The antilipolytic effect of insulin and epidermal growth factor in rat adipocytes are mediated by different mechanisms

Epidermal growth factor (EGF) and insulin induced similar effects in isolated rat adipocytes. To determine whether EGF and insulin produced similar effects through the same mechanisms, we focused on lipolysis. Insulin inhibited the lipolysis stimulated by isoproterenol, glucagon (either alone or in combination with adenosine deaminase), adenosine deaminase itself, or forskolin. In contrast, EGF did not inhibit the lipolysis stimulated by forskolin or by hormones when the cells were also incubated with adenosine deaminase. The effect of insulin, but not that of EGF, on isoproterenol-stimulated lipolysis disappeared when adipocytes were incubated with 1 microM wortmannin. These results indicate that EGF and insulin affected lipolysis through different mechanisms. We observed that EGF, but not insulin, increased cytosolic Ca2+. The effect of EGF, but not that of insulin, disappeared when the cells were incubated in a Ca2+-free medium. We suggest that EGF, but not insulin, mediate its antilipolytic effect through a Ca2+-dependent mechanism which, however, do not involve Ca2+-activated protein kinase C isoforms. This is based on the following: 1) phorbol 12-myristate 13-acetate affected lipolysis in an opposite way to that of EGF; and 2) the protein kinase C inhibitor bisindolylmaleimide GF 109203X did not affect the antilipolytic action of EGF. Our results indicate that the antilipolytic effect of EGF resembles more that of vasopressin than that of insulin.

CDK4 is an essential insulin effector in adipocytes.

Insulin resistance is a fundamental pathogenic factor that characterizes various metabolic disorders, including obesity and type 2 diabetes. Adipose tissue contributes to the development of obesity-related insulin resistance through increased release of fatty acids, altered adipokine secretion, and/or macrophage infiltration and cytokine release. Here, we aimed to analyze the participation of the cyclin-dependent kinase 4 (CDK4) in adipose tissue biology. We determined that white adipose tissue (WAT) from CDK4-deficient mice exhibits impaired lipogenesis and increased lipolysis. Conversely, lipolysis was decreased and lipogenesis was increased in mice expressing a mutant hyperactive form of CDK4 (CDK4R24C). A global kinome analysis of CDK4-deficient mice following insulin stimulation revealed that insulin signaling is impaired in these animals. We determined that insulin activates the CCND3-CDK4 complex, which in turn phosphorylates insulin receptor substrate 2 (IRS2) at serine 388, thereby creating a positive feedback loop that maintains adipocyte insulin signaling. Furthermore, we found that CCND3 expression and IRS2 serine 388 phosphorylation are increased in human obese subjects. Together, our results demonstrate that CDK4 is a major regulator of insulin signaling in WAT.

Berry polyphenol absorption and the effect of northern berries on metabolism, ectopic fat accumulation, and associated diseases

The prevalence of obesity and type 2 diabetes has increased at an alarming rate in developed countries. It seems in the light of current knowledge that metabolic syndrome may not develop at all without NAFLD, and NAFLD is estimated to be as common as metabolic syndrome in western population (23 % occurrence). Fat in the liver is called ectopic fat, which is triacylglycerols within the cells of non-adipose tissue. Serum alanine aminotransferase (ALT) values correlate positively with liver fat proportions, and increased activity of ALT predicts type 2 diabetes independently from obesity. Berries, high in natural bioactive compounds, have indicated the potential to reduce the risk of obesity-related diseases. Ectopic fat induces common endocrine excretion of adipose tissue resulting in the overproduction of inflammatory markers, which further induce insulin resistance by multiple mechanisms. Insulin resistance inducing hyperinsulinemia and lipolysis in adipocytes increases the concentration of free fatty acids and consequently causes further fat accumulation in hepatocytes. Polyphenolic fractions of berries have been shown to reverse inflammatory reaction cascades in in vitro and animal studies, and moreover to decrease ectopic fat accumulation. The aim of this thesis was to explore the role of northern berries in obesity-related diseases. The absorption and metabolism of selected berry polyphenols, flavonol glycosides and anthocyanins, was investigated in humans, and metabolites of the studied compounds were identified in plasma and urine samples (I, II). Further, the effects of berries on the risk factors of metabolic syndrome were studied in clinical intervention trials (III, IV), and the different fractions of sea buckthorn berry were tested for their ability to reduce postprandial glycemia and insulinemia after high-glucose meal in a postprandial study with humans (V). The marked impact of mixed berries on plasma ALT values (III), as well as indications of the positive effects of sea buckthorn, its fractions and bilberry on omental adiposity and adhesion molecules (IV) were observed. In study V, sea buckthorn and its polyphenol fractions had a promising effect on potprandial metabolism after high-glucose meal. In the literature review, the possible mechanisms behind the observed effects have been discussed with a special emphasis on ectopic fat accumulation. The literature review indicated that especially tannins and flavonoids have shown potential in suppressing diverse reaction cascades related to systemic inflammation, ectopic fat accumulation and insulin resistance development.

