Characterization of the molecular mechanisms of insulin exocytosis and of their adaptation to physiopathological conditions

Résumé large public Le glucose est une source d'énergie essentielle pour notre organisme, indispensable pour le bon fonctionnement des cellules de notre corps. Les cellules β du pancréas sont chargées de réguler l'utilisation du glucose et de maintenir la glycémie (taux de glucose dans le sang) à un niveau constant. Lorsque la glycémie augmente, ces dernières sécrètent l'insuline, une hormone favorisant l'absorption, l'utilisation et le stockage du glucose. Une sécrétion insuffisante d'insuline provoque une élévation anormale du taux de glucose dans le sang (hyperglycémie) et peut mener au développement du diabète sucré. L'insuline est sécrétée dans le sang par un mécanisme particulier appelé exocytose. Une meilleure compréhension de ce mécanisme est nécessaire dans l'espoir de trouver des nouvelles thérapies pour traiter les 170 millions de personnes atteintes de diabète sucré à travers le monde. L'implication de diverses protéines, comme les SNAREs ou Rabs a déjà été démontrée. Cependant leurs mécanismes d'action restent, à ce jour, peu compris. De plus, l'adaptation de la machinerie d'exocytose à des conditions physiopathologiques, comme l'hyperglycémie, est encore à élucider. Le but de mon travail de thèse a été de clarifier le rôle de deux protéines, Noc2 et Tomosyn, dans l'exocytose ; puis de déterminer les effets d'une exposition prolongée à un taux élevé de glucose sur l'ensemble des protéines de la machinerie d'exocytose. Noc2 est un partenaire potentiel de deux Rabs connues pour leur implication dans les dernières étapes de l'exocytose, Rab3 et Rab27. Grâce à l'étude de différents mutants de Noc2, j'ai montré que l'interaction avec Rab27 permet à la protéine de s'associer avec les organelles de la cellule β contenant l'insuline. De plus, en diminuant sélectivement l'expression de Noc2, j'ai déterminé l'importance de cette protéine pour le bon fonctionnement du processus d'exocytose et le relâchement de l'insuline. Quant à Tomosyn, une protéine interagissant avec les protéines SNAREs, j'ai démontré son importance dans la sécrétion d'insuline en diminuant de manière sélective son expression dans les cellules β. Ensuite, grâce à une combinaison d'approches moléculaires et de microscopie, j'ai mis en évidence le rôle de Tomosyn dans les dernières étapes de l'exocytose. Enfin, puisque la sécrétion d'insuline est diminuée lors d'une hyperglycémie prolongée, j'ai analysé l'adaptation de la machinerie d'exocytose à ces conditions. Ceci m'a permis de découvrir que l'expression de quatre protéines essentielles pour le processus d'exocytose, Noc2, Rab3, Rab27 et Granuphilin, est fortement diminuée lors d'une hyperglycémie chronique. L'ensemble de ces données met en évidence l'importance de Noc2 et Tomosyn dans la sécrétion d'insuline. L'inhibition, par un taux élevé de glucose, de l'expression de Noc2 et d'autres protéines indispensables pour l'exocytose suggère que ce phénomène pourrait contribuer au développement du diabète sucré. Résumé L'exocytose d'insuline, en réponse au glucose circulant dans le sang, est la fonction principale de la cellule β. Celle-ci permet de stabiliser le taux de glucose sanguin (glycémie). Le diabète de type 2 est caractérisé par une glycémie élevée due, principalement, à un défaut de sécrétion d'insuline en réponse au glucose. La compréhension des mécanismes qui contrôlent l'exocytose d'insuline est essentielle pour clarifier les causes du diabète sucré. Plusieurs composants impliqués dans ce processus ont été identifiés. Ceux-ci incluent les SNAREs Syntaxin-1, VAMP2 et SNAP25 et les GTPases Rab3 et Rab27 qui jouent un rôle dans les dernières étapes de l'exocytose. Pendant mon travail de thèse, j'ai étudié le rôle de Noc2, un des partenaires de Rab3 et Rab27, dans l'exocytose d'insuline. Nous avons déterminé que Noc2 s'associe aux granules de sécrétion d'insuline grâce à son interaction avec Rab27. La diminution de l'expression de Noc2 dans la lignée cellulaire β INS-1E, par ARN interférence, influence négativement la sécrétion d'insuline stimulée par différents sécrétagogues et prouve que cette protéine Noc2 est essentielle pour l'exocytose d'insuline. L'interaction avec Munc13, une protéine impliquée dans l'arrimage des vésicules, suggère que Noc2 participe au recrutement des granules d'insuline à la membrane plasmique. Ensuite, j'ai analysé l'adaptation de la machinerie d'exocytose à des concentrations supraphysiologiques de glucose. Le niveau d'expression de Rab3 et Rab27 et de leurs effecteurs Granuphilin/S1p4 et Noc2 est fortement diminué par une exposition prolongée des cellules β à haut glucose. L'effet observé est en relation avec l'induction de l'expression de ICER, un facteur de transcription surexprimé dans des conditions d'hyperglycémie et également dans des modèles génétiques de diabète de type 2. La surexpression de ICER dans des cellules INS-1E diminue l'expression de Rab3, Rab27, Granuphilin/Slp4 et Noc2 et par conséquent l'exocytose d'insuline. Ainsi, l'induction de ICER, après une exposition prolongée à haut glucose, régule négativement l'expression de protéines essentielles pour l'exocytose et altère la sécrétion d'insuline. Ce mécanisme pourrait contribuer au dysfonctionnement de l'exocytose d'insuline dans le diabète de type 2. Dans la dernière partie de ma thèse, j'ai investigué le rôle de la protéine Tomosyn-1 dans la formation du complexe SNARE. Cette protéine a une forte affinité pour Syntaxin-1 et contient un domaine SNARE. Tomosyn-1 est concentrée dans les régions cellulaires enrichies en granules de sécrétion. La diminution sélective de l'expression de Tomosyn-1 induit une réduction de l'exocytose stimulée par différents sécrétagogues. Cet effet est dû à un défaut de fusion des granules avec la membrane plasmique. Ceci nous indique que Tomosyn-1 intervient dans une phase importante de la préparation des vésicules à la fusion, qui est nécessaire à l'exocytose. Abstract: Insulin exocytosis from pancreatic β-cells plays a central role in blood glucose homeostasis. Diabetes mellitus is a complex metabolic disorder characterized by secretory dysfunctions in pancreatic β-cells and release of amounts of insulin that are inappropriate to maintain blood glucose concentration within normal physiological ranges. To define the causes of β-cell failure a basic understanding of the molecular mechanisms that control insulin exocytosis is essential. Some of the molecular components involved in this process have been identified, including the SNARE proteins VAMP2, Syntaxin-1 and SNAP25 and the two GTPases, Rab3 and Rab27, that regulate the final steps of insulin secretion. I first investigated the role of Noc2, a potential Rab3 and Rab27 partner, in insulin secretion. I found that Noc2 associates with Rab27 and is recruited by this GTPase on insulin- containing granules. Silencing of the Noc2 gene by RNA interference led to a strong impairment in the capacity of the β-cell line INS-1E to respond to secretagogues, indicating that appropriate levels of the protein are essential for insulin exocytosis. I also showed that Noc2 interacts with Munc13, a protein that controls vesicle priming, suggesting a possible involvement of Noc2 in the recruitment of secretory granules at the plasma membrane. In the second part of my thesis, I investigated the adaptation of the molecular machinery of exocytosis to physiopathological conditions. I found that the expression of Rab3, Rab27 and of their effectors Granuphilin/Slp4 and Noc2 is dramatically decreased by chronic exposure of β-ce1ls to supraphysiological glucose levels. The observed glucotoxic effect is a consequence of the induction of ICER, a transcriptional repressor that is increased by prolonged hyperglycemia and in genetic models of type 2 diabetes. Overexpression of ICER reduced Granuphilin, Noc2, Rab3 and Rab27 levels and inhibited exocytosis. These results suggest that the presence of inappropriate levels of ICER diminishes the expression of a group of proteins essential for exocytosis and contributes to defective insulin release in type 2 diabetes. In the last part of my thesis, I focused my attention on the role of Tomosyn-1, a Syntaxin-1 binding protein possessing a SNARE-like motif, in the control of SNARE complex assembly. I found that Tomosyn-1 is concentrated in cellular compartments enriched in insulin-containing secretory granules. Silencing of Tomosyn-1 did not affect the number of secretory granules docked at the plasma membrane but decreased their release probability, resulting in a reduction in stimulus-induced insulin exocytosis. These findings suggest that Tomosyn-1 is involved in a post-docking event that prepares secretory granules for fusion and is necessary to sustain exocytosis in response to insulin secretagogues.

