Étude de l'implication des navettes du pyruvate découlant du métabolisme mitochondrial du glucose dans la régulation de la sécrétion d'insuline par les cellules bêta pancréatiques

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.

Rôle de l'estérification des acides gras dans la régulation de la sécrétion d'insuline et le stress métabolique induits par le glucose

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.

Effets d'un programme d'exercices aérobie et en résistance, combinés, chez les patients atteints de fibrose kystique, intolérants au glucose ou diabétiques

La fibrose kystique (FK) est une des maladies rares la plus fréquente au Canada avec un âge médian de survie de 50.9 ans. Toutefois, l'amélioration de l’espérance de vie est associée à l'émergence de complications secondaires telles que le diabète associé à la FK (DAFK). Présent chez 25 à 40% des adultes, il augmente de 6 fois le risque de morbidité et de mortalité. Plusieurs études sur des populations atteintes de diabète de type 2 ont démontrés les bienfaits de programmes d’exercices combinés (aérobie et résistance) sur l’amélioration du contrôle glycémique. L’objectif de l’étude visait à déterminer si un programme d’exercices combinés permettait d’améliorer les anomalies de la tolérance au glucose et le contrôle glycémique chez les patients atteints de FK. Méthodologie: 18 adultes atteints de FK, sédentaires avec une intolérance au glucose ont été recrutés pour cette étude (8 hommes, 10 femmes, âge: 33 ± 9.4 ans, FEV1 71.5% pred ± 12.5, IMC 23.57 kg/m2 ± 3,4). Les participants ont été assignés au hasard à un groupe contrôle ou exercice. Les tests suivants ont été réalisés avant et après l’intervention : VO2max, HGPO, mesure de l'endurance et de la force musculaire, ainsi qu’un questionnaire sur la qualité de vie. Résultats: 14 participants ont complété le protocole. Les participants du groupe exercice ont amélioré leur valeur de glycémie plasmatique à la 2e heure de l’HGPO (-2.34 +/- 0.87 mmol/L; p <0.01; CI 99.22%), à la 1re heure de l’HGPO (-2.0 mmol/L; p<0.05) et ont présenté une réduction de 17.2% (p<0.05) de l’aire sous la courbe de glucose. Conclusion: Un programme d'exercices combinés améliore le contrôle glycémique chez les patients atteints de FK. Cette approche thérapeutique non-pharmacologique pourrait offrir une intervention ayant le potentiel de retarder l'apparition de DAFK.

Lasiodiplodan, an exocellular (1 -> 6)-beta-d-glucan from Lasiodiplodia theobromae MMPI: production on glucose, fermentation kinetics, rheology and anti-proliferative activity

Lasiodiplodan, an exopolysaccharide of the (1 -> 6)-beta-d-glucan type, is produced by Lasiodiplodia theobromae MMPI when grown under submerged culture on glucose. The objective of this study was to evaluate lasiodiplodan production by examining the effects of carbon (glucose, fructose, maltose, sucrose) and nitrogen sources (KNO3, (NH4)(2)SO4, urea, yeast extract, peptone), its production in shake flasks compared to a stirred-tank bioreactor, and to study the rheology of lasiodiplodan, and lasiodiplodan's anti-proliferative effect on breast cancer MCF-7 cells. Although glucose (2.05 +/- A 0.05 g L-1), maltose (2.08 +/- A 0.04 g L-1) and yeast extract (2.46 +/- A 0.06 g L-1) produced the highest amounts of lasiodiplodan, urea as N source resulted in more lasiodiplodan per unit biomass than yeast extract (0.74 +/- A 0.006 vs. 0.22 +/- A 0.008 g g(-1)). A comparison of the fermentative parameters of L. theobromae MMPI in shake flasks and a stirred-tank bioreactor at 120 h on glucose as carbon source showed maximum lasiodiplodan production in agitated flasks (7.01 +/- A 0.07 g L-1) with a specific yield of 0.25 +/- A 0.57 g g(-1) and a volumetric productivity of 0.06 +/- A 0.001 g L-1 h(-1). A factorial 2(2) statistical design developed to evaluate the effect of glucose concentration (20-60 g L-1) and impeller speed (100-200 rpm) on lasiodiplodan production in the bioreactor showed the highest production (6.32 g L-1) at 72 h. Lasiodiplodan presented pseudoplastic behaviour, and the apparent viscosity increased at 60A degrees C in the presence of CaCl2. Anti-proliferative activity of lasiodiplodan was demonstrated in MCF-7 cells, which was time- and dose-dependent with an IC50 of 100 mu g lasiodiplodan mL(-1).