Effect and the probable mechanisms of silibinin in regulating insulin resistance in the liver of rats with non-alcoholic fatty liver

Our previous study has shown that reduced insulin resistance (IR) was one of the possible mechanisms for the therapeutic effect of silibinin on non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) in rats. In the present study, we investigated the pathways of silibinin in regulating hepatic glucose production and IR amelioration. Forty-five 4- to 6-week-old male Sprague Dawley rats were divided into a control group, an HFD group (high-fat diet for 6 weeks) and an HFD + silibinin group (high-fat diet + 0.5 mg kg-1·day-1 silibinin, starting at the beginning of the protocol). Both subcutaneous and visceral fat was measured. Homeostasis model assessment-IR index (HOMA-IR), intraperitoneal glucose tolerance test and insulin tolerance test (ITT) were performed. The expression of adipose triglyceride lipase (ATGL) and of genes associated with hepatic gluconeogenesis was evaluated. Silibinin intervention significantly protected liver function, down-regulated serum fat, and improved IR, as shown by decreased HOMA-IR and increased ITT slope. Silibinin markedly prevented visceral obesity by reducing visceral fat, enhanced lipolysis by up-regulating ATGL expression and inhibited gluconeogenesis by down-regulating associated genes such as Forkhead box O1, phosphoenolpyruvate carboxykinase and glucose-6-phosphatase. Silibinin was effective in ameliorating IR in NAFLD rats. Reduction of visceral obesity, enhancement of lipolysis and inhibition of gluconeogenesis might be the underlying mechanisms.

New concepts in white adipose tissue physiology

Numerous studies address the physiology of adipose tissue (AT). The interest surrounding the physiology of AT is primarily the result of the epidemic outburst of obesity in various contemporary societies. Briefly, the two primary metabolic activities of white AT include lipogenesis and lipolysis. Throughout the last two decades, a new model of AT physiology has emerged. Although AT was considered to be primarily an abundant energy source, it is currently considered to be a prolific producer of biologically active substances, and, consequently, is now recognized as an endocrine organ. In addition to leptin, other biologically active substances secreted by AT, generally classified as cytokines, include adiponectin, interleukin-6, tumor necrosis factor-alpha, resistin, vaspin, visfatin, and many others now collectively referred to as adipokines. The secretion of such biologically active substances by AT indicates its importance as a metabolic regulator. Cell turnover of AT has also recently been investigated in terms of its biological role in adipogenesis. Consequently, the objective of this review is to provide a comprehensive critical review of the current literature concerning the metabolic (lipolysis, lipogenesis) and endocrine actions of AT.

Characterization, physicochemical stability, and evaluation of in vitro digestibility of solid lipid microparticles produced with palm kernel oil and tristearin

Solid lipid particles have been investigated by food researchers due to their ability to enhance the incorporation and bioavailability of lipophilic bioactives in aqueous formulations. The objectives of this study were to evaluate the physicochemical stability and digestibility of lipid microparticles produced with tristearin and palm kernel oil. The motivation for conducting this study was the fact that mixing lipids can prevent the expulsion of the bioactive from the lipid core and enhance the digestibility of lipid structures. The lipid microparticles containing different palm kernel oil contents were stable after 60 days of storage according to the particle size and zeta potential data. Their calorimetric behavior indicated that they were composed of a very heterogeneous lipid matrix. Lipid microparticles were stable under various conditions of ionic strength, sugar concentration, temperature, and pH. Digestibility assays indicated no differences in the release of free fatty acids, which was approximately 30% in all analises. The in vitro digestibility tests showed that the amount of palm kernel in the particles did not affect the percentage of lipolysis, probably due to the high amount of surfactants used and/or the solid state of the microparticles.

