An SH2 domain-containing 5' inositolphosphatase inhibits insulin-induced GLUT4 translocation and growth factor-induced actin filament rearrangement.

Tyrosine kinase receptors lead to rapid activation of phosphatidylinositol 3-kinase (PI3 kinase) and the subsequent formation of phosphatidylinositides (PtdIns) 3,4-P2 and PtdIns 3,4, 5-P3, which are thought to be involved in signaling for glucose transporter GLUT4 translocation, cytoskeletal rearrangement, and DNA synthesis. However, the specific role of each of these PtdIns in insulin and growth factor signaling is still mainly unknown. Therefore, we assessed, in the current study, the effect of SH2-containing inositol phosphatase (SHIP) expression on these biological effects. SHIP is a 5' phosphatase that decreases the intracellular levels of PtdIns 3,4,5-P3. Expression of SHIP after nuclear microinjection in 3T3-L1 adipocytes inhibited insulin-induced GLUT4 translocation by 100 +/- 21% (mean +/- the standard error) at submaximal (3 ng/ml) and 64 +/- 5% at maximal (10 ng/ml) insulin concentrations (P < 0.05 and P < 0.001, respectively). A catalytically inactive mutant of SHIP had no effect on insulin-induced GLUT4 translocation. Furthermore, SHIP also abolished GLUT4 translocation induced by a membrane-targeted catalytic subunit of PI3 kinase. In addition, insulin-, insulin-like growth factor I (IGF-I)-, and platelet-derived growth factor-induced cytoskeletal rearrangement, i.e., membrane ruffling, was significantly inhibited (78 +/- 10, 64 +/- 3, and 62 +/- 5%, respectively; P < 0.05 for all) in 3T3-L1 adipocytes. In a rat fibroblast cell line overexpressing the human insulin receptor (HIRc-B), SHIP inhibited membrane ruffling induced by insulin and IGF-I by 76 +/- 3% (P < 0.001) and 68 +/- 5% (P < 0.005), respectively. However, growth factor-induced stress fiber breakdown was not affected by SHIP expression. Finally, SHIP decreased significantly growth factor-induced mitogen-activated protein kinase activation and DNA synthesis. Expression of the catalytically inactive mutant had no effect on these cellular responses. In summary, our results show that expression of SHIP inhibits insulin-induced GLUT4 translocation, growth factor-induced membrane ruffling, and DNA synthesis, indicating that PtdIns 3,4,5-P3 is the key phospholipid product mediating these biological actions.

Mécanismes moléculaires de l'homodimérisation de la protéine Scaffold IB1 et son implication dans la sécrétion d'insuline

