Dissertationen zum Thema „Insuline – Sécrétion – Régulation“

L'insuline est une hormone clé du métabolisme intermédiaire. Sa sécrétion est contrôlée par voie humorale, i. E. Par la concentration en nutriments et en certaines hormones, et par voie nerveuse impliquant le système nerveux autonome. Le rôle de ce dernier reste confus chez le Porc. Le but de notre étude est d'évaluer le rôle du nerf vague sur la sécrétion d'insuline en situations interdigestive et post prandiale. La section réversible des nerfs vagues cervicaux par le froid nous a permis de mettre en évidence un contrôle vagal inhibiteur de la sécrétion interdigestive d'insuline. Cette inhibition ne semble pas procéder d'un réflexe vago-vagal " classique " car elle nécessite l'intégrité de l'innervation splanchnique. Le nerf vague constituerait le volet afférent de ce réflexe par la mise en jeu probable d'afférences inhibitrices hopatiques, tandis que le volet efférent impliquerait les nerfs splanchniques et éventuellement des efférences vagales. Ces dernières sont généralement décrites comme stimulant la sécrétion d'insuline. Cependant, nous avons montré que l'augmentation de l'insulinémie généralement observée au cours de la stimulation vagale est due l'hyperglycémie concomitante car le maintien d'une glycémie constante par un clamp euglycémique chez nos animaux suffit à supprimer l'augmentation de l'insuline. Nos expériences de vagotomie ont mis en évidence un effet inhibiteur du nerf vague sur la sécrétion post prandiale d'insuline. Cette inhibition n'apparaît que dans la phase tardive d'absorption du repas, i. E. à partir de deux heures après le repas. Pendant les deux première heures d'absorption, au contraire, les modifications de l'insulinémie observées après vagotomie sont explicables en totalité par l'altération de l'évacuation du repas de l'estomac. Celle-ci est mesurée simultanément et de façon non invasive par gamma scintigraphie. En résumé, nos résultats indiquent que le nerf vague exerce un contrôle inhibiteur pour la sécrétion d'insuline en situation interdigestive et dans la phase tardive d'absorption du repas. Lors de la phase précoce d'absorption du repas, des phénomènes connexes et notamment la cinétique de vidange de l'estomac ont un rôle prépondérant sur le contrôle de la libération d'insuline.

GLUT2 est un transporteur membranaire des sucres exprimé dans de nombreux tissus contribuant au maintien de l’homéostasie glucidique dont les cellules β pancréatiques. Notre équipe a montré que GLUT2 est également un détecteur des sucres extracellulaires. Au cours de cette thèse, nous avons montré par une approche de souris transgénique que la détection des sucres par GLUT2 contrôlait la prise alimentaire en régulant l’activité de neurones dans l’hypothalamus et l’expression de neuropetides orexigènes et anorexigènes. Chez l’Homme, des mutations de GLUT2 sont associées au syndrome de Fanconi-Bickel (FBS), maladie caractérisée par un dérèglement du métabolisme des carbohydrates. Des mutations de GLUT2 ont été également identifiées chez des patients atteints du syndrome d’Hyperinsulinisme Congénital (CHI). Ce syndrome est caractérisé par une hypoglycémie chronique provoquée par une hypersécrétion d’insuline. Dans ce travail de thèse, nous avons analysé les conséquences fonctionnelles sur l’expression et les capacités cinétiques de GLUT2 de 4 mutations associées au FBS, 3 mutations associées au CHI et 2 SNP. Nous avons confirmé que les mutations de GLUT2 associées au FBS inactivaient soit son expression, soit sa fonction de transporteur. Les mutations de GLUT2 associées au CHI altèrent la fonction de transporteur de GLUT2 et provoquent une sécrétion d’insuline basale augmentée. Ces résultats sont compatibles avec une activation constitutive de la fonction de détection des sucres par GLUT2 et revisite le rôle de GLUT2 dans la sécrétion d’insuline chez l’homme.

La sécrétion d'insuline est un phénomène physiologique majeur déclenché par l'entrée du glucose dans la cellule β-pancréatique. Elle est naturellement modulée par de nombreux facteurs comme des métabolites, des neurotransmetteurs et des hormones. Parmi les modulateurs hormonaux, les incrétines, dont le chef de file est le Glucagon Like Peptide (GLP-1), sont des amplificateurs gluco-dépendants de la sécrétion d'insuline. Ils activent la voie AMPc-PKA et leurs effets sur la glycémie sont à la base de stratégies pharmacologiques antidiabétiques. Cependant, si les actions physiologiques des incrétines sont bien connues, la compréhension des mécanismes moléculaires mis en jeu demeure incomplète. Pour ce travail, nous sommes partis de l'hypothèse suivant laquelle la PKA pourrait potentialiser la sécrétion d'insuline, par phosphorylation de cibles moléculaires spécifiques, grâce à son adressage par les A Kinase Anchoring Proteins (AKAPs) au niveau de la machinerie de l'exocytose. Cette étude s'appuie sur des techniques moléculaires d'invalidation génique (RNAi), de peptides inhibiteurs et de fractionnement subcellulaire, ainsi que sur des analyses en microscopie électronique et confocale. Durant ce travail, nous avons mis en évidence la distribution de la sous-unité RIIα de la PKA à la surface des granules d'insuline matures. Nous avons également montré que la suppression de l'expression de la sous-unité RIIα de la PKA, comme la dissociation des complexes de type PKARII-AKAPs provoquent une réduction importante de l'effet amplificateur du GLP-1 sur la sécrétion d'insuline. Ainsi, cette étude nous a permis d'identifier la sous-unité RIIα de la PKA comme l'isoforme indispensable à la potentialisation AMPc-dépendante de la sécrétion d'insuline induite par le GLP-1, et surtout de placer le granule d'insuline mature au centre des mécanismes liés à l'effet « incrétine ». Ce travail constitue une première étape vers l'identification des différents partenaires du complexe protéique impliqué dans la potentialisation de l'exocytose d'insuline par la voie AMPc-PKA
Insulin secretion is a major physiological function triggered in the body upon glucose entry into pancreatic β cells. This process is naturally subject to modulation by numerous metabolites, neurotransmitters or hormones. Among the modulatory hormones, incretins, mainly Glucagon Like Peptide (GLP1), act on β cells as physiological amplifiers of glucose-dependent insulin secretion. Incretins are known to recruit the cAMP signaling transduction pathway and their effects on glucose homeostasis represent a current basis for promising anti-diabetic approaches. However, while physiological actions of incretins are well known, the molecular mechanisms underlying these actions are not fully understood.In this thesis, we based our work on the hypothesis that the PKA (cAMP-dependent protein kinase) might potentiate glucose-induced insulin secretion via direct phosphorylation of PKA targets at the level of the exocytosis components, through specific anchoring of the kinase to this microdomain by A-Kinase Anchoring Proteins (AKAPs).The present work involving specific molecular approaches, such as siRNA, cell-permeable peptide competitors, subcellular fractionations as well as confocal and ultrastructural analysis of β cells, culminated to provide compelling evidence that the RIIα PKA isotype is physically associated to mature insulin granules. We demonstrate that in pancreatic β cells, either suppression of RIIαPKA expression or endogenous disruption of RIIαPKA from AKAPs results in almost complete loss of GLP1-induced amplification of insulin secretion.In conclusion, the present work allowed the identification of RIIα as a crucial effector of the cAMP/PKA axis for the amplification by incretins of insulin secretion. This finding represents a first and important step towards the identification of the molecular partners involved in the GLP1-induced PKA-dependent potentiation of insulin exocytosis

Grace a l'utilisation de la lignee cellulaire b pancreatique min 6, nous avons etudie la capacite du miniglucagon, fragment c-terminal (19-29) du glucagon, present dans le pancreas, a moduler la secretion d'insuline et analyse son mode d'action cellulaire. Nous montrons qu'a des concentrations allant de 0,1 a 1000 pm, le miniglucagon inhibe la secretion d'insuline de maniere dose-dependante, quelque soit le type de secretagogue utilise (glucose, glucagon, tglp-1 ou sulfonylure). Le miniglucagon est non seulement tres puissant (ed#5#0 = 1 pm), il est aussi tres efficace, car capable de supprimer la quasi-totalite de la secretion stimulee. Le miniglucagon est actif sans modifier les niveaux d'ampc stimules par le glucagon et le tglp-1 et sans intervenir sur la voie phospholipase c. Le miniglucagon montre la meme puissance et la meme efficacite a bloquer l'entree de calcium dans les cellules min 6 qu'a inhiber la secretion d'insuline. La technique de patch-clamp sur cellules min 6 indique que le miniglucagon induit une hyperpolarisation de la cellule b, probablement en provoquant l'ouverture de canaux potassium, ce qui a pour consequence d'abolir les depolarisations declenchees par le glucose. Nous pouvons conclure que le miniglucagon est un inhibiteur puissant et efficace de la secretion d'insuline en provoquant, par hyperpolarisation, la fermeture des canaux calciques voltage-dependants. Ses effets sont bloques par traitement des cellules a la toxine bordetella pertussis, ce qui implique probablement un recepteur original couple a des canaux potassium via une proteine g de type g#i ou g#o. De plus, l'effet inhibiteur du miniglucagon sur la secretion d'insuline stimulee par le glucose et le tglp-1 a ete retrouve en utilisant un autre modele experimental physiologique de pancreas isole perfuse de rat. Le miniglucagon apparait ainsi comme un nouveau regulateur local de la secretion d'insuline.

