Chronic hyperlipidemia (lipotoxicity) and hyperglycemia (glucotoxicity) have recently been shown to induce Endoplasmic Reticulum (ER) stress, which may contribute to pancreatic beta-cell dysfunction in type 2 diabetes. This thesis examined the involvement of ER stress in beta-cell lipotoxicity and glucotoxicity. Although chronic treatment with saturated free fatty acids (FFA) in vitro induced ER stress, altering ER stress by increasing or knocking-down GRP78 chaperone expression had no effect on apoptosis induction. Conversely, overexpression of ER chaperones rescued the reduction in proinsulin protein levels caused by chronic exposure to high glucose, although it had no effect on the decreased insulin mRNA levels and proinsulin translation rate. Thus, ER stress is likely not the main mechanism involved in saturated FFA-induced beta-cell apoptosis in vitro, but it may contribute to glucotoxic effects on proinsulin levels. These findings have increased our understanding of the link between ER stress and beta-cell dysfunction in type 2 diabetes.

Le diabète de type 2 (DT2) apparaît lorsque la sécrétion d’insuline par les cellules β des îlots du pancréas ne parvient plus à compenser la résistance à l’insuline des organes cibles. Parmi les médicaments disponibles pour traiter le DT2, deux classes agissent en améliorant la sensibilité à l’insuline : les biguanides (metformine) et les thiazolidinediones (pioglitazone et rosiglitazone). Des études suggèrent que ces médicaments protègent également la fonction des cellules β. Dans le but d’identifier des mécanismes par lesquels les médicaments insulinosensibilisateurs protègent les cellules β, nous avons étudié les effets aigus de la metformine et de la pioglitazone sur le métabolisme et la fonction des cellules INS 832/13, sécrétrices d’insuline et des îlots pancréatiques isolés de rats. Nous avons aussi validé in vivo avec des rats Wistar les principales observations obtenues en présence de pioglitazone grâce à des clamps glucidiques et par calorimétrie indirecte. Le traitement aigu des cellules β avec de la pioglitazone ou de la metformine inhibe la sécrétion d’insuline induite par le glucose en diminuant la sensibilité des cellules au glucose (inhibition en présence de concentrations intermédiaires de glucose seulement). Dans les mêmes conditions, les traitements inhibent aussi plusieurs paramètres du métabolisme mitochondrial des nutriments et, pour la pioglitazone, du métabolisme des lipides. Les composés affectent le métabolisme en suivant un patron d’inhibition similaire à celui observé pour la sécrétion d’insuline, que nous avons nommé « décélération métabolique ». La capacité de la pioglitazone à inhiber la sécrétion d’insuline et à ralentir le métabolisme mitochondrial de façon aigüe se confirme in vivo. En conclusion, nous avons identifié la décélération métabolique de la cellule β comme nouveau mode d’action pour les médicaments insulinosensibilisateurs. La décélération métabolique causée par les agents insulinosensibilisateurs les plus utilisés semble provenir d’une inhibition du métabolisme mitochondrial et pourrait être impliquée dans les bienfaits de ceux-ci dans un contexte de stress métabolique. Le fait que les deux agents insulinosensibilisateurs étudiés agissent à la fois sur la sensibilité à l’insuline et sur la sécrétion d’insuline, les deux composantes majeures du DT2, pourrait expliquer pourquoi ils sont parmi les agents antidiabétiques les plus efficaces. La décélération métabolique est une approche thérapeutique à considérer pour le traitement du DT2 et d’autres maladies métaboliques. / Type 2 diabetes (T2D) appears when insulin secretion by pancreatic β-cells fails to compensate for insulin resistance. Two classes of anti-diabetic drugs have been used to target insulin resistance: biguanides (metformin) and thiazolidinediones (pioglitazone and rosiglitazone). Some studies suggest that these compounds also protect β-cell function. In order to identify the mechanisms whereby insulin-sensitizing agents protect β-cell function, we used INS 832/13 insulin secreting cells and isolated pancreatic rat islets to study the acute effects of pioglitazone and metformin on β-cell metabolism and function. Key observations obtained with pioglitazone were also validated in vivo in Wistar rats with the use of glucose clamps and indirect calorimetry. In vitro, acute pioglitazone or metformin treatment inhibits glucose-induced insulin secretion by lowering β-cell sensitivity to glucose (inhibition only at sub-maximal glucose concentrations). The same treatments also inhibit parameters of nutrient mitochondrial metabolism and, in the case of pioglitazone, parameters of lipid metabolism. Both compounds alter metabolism following a pattern similar to that observed with insulin secretion, a pattern that we label “metabolic deceleration”. Pioglitazone also acutely inhibits insulin secretion and slows down mitochondrial metabolism in vivo. In conclusion, we identified metabolic deceleration of the pancreatic β-cell as a new mode of action for insulin-sensitizing agents. Pioglitazone and metformin both seem to cause metabolic deceleration of the β-cell via inhibition of mitochondrial metabolism. This mode of action could participate in the beneficial effects of these compounds in the context of metabolic stress. The fact that these drugs affect both insulin sensitivity and insulin secretion, the two major components of T2D, may explain why they are among the most powerful anti-diabetic agents. Metabolic deceleration is a new therapeutic approach worth considering for the treatment of T2D and other metabolic diseases.