RÉSUMÉ Les kinases activées par des mitogènes (MAPKs) constituent une importante famille d'enzymes conservée dans l'évolution. Elles forment un réseau de signalisation qui permet à la cellule de réguler spécifiquement divers processus impliqués dans la différenciation, la survie ou l'apoptose. Les kinases formant le module MAPK sont typiquement disposées en cascades de trois partenaires qui s'activent séquentiellement par phosphorylation. Le module minimum est constitué d'une MAPK kinase kinase (MAPKKK), d'une MAPK kinase (MAPKK) et d'une MAPK. Une fois activée, la MAPK phosphoryle différents substrats tels que des facteurs de transcription ou d'autres protéines. Chez les mammifères, trois groupes principaux de MAPKs ont été identifiés. Il s'agit du groupe des kinases régulées par des signaux extracellulaires du type «mitogènes » (ERK), ainsi que des groupes p38 et cJun NH2-terminal kinase (JNK), ou SAPK pour stress activated protein kinase, plutôt activées par des stimuli de type «stress ». De nombreuses études ont impliqué JNK dans la régulation de différents processus physiologiques et pathologiques, comme le diabète, les arthrites rhumatoïdes, l'athérosclérose, l'attaque cérébrale, les maladies de Parkinson et d'Alzheimer. JNK, en particulier joue un rôle dans la mort des cellules sécrétrices d'insuline induite par l'interleukine (IL)-1 β, lors du développement du diabète de type 1. IB1 est une protéine scaffold (échafaud) qui participe à l'organisation du module de JNK. IB1 est fortement exprimée dans les neurones et les cellules β du pancréas. Elle a été impliquée dans la survie des cellules, la régulation de l'expression du transporteur du glucose de type 2 (Glut-2) et dans le processus de sécrétion d'insuline glucose-dépendante. IBl est caractérisée par plusieurs domaines d'interaction protéine-protéine : un domaine de liaison à JNK (JBD), un domaine homologue au domaine 3 de Src (SH3) et un domaine d'interaction avec des tyrosines phosphorylées (PID). Des partenaires d'IB1, incluant les membres de la familles des kinases de lignée mélangée (MLKs), la MAPKK MKK7, la phosphatase 7 des MAPKs (MKP-7) ainsi que la chaîne légère de la kinésine, ont été isolés. Tous ces facteurs, sauf les MLKs et MKK7 interagissent avec le domaine PID ou l'extrême partie C-terminale d'IBl (la chaîne légère de la kinésine). Comme d'autres protéines scaffolds déjà décrites, IBl et un autre membre de la famille, IB2, sont capables d'homo- et d'hétérodimériser. L'interaction a lieu par l'intermédiaire de leur région C-terminale, contenant les domaines SH3 et PID. Mais ni le mécanisme moléculaire, ni la fonction de la dimérisation n'ont été caractérisés. Le domaine SH3 joue un rôle central lors de l'assemblage de complexes de macromolécules impliquées dans la signalisation intracellulaire. Il reconnaît de préférence des ligands contenant un motif riche en proline de type PxxP et s'y lie. Jusqu'à maintenant, tous les ligands isolés se liant à un domaine SH3 sont linéaires. Bien que le domaine SH3 soit un domaine important de la transmission des signaux, aucun partenaire interagissant spécifiquement avec le domaine SH3 d'IB1 n'a été identifié. Nous avons démontré qu'IBl homodimérisait par un nouveau set unique d'interaction domaine SH3 - domaine SH3. Les études de cristallisation ont démontré que l'interface recouvrait une région généralement impliquée dans la reconnaissance classique d'un motif riche en proline de type PxxP, bien que le domaine SH3 d'IB1 ne contienne aucun motif PxxP. L'homodimère d'IB1 semble extrêmement stable. Il peut cependant être déstabilisé par trois mutations ponctuelles dirigées contre des résidus clés impliqués dans la dimérisation. Chaque mutation réduit l'activation basale de JNK dépendante d'IB 1 dans des cellules 293T. La déstabilisation de la dimérisation induite par la sur-expression du domaine SH3, provoque une diminution de la sécrétion d'insuline glucose dépendant. SUMMARY Mitogen activated kinases (MAPK) are an important and conserved enzyme family. They form a signaling network required to specifically regulate process involved in cell differentiation, proliferation or death. A MAPK module is typically organized in a threekinase cascade which are activated by sequential phosphorylation. The MAPK kinase kinase (MAPKKK), the MAPK kinase (MAPKK) and the MAPK constitute the minimal module. Once activated, the MAPK phosphorylates its targets like transcription factors or other proteins. In mammals, three major groups of MAPKs have been identified : the group of extra-cellular regulated kinase (ERK) which is activated by mitogens and the group of p38 and cJun NH2-terminal kinase (JNK) or SAPK for stress activated protein kinase, which are activated by stresses. Many studies implicated JNK in many physiological or pathological process regulations, like diabetes, rheumatoid arthritis, arteriosclerosis, strokes or Parkinson and Alzheimer disease. In particular, JNK plays a crucial role in pancreatic β cell death induced by Interleukin (IL)-1 β in type 1 diabetes. Islet-brain 1 (IB 1) is a scaffold protein that interacts with components of the JNK signal-transduction pathway. IB 1 is expressed at high levels in neurons and in pancreatic β-cells, where it has been implicated in cell survival, in regulating expression of the glucose transporter type 2 (Glut-2) and in glucose-induced insulin secretion. It contains several protein-protein interaction domains, including a JNK-binding domain (JBD), a Src homology 3 domain (SH3) and a phosphotyrosine interaction domain (PID). Proteins that have been shown to associate with IB 1 include members of the Mixed lineage kinase family (MLKs), the MAPKK MKK7, the MAPK phosphatase-7 MKP7, as well as several other ligands including kinesin light chain, LDL receptor related family members and the amyloid precursor protein APP. All these factors, except MLK3 and MKK7 have been shown to interact with the PID domain or the extreme C-terminal part (Kinesin light chain) of IB 1. As some scaffold already described, IB 1 and another member of the family, IB2, have previously been shown to engage in oligomerization through their respective C-terminal regions that include the SH3 and PID domains. But neither the molecular mechanisms nor the function of dimerization have yet been characterized. SH3 domains are central in the assembly of macromolecular complexes involved in many intracellular signaling pathways. SH3 domains are usually characterized by their preferred recognition of and association with canonical PxxP motif. In all these cases, a single linear sequence is sufficient for binding to the SH3 domain. However, although SH3 domains are important elements of signal transduction, no protein that interacts specifically with the SH3 domain of IB 1 has been identified so far. Here, we show that IB 1 homodimerizes through a navel and unique set of SH3-SH3 interactions. X-ray crystallography studies indicate that the dieter interface covers a region usually engaged in PxxP-mediated ligand recognition, even though the IB 1 SH3 domain lacks this motif. The highly stable IB 1 homodimer can be significantly destabilized in vitro by individual point-mutations directed against key residues involved in dimerization. Each mutation reduces IB 1-dependent basal JNK activity in 293T cells. Impaired dimerization induced by over-expression of the SH3 domain also results in a significant reduction in glucose-dependent insulin secretion in pancreatic β-cells.

