Étude du mécanisme de transport des cations par la Na, K-ATPase et de son implication dans la migraine familiale hémiplégique de type 2

Résumé La Na,K-ATPase est une protéine transmembranaire, présente dans toutes les cellules de mammifères et indispensable à la viabilité cellulaire. Elle permet le maintien des gradients sodiques et potassiques à l'origine du potentiel membranaire en transportant 3 Na+ en dehors de la cellule contre 2 K+, grâce à l'énergie fournie par l'hydrolyse d'une molécule d'ATP. Le potentiel membranaire est indispensable au maintien de l'excitabilité cellulaire et à la transmission de l'influx nerveux. Il semblerait que la Na,K-ATPase soit liée à l'hypertension et à certains troubles neurologiques comme la Migraine Familiale Hémiplégique (1VIFH). La MFH est une forme de migraine avec aura, qui se caractérise par une hémiparésie. Cette forme de migraine est très rare. Elle se transmet génétiquement sur un mode autosomique dominant. Plusieurs mutations localisées dans le gène de la Na,K-ATPase ont été identifiées durant ces 3 dernières années. C'est la première fois qu'une maladie génétique est associée au gène de la Na,K-ATPase. La compréhension du fonctionnement de cette protéine peut donner des informations sur les mécanismes conduisant à ces pathologies. On sait que la fonction d'une protéine est liée à sa structure. L'étude de sa fonction nécessite donc l'étude de sa structure. Alors que la structure de la SERCA a été déterminée à haute résolution, par cristallographie, celle de la Na,K-ATPase ne l'est toujours pas. Mais ces 2 ATPases présentent une telle homologie qu'un modèle de la Na,K-ATPase a pu être élaboré à partir de la structure de la SERCA. Les objectifs de cette étude sont d'une part, de comprendre le contrôle de l'accessibilité du K+ extracellulaire àses sites de liaison. Pour cela, nous avons ciblé cette étude sur la 2ìème et la 31eme boucle extracellulaire, qui relient respectivement les segments transmembranaires (STM) 3-4 et 5-6. Le choix s'est porté sur ces 2 boucles car elles bordent le canal des cations formés des 4ième' Sième et 6'ème hélices. D'autre part, nous avons également essayer de comprendre les effets des mutations, liées à la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2 (MFH2), sur la fonctionnalité de la Na,K-ATPase. Alors que les STM et les domaines cytoplasmiques sont relativement proches entre la Na,KATPase et la SERCA, les boucles extracellulaires présentent des différences. Le modèle n'est donc pas une approche fiable pour déterminer la structure et la fonction des régions extracellulaires. Nous avons alors utilisé une approche fonctionnelle faisant appel à la mutation dirigée puis à l'étude de l'activité fonctionnelle de la Na,K ATPase par électrophysiologie sur des ovocytes de Xenopus. En conclusion, nous pouvons dire que la troisième boucle extracellulaire participerait à la structure de la voie d'entrée des cations et que la deuxième boucle extracellulaire semble impliquée dans le contrôle de l'accessibilité des ions K+àses sites de liaison. Concernant les mutations associées à la MFH2, nos résultats ont montré une forte diminution de l'activité fonctionnelle de la pompe Na,K, inférieure aux conditions physiologiques de fonctionnement, et pour une des mutations nous avons observés une diminution de l'affmité apparente au K+ externe. Nous poumons faire l'hypothèse que l'origine pathologique de la migraine est liée à une diminution de l'activité de la pompe à Na+. Summary The Na,K-ATPase is a transmembrane protein, present in all mammalian cells and is necessary for the viability of the cells. It maintains the gradients of Na+ and K+ involved in the membrane potential, by transporting 3Na+ out the cell, and 2K+ into the cell, using the energy providing from one ATP molecule hydrolysis. The membrane potential is necessary for the cell excitability and for the transmission of the nervous signal. Some evidence show that Na,K-ATPase is involved in hypertension and neurological disorders like the Familial Hemiplegic Migraine (FHM). La FHM is a rare form of migraine characterised by aura and hemiparesis and an autosomal dominant transmission. Several mutations linked to the Na,KATPase gene have been identified during these 3 last years. It's the first genetic disorder associated with the Na,K-ATPase gene. Understand the function of this protein is important to elucidate the mechanisms implicated in these pathologies. The function of a protein is linked with its structure. Thus, to know the function of a protein, we need to know its structure. While the Ca-ATPase (SERCA) has been crystallised with a high resolution, the structure of the Na,K-ATPase is not known. Because of the great homology between