Circulating microRNAs as novel biomarkers for diabetes mellitus.

Diabetes mellitus is characterized by insulin secretion from pancreatic β cells that is insufficient to maintain blood glucose homeostasis. Autoimmune destruction of β cells results in type 1 diabetes mellitus, whereas conditions that reduce insulin sensitivity and negatively affect β-cell activities result in type 2 diabetes mellitus. Without proper management, patients with diabetes mellitus develop serious complications that reduce their quality of life and life expectancy. Biomarkers for early detection of the disease and identification of individuals at risk of developing complications would greatly improve the care of these patients. Small non-coding RNAs called microRNAs (miRNAs) control gene expression and participate in many physiopathological processes. Hundreds of miRNAs are actively or passively released in the circulation and can be used to evaluate health status and disease progression. Both type 1 diabetes mellitus and type 2 diabetes mellitus are associated with distinct modifications in the profile of miRNAs in the blood, which are sometimes detectable several years before the disease manifests. Moreover, circulating levels of certain miRNAs seem to be predictive of long-term complications. Technical and scientific obstacles still exist that need to be overcome, but circulating miRNAs might soon become part of the diagnostic arsenal to identify individuals at risk of developing diabetes mellitus and its devastating complications.

Role for JIP-1/IB1 in pancreatic β-cell and adipocyte dysfunctions in type 2 diabetes and obesity

