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Jean-Michel Weber - Recherche

LABORATOIRE DU METABOLISME ENERGETIQUE
Département de Biologie
Université d’Ottawa

Notre recherche implique tous les aspects de l’énergétique animale.  Nous étudions comment les animaux et les humains gèrent leurs réserves d’énergie et comment ils sélectionnent un mélange approprié de carburants métaboliques pour faire face à des conditions extrêmes.  Nous faisons des expériences pendant lesquelles l’exercice d’endurance, l’exposition au froid, le jeûne prolongé ou l’hypoxie environnementale sont utilisés pour manipuler le taux métabolique.  Notre but est d’intégrer les informations moléculaires, cellulaires, tissulaires et de l’organisme entier pour expliquer comment les voies du métabolisme énergétique sont conçues.  Nous utilisons souvent des modèles expérimentaux qui possèdent des flux d’énergie extraordinaires, soit particulièrement bas ou particulièrement élevés.  Récemment, nous nous sommes spécialement intéressé aux adaptations métaboliques des animaux qui migrent sur de longues distances.

Résumé: Métabolisme énergétique
Weber J-M (1999). Energy cycle in vertebrates: From food to ATP. In Nature Encyclopedia of Life Sciences. John Wiley & Sons Ltd, Chichester.

Réguler la sélection des carburants métaboliques
Weber J-M (2011). Metabolic fuels: regulating fluxes to select mix. J. Exp. Biol. 214: 286-294.

Adaptations physiologiques des animaux migrateurs
Weber J-M (2009). The physiology of long-distance migration: extending the limits of endurance metabolism. J. Exp. Biol. 212: 593-597.

 


SUJETS DE RECHERCHE

Dopage naturel chez les oiseaux migrateurs
Thermogenèse par frisson
Modèle général de sélection des carburants
Nouveau rôle physiologique de la leptine
Carburants métaboliques des poissons salmonidés

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DOPAGE NATUREL CHEZ LES OISEAUX MIGRATEURS

Les oiseaux qui migrent sur de longues distances dépendent des lipides comme source d’énergie principale pour le vol, mais des rôles alternatifs pour ce carburant essentiel n’avaient pas été considérés.  Nous avons pensé que les lipides de la diète pourraient aussi être utilisés comme des substances améliorant la performance qui prépareraient les animaux à la migration.  Le bécasseau semipalmé (Calidris pusilla) est un modèle unique pour étudier les effets de la nutrition sur le métabolisme des oiseaux migrateurs et sur leur capacité d’exercice.  Cette espèce fascinante s’arrête dans la Baie de Fundy (Nouveau Brunswick, Canada) pendant sa migration automnale de l’Arctique vers l’Amèrique du sud.   En deux semaines, l’oiseau double sa masse corporelle (~20 à 40 g) en se nourrissant exclusivement de petites crevettes qui vivent dans la vase (Corophium volutator), avant un vol direct au dessus de l’Atlantique.  Cet invertébré marin est une source extrêmement riche d’acides gras oméga-3 polyinsaturés, en particulier les acides éicosapentaenoique (EPA) et docosahexaenoique (DHA) qui sont connus comme stimulateurs de la capacité aérobie et par leurs rôles bénéfiques pour la santé humaine.   Nous avons utilisé des oiseaux se préparant à la migration comme expérience naturelle pour tester notre hypothèse.   Les résultats démontrent que les oméga-3 polyinsaturés de Corophium sont rapidement incorporés dans les muscles locomoteurs des oiseaux, rendant ainsi leurs membranes plus fluides et améliorant leur capacité pour le transport des acides gras.  Pendant la période de nourrissement, la densité des mitochondries augmente dans les muscles locomoteurs, en même temps que les activités de plusieurs enzymes clés du métabolisme aérobie (à leur tour, corrélées avec les changement du contenu en oméga-3 des membranes).   Les oméga-3 de la diète des bécasseaux semipalmés ne sont donc pas simplement une source importante d’énergie, mais un puissant signal métabolique qui améliore la performance des muscles.  Ces études démontrent que certains oiseaux migrateurs utilise des diètes naturelles riches en acides gras oméga-3 pour préparer leurs muscles à l’exercice d’endurance.