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) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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O Diabetes mellitus (DM) do tipo 1 é uma doença causada pela destruição, por mecanismo auto-imune, das células beta das ilhotas pancreáticas, produtoras de insulina. O tratamento convencional da doença é realizado por meio de injeções diárias de insulina exógena. O transplante de ilhotas pancreáticas inclui-se, atualmente, como uma das alternativas terapêuticas à insulinoterapia. Entretanto, para atingir a insulino-independência, é necessário transplantar um grande número de ilhotas por paciente. O conhecimento do mecanismo de proliferação das células beta pode possibilitar a realização do transplante a partir da expansão celular ex vivo. A glicose é um dos principais indutores da proliferação de células beta. Neste trabalho, foi estabelecida e executada a tecnologia de isolamento e purificação de ilhotas pancreáticas humanas, visando sua estimulação com glicose. Para identificar genes regulados por glicose nestas ilhotas, foi utilizada a técnica de hibridização subtrativa SSH, associada ao rastreamento da biblioteca através de macroarranjos de DNA. Num primeiro rastreamento, foram identificados dois fragmentos gênicos induzidos pela glicose. Um destes apresentou homologia com uma proteína hipotética humana de função desconhecida e o segundo com o receptor de polipetídeo pancreático. Este trabalho permitiu a identificação de novos genes regulados pela glicose em ilhotas pancreáticas humanas, os quais podem estar relacionados à proliferação celular deste tecido. / Type 1 Diabetes mellitus (T1DM) is caused by autoimmune destruction of the insulin-producing pancreatic islet b-cells. Treatment is generally approached by daily subcutaneous injections of exogenous insulin. Nowadays, pancreatic islet transplantation is considered as an effective alternative treatment to insulin therapy. However, in order to reach insulin-independence, a large number of islets is required for each patient. Knowledge of the mechanisms regulating islet b-cell proliferation may allow ex-vivo b-cell expansion prior to transplant. Glucose is considered one of the main inducers of islet b-cells proliferation. We established and executed the technology of human islet isolation and purification. The islets were then stimulated in culture with glucose. In order to identify glucose-regulated genes in cultured human islets, we utilized the suppression subtractive hybridization (SSH) method, followed by cDNA library screening by DNA macroarrays. Preliminary screening allowed us to isolate two cDNAs displaying glucose regulation, one of which is similar to a human hypothetical protein of unknown function and the other shows similarity to the pancreatic polypeptide receptor. This work allowed identification of glucose-regulated genes in human pancreatic islets, which may be related to cell proliferation in this tissue.

In type 1 diabetes (T1D) a combination of genetic predisposition and environmental factors triggers islet inflammation (insulitis) leading to a selective and gradual destruction of the pancreatic beta cells. Beta cells mainly die through apoptosis, triggered at least in part by pro-inflammatory cytokines such as IL-1β, TNF-α and IFN-γ. Recent findings suggest that the mitochondrial pathway of cell death is involved in this death cascade. Array analysis indicated that TNF-α+IFN-γ induces transcription factors such as NF-ĸB, STAT1, and AP-1 in beta cells. We presently aimed to examine the pathway(s) of apoptosis triggered by TNF-α+IFN-γ in beta cells. <p>TNF-α+IFN-γ induces beta cell apoptosis through the intrinsic pathway of cell death. This involved activation of the BH3 only proteins DP5, PUMA and Bim. Knockdown (KD) of either DP5 or PUMA or both led to a partial protection of INS-1E cells (12-20%), while silencing Bim led to about 60% protection against cytokine-induced apoptosis. Bim is transcriptionally induced by activated STAT1. TNF-α+IFN-γ also induces downregulation of Bcl-XL, an anti-apoptotic Bcl-2 gene which inhibits Bim. Knocking down Bcl-XL alone led to increase in apoptosis, but this was prevented by the parallel KD of Bim.