L'insuline, produite par les cellules β du pancréas, joue un rôle central dans le contrôle de la glycémie. Un manque d'insuline entraine le diabète de type 2, une maladie répandue au stade d'épidémie au niveau mondial. L'augmentation du nombre de personnes obèses est une des causes principales du développement de la maladie. Avec l'obésité les tissus tels que le foie, le muscle, et le tissu adipeux deviennent résistants à l'insuline. En général, cette résistance est équilibrée par une augmentation de la sécrétion d'insuline. De ce fait, un grand nombre d'individus obèses ne deviennent pas diabétiques. Lorsque les cellules β ne produisent plus suffisamment d'insuline, alors le diabète se développe. Dans l'obésité, les cellules graisseuses sont résistantes à l'insuline et relâchent des lipides et autres produits qui affectent le bon fonctionnement et la vie des cellules β. «c-Jun Ν terminal Kinase» (JNK) est une enzyme qui joue un rôle important dans la résistance de l'insuline des cellules graisseuses. Cette même en2yme contribue aussi au déclin de la cellule β dans les conditions diabétogènes, et représente ainsi une cible thérapeutique potentielle du diabète. L'objectif de cette thèse a été de comprendre le mécanisme conduisant à l'activité de JNK dans les adipocytes et cellules β, dans l'obésité et le diabète de type 2. Nous montrons que les variations de JNK sont la conséquence de taux anormaux de JIP-1/EB1, une protéine qui a été impliquée dans certaines formes génétiques de diabète de type 2. En outre nous décrivons le mécanisme responsable des anomalies de JIP1/IB1 dans les adipocytes et cellules β. La restauration des taux de JIP-1/EB1 dans les deux types cellulaires pourrait être un objectif des thérapeutiques antidiabétiques actuelles et futures. - Le nombre d'individus touchés par le diabète de type 2 atteint aujourd'hui des proportions épidémiques à l'échelle mondiale. L'augmentation de la prévalence de l'obésité est la cause principale du développement de la maladie, qui, en général, survient suite à une perte de la sensibilité à l'insuline des tissus périphériques. Dans un grand nombre des cas, l'insulino-résistance est compensée par une augmentation de la sécrétion de l'insuline par les cellules β pancréatiques. Le diabète apparaît lorsque l'insuline n'est plus produite en quantité suffisante pour contrecarrer la résistance à l'insuline des tissus. Le défaut de production de l'insuline résulte du dysfonctionnement et de la réduction massive des cellules β. Les acides gras libres non estérifiés, en particulier le palmitate, provenant d'une alimentation riche en lipides et libérés par les adipocytes insulino-résistants contribuent au déclin de la cellule β en activant la voie de signalisation «cJun N-terminal kinase» (JNK). L'activation de JNK contribue aussi à la résistance à l'insuline des adipocytes dans l'obésité, soulignant ainsi l'importance de cette voie de signalisation dans la pathophysiologie du diabète. L'objectif de cette thèse a été de comprendre les mécanismes qui régulent JNK dans les cellules β et les adipocytes. Nous montrons que l'activation de JNK dans ces deux types cellulaires est la conséquence de la variation des taux de «JNK interacting protein 1» appelé aussi «islet brain 1» (JEP-1/ΓΒΙ), une protéine qui attache les kinases de la signalisation de JNK et dont des variations génétiques ont été associées avec le diabète de type 2. Dans les cellules β cultivées avec du palmitate, ainsi que dans les adipocytes dans l'obésité, l'expression de JEP-l/BBl est modifiée. Les modulations de l'expression de JEP-1/ΓΒΙ sont réalisées par le facteur de transcription «inducible cAMP early repressor» (ICER). L'expression d'ICER dans les adipocytes est diminuée dans l'obésité, et corrèle avec l'augmentation des niveaux de JEP-1/IB1. A l'inverse, le niveau d'expression d'ICER est augmenté dans les cellules β cultivées avec du palmitate, et cette augmentation perturbe le bon fonctionnement des cellules en réduisant les niveaux de JEP-l/IBl. Comme le palmitate, les particules pro-athérogéniques LDL-cholesterol oxydés, sont élevées chez les personnes obèses et diabétiques et sont délétères aux cellules β. Ces particules modifiées activent JNK dans les cellules β en diminuant l'expression de JIP-1/IB1 via ICER. Tous ces résultats montrent que le dérèglement de l'expression de JIP-l/EBl par ICER joue un rôle central dans l'activation de JNK dans les adipocytes et cellules β en souffrance dans l'obésité et le diabète de type 2. La restauration appropriée des niveaux de JEPl/IBl et d'ICER pourrait être considérée comme un objectif pour mesurer l'efficacité des traitements antidiabétiques actuels et futurs. - Type 2 diabetes has reached epidemic proportions worldwide, and poses a major socio-economic burden on developed and developing societies. The disease is often accompanied by obesity, and arises when β-cells produce insufficient insulin to meet the increased hormone demand, caused by insulin resistance. In obesity, enlargement of adipocytes contribute to their dysfunction, which is characterized by the abnormal release of some bioactive products such as non-esterified free fatty acids (NEF As). Chronic plasma elevation of NEF As elicits β-cell dysfunction and death, thereby, representing a key feature for development of diabetes in obesity (diabesity). Palmitate is the most abundant circulating NEF As in obesity, which triggers adipocytes and β-cell dysfunction. The effects of palmitate rely on the induction of the cJun N-terminal kinase (JNK) pathway. Activation of JNK promotes both β-cells dysfunction and insulin resistance in adipocytes. This thesis was undertaken to investigate the mechanisms accounting for the induction of the JNK pathway caused by palmitate. JNK is regulated by the scaffold protein JNK interacting protein-1, also called islet brain 1 (JIP-1/IB1). The levels of JDM/IB1 are critical for glucose homeostasis, as genetic variations within the gene were associated with diabetes. We found that activation of JNK in both, β-cells exposed to palmitate, and in adipocytes of obese mice, results from variations in the expression of JIP-l/EBl. Modifications in the JIP-1/IB1 levels were the consequence of abnormal expression of the inducible cAMP early repressor (ICER) in the two cell types. In addition, our data show that this repressor plays a key role in abnormal production of adipocyte hormones and β-cell dysfunction evoked by the pro-atherogenic oxidized LDL. Taken together, this study proposes that fine-tuning of appropriate levels of JIP-l/EBl, and ICER could circumvent β-cell failure, adipocyte dysfunction, and thereby, development of diabesity.