E2F1, un régulateur crucial du métabolisme dans les cellules normales et cancéreuses.Résumé: Le facteur de transcription E2F1 est largement décrit pour son implication dans le contrôle du cycle cellulaire. Notre laboratoire et d'autres ont montré qu'il jouait également un rôle majeur dans le contrôle de l'homéostasie du glucose et des lipides. Dans les travaux présentés dans cette thèse, nous avons démontré ici en utilisant les souris invalidées pour E2F1 (souris E2f1-/-), qu'il joue un rôle dans le mécanisme de sécrétion d'insuline, dans la lipogenèse et la gluconéogenèse hépatique et dans le contrôle du métabolisme oxydatif. Dans la cellules β pancréatique, E2F1 contrôle la sécrétion d'insuline via le contrôle de l'expression de Kir6.2. Nous avons également montré l'implication de E2F1 dans la régulation de l'expression de gènes oxydatifs dans le TAB et le muscle. De plus, l'étude du foie de ces souris a permis de montrer le rôle de E2F1 dans le contrôle de la lipogenèse et la néoglucogenèse. E2F1 semble en effet capable de réguler l'expression d'un gène clé de la lipogenèse, Fas et de la G6Pase, un gène impliqué dans la production hépatique de glucose, en coopérant avec le facteur de transcription foxo-1. Enfin, nous avons observé que la diminution de la néoglucogenèse en absence de E2F1 empêche la formation de métastases pulmonaires. Ces différents résultats démontrent que E2F1 est un régulateur clé du métabolisme, et que la modulation de son activité pourrait avoir des conséquences majeures dans le développement de maladies comme le diabète, l'obésité, les myopathies et le cancer.Mots clés: E2F1, sécrétion d'insuline, métabolisme oxydatif, lipogenèse, gluconéogenèse, cancer
E2F1, a crucial regulator of metabolism in normal and cancer cells. Abstract: E2F1 is a key transcription factor involved in the control of the cell cycle. We and others have previously demonstrated a a major role for E2F1 in the control of glucose and lipid homeostasis. In this thesis, we showed bu using E2F1 null mice, that E2F1 plays a major role in the control of insulin secretion, oxidative metabolism, lipogenesis and gluconeogenesis. E2F1 controls insulin secretion through the modulation of Kir6.2 expression. Moreover, we demonstrated that E2F1 controls the expression of oxidative genes in BAT and muscle. In addition, we observed that E2F1 is involved in the control of lipogenesis and gluconeogenesis in the liver. E2F1regulates the expression of key lipogenic genes, such as Fas, and G6Pase, a gene involved in hepatic glucose production, through cooperation with foxo-1. Finally, we observed that the inhibition of gluconeogenesis upon E2f1 genetic ablation impaired the formation of lung metastases. These different results show that E2F1 is a key regulator of metabolism, and that modulating its activity could have High outcomes on diseases such as diabetes, obesity, muscular distrophies or cancers.Key words: E2F1, insulin secretion, oxidative metabolism, lipogenesis, gluocneogenesis, cancer

Les ARN circulaires désignent une classe d'ARN non codants qui se caractérisent par une structure en boucle fermée de manière covalente. Sur le plan fonctionnel, ils peuvent agir sur la physiologie cellulaire en inhibant les microARN et en régulant l'expression des gènes et des protéines. La fonction émergente de ces ARNc n'est pas entièrement comprise, mais des études initiales ont récemment montré que les ARNc sont impliqués dans la régulation de la sécrétion d'insuline. A travers ces travaux, nous avons cherché à identifier les ARNc dans le muscle squelettique au niveau des fibres glycolytiques et oxydatives de patients sains ou atteints de diabète de type 2. Nos résultats ont démontré une signature unique en ARN circulaire non seulement en fonction du statut (sain ou DT2) mais aussi en fonction du type de fibres musculaires (triceps ou soleus). Notre étude a pu mettre en évidence pour la première fois un nouveau moyen de régulation de l’expression des gènes et des protéines, indépendamment de ce qui est déjà connu au niveau du muscle squelettique. Ces résultats permettent l’identification de nouveaux acteurs impliqués dans le développement du diabète de type 2 avec l’identification potentielle de nouvelles cibles thérapeutiques
Circular RNAs are a class of non-coding RNAs characterized by a covalently closed loop structure. Functionally, they can act on cell physiology by inhibiting microRNAs and regulating gene and protein expression. The emerging function of circRNAs is not fully understood, but initial studies have recently shown that they are involved in the regulation of insulin secretion. In this work we tried to identify circRNAs in skeletal muscle at the level of glycolytic and oxidative fibers in healthy and type 2 diabetic patients. Our results showed a unique circular RNA signature not only as a function of status (healthy or T2DM) but also as a function of muscle fibre type (triceps or soleus). For the first time, our study has been able to identify a new way of regulating gene and protein expression independently of what is already known in skeletal muscle. These results allowed us to identify new key molecules involved in the development of type 2 diabetes, with the potential to identify new therapeutic targets

Les voies de signalisation activées par la réponse induite au mauvais repliement des protéines dans le réticulum endoplasmique (UPRer) jouent un rôle important dans l'adaptation de la cellule p pancréatique à son environnement. Le dysfonctionnement de ces voies déclenche une augmentation de l'expression des marqueurs du stress du RE, conduisant à la défaillance de la cellule p, à un défaut de sécrétion d'inuline et peut-être au développement du DT2. Alors que de nombreuses études ont montré une altération de l'expression de ces marqueurs dans les îlots de souris diabétiques ou les îlots de patients diabétiques, les mécanismes moléculaires impliqués restent mal connu. Dans ce manuscrit, nous montrons que les souris invalidées totalement ou spécifiquement pour le gène de la lysine acétyltransférase Kat2b présentent un défaut de sécrétion d'insuline et une gluco-intolérance marquée. Une analyse de l'ensemble des gènes régulés par Kat2b a révélé un rôle critique de ce cofacteur dans le maintien l'expression des gènes de l'UPR, ainsi que la fonction de la cellule p lors d'un stress métabolique. Nous observons que l'expression de Kat2b est diminuée dans les îlots de souris db/db et les îlots de patients diabétiques. De plus, l'expression de Kat2b est positivement corrélée avec l'expression de gènes de l'UPR dans les îlots humains. En conclusion, Kat2b est un régulateur transcriptionnel crucial pour la fonction et l'adaptation de la cellule p durant un stress métabolique en contrôlant l'UPR. Nous pensons que Kat2b représente une cible thérapeutique prometteuse pour le traitement du DT2
The Endoplasmic Reticulum (ER) unfolded protein response (UPRer) pathway plays an important role for pancreatic p cells to adapt their cellular responses to environmental cues and metabolic stress. Although altered UPRer gene expression appears in rodent and human type 2 diabetic (T2D) islets, the underlying molecular mechanisms remain unknown. We show here that germ-line and p-cell specific disruption of the lysine acetyltransferase 2B (Kat2b) gene in mice leads to impaired insulin secretion and glucose intolerance. Genome wide analysis of Kat2b-regulated genes and functional assays revealed a critical role for Kat2b in maintaining UPRer gene expression and subsequent p-cell function. Importantly, Kat2b expression was decreased in db/db and in human T2D islets and correlated with UPRer genes in normal human islets. In conclusion, Kat2b is a crucial transcriptional regulator for adaptive P-cell function during metabolic stress by controlling UPRer and represents a promising target for T2D prevention and treatment

