Study of the metabolism of cationic amino acids in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) : focus on cationic amino acid transporters | MECANISMES D’ABSORPTION DES ACIDES AMINES CATIONIQUES ET LEURS CONSEQUENCES METABOLIQUES CHEZ LA TRUITE ARC-EN-CIEL (Oncorhynchus mykiss

Inglés. The imperative of sustainable aquaculture leads to orient the feeding of farmed fish towards the substitution of fishmeal by renewable plant products. However, this replacement is often limited by low levels of certain cationic amino acids (CAAs), such as lysine (K) and arginine (R), in plant raw materials. Thus, supplementation with these CAAs in these new plant-based diets improves the growth of various fish species, without however reaching the results obtained with conventional feeds based on fish meal. In this context, and in order to improve our understanding of the mechanisms of the use of CAAs by fish, the work carried out during this thesis focused on the study of the regulation of CAA transporter (CAAT) expression. CAAT represent a gateway for CAA at cellular level, and we suspect that dysregulations of their expression, in trout fed on plant-based diets and supplemented with free CAA, can be, at least, in part, responsible of poorer growth performance observed under these nutritional conditions. To carry out this study, we chose an original approach in the field of fish nutrition, based on the use of rainbow trout cell lines. These have the advantage to test quickly, directly and with high reproducibility the effect of various biotic (nutrients, xenobiotics, etc.) or abiotic factors (temperature, oxidative stress, etc.) on a given cell function, by deleting the systemic effects of the factors studied and without the use and sacrifice of fish. The results obtained show firstly that the amino acid response pathways (the GCN2 pathway, the mTOR pathway and macroautophagy) are well conserved in the 3 cell lines studied, validating their use for the study undertaken and, more generally, for their use in fish nutrition studies. Regarding CAAT, the data obtained show the presence of 42 orthologous genes to human CAATs in the rainbow trout genome and the expression of 16 of them in the 3 cell lines studied. Some of these genes (including y+LAT2 and 4 homologous CAT2 transporters), are overexpressed during AA or CAA (K and/or R) deficiencies, suggesting that, as we suspect, a dietary imbalance in these AAs may disrupt the expression of CAAT in trout fed novel plant-based feeds. Although the accurate mechanisms underlying the effect of AA or CAA deficiency on the expression of the studied genes are not clearly elucidated in our cell models, our data point to an involvement of the GCN2 pathway. Finally, we show for the first time in a species of fish that a deficiency in R, and to a lesser extent in K, disrupts the activation of mTOR, establishing a close link between the dysregulations of the expression of some CAAT and that of a major pathway controlling cell growth. Surprisingly, the decrease in mTOR activation during R deficiency is not accompanied by a decrease in cell proliferation, suggesting the development of adaptation mechanisms to R deficiency that remain to be discovered. Overall, our data provide a base of knowledge essential to a better understanding of the mechanisms governing the use of CAAs by fish and validate the use of trout cell lines in the field of fish nutrition in order to define more finely the molecular mechanisms linked to physiological deregulation induced by plant foods.

Francés. L’impératif d’une aquaculture durable conduit à orienter l’alimentation des poissons d’élevage vers la substitution de la farine de poisson par des produits végétaux renouvelables. Toutefois, ce remplacement est souvent limité par des niveaux trop faibles en certains acides aminés cationiques (AAC), comme la lysine (K) et l’arginine (R), dans les matières premières végétales. Ainsi la supplémentation en ces AAC de ces nouveaux régimes à base végétale améliore la croissance de différentes espèces de poissons, sans pour autant atteindre les résultats obtenus avec les aliments classiques à base de farine de poissons. Dans ce contexte, et afin d’améliorer notre compréhension des mécanismes régissant l’utilisation des AAC par les poissons, les travaux réalisés au cours de cette thèse ont porté sur l’étude de la régulation de l’expression des transporteurs aux AAC (TAAC). Ceux-ci constituent de véritables « portes d’entrée » des AAC au niveau cellulaire, et nous suspectons que des dérégulations de leur expression, chez des truites nourries avec des régimes à base de végétaux et supplémentés en AAC libres, puisse être impliquées, du moins en partie, dans les moins bonnes performances de croissance observées dans ces conditions nutritionnelles. Pour mener à bien cette étude, nous avons choisi une approche originale dans le domaine de la nutrition des poissons, basée sur l’utilisation de lignées cellulaires de truite arc-en-ciel. Celles-ci, présentent l’avantage ne pouvoir tester rapidement, directement et de façon très reproductible l’effet de divers facteurs biotiques (nutriments, xénobiotiques, …) ou abiotiques (température, stress oxydant, …) sur une fonction cellulaire donnée, en s’affranchissant des effets systémiques des facteurs étudiés et sans avoir recours à l’utilisation et le sacrifice de poissons. Les résultats obtenus montrent premièrement que les principales voies de réponses aux acides aminés (la voie GCN2, la voie mTOR et la macroautophagie) sont bien conservées dans les 3 lignées cellulaires étudiées, validant ainsi leur utilisation pour l’étude entreprise et, plus généralement, pour les études en nutrition des poissons. Concernant les TAAC, les données obtenues montrent la présence de 42 gènes orthologues des TAAC humains dans le génome de la truite arc-en-ciel et l’expression de 16 d’entre eux dans les 3 lignées cellulaires étudiées. Certains de ces gènes (dont y+LAT2 et 4 transporteurs homologues de CAT2), sont surexprimés lors de carences en AA ou en AAC (K et/ou R), suggérant que, comme nous le suspectons, un déséquilibre alimentaire en ces AA puisse perturber l’expression des TAAC chez des truites nourries avec de nouveaux aliments à base de végétaux. Bien que les mécanismes précis sous-jacent l’effet de la carence en AA ou en AAC sur l’expression des gènes étudiés ne soient pas clairement élucidés dans nos modèles cellulaires, nos données tendent vers une implication de la voie GCN2. Enfin, nous montrons pour la première fois chez une espèce de poisson qu’une carence en R, et dans une moindre mesure en K, perturbe l’activation de mTOR, établissant un lien étroit entre la dérégulation de l’expression de certains TAAC et celle d’une voie majeure de contrôle de la croissance cellulaire. Etrangement, la baisse d’activation de mTOR lors d’une carence en R ne s’accompagne pas d’une baisse de la prolifération cellulaire, suggérant la mise en place de mécanismes d’adaptation à la carence en R qui restent à découvrir. Dans l’ensemble, nos données apportent un socle de connaissances indispensables à une meilleure compréhension des mécanismes régissant l’utilisation des AAC par les poissons et valident l’utilisation des lignées cellulaires de truite dans le domaine de la nutrition des poissons afin de définir plus finement les mécanismes moléculaires liés aux dérégulation physiologiques induites par les aliments végétaux.