<p>The ultimate goal of our research is to protect beta cells from the autoimmune assault. Previous data revealed that JunB inhibits ER stress and apoptosis in beta cells treated with IL-β+IFN-γ. Here, TNF-α+IFN-γ up-regulated the expression of JunB which was downstream of activated NF-ĸB. JunB KD exacerbated TNF-α+IFN-γ induced beta cell death in primary rat beta cells and INS-1E cells. The gene networks affected by JunB were studied by microarray analysis. JunB regulates 20-25% of the cytokine-modified beta cell genes, including the transcription factor ATF3 and Bcl-XL. ATF3 expression was increased in cytokine-treated human islets and in vitro silencing of JunB led to >60% reduction in ATF3 overexpression. We confirmed direct JunB regulation of the ATF3 promoter by its binding to an ATF/CRE site. Silencing of ATF3 aggravated TNF-α+IFN-γ induced cell death in beta cells and led to the downregulation of Bcl-XL expression in INS-1E cells. Pharmacological upregulation of JunB using forskolin led to upregulation of ATF3 and consistent protection of these cells against cytokine-induced cell death, while genetic overexpression of JunB in mice increased ATF3 expression in the pancreatic islets and reversed the pro-apoptotic effects of cytokines on beta cells (±40 % protection). <p>As a whole, our findings indicate that TNF-α+IFN-γ triggers beta cell apoptosis by the upregulation of the pro-apoptotic protein Bim and downregulation of the Bcl-XL protein. These deleterious effects are at least in part antagonized by JunB via activation of ATF3. <p><p>Dans le diabète de type 1 (DT1), la combinaison de facteurs génétiques de prédisposition et de l'environnement déclenche l'inflammation des îlots de Langerhans (insulite) conduisant à une destruction sélective et progressive des cellules bêta du pancréas. Les cellules bêta meurent principalement d’apoptose, déclenchée au moins en partie par les cytokines pro-inflammatoires sécrétées par les cellules immunitaires comme l’IL-β, le TNF-α l’IFN-γ. De récentes découvertes suggèrent que la voie mitochondriale de la mort cellulaire jouerait un rôle dans la mort de ces cellules. L'analyse de réseaux de gène utilisant les biopuces d’ADN indique que l’association TNF-α+IFN-γ induit l’activation de facteurs de transcription tels que NF-ĸB, STAT1 et AP-1 dans la cellule bêta. Dans ce contexte, nous avons cherché à examiner les voies de l'apoptose déclenchées par le TNF-α+IFN-γ dans la cellule bêta. <p>En présence de TNF-α+IFN-γ les cellules bêta meurent par apoptose via la voie intrinsèque. L’activation des protéines pro-apoptotiques « BH3-seulement » dont DP5, PUMA et Bim étaient en cause de cette apoptose. Le « knockdown »1 (KD), de DP5 ou de PUMA, ou des deux en même temps conduit à une protection partielle des cellules INS-1E (12-20%), tandis que le KD de Bim conduit à environ 60% de protection contre l’apoptose induite par cette combinaison de cytokines. La transcription de Bim est induite par STAT1 activé. Parallèlement à la régulation positive de Bim, TNF-α+IFN-γ conduit à la régulation négative de la protéine Bcl-XL. Bcl-XL est une protèine anti-apoptotique de la famille de protèines Bcl-2 qui en general inhibe Bim. Réduire l’expression de Bcl-XL seul induit une augmention de l'apoptose, alors que le KD de Bim et Bcl-XL en parallèle empêche l'apoptose.<p>Le but ultime de notre recherche est de protéger les cellules bêta des agressions autoimmunitaires. Les données antérieures ont révélé que JunB inhibe le stress du réticulum endoplasmique et l'apoptose dans les cellules bêta traitées avec IL-β+IFN-γ. Nous avons observé que TNF-α+IFN-γ induit l'expression de JunB qui se produit en aval de NF-ĸB activé. Il est important de noter que l’inactivation de JunB par des agents interférants de l’ARN (siRNA) exacerbe la mort des cellules primaires bêta de rat et de cellules INS-1E induite par les cytokines. Les réseaux de gènes touchés par JunB ont été étudiés grâce a l'analyse en microréseaux. JunB règule 20-25% des gènes modifiés par des cytokines dans les cellules bêta, y compris le facteur de transcription ATF3 et Bcl-XL. L’expression d’ATF3 est augmenté dans les îlots humains traités avec les cytokines et la répression in vitro de JunB conduit à une réduction de >60% de l’expression d’ATF3. Nous avons confirmé la régulation d’ATF3 par JunB en montrant que JunB est directement lié au promoteur d’ATF3 via le site ATF/CRE. La diminution d’expression d’ATF3 en presence de TNF-α+IFN-γ a aggravé la mort cellulaire induite dans les cellules bêta et a conduit à la régulation négative de l'expression de Bcl-XL dans les cellules INS-1E. L’augmentation pharmacologique de JunB dans les cellules INS-1E par l’utilisation de forskolin a conduit à la régulation positive en aval d’ATF3 et par conséquente à la protection de cellules bêta vis-a-vis de effets indésirables des cytokines. Dans cette optique, la surexpression génétique de JunB dans le modèle Ubi-JunB de souris transgénique a conduit à une surexpression d’ATF3 dans les îlots pancréatiques et a permir d’inverser les effets pro-apoptotiques de cytokines sur la cellule bêta (protection ± 40%).<p>Globalement, ces résultats indiquent que TNF-α+IFN-γ déclenche l'apoptose des cellules bêta par la régulation positive du gène pro-apoptotique Bim et la régulation négative du gène anti-apoptotique Bcl-XL. Ces effets indésirables sont inhibé en partie par JunB via l’activation de ATF3.