Transport d'eau généré par le cotransport Na+/glucose : nouvelle interprétation basée sur les effets distincts des flux entrants de cations et de glucose

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Effets de mutations dans le gène ldhA et dans la protéine FhlA ainsi que de la limitation en glucose ou en soufre sur la production d'hydrogène chez Escherichia coli

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

PKCbêta1 intervient dans l'action d'une concentration élevée en glucose sur l'expression de l'angiotensinogène et l'hypertrophie des IRPTC

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Transport d'eau généré par le cotransport Na+/glucose : nouvelle interprétation basée sur les effets distincts des flux entrants de cations et de glucose

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Effect of vitamin D supplementation on bone status, glucose homeostasis and immune function in children with vitamin D deficiency

Background: Between 1961-1971 vitamin D deficiency was recognized as a public health issue in the UK, because of the lack of effective sunlight and the population mix [1, 2]. In recent years, health care professionals have cited evidence suggesting a re-emergence of the vitamin D deficiency linked to a number of health consequences as a concern [3-6]. Evidence from observational studies has linked low vitamin D status with impairment in glucose homeostasis and immune dysfunction [7-9]. However, interventional studies, particularly those focused on paediatric populations, have been limited and inconsistent. There is a need for detailed studies, to clarify the therapeutic benefits of vitamin D in these important clinical areas. Objective: The aims of this PhD thesis were two-fold. Firstly, to perform preliminary work assessing the association between vitamin D deficiency and bone status, glucose homeostasis and immune function, and to explore any changes in these parameters following short term vitamin D3 replacement therapy. Secondly, to assess the effectiveness of an electronic surveillance system (ScotPSU) as a tool to determine the current incidence of hospital-based presentation of childhood vitamin D deficiency in Scotland. Methods: Active surveillance was performed for a period of two years as a part of an electronic web-based surveillance programme performed by the Scottish Paediatric Surveillance Unit (ScotPSU). The validity of the system was assessed by identifying cases with profound vitamin D deficiency (in Glasgow and Edinburgh) from the regional laboratory. All clinical details were checked against those identified using the surveillance system. Thirty-seven children aged 3 months to 10 years, who had been diagnosed with vitamin D deficiency, were recruited for the bone, glucose and immunity studies over a period of 24 months. Twenty-five samples were analysed for the glucose and bone studies; of these, 18 samples were further analysed for immune study. Treatment consisted of six weeks taking 5000 IU units cholecalciferol orally once a day. At baseline and after completion of treatment, 25 hydroxyvitamin D (25(OH)D), parathyroid hormone (PTH), alkaline phosphatase (ALP), collagen type 1 cross-linked C-telopeptide (CTX), osteocalcin (OCN), calcium, phosphate, insulin, glucose, homeostasis model assessment index, estimated insulin resistance (HOMA IR), glycated hemoglobin (HbA1c), sex hormone binding globulin (SHBG), lipids profiles, T helper 1 (Th1) cytokines (interleukin-2 ( IL-2), tumor necrosis factors-alpha (TNF-α), interferon-gamma (INF-γ)), T helper 2 (Th2) cytokines (interleukin-4 (IL-4), interleukin-5 (IL-5), interleukin-6 (IL-6)), T helper 17 (Th17) cytokine (interleukin-17 (IL-17)), Regulatory T (Treg) cytokine (interleukin-10 (IL-10)) and chemokines/cytokines, linked with Th1/Th2 subset balance and/or differentiation (interleukin-8 (IL-8), interleukin-12 (IL-12), eosinophil chemotactic protein ( EOTAXIN), macrophage inflammatory proteins-1beta (MIP-1β), interferon-gamma-induced protein-10 (IP-10), regulated on activation, normal T cell expressed and secreted (RANTES), monocyte chemoattractant protein-1(MCP-1)) were measured. Leukoocyte subset analysis was performed for T cells, B cells and T regulatory cells and a luminex assay was used to measure the cytokiens. Results: Between September 2009 and August 2011, 163 cases of vitamin D deficiency were brought to the attention of the ScotPSU, and the majority of cases (n = 82) were reported in Glasgow. The cross-validation checking in Glasgow and Edinburgh over a one-year period revealed only 3 (11%) cases of clearly symptomatic vitamin D deficiency, which had been missed by the ScotPSU survey in Glasgow. While 16 (67%) symptomatic cases had failed to be reported through the ScotPSU survey in Edinburgh. For the 23 children who are included in bone and glucose studies, 22 (96%) children had basal serum 25(OH)D in the deficiency range (< 50 nmol/l) and one (4%) child had serum 25(OH)D in the insufficiency range (51-75 nmol/l). Following vitamin D3 treatment, 2 (9%) children had final serum 25(OH)D lower than 50 nmol/l, 6 (26%) children had final serum 25(OH)D between >50-75 nmol/l, 12 (52%) children reached a final serum 25(OH)D >75-150 nmol/l and finally 3 (13%) exceeded the normal reference range with a final 25(OH)D >150 nmol/l. Markers for remodelling ALP and PTH had significantly decreased (p = 0.001 and <0.0001 for ALP and PTH respectively). In 17 patients for whom insulin and HOMA IR data were available and enrolled in glucose study, significant improvements in insulin resistance (p = 0.04) with a trend toward a reduction in serum insulin (p = 0.05) was observed. Of those 14 children who had their cytokines profile data analysed and enrolled in the immunity study, insulin and HOMA IR data were missed in one child. A significant increase in the main Th2 secreted cytokine IL-4 (p = 0.001) and a tendency for significant increases in other Th2 secreted cytokines IL-5 (p = 0.05) and IL-6 (p = 0.05) was observed following vitamin D3 supplementation. Conclusion: An electronic surveillance system can provide data for studying the epidemiology of vitamin D deficiency. However, it may underestimate the number of positive cases. Improving vitamin D status in vitamin D deficient otherwise healthy children significantly improved their vitamin D deficient status, and was associated with an improvement in bone profile, improvements in insulin resistance and an alteration in main Th2 secreting cytokines.

