Mécanismes moléculaires de la sécrétion d'insuline : implication de Slac2c/MyRIP, protéine effectrice de Rab27a, et rôle des phosphoinositides dans le processus d'exocytose

Résumé : La sécrétion de l'insuline en réponse au glucose circulant dans le sang est la fonction principale de la cellule β. La perte de cette fonction est une des caractéristiques du diabète de type 2. L'exocytose est une fonction cellulaire indispensable au renouvellement des composants lipidiques et protéiques de la membrane cellulaire, à la communication entre les cellules et au maintien d'un environnement adéquat. On peut distinguer deux types d'exocytose : l'exocytose constitutive et l'exocytose régulée. Cette dernière est déclenchée par des stimuli externes. L'exocytose régulée est contrôlée au niveau de la fusion des vésicules de sécrétion avec la membrane plasmique. Certains composants moléculaires impliqués dans ce processus font partie de la famille des GTPases Rab. Les deux membres de cette famille impliqués sont Rab3 et Rab27. Nous avons étudié le rôle de la GTPase Rab27 dans les cellules INS-1E, une lignée cellulaire pancréatique β qui sécrète de l'insuline de façon régulée. Nous avons trouvé que la diminution d'expression de la protéine en utilisant le technique de « RNA interference » diminue la sécrétion stimulée, mais que la distribution des granules n'est nullement affectées par ce changement d'activité intrinsèque. Un des effecteurs identifiés de cette GTPase est Slac2c/MyRIP. Cette protéine possède plusieurs domaines fonctionnels dont un qui lui permet de se lier à l'actine, constituant du cytosquelette cellulaire. L'ensemble de nos résultats suggèrent que Rab27 et MyRIP font partie d'un complexe permettant l'interaction de la granule de sécrétion avec le cytosquelette d'actine corticale et participent à la régulation des dernières étapes de l'exocytose d'insuline. Ensuite, nous avons étudié les phosphoinositides (PI). Les phosphoinositides sont d'importantes molécules impliquées dans le régulation du trafic vésiculaire. Nous avons trouvé que le phosphatidylinosito1-4-phosphate (PI4P) et le phosphatidylinositol-4,5-biphosphate (PI(4,5)P2) augmentent la sécrétion sous l'action de 10µM de Ca2+ dans les cellules INS-1E perméabilisées avec la streptolysine-O. En plus, nous avons démontré que l'exocytose est diminuée dans les cellules intactes exprimant une protéine qui séquestre le PI(4,5)P2. Une diminution similaire est observée en diminuant l'expression de deux enzymes impliquées dans la production du PI(4,5)P2, la PI4Kinase β type III et la PIP5Kinase γ type I. Pour clarifier le mécanisme d'action des PI, nous avons investigué l'implication de trois cibles potentielles des PI, la PLD1, CAPS1 et Mint1. Pour ce faire, nous avons réduit le niveau d'expression endogène de ces protéines, ce qui inhibe la libération d'hormones provoquée par le glucose. Tout ceci indique donc que la production du PI(4,5)P2 est nécessaire pour le contrôle de la sécrétion et suggère qu'une partie de l'effet du PI sur la sécrétion pourrait être exercé par l'activation de la PLD1, CAPS1 et Mint1. Abstract Insulin release from pancreatic β-cells plays an essential role in the achievement of blood glucose homeostasis and defects in the regulation of this process lead to profound metabolic disorders and hyperglycaemia (eg. type 2 diabetes). Almost every cell in our organism releases proteins and other biological compounds using a fundamental cellular process known as constitutive exocytosis. In exocrine and endocrine glands, the cells are endowed with an additional and more refined release mechanism directly tuned by extracellular signals. This process, referred to as regulated exocytosis, ensures the timely delivery of molecules such as peptide hormones and digestive enzymes to match the moment¬-to-moment requirements of the organism. Some of the molecular components involved in this process have been identified, including Rab3 and Rab27, two GTPases that regulate the final steps of secretion in many cells. We investigated the involvement of Rab27 GTPase in the secretory process of the insulin-secreting cell line INS-1E. We found that selective reduction of Rab27 expression by RNA interference did not alter granule distribution but impaired exocytosis triggered by insulin secretagogues. Screening for potential effectors revealed that Slac2c/MyRIP is associated with granules and attenuation of Slac2c expression severely impaired hormone release. This protein contains several functional domains, including, a binding domain for the cellular cytoskeleton constituent actin. Taken together our data suggest the Rab27 and MyRIP are part of a complex mediating the interaction of secretory granules with cortical cytoskeleton and participate to the regulation of the final steps in insulin exoctytosis. In the second part of the thesis, we studied phosphoinositides (PI). Phosphoinositides are important molecules involved in the regulation of vesicular trafficking. We found that phosphatidylinosito1-4-phosphate (PI4P) and phosphatidylinosito1-4,5-biphosphate (PI(4,5)P2) increase the secretory response triggered by 10µM Ca2+ in streptolysin-O permeabilized insulin-secreting INS-1E cells. In addition, nutrient-induced exocytosis was diminished in intact cells expressing constructs that sequester PI(4,5)P2. A similar decrease was observed after silencing of two enzymes involved in PI(4,5)P2 production, type III PI4Kinase β and type I PIP5Kinase γ, by RNA interference. To clarify the mechanism of action of PI, we investigated the involvement in the regulation of exocytosis of three potential PI targets, PLD1, CAPS1 and Mint1. Transfection of cells with silencers capable of reducing the endogenous levels of these proteins inhibited hormone release elicited by glucose. Our data indicate that the production PI(4,5)P2 is necessary for proper control of p-cell secretion and suggest that at least part of the effects of PI on insulin exocytosis could be exerted through the activation of PLD1, CAPS1 and Mint1.