Récemment, nous avons donné à manger de l’EPA et du DHA à des cailles de Virginie, une espèce d’oiseau sédentaire qui ne migre jamais.  L’inclusion de ces acides gras oméga-3 dans la diète des cailles a causé une augmentation de 58 à 90% de l’activité d’enzymes clés du métabolisme oxydatif des muscles locomoteurs.  Ces lipides de la diète sont donc capables de stimuler la capacité aérobie des muscles au même degré que l’entraînement d’endurance extrême, ....mais sans faire d’exercice!

Cette découverte a des implications importantes:

a) pour l’amélioration des connaissances fondamentales sur le métabolisme

b) pour la conservation des oiseaux migrateurs

c) pour la recherche sur les moyen naturels d’améliorer la performance des athlètes humains

d) pour la recherche sur l’obésité humaine (comprendre la régulation d’un doublement réversible de la masse du corps est important pour les physiologistes comme pour les médecins)

Weber J-M (2009). The physiology of long-distance migration: extending the limits of endurance metabolism.
J Exp Biol 212: 593-597
Entrevue par Bob McDonald sur: QUIRKS and QUARKS

Nagahuedi S, Popesku JT, Trudeau VL & J-M Weber (2009).  Mimicking the natural doping of migrant sandpipers in sedentary quails: effects of dietary n-3 fatty acids on muscle membranes and PPAR expression.
J Exp Biol 212: 1106-1114
Voir commentaires dans    SCIENCE           SCIENTIFIC AMERICAN          INSIDE JEB

 
 
Maillet D & J-M Weber (2006). Performance-enhancing role of dietary fatty acids in a long-distance migrant: The semipalmated sandpiper. J Exp Biol 209: 2686-2695
Voir “Filling Up on Fats” (Editors’ Choice) dans SCIENCE
 
Maillet D & J-M Weber (2007). Relationship between n-3 PUFA content and energy metabolism in the flight muscles of a migrating shorebird: evidence for natural doping. J Exp Biol 210: 413-420

Vaillancourt E & J-M Weber (2007).  Lipid mobilization of long-distance migrant birds in vivo: the high lipolytic rate of ruff sandpipers is not stimulated during shivering. J Exp Biol 210: 1161-1169
Trouvez “Fast food” dans SCIENCE et “Fat processing champions” dans INSIDE JEB
 

Bécasseau semipalmé, Calidris pusilla
(Ferrin 2004)
               Vol de bécasseaux semipalmés dans la Baie de Fundy
               (D. Maillet)

Amphipode (Corophium volutator) dans la vase

Amphipodes mâle et femelle, Corophium volutator (S. Mautner)

 
 
 
 
 
 
 
 
  
THERMOGENESE PAR FRISSON

Les échanges de chaleur ont été étudiés en détail chez les humains exposés au froid, mais l’utilisation relative des divers carburants métaboliques a reçu peu d’attention.  Nous avons utilisé une combinaison de méthodes de traçage par isotopes stables, de calorimétrie indirecte, et d’électromyographie (EMG) pour quantifier les contributions thermogéniques des différents substrats oxydables chez les humains qui frissonnent. 
Pendant le frisson prolongé de basse intensité, nous avons établi que la production de chaleur est partagée non-équitablement entre les lipides (50%), le glycogène musculaire (30%), le glucose circulant (10%) et les protéines (10%).  Nous avons aussi étudié l’impact de grandes variations de la taille des réseerves de glycogène sur la sélection des carburants.  Les sujets avec réserves de glycogène réduites et supra-normales sont capables de maintenir le même taux de production de chaleur, mais ils oxydent des mélanges de carburants complètement différents (27 vs 65% de la chaleur totale provenant des hydrates de carbone).  La production de chaleur normale des individus avec réserves de glycogène réduites n’est pas compromise car la contribution des lipides et des protéines est augmentée pour compenser.  Nous avons développé des nouvelles méthodes pour mesurer simultanément le patron de frisson (analyse détaillée des paramètres du spectre EMG) et la sélection des carburants.Pendant le frisson de basse intensité, les humains sont capables de maintenir leur équilibre thermique en oxydant des mélanges complètement différents de carburants dans les mêmes fibres musculaires.  Un mécanisme de sélection des carburants alternatif est utilisé pendant le frisson intense: Le recrutement de differentes populations de “ fibres musculaires spécialisées pour des carburants particuliers”. 
Nous avons démontré pour la première fois que la signature EMG des muscles actifs contient des informations quantitatives importantes sur le métabolisme des carburants oxydables.Les différences en taux de “burst shivering rate” (= frisson de haute intensité et basse fréquence) reflète fidèlement les différences d’oxydation des hydrates de carbone.  Nous avons aussi déterminé que le patron de sélection pour le frisson et pour l’exercice sont très différents.Pour la même puissance, un muscle produisant uniquement de la chaleur (frisson), ou une quantité substantielle de mouvement (exercice) n’oxyde pas le même ratio de lipides et d’hydrates de carbone. Nous en avons conclu que “burst shivering” est une composante cruciale de la réponse thermogénique en coordonnant la sélection des carburants et, donc, pourrait jouer un rôle essentiel en limitant la survie des humains dans le froid.