<p><p>1Pas d’équivalent en français. Signifie la réduction de l’expression d’un gène via utilisation d’un siRNA (agent interférant de l’ARN).<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The endoplasmic reticulum (ER) is the organelle responsible for synthesis and folding of secreted and membranous protein and lipid biosynthesis. It also functions as one of the main cellular calcium stores. Pancreatic beta-cells evolved to produce and secrete insulin upon demand in order to regulate blood glucose homeostasis. In response to increases in serum glucose, insulin synthesis represents nearly 50% of the total protein biosynthesis by beta-cells. This poses an enormous burden on the ER, rendering beta-cells vulnerable to agents that perturb ER function. Alterations of ER homeostasis lead to accumulation of misfolded proteins and activation of an adaptive response named the unfolded protein response (UPR). The UPR is transduced via 3 ER transmembrane proteins, namely PERK, IRE-1 and ATF6. The signaling cascades activated downstream of these proteins: a) induce expression of ER resident chaperones and protein foldases. Increasing the protein folding capacity of the ER; b) attenuate general protein translations which avoids overloading the stressed ER with new proteins; c) upregulate ER-associated degradation (ERAD) genes, which decreases the unfolded protein load of the ER. In severe cases, failure by the UPR to solve the ER stress leads to apoptosis. The mechanisms linking ER stress to apoptosis are still poorly understood, but potential mediators include the transcription factors Chop and ATF3, pro-apoptotic members of the Bcl-2 familly, the caspase 12 and the kinase JNK. <p>Accumulating evidence suggest that ER stress contributes to beta-cell apoptosis in both type 1 and type 2 diabetes. Type 1 diabetes is characterized by a severe insulin deficiency resulting from chronic and progressive destruction of pancreatic beta-cells by the immune system. During this autoimmune assault, beta-cells are exposed to cytokines secreted by the immune cells infiltrating the pancreatic islets. Our group has previously shown that the pro-inflamatory cytokines interleukin-1beta (IL1-beta and interferon-gamma (IFN-gamma), via nitric oxide (NO) formation, downregulate expression and function of the ER Ca2+ pump SERCA2. This depletes beta-cell ER Ca2+ stores, leading to ER stress and apoptosis. Of note, IL1-beta alone triggers ER stress but does not induce beta-cell death, while IFN-gamma neither causes ER stress nor induces beta-cell death. Together, these cytokines cause beta-cell apoptosis but the mechanisms behind this synergistic effect were unknown.<p>Type 2 diabetes is characterized by both peripheral resistance to insulin, usually as a result of obesity, and deficient insulin secretion secondary to beta cell failure. Obese patients have high levels of circulating free fatty acids (FFA) and several studies have shown that the FFA palmitate induces ER stress and beta-cell apoptosis.<p>In the present work we initially established an experimental model to specifically activate the ER stress response in pancreatic beta-cells. For this purpose, insulinoma cells (INS-1E) or primary rat beta-cells were exposed to the reversible chemical SERCA pump blocker cyclopiazonic acid (CPA). Dose-response and time course experiments determined the best conditions to induce a marked ER stress without excessive cell death (<25%).<p>The first goal of the work was to understand the synergistic effects of IL1-beta and IFN-gamma leading to pancreatic beta-cell apoptosis. Our group previously observed, by microarray analysis of primary beta-cells, that IFN-gamma down-regulates mRNAs encoding for some ER chaperones. Against this background, our hypothesis was that IFN-gamma aggravates beta-cell ER stress by decreasing the ability of these cells to mount an adequate UPR. To test this hypothesis, we investigated whether IFN-gamma pre-treatment augments CPA-induced ER stress and beta cell death. The results obtained indicated that IFN-gamma pre-treatment potentiates CPA-induced apoptosis in INS-1E and primary beta-cells. This effect was specific for IFN-gamma since neither IL1-beta nor a low dose CPA pre-treatment potentiated CPA-induced apoptosis in INS-1E cells. These effects of IFN-gamma were mediated via the down regulation of genes involved in beta cell defense against ER stress, including the ER chaperones BiP, Orp150 and Grp94 as well as Sec61, a component of the ERAD pathway. This had functional consequences as evidenced by a decreased basal and CPA-induced activity of a reporter construct for the unfolded protein response element (UPRE) and augmented expression of the pro-apoptotic transcription factor Chop. <p>We next investigated the molecular regulation of the