Complexin I regulates glucose-induced secretion in pancreatic beta-cells.

The neuronal-specific protein complexin I (CPX I) plays an important role in controlling the Ca(2+)-dependent neurotransmitter release. Since insulin exocytosis and neurotransmitter release rely on similar molecular mechanisms and that pancreatic beta-cells and neuronal cells share the expression of many restricted genes, we investigated the potential role of CPX I in insulin-secreting cells. We found that pancreatic islets and several insulin-secreting cell lines express high levels of CPX I. The beta-cell expression of CPX I is mediated by the presence of a neuron restrictive silencer element located within the regulatory region of the gene. This element bound the transcriptional repressor REST, which is found in most cell types with the exception of mature neuronal cells and beta-cells. Overexpression of CPX I or silencing of the CPX I gene (Cplx1) by RNA interference led to strong impairment in beta-cell secretion in response to nutrients such as glucose, leucine and KCl. This effect was detected both in the early and the sustained secretory phases but was much more pronounced in the early phase. We conclude that CPX I plays a critical role in beta-cells in the control of the stimulated-exocytosis of insulin.

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

Le diabète est une maladie métabolique qui se caractérise par une résistance à l’insuline des tissus périphériques et par une incapacité des cellules β pancréatiques à sécréter les niveaux d’insuline appropriés afin de compenser pour cette résistance. Pour mieux comprendre les mécanismes déficients dans les cellules β des patients diabétiques, il est nécessaire de comprendre et de définir les mécanismes impliqués dans le contrôle de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Dans les cellules β pancréatiques, le métabolisme du glucose conduit à la production de facteurs de couplage métabolique, comme l’ATP, nécessaires à la régulation de l’exocytose des vésicules d’insuline. Le mécanisme par lequel la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose déclenche l’exocytose des vésicules d’insuline est bien décrit dans la littérature. Cependant, il ne peut à lui seul réguler adéquatement la sécrétion d’insuline. Le malonyl-CoA et le NADPH sont deux autres facteurs de couplage métaboliques qui ont été suggérés afin de relier le métabolisme du glucose à la régulation de la sécrétion d’insuline. Les mécanismes impliqués demeurent cependant à être caractérisés. Le but de la présente thèse était de déterminer l’implication des navettes du pyruvate, découlant du métabolisme mitochondrial du glucose, dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans les cellules β, les navettes du pyruvate découlent de la combinaison des processus d’anaplérose et de cataplérose et permettent la transduction des signaux métaboliques provenant du métabolisme du glucose. Dans une première étude, nous nous sommes intéressés au rôle de la navette pyruvate/citrate dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose, puisque cette navette conduit à la production dans le cytoplasme de deux facteurs de couplage métabolique, soit le malonyl-CoA et le NADPH. De plus, la navette pyruvate/citrate favorise le flux métabolique à travers la glycolyse en réoxydation le NADH. Une étude effectuée précédemment dans notre laboratoire avait suggéré la présence de cette navette dans les cellules β pancréatique. Afin de tester notre hypothèse, nous avons ciblé trois étapes de cette navette dans la lignée cellulaire β pancréatique INS 832/13, soit la sortie du citrate de la mitochondrie et l’activité de l’ATP-citrate lyase (ACL) et l’enzyme malique (MEc), deux enzymes clés de la navette pyruvate/citrate. L’inhibition de chacune de ces étapes par l’utilisation d’un inhibiteur pharmacologique ou de la technologie des ARN interférant a corrélé avec une réduction significative de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Les résultats obtenus suggèrent que la navette pyruvate/citrate joue un rôle critique dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Parallèlement à notre étude, deux autres groupes de recherche ont suggéré que les navettes pyruvate/malate et pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate étaient aussi importantes pour