Diabetes mellitus results from inadequate production of insulin (Type 1 diabetes) or its inability to elicit adequate responsiveness in target tissues (type 2 diabetes). Loss of islet β-cells that produce insulin occurs in both of these situations. Attempts to stimulate insulin secretion from the remaining β-cells, administer exogenous insulin and/or improve insulin sensitivity have made this disease manageable at best but have not led to a cure. The most promising approach to assure a regulated source of insulin production and secretion is obviously to replenish β-cells. Despite continuing efforts in this direction through islet cell transplantation, progress in this area has been limited due to the limits imposed by autoimmune rejection. Likewise attempts to promote β-cell renewal through processes of neogenesis or dedifferentiation from other islet cell types have not been successful. Reg (Regeneration associated gene) family proteins are expressed in many tissues such as brain, liver, intestine, pancreas etc. In the pancreas, Reg proteins are induced during islet development, β-cell damage and diabetes suggesting a role for these proteins in promoting islet cell growth and survival. In this study, I elucidated the role of mouse Reg2 (mReg2) in preventing apoptosis induced by streptozotocin (Stz) and ER stress in mouse pancreatic insulinoma (MIN6) cells. In addition, I extended the studies to initiate a comparative evaluation of the effects of mReg3β. First, I present evidence that mReg2 protects MIN6 cells against Stz-induced apoptosis. mReg2 attenuates Stz-induced disruption of mitochondrial membrane integrity and inhibits caspase3 activation. Stz-induced suppression of JNK phosphorylation is also inhibited by mReg2. These data suggest that mReg2 protects MIN6 cells against Stz-induced apoptosis by interfering with its cytotoxic signaling upstream of the intrinsic proapoptotic events by preventing its ability to inactivate JNK (Chapter 2).Second, I describe studies elucidating the mechanism of action of Reg2 in attenuating ER stress induced unfolded protein response (UPR). Thapsigargin-induced phosphorylation of canonical UPR transducers IRE1α and eIF2α was lower in MIN6 cells stably expressing mReg2. The attenuation of UPR by mReg2 involves its ability to upregulate the ER chaperone protein GRP78 through Akt-mTORC1 signaling axis as evidenced by increase in phosphorylation of Akt Ser473, mTOR Ser2448 and induction of Raptor and GβL, two key components of mTORC1. Collectively, these results suggest that ectopically introduced mReg2 protein protects insulin-producing cells against UPR by potentiating Akt and mTORC1 signaling and inducing GRP78 expression. (Chapter 3). The studies described in Chapter 4 demonstrate that mReg2 prevents AIF mediated apoptosis independent of its ability to attenuate UPR. In MIN6 cells subjected to ER stress, mReg2 attenuates AIF-dependent apoptosis by promoting nuclear sequestration of Scythe, thereby stabilizing hsp70-AIF interaction in the cytosol and preventing the translocation of AIF from the cytosol to the nucleus. Additionally, I initiated studies to evaluate the effect of mReg3β which is paralogous to mReg2 and expected to share the anti-apoptotic function of mReg2. My preliminary data showed that mReg3β inhibits ER stress induced apoptosis. In addition, mReg3β also inhibits ER stress induced eIF2 phosphorylation and translocation of AIF into the nucleus. Finally, I initiated a study to elucidate the regulation of micro-RNAs (miRs) by mReg2 and mReg3β. Both mReg proteins down-regulate a number of miRs including miR-34a which is known to promote apoptosis and up-regulate a number of miRs, among which miR-467a which inhibits apoptosis. Future studies are necessary to define the functional relevance of such miRs in mediating the pro-survival action of mReg2 and mReg3β. / Le diabète sucré est causé par une production inappropriée d'insuline (diabète de type 1) ou par l'incapacité de l'insuline de permettre une réponse adéquate dans les tissus cibles (diabète de type 2). La perte des îlots de Langerhans (cellules β) qui sont responsables de la production de l'insuline, se produit dans les deux types de diabète. Des tentatives pour stimuler la sécrétion d'insuline à partir des cellules β qui restent, l'administration d'insuline exogène et/ou une plus grande sensibilité à l'insuline ont permis de rendre cette maladie "gérable" sans toutefois apporter une guérison. L'approche la plus prometteuse pour assurer une production et une sécrétion adéquates d'insuline est de reconstituer les cellules β. Les tentatives pour promouvoir le renouvellement des cellules β via des processus de néogénèse ou de différenciation à partir d'autres types cellulaires n'ont pas eu de succès.Reg (regeneration associated gene) est une famille de proteines qui sont exprimées dans plusieurs tissus tels que le cerveau, le foie, les intestins et le pancréas. Dans le pancréas, les protéines Reg sont induites durant le developpement des îlots, le dommage aux cellules β et le diabète suggérant un rôle pour ces protéines dans la promotion de la croissance des cellules de l'îlot et leur survie. Dans cette