Modulation of pancreatic β-cell mass and insulin secretion by PPARβ/δ

SUMMARY : Peroxisome proliferator-activated receptor ß/δ protects against obesity by reducing dyslipidemia and insulin resistance via effects in various organs, including muscle, adipose tissue and liver. However, nothing is known about the function of PPARß in pancreas, a prime organ in the control of glucose homeostasis. To gain insight into so far hypothetical functions of this PPAR isotype in ß-cell function, we specifically ablated Pparß in the whole epithelial compartment of the pancreas. The mutated mice presented expanded ß-cell mass, possibly, this is due to increased burst of ß-cell proliferation at 2 weeks of age. These PPARß null pancreas mice exhibit hyperinsulinemia-hypoglycaemia starting at 4 weeks of age, due to hyperfunctionality of ß-cell. Gene expression profiling indicated a broad repressive function of PPARß impacting the vesicular and granular compartment, actin cytoskeleton, and metabolism of glucose and fatty acids. Analyses of insulin release from isolated islets revealed accelerated second-phase of glucose-stimulated insulin secretion. Higher levels of PKD and PKCS in mutated animals, in concert with F-actin disassembly, lead to an increased insulin secretion and its associated systemic effects. Enhanced palmitate potentiation of glucose-stimulated insulin secretion in PPARß mutant islets, suggests an important role of this receptor in lipid/glucose metabolism in ß-cell. Taken together, these results provide evidence for PPARß playing a repressive role on ß-cell growth and insulin exocytosis, and shed new light on its metabolic .action. RESUME : Le récepteur nucléaire PPARß (Peroxisome proliferator-activated receptor ß/δ) protège contre l'obésité en réduisant la dyslipidémie et la résistance à l'insuline dans différents organes, comme le muscle, le tissue adipeux et le foie. Cependant, il y a, à ce jour, très peu de connaissance par rapport au rôle de PPARß dans le pancréas, qui est un organe très important dans le contrôle homéostatique du glucose. Afin de comprendre le rôle de cet isotype de PPAR dans le fonctionnement des cellules beta du pancréas, nous avons invalidé le gène Pparß dans tout le compartiment pancréatique de la souris. Ces souris mutantes présentent une augmentation de la masse totale de cellules beta; Cela serait dû à une intense prolifération des cellules beta à 2 semaines après la naissance. Également, ces souris présentent une hyperinsulinémie et une hypoglycémie qui commencent à l'âge de 4 semaines; la raison de ce phénotype serait une hyperactivité des cellules beta. Le profil d'expression génique indique une fonction répressive globale de PPARß en se référant aux compartiments vésiculaire et granulaire, au cytosquelette d'actine, et au métabolisme du glucose et des acides gras. L'analyse de la sécrétion d'insuline par les cellules beta a démontré que la deuxième phase de sécrétion d'insuline après stimulation au glucose est augmentée. Les niveaux élevés de PKD et PKCS dans les îlots pancréatiques de souris mutantes, ainsi qu'une augmentation de la dépolymérisation des filaments d'active génèrent un surplus de sécrétion d'insuline après stimulation au glucose. Les îlots pancréatiques des souris mutantes secrètent plus d'insuline après stimulation au glucose et au palmitate que les îlots de souris contrôles. Ceci suggère un rôle important de PPARß dans le métabolisme des lipides et du glucose des cellules beta. En résumé, ces résultats mettent en évidence un rôle répressif de PPARß dans la croissance des cellules beta et dans l'exocytose d'insuline.

Neuromonitorage après coma aigu aux soins intensifs [Multimodal neuromonitoring for the critical care management of acute coma].

Management of neurocritical care patients is focused on the prevention and treatment of secondary brain injury, i.e. the number of pathophysiological intracerebral (edema, ischemia, energy dysfunction, seizures) and systemic (hyperthermia, disorders of glucose homeostasis) events that occur following the initial insult (stroke, hemorrhage, head trauma, brain anoxia) that may aggravate patient outcome. The current therapeutic paradigm is based on multimodal neuromonitoring, including invasive (intracranial pressure, brain oxygen, cerebral microdialysis) and non-invasive (transcranial doppler, near-infrared spectroscopy, EEG) tools that allows targeted individualized management of acute coma in the early phase. The aim of this review is to describe the utility of multimodal neuromonitoring for the critical care management of acute coma.

Prédire la survenue d'un diabète: la place de scores cliniques et/ou génétiques [Genetic and/or clinical scores to anticipate the onset of diabetes]

Diabetes represents an important health burden on our society: for example in Lausanne (Switzerland) 16% of the adult population have abnormal glucose homeostasis and 6% have diabetes, of which about a third is not aware. Some guidelines identify the "at risk" population for which screening seems indicated. Simple clinical scores have been developed at allow to better estimate the risk of diabetes and hence to potentially better target screening of the disease. The recent discovery of more that 18 genetic variants associated with an increased risk to develop the diseased has allowed to include individual genotype into genetic risk scores. We will discuss in this article the usefulness of these genetic score, how they compare to clinical score, their implication for clinical practice as well as their potential ethical or economical consequences.