la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ainsi, trois navettes découlant du métabolisme mitochondrial du glucose pourraient être impliquées dans le contrôle de la sécrétion d’insuline. Le point commun de ces trois navettes est la production dans le cytoplasme du NADPH, un facteur de couplage métabolique possiblement très important pour la sécrétion d’insuline. Dans les navettes pyruvate/malate et pyruvate/citrate, le NADPH est formé par MEc, alors que l’isocitrate déshydrogénase (IDHc) est responsable de la production du NADPH dans la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate. Dans notre première étude, nous avions démontré l’importance de l’expression de ME pour la sécrétion adéquate d’insuline en réponse au glucose. Dans notre deuxième étude, nous avons testé l’implication de IDHc dans les mécanismes de régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. La diminution de l’expression de IDHc dans les INS 832/13 a stimulé la sécrétion d’insuline en réponse au glucose par un mécanisme indépendant de la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose. Ce résultat a ensuite été confirmé dans les cellules dispersées des îlots pancréatiques de rat. Nous avons aussi observé dans notre modèle que l’incorporation du glucose en acides gras était augmentée, suggérant que la diminution de l’activité de IDHc favorise la redirection du métabolisme de l’isocitrate à travers la navette pyruvate/citrate. Un mécanisme de compensation à travers la navette pyruvate/citrate pourrait ainsi expliquer la stimulation de la sécrétion d’insuline observée en réponse à la diminution de l’expression de IDHc. Les travaux effectués dans cette deuxième étude remettent en question l’implication de l’activité de IDHc, et de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate, dans la transduction des signaux métaboliques reliant le métabolisme du glucose à la sécrétion d’insuline. La navette pyruvate/citrate est la seule des navettes du pyruvate à conduire à la production du malonyl-CoA dans le cytoplasme des cellules β. Le malonyl-CoA régule le métabolisme des acides gras en inhibant la carnitine palmitoyl transférase 1, l’enzyme limitante dans l’oxydation des acides gras. Ainsi, l’élévation des niveaux de malonyl-CoA en réponse au glucose entraîne une redirection du métabolisme des acides gras vers les processus d’estérification puis de lipolyse. Plus précisément, les acides gras sont métabolisés à travers le cycle des triglycérides/acides gras libres (qui combinent les voies métaboliques d’estérification et de lipolyse), afin de produire des molécules lipidiques signalétiques nécessaires à la modulation de la sécrétion d’insuline. Des études effectuées précédemment dans notre laboratoire ont démontré que l’activité lipolytique de HSL (de l’anglais hormone-sensitive lipase) était importante, mais non suffisante, pour la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans une étude complémentaire, nous nous sommes intéressés au rôle d’une autre lipase, soit ATGL (de l’anglais adipose triglyceride lipase), dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose et aux acides gras. Nous avons démontré que ATGL est exprimé dans les cellules β pancréatiques et que son activité contribue significativement à la lipolyse. Une réduction de son expression dans les cellules INS 832/13 par RNA interférant ou son absence dans les îlots pancréatiques de souris déficientes en ATGL a conduit à une réduction de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose en présence ou en absence d’acides gras. Ces résultats appuient l’hypothèse que la lipolyse est une composante importante de la régulation de la sécrétion d’insuline dans les cellules β pancréatiques. En conclusion, les résultats obtenus dans cette thèse suggèrent que la navette pyruvate/citrate est importante pour la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ce mécanisme impliquerait la production du NADPH et du malonyl-CoA dans le cytoplasme en fonction du métabolisme du glucose. Cependant, nos travaux remettent en question l’implication de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Le rôle exact de IDHc dans ce processus demeure cependant à être déterminé. Finalement, nos travaux ont aussi démontré un rôle pour ATGL et la lipolyse dans les mécanismes de couplage métabolique régulant la sécrétion d’insuline.