La glucotoxicité, ou exposition prolongée à de hautes teneurs en glucose, altère la fonction des cellules ß-pancréatiques et participe au développement du diabète. Il a été démontré que dans les cellules ß, la glucotoxicité engendre des modifications de l’expression génique, des altérations des voies de signalisation Ca2+-dépendantes et de l’exocytose ainsi qu’une augmentation de l’apoptose. Les mécanismes moléculaires responsables de ces altérations sont encore peu connus, mais ces observations suggèrent que des changements du profil d’expression génique des cellules ß-pancréatiques en sont à l’origine. Afin de mieux comprendre les conséquences de la glucotoxicité, une étude génomique a été menée dans la lignée de cellules ß-pancréatiques INS-1E. Cette étude a révélé l’existence de variations significatives des taux d’expression de plusieurs gènes importants pour la fonction des cellules ß, codant pour des protéines impliquées notamment dans le métabolisme glucidique et les différentes étapes de la voie de sécrétion d’insuline. D’autre part, cette approche a également révélé de profonds changements dans les voies de signalisation dépendantes de l’AMPc. Si le rôle prédominant du Ca2+ dans la régulation de la voie de sécrétion de l’insuline a été mis en évidence et bien caractérisé, l’implication et l’importance de l’AMPc dans ce processus restent mal définies. L’AMPc, au même titre que le Ca2+, module l’activité de nombreuses protéines de signalisation, régule l’expression génique et intervient également dans le trafic vésiculaire et la sécrétion d’insuline. De manière intéressante, l’expression de l’adénylate cyclase 8 (ADCY8) est fortement diminuée en condition de glucotoxicité. Ceci suggère qu’un défaut de synthèse d’AMPc pourrait être à l’origine du remaniement des voies de signalisation impliquées dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Nous avons donc décidé d’étudier, plus en profondeur, les conséquences fonctionnelles de la diminution de l’expression de l’ADCY8 sur ces voies. Nos résultats suggèrent que l’ADCY8, une isoforme peu exprimée dans les cellules ß- pancréatiques? et stimulée par le Ca2+, se trouve au carrefour des voies de signalisation activées par le glucose et le GLP-1. La diminution de son expression est ainsi partiellement responsable des effets induits par la glucotoxicité sur la régulation de la sécrétion d’insuline. D’autre part, plusieurs résultats récents suggèrent l’implication des voies de signalisation AMPc-dépendantes dans la protection des cellules ß contre l’apoptose et dans ce contexte, le rôle de l’ADCY8 dans ces cellules a été abordé
Glucotoxicity, or prolonged exposure to elevated levels of glucose, alters the function of pancreatic??-cells and is involved in diabetes pathogenesis. It has been demonstrated that glucotoxicity modifies gene expression and induces considerable changes in [Ca2+]i and in cAMP-dependent signalling (Dubois et al, Endocrinology, 148(4):1605-14 ; 2007) as well as a it decreases insulin exocytosis in response to glucose and increases apoptosis. The molecular mechanisms of these effects are not known but several observations suggest that changes in gene expression profiles are involved. To address that, a genomic study has been done in the clonal b-cell line INS-1E and revealed important modifications in the expression rates of many genes involved in glucose metabolism and vesicular traffic. This approach also revealed the alteration of cAMP-mediated signalling pathways and as the role of calcium and the importance of the correlation between cAMP and Ca2+-mediated signalling pathways had been shown, it was interesting to address the role of this second messenger in this process. Actually, cAMP regulates the activity of a large number of signalling proteins, it is also an important messenger involved in vesicular traffic, insulin secretion and gene expression. Interestingly, we also found that the expression of the adenylyl cyclase VIII (ADCY8) was largely diminished by glucotoxicity and this suggests that an alteration of cAMP synthesis could be involved in the decrease of insulin secretion in this condition. For this reason, we decided to address the functional consequences of altered ADCY8 expression on cAMP-mediated signalling pathways and on its correlation with the decrease of insulin secretion in glucotoxicity. Our results demonstrate a requirement for ADCY8 in glucose as well as in GLP-1 activated signalling pathways and strongly suggest a central role for ADCY8 in glucotoxicity. Moreover, recent publications suggest the implication of cAMP-mediated signalling pathways in the protection of b-cells against apoptosis induced by glucotoxicity, and the role of ADCY8 in this process was investigated

Dans le diabète de type 2 établi, l'hyperglycémie chronique, un taux élevé d'acides gras libres et l'inflammation induisent un stress oxydatif (SO) au niveau de la cellule beta. Le SO, qui apparaît dès le stade de pré-diabète, peut induire un dysfonctionnement précoce de cette cellule. Ainsi, la protection de la cellule β par des molécules anti-oxydantes pourrait ralentir la progression du pré-diabète au diabète.La quercétine, un flavonoïde, a présenté des propriétés antidiabétiques dans plusieurs études in vivo. Cependant, très peu de données traitent de son mécanisme d'action directement au niveau de la cellule beta. Dans ce contexte, nous avons étudié les effets de la quercétine au niveau de la cellule beta dans des conditions physiologiques et des conditions de SO.Nos résultats montrent qu'en présence de concentrations stimulantes de sécrétagogue, la quercétine potentialise la sécrétion d'insuline par un mécanisme impliquant l'augmentation de calcium intracellulaire et la potentialisation de ERK1/2 via l'activation des voies de la PKA et de la CaMK II. De plus, la quercétine protège la cellule beta du SO en sur-activant ERK1/2. Le resvératrol et la NAC, deux antioxydants de référence, sont inactifs dans ces conditions expérimentales.En absence de concentrations stimulantes de sécrétagogue, la quercétine induit une sécrétion d'insuline modérée en augmentant le calcium intracellulaire suite à une activation directe des CaV de type L. Dans ces conditions, l'activation de ERK1/2 induite par la quercétine, qui est indépendante de l'activation des voies de la PKA et de la CaMK II, ne serait pas impliquée dans le mécanisme sécrétoire. Nos résultats indiquent que le mécanisme d'action de la quercétine au niveau de la cellule β ne repose pas uniquement sur ses capacités anti-oxydantes mais fait intervenir des cibles pharmacologiques et la régulation de voies de signalisation intracellulaires
In type 2 diabetes, chronic hyperglycaemia, elevated free fatty acids and inflammation induce oxidative stress (OS) in pancreatic β cell. SO, which appears at the stage of pre-diabetes, may induce early dysfunction of this cell. Thus, the β cell protection by antioxidant molecules could slow the progression of pre-diabetes to diabetes.Quercetin, a flavonoid, has shown antidiabetic properties in several in vivo studies. However, very few data address its mechanism of action directly at the β cell. In this context, we studied the effects of quercetin at the β cell under physiological conditions and conditions of OS.Our results show that in the presence of stimulating concentrations of secretagogue, quercetin potentiates insulin secretion by a mechanism involving increased intracellular calcium and potentiation of ERK1 / 2 via activation of the PKA and the CaMK II pathways. In addition, quercetin protects beta cell from OS via a suractivation of ERK1/2. Resveratrol and NAC, two antioxidants of reference are inactive under these experimental conditions.In the absence of stimulating concentration of secretagogue, quercetin induced moderate insulin secretion by increasing the intracellular calcium via a direct activation of L-type CaV Under these conditions, the activation of ERK1/2 induced by quercetin, which is independent of the activation pathways of PKA and CaMK II to, would not be involved in the secretory mechanism.Our results indicate that the mechanism of action of quercetin at the β cell not only based on its antioxidant capacity but involves pharmacological targets and the regulation of intracellular signaling pathways