Circadian clock orchestration of signaling pathways influences mouse metabolism

Circadian clocks, present in organisms leaving in a rhythmic environment, constitute the mechanisms allowing anticipation and adaptation of behavior and physiology in response to these environmental variations. As a consequence, most aspects of metabolism and behavior are under the control of this circadian clock. At a molecular level, in all the studied species, the rhythmic expression of the genes involved are generated by interconnected transcriptional and translational feedback loops. In mammals, the heterodimer composed of BMAL1 and its partners CLOCK or NPAS2 constitutes a transcriptional activator regulating transcription of Per and Cry genes. These genes encode for repressors of the activity of BMAL1:CLOCK or BMAL1: NPAS2 heterodimers, thus closing a negative feedback loop that generates rhythms of approximately 24 hours. The aim of my doctoral work consisted in the investigation of the role of circadian clock in the regulation of different aspects of mouse metabolism through the rhythmic activation of signaling pathways. First, we showed that one way how the circadian clock exerts its function as an oscillator is through the regulation of mRNA translation. Indeed, we present evidence showing that circadian clock influences the temporal translation of a subset of mRNAs involved in ribosome biogenesis by controlling the transcription of translation initiation factors as well as the clock-dependent rhythmic activation of signaling pathways involved in their regulation. Moreover, the circadian oscillator regulates the transcription of ribosomal protein mRNAs and ribosomal RNAs. Thus the circadian clock exerts a major role in coordinating transcription and translation steps underlying ribosome biogenesis. In the second part, we showed the involvement of the circadian clock in lipid metabolism. Indeed, the three PAR bZip transcription factors DBP, TEF and HLF, are regulated by the molecular clock and play key roles in the control of lipid metabolism. Here we present evidence concerning the circadian expression and activity of PPARα via the circadian transcription of genes involved in the release of fatty acids, natural ligands of PPARα. It leads to the rhythmic activation of PPARα itself which could then play its role in the transcription of genes encoding proteins involved in lipid, cholesterol and glucose metabolism. In addition, we considered the possible role of lipid transporters, here SCP2, in the modulation of circadian activation of signaling pathways such as TORC1, PPARα and SREBP, linked to metabolism, and its feedback on the circadian clock. In the last part of this work, we studied the effects of these circadian clock-orchestrated pathways in physiology, as clock disruptions have been shown to be linked to metabolic disorders. We performed in vivo experiments on genetically and high-fat induced obese mice devoid of functional circadian clock. The results obtained showed that clock disruption leads to impaired triglycerides and glucose homeostasis in addition to insulin secretion and sensitivity. -- Les rythmes circadiens, présents chez tout organisme vivant dans un environnement rythmique, constituent l'ensemble de mécanismes permettant des réponses comportementales et physiologiques anticipées et adaptées aux variations environnementales. De ce fait, la plupart des aspects liés au métabolisme et au comportement de ces organismes apparaissent être sous le contrôle de l'horloge circadienne contrôlant ces rythmes. Au niveau moléculaire, dans toutes les espèces étudiées, l'expression rythmique de gènes impliqués sont générés par l'interconnexion de boucles de contrôle transcriptionnelles et traductionnelles. Chez les mammifères, l'hétérodimère composé de BMAL1 et de ses partenaires CLOCK ou NPAS2 constitue un activateur transcriptionnel régulant la transcription des gènes Per et Cry. Ces gènes codent pour des répresseurs de l'activité des hétérodimères BMAL1:CLOCK ou BMAL1:NPAS2. Cela a pour effet de fermer la boucle négative, générant ainsi des rythmes d'environ 24 heures. Le but de mon travail de thèse a consisté en l'investigation du rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de certains aspects du métabolisme chez la souris via la régulation de l'activation rythmique des voies de signalisation. Nous avons tout d'abord montré que l'horloge circadienne exerce sa fonction d'oscillateur notamment au niveau de la régulation de la traduction des ARNm. En effet, nous présentons des preuves montrant que l'horloge circadienne influence la traduction temporelle d'un groupe d'ARNm impliqués dans la biogénèse des ribosomes en contrôlant la transcription de facteurs d'initiation de la traduction ainsi que l'activation rythmique des voies de signalisation qui sont impliquées dans leur régulation. De plus, l'oscillateur circadien régule la transcription d'ARNm codant pour les protéines ribosomales et d'ARN ribosomaux. De cette façon, l'horloge circadienne exerce un rôle majeur dans la coordination des étapes de transcription et traduction permettant la biogénèse des ribosomes. Dans la deuxième partie, nous montrons les implications de l'horloge circadienne dans le métabolisme des lipides. En effet, DBP, TEF et HLF, trois facteurs de transcription de la famille des PAR bZip qui sont régulés par l'horloge circadienne, jouent un rôle clé dans le contrôle du métabolisme des lipides par l'horloge circadienne. Nous apportons ici des preuves concernant l'expression et l'activité rythmiques de PPARα via la transcription circadienne de gènes impliqués dans le relargage d'acides gras, ligands naturels de PPARα, conduisant à l'activation circadienne de PPARα lui-même, pouvant ainsi jouer son rôle de facteur de transcription de gènes codant pour des protéines impliquées dans le métabolisme des lipides, du cholestérol et du glucose. De plus, nous nous sommes penchés sur le rôle possible de transporteurs de lipides, ici SCP2, dans la modulation de l'activation circadienne de voies de signalisation, telles que TORC1, PPARα et SREBP, qui sont liées au métabolisme, ainsi que son impact sur l'horloge elle-même. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons étudié les effets de l'activation de ces voies de signalisation régulées par l'horloge circadienne dans le contexte physiologique puisqu'il a été montré que la perturbation de l'horloge pouvait être associée à des désordres métaboliques. Pour ce faire, nous avons fait des expériences in vivo sur des souris déficientes pour l'horloge moléculaire pour lesquelles l'obésité est induite génétiquement ou induite par la nourriture riche en lipides. Les résultats que nous obtenons montrent des dérèglements au niveau de l'homéostasie des triglycérides et du glucose ainsi que sur l'expression et la réponse à l'insuline.