these 2 ATPases, a model of the Na,K-ATPase was realised by comparing with the structure of the SERCA. The aim of this study is on one side, understand the control of the extracellular K+ accessibility to their binding sites. Because of theirs closed proximity with the cation pathway, located between the 4th, 5th and 6th helices, we have targeted this study on the 2nd and the 3rd extracellular loops linking respectively the transmembrane segment (TMS) 3 and 4, and the TMS 5 and 6. And on the other side, we have tried to understand the functional effects of mutations linked with the Familial Hemiplegic Migraine Type 2 (FHM2). In contrast with the transmembrane segments and the cytoplasmic domains, the extracellular loops show lots of difference between Na,K-ATPase and SERCA, the model is not a good approach to know the structure and the function of the extracellular loops. Thus, we have used a functional approach consisting in directed mutagenesis and the study of the functional activity of the Na,K-ATPase by electrophysiological techniques with Xenopus oocytes. In conclusion, we have demonstrated that the third extracellular loop could participate in the structure of the entry of the cations pathway and that the second extracellular loop could control the K+ accessibility to their binding sites. Concerning the mutations associated with the FHM2, our results showed a strong decrease in the functional activity of the Na,K-pump under physiological conditions and for one of mutations, induce a decrease in the apparent external K+ affinity. We could make the hypothesis that the pathogenesis of migraine is related to the decrease in Na,K-pump activity. Résumé au large publique De la même manière que l'assemblage des mots forme des phrases et que l'assemblage des phrases forme des histoires, l'assemblage des cellules forme des organes et l'ensemble des organes constitue les êtres vivants. La fonction d'une cellule dans le corps humain peut se rapprocher de celle d'une usine hydroélectrique. La matière première apportée est l'eau, l'usine électrique va ensuite convertir l'eau en énergie hydraulique pour fournir de l'électricité. Le fonctionnement de base d'une cellule suit le même processus. La cellule a besoin de matières premières (oxygène, nutriments, eau...) pour produire une énergie sous forme chimique, l'ATP. Cette énergie est utilisée par exemple pour contracter les muscles et permet donc à l'individu de se déplacer. Morphologiquement la cellule est une sorte de petit sac rempli de liquide (milieu intracellulaire) baignant elle-même dans le liquide (milieu extracellulaire) composant le corps humain (un adulte est constitué environ de 65 % d'eau). La composition du milieu intracellulaire est différente de celle du milieu extracellulaire. Cette différence doit être maintenue pour que l'organisme fonctionne correctement. Une des différences majeures est la quantité de sodium. En effet il y a beaucoup plus de sodium à l'extérieur qu'à l'intérieur de la cellule. Bien que l'intérieur de la cellule soit isolé de l'extérieur par une membrane, le sodium arrive à passer à travers cette membrane, ce qui a tendance à augmenter la quantité de sodium dans la cellule et donc à diminuer sa différence de concentration entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire. Mais dans les membranes, il existe des pompes qui tournent et dont le rôle est de rejeter le sodium de la cellule. Ces pompes sont des protéines connues sous le nom de pompe à sodium ou Na,K-ATPase. On lui attribue le nom de Na,K-ATPase car en réalité elle rejette du sodium (Na) et en échange elle fait entrer dans la cellule du potassium (K), et pour fonctionner elle a besoin d'énergie (ATP). Lorsque les pompes à sodium ne fonctionnent pas bien, cela peut conduire à des maladies. En effet la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2, est une migraine très rare qui se caractérise par l'apparition de la paralysie de la moitié d'un corps avant l'apparition du mal de tête. C'est une maladie génétique (altération qui modifie la fonction d'une protéine) qui touche la pompe à sodium située dans le cerveau. On a découvert que certaines altérations (mutations) empêchent les pompes à sodium de fonctionner correctement. On pense alors que le développement des migraines est en partie dû au fait que ces pompes fonctionnent moins bien. Il est important de bien connaître la fonction de ces pompes car cela permet de comprendre des mécanismes pouvant conduire à certaines maladies, comme les migraines. En biologie, la fonction d'une protéine est étudiée à travers sa structure. C'est pourquoi l'objectif de cette thèse a été d'étudier la structure de la Na,K-ATPase afin de mieux comprendre son mécanisme d'action.

