin resistance. However, it has been shown that hypothalamic inflammation appears as early as a few days after the consumption of an HFD and therefore well before the onset of obesity. This suggests its causal role in the development of this pathology and the associated metabolic disorders. However, the hormonal and metabolic factors involved in these alterations remain unknown to this day. In this context, we are interested in FGF21 (Fibroblast growth factor 21). This hepatokine, involved in the regulation of carbohydrate and lipid metabolism, is known for its anti-inflammatory and peripheral insulin-sensitizing properties in obesogenic situations. In addition to its hepatic expression, it has recently been reported that FGF21 is also produced in the hypothalamus. However, the role of hypothalamic FGF21, its action mode and its nutritional regulation remain poorly understood.In this context, the aims of this thesis were to: 1/ to characterize the hypothalamic nuclei and cell populations of the medio-basal hypothalamus (MBH) expressing FGF21 and its receptors (FGFR1/KLB) 2/ to study the impact of the consumption of the short term HFD (for 3 and 8 days) on the expression of both FGF21 and its receptors in the MBH 3/ to study the effects of specific FGF21 blockade in the MBH on the early development of reactive gliosis and glucose intolerance induced by 3 days HFD consumption.For aim 1, by combining in situ hybridization and immunohistochemistry techniques, we demonstrated a marked expression of FGF21 in neurons and tanycytes of the MBH (C57Bl/6J mice). In contrast, no expression was detected in either astrocytes or microglial cells. In addition we reveal the presence of the FGF21 receptor (FGFR1) and its coreceptor (KLB) in neurons, tanycytes, microglia and astrocytes.For aim 2, our results show that short exposure to the HFD, for 3 and 8 days, significantly increases FGF21 gene expression, particularly in tanycytes and in MBH neurons. Remarkably, the increase in this FGF21 expression correlates positively with the reactive gliosis and glucose intolerance induced by the HFD.Finally, based on these results, we sought to determine the role of hypothalamic FGF21. To this end, we studied the impact of its specific invalidation, in the MBH of C57Bl/6J mice subjected to 3 days of HFD, via an interfering RNA approach based on stereotactic injection of adeno-associated viral particles (AAV-ShRNA-FGF21). We show that the decrease in FGF21 expression in ARC exacerbates the deleterious effects of the short-term HFD, with earlier reactive gliosis associated with an accentuation of glucose intolerance. These results thus suggest, for the first time, a protective role of hypothalamic FGF21. In agreement with these results, we show in vitro, in neuronal, microglial, tanycytes and astrocytes cell cultures, that FGF21 treatment prevents the inflammatory response induced by overexposure to palmitate (mimicking an HFD)