Assessment of total cardiovascular risk in hypertensive subjects

Valtimotautiriskin arviointi verenpainepotilailla Valtimotaudit ovat yleisin kuolinsyy koko maailmassa. Väestön elintapojen muuttuminen ja ikääntyminen uhkaavat edelleen lisätä valtimotautien esiintyvyyttä. Kokemäenjokilaakson valtimotautien ehkäisyprojektin tavoitteena oli löytää 45–70-vuotiaasta väestöstä henkilöt, joilla on kohonnut riski sairastua valtimotauteihin. Kaksivaiheisen seulontamenetelmän avulla voitiin terveydenhoitajan antama elintapaneuvonta kohdistaa riskihenkilöihin ja rajoittaa lääkärin vastaanoton tarve niihin potilaisiin, jotka todennäköisesti hyötyvät ennaltaehkäisevästä lääkityksestä. Suomalainen tyypin 2 diabeteksen sairastumisriskin arviointikaavake ja hoitajan toteama kohonnut verenpaine osoittautuivat käytännöllisiksi menetelmiksi seuloa väestöstä riskihenkilöitä. Valtimotautien ehkäisyprojektissa Harjavallassa ja Kokemäellä todettiin verenpainetauti 1 106 henkilöllä, jotka eivät sairastaneet valtimotautia tai aiemmin todettua diabetesta. Heidän tutkimustulostensa avulla voidaan arvioida kohonneen verenpaineen vaikutusta sokeriaineenvaihduntaan ja verenpaineen aiheuttamiin kohde-elinvaurioihin. Sokeriaineenvaihdunnan häiriöt ovat verenpainetautia sairastavilla yleisempiä kuin väestössä muutoin. Käyttämällä metabolisen oireyhtymän kriteerejä sokerirasituskokeen suorittamisen edellytyksenä voidaan tutkimusten määrää vähentää kolmanneksella ja silti löytää lähes kaikki diabetesta tai sen esiastetta sairastavat verenpainepotilaat. Verenpainepotilaista etenkin metabolista oireyhtymää sairastavilla naisilla on suurentunut munuaisten vajaatoiminnan riski. Jos verenpainepotilaan munuaisten toimintaa arvioidaan pelkästään plasman kreatiniini -arvon perusteella, kolme neljästä munuaisten vajaatoimintaa potevasta jää toteamatta verrattuna laskennallisen glomerulusten suodattumisnopeuden määritykseen seulontamenetelmänä. Joka kolmannella verenpainetautia sairastavalla voidaan todeta alaraajavaltimoiden kovettumista; useammin niillä, joiden ylä- ja alaverenpaineen erotus, pulssipaine on yli 65 mmHg. Verenpainetauti on itsenäinen perifeerisen valtimotaudin vaaratekijä. Tutkimuksessa käytetty menetelmä nilkka-olkavarsipainesuhteen määrittämiseksi soveltunee hyvin perusterveydenhuollon käyttöön riskihenkilöiden löytämiseksi. Valtimotautien kokonaisriskin arviointimenetelmät tai uuden riskitekijän, herkän C-reaktiivisen proteiinin määritys eivät voi korvata kohde-elinvaurioiden mittaamista verenpainepotilaan valtimotautiriskin huolellisessa arvioinnissa.

Partial recovery of erythrocyte glycogen in diabetic rats treated with phenobarbital

Erythrocytes may play a role in glucose homeostasis during the postprandial period. Erythrocytes from diabetic patients are defective in glucose transport and metabolism, functions that may affect glycogen storage. Phenobarbital, a hepatic enzyme inducer, has been used in the treatment of patients with non-insulin-dependent diabetes mellitus (NIDDM), increasing the insulin-mediated glucose disposal. We studied the effects of phenobarbital treatment in vivo on glycemia and erythrocyte glycogen content in control and alloxan-diabetic rats during the postprandial period. In control rats (blood glucose, 73 to 111 mg/dl in femoral and suprahepatic veins) the erythrocyte glycogen content was 45.4 ± 1.1 and 39.1 ± 0.8 µg/g Hb (mean ± SEM, N = 4-6) in the femoral artery and vein, respectively, and 37.9 ± 1.1 in the portal vein and 47.5 ± 0.9 in the suprahepatic vein. Diabetic rats (blood glucose, 300-350 mg/dl) presented low (P<0.05) erythrocyte glycogen content, i.e., 9.6 ± 0.1 and 7.1 ± 0.7 µg/g Hb in the femoral artery and vein, respectively, and 10.0 ± 0.7 and 10.7 ± 0.5 in the portal and suprahepatic veins, respectively. After 10 days of treatment, phenobarbital (0.5 mg/ml in the drinking water) did not change blood glucose or erythrocyte glycogen content in control rats. In diabetic rats, however, it lowered (P<0.05) blood glucose in the femoral artery (from 305 ± 18 to 204 ± 45 mg/dl) and femoral vein (from 300 ± 11 to 174 ± 48 mg/dl) and suprahepatic vein (from 350 ± 10 to 174 ± 42 mg/dl), but the reduction was not sufficient for complete recovery. Phenobarbital also stimulated the glycogen synthesis, leading to a partial recovery of glycogen stores in erythrocytes. In treated rats, erythrocyte glycogen content increased to 20.7 ± 3.8 µg/g Hb in the femoral artery and 30.9 ± 0.9 µg/g Hb in the suprahepatic vein (P<0.05). These data indicate that phenobarbital activated some of the insulin-stimulated glucose metabolism steps which were depressed in diabetic erythrocytes, supporting the view that erythrocytes participate in glucose homeostasis