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

Le diabète est une maladie chronique de l’homéostasie du glucose caractérisée par une hyperglycémie non contrôlée qui est le résultat d’une défaillance de la sécrétion d’insuline en combinaison ou non avec une altération de l’action de l’insuline. La surnutrition et le manque d’activité physique chez des individus qui ont des prédispositions génétiques donnent lieu à la résistance à l’insuline. Pendant cette période dite de compensation où la concentration d’acides gras plasmatiques est élevée, l’hyperinsulinémie compense pleinement pour la résistance à l’insuline des tissus cibles et la glycémie est normale. Le métabolisme du glucose par la cellule pancréatique bêta entraîne la sécrétion d’insuline. Selon le modèle classique de la sécrétion d’insuline induite par le glucose, l’augmentation du ratio ATP/ADP résultant de la glycolyse et de l’oxydation du glucose, induit la fermeture des canaux KATP-dépendant modifiant ainsi le potentiel membranaire suivi d’un influx de Ca2+. Cet influx de Ca2+ permet l’exocytose des granules de sécrétion contenant l’insuline. Plusieurs nutriments comme les acides gras sont capables de potentialiser la sécrétion d’insuline. Cependant, le modèle classique ne permet pas d’expliquer cette potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Pour expliquer l’effet potentialisateur des acides gras, notre laboratoire a proposé un modèle complémentaire où le malonyl-CoA dérivé du métabolisme anaplérotique du glucose inhibe la carnitine palmitoyltransférase-1, l’enzyme qui constitue l’étape limitante de l’oxydation des acides gras favorisant ainsi leur estérification et donc la formation de dérivés lipidiques signalétiques. Le modèle anaplérotique/lipidique de la sécrétion d'insuline induite par le glucose prédit que le malonyl-CoA dérivé du métabolisme du glucose inhibe la bêta-oxydation des acides gras et augmente la disponibilité des acyl-CoA ou des acides gras non-estérifiés. Les molécules lipidiques agissant comme facteurs de couplage du métabolisme des acides gras à l'exocytose d'insuline sont encore inconnus. Des travaux réalisés par notre laboratoire ont démontré qu’en augmentant la répartition des acides gras vers la bêta-oxydation, la sécrétion d’insuline induite par le glucose était réduite suggérant qu’un des dérivés de l’estérification des acides gras est important pour la potentialisation sur la sécrétion d’insuline. En effet, à des concentrations élevées de glucose, les acides gras peuvent être estérifiés d’abord en acide lysophosphatidique (LPA), en acide phosphatidique (PA) et en diacylglycérol (DAG) et subséquemment en triglycérides (TG). La présente étude a établi l’importance relative du processus d’estérification des acides gras dans la production de facteurs potentialisant la sécrétion d’insuline. Nous avions émis l’hypothèse que des molécules dérivées des processus d’estérification des acides gras (ex : l’acide lysophosphatidique (LPA) et le diacylglycerol (DAG)) agissent comme signaux métaboliques et sont responsables de la modulation de la sécrétion d’insuline en présence d’acides gras. Afin de vérifier celle-ci, nous avons modifié le niveau d’expression des enzymes clés contrôlant le processus d’estérification par des approches de biologie moléculaire afin de changer la répartition des acides gras dans la cellule bêta. L’expression des différents isoformes de la glycérol-3-phosphate acyltransférase (GPAT), qui catalyse la première étape d’estérification des acides gras a été augmenté et inhibé. Les effets de la modulation de l’expression des isoenzymes de GPAT sur les processus d’estérifications, sur la bêta-oxydation et sur la sécrétion d’insuline induite par le glucose ont été étudiés. Les différentes approches que nous avons utilisées ont changé les niveaux de DAG et de TG sans toutefois altérer la sécrétion d’insuline induite par le glucose. Ainsi, les résultats de cette étude n’ont pas associé de rôle pour l’estérification de novo des acides gras dans leur potentialisation de la sécrétion d’insuline. Cependant, l’estérification des acides gras fait partie intégrante d’un cycle de TG/acides gras avec sa contrepartie lipolytique. D’ailleurs, des études parallèles à la mienne menées par des collègues du laboratoire ont démontré un rôle pour la lipolyse et un cycle TG/acides gras dans la potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Parallèlement à nos études des mécanismes de la sécrétion d’insuline impliquant les acides gras, notre laboratoire s’intéresse aussi aux effets négatifs des acides gras sur la cellule bêta. La glucolipotoxicité, résultant d’une exposition chronique aux acides gras saturés en présence d’une concentration élevée de glucose, est d’un intérêt particulier vu la prépondérance de l’obésité. L’isoforme microsomal de GPAT a aussi utilisé comme outil moléculaire dans le contexte de la glucolipotoxicité afin d’étudier le rôle de la synthèse de novo de lipides complexes dans le contexte de décompensation où la fonction des cellules bêta diminue. La surexpression de l’isoforme microsomal de la GPAT, menant à l’augmentation de l’estérification des acides gras et à une diminution de la bêta-oxydation, nous permet de conclure que cette modification métabolique est instrumentale dans la glucolipotoxicité.