Chop gene in INS-1E cells in response to several pro-apoptotic and ER stress inducing agents, namely cytokines (IL1-beta and IFN-gamma), palmitate, or CPA. Detailed mutagenesis studies of the Chop promoter showed differential regulation of Chop transcription by these compounds. While cytokines (via NO production)- and palmitate-induced Chop expression was mediated via a C/EBP-ATF composite and AP-1 binding sites, CPA induction required the C/EBP-ATF site and the ER stress response element (ERSE). Cytokines, palmitate and CPA induced ATF4 protein expression and further binding to the C/EBP-ATF composite site, as shown by Western blot and EMSA experiments. There was also formation of distinct AP-1 dimers and binding to the AP-1 site after exposure to cytokines or palmitate. <p>\ / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les cellules béta pancréatiques synthétisent et sécrètent l’insuline, unique hormone hypoglycémiante de l’organisme. Ces cellules jouent un rôle central dans l’apparition du diabète, préserver leurs masses fonctionnelles est donc essentiel. Le récepteur GLP-1, appartenant à la classe B de la super famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs), est considéré comme une cible thérapeutique majeure dans le traitement du diabète de type 2. Via son récepteur, le GLP-1 potentialise la sécrétion d’insuline en réponse au glucose et favorise la survie des cellules beta. Les glucocorticoïdes sont des hormones du stress impliquées dans la régulation énergétique, largement utilisés en thérapeutique pour leur propriétés anti-inflammatoire, immunosuppresseur et antiallergique. Néanmoins, les glucocorticoïdes administrés en chronique sont diabétogènes en exerçant notamment des effets délétères sur les cellules beta. Nous avons caractérisé l’impact d’une exposition prolongée des cellules beta à un glucocorticoïde de synthèse (la dexaméthasone) sur les actions biologiques du glucose et du GLP-1.Nous montrons qu’une exposition prolongée des cellules beta à la dexaméthasone exerce des effets délétères en inhibant la sécrétion d’insuline en réponse au glucose et l’activation des kinases de survie ERK1/2 (Extracellular Regulated Kinases 1/2). A l’inverse, nous démontrons que l’exposition prolongée des cellules bêta à la dexaméthasone favorise le maintien du récepteur GLP-1 à la membrane plasmique, augmente le couplage du récepteur à la protéine Galpha s, ce qui se traduit par une production de second messager (AMPc) intracellulaire doublée. Malgré une diminution des effets du glucose, la sécrétion d’insuline et l’activation des kinases ERK1/2 en réponse au GLP-1 ne sont pas affectées. Cette étude révèle qu’une exposition chronique des cellules beta aux glucocorticoïdes 1) régule le trafficking du récepteur GLP-1 et favorise son maintien à la surface cellulaire, 2) hypersensibilise la signalisation du récepteur GLP-1 dépendante de la protéine Gαs , et 3) pourrait impacter les effets thérapeutiques des molécules ciblant l’activation du récepteur GLP-1. / Pancreatic beta cells synthesize and secrete insulin, the only hypoglycemic hormone in the body. These cells play a central role in the onset of diabetes. To protect the functional beta-cell mass is essential. The GLP-1 receptor, which belongs to the class B of the G protein-coupled receptor (GPCR) family, is a major therapeutic target in type 2 diabetes. Through its receptor, GLP-1 potentiates glucose-induced insulin secretion and improves the survival of pancreatic beta cells. Glucocorticoids are stress hormones implied in energetic metabolism and are widely used in therapeutics for their anti-inflammatory, immunosupressive and anti-allergic properties. Neverless, on chronic administration, glucocorticoids can induce metabolic syndrome especially due beta cell functional mass impairement. Here, we characterized the impact of a prolonged exposure of pancreatic beta cells to a synthetic glucocorticoid (dexamethasone) on biological actions of glucose and GLP-1.We show that a chronic exposure of beta cells to dexamethasone exerted deleterious effects on glucose-induced insulin secretion and ERK1/2 (Extracelllular Regulated Kinases 1/2) activation. In contrast, we observed that the glucocorticoid treatment increased GLP-1 receptor expression at the plasma membrane and improved the Galpha s protein coupling leading to an enhancement of cAMP production (2 fold increase). Despite the negative impact on glucose effects, glucocorticoids did not impair neither GLP-1-induced insulin secretion nor ERK1/2 activation. This study reveals that a glucocorticoid chronic exposure 1) regulates GLP-1 receptor trafficking and increases its expression to the plasma membrane, 2) causes supersensitization of Gαs-associated signaling, and 3) could impact on therapeutic effects of GLP-1 receptor-based drugs.