The hyperglycemia induced by angiotensin II in rats is mediated by AT1 receptors

We have shown that the renin-angiotensin system (RAS) is involved in glucose homeostasis during acute hemorrhage. Since almost all of the physiological actions described for angiotensin II were mediated by AT1 receptors, the present experiments were designed to determine the participation of AT1 receptors in the hyperglycemic action of angiotensin II in freely moving rats. The animals were divided into two experimental groups: 1) animals submitted to intravenous administration of angiotensin II (0.96 nmol/100 g body weight) which caused a rapid increase in plasma glucose reaching the highest values at 5 min after the injection (33% of the initial values, P<0.01), and 2) animals submitted to intravenous administration of DuP-753 (losartan), a non-peptide antagonist of angiotensin II with AT1-receptor type specificity (1.63 µmol/100 g body weight as a bolus, iv, plus a 30-min infusion of 0.018 µmol 100 g body weight-1 min-1 before the injection of angiotensin II), which completely blocked the hyperglycemic response to angiotensin II (P<0.01). This inhibitory effect on glycemia was already demonstrable 5 min (8.9 ± 0.28 mM, angiotensin II, N = 9 vs 6.4 ± 0.22 mM, losartan plus angiotensin II, N = 11) after angiotensin II injection and persisted throughout the 30-min experiment. Controls were treated with the same volume of saline solution (0.15 M NaCl). These data demonstrate that the angiotensin II receptors involved in the direct and indirect hyperglycemic actions of angiotensin II are mainly of the AT1-type.

Abnormal subcellular distribution of GLUT4 protein in obese and insulin-treated diabetic female dogs

The GLUT4 transporter plays a key role in insulin-induced glucose uptake, which is impaired in insulin resistance. The objective of the present study was to investigate the tissue content and the subcellular distribution of GLUT4 protein in 4- to 12-year-old control, obese and insulin-treated diabetic mongrel female dogs (4 animals per group). The parametrial white adipose tissue was sampled and processed to obtain both plasma membrane and microsome subcellular fractions for GLUT4 analysis by Western blotting. There was no significant difference in glycemia and insulinemia between control and obese animals. Diabetic dogs showed hyperglycemia (369.9 ± 89.9 mg/dl). Compared to control, the plasma membrane GLUT4, reported per g tissue, was reduced by 55% (P < 0.01) in obese dogs, and increased by 30% (P < 0.05) in diabetic dogs, and the microsomal GLUT4 was increased by ~45% (P < 0.001) in both obese and diabetic animals. Considering the sum of GLUT4 measured in plasma membrane and microsome as total cellular GLUT4, percent GLUT4 present in plasma membrane was reduced by ~65% (P < 0.001) in obese compared to control and diabetic animals. Since insulin stimulates GLUT4 translocation to the plasma membrane, percent GLUT4 in plasma membrane was divided by the insulinemia at the time of tissue removal and was found to be reduced by 75% (P < 0.01) in obese compared to control dogs. We conclude that the insulin-stimulated translocation of GLUT4 to the cell surface is reduced in obese female dogs. This probably contributes to insulin resistance, which plays an important role in glucose homeostasis in dogs.

Biochemical adaptations of mammalian hibernation: exploring squirrels as a perspective model for naturally induced reversible insulin resistance

An important disease among human metabolic disorders is type 2 diabetes mellitus. This disorder involves multiple physiological defects that result from high blood glucose content and eventually lead to the onset of insulin resistance. The combination of insulin resistance, increased glucose production, and decreased insulin secretion creates a diabetic metabolic environment that leads to a lifetime of management. Appropriate models are critical for the success of research. As such, a unique model providing insight into the mechanisms of reversible insulin resistance is mammalian hibernation. Hibernators, such as ground squirrels and bats, are excellent examples of animals exhibiting reversible insulin resistance, for which a rapid increase in body weight is required prior to entry into dormancy. Hibernator studies have shown differential regulation of specific molecular pathways involved in reversible resistance to insulin. The present review focuses on this growing area of research and the molecular mechanisms that regulate glucose homeostasis, and explores the roles of the Akt signaling pathway during hibernation. Here, we propose a link between hibernation, a well-documented response to periods of environmental stress, and reversible insulin resistance, potentially facilitated by key alterations in the Akt signaling network, PPAR-γ/PGC-1α regulation, and non-coding RNA expression. Coincidentally, many of the same pathways are frequently found to be dysregulated during insulin resistance in human type 2 diabetes. Hence, the molecular networks that may regulate reversible insulin resistance in hibernating mammals represent a novel approach by providing insight into medical treatment of insulin resistance in humans.

The effects of thermal stress on glucoregulation during exercise in participants with Type 1 Diabetes Mellitus

Type 1 Diabetes Mellitus (T1DM) is an autoimmune disease that destroys pancreatic beta cells, affecting glucose homeostasis. In T1DM, glucoregulation and carbohydrate oxidation may be altered in different ambient temperatures; however, current literature has yet to explore these mechanisms. This study examines the effects of 30 minutes of exercise at 65% VO2max in 5ºC, 20ºC and 35ºC in individuals with T1DM. No significant differences were observed for blood glucose across the 3 conditions (p = 0.442), but significance was found for core temperature, heat storage, and sweat rate (p < 0.01). Blood glucose was also shown to vary greatly between individuals among conditions. The mechanisms behind the differences in blood glucose may be due to the lack of significant glucagon production among conditions. These findings suggest that T1DM individuals may exercise submaximally for 30 minutes in different ambient temperatures without significant differences in glucoregulation.