Insulin promotes rapid delivery of N-methyl-d- aspartate receptors to the cell surface by exocytosis

Insulin potentiates N-methyl-d-aspartate receptors (NMDARs) in neurons and Xenopus oocytes expressing recombinant NMDARs. The present study shows that insulin induced (i) an increase in channel number times open probability (nPo) in outside-out patches excised from Xenopus oocytes, with no change in mean open time, unitary conductance, or reversal potential, indicating an increase in n and/or Po; (ii) an increase in charge transfer during block of NMDA-elicited currents by the open channel blocker MK-801, indicating increased number of functional NMDARs in the cell membrane with no change in Po; and (iii) increased NR1 surface expression, as indicated by Western blot analysis of surface proteins. Botulinum neurotoxin A greatly reduced insulin potentiation, indicating that insertion of new receptors occurs via SNARE-dependent exocytosis. Thus, insulin potentiation occurs via delivery of new channels to the plasma membrane. NMDARs assembled from mutant subunits lacking all known sites of tyrosine and serine/threonine phosphorylation in their carboxyl-terminal tails exhibited robust insulin potentiation, suggesting that insulin potentiation does not require direct phosphorylation of NMDAR subunits. Because insulin and insulin receptors are localized to glutamatergic synapses in the hippocampus, insulin-regulated trafficking of NMDARs may play a role in synaptic transmission and plasticity, including long-term potentiation.

Enhanced Glucose-induced Intracellular Signaling Promotes Insulin Hypersecretion: Pancreatic Beta-cell Functional Adaptations In A Model Of Genetic Obesity And Prediabetes.

Obesity is associated with insulin resistance and is known to be a risk factor for type-2 diabetes. In obese individuals, pancreatic beta-cells try to compensate for the increased insulin demand in order to maintain euglycemia. Most studies have reported that this adaptation is due to morphological changes. However, the involvement of beta-cell functional adaptations in this process needs to be clarified. For this purpose, we evaluated different key steps in the glucose-stimulated insulin secretion (GSIS) in intact islets from female ob/ob obese mice and lean controls. Obese mice showed increased body weight, insulin resistance, hyperinsulinemia, glucose intolerance and fed hyperglycemia. Islets from ob/ob mice exhibited increased glucose-induced mitochondrial activity, reflected by enhanced NAD(P)H production and mitochondrial membrane potential hyperpolarization. Perforated patch-clamp examination of beta-cells within intact islets revealed several alterations in the electrical activity such as increased firing frequency and higher sensitivity to low glucose concentrations. A higher intracellular Ca(2+) mobilization in response to glucose was also found in ob/ob islets. Additionally, they displayed a change in the oscillatory pattern and Ca(2+) signals at low glucose levels. Capacitance experiments in intact islets revealed increased exocytosis in individual ob/ob beta-cells. All these up-regulated processes led to increased GSIS. In contrast, we found a lack of beta-cell Ca(2+) signal coupling, which could be a manifestation of early defects that lead to beta-cell malfunction in the progression to diabetes. These findings indicate that beta-cell functional adaptations are an important process in the compensatory response to obesity.

Control of the Intracellular Redox State by Glucose Participates in the Insulin Secretion Mechanism

Background: Production of reactive oxygen species (ROS) due to chronic exposure to glucose has been associated with impaired beta cell function and diabetes. However, physiologically, beta cells are well equipped to deal with episodic glucose loads, to which they respond with a fine tuned glucose-stimulated insulin secretion (GSIS). In the present study, a systematic investigation in rat pancreatic islets about the changes in the redox environment induced by acute exposure to glucose was carried out. Methodology/Principal Findings: Short term incubations were performed in isolated rat pancreatic islets. Glucose dose- and time-dependently reduced the intracellular ROS content in pancreatic islets as assayed by fluorescence in a confocal microscope. This decrease was due to activation of pentose-phosphate pathway (PPP). Inhibition of PPP blunted the redox control as well as GSIS in a dose-dependent manner. The addition of low doses of ROS scavengers at high glucose concentration acutely improved beta cell function. The ROS scavenger N-acetyl-L-cysteine increased the intracellular calcium response to glucose that was associated with a small decrease in ROS content. Additionally, the presence of the hydrogen peroxide-specific scavenger catalase, in its membrane-permeable form, nearly doubled glucose metabolism. Interestingly, though an increase in GSIS was also observed, this did not match the effect on glucose metabolism. Conclusions: The control of ROS content via PPP activation by glucose importantly contributes to the mechanisms that couple the glucose stimulus to insulin secretion. Moreover, we identified intracellular hydrogen peroxide as an inhibitor of glucose metabolism intrinsic to rat pancreatic islets. These findings suggest that the intracellular adjustment of the redox environment by glucose plays an important role in the mechanism of GSIS.

Analysis of synaptic-like microvesicle exocytosis of B-cells using a live imaging technique.