Genome-wide association identifies nine common variants associated with fasting proinsulin levels and provides new insights into the pathophysiology of type 2 diabetes.

OBJECTIVE: Proinsulin is a precursor of mature insulin and C-peptide. Higher circulating proinsulin levels are associated with impaired β-cell function, raised glucose levels, insulin resistance, and type 2 diabetes (T2D). Studies of the insulin processing pathway could provide new insights about T2D pathophysiology. RESEARCH DESIGN AND METHODS: We have conducted a meta-analysis of genome-wide association tests of ∼2.5 million genotyped or imputed single nucleotide polymorphisms (SNPs) and fasting proinsulin levels in 10,701 nondiabetic adults of European ancestry, with follow-up of 23 loci in up to 16,378 individuals, using additive genetic models adjusted for age, sex, fasting insulin, and study-specific covariates. RESULTS: Nine SNPs at eight loci were associated with proinsulin levels (P < 5 × 10(-8)). Two loci (LARP6 and SGSM2) have not been previously related to metabolic traits, one (MADD) has been associated with fasting glucose, one (PCSK1) has been implicated in obesity, and four (TCF7L2, SLC30A8, VPS13C/C2CD4A/B, and ARAP1, formerly CENTD2) increase T2D risk. The proinsulin-raising allele of ARAP1 was associated with a lower fasting glucose (P = 1.7 × 10(-4)), improved β-cell function (P = 1.1 × 10(-5)), and lower risk of T2D (odds ratio 0.88; P = 7.8 × 10(-6)). Notably, PCSK1 encodes the protein prohormone convertase 1/3, the first enzyme in the insulin processing pathway. A genotype score composed of the nine proinsulin-raising alleles was not associated with coronary disease in two large case-control datasets. CONCLUSIONS: We have identified nine genetic variants associated with fasting proinsulin. Our findings illuminate the biology underlying glucose homeostasis and T2D development in humans and argue against a direct role of proinsulin in coronary artery disease pathogenesis.

Prevalence, awareness and treatment of type 2 diabetes mellitus in Switzerland : the COLAUS study