Background: Intestinal inflammation elicited by environmental determinants including dietary proteins and microbes is implicated in type 1 diabetes (T1D) pathogenesis. Also, intrinsic pancreatic abnormalities could precede classic insulitis, contributing to T1D. Materials and Methods: Spontaneous rat T1D models were used for in situ analyses of gut and pancreas to explore novel disease pathways using immunohistochemistry and detailed morphometry, gene expression studies, and molecular screening analyses. Results: In BBdp rats, feeding a cereal diet stimulated T1D under germ-free or specific pathogen-free (SPF) conditions compared with a protective hydrolyzed casein (HC) diet. Cereal-induced T1D was paralleled by increased gut T cell infiltration and TH1-associated pro-inflammatory transcription. HC-fed rats displayed an increased number of anti-inflammatory CD163+ M2 macrophages compared with cereal-fed rats. Cereal-associated promotion of T1D in Lewis diabetes-prone (LEW-DP) rats, a different rat model, similarly featured gut T cell infiltration in conjunction with decreased immunoregulation. The Camp gene was induced in diet-protected HC-fed BBdp rats. Camp encodes the cathelicidin antimicrobial peptide (CAMP), a pleiotropic immunomodulatory host defence factor. Intestinal CAMP was enriched in CD163+ M2 macrophages and could represent a novel marker of these tolerogenic innate immune cells. CAMP expression was also discovered in pancreatic lymph nodes (PLN) and islets, indicating a novel role for this factor in target tissue homeostasis. There was a positive correlation between pancreatic CAMP and total islet number. Also, islet-associated CAMP+ cells were increased in rats with islet inflammation, suggesting upregulation in parallel with insulitis. Exogenous CAMP/LL-37 injections increased the abundance of T1D-protective probiotic bacteria and promoted islet neogenesis in BBdp rats. A prospective partial pancreatectomy (PPx) study was performed to obtain pre-diabetic pancreas biopsies from iii pre-insulitic BBdp rats. The number of endothelium-associated CD68+ macrophages was increased in pre-diabetic pancreata, indicating that perivascular inflammation was an early lesion in the animals. In addition, pre-diabetic pancreata featured enhanced regenerative Reg3a and Reg3b gene expression, indicating abnormal islet expansion preceding insulitis. Conclusions: Small intestinal inflammation paired with deficits in local immunoregulation parallels T1D development. CAMP represents a novel factor in T1D that could have several pleiotropic functions including regulation of commensal microbes, intestinal homeostasis, and pancreatic homeostasis. In addition, target tissue abnormalities precede insulitis and T1D. This research focused on the integrative biology of T1D pathogenesis in spontaneous rat models. This work provides a novel working model that incorporates key roles for gut lumen antigens, intestinal immunity, and the role of islets and altered regenerative capacity in T1D. This research could lead to new therapeutic opportunities for T1D treatment.