Pour un résumé de nos recherches sur le frisson humain:    Physiology News No. 58: 26-27, spring 2005.

Pour un article de synthèse:  Weber J-M & Haman F. (2005). Fuel selection in shivering humans.  Acta Physiol Scand 184, 319-329.
 
 
 

Haman F, Legault SR & Weber J-M. (2004). Fuel selection during intense shivering in humans: EMG pattern reflects carbohydrate oxidation. J Physiol (London) 556.1, 305-313.

Haman F, Péronnet F, Kenny GP, Massicotte D, Lavoie C & Weber J-M. (2005). Partitioning oxidative fuels during cold exposure: Muscle glycogen becomes dominant as shivering intensifies. J Physiol (London) 566.1, 247-256.

 

MODELE GENERAL DE SELECTION DES CARBURANTS

Nos travaux sur les substrats métaboliques nous ont permis de formuler un modèle général pour la sélection des carburants chez les mammifères pendant l’exercice.  Le taux métabolique - exprimé en proportion au taux métabolique aérobie maximal (%VO2 max) – détermine les contributions relatives des lipides et des hydrates de carbone au métabolisme total.  Nous avons testé la robustesse de cette affirmation en comparant des animaux de capacités aérobies différentes: 1) espèces sédentaires vs hautement aérobies, 2) de petite taille corporelle vs de grande taille, et 3) acclimatés à la normoxie ou à l’hypoxie.  Les résultats montrent que ce modèle général de la sélection des carburants est indépendant de VO2max lorsque testé pour: la variation due à l’adaptation, la variation allométrique, et la variation environnementale en disponibilité d’oxygène.  Parce que tous les mammifères mesurés jusqu’à maintenant suivent ce modèle, les muscles qui dévient clairement de ce patron général pourraient être particulièrement utiles pour étudier les caractéristiques fondamentales des mécanismes de sélection des carburants.  C’est ce qui a déclanché nos mesures des humains pendant le frisson (dont les muscles utilisent beaucoup plus d’hydrates de carbone que prédit par le modèle des mammifères pendant l’exercice) et des oiseaux qui migrent sur de longues distances (qui utilisent beaucoup plus de lipides que ne prédit le modèle). 

Weber J-M & Haman F. (2004). Oxidative fuel selection: adjusting mix and flux to stay alive. In Animals and Environments, ed. Morris S & Vosloo A, pp. 22-31. Elsevier, Amsterdam.

McClelland GB, Hochachka PW & Weber J-M. (1998). Carbohydrate utilization during exercise after high-altitude acclimation: A new perspective. Proc Natl Acad Sci USA 95: 10288-10293.

Série de 7 articles dans un numéro spécial de “Journal of Experimental Biology”
J Exp Biol 199: 1643-1709, 1996.

DESIGN OF THE OXYGEN AND SUBSTRATE PATHWAYS

 
 
 