Central glucose sensing and the control of energy homeostasis

Glucose is an important signal that regulates glucose and energy homeostasis but its precise physiological role and signaling mechanism in the brain are still uncompletely understood. Over the recent years we have investigated the possibility that central glucose sensing may share functional similarities with glucose sensing by pancreatic beta-cells, in particular a requirement for the expression of the glucose transporter Glut2. Using mice with genetic inactivation of Glut2, but rescued pancreatic beta-cell function by transgenic expression of a glucose transporter, we have established that extrapancreatic glucose sensors are involved: i) in the control of glucagon secretion in response to hypoglycemia, ii) in the control of feeding and iii) of energy expenditure. We have more recently shown that central Glut2-dependent glucose sensors are involved in the regulation of NPY and POMC expression by arcuate nucleus neurons and that the sensitivity to leptin of these neurons is enhanced by Glut2-dependent glucose sensors. Using mice with genetic tagging of Glut2-expressing cells, we determined that the NPY and POMC neurons did not express Glut2 but were connected to Glut2 expressing neurons located most probably outside of the arcuate nucleus. We are now defining the electrophysiological behavior of these Glut2 expressing neurons. Our data provide an initial map of glucose sensing neurons expressing Glut2 and link these neurons with the control of specific physiological function.

Apparent versus true gene expression changes of three hypoxia-related genes in autopsy derived tissue and the importance of normalisation.

The aim of our work was to show how a chosen normal-isation strategy can affect the outcome of quantitative gene expression studies. As an example, we analysed the expression of three genes known to be upregulated under hypoxic conditions: HIF1A, VEGF and SLC2A1 (GLUT1). Raw RT-qPCR data were normalised using two different strategies: a straightforward normalisation against a single reference gene, GAPDH, using the 2(- 16; 16;Ct) algorithm and a more complex normalisation against a normalisation factor calculated from the quantitative raw data from four previously validated reference genes. We found that the two different normalisation strategies revealed contradicting results: normalising against a validated set of reference genes revealed an upregulation of the three genes of interest in three post-mortem tissue samples (cardiac muscle, skeletal muscle and brain) under hypoxic conditions. Interestingly, we found a statistically significant difference in the relative transcript abundance of VEGF in cardiac muscle between donors who died of asphyxia versus donors who died from cardiac death. Normalisation against GAPDH alone revealed no upregulation but, in some instances, a downregulation of the genes of interest. To further analyse this discrepancy, the stability of all reference genes used were reassessed and the very low expression stability of GAPDH was found to originate from the co-regulation of this gene under hypoxic conditions. We concluded that GAPDH is not a suitable reference gene for the quantitative analysis of gene expression in hypoxia and that validation of reference genes is a crucial step for generating biologically meaningful data.

A role for the transcriptional repressor ICER in the molecular pathogenesis of type 2 diabetes