Pancreatic β-cells play central roles in blood glucose homeostasis. Beside insulin, these cells release neurotransmitters and other signaling molecules stored in synaptic-like microvesicles (SLMVs). We monitored SLMV exocytosis by transfecting a synaptophysin-pHluorin construct and by visualizing the cells by Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscopy. SLMV fusion was elicited by 20 mM glucose and by depolarizing K(+) concentrations with kinetics comparable to insulin secretion. SLMV exocytosis was prevented by Tetanus and Botulinum-C neurotoxins indicating that the fusion machinery of these organelles includes VAMP-2/-3 and Syntaxin-1, respectively. Sequential visualization of SLMVs by TIRF and epifluorescence microscopy showed that after fusion the vesicle components are rapidly internalized and the organelles re-acidified. Analysis of single fusion episodes revealed the existence of two categories of events. While under basal conditions transient fusion events prevailed, long-lasting episodes were more frequent upon secretagogue exposure. Our observations unveiled similarities between the mechanism of exocytosis of insulin granules and SLMVs. Thus, diabetic conditions characterized by defective insulin secretion are most probably associated also with inappropriate release of molecules stored in SLMVs. The assessment of the contribution of SLMV exocytosis to the manifestation of the disease will be facilitated by the use of the imaging approach described in this study.

A role for glutamate transporters in the regulation of insulin secretion.

In the brain, glutamate is an extracellular transmitter that mediates cell-to-cell communication. Prior to synaptic release it is pumped into vesicles by vesicular glutamate transporters (VGLUTs). To inactivate glutamate receptor responses after release, glutamate is taken up into glial cells or neurons by excitatory amino acid transporters (EAATs). In the pancreatic islets of Langerhans, glutamate is proposed to act as an intracellular messenger, regulating insulin secretion from β-cells, but the mechanisms involved are unknown. By immunogold cytochemistry we show that insulin containing secretory granules express VGLUT3. Despite the fact that they have a VGLUT, the levels of glutamate in these granules are low, indicating the presence of a protein that can transport glutamate out of the granules. Surprisingly, in β-cells the glutamate transporter EAAT2 is located, not in the plasma membrane as it is in brain cells, but exclusively in insulin-containing secretory granules, together with VGLUT3. In EAAT2 knock out mice, the content of glutamate in secretory granules is higher than in wild type mice. These data imply a glutamate cycle in which glutamate is carried into the granules by VGLUT3 and carried out by EAAT2. Perturbing this cycle by knocking down EAAT2 expression with a small interfering RNA, or by over-expressing EAAT2 or a VGLUT in insulin granules, significantly reduced the rate of granule exocytosis. Simulations of granule energetics suggest that VGLUT3 and EAAT2 may regulate the pH and membrane potential of the granules and thereby regulate insulin secretion. These data suggest that insulin secretion from β-cells is modulated by the flux of glutamate through the secretory granules.

Sodium/hydrogen exchanger NHA2 is critical for insulin secretion in β-cells.

NHA2 is a sodium/hydrogen exchanger with unknown physiological function. Here we show that NHA2 is present in rodent and human β-cells, as well as β-cell lines. In vivo, two different strains of NHA2-deficient mice displayed a pathological glucose tolerance with impaired insulin secretion but normal peripheral insulin sensitivity. In vitro, islets of NHA2-deficient and heterozygous mice, NHA2-depleted Min6 cells, or islets treated with an NHA2 inhibitor exhibited reduced sulfonylurea- and secretagogue-induced insulin secretion. The secretory deficit could be rescued by overexpression of a wild-type, but not a functionally dead, NHA2 transporter. NHA2 deficiency did not affect insulin synthesis or maturation and had no impact on basal or glucose-induced intracellular Ca(2+) homeostasis in islets. Subcellular fractionation and imaging studies demonstrated that NHA2 resides in transferrin-positive endosomes and synaptic-like microvesicles but not in insulin-containing large dense core vesicles in β-cells. Loss of NHA2 inhibited clathrin-dependent, but not clathrin-independent, endocytosis in Min6 and primary β-cells, suggesting defective endo-exocytosis coupling as the underlying mechanism for the secretory deficit. Collectively, our in vitro and in vivo studies reveal the sodium/proton exchanger NHA2 as a critical player for insulin secretion in the β-cell. In addition, our study sheds light on the biological function of a member of this recently cloned family of transporters.

VAMP-2 and cellubrevin are expressed in pancreatic beta-cells and are essential for Ca(2+)-but not for GTP gamma S-induced insulin secretion.