Vitamina D e doenças endocrinometabólicas

Atualmente, a insuficiência/deficiência de vitamina D tem sido considerada um problema de saúde pública no mundo todo, em razão de suas implicações no desenvolvimento de diversas doenças, entre elas, o diabetes melito tipo 2 (DMT2), a obesidade e a hipertensão arterial. A deficiência de vitamina D pode predispor à intolerância à glicose, a alterações na secreção de insulina e, assim, ao desenvolvimento do DMT2. Esse possível mecanismo ocorre em razão da presença do receptor de vitamina D em diversas células e tecidos, incluindo células-β do pâncreas, no adipócito e no tecido muscular. Em indivíduos obesos, as alterações do sistema endócrino da vitamina D, caracterizada por elevados níveis de PTH e da 1,25(OH)2D3 são responsáveis pelo feedback negativo da síntese hepática de 25-OHD3 e também pelo maior influxo de cálcio para o meio intracelular, que pode prejudicar a secreção e a sensibilidade à insulina. Na hipertensão, a vitamina D pode atuar via sistema renina-angiotensina e também na função vascular. Há evidências de que a 1,25(OH)2D3 inibe a expressão da renina e bloqueia a proliferação da célula vascular muscular lisa. Entretanto, estudos prospectivos e de intervenção em humanos que comprovem a efetividade da adequação do status da vitamina D sob o aspecto "prevenção e tratamento de doenças endocrinometabólicas" são ainda escassos. Mais pesquisas são necessárias para se garantir o benefício máximo da vitamina D nessas situações.