Le diabète de type 2 (DT2) a une prévalence élevée dans les pays industrialisés, et on s'attend à une augmentation dans les années à venir en raison du vieillissement de la population ainsi que des modifications du mode de vie. Il existe malheureusement peu de données épidémiologiques sur la prévalence et la prise en charge du diabète en Suisse. Les objectifs de cette étude étaient donc 1) évaluer la prévalence du DT2 dans une cohorte lausannoise ; 2) caractériser la prise en charge des patients atteints de DT2, et 3) identifier les facteurs associés à la prévalence, la connaissance par les patients de leur maladie et le traitement du DT2. Pour ce faire, 6181 sujets (3246 femmes), âgés de 35 à 75 ans et vivant à Lausanne ont été inclus dans l'étude. La prévalence totale du DT2 était de 6.3% (intervalle de confiance à 95%: 5.7-7.0%), une valeur comparable à celle des pays avoisinants. La prévalence était plus élevée chez les hommes que chez les femmes (9.1% contre 3.8%, p<0.001), et augmentait avec l'âge. Deux tiers des patients avec DT2 (65.3% ; 60.4-70.0%) avaient connaissance de leur situation, et plus de trois-quarts d'entre eux étaient traités. Les hommes étaient plus fréquemment traités que les femmes (91.3% contre 75.9%, p<0.001). La plupart des patients suivait une monothérapie (majoritairement par biguanides). Parmi les sujets avec une thérapie multiple, une prévalence plus élevée de glycémie à jeun >7 mmol/1 était présente. L'analyse multivariée a montré que le sexe masculin, l'âge croissant et un indice de masse corporelle élevé étaient associés à une plus grande prévalence du DT2, alors qu'aucune association n'a été trouvée pour l'activité physique et la consommation d'alcool. Parmi les sujets atteints de DT2, l'âge croissant était positivement associé à la connaissance du diabète, de même que l'âge croissant et le sexe masculin étaient associés à une plus grande prévalence du traitement. Le faible taux de connaissance de diabète pourrait être dû à un manque de dépistage par les médecins de premier recours. La présence d'autres facteurs de risque cardiovasculaire devrait inciter les médecins à un dépistage du diabète pour obtenir un meilleur profil de risque. Cette étude a des limitations. D'abord, aucune mesure de l'hémoglobine glyquée n'a été mesurée, et par conséquent la détermination de la prise en charge uniquement par la glycémie à jeun peut être difficile. Ensuite, le taux de participation était bas et pourrait limiter l'interprétation des résultats ; néanmoins, il est comparable à celui d'autres études effectuées dans les pays occidentaux. Il existe peu de données épidémiologiques du DT2 en Suisse, cette étude permet donc d'évaluer la situation actuelle et de déterminer la prévalence et la prise en charge du diabète à Lausanne à travers la cohorte CoLaus. Une telle étude a par conséquent son importance dans le contexte actuel, au vu du vieillissement de la population et de l'augmentation des facteurs de risque cardio-vasculaires.

Effects of regular insulin or insulin LISPRO on glucose metabolism after an oral glucose load in patients with type 2 diabetes mellitus.

Seven obese Type 2 diabetic patients were studied for two 4-h periods after ingestion of a glucose load to determine the effects of preprandial subcutaneous injection of Insulin Lispro (5 min before the meal) or regular insulin (20 min before the meal) on glucose metabolism. Glucose production and utilisation were measured using a dual isotope method. After Lispro, the mean postprandial increase in plasma glucose was 29% lower and the increase in insulin concentration 25% higher than after regular insulin (p < 0.05). Suppression of endogenous glucose production was similar with both types of insulin. Thus, preprandial injection of Lispro reduced postprandial glucose increments in Type 2 diabetic patients as compared to regular insulin. This effect is best explained by the increased postprandial bioavailability of Lispro.

Une méta-analyse GWA de la glycémie après 2h d'HGPO révèle que GIPR est associé avec la sécrétion de l'insuline en réponse au glucose et que l'ADCY5 est un nouveau gène de suseptibilité au diabète de type 2. [A meta-analysis of GWA blood glucose after 2 h of OGTT revealed that GIPR is associated with the secretion of insulin based on glucose and ADCY5 is a new susceptibility gene for type 2 diabetes.]