AbstractType 2 diabetes (T2D) is a metabolic disease which affects more than 200 millions people worldwide. The progression of this affection reaches nowadays epidemic proportions, owing to the constant augmentation in the frequency of overweight, obesity and sedentary. The pathogenesis of T2D is characterized by reduction in the action of insulin on its target tissues - an alteration referred as insulin resistance - and pancreatic β-cell dysfunction. This latter deterioration is defined by impairment in insulin biosynthesis and secretion, and a loss of β-cell mass by apoptosis. Environmental factors related to T2D, such as chronic elevation in glucose and free fatty acids levels, inflammatory cytokines and pro-atherogenic oxidized low- density lipoproteins (LDL), contribute to the loss of pancreatic β-cell function.In this study, we have demonstrated that the transcription factor Inducible Cyclic AMP Early Repressor (ICER) participates to the progression of both β-cell dysfunction and insulin resistance. The expression of this factor is driven by an alternative promoter and ICER protein represents therefore a truncated product of the Cyclic AMP Response Element Modulator (CREM) family which lacks transactivation domain. Consequently, the transcription factor ICER acts as a passive repressor which reduces expression of genes controlled by the cyclic AMP and Cyclic AMP Response Element Binding protein (CREB) pathway.In insulin-secreting cells, the accumulation of reactive oxygen species caused by environmental factors and notably oxidized LDL - a process known as oxidative stress - induces the transcription factor ICER. This transcriptional repressor hampers the secretory capacity of β-cells by silencing key genes of the exocytotic machinery. In addition, the factor ICER reduces the expression of the scaffold protein Islet Brain 1 (IB 1 ), thereby favouring the activation of the c-Jun N-terminal Kinase (JNK) pathway. This triggering alters in turn insulin biosynthesis and survival capacities of pancreatic β-cells.In the adipose tissue of mice and human subjects suffering from obesity, the transcription factor ICER contributes to the alteration in insulin action. The loss in ICER protein in these tissues induces a constant activation of the CREB pathway and the subsequent expression of the Activating Transcription Factor 3 (ATF3). In turn, this repressor reduces the transcript levels of the glucose transporter GLUT4 and the insulin-sensitizer peptide adiponectin, thereby contributing to the diminution in insulin action.In conclusion, these data shed light on the important role of the transcriptional repressor ICER in the pathogenesis of T2D, which contributes to both alteration in β-cell function and aggravation of insulin resistance. Consequently, a better understanding of the molecular mechanisms responsible for the alterations in ICER levels is required and could lead to develop new therapeutic strategies for the treatment of T2D.RésuméLe diabète de type 2 (DT2) est une maladie métabolique qui affecte plus de 200 millions de personnes dans le monde. La progression de cette affection atteint aujourd'hui des proportions épidémiques imputables à l'augmentation rapide dans les fréquences du surpoids, de l'obésité et de la sédentarité. La pathogenèse du DT2 se caractérise par une diminution de l'action de l'insuline sur ses tissus cibles - un processus nommé insulino-résistance - ainsi qu'une dysfonction des cellules β pancréatiques sécrétrices d'insuline. Cette dernière détérioration se définit par une réduction de la capacité de synthèse et de sécrétion de l'insuline et mène finalement à une perte de la masse de cellules β par apoptose. Des facteurs environnementaux fréquemment associés au DT2, tels l'élévation chronique des taux plasmatiques de glucose et d'acides gras libres, les cytokines pro-inflammatoires et les lipoprotéines de faible densité (LDL) oxydées, contribuent à la perte de fonction des cellules β pancréatiques.Dans cette étude, nous avons démontré que le facteur de transcription « Inducible Cyclic AMP Early Repressor » (ICER) participe à la progression de la dysfonction des cellules β pancréatiques et au développement de Pinsulino-résistance. Son expression étant gouvernée par un promoteur alternatif, la protéine d'ICER représente un produit tronqué de la famille des «Cyclic AMP Response Element Modulator » (CREM), sans domaine de transactivation. Par conséquent, le facteur ICER agit comme un répresseur passif qui réduit l'expression des gènes contrôlés par la voie de l'AMP cyclique et des « Cyclic AMP Response Element Binding protein » (CREB).Dans les cellules sécrétrices d'insuline, l'accumulation de radicaux d'oxygène libres, soutenue par les facteurs environnementaux et notamment les LDL oxydées - un processus appelé stress oxydatif- induit de manière ininterrompue le facteur de transcription ICER. Ainsi activé, ce répresseur transcriptionnel altère la capacité sécrétoire des cellules β en bloquant l'expression de gènes clés de la machinerie d'exocytose. En outre, le facteur ICER favorise l'activation de la cascade de signalisation « c-Jun N- terminal Kinase » (JNK) en réduisant l'expression de la protéine « Islet Brain 1 » (IB1), altérant ainsi les fonctions de biosynthèse de l'insuline et de survie des cellules β pancréatiques.Dans le tissu adipeux des souris et des sujets humains souffrant d'obésité, le facteur de transcription ICER contribue à l'altération de la réponse à l'insuline. La disparition de la protéine ICER dans ces tissus entraîne une activation persistante de la voie de signalisation des CREB et une induction du facteur de transcription « Activating Transcription Factor 3 » (ATF3). A son tour, le répresseur ATF3 inhibe l'expression du transporteur de glucose GLUT4 et du peptide adipocytaire insulino-sensibilisateur adiponectine, contribuant ainsi à la diminution de l'action de l'insuline en conditions d'obésité.En conclusion, à la lumière de ces résultats, le répresseur transcriptionnel ICER apparaît comme un facteur important dans la pathogenèse du DT2, en participant à la perte de fonction des cellules β pancréatiques et à l'aggravation de l'insulino-résistance. Par conséquent, l'étude des mécanismes moléculaires responsables de l'altération des niveaux du facteur ICER pourrait permettre le développement de nouvelles stratégies de traitement du DT2.Résumé didactiqueL'énergie nécessaire au bon fonctionnement de l'organisme est fournie par l'alimentation, notamment sous forme de sucres (glucides). Ceux-ci sont dégradés en glucose, lequel sera distribué aux différents organes par la circulation sanguine. Après un repas, le niveau de glucose sanguin, nommé glycémie, s'élève et favorise la sécrétion d'une hormone appelée insuline par les cellules β du pancréas. L'insuline permet, à son tour, aux organes, tels le foie, les muscles et le tissu adipeux de capter et d'utiliser le glucose ; la glycémie retrouve ainsi son niveau basai.Le diabète de type 2 (DT2) est une maladie métabolique qui affecte plus de 200 millions de personnes dans le monde. Le développement de cette affection est causée par deux processus pathologiques. D'une part, les quantités d'insuline secrétée par les cellules β pancréatiques, ainsi que la survie de ces cellules sont réduites, un phénomène connu sous le nom de dysfonction des cellules β. D'autre part, la sensibilité des tissus à l'insuline se trouve diminuée. Cette dernière altération, l'insulino-résistance, empêche le transport et l'utilisation du glucose par les tissus et mène à une accumulation de ce sucre dans le sang. Cette stagnation de glucose dans le compartiment sanguin est appelée hyperglycémie et favorise l'apparition des complications secondaires du diabète, telles que les maladies cardiovasculaires, l'insuffisance rénale, la cécité et la perte de sensibilité des extrémités.Dans cette étude, nous avons démontré que le facteur ICER qui contrôle spécifiquement l'expression de certains gènes, contribue non seulement à la dysfonction des cellules β, mais aussi au développement de l'insulino-résistance. En effet, dans les cellules β pancréatiques en conditions diabétiques, l'activation du facteur ICER altère la capacité de synthèse et de sécrétion d'insuline et réduit la survie ces cellules.Dans le tissu adipeux des souris et des sujets humains souffrant d'obésité, le facteur ICER contribue à la perte de sensibilité à l'insuline. La disparition d'ICER altère l'expression de la protéine qui capte le glucose, le transoprteur GLUT4, et l'hormone adipocytaire favorisant la sensibilité à l'insuline, nommée adiponectine. Ainsi, la perte d'ICER participe à la réduction de la captation de glucose par le tissue adipeux et au développement de l'insulino-résistance au cours de l'obésité.En conclusion, à la lumière de ces résultats, le facteur ICER apparaît comme un contributeur important à la progression du DT2, en soutenant la dysfonction des cellules β pancréatiques et l'aggravation de l'insulino-résistance. Par conséquent, l'étude des mécanismes responsables de la dérégulation du facteur ICER pourrait permettre le développement de nouvelles stratégies de traitement du DT2.