NOUVEAU ROLE PHYSIOLOGIQUE DE LA LEPTINE

La leptine maintient un poids corporel normal en modulant les apports et les dépenses en énergie.  La taille des réserves lipidiques est “auto-régulée” par la leptine produite dans les adipocytes.  Le taux de leptine plasmatique varie avec la taille des réserves adipeuses et agit comme signal interne du statut énergétique de l’animal.  Nous avons découvert un nouveau lien physiologique entre la leptine, les cycles de substrat, et la dépense en énergie totale, qui pourrait jouer un rôle clé dans la prévention naturelle de l’obésité.  La lipolyse des réserves de triacylglycérol (TAG) libère des acides gras (AG), soit pour oxydation ou pour réestérification (re-synthèse du TAG).  Lipolyse et réestérification simultanées forment le cycle TAG/AG, un cycle de substrat qui dissipe de l’énergie.  Des flux opposés à travers ces deux réactions forment un cycle futile qui utilise de l’ATP pour la thermogenèse, sans conversion nette de substrat à produit.  Nous avons démontré que la leptine active fortement le cycle TAG/AG, la lipolyse, et l’oxydation des acides gras, et que cette hormone déplace la préférence en carburant des hydrates de carbone vers les lipides.  La stimulation des cycles de substrat est donc un nouveau mécanisme puissant, déclanché par la leptine, qui diminue l’efficacité du métabolisme quand les réserves lipidiques sont en excès..  Avant nos études, le seul autre mécanisme connu était une augmentation de l’expression des protéines découplantes par laquelle la leptine augmentait le taux métabolique.  Nous avons démontré la présence d’une voie différente que cette hormone utilise dans l’ajustement des dépenses énergétiques pour le maintient d’un poids corporel normal.

Reidy SP & Weber J-M. (2002). Accelerated substrate cycling: a new energy-wasting role for leptin in vivo.
Am J Physiol 282, E312-E317.

Reidy S & Weber J-M. (2000). Leptin: An essential regulator of lipid metabolism.
Comp Biochem Physiol A 125, 285-297.

University of Ottawa Gazette: Unravelling the mysteries of fat burning hormones par Marlene Orton

 

CARBURANTS MÉTABOLIQUES DES POISSONS SALMONIDES
Notre laboratoire a été le premier à développer des méthodes pour la mesure des flux de métabolites chez les poissons in vivo.  Nous avons été motivés par la réalisation que beaucoup d’études reportaient des changements de concentrations de métabolites, mais utilisaient ces résultats pour en tirer des conclusions erronées sur les flux. Nous avons mis au point des méthodes originales pour quantifier les taux de renouvellement du glucose, du glycérol, des acides gras et du triacylglycérol chez les poissons.  Ces outils nous ont permis de caractériser les effets de l’exercice d’endurance, de l’hypoxie, et de certaines hormones sur les flux de carburants métaboliques.  Nous avons récemment démontré que les poissons salmonidés utilisent les lipoprotéines circulantes comme carburant oxydatif principal pour la nage prolongée.
 
 
 
 

Méthode de cannulation double pour mesurer les flux de substrats métaboliques
Haman F & Weber J-M. (1996). Continuous tracer infusion to measure in vivo metabolite turnover rates in trout. J Exp Biol 199, 1157-1162.

 
 
Haman F, Powell M & Weber J-M. (1997). Reliability of continuous tracer infusion for measuring glucose turnover rate in rainbow trout. J Exp Biol 200, 2557-2563.

Magnoni L, Vaillancourt E & J-M Weber (2008).  High resting triacylglycerol turnover of rainbow trout exceeds the energy requirements of endurance swimming. Am J Physiol 295: R309-R315

Magnoni L, Vaillancourt E & J-M Weber (2008).  In vivo regulation of rainbow trout lipolysis by catecholamines.  J Exp Biol 211: 2460-2466

Magnoni L & J-M Weber (2007).  Endurance swimming activates trout lipoprotein lipase: Plasma lipids as a fuel for muscle. J Exp Biol 210: 4016-4023

Magnoni LJ, Patterson DA, Farrell AP & J-M Weber (2006).  Effects of long-distance migration on the circulating lipids of sockeye salmon (Oncorhynchus nerka). Can J Fish Aquat Sci 63: 1822-1829

Haman F, Zwingelstein G & Weber J-M. (1997). Effects of hypoxia and low temperature on substrate fluxes in fish: plasma metabolite concentrations are misleading. Am J Physiol 273, R2046-R2054

Bernard SF, Reidy SP, Zwingelstein G & Weber J-M. (1999). Glycerol and fatty acid kinetics in rainbow trout: effects of endurance swimming. J Exp Biol 202, 279-288

Weber J-M & Shanghavi DS. (2000). Regulation of glucose production in rainbow trout: Role of epinephrine in vivo and in isolated hepatocytes. Am J Physiol 278, R956-R963

(photos A. Morin)