Étude des propriétés antidiabétiques de Nigella sativa : sites d’action cellulaires et moléculaires

Nigella sativa ou cumin noir est une plante et un condiment populaires. Les graines de N. sativa sont très utilisées en médecine traditionnelle des pays nord africains pour le traitement du diabète. Cependant, les mécanismes d'actions cellulaires et moléculaires via lesquels cette plante exerce son effet euglycémiant restent encore mal compris. Le but de notre étude est d'examiner l’effet de N. sativa sur la sécrétion d’insuline, le transport de glucose et sur les voies de signalisation impliquées dans l’homéostasie et le métabolisme de glucose, en utilisant des essais biologiques sur des cultures cellulaires murines (cellules β pancréatiques βTC, myoblastes C2C12, hépatocytes H4IIE et adipocytes 3T3-L1) et des études in vivo chez le rat normoglycémique et le Meriones shawi (rongeur) diabétique. Chez les cellules β pancréatiques, N. sativa a augmenté leur prolifération ainsi que la sécrétion basale et gluco-stimulée de l’insuline. N. sativa a augmenté aussi la prise de glucose de 50% chez les cellules musculaires alors que chez les cellules graisseuses, la prise de glucose est augmentée jusqu’au 400%. Les expériences d’immunobuvardage de type western ont montré que N. sativa stimule les voies de signalisation de l’insuline (Akt et ERKs) et aussi celle insulino-indépendante (AMPK) chez les cellules C2C12. Par contre, chez les 3T3-L1, l’augmentation de transport de glucose est plutôt reliée à une activation de la voie de peroxisome proliferator activated receptor γ (PPARγ). Chez les hépatocytes, N. sativa augmente la stimulation des protéines intracellulaires Akt et 5' adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK). Cette activation de l’AMPK est associée à un effet découpleur de la plante au niveau de la phosphorylation oxydative mitochondriale. Par ailleurs, chez les Meriones shawi diabétiques, N. sativa diminue graduellement la glycémie à jeun ainsi que la réponse glycémique (AUC) à une charge orale en glucose (OGTT) pour atteindre des valeurs semblables aux animaux témoins après quatre semaines de traitement. Une amélioration du profile lipidique est observée autant chez les Meriones shawi diabétiques que chez les rats normaux. Au niveau moléculaire, N. sativa augmente le contenu musculaire en glucose transporter 4 Glut4 et la phosphorylation de l’acetyl-coenzyme A carboxylase ACC dans le muscle soléaire et le foie chez les Mériones shawi diabétiques. Par contre, chez le rat normal, on assiste à une stimulation des voies de signalisation de l’insuline (Akt et ERK) au niveau hépatique. En conclusion, nous avons confirmé l’action insulinotropique de N. sativa au niveau des cellules β pancréatiques et mis en évidence un effet proliférateur pouvant potentiellement s’avérer utile pour contrecarrer la perte de masse cellulaire observée chez les diabétiques. Notre étude a également mis en évidence pour la première fois que N. sativa exerce son activité antidiabétique par une combinaison d’effets insulino-mimétiques et insulino-sensibilisateurs directs permettant ainsi d’augmenter le transport de glucose des tissus périphériques. Cette action de N. sativa est liée à une stimulation des voies de signalisation intracellulaires insulinodépendantes et -indépendantes (AMPK) chez le muscle squelettique et le foie alors qu’elle passe par la voie des PPARγ au niveau du tissu adipeux. Finalement, l’étude in vivo vient confirmer l’effet antidiabétique de N. sativa. Notre apport novateur se situe au niveau de la démonstration que l’activité antidiabétique de N. sativa chez le Meriones shawi diabétique est la résultante des mêmes activités que celles déterminées au niveau de l’étude in vitro. En effet, N. sativa active la voie de l’AMPK, améliore la sensibilité à l’insuline et augmente l’insulinémie. Notre étude montre aussi que N. sativa possède une activité antilipidémiante. Ces résultats confirment le bien-fondé de l'utilisation ethnopharmacologique de N. sativa comme traitement du diabète et des perturbations du métabolisme lipidique qui y sont associées. De plus, les actions pléiotropiques de N. sativa en font un traitement alternatif ou complémentaire du diabète très prometteur qui encouragent à présent la tenue d’études cliniques de bonne qualité.

Association between diet quality and metabolic syndrome in overweight and obese postmenopausal women

Résumé Objectifs : Le syndrome métabolique (MetS) est un ensemble de composantes (obésité, résistance à l'insuline, intolérance au glucose, dyslipidémie, hypertension) qui sont associées à une augmentation du risque de diabète de type 2 et de maladies cardiovasculaires. Aux États-Unis, la fréquence du MetS atteint des proportions épidémiques avec une prévalence de 25% de la population. Les études nutritionnelles traditionnelles se sont concentrées sur l’effet d’un nutriment alors que les études plus récentes ont déterminé l’effet global de la qualité alimentaire sur les facteurs de risque. Cependant, peu d'études ont examiné la relation entre la qualité alimentaire et le MetS. Objectif: Déterminer l'association entre la qualité alimentaire et le MetS et ses composantes. Méthodes: La présence du MetS a été déterminée chez 88 femmes post-ménopausées en surpoids ou obèses, selon la définition du National Cholesterol Education Program Adult treatment Panel III alors que la qualité alimentaire a été évaluée selon le Healthy Eating Index (HEI). La sensibilité à l’insuline, la composition corporelle et le métabolisme énergétique ont été mesurés. Résultats: Le HEI corrélait négativement avec la plupart des mesures de masse grasse et du poids mais pas avec la sensibilité à l'insuline, l’hypertension et la plupart des marqueurs lipidiques. Cependant, l’HEI corrélait positivement avec LDL-C/ApoB et négativement avec le métabolisme énergétique. Conclusion: Les résultats démontrent que l’HEI est associé avec les mesures de gras corporel et la grosseur des LDL. Mots clés: Obésité, qualité alimentaire, métabolisme lipidique, syndrome métabolique.