Glut2-dependent glucose-sensing controls thermoregulation by enhancing the leptin sensitivity of NPY and POMC neurons.

The physiological contribution of glucose in thermoregulation is not completely established nor whether this control may involve a regulation of the melanocortin pathway. Here, we assessed thermoregulation and leptin sensitivity of hypothalamic arcuate neurons in mice with inactivation of glucose transporter type 2 (Glut2)-dependent glucose sensing. Mice with inactivation of Glut2-dependent glucose sensors are cold intolerant and show increased susceptibility to food deprivation-induced torpor and abnormal hypothermic response to intracerebroventricular administration of 2-deoxy-d-glucose compared to control mice. This is associated with a defect in regulated expression of brown adipose tissue uncoupling protein I and iodothyronine deiodinase II and with a decreased leptin sensitivity of neuropeptide Y (NPY) and proopiomelanocortin (POMC) neurons, as observed during the unfed-to-refed transition or following i.p. leptin injection. Sites of central Glut-2 expression were identified by a genetic tagging approach and revealed that glucose-sensitive neurons were present in the lateral hypothalamus, the dorsal vagal complex, and the basal medulla but not in the arcuate nucleus. NPY and POMC neurons were, however, connected to nerve terminals from Glut2-expressing neurons. Thus, our data suggest that glucose controls thermoregulation and the leptin sensitivity of NPY and POMC neurons through activation of Glut2-dependent glucose-sensing neurons located outside of the arcuate nucleus.

Hepatic glucose sensing is required to preserve β cell glucose competence.

Liver glucose metabolism plays a central role in glucose homeostasis and may also regulate feeding and energy expenditure. Here we assessed the impact of glucose transporter 2 (Glut2) gene inactivation in adult mouse liver (LG2KO mice). Loss of Glut2 suppressed hepatic glucose uptake but not glucose output. In the fasted state, expression of carbohydrate-responsive element-binding protein (ChREBP) and its glycolytic and lipogenic target genes was abnormally elevated. Feeding, energy expenditure, and insulin sensitivity were identical in LG2KO and control mice. Glucose tolerance was initially normal after Glut2 inactivation, but LG2KO mice exhibited progressive impairment of glucose-stimulated insulin secretion even though β cell mass and insulin content remained normal. Liver transcript profiling revealed a coordinated downregulation of cholesterol biosynthesis genes in LG2KO mice that was associated with reduced hepatic cholesterol in fasted mice and reduced bile acids (BAs) in feces, with a similar trend in plasma. We showed that chronic BAs or farnesoid X receptor (FXR) agonist treatment of primary islets increases glucose-stimulated insulin secretion, an effect not seen in islets from Fxr-/- mice. Collectively, our data show that glucose sensing by the liver controls β cell glucose competence and suggest BAs as a potential mechanistic link.

Retinoblastoma Protein Knockdown Favors Oxidative Metabolism and Glucose and Fatty Acid Disposal in Muscle Cells.

Deficiency in the retinoblastoma protein (Rb) favors leanness and a healthy metabolic profile in mice largely attributed to activation of oxidative metabolism in white and brown adipose tissues. Less is known about Rb modulation of skeletal muscle metabolism. This was studied here by transiently knocking down Rb expression in differentiated C2C12 myotubes using small interfering RNAs. Compared with control cells transfected with non-targeting RNAs, myotubes silenced for Rb (by 80-90%) had increased expression of genes related to fatty acid uptake and oxidation such as Cd36 and Cpt1b (by 61% and 42%, respectively), increased Mitofusin 2 protein content (∼2.5-fold increase), increased mitochondrial to nuclear DNA ratio (by 48%), increased oxygen consumption (by 65%) and decreased intracellular lipid accumulation. Rb silenced myotubes also displayed up-regulated levels of glucose transporter type 4 expression (∼5-fold increase), increased basal glucose uptake, and enhanced insulin-induced Akt phosphorylation. Interestingly, exercise in mice led to increased Rb phosphorylation (inactivation) in skeletal muscle as evidenced by immunohistochemistry analysis. In conclusion, the silencing of Rb enhances mitochondrial oxidative metabolism and fatty acid and glucose disposal in skeletal myotubes, and changes in Rb status may contribute to muscle physiological adaptation to exercise. J. Cell. Physiol. 231: 708-718, 2016. © 2015 Wiley Periodicals, Inc.