La régulation de l’homéostasie du glucose dans l’organisme est la fonction principale des cellules beta sécrétrices d’insuline dans le pancréas endocrine. Le facteur de transcription à domaine « winged helix », RFX6, a récemment, été identifié comme un nouveau régulateur de la différenciation endocrine pancréatique en aval de Ngn3 chez le poisson zèbre, la souris et l’homme. De plus, diverses mutations de Rfx6 chez l’homme ont été identifiées et reliées au syndrome de Mitchell Riley notamment caractérisé par un diabète néonatal, une atrésie de l’intestin grêle et une malabsorption intestinale. Lors de mes travaux de thèse, une approche combinée de transcriptomique chez la souris et la recherche des sites de fixation de RFX6 dans une lignée cellulaire beta et dans les ilots pancréatiques a permis de démontrer son importance dans le maintien de l’identité et de la fonction de la cellule beta. Pour la première fois, l’identification des cibles directes de RFX6 in vivo a été réalisée et a permis l’identification de l’ensemble du répertoire des gènes régulés directement par RFX6 dans les cellules beta qui n’ont pas été révélés dans le système cellulaire. Cette étude aura également permis d’identifier Mlxipl comme principale cible directement régulée par Rfx6 à la fois chez la souris et l’homme. Les expériences réalisées ont ainsi permis de déterminer les gènes cibles directs de RFX6 et contribué à élucider le rôle de ce facteur de transcription dans la différenciation et la fonction des cellules beta sécrétrices d’insuline
Glucose homeostasis regulation in the body is the main function of insulin secreting beta cells in the endocrine pancreas. The winged-helix transcription factor RFX6 has recently been identified as a new pancreatic endocrine differentiation regulator, downstream of Ngn3,in zebra fish, mouse and human. Moreover, several Rfx6 mutations in humans were discovered and linked to the Mitchell Riley syndrome, which is characterized by neonatal diabetes, intestinal atresia and malabsorption. My thesis consisted of using an approach combining transcriptomic analysis in mouse and the identification of RFX6 target genes in a beta cell line as well as in pancreatic islets. This work has demonstrated the crucial role of RFX6 in maintaining beta cell identity and function. For the first time, RFX6 target genes were identified in vivo as well as the whole repertoire of directly regulated RFX6 target genesin beta cells, which were previously unidentified in the beta cell line. These studies have also shown that Mlxipl is a main RFX6 regulated target gene in mice and human. Overall, this work has allowed the clear identification of RFX6 target genes, thus contributing inunderstanding the role of this crucial transcription factor in the differentiation and function of insulin secreting beta cells

Parmi les mécanismes possibles de l'insulinorésistance associée à l'obésité figurent une altération de la production d'adipokines par le tissu adipeux (TA). Dans une première partie, nous avons étudié des patients obèses soumis à des programmes nutritionnels ou d'activité physique. Les données phénotypiques ont été reliées à l'expression de gènes du TA potentiellement impliqués dans la sensibilité à l'insuline. Nous avons confirmé qu'un entraînement en condition aérobie ou en force améliorait la sensibilité à l'insuline et démontré que ces interventions ne modifiaient pas l'expression génique dans le TA sous-cutané ou les niveaux plasmatiques d'adiponectine, d'interleukine 6, d'interleukine 1 beta et de tumor necrosis factor alpha mais diminuaient les concentrations circulantes de leptine. Différentes phases d'un programme de perte de poids améliorent la sensibilité à l'insuline et diminuent transitoirement les concentrations plasmatiques de la protéine de liaison du rétinol RBP4. Les niveaux d'ARNm ne sont diminués qu'après la première phase à très basses calories. Nos résultats montrent que les adipokines, excepté peut-être la leptine, ne semblent pas des médiateurs des changements d'insulinosensibilité induits par une intervention diététique ou l'exercice physique. Dans une seconde partie, nous avons exploré le rôle des PPARs (peroxysome proliferator-activated receptors) sur la sécrétion de protéines par le TA sous-cutané humain. Il apparaît que les PPARs régulent la production de facteurs sécrétés provenant de différents types cellulaires du TA. Cet ensemble d'études contribuent à notre compréhension des relations entre adipokines et sensibilité à l'insuline
Obesity is associated with insulin resistance (IR) and type 2 diabetes mellitus. Among possible mechanisms leading to IR are increased plasma levels of free fatty acids and altered levels of adipokines secreted from adipose tissue (AT). In the first part of the work, we studied obese patients during different nutritional and physical activity interventions. Phenotypic data were related to the expression of AT genes potentially involved in the regulation of insulin sensitivity (IS) and/or low-grade inflammation. We confirmed that aerobic and dynamic strength training improved IS and demonstrated that these interventions do not promote changes in subcutaneous AT gene expression or in plasma levels of adiponectin, interleukin-6, interleukin-1 beta and tumor necrosis factor-alpha, but decrease circulating leptin level. Very low calorie diet followed by low calorie diet and weight maintenance period enhanced IS in obese women and diminished retinol-binding protein 4 (RBP4) in plasma, but RBP4 mRNA levels were reduced only after very low calorie diet. Our findings indicate that the investigated adipokines, except potentially leptin, might not be mediators of changes in IS induced by lifestyle interventions. In the second part of the work, we investigated the role of peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) on the protein secretion by human subcutaneous AT. .

La cellule ß pancréatique sécrète l’insuline, la seule hormone capable de diminuer la concentration en glucose plasmatique. L'insuline est sécrétée de manière régulée sous l’influence de divers stimuli dont avant tout l’élévation de la glycémie, celle-ci augmentant lors de chaque repas. Elle est donc essentielle à la préservation de l'homéostasie du glucose. Son importance est attestée par le développement du diabète sucré et de ses complications sévères et parfois mortelles lorsque sa sécrétion est supprimée ou insuffisante et/ou lorsqu'il existe un défaut de son action.La cellule ß est une cellule excitable, c'est à dire capable de moduler son potentiel membranaire très rapidement en variant certaines conductances ioniques (Dean & Matthews 1968; 1970a; 1970b). En réponse à une élévation du glucose extracellulaire, la cellule ß se dépolarise et génère des potentiels d’action qui aboutissent à une augmentation du calcium cytoplasmique induisant la libération d’insuline par exocytose. La succession des différentes étapes menant à cette sécrétion régulée d'insuline est complexe, souvent désignée sous le vocable de couplage stimulus-sécrétion. Elle commence par une augmentation de l’entrée du glucose et de son métabolisme dans la cellule ß. L’augmentation de la concentration en ATP (ou du rapport de concentrations ATP/ADP) qui en résulte, entraîne la fermeture des canaux potassiques ATP-sensibles (KATP) avec une dépolarisation partielle de la membrane. Toutefois la fermeture de ces canaux ne semble pas suffisante pour expliquer la dépolarisation membranaire observée sous l’effet du glucose et une dépolarisation supplémentaire est nécessaire pour arriver au seuil d’activation des canaux calciques voltage-dépendants ou Cav (Gilon & Rorsman, 2009). Un efflux de Cl- de la cellule ß est déclenché lors d’une stimulation au glucose (Sehlin 1978; Sehlin 1987), proportionnellement à la concentration de glucose entre 5 et 20 mM (Malaisse et coll. 2004). Une diminution de la concentration en Cl- du milieu extracellulaire (à 10 mM ou moins) réduit fortement la sécrétion d’insuline (de 70 % ou plus avec 10 et 20 mM de glucose) et affecte l'activité électrique, inhibant voire abolissant les salves de potentiel