Hhip (Hedgehog interacting protein), un antagoniste de la voie de signalisation Hegehog (Hh) a était devouverte comme un antagoniste des 3 ligands Hh, soit Sonic (Shh), Indian (Ihh) et Desert (Dhh). La protéines Hhip régularise la fonction cellulaire autant par voie (Hh) canonique que non-canonique. Elle est formée de 700 acides aminés et est fortement exprimée dans les tissus riches en cellules endothéliales, comme les reins et le pancréas. Toutefois, son rôle dans le fonctionnement des cellules bêta matures soit en condition de bonne santé ou de maladie comme dans des conditions d’obésité provoquée par une diète riche en gras ainsi que son role dans les maladies chronique du rein et la dysfonction rénale. Les souris en déficience de Hhip (Hhip-/-) ont une malformation des ilots pancréatiques (une diminution de 45% des ilots et de 40% de la prolifération des cellules beta) et un problème pulmonaire qui cause la mort post-natale. L’objectif de notre étude initiale était de démontrer le role de Hhip dans le pancréas, en utilisant un KO corporel entier en réponse à une diète riche en gras (HFD) et la dysfonction des cellules beta in vivo et ex vivo sur des souris hétérozygotes pour Hhip (Hhip+/-) et des souris contrôles (Hhip +/+) Suite à une HFD, toutefois, les souris mâles et femelles HFD-Hhip+/+ ont développé une intolérance sévère au glucose (IPGTT) et cette intolérance a été améliorée chez les souris HFD-Hhip+/-. Associé a cette intolérance, les males HFD-Hhip+/- démontraient une hyperinsulinémie et leur taux d’insuline plasmatique (phase 1 et 2), contrairement aux souris males HFD-Hhip+/+, augmentait de façon significative. Dans les îlots de souris Hhip+/+, l’augmentation de Hhip induite par une HFD a été observée principalement dans les cellules bêta mais aucunement dans les cellules alpha. Sans varier le nombre total d’îlots et la quantité de cellules bêta, les souris mâles HFD-Hhip+/+ avaient un nombre supérieur de gros îlots dans lesquels le taux d’insuline était diminué. La structure de ces îlots était désorganisée, démontrant une évidente invasion des cellules alpha au coeur des îlots bêta, le stress oxidatif (8-OHdG et NADPH oxidase 2 (Nox 2)) est aussi augmentée. En revanche, chez les souris mâles HFD-Hhip+/-, il a été possible d’observer une augmentation du nombre de petits îlots, de la prolifération des cellules bêta, et aussi de la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose (GSIS), une amélioration du stress oxidatif et un maintien de l’intégrité des îlots ont été démontré. In vitro, la protéine recombinante Hhip (rHhip) a accentué le stress oxidatif (Nox2 et l’activité de NADPH oxidase 2) et a causé une diminution du nombre de cellules bêta ; par contre, le siRNA-Hhip augmente le GSIS et abolit la stimulation de l’expression du gène Nox2 induite par le palmitate de sodium (PA)-BSA. Grace a ces observations, il est démontré que les genes Hhip pancréatiques inhibe la sécrétion d’insuline en altérant la structure des ilots et en favorisant l’expression du gene Nox2 dans les ilots en réponse à la dysfonction des cellules beta suite a une diète riche en gras HFD. Le diabète engendre des risques élevés de complication tel que des problèmes chroniques des reins caractérisés par une perte graduelle des fonctions rénales. Cette situation a été récemment reliée au taux élevé d’obésité. On a aussi démontré dans notre modèle de diabète gestationnel que l’augmentation de Hhip causait des irrégularités durant la néphrogénèse des rejetons [127]. Ensuite, nos données récentes démontrent que, chez les souris adultes, l’hyperglycémie a provoqué une forte expression du gene Hhip rénales causant ainsi l’apoptose des cellules épithéliales des glomérules et la transition endothéliale à mésenchymateuse (EndoMT) - liée à fibrose rénale [128]. Dans l’étude présente, on a établi que la surexpression de Hhip dans les cellules des tubules proximaux rénaux contribuait au développement initial des problèmes chroniques des reins suite a une HFD de 14 semaines. Un gain de poids significatif a été observé chez les souris du groupe HFD comparativement aux groupes ND. Les souris du groupe HFD ont développé une intolérance au glucose mais sans changement apparent à la sensibilité à l’insuline ni à l’hypertension (pression arterielle) même si ces souris mâles avaient des légers dépôts du gras périrénal. Les fonctions rénales telle que mesurées par le taux de filtration glomérulaire restaient normales dans tous les groupes révélant ainsi que ces deux facteurs (HFD et surexpression de Hhip) n’avaient aucune influence sur l’hyperfiltration rénale. Néanmoins, la morphologie rénale a révélé que les souris du groupe HFD présentaient une lésion infraclinique et des signes de vacuolisation tubulaire et des lésions par rapport aux souris ND. Cette pathologie de lésion tubulaire et de vacuolisation était plus prononcée chez les souris transgéniques (Hhip-Tg) que chez les souris non-Tg, ce qui favorisait l'apoptose des cellules tubulaires bénignes et un stress oxydatif accru. En conclusion, l'obésité provoquée par l'HFD a eu des effets néfastes sur la tolérance au glucose et de légères modifications morphologiques des reins, caractérisées par la présence d'une néphrose osmotique, une augmentation du stress oxydatif rénal et une apoptose pouvant être induites par une augmentation de la FABP4 rénale. Cela a été exacerbé par la surexpression de Hhip dans les tubules rénaux proximaux. / Hedgehog interacting protein (Hhip), a signaling molecule in the Hedgehog Hh pathway, was originally discovered as a putative antagonist of all 3 secreted Hh ligands, i.e., Sonic (Shh), Indian (Ihh), and Desert (Dhh). Hhip regulates cell function via either canonical- or non-canonical Hh pathway. Hhip encodes a protein of 700 amino acids, and is abundantly expressed in vascular endothelial cell-rich tissues, including the pancreas, and kidneys. To date, less is known about Hhip’s expression pattern in mature islet cells, and its function under normal and/or disease conditions, such as diet induced-obesity, as well as its role in chronic kidney disease, and kidney dysfunction. Hhip null mice (Hhip-/-) display markedly impaired pancreatic islet formation (45% reduction of islet mass with a decrease of beta cell proliferation by 40%), however Hhip-/- mice die shortly after birth mainly due to lung defects. In our first study, we systemically studied the role of pancreatic Hhip expression by using a whole body knock out in response to 8 weeks high fat diet (HFD) insult, and HFD-mediated beta cell dysfunction in vivo, ex vivo and in vitro using heterozygous (Hhip+/-) vs. wild type (Hhip+/+) mice. Both HFD-fed Hhip+/+ male and female mice developed severe glucose intolerance (IPGTT), which was ameliorated in male and female HFD-Hhip+/- mice. Associated with this glucose intolerance, was hyperinsulinemia, which was observed only in HFD-fed male Hhip+/- mice. HFD-fed Hhip+/- mice had high levels of circulating plasma insulin in both insulin secretion phases compared to HFD fed Hhip+/+ mice. In the pancreas, Hhip expression was increased in the islets of HFD-Hhip+/+ mice, mainly co-localized in beta cells and none in alpha cells. While maintaining the total islet number, and beta cell mass, male HFD-Hhip+/+ mice had a higher number of larger islets, in which insulin content was reduced; islet architecture was disoriented, with evident invasion of alpha cells into the central core of beta cells; and an evident increase in oxidative stress markers (8-OHdG and NADPH oxidase 2 (Nox 2)). In contrast, male HFD-Hhip+/- mice had a higher number of smaller islets, with increased beta cell proliferation, pronounced glucose stimulated insulin secretion (GSIS), ameliorated oxidative stress and preserved islet integrity. In vitro, recombinant Hhip (rHhip) dose-dependently increased oxidative stress (Nox2 and NADPH activity), and decreased the number of insulin-positive beta cells, while siRNA-Hhip enhanced GSIS, and abolished the stimulation of sodium palmitate (PA)-BSA on Nox2 gene expression. We believe our data highlights a novel finding as to how pancreatic Hhip gene inhibits insulin secretion, by altering islet integrity, and promoting Nox2 gene expression in beta cells in response to HFD-mediated beta cell dysfunction. Diabetes presents high risk factors associated with complications such as chronic kidney disease (CKD) characterized by a gradual loss in kidney function. The increased incidence of diabetic related kidney complications has been recently correlated with increase rate of obesity. We recently established that impaired nephrogenesis in kidneys of offsprings of our murine model of maternal diabetes was associated with upregulation of Hhip gene expression [127]. Subsequently, our recent data also shows that hyperglycemia induced increased renal Hhip gene expression in adult murine kidneys leading to apoptosis of glomerular epithelial cells and endothelial to mesenchymal transition (Endo-MT) - related renal fibrosis [128]. In this current study, we demonstrated how Hhip overexpression in renal proximal tubular cells, contributes to early development of chronic kidney disease after 14 weeks of HFD. Mice in HFD-fed groups showed significantly greater weight gain as compared to mice in ND fed groups. IPGTT revealed that HFD fed mice also developed glucose intolerance, with no apparent changes in insulin sensitivity. HFD did not impact hypertension, even though we had a modest trend of increase in perirenal fat deposit in the HFD fed subgroups. Renal function as measured by the glomerular filtration rate was normal in all four subgroups, indicating that neither HFD, nor Hhip overexpression promoted renal hyperfiltration. Nonetheless, renal morphology revealed HFD kidneys had subclinical injury, presented signs of tubular vacuolization and damage compared to ND fed mice. This pathology of tubular damage and vacuolization was more pronounced in HFD-fed transgenic (Hhip-Tg) mice compared to non-Tg mice, and this promoted mild tubular cell apoptosis and enhanced oxidative stress. In conclusion, HFD feeding-induced obesity led to detrimental effects on glucose toleranc,e and mild morphological changes in kidneys, characterized by the presence of osmotic nephrosis, increased renal oxidative stress, and apoptosis which might be mediated by an increase in renal FABP4. This was exacerbated by the over-expression of Hhip in the renal proximal tubules.