AMP-activated protein kinase plays an important evolutionary conserved role in the regulation of glucose metabolism in fish skeletal muscle cells

AMPK, a master metabolic switch, mediates the observed increase of glucose uptake in locomotory muscle of mammals during exercise. AMPK is activated by changes in the intracellular AMP:ATP ratio when ATP consumption is stimulated by contractile activity but also by AICAR and metformin, compounds that increase glucose transport in mammalian muscle cells. However, the possible role of AMPK in the regulation of glucose metabolism in skeletal muscle has not been investigated in other vertebrates, including fish. In this study, we investigated the effects of AMPK activators on glucose uptake, AMPK activity, cell surface levels of trout GLUT4 and expression of GLUT1 and GLUT4 as well as the expression of enzymes regulating glucose disposal and PGC1α in trout myotubes derived from a primary muscle cell culture. We show that AICAR and metformin significantly stimulated glucose uptake (1.6 and 1.3 fold, respectively) and that Compound C completely abrogated the stimulatory effects of the AMPK activators on glucose uptake. The combination of insulin and AMPK activators did not result in additive nor synergistic effects on glucose uptake. Moreover, exposure of trout myotubes to AICAR and metformin resulted in an increase in AMPK activity (3.8 and 3 fold, respectively). We also provide evidence suggesting that stimulation of glucose uptake by AMPK activators in trout myotubes may take place, at least in part, by increasing the cell surface and mRNA levels of trout GLUT4. Finally, AICAR increased the mRNA levels of genes involved in glucose disposal (hexokinase, 6-phosphofructokinase, pyruvate kinase and citrate synthase) and mitochondrial biogenesis (PGC-1α) and did not affect glycogen content or glycogen synthase mRNA levels in trout myotubes. Therefore, we provide evidence, for the first time in non-mammalian vertebrates, suggesting a potentially important role of AMPK in stimulating glucose uptake and utilization in the skeletal muscle of fish.

GLUT2-mediated glucose uptake and availability are required for embryonic brain development in zebrafish

Glucose transporter 2 (GLUT2; gene name SLC2A2) has a key role in the regulation of glucose dynamics in organs central to metabolism. Although GLUT2 has been studied in the context of its participation in peripheral and central glucose sensing, its role in the brain is not well understood. To decipher the role of GLUT2 in brain development, we knocked down slc2a2 (glut2), the functional ortholog of human GLUT2, in zebrafish. Abrogation of glut2 led to defective brain organogenesis, reduced glucose uptake and increased programmed cell death in the brain. Coinciding with the observed localization of glut2 expression in the zebrafish hindbrain, glut2 deficiency affected the development of neural progenitor cells expressing the proneural genes atoh1b and ptf1a but not those expressing neurod. Specificity of the morphant phenotype was demonstrated by the restoration of brain organogenesis, whole-embryo glucose uptake, brain apoptosis, and expression of proneural markers in rescue experiments. These results indicate that glut2 has an essential role during brain development by facilitating the uptake and availability of glucose and support the involvement of glut2 in brain glucose sensing.

Influence of first morning urine volume, fasting blood glucose and glycosylated hemoglobin on first morning urinary albumin concentration

The aim of the present study was to evaluate the effect of first morning urinary volume (collected on three different non-consecutive days), fasting blood glucose (determined on the first and third days of urine collection), and glycosylated hemoglobin (determined on the first and third days of urine collection) on the albumin concentration in first morning urine samples collected on three different days. We found 3.6% asymptomatic bacteriuria in the urine samples; therefore, every urine sample must be tested to exclude infection. One hundred and fifty urine samples were provided by 50 IDDM patients aged 21.9 ± 7 (12-38) years with a disease duration of 6.8 ± 5.8 (0.4-31) years attending the Diabetes Clinic at the State University Hospital of Rio de Janeiro. There were no differences in albumin concentration (6.1 vs 5.8 vs 6.2 µg/ml; P = NS) or urinary volume (222.5 vs 210 vs 200 ml) between the three samples. In addition, there were no differences in fasting blood glucose (181.9 ± 93.6 vs 194.6 ± 104.7 mg%; P = NS) or glycosylated hemoglobin (HbA1)(8.4 ± 1.3 vs 8.8 ± 1.5%; P = NS) between the first and third blood samples. Six patients (group 1) had a mean urinary albumin concentration of more than 20 µg/ml for the three urine samples. This group was compared with the 44 patients (group 2) with a mean urinary albumin concentration for the three urine samples of less than 20 µg/ml. No difference was found between groups 1 and 2 in relation to fasting blood glucose (207.1 ± 71.7 vs 187.6 ± 84.6 mg/dl), HbA1 (8.1 ± 0.9 vs 8.6 ± 1.1%) or urinary volume [202 (48.3-435) vs 246 (77.3-683.3) ml]. Stepwise multiple regression analysis with albumin concentration of first morning urine samples as the dependent variable, and urinary volume, fasting blood glucose and glycosylated hemoglobin as independent variables, showed that only 12% (P = 0.01) of the albumin concentration could be accounted for by the independent effect of morning urine volume on the first day of urine collection. No urine samples showed a change in the cutoff level of 20 µg/ml of albumin concentration as the result of volume. Fasting blood glucose and glycosylated hemoglobin did not influence the urinary albumin concentration. Considerable variability in urinary albumin concentration was found in the three morning urine samples with a mean intraindividual coefficient variation of 56%. In conclusion, in the present study, urinary volume had a minimal, though not constant, effect on first morning urinary albumin concentration. Day-to-day metabolic and clinical control of IDDM patients, except probably for ketoacidosis, should not contraindicate microalbuminuria screening in first morning urine samples