d'action d'îlots de souris (Sehlin 1978; Sehlin & Meissner, 1988). L’ion chlorure joue donc un rôle essentiel dans l'activité électrique et la sécrétion d’insuline des cellules ß sous l'effet du glucose. Les travaux qui constituent l'objet de cette thèse sont consacrés à caractériser le transport membranaire des ions Cl- dans les cellules ß ainsi que sa régulation et particulièrement le rôle d’un canal Cl- récemment identifié et cloné: l’anoctamine1 (Ano1 ou TMEM16A).Au chapitre 3, nous démontrons l’expression de transcrits d’Ano1 par transcription inverse et amplification en chaîne par polymérase (RT-PCR) chez l'homme et le rat ainsi que l’expression de la protéine par western blot et immunohistochimie chez le rat. Sur coupe de pancréas, un marquage pour Ano1 est observé dans les îlots et dans les cellules acinaires du pancréas exocrine. La spécificité du marquage est attestée par sa disparition lors de l'addition d’un peptide compétiteur (Ano1 exogène). Nous avons démontré en patch-clamp la présence d’Ano1 actif dans la membrane des cellules ß: i) Nous avons observé des courants typiques d'Ano1 dans des patchs de cellules ß de rat entières et excisés inside-out en présence de Ca2+ intracellulaire: à 1 µM, le courant Cl- est rectifiant sortant et à 2 µM il devient presque linéaire. ii) La relation amplitude unitaire-voltage des courants Cl- unitaires activés par le Ca2+ est linéaire et montre une conductance de 8,37 pS, correspondant exactement à la conductance décrite pour Ano1. iii) Les perméabilités relatives des anions monovalents sont NO3- (1.83 ± 0.10) > Br- (1.42 ± 0.07) > Cl- (1.0), compatibles avec celles d'Ano1. iv) Ces courants sont quasi abolis par des anticorps Ano1-bloquants ou par deux inhibiteurs d’Ano1, 2-(5-éthyl-4-hydroxy-6-méthylpyrimidine-2-ylthio)-N-(4-(4-méthoxyphényl)thiazol-2-yl)acétamide (T-AO1) et acide tannique (TA). Ayant démontré la présence d'Ano1 fonctionnels au niveau de la membrane des cellules ß, nous avons investigué l'implication d'Ano1 dans la dépolarisation membranaire induite par le glucose. Cette étude a été réalisée en patch-clamp perforé sur des cellules ß d'îlots entiers de souris et des cellules ß dispersées de rat et de souris stimulées par le glucose. Les inhibiteurs d'Ano1 (T-AO1 et TA) induisent une forte diminution de la fréquence des potentiels d'action lors d'une stimulation par 16.7 mM de glucose (au moins 87 % sur cellules dispersées) et une repolarisation partielle du potentiel membranaire avec le T-AO1. Ces inhibiteurs abolissent ou inhibent fortement l'augmentation de sécrétion d'insuline d'îlots de rat induite par 8.3 mM et 16.7 mM de glucose. Des anticorps Ano1-bloquants abolissent également l'incrément de sécrétion d'insuline provoqué par 16.7 mM de glucose. Un traitement combiné avec du bumétanide (inhibant l'entrée de Cl- dans la cellule par NKCC1/2) et de l'acétazolamide (inhibant l'anhydrase carbonique V mitochondriale produisant du HCO3- intracellulaire durant le métabolisme du glucose) dans un milieu contenant 20 mM de Cl- et sans HCO3- provoque une réduction de 65 % de l'amplitude des potentiels d'action (AP) avec une repolarisation de 15 mV de leur pic sur des cellules ß dispersées de rat, confirmant l'importance de ces anions dans la régulation des oscillations du potentiel membranaire sous l'effet du glucose. Cette étude démontre que l'ouverture d'Ano1 est nécessaire pour permettre les oscillations du potentiel membranaire stimulées sous l'effet du glucose et la sécrétion d'insuline.Au chapitre 4, nous avons étudié les effets de l'H2O2 sur le canal anionique sensible au gonflement cellulaire (appelé VRAC pour volume-regulated anion channel) dans les cellules ß de rat et de la lignée de rat BRIN-BD11. L'H2O2 produit par une ou plusieurs NAD(P)H oxidase(s) (NOX) a récemment été proposé d'agir, dans plusieurs types cellulaires, comme le signal médiateur de l'activation de ces canaux activés lors du gonflement cellulaire. L'H2O2 exogène (100 à 200 µM) à une concentration de glucose basale (1,1 à 2,8 mM) stimule la sécrétion d'insuline. L'inhibiteur de VRAC, 5-nitro-2-(3-phénylpropylamino)-benzoate (NPPB), également inhibiteur d'Ano1, inhibe la réponse sécrétoire à l'H2O2 exogène. Dans des expériences de patch-clamp, nous montrons que l'H2O2 exogène stimule l’ouverture de VRAC, induisant une dépolarisation du potentiel membranaire et un courant anionique, abolis par le NPPB. L'exposition des cellules BRIN-BD11 à un milieu hypotonique (200 mosmol/l) provoquait un gonflement cellulaire suivi d’un retour vers le volume initial (en 10-15 min) suite à l’activation du canal VRAC, et une augmentation détectable du niveau intracellulaire de dérivés réactifs de l'oxygène (ROS) mise en évidence par l'oxydation du colorant fluorescent 5-(et-6)-chlorométhyl-2',7'-dichlorodihydrofluorescéine (CM-H2DCF). Cette production de ROS est abolie par le chlorure de diphénylèneiodonium (DPI), un inhibiteur de flavoprotéines dont les NOX et certaines protéines de la chaîne respiratoire mitochondriale. Les inhibiteurs de NOX tels le DPI et la plumbagine inhibaient presque totalement l’incrément de sécrétion d'insuline provoqué par l'exposition des cellules BRIN-BD11 au milieu hypotonique. Une préincubation avec les deux drogues suivantes abolit quasiment la sécrétion d'insuline tant induite par l'hypotonicité que basale: i) N-acétyl-L-cystéine (NAC), un précurseur du glutathion qui sert d'antioxydant général et ii) l'acide bétulinique, un composé qui abolit presque totalement l'expression NOX4. Comme le NPPB, chacun de ces inhibiteurs (DPI, plumbagine, préincubation avec NAC ou de l'acide bétulinique) réduit fortement ou abolit la régulation du volume cellulaire observée suite à un choc hypotonique, fournissant une preuve indépendante que l'activation de VRAC est médiée par l'H2O2. L'ensemble de ces données suggère que l'H2O2 produit par une ou plusieurs NOX joue un rôle critique dans la réponse insulino-sécrétoire des cellules ß de la lignée de rat BRIN-BD11 et des cellules ß de rat à l'hypotonicité extracellulaire, via une dépolarisation produite par l'activation de VRAC et une sortie d'anions. L'inhibition de cette dépolarisation produite sous l’effet de l'H2O2 et de l’hypotonicité, ainsi que de la régulation du volume cellulaire observée suite à un choc hypotonique par les inhibiteurs d'Ano1 T-AO1 et TA (100 µM) suggèrent qu'Ano1 est associé à ce canal VRAC ou le constitue ou tout au moins en constitue une sous-unité. Le mécanisme exact entraînant l’ouverture d’Ano1 sous l’effet du glucose n’est pas élucidé. Toutefois à la suite des travaux de Llanos (Llanos et coll. 2015), nous suggérons la séquence d'événements suivante: outre la fermeture des canaux KATP, le métabolisme du glucose produit des ROS qui oxydent et ouvrent RyR2, libérant du Ca2+ des stocks intracellulaires à des endroits localisés près de la membrane cellulaire et d’Ano1 qui est ainsi activé. En conclusion, nos études démontrent que i) l'efflux de Cl- (dépolarisant) de cellules ß murines sous l'effet du glucose dépend de l’ouverture du canal Cl- activé par le calcium intracellulaire (CaCC) Ano1. Le canal Ano1 est activé sous l’effet du glucose et son activation est requise pour induire les potentiels d’action et l'entrée de Ca2+ dans la cellule ß, nécessaires à la libération d’insuline. L'ouverture d'Ano1 semble donc responsable des oscillations du potentiel membranaire en phase active avec potentiels d'action et sa fermeture pourrait participer à la repolarisation des phases silencieuses. ii) l'H2O2 produit par une ou plusieurs NAD(P)H oxydase(s) sous l’effet du gonflement cellulaire, ou du glucose (Pi et coll. 2007, Leloup et coll. 2009), ou encore ajouté de manière exogène est nécessaire à l’activation du canal anionique sensible au gonflement cellulaire VRAC. L'ouverture de VRAC s'accompagne d'une sortie d'anions, dépolarise les cellules ß de la lignée de rat BRIN-BD11 et de rat et provoque une stimulation de la sécrétion d’insuline. Ano1 pourrait être associé à VRAC, le constituer ou en constituer une sous-unité. Le mécanisme déclenchant l'ouverture d'Ano1 reste à élucider.
Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine)
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Le diabète est une maladie métabolique qui se caractérise par une résistance à l’insuline des tissus périphériques et par une incapacité des cellules β pancréatiques à sécréter les niveaux d’insuline appropriés afin de compenser pour cette résistance. Pour mieux comprendre les mécanismes déficients dans les cellules β des patients diabétiques, il est nécessaire de comprendre et de définir les mécanismes impliqués dans le contrôle de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Dans les cellules β pancréatiques, le métabolisme du glucose conduit à la production de facteurs de couplage métabolique, comme l’ATP, nécessaires à la régulation de l’exocytose des vésicules d’insuline. Le mécanisme par lequel la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose déclenche l’exocytose des vésicules d’insuline est bien décrit dans la littérature. Cependant, il ne peut à lui seul réguler adéquatement la sécrétion d’insuline. Le malonyl-CoA et le NADPH sont deux autres facteurs de couplage métaboliques qui ont été suggérés afin de relier le métabolisme du glucose à la régulation de la sécrétion d’insuline. Les mécanismes impliqués demeurent cependant à être caractérisés. Le but de la présente thèse était de déterminer l’implication des navettes du pyruvate, découlant du métabolisme mitochondrial du glucose, dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans les cellules β, les navettes du pyruvate découlent de la combinaison des processus d’anaplérose et de cataplérose et permettent la transduction des signaux métaboliques provenant du métabolisme du glucose. Dans une première étude, nous nous sommes intéressés au rôle de la navette pyruvate/citrate dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose, puisque cette navette conduit à la production dans le cytoplasme de deux facteurs de couplage métabolique, soit le malonyl-CoA et le NADPH. De plus, la navette pyruvate/citrate favorise le flux métabolique à travers la glycolyse en réoxydation le NADH. Une étude effectuée précédemment dans notre laboratoire avait suggéré la présence de cette navette dans les cellules β pancréatique. Afin de tester notre hypothèse, nous avons ciblé trois étapes de cette navette dans la lignée cellulaire β pancréatique INS 832/13, soit la sortie du citrate de la mitochondrie et l’activité de l’ATP-citrate lyase (ACL) et l’enzyme malique (MEc), deux enzymes clés de la navette pyruvate/citrate. L’inhibition de chacune de ces étapes par l’utilisation d’un inhibiteur pharmacologique ou de la technologie des ARN interférant a corrélé avec une réduction significative de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Les résultats obtenus suggèrent que la navette pyruvate/citrate joue un rôle critique dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Parallèlement à notre étude, deux autres groupes de recherche ont suggéré que les navettes pyruvate/malate et pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate étaient aussi importantes pour la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ainsi, trois navettes découlant du métabolisme mitochondrial du glucose pourraient être impliquées dans le contrôle de la sécrétion d’insuline. Le point commun de ces trois navettes est la production dans le cytoplasme du NADPH, un facteur de couplage métabolique possiblement très important pour la sécrétion d’insuline. Dans les navettes pyruvate/malate et pyruvate/citrate, le NADPH est formé par MEc, alors que l’isocitrate déshydrogénase (IDHc) est responsable de la production du NADPH dans la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate. Dans notre première étude, nous avions démontré l’importance de l’expression de ME pour la sécrétion adéquate d’insuline en réponse au glucose. Dans notre deuxième étude, nous avons testé l’implication de IDHc dans les mécanismes de régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. La diminution de l’expression de IDHc dans les INS 832/13 a stimulé la sécrétion d’insuline en réponse au glucose par un mécanisme indépendant de la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose. Ce résultat a ensuite été confirmé dans les cellules dispersées des îlots pancréatiques de rat. Nous avons aussi observé dans notre modèle que l’incorporation du glucose en acides gras était augmentée, suggérant que la diminution de l’activité de IDHc favorise la redirection du métabolisme de l’isocitrate à travers la navette pyruvate/citrate. Un mécanisme de compensation à travers la navette pyruvate/citrate pourrait ainsi expliquer la stimulation de la sécrétion d’insuline observée en réponse à la diminution de l’expression de IDHc. Les travaux effectués dans cette deuxième étude remettent en question l’implication de l’activité de IDHc, et de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate, dans la transduction des signaux métaboliques reliant le métabolisme du glucose à la sécrétion d’insuline. La navette pyruvate/citrate est la seule des navettes du pyruvate à conduire à la production du malonyl-CoA dans le cytoplasme des cellules β. Le malonyl-CoA régule le métabolisme des acides gras en inhibant la carnitine palmitoyl transférase 1, l’enzyme limitante dans l’oxydation des acides gras. Ainsi, l’élévation des niveaux de malonyl-CoA en réponse au glucose entraîne une redirection du métabolisme des acides gras vers les processus d’estérification puis de lipolyse. Plus précisément, les acides gras sont métabolisés à travers le cycle des triglycérides/acides gras libres (qui combinent les voies métaboliques d’estérification et de lipolyse), afin de produire des molécules lipidiques signalétiques nécessaires à la modulation de la sécrétion d’insuline. Des études effectuées précédemment dans notre laboratoire ont démontré que l’activité lipolytique de HSL (de l’anglais hormone-sensitive lipase) était importante, mais non suffisante, pour la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans une étude complémentaire, nous nous sommes intéressés au rôle d’une autre lipase, soit ATGL (de l’anglais adipose triglyceride lipase), dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose et aux acides gras. Nous avons démontré que ATGL est exprimé dans les cellules β pancréatiques et que son activité contribue significativement à la lipolyse. Une réduction de son expression dans les cellules INS 832/13 par RNA interférant ou son absence dans les îlots pancréatiques de souris déficientes en ATGL a conduit à une réduction de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose en présence ou en absence d’acides gras. Ces résultats appuient l’hypothèse que la lipolyse est une composante importante de la régulation de la sécrétion d’insuline dans les cellules β pancréatiques. En conclusion, les résultats obtenus dans cette thèse suggèrent que la navette pyruvate/citrate est importante pour la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ce mécanisme impliquerait la production du NADPH et du malonyl-CoA dans le cytoplasme en fonction du métabolisme du glucose. Cependant, nos travaux remettent en question l’implication de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Le rôle exact de IDHc dans ce processus demeure cependant à être déterminé. Finalement, nos travaux ont aussi démontré un rôle pour ATGL et la lipolyse dans les mécanismes de couplage métabolique régulant la sécrétion d’insuline.
Diabetes is a metabolic disorder characterized by a combination of insulin resistance in peripheral tissues with an inappropriate amount of insulin secreted by the pancreatic β-cells to overcome this insulin resistance. In order to help find a cure for diabetic patients, we need to elucidate the mechanisms underlying the proper control of insulin secretion in response to glucose. In pancreatic β-cells, glucose metabolism leads to the production of metabolic coupling factors, like ATP, implicated in the regulation of insulin vesicle exocytosis. The mechanism linking ATP production by the oxidative metabolism of glucose to the triggering of insulin release that involves Ca2+ and metabolically sensitive K+ channels is relatively well known. Other mechanisms are also involved in the regulation of insulin secretion in response to glucose and other nutrients, such as fatty acids and some amino acids. Malonyl-CoA and NADPH are two metabolic coupling factors that have been suggested to be implicated in the transduction of metabolic signaling coming from glucose metabolism to control the release of insulin granules. However, the mechanisms implicated remained to be defined. The goal of the present thesis was to further our understanding of the role of the pyruvate shuttles, derived from mitochondrial glucose metabolism, in the regulation of insulin secretion. In pancreatic β-cells, pyruvate shuttles are produced by the combination of anaplerosis and cataplerosis processes and are thought to link glucose metabolism to the regulation of insulin secretion by the production metabolic coupling factors. In our first study, we wished to determine the role of the pyruvate/citrate shuttle in the regulation of glucose-induced insulin secretion. The pyruvate/citrate shuttle leads to the production in the cytoplasm of both malonyl-CoA and NADPH and also stimulates the metabolic flux through the glycolysis by re-oxidating NADH. A previous study done in the group of Dr Prentki has suggested the feasibility of the pyruvate/citrate shuttle in pancreatic β-cells. To investigate our hypothesis, we inhibited three different steps of this shuttle in INS 832/13 cells, a pancreatic β-cell line. Specifically, we repressed, using pharmacological inhibitors or RNA interference technology, the mitochondrial citrate export to the cytoplasm and the expression of malic enzyme (MEc) and ATP-citrate lyase (ACL), two key enzymes implicated in the pyruvate/citrate shuttle. The inhibition of each of those steps resulted in a reduction of glucose-induced insulin secretion. Our results underscore the importance of the pyruvate/citrate shuttle in the pancreatic β-cell signaling and the regulation of insulin secretion in response to glucose. Other research groups are also interested in studying the implication of pyruvate cycling processes in the regulation of insulin exocytosis. They suggested a role for the pyruvate/malate and the pyruvate/isocitrate/α-ketoglutarate shuttles. Therefore, three different shuttles derived from the mitochondrial glucose metabolism could be implicated in the regulation of glucose-induced insulin release. All those three shuttles can produce NADPH in the cytoplasm. In the pyruvate/malate and the pyruvate/citrate shuttles, the NADPH is formed by cytosolic malic enzyme (MEc), whereas in the pyruvate/isocitrate/α-ketoglutarate, NADPH is produced by cytosolic isocitrate dehydrogenease (IDHc). In our first study, we established the importance of MEc expression in the regulation of insulin secretion. In our second study, we wanted to investigate the importance of IDHc expression in glucose-induced insulin secretion. The reduction of IDHc expression in INS 832/13 cells stimulated insulin release in response to glucose by a mechanism independent of ATP production coming from glucose oxidative metabolism. This stimulation was also observed in isolated rat pancreatic cells. IDHc knockdown cells showed elevated glucose incorporation into fatty acids, suggesting that isocitrate metabolism could be redirected into the pyruvate/citrate shuttle in these cells. Taken together, these results suggest that IDHc is not essential for glucose-induced insulin secretion and that a compensatory mechanism, probably involving the pyruvate/citrate shuttle, explains the enhanced insulin secretion in IDHc knockdown cells . The pyruvate/citrate shuttle is the only pyruvate shuttle that is linked to the production of malonyl-CoA. Malonyl-CoA is a known inhibitor of carnitine palmitoyl transferase 1, the rate-limiting step in fatty acid oxidation. Therefore, the raising level of malonyl-CoA in response to glucose redirects the metabolism of fatty acids into the triglycerides/free fatty acids cycle which combine esterification and lipolysis processes. Previous studies done in the laboratory of Dr Prentki supported the concept that lipolysis of endogenous lipid stores is an important process for the appropriate regulation of insulin secretion. A first lipase, hormone-sensitive lipase (HSL), has been identified in pancreatic β-cells. HSL expression is important, but not sufficient, for the β-cell lipolysis activity. In a complementary study, we have investigated the role of another lipase, adipose triglyceride lipase (ATGL), in the regulation of insulin secretion in response to glucose and to fatty acids. We first demonstrated the expression and the activity of ATGL in pancreatic β-cells. Reducing ATGL expression using shRNA in INS 832/13 cells caused a reduction in insulin secretion in response to glucose and to fatty acids. Pancreatic islets from ATGL null mice also showed defect in insulin release in response to glucose and to fatty acids. The results demonstrate the importance of ATGL and intracellular lipid signaling in the regulation of insulin secretion. In conclusion, the work presented in this thesis suggests a role for the pyruvate/citrate shuttle in the regulation of insulin secretion in response to glucose. This mechanism possibly implicates the production of NADPH and malonyl-CoA in the cytoplasm. The results also points to a re-evaluation of the role of IDHc in glucose-induced insulin secretion. The precise role of IDHc in pancreatic β-cells needs to be determined. Finally, the data have also documented a role of lipolysis and ATGL in the coupling mechanisms of insulin secretion in response to both fuel and non-fuel stimuli.