Introduction: Les études GVvA (Genome-wide association ,-studies) ont identifié et confirmé plus de 20 gènes de susceptibilité au DT2 et ont contribué à mieux comprendre sa physiopathologie. L'hyperglycémie à jeun (GJ), et 2 heures après une HGPO (G2h) sont les deux mesures cliniques du diagnostic du DT2. Nous avons identifié récemment la G6P du pancréas (G6PC2) comme déterminant de la variabilité physiologique de la GJ puis Ie récepteur à la mélatonine (MTNRIB) qui de plus lie la régulation du rythme circadien au DT2. Dans ce travail nous avons étudié la génétique de la G2h à l'aide de l'approche GWA. Résultats: Nous avons réalisé une méta-analyse GWA dans le cadre de MAGIC (Meta-Analysis of Glucose and Insulin related traits Consortium) qui a inclus 9 études GWA (N=15'234). La réplication de 29 loci (N=6958-30 121, P < 10-5 ) a confirmé 5 nouveaux loci; 2 étant connus comme associés avec Ie DT2 (TCF7L2, P = 1,6 X 10-10 ) et la GJ (GCKR, p = 5,6 X 10-10 ); alors que GIPR (p= 5,2 X 10-12), VSP13C (p= 3,9 X 10-8) et ADCY5 (p = 1,11 X 10-15 ) sont inédits. GIPR code Ie récepteur au GIP (gastric inhibitory polypeptide) qui est sécrété par les ceIlules intestinales pour stimuler la sécrétion de l'insuline en réponse au glucose (l'effet incrétine). Les porteurs du variant GIPR qui augmente la G2h ont également un indice insulinogénique plus bas, (p= 1,0 X 10-17) mais ils ne présentent aucune modification de leur glycémie suite à une hyperglycémie provoquée par voie veineuse (p= 0,21). Ces résultats soutiennent un effet incrétine du locus GIPR qui expliquerait ~9,6 % de la variance total de ce trait. La biologie de ADCY5 et VPS13C et son lien avec l'homéostasie du glucose restent à élucider. GIPR n'est pas associé avec le risque de DT2 indiquant qu'il influence la variabilité physiologique de la G2h alors que le locus ADCY5 est associé avec le DT2 (OR = 1,11, P = 1,5 X 10-15). Conclusion: Notre étude démontre que l'étude de la G2h est une approche efficace d'une part pour la compréhension de la base génétique de la physiologie de ce trait clinique important et d'autre part pour identifier de nouveaux gènes de susceptibilité au DT2.

Increased plasma levels of N-terminal brain natriuretic peptide (NT-proBNP) in type 2 diabetic patients with vascular complications.

AIMS: The plasma levels of either brain natriuretic peptide (BNP) or the N-terminal fragment of the prohormone (NT-proBNP) have recently gained extreme importance as markers of myocardial dysfunction. Patients with type 2 diabetes are at high risk of developing cardiovascular complications. This study was aimed to assess whether plasma NT-proBNP levels are at similar levels in type 2 diabetics with or without overt cardiovascular diseases. METHODS: We assayed plasma NT-proBNP in 54 type 2 diabetics, 27 of whom had no overt macro- and/or microvascular complications, while the remaining ones had either or both. The same assay was carried out in 38 healthy control subjects age and sex matched as a group with the diabetics. RESULTS: Plasma NT-proBNP was higher in diabetics (median 121 pg/ml, interquartile range 50-240 pg/ml, ) than in those without complications (37 pg/ml, 21-54 pg/ml, P<0.01). Compared with the controls (55 pg/ml, 40-79 pg/ml), only diabetics with vascular complications had significantly increased plasma NT-proBNP levels (P<0.001). In the diabetics, coronary heart disease and nephropathy (defined according to urinary excretion of albumin) were each independently associated with elevated values of plasma NT-proBNP. CONCLUSIONS: In type 2 diabetes mellitus, patients with macro- and/or micro-vascular complications exhibit an elevation of plasma NT-proBNP levels compared to corresponding patients with no evidence of vascular disease. The excessive secretion of this peptide is independently associated with coronary artery disease and overt nephropathy. The measurement of circulating NT-proBNP concentration may therefore be useful to screen for the presence of macro- and/or microvascular disease.