Sylvie Grall, Claire Fenech, Chloé Chrétien, Lucie Desmoulins, Claude Knauf, Xavier Fioramonti, Anne Galinier, Christophe Magnan, Lionel Carneiro, Luc Pénicaud, Camille Allard, Audren Fournel, Stephan Collins, Corinne Leloup, Thomas Mouillot, Romain Paccoud, Fabienne Liénard, Céline Cruciani-Guglielmacci, Aurore Quinault, Centre des Sciences du Goût et de l'Alimentation [Dijon] (CSGA), Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université de Bourgogne (UB)-AgroSup Dijon - Institut National Supérieur des Sciences Agronomiques, de l'Alimentation et de l'Environnement-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Unité de Biologie Fonctionnelle et Adaptative (BFA (UMR_8251 / U1133)), Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), STROMALab, Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse (ENVT), Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Etablissement Français du Sang-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Faculté de Médecine [Rangueil], Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-CHU Toulouse [Toulouse], Laboratoire de physiopathologie de la nutrition (LPN), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7), Nutrition et Neurobiologie intégrée (NutriNeur0), Ecole nationale supérieure de chimie, biologie et physique-Institut Polytechnique de Bordeaux-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2, Développement et Communication Chimique chez les Insectes (DCCI), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Bourgogne (UB)-AgroSup Dijon - Institut National Supérieur des Sciences Agronomiques, de l'Alimentation et de l'Environnement, Unité de Biologie Fonctionnelle et Adaptative [Avant 2020] (BFA (UMR_8251 / U1133)), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Institut Polytechnique de Bordeaux-Ecole nationale supérieure de chimie, biologie et physique, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse (ENVT), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Etablissement Français du Sang-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Institut des Maladies Métaboliques et Cardiovasculaires (I2MC), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), This work was supported by a PhD fellowship from the Ministere de l'Enseignement Superieur et de la Recherche to LD and grants to CL: Institut de France (NRJ award), Agence National de la Recherche No ANR-11-BSV1-0007, recurrent financial supports from the Burgundy's Regional Council, the University of Burgundy and the CNRS. CCG and CM received grant from the Agence Nationale de la Recherche No ANR-16-CE14-0026., Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7), Université de Bourgogne (UB)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro Dijon, Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Hôpital du Bocage, Centre Hospitalier Universitaire de Dijon - Hôpital François Mitterrand (CHU Dijon), Institut de Recherche en Santé Digestive (IRSD ), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), Nutrition et Neurobiologie intégrée (NutriNeuro), Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux-Ecole nationale supérieure de chimie, biologie et physique-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), and Pénicaud, Luc
Objective Hypothalamic glucose sensing (HGS) initiates insulin secretion (IS) via a vagal control, participating in energy homeostasis. This requires mitochondrial reactive oxygen species (mROS) signaling, dependent on mitochondrial fission, as shown by invalidation of the hypothalamic DRP1 protein. Here, our objectives were to determine whether a model with a HGS defect induced by a short, high fat-high sucrose (HFHS) diet in rats affected the fission machinery and mROS signaling within the mediobasal hypothalamus (MBH). Methods Rats fed a HFHS diet for 3 weeks were compared with animals fed a normal chow. Both in vitro (calcium imaging) and in vivo (vagal nerve activity recordings) experiments to measure the electrical activity of isolated MBH gluco-sensitive neurons in response to increased glucose level were performed. In parallel, insulin secretion to a direct glucose stimulus in isolated islets vs. insulin secretion resulting from brain glucose stimulation was evaluated. Intra-carotid glucose load-induced hypothalamic DRP1 translocation to mitochondria and mROS (H2O2) production were assessed in both groups. Finally, compound C was intracerebroventricularly injected to block the proposed AMPK-inhibited DRP1 translocation in the MBH to reverse the phenotype of HFHS fed animals. Results Rats fed a HFHS diet displayed a decreased HGS-induced IS. Responses of MBH neurons to glucose exhibited an alteration of their electrical activity, whereas glucose-induced insulin secretion in isolated islets was not affected. These MBH defects correlated with a decreased ROS signaling and glucose-induced translocation of the fission protein DRP1, as the vagal activity was altered. AMPK-induced inhibition of DRP1 translocation increased in this model, but its reversal through the injection of the compound C, an AMPK inhibitor, failed to restore HGS-induced IS. Conclusions A hypothalamic alteration of DRP1-induced fission and mROS signaling in response to glucose was observed in HGS-induced IS of rats exposed to a 3 week HFHS diet. Early hypothalamic modifications of the neuronal activity could participate in a primary defect of the control of IS and ultimately, the development of diabetes., Graphical abstract Image 1, Highlights • Only three weeks of HFHS diet consumption impairs hypothalamic glucose sensing. • HFHS consumption alters central glucose-induced vagal control of insulin secretion. • Glucose-induced ROS production and mitochondrial fission are decreased in HFHS rats. • Impaired translocation of DRP1in HFHS rats does not involve its phosphorylation.