Le diabète est une maladie chronique de l’homéostasie du glucose caractérisée par une hyperglycémie non contrôlée qui est le résultat d’une défaillance de la sécrétion d’insuline en combinaison ou non avec une altération de l’action de l’insuline. La surnutrition et le manque d’activité physique chez des individus qui ont des prédispositions génétiques donnent lieu à la résistance à l’insuline. Pendant cette période dite de compensation où la concentration d’acides gras plasmatiques est élevée, l’hyperinsulinémie compense pleinement pour la résistance à l’insuline des tissus cibles et la glycémie est normale. Le métabolisme du glucose par la cellule pancréatique bêta entraîne la sécrétion d’insuline. Selon le modèle classique de la sécrétion d’insuline induite par le glucose, l’augmentation du ratio ATP/ADP résultant de la glycolyse et de l’oxydation du glucose, induit la fermeture des canaux KATP-dépendant modifiant ainsi le potentiel membranaire suivi d’un influx de Ca2+. Cet influx de Ca2+ permet l’exocytose des granules de sécrétion contenant l’insuline. Plusieurs nutriments comme les acides gras sont capables de potentialiser la sécrétion d’insuline. Cependant, le modèle classique ne permet pas d’expliquer cette potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Pour expliquer l’effet potentialisateur des acides gras, notre laboratoire a proposé un modèle complémentaire où le malonyl-CoA dérivé du métabolisme anaplérotique du glucose inhibe la carnitine palmitoyltransférase-1, l’enzyme qui constitue l’étape limitante de l’oxydation des acides gras favorisant ainsi leur estérification et donc la formation de dérivés lipidiques signalétiques. Le modèle anaplérotique/lipidique de la sécrétion d'insuline induite par le glucose prédit que le malonyl-CoA dérivé du métabolisme du glucose inhibe la bêta-oxydation des acides gras et augmente la disponibilité des acyl-CoA ou des acides gras non-estérifiés. Les molécules lipidiques agissant comme facteurs de couplage du métabolisme des acides gras à l'exocytose d'insuline sont encore inconnus. Des travaux réalisés par notre laboratoire ont démontré qu’en augmentant la répartition des acides gras vers la bêta-oxydation, la sécrétion d’insuline induite par le glucose était réduite suggérant qu’un des dérivés de l’estérification des acides gras est important pour la potentialisation sur la sécrétion d’insuline. En effet, à des concentrations élevées de glucose, les acides gras peuvent être estérifiés d’abord en acide lysophosphatidique (LPA), en acide phosphatidique (PA) et en diacylglycérol (DAG) et subséquemment en triglycérides (TG). La présente étude a établi l’importance relative du processus d’estérification des acides gras dans la production de facteurs potentialisant la sécrétion d’insuline. Nous avions émis l’hypothèse que des molécules dérivées des processus d’estérification des acides gras (ex : l’acide lysophosphatidique (LPA) et le diacylglycerol (DAG)) agissent comme signaux métaboliques et sont responsables de la modulation de la sécrétion d’insuline en présence d’acides gras. Afin de vérifier celle-ci, nous avons modifié le niveau d’expression des enzymes clés contrôlant le processus d’estérification par des approches de biologie moléculaire afin de changer la répartition des acides gras dans la cellule bêta. L’expression des différents isoformes de la glycérol-3-phosphate acyltransférase (GPAT), qui catalyse la première étape d’estérification des acides gras a été augmenté et inhibé. Les effets de la modulation de l’expression des isoenzymes de GPAT sur les processus d’estérifications, sur la bêta-oxydation et sur la sécrétion d’insuline induite par le glucose ont été étudiés. Les différentes approches que nous avons utilisées ont changé les niveaux de DAG et de TG sans toutefois altérer la sécrétion d’insuline induite par le glucose. Ainsi, les résultats de cette étude n’ont pas associé de rôle pour l’estérification de novo des acides gras dans leur potentialisation de la sécrétion d’insuline. Cependant, l’estérification des acides gras fait partie intégrante d’un cycle de TG/acides gras avec sa contrepartie lipolytique. D’ailleurs, des études parallèles à la mienne menées par des collègues du laboratoire ont démontré un rôle pour la lipolyse et un cycle TG/acides gras dans la potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Parallèlement à nos études des mécanismes de la sécrétion d’insuline impliquant les acides gras, notre laboratoire s’intéresse aussi aux effets négatifs des acides gras sur la cellule bêta. La glucolipotoxicité, résultant d’une exposition chronique aux acides gras saturés en présence d’une concentration élevée de glucose, est d’un intérêt particulier vu la prépondérance de l’obésité. L’isoforme microsomal de GPAT a aussi utilisé comme outil moléculaire dans le contexte de la glucolipotoxicité afin d’étudier le rôle de la synthèse de novo de lipides complexes dans le contexte de décompensation où la fonction des cellules bêta diminue. La surexpression de l’isoforme microsomal de la GPAT, menant à l’augmentation de l’estérification des acides gras et à une diminution de la bêta-oxydation, nous permet de conclure que cette modification métabolique est instrumentale dans la glucolipotoxicité.
Diabetes is a chronic disease of glucose homeostasis characterized by hyperglycemia and the result of a failure of insulin secretion in combination or not with impaired insulin action. Overnutrition and lack of physical activity in individuals who have acquired or inherited genetic predispositions lead to insulin resistance. During the period of compensation where the concentration of plasma fatty acids is high, hyperinsulinemia fully compensates for the insulin resistance of target tissues and blood sugar is normal. Glucose promotes insulin secretion through its metabolism by the pancreatic β cell. According to the classical model of glucose-induced insulin secretion, the increase in the ATP/ADP ratio resulting from glycolysis and glucose oxidation induces the closure of KATP channels thus changing membrane potential followed by an influx of Ca2+. This influx of Ca2+ allows the exocytosis of secretory granules containing insulin. Several nutrients like fatty acids are capable of potentiating insulin secretion. However, the classical model does not explain the potentiation of insulin secretion by fatty acids. To explain the potentiating effect of fatty acids, our laboratory has proposed a complementary model in which malonyl-CoA derived from glucose anaplerotic metabolism inhibits carnitine palmitoyltransferase 1, the enzyme catalyzing the limiting step of fatty acid oxidation, thereby promoting their esterification and thus the formation signaling derivatives. The anaplerotic model of insulin secretion predicts that malonyl-CoA derived from glucose metabolism inhibits β-oxidation of fatty acids and increases the availability of acyl-CoA or non esterified fatty acids. Thus, lipid molecules can act as coupling factors for insulin exocytosis. Fatty acid-derived signalling molecules that are active remain to be identified. Work performed by our laboratory has shown that increasing the partition of fatty acids toward β-oxidation reduced glucose-induced insulin secretion, suggesting that derivatives of fatty acid esterification are important for the potentiation of insulin secretion. Indeed, at high concentrations of glucose, fatty acids are esterified into lysophosphatidic acid (LPA), phosphatidic acid (PA) and diacylglycerol (DAG) and subsequently in triglycerides (TG). The present study established the relative importance fatty acid esterification in the production of factors potentiating insulin secretion. We hypothesized that molecules derived from the process of esterification of fatty acid (eg lysophosphatidic acid (LPA) and diacylglycerol (DAG)) act as metabolic signals and are responsible for the modulation of the secretion of insulin in the presence of fatty acids. Thus, the level of expression of key enzymes controlling the process of esterification has been altered by molecular biology approaches to increase distribution of fatty acids toward esterification in the β cell. The expression of various isoforms of glycerol-3-phosphate acyltransferase (GPAT), which catalyzes the first step of esterification of fatty acids was increased and inhibited. The effects of GPAT isoenzyme modulation on the esterification process, on β-oxidation and on glucose-induced insulin secretion were investigated. The various approaches we used have changed the levels of DAG and TG without altering insulin secretion induced by glucose in the presence or absence of fatty acids. Thus, the results of this study do not suggest a role for de novo synthesis of glycerolipid intermidiates via esterification of fatty acids in the potentiation of insulin secretion. However, the esterification of fatty acids is an integral part of a TG/fatty acid cycle with its counterpart lipolysis. Moreover, parallel studies conducted by colleagues of the laboratory have demonstrated a role for lipolysis and a cycle TG/fatty acid in the potentiation of insulin secretion by fatty acids. In parallel with our studies of the mechanisms of insulin secretion involving fatty acids, our laboratory is also interested in the negative effects of fatty acids on the β cell. The glucolipotoxicity resulting from chronic exposure to saturated fatty acids in the presence of high glucose concentrations is of particular interest in the context of obesity rates. The microsomal isoform of GPAT was also used as a molecular tool under glucolipotoxicity conditions to study the role of de novo synthesis of complex lipids in the context of decompensation when β-cell function decreases. Increased esterification of fatty acids by the overexpression of microsomal isoform of GPAT has increased the toxic effects of fatty acids in the context of glucolipotoxicity. Thus, our results allow us to conclude that the distribution of lipids toward esterification and a decrease in β-oxidation is instrumental in glucolipotoxicity.

Le diabète de type 2 (DT2) est une maladie métabolique complexe causée par des facteurs génétiques mais aussi environnementaux, tels la sédentarité et le surpoids. La dysfonction de la cellule β pancréatique est maintenant reconnue comme l’élément déterminant dans le développement du DT2. Notre laboratoire s’intéresse à la sécrétion d’insuline par la cellule β en réponse aux nutriments calorigéniques et aux mécanismes qui la contrôle. Alors que la connaissance des mécanismes responsables de l’induction de la sécrétion d’insuline en réponse aux glucose et acides gras est assez avancée, les procédés d’inhibition de la sécrétion dans des contextes normaux ou pathologiques sont moins bien compris. L’objectif de la présente thèse était d’identifier quelques-uns de ces mécanismes de régulation négative de la sécrétion d’insuline dans la cellule β pancréatique, et ce en situation normale ou pathologique en lien avec le DT2. La première hypothèse testée était que l’enzyme mitochondriale hydroxyacyl-CoA déshydrogénase spécifique pour les molécules à chaîne courte (short-chain hydroxyacyl-CoA dehydrogenase, SCHAD) régule la sécrétion d’insuline induite par le glucose (SIIG) par la modulation des concentrations d’acides gras ou leur dérivés tels les acyl-CoA ou acyl-carnitine dans la cellule β. Pour ce faire, nous avons utilisé la technologie des ARN interférants (ARNi) afin de diminuer l’expression de SCHAD dans la lignée cellulaire β pancréatique INS832/13. Nous avons par la suite vérifié chez la souris DIO (diet-induced obesity) si une exposition prolongée à une diète riche en gras activerait certaines voies métaboliques et signalétiques assurant une régulation négative de la sécrétion d’insuline et contribuerait au développement du DT2. Pour ce faire, nous avons mesuré la SIIG, le métabolisme intracellulaire des lipides, la fonction mitochondriale et l’activation de certaines voies signalétiques dans les îlots de Langerhans isolés des souris normales (ND, normal diet) ou nourries à la dière riche en gras (DIO) Nos résultats suggèrent que l’enzyme SCHAD est importante dans l’atténuation de la sécrétion d’insuline induite par le glucose et les acides aminés. En effet, l’oxydation des acides gras par la protéine SCHAD préviendrait l’accumulation d’acyl-CoA ou de leurs dérivés carnitine à chaîne courtes potentialisatrices de la sécrétion d’insuline. De plus, SCHAD régule le métabolisme du glutamate par l’inhibition allostérique de l’enzyme glutamate déshydrogénase (GDH), prévenant ainsi une hyperinsulinémie causée par une sur-activité de GDH. L’étude de la dysfonction de la cellule β dans le modèle de souris DIO a démontré qu’il existe une grande hétérogénéité dans l’obésité et l’hyperglycémie développées suite à la diète riche en gras. L’orginialité de notre étude réside dans la stratification des souris DIO en deux groupes : les faibles et forts répondants à la diète (low diet responders (LDR) et high diet responder (HDR)) sur la base de leur gain de poids corporel. Nous avons mis en lumières divers mécanismes liés au métabolisme des acides gras impliqués dans la diminution de la SIIG. Une diminution du flux à travers le cycle TG/FFA accompagnée d’une augmentation de l’oxydation des acides gras et d’une accumulation intracellulaire de cholestérol contribuent à la diminution de la SIIG chez les souris DIO-HDR. De plus, l’altération de la signalisation par les voies AMPK (AMP-activated protein kinase) et PKC epsilon (protéine kinase C epsilon) pourrait expliquer certaines de ces modifications du métabolisme des îlots DIO et causer le défaut de sécrétion d’insuline. En résumé, nous avons mis en lumière des mécanismes importants pour la régulation négative de la sécrétion d’insuline dans la cellule β pancréatique saine ou en situation pathologique. Ces mécanismes pourraient permettre d’une part de limiter l’amplitude ou la durée de la sécrétion d’insuline suite à un repas chez la cellule saine, et d’autre part de préserver la fonction de la cellule β en retardant l’épuisement de celle-ci en situation pathologique. Certaines de ces voies peuvent expliquer l’altération de la sécrétion d’insuline dans le cadre du DT2 lié à l’obésité. À la lumière de nos recherches, le développement de thérapies ayant pour cible les mécanismes de régulation négative de la sécrétion d’insuline pourrait être bénéfique pour le traitement de patients diabétiques.
Type 2 diabetes (T2D) is a complex metabolic disease caused by genetic as well as environmental factors, such as sedentarity and obesity. Pancreatic β cell dysfunction is now recognized as the key factor in T2D development. Our laboratory is studying the mechanisms of regulation of insulin secretion by the pancreatic β cell in response to nutrients. While the knowledge of the mechanisms responsible for initiation of insulin secretion in response to glucose and fatty acids is quite advanced, the inhibitory processes of insulin secretion in normal or pathological situations are still poorly understood. This doctoral thesis has focused on the identification of some of the mechanisms responsible for negative regulation of insulin secretion in pancreatic β cell. We have addressed this issue under normal situation or pathological conditions related to T2D. We first tested the hypothesis by which a mitochondrial enzyme, short-chain hydroxyacyl-CoA dehydrogenase (SCHAD), negatively regulates glucose-induced insulin secretion (GIIS) by limiting the concentrations of some fatty acids and their derivatives such as acyl-CoA or acyl-carnitine molecules in the β cell. For this purpose, the downregulation of SCHAD by RNA interference (RNAi) was used in the pancreatic β cell line INS832/13. Then, we tested wether a prolonged administration of high-fat diet to mice (diet-induced obesity mouse model, DIO) would modulate intracellular metabolic and molecular pathways responsible for inhibition of insulin secretion. C57BL/6 mice were therefore fed a high-fat diet for 8 weeks followed by insulin secretion, intracellular lipid metabolism, mitochondrial function and intracellular signaling measurements on isolated pancreatic islets of Langerhans of those mice. Our results suggest that SCHAD negatively regulates GIIS and amino acid-induced insulin secretion. We propose that fatty acid oxidation by SCHAD would prevent the accumulation of short-chain acyl-CoAs or acyl-carnitines capable of potentiating insulin secretion. In addition, SCHAD regulates glutamate metabolism by the allosteric inhibition of glutamate dehydrogenase (GDH) preventing the hyperinsulinemia caused by excessive GDH activity. The study of β cell dysfunction in the DIO mouse model stratified LDR and HDR highlighted various fatty acid metabolism pathways involved in the reduction of GIIS. A decrease in the triglycerides/free fatty acid (TG/FFA) cycling associated with an increase in fatty acid oxidation and intracellular accumulation of cholesterol was shown to contribute to the decreased GIIS in DIO-HDR mice. Furthermore, alteration of AMP-activated kinase (AMPK) and protein kinase C epsilon (PKC epsilon) signaling pathways would be responsible for those alterations in metabolic pathways observed in DIO islets and cause decreased insulin secretion. In summary, we have shed light on important pathways negatively regulating insulin secretion in pancreatic β cell. These pathways could either limit the amplitude or duration of insulin secretion after a meal, or help to preserve β-cell function by delaying exhaustion. Some of those signaling pathways could explain the altered insulin secretion observed in T2D obese patients. In light of our research, the development of therapies targeting pathways that negatively regulate insulin secretion may be beneficial for treating diabetic patients.