étude, j'ai investigué les protéines murines Reg (mReg). En particulier, j'ai étudié le rôle joué par mRge2 dans la prévention de l'apoptose induite par la streptozozotocine (Stz) et le stress du réticulum endoplasmique (RE) en utilisant des cellules murines pancréatiques de l'insulinome (MIN6). De plus, j'ai étendu mes études afin d'initier une évaluation comparative des effets de mReg3β et de mReg2.Premièrement, je présente des résultats qui suggèrent que mRg2 protège les cellules MIN6 de l'apoptose induite par Stz. mRge2 atténue la perturbation de l'intégrité membranaire de la mitochondrie causée par le Stz et l'inhibition de l'activation de la caspase 3. La suppression de la phosphorylation de la kinase N-terminale de c-Jun (JNK) par Stz est aussi inhibée par mReg2. Ces données suggèrent que mReg2 protège les cellules MIN6 de l'apoptose induite par Stz en interférant avec la signalisation cytotoxique en amont des événements proapoptotiques via l'inhibition de la capacité de mReg2 d'inactiver JNK (chapitre 2). Deuxièmement, je décris des études élucidant le mécanisme d'action de Reg2 en rapport avec l'atténuation de la réponse de la protéine dépliée (RPD) induite par le stress du RE. Le stress du RE induit par la thapsigargine, tel que mesuré par la phosphorylation des transducteurs canoniques de la RPD IRE1α et eIF2α, a révélé que la phosphorylation de ces deux protéines est réduite dans les cellules MIN6 exprimant mReg2. L'atténuation de RPD par mReg2 est due à sa capacité à surréguler GRP78, une protéine chaperone du RE, via l'axe de signalisation Akt-mTORC1. Cette observation a été mise en évidence par l'augmentation de la phosphorylation de la sérine 473 de Akt et la sérine 2448 de mTOR ainsi que l'induction de Raptor et GβL, deux composants clés de mTORC1. L'augmentation de l'activité de mTORC1 induite par mReg2 a été confirmée par l'augmentation de la phosphorylation de p70 S6K. Collectivement, ces résultats suggèrent que l'expression ectopique de mReg2 protège les cellules productrices d'insuline de la RPD par la potentialisation de la signalisation d'Akt et mTORC1 ainsi que par l'induction de l'expression de GRP78.Les études décrites dans le chapitre 4 démontrent que mReg2 prévient l'apoptose médiée par AIF indépendamment de sa capacité à atténuer la RPD. Dans les cellules MIN6 soumises au stress du RE, mReg2 atténue l'apoptose dépendante de AIF en promouvant la séquestration nucléaire de Scythe, la stabilisation de l'interaction cytosolique Hsp70-AIF et la prévention de la translocation d'AIF du cytosol au noyau.

Heterogeneity is at the heart of Darwin's "mystery of mysteries", the origin of species, as both cause and consequence. Heterogeneity within and between environments can lead to genetic and phenotypic heterogeneity within and between populations. This can lead, in turn, to heterogeneity in patterns of mating and reproduction, often called "non-random" or "assortative" mating. Ultimately, this process can lead to speciation – in essence, the development of stable, persistent heterogeneity at the phylogenetic level. A "chain of causation" thus exists along which heterogeneity propagates, from differences among environments to differences among individuals, populations, and ultimately species (Chapter 1). In this thesis I present three models, focused upon three different links in this chain of causation, to study the causes and consequences of heterogeneity in the evolutionary process. The first model (Chapter 2) examines the earliest link in this chain of causation: the process of adaptation within a single population in an environment containing a single resource type. This model demonstrates that stochasticity generates genetic and phenotypic heterogeneity even in a simple environment such as this. Furthermore, that heterogeneity can be maintained and promoted by simple ecological processes such as intraspecific competition that decrease the fitness of common phenotypes. The results of this model help to resolve a long-standing puzzle in evolutionary biology, the "paradox of stasis", by providing a mechanistic explanation for the pattern of selection observed in natural populations. The second model (Chapter 3) explores an intermediate link in the chain of causation: the effects of spatial environmental heterogeneity on divergent adaptation and biodiversification. This model incorporates complex, realistic patterns of environmental heterogeneity not previously studied, and demonstrates a novel "refugium effect" through which such complex environmental heterogeneity can promote biodiversification. In essence, "refugia" generated by patchy environmental heterogeneity can provide stepping-stones through which adaptation to hostile environments can proceed incrementally. Other effects of complex heterogeneity are also demonstrated, and these results are connected to empirical speciation research. The last model presented (Chapter 4) investigates the final links in the chain of causation: the development of reproductive isolation and progress toward speciation. It has previously been hypothesized that a floral syndrome called heterostyly might cause partial reproductive isolation