The role of skeletal muscle PLIN proteins at rest and following lipolytic stimulation

This thesis investigated the subcellular location of skeletal muscle PLIN proteins (PLIN2, PLIN3, and PLIN5) as well as protein interactions with ATGL and HSL at rest and following lipolytic stimulation. In addition, the serine phosphorylation state of PLIN2, PLIN3, and PLIN5 was determined at rest and following lipolytic stimulation. An isolated whole muscle technique was used to study the effects of contraction and epinephrine-induced lipolysis. This method allowed for the examination of the effects of contraction and epinephrine alone and in combination. Further, the soleus was chosen for investigating the role of PLIN proteins in skeletal muscle lipolysis due to its suitability for isolated incubation, and the fact that it is primarily oxidative in nature (~80% type I fibres). It has also been previously shown to have the greatest reliance on lipid metabolism and for this reason is ideal for investigating the role of PLIN proteins in lipolysis. Immunofluorescence microscopy revealed that skeletal muscle lipid droplets are partially co-localized to both PLIN2 and PLIN5 and that contraction does not affect the amount of colocalization, indicating that PLIN5 is not recruited to lipid droplets with contraction (PLIN2 ~65%; PLIN5 ~56%). Results from the immunoprecipitation studies revealed that with lipolysis in skeletal muscle the interaction between ATGL and CGI-58 is increased (study 2: 128% with contraction, p<0.05; study 3: 50% with contraction, 25% epinephrine, 80% contraction + epinephrine, p>0.05). Further PLIN2, PLIN3, and PLIN5 all interact with ATGL and HSL, while only PLIN3 and PLIN5 interact with CGI-58. Among these interactions, the association between PLIN2 and ATGL decreases with lipolytic stimulation (study 2: 21% with contraction, p<0.05). Finally our results demonstrate that PLIN3 and PLIN5 are serine phosphorylated at rest and that the level of phosphorylation remains unchanged in the face of either contractile or adrenergic stimulation. In summary, the regulation of skeletal muscle lipolysis is a complex process involving multiple proteins and enzymes. The skeletal muscle PLIN proteins likely play a role in skeletal muscle lipid droplet dynamics, and the data from this thesis indicate that these proteins may work together in regulating lipolysis by interaction with both ATGL and HSL.

Changes in mitochondrial PLIN3 and PLIN5 protein content in rat skeletal muscle following acute contraction and endurance training

Surrounding lipid droplets in skeletal muscle are the perilipin (PLIN2-5) family of proteins, regulating lipid droplet metabolism. During exercise lipid droplets provide fatty acids to the mitochondria for oxidation while increasing their proximity to each other. Whether PLIN3 and PLIN5 associate with mitochondria following contraction has not been examined. To determine whether contraction altered mitochondrial PLIN3 and PLIN5 content, sedentary and endurance trained rats underwent acute contraction. The main outcomes are; 1) mitochondrial PLIN3 content is unaltered while mitochondrial PLIN5 content is increased following an acute contraction 2) mitochondrial PLIN3 content is higher in endurance trained rats when compared to sedentary and mitochondrial PLIN5 content is similar in both conditions 3) only PLIN5 mitochondrial content is increased similarly in both groups following acute contraction. This work highlights the dynamics of these two PLIN proteins, which may have roles not only on the lipid droplet but also on the mitochondria.

Skeletal muscle protein content of lipolytic inhibitor G(0)/G(1) switch gene-2 protein: the effect of endurance training

The first and rate-limiting step of lipolysis is the removal of the first fatty acid from a triglyceride molecule; it is catalyzed by adipose triglyceride lipase (ATGL). ATGL is co-activated by comparative gene identification-58 (CGI-58) and inhibited by the G(0)/G(1) switch gene-2 protein (G0S2). G0S2 has also recently been identified as a positive regulator of oxidative phosphorylation within the mitochondria. Previous research has demonstrated in cell culture, a dose dependent mechanism for inhibition by G0S2 on ATGL. However our data is not consistent with this hypothesis. There was no change in G0S2 protein content during an acute lipolytic inducing set of contractions in both whole muscle, and isolated mitochondria yet both ATGL and G0S2 increase following endurance training, in spite of the fact that there should be increased reliance on intramuscular lipolysis. Therefore, inhibition of ATGL by G0S2 appears to be regulated through more complicated intracellular or post-translation regulation.

Higher PLIN5 but not PLIN3 content in isolated skeletal muscle mitