Rôle de Tbx3 dans la détermination de l'identité fonctionnelle des neurones POMC dans l'obésité – neuroIDobese

La surexpression virale de Tbx3 dans les neurones à POMC a été réalisée au moyen d'une chirurgie stéréotaxique, après quoi nous avons analysé le métabolisme de nos souris par différentes approches. Nous avons en outre mesuré leur poids corporel ainsi que leur prise alimentaire, et analysé leur métabolisme glucidique grâce aux tests de tolérance au glucose, à l'insuline et à la quantification des taux d'insuline plasmatique. Nous avons également réalisé des enregistrements par patch-clamp sur cellules entières des neurones à POMC du noyau arqué de l'hypothalamus, dans des tranches de cerveau provenant de nos souris « POMC-tracing ». Cette analyse a été suivie d'une qRT-PCR sur cellule unique pour détecter une série de marqueurs d'identité et de fonction cellulaire. Enfin, nous avons eu recours à l'immunohistochimie et à l'hybridation in situ pour analyser ex vivo l'expression de plusieurs marqueurs de l'identité et de la fonction cellulaire, dans des tranches d'hypothalamus obtenues à partir de nos souris « POMC-tracing ». Nous avons ensuite mis au point et utilisé de nouveaux outils d'imagerie pour quantifier l'expression de ces différents marqueurs chez des animaux exposés à des régimes alimentaires standards ou hypercaloriques, à une résolution unicellulaire.

Les travaux réalisés jusqu'à présent ont permis de démontrer que, comme supposé initialement, les modifications de l'expression de Tbx3 dans les neurones à POMC induites par des signaux alimentaires jouent un rôle crucial dans la physiopathologie de l'intolérance au glucose liée à l'obésité. Nous avons en effet observé que la surexpression virale de Tbx3 dans les neurones à POMC protégeait les animaux des altérations du contrôle glycémique provoquées par l'exposition à un régime hypercalorique (livrable 3.1). Ces changements sont en outre indépendants des modifications de la composition corporelle ou de la prise alimentaire liés à l'approche virale. Nos données révèlent donc que lors d'un stress métabolique induit par le régime alimentaire, l'action de Tbx3 dans les neurones à POMC affecte le métabolisme systémique du glucose, probablement via des mécanismes qui établissent un lien direct entre les circuits neuronaux du cerveau et le contrôle métabolique des organes périphériques. D'autres expériences sont actuellement en cours afin de déterminer si les mêmes changements phénotypiques sont observés chez les animaux où Tbx3 est surexprimé dans les neurones à POMC, après établissement de l'obésité (livrable 3.2). Une fois ces expériences terminées, nous prévoyons de poursuivre l'exploration prévue des facteurs moléculaires associés à Tbx3 et qui pourraient être impliqués dans le phénotype observé (livrables 2.1 et 2.2).
Une seconde étape importante a été franchie : l'exploration fonctionnelle des neurones à POMC grâce à nos souris rapportrices (« POMC-tracing ») (livrable 1.2), à l’échelle unicellulaire, en utilisant des enregistrements par patch-clamp sur cellules entières combinés à la qPCR de cellules uniques. Grâce à cette approche, nous avons observé que le stress induit par le régime alimentaire altérait l'activité de clusters spécifiques de neurones à POMC, définis par une série de marqueurs d'identité neuronale, dont Tbx3, mais aussi d’autres marqueurs tels que CART, le récepteur de la leptine, le récepteur du GLP-1 et le récepteur de l'insuline.

Nos résultats suggèrent que les mécanismes de plasticité identitaire médiés par Tbx3 sont probablement au cœur du dysfonctionnement des neurones à POMC dans l'obésité. De plus, nous avons identifié une sous-population de neurones à POMC inconnue à ce jour. Ceux-ci sont caractérisés par une identité fonctionnelle atypique et une susceptibilité accrue aux dysfonctionnements liés à l’obésité.
L'obésité représente un important fardeau social et économique, mais il existe peu d'outils pharmacologiques permettant de contrer cette maladie de manière sûre et efficace. Ce manque s’explique en partie par un déficit de connaissance des mécanismes cellulaires et moléculaires qui sous-tendent l’étiologie de l’obésité, d’où le faible nombre de cibles thérapeutiques cliniquement pertinentes qui ont été découvertes jusqu’à présent. Nos résultats suggèrent que les changements dans l'identité fonctionnelle des neurones hypothalamiques à POMC pourraient représenter un nouveau mécanisme impliqué dans la physiopathologie du diabète de type 2 dans l'obésité.

Research articles

1) Quarta C et al (2022). GLP-1-mediated delivery of tesaglitazar improves obesity and glucose metabolism in male mice. Nature Metabolism 4(8):1071-1083.

2) Castellanos-Jankiewicz A, ..Quarta C et al (2021). Hypothalamic bile acid-TGR5 signaling protects from obesity. Cell Metabolism S1550-4131(21)00175-3

3) Saucisse N., ..Quarta C‚ et al (2021). POMC neurons functional heterogeneity relies on mTORC1 signaling. Cell Reports 2021 Oct 12;37(2):109800.

Review and Perspectives

4) Allard C, Zizzari P, Quarta C, Cota D. (2022). Food intake and body weight in rodent studies: the devil is in the details. Nature Metabolism, in press.

5) Quarta C et al (2021). POMC neuronal heterogeneity in energy balance and beyond: an integrated view. Nature Metabolism 3(3):299-308.

6) Lee TH..Quarta C*. Yin-Yang control of energy balance by lipids in the hypothalamus: The endocannabinoids vs bile acids case. Biochimie 19:S0300-9084(22)00182-1. *corr. author.

7) Leon S.. Quarta C* (2021). Microglia–Neuron Crosstalk in Obesity: Melodious Interaction or Kiss of Death? International Journal of Molecular Sciences. 22, 5243. *corr. author.

Invited talks Dr Quarta

1) International Workshop Well-Aging and the Tanycytic Control of Health (WATCH). Title: Single-cell mapping of POMC neurons in obesity reveals novel subtypes with atypical identity. Prato, Italy (26-28 June 2022).

2) International virtual meeting French and British Societies for Neuroendocrinology (SNE/BSN), 2021. Title: Impact of hypercaloric diets on POMC neuronal plasticity. Bordeaux, France (22-24 September 2021)

3) Neurocentre Magendie’s Symposium. Title: Single-cell mapping of POMC neurons in obesity reveals novel subtypes with ‘atypical identity’.(Bordeaux, France 16/04/22).

4) Journées Francophones de Nutrition. Title: Contrôle moléculaire de l'identité des neurones hypothalamiques dans l'obésité.(online, congress, 2021).

5) NeuroFrance International congress 2021. Title: Molecular control of hypothalamic neurons identity (online, 20/05/21).

Oral presentations Leon Stéphane (thesis Director Dr. Quarta)

1) Single-cell molecular and functional mapping of POMC neurons in obesity: a multimodal approach. EMBO Workshop (03-06 October 2022, Malaga, Spain).

2) Single-cell mapping of POMC neurons in obesity reveals novel subtypes with ‘atypical identity’. 24th European Congress of Endocrinology (Milan, International congress, 24/05/22).

3)Lineage tracing of POMC neurons reveals heterogeneity in response to metabolic stress. 23rd European Congress of Endocrinology (e-ECE, online, International congress, 26/05/21).

4) Single-cell mapping of POMC neurons in obesity reveals novel subtypes with ‘atypical identity’. 19th Synape and Network day (Bordeaux, Scientific Day, 13/09/22).

5) Contrôle moléculaire de l’identité des neurones hypothalamiques dans l’obésité. Journées Francophones de Nutrition (online, National congress, 2021).

Les régimes hypercaloriques peuvent provoquer des altérations permanentes de l'homéostasie énergétique, en perturbant l'état de différenciation et donc l'identité fonctionnelle des neurones hypothalamiques, i.e. leurs mécanismes cellulaires spécifiques. Cette hypothèse nécessite encore une démonstration directe, au vu de notre connaissance limitée des facteurs impliqués. J'ai récemment découvert le rôle crucial joué par le facteur de transcription Tbx3 dans la détermination de l'identité fonctionnelle des neurones POMC hypothalamiques. L'obésité d'origine alimentaire inhibe l'expression de Tbx3 hypothalamique chez les modèles murins et chez l'homme. Ainsi, nous examinerons si les régimes hypercaloriques perturbent l’identité des neurones POMC via des modifications de l’expression de Tbx3 et si cela contribue au développement de l’obésité. Nos études pourraient mettre en évidence les principales molécules reliant le dysfonctionnement des neurones POMC à la pathogénèse de l'obésité.