among populations of flowering plants, promoting speciation. This chapter's model is used to test that hypothesis. Results support this hypothesis in some scenarios, because divergent ecological selection on traits involved in heterostyly can pleiotropically produce reproductive isolation. However, this model does not always lead to reproductive isolation. An alternative outcome in which heterostyly leads to asymmetric gene flow points toward a novel mechanism underlying the progression from heterostyly to dioecy, offering a possible resolution of an enduring mystery in plant mating system research. In Chapter 5, the chain of causation discussed above is visualized with a flowchart that depicts the mechanisms that generate and promote heterogeneity at different stages in the process of adaptation and speciation. This flowchart illustrates the unifying idea at the heart of this thesis: that the process of biodiversification involves the propagation of heterogeneity from the environment to individuals, populations, and ultimately new species. The models presented in the preceding chapters are shown at their respective positions along the chain of causation, illustrating which parts of this conceptual framework have been explored in this thesis. / L'hétérogénéité est au coeur du «mystère des mystères» de Darwin : l'origine des espèces, comme cause et comme conséquence. L'hétérogénéité à l'intérieur et entre les environnements peut produire de l'hétérogénéité génétique et phénotypique dans une population et entre des populations. Ceci peut produire, à son tour, de l'hétérogénéité dans les patrons d'accouplement et de reproduction, souvent appelé «croisement assortatif». Ultimement, ce processus peut mener à la spéciation – en fait, le développement d'une hétérogénéité stable et persistante au niveau phylogénique. Une «chaîne de causalité» existe au cours duquel l'hétérogénéité se propage, de différences environmentales à des différences entre les individus, les populations, et ultimement aux espèces (premier chapitre). Dans cette thèse, je présente trois modèles, qui portent chacun sur un lien différent de la chaîne de causalité pour étudier les causes et les conséquences de l'hétérogénéité dans les processus évolutifs. Le premier modèle (deuxième chapitre) examine le premier lien de la chaîne de causalité : le processus d'adaptation avec une seule population et un seul environnement ne contenant qu'un seul type de ressource. Ce modèle montre que la stochasticité génère de l'hétérogénéité génétique et phénotypique, même dans un environnement simple. En plus, l'hétérogénéité peut être maintenue et amplifiée par des processus écologiques simples comme la compétition intra-spécifique qui réduit la valeur d'adaptation des phénotypes communs. Ces résultats aident à résoudre une vieille question en biologie de l'évolution, «le paradoxe de la stase», en fournissant une explication pour les mécanismes de sélection que l'on observe dans la nature. Le deuxième modèle (troisième chapitre) explore un lien intermédiaire dans la chaîne de causalité : les effets de l'hétérogénéité environnementale sur l'adaptation divergente et les processus de biodiversification. Ce modèle intègre des patrons complexes d'hétérogénéité qui n'ont pas été étudiés précédemment et montre un nouvel «effet refuge» qui amplifie les processus de biodiversification dans des environnements hétérogènes complexes. En effet, les «refuges» générés par la fragmentation spatiale peuvent devenir des tremplins par lesquels l'adaptation aux environnements hostiles peut procéder séquentiellement. D'autres effets de l'hétérogénéité complexe sont aussi montrés et ces résultats sont liés à la recherche empirique sur la spéciation. Le dernier modèle (quatrième chapitre) étudie le dernier lien de la chaîne de causalité : le développement de l'isolation reproductive et l'évolution vers la spéciation. Il a été suggéré qu'un syndrome floral appelé hétérostylie peut causer une isolation reproductive partielle entre les fleurs, entraînant la spéciation. Le modèle de ce chapitre est utilisé pour tester cette hypothèse. Les résultats appuient cette hypothèse dans certains scénarios, car la sélection écologique divergente sur les traits impliqués dans l'hétérostylie peuvent produire de l'isolement reproductif à cause d'effects pléiotropes. Cependant, ce modèle ne génère pas toujours de l'isolement reproductif. Un autre résultat possible du modèle est que l'hétérostylie produit un flux génique asymmétrique. Ce résultat pointe vers un nouveau mécanisme sous-jacent à la progression de l'hétérostylie vers la diécie, offrant la possibilité de résoudre un mystère persistant à propos du système reproductif des plantes. Dans le cinquième chapitre, la chaîne de causalité est représentée par un organigramme qui présente les mécanismes qui génèrent et amplifient l'hétérogénéité à différents stades du processus d'adaptation et de spéciation. Les modèles présentés dans les chapitres précédents sont positionnés sur la chaîne de causalité, illustrant quelles sont les parties de cet organigramme qui ont été explorées dans cette thèse.

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