Reduced cortical renal GLUT1 expression induced by angiotensin-converting enzyme inhibition in diabetic spontaneously hypertensive rats

Diabetes in spontaneously hypertensive rats is associated with cortical renal GLUT1 and GLUT2 overexpression. Our objective was to evaluate the effect of the angiotensin-converting enzyme blockade on cortical renal GLUT1 and GLUT2 expression, urinary albumin and urinary TGF-β1. Streptozotocin, 50 mg/kg, or citrate buffer (N = 16) was administered as a single injection into the tail vein in adult spontaneously hypertensive rats (~260 g). Thirty days later, these diabetic spontaneously hypertensive rats received ramipril by gavage: 0.01 mg·kg-1·day-1 (D0.01, N = 14), 1 mg·kg-1·day-1 (D1, N = 9) or water (D, N = 11) for 15 days. Albumin and TGF-β1 (24-h urine), direct arterial pressure, renal tissue angiotensin-converting enzyme activity (fluorometric assay), and GLUT1 and GLUT2 protein levels (Western blot, renal cortex) were determined. Glycemia and glycosuria were higher (P < 0.05) in the diabetic rats compared with controls, but similar between the diabetic groups. Diabetes in spontaneously hypertensive rats lowered renal tissue angiotensin-converting enzyme activity (40%), which was reduced further when higher ramipril doses were used. Diabetes associated with hypertension raised GLUT1 by 28% (P < 0.0001) and GLUT2 by 76% (P = 0.01), and both doses of ramipril equally reduced cortical GLUT1 (D vs D1 and vs D0.01, P ≤ 0.001). GLUT2 levels were reduced in D0.01 (P < 0.05 vs D). Diabetes increased urinary albumin and TGF-β1 urinary excretion, but the 15-day ramipril treatment (with either dose) did not reduce them. In conclusion, ramipril is effective in lowering renal tissue angiotensin-converting enzyme activity, as well as blocking cortical GLUT1 overexpression, which may be beneficial in arresting the development of diabetic nephropathy.

TIME COURSE OF SIGNALING PROCESSES INVOLVED WITH EXTRACELLULAR OSMOTIC - INDUCED GLUCOSE UPTAKE IN MAMMALIAN SKELETAL MUSCLE

Extracellular hyper-osmotic (HYPER) stress increases glucose uptake to defend cell volume, when compared to iso-osmotic (ISO) conditions in skeletal muscle. The purpose of this study was to determine a time course for changes in common signaling proteins involved in glucose uptake during acute hyper-osmotic stress in isolated mammalian skeletal muscle. Rat extensor digitorum longus (EDL) muscles were excised and incubated in a media formulated to mimic ISO (290 ± 10 mmol/kg) or HYPER (400 ± 10 mmol/kg) extracellular condition (Sigma Media-199). Signaling mechanisms were investigated by determining the phosphorylation states of Akt, AMPK, AS160, cPKC and ERK after 30, 45 and 60 minutes of incubation. AS160 was found to be significantly more phosphorylated in HYPER conditions compared to ISO after 30 minutes (p<0.01). It is speculated that AS160 phosphorylation increases glucose transporter 4 (GLUT4) content at the cell surface thereby facilitating an increase in glucose uptake under hyper-osmotic stress.

Le grenadier tunisien (Punica granatum) stimule le transport de glucose dans les cellules musculaires C2C12 via la voie insulino-dépendante de l’Akt et la voie insulino-indépendante de l’AMPK