VAMP proteins are important components of the machinery controlling docking and/or fusion of secretory vesicles with their target membrane. We investigated the expression of VAMP proteins in pancreatic beta-cells and their implication in the exocytosis of insulin. cDNA cloning revealed that VAMP-2 and cellubrevin, but not VAMP-1, are expressed in rat pancreatic islets and that their sequence is identical to that isolated from rat brain. Pancreatic beta-cells contain secretory granules that store and secrete insulin as well as synaptic-like microvesicles carrying gamma-aminobutyric acid. After subcellular fractionation on continuous sucrose gradients, VAMP-2 and cellubrevin were found to be associated with both types of secretory vesicle. The association of VAMP-2 with insulin-containing granules was confirmed by confocal microscopy of primary cultures of rat pancreatic beta-cells. Pretreatment of streptolysin-O permeabilized insulin-secreting cells with tetanus and botulinum B neurotoxins selectively cleaved VAMP-2 and cellubrevin and abolished Ca(2+)-induced insulin release (IC50 approximately 15 nM). By contrast, the pretreatment with tetanus and botulinum B neurotoxins did not prevent GTP gamma S-stimulated insulin secretion. Taken together, our results show that pancreatic beta-cells express VAMP-2 and cellubrevin and that one or both of these proteins selectively control Ca(2+)-mediated insulin secretion.

Monoacylglycerol as a metabolic coupling factor in glucose-stimulated insulin secretion

Les cellules beta pancréatiques sécrètent l’insuline lors d’une augmentation post-prandiale du glucose dans le sang. Ce processus essentiel est contrôlé par des facteurs physiologiques, nutritionnels et pathologiques. D’autres sources d’énergie, comme les acides aminés (leucine et glutamine) ou les acides gras potentialisent la sécrétion d’insuline. Une sécrétion d’insuline insuffisante au besoin du corps déclanche le diabète. Le rôle que joue l’augmentation du calcium intracellulaire et les canaux K+/ATP dans la sécrétion d’insuline est bien connu. Bien que le mécanisme exact de la potentialisation de la sécrétion d’insuline par les lipides est inconnu, le cycle Glycérolipides/Acides gras (GL/FFA) et son segment lipolytique ont été reconnu comme un composant essentiel de la potentialisation lipidique de la sécrétion d’insuline. Le diacylglycérol, provenant de la lipolyse, a été proposé comme un signal lipidique important d’amplification. Cependant, l’hydrolyse des triglycérides et des diacylglycérides a été démontrée essentielle pour la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose, en suggérant un rôle du monoacylglycérol (MAG) dans ce processus. Dans cette étude, on démontre que la réduction de la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose, lors d’une inhibition de la lipolyse, est restaurée par l’addition de MAG. Dans les cellules beta pancréatiques, le niveau de MAG augmente en présence des concentrations élevées du glucose, et également lorsqu’on inhibe l’enzyme MAG hydrolase abhydrolase-6 (ABHD6) avec l’inhibiteur spécifique WWL70. L’analyse lipidomique a démontré qu’après la stimulation des cellules beta pancréatiques avec le glucose et aussi avec le WWL70, l’espèce la plus accumulée de MAG était le 1-stearoylglycérol (1-SG). L’addition de 1-SG, de 1-palmitoylglycérol (1-PG) ou de WWL70 augmente la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose, et cette augmentation est indépendante de la génération de acides gras à partir de MAG. Cela suggère que le MAG est un signal lipidique pour la potentialisation de la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose. De plus, la surexpression du gène d’ABHD6 dans les cellules INS832/13 cause une réduction de la sécrétion d’insuline, due probablement à la diminution des niveaux intracellulaire de MAG. Avec le but de comprendre le mécanisme moléculaire impliqué dans la potentialisation de la sécrétion d’insuline par le MAG, on a bloqué l’action du récepteur vanilloid-1 (TRPV1) liant le MAG par l’agent pharmacologiste, AMG9810. Le traitement des cellules beta pancréatique par AMG9810 entraîne une diminution de la potentialisation de la sécrétion de l’insuline induite par le MAG. Il est a noter que le MAG pourrait activer TRPV1 par une liaison physique dans la membrane cellulaire interne; ce qui entraînerai l’entrée du calcium dans la cellule, et ensuite la stimulation de l’exocytose des granules à insuline. En soutien de cette hypothèse, on a trouvé une diminution du calcium intracellulaire lorsqu’on traite au AMG9810 des cellules beta pancréatique de rat (provenant des îlots dispersés) stimulées au glucose et au WWL70. L’ensemble des résultats suggère que le MAG est un médiateur de la potentialisation lipidique de la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose. Vu que l’inhibition pharmacologique d’ABHD6 augmente la sécrétion d’insuline, on pourra conclure que cette enzyme représente une cible thérapeutique potentielle dans le développement des médicaments anti-diabétiques, visant une augmentation de la sécrétion d’insuline.