Le diabète est reconnu comme un problème majeur de santé publique causant des conséquences humaines et économiques redoutables. La phytothérapie s’offre comme une nouvelle avenue thérapeutique pour le contrôle de la glycémie. Le grenadier, Punica granatum, a servi de remède contre le diabète dans le système Unani de la médecine pratiquée en Inde et au Moyen Orient. Des études ont démontré un effet hypoglycémiant des extraits de grenadier via divers mécanismes notamment par une amélioration de la sensibilité à l’insuline et la régénération des cellules béta-pancréatiques. Cependant, aucune étude n’a démontré à ce jour, l’effet de grenadier sur le transport de glucose dans le muscle, étape cruciale dans la régulation de l’homéostasie glucidique postprandiale. De plus, l’effet de la maturation sur le potentiel antidiabétique du fruit de grenadier n’a pas été étudié. Ainsi, le but de ce projet est d’évaluer l’effet antidiabétique des extraits de grenadier sur le transport de glucose dans les cellules musculaires C2C12 en fonction de la variété et du stade de maturation du fruit et d’élucider les mécanismes d’action. Le choix des variétés du grenadier tunisien (Espagnoule [EP] et Gabsi [GB]) a été orienté pour leur pouvoir antioxydant et leur consommation locale. Deux parties de la plante ont été utilisées, les fleurs et les fruits à 3 stades de maturation soit 2, 4 et 6 mois. Les résultats ont montré que seule la variété du grenadier Gabsi stimule significativement le transport de glucose par rapport au contrôle (DMSO), et ceci sans être toxique. Cet effet est plus prononcé au stade de fruit mûr (à 6 mois) que celui de la fleur. De plus, l’extrait de fleurs stimule la voie insulino-indépendante de l’AMPK et augmente le niveau d’expression des transporteurs spécifiques de glucose (GLUT-4). Par contre, l’extrait de fruits mûrs, en plus de ces deux mécanismes, active fortement aussi la voie insulino-dépendante de l’AKT. En conclusion, cette étude présente un nouveau mécanisme d’action antidiabétique de grenadier (plus particulièrement du fruit mûr) qui est dépendant de la variété.

Rôle de l’enzyme PAS kinase dans la régulation du facteur de transcription PDX-1 dans la cellule bêta pancréatique.

Le diabète de type 2 (DT2) se caractérise par une production insuffisante d'insuline par le pancréas ainsi qu'une résistance des tissus périphériques à l'action de l'insuline. Dans les cellules bêta pancréatiques, le glucose stimule la production de l'insuline en induisant la transcription de son gène et la traduction ainsi que la sécrétion de sa protéine. Paradoxalement, une exposition prolongée et simultanée de ces cellules à de hautes concentrations de glucose en présence d'acides gras conduit à la détérioration de la fonction bêta pancréatique et au développement du DT2. Toutefois, les mécanismes moléculaires responsables de ces effets du glucose ne sont que partiellement connus. L'objectif du travail décrit dans cette thèse est d'identifier les mécanismes responsables de la régulation de la transcription du gène de l'insuline. PDX-1 (de l’anglais pour pancreatic and duodenal homeobox 1) est un facteur de transcription majeur et essentiel tant pour le développement du pancréas que pour le maintien de sa fonction à l'état adulte. En réponse au glucose, PDX-1 se lie au promoteur du gène de l'insuline et induit sa transcription. Ceci est inhibé par l'acide gras palmitate. Dans la première partie des travaux effectués dans le cadre de cette thèse, nous avons identifié deux mécanismes de régulation de la transcription du gène de l'insuline: le premier via ERK1/2 (de l'anglais pour extracellular-signal-regulated protein kinases 1 and 2) et le second par l’enzyme PASK (pour per-arnt-sim kinase). Nous avons également mis en évidence l'existence d'un troisième mécanisme impliquant l'inhibition de l'expression du facteur de transcription MafA par le palmitate. Nos travaux indiquent que la contribution de la signalisation via PASK est majeure. L'expression de PASK est augmentée par le glucose et inhibée par le palmitate. Sa surexpression dans les cellules MIN6 et les îlots isolés de rats, mime les effets du glucose sur l'expression du gène de l'insuline ainsi que sur l'expression de PDX-1 et prévient les effets délétères du palmitate. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons identifié un nouveau mécanisme par lequel PASK augmente la stabilité protéique de PDX-1, soit via la phosphorylation et l'inactivation de la protéine kinase GSK3 bêta (de l'anglais pour glycogen synthase kinase 3 beta). Le glucose induit la translocation de PDX-1 du cytoplasme vers le noyau, ce qui est essentiel à sa liaison au promoteur de ses gènes cibles. L'exclusion nucléaire de PDX-1 a été observée dans plusieurs modèles ex vivo et in vivo de dysfonction de la cellule bêta pancréatique. Dans le dernier volet de cette thèse, nous avons démontré l'importance de l'utilisation de cellules primaires (îlots isolés et dispersés) pour étudier la translocation nucléaire de PDX-1 endogène étant donné que ce mode de régulation est absent dans les lignées insulino-sécrétrices MIN6 et HIT-T15. Ces études nous ont permis d'identifier et de mieux comprendre les mécanismes régulant la transcription du gène de l'insuline via le facteur de transcription PDX-1. Les cibles moléculaires ainsi identifiées pourraient contribuer au développement de nouvelles approches thérapeutiques pour le traitement du diabète de type 2. Mots-clés : Diabète, îlots de Langerhans, cellule bêta pancréatique, gène de l'insuline, PDX-1, PASK, GSK3 bêta, ERK1/2, PKB, glucose, palmitate.