GLP-1 Inhibits and Adrenaline Stimulates Glucagon Release by Differential Modulation of N- and L-Type Ca(2+) Channel-Dependent Exocytosis

Glucagon secretion is inhibited by glucagon-like peptide-1 (GLP-1) and stimulated by adrenaline. These opposing effects on glucagon secretion are mimicked by low (1-10 nM) and high (10 mu M) concentrations of forskolin, respectively. The expression of GLP-1 receptors in a cells is <0.2% of that in beta cells. The GLP-1-induced suppression of glucagon secretion is PKA dependent, is glucose independent, and does not involve paracrine effects mediated by insulin or somatostatin. GLP-1 is without much effect on a cell electrical activity but selectively inhibits N-type Ca(2+) channels and exocytosis. Adrenaline stimulates a cell electrical activity, increases [Ca(2+)] enhances L-type Ca(2+) channel activity, and accelerates exocytosis. The stimulatory effect is partially PKA independent and reduced in Epac2-deficient islets. We propose that GLP-1 inhibits glucagon secretion by PKA-dependent inhibition of the N-type Ca(2+) channels via a small increase in intracellular cAMP ([cAMP]). Adrenaline stimulates L-type Ca(2+) channel-dependent exocytosis by activation of the low-affinity cAMP sensor Epac2 via a large increase in [cAMP],.

Sodium/hydrogen exchanger NHA2 is critical for insulin secretion in β-cells

NHA2 is a sodium/hydrogen exchanger with unknown physiological function. Here we show that NHA2 is present in rodent and human β-cells, as well as β-cell lines. In vivo, two different strains of NHA2-deficient mice displayed a pathological glucose tolerance with impaired insulin secretion but normal peripheral insulin sensitivity. In vitro, islets of NHA2-deficient and heterozygous mice, NHA2-depleted Min6 cells, or islets treated with an NHA2 inhibitor exhibited reduced sulfonylurea- and secretagogue-induced insulin secretion. The secretory deficit could be rescued by overexpression of a wild-type, but not a functionally dead, NHA2 transporter. NHA2 deficiency did not affect insulin synthesis or maturation and had no impact on basal or glucose-induced intracellular Ca(2+) homeostasis in islets. Subcellular fractionation and imaging studies demonstrated that NHA2 resides in transferrin-positive endosomes and synaptic-like microvesicles but not in insulin-containing large dense core vesicles in β-cells. Loss of NHA2 inhibited clathrin-dependent, but not clathrin-independent, endocytosis in Min6 and primary β-cells, suggesting defective endo-exocytosis coupling as the underlying mechanism for the secretory deficit. Collectively, our in vitro and in vivo studies reveal the sodium/proton exchanger NHA2 as a critical player for insulin secretion in the β-cell. In addition, our study sheds light on the biological function of a member of this recently cloned family of transporters.

Glucose stimulation of insulin release in the absence of extracellular Ca2+ and in the absence of any increase in intracellular Ca2+ in rat pancreatic islets.

Insulin secretion has been studied in isolated rat pancreatic islets under stringent Ca(2+)-depleted, Ca(2+)-free conditions. Under these conditions, the effect of 16.7 mM glucose to stimulate insulin release was abolished. Forskolin, which activates adenylyl cyclase, also failed to stimulate release in the presence of either low or high glucose concentrations. A phorbol ester (phorbol 12-myristate 13-acetate; PMA) increased the release rate slightly and this was further increased by 16.7 mM glucose. Remarkably, in the presence of both forskolin and PMA, 16.7 mM glucose strongly augmented insulin release. The augmentation was concentration dependent and monophasic and had a temporal profile similar to the "second phase" of glucose-stimulated insulin release, which is seen under normal conditions when Ca2+ is present. Metabolism is required for the effect because mannoheptulose abolished the glucose response. Other nutrient secretagogues, alpha-ketoisocaproate, and the combination of leucine and glutamine augmented release under the same conditions. Norepinephrine, a physiological inhibitor of insulin secretion, totally blocked the stimulation of release by forskolin and PMA and the augmentation of release by glucose. Thus, under the stringent Ca(2+)-free conditions imposed, the stimulation of insulin release by forskolin and PMA, as well as the augmentation of release by glucose, is under normal physiological control. As no increase in intracellular [Ca2+] was observed, the results demonstrate that glucose can increase the rate of exocytosis and insulin release by pancreatic islets in a Ca(2+)-independent manner. This interesting pathway of stimulus-secretion coupling for glucose appears to exert its effect at a site beyond the usual elevation of intracellular [Ca2+] and is not due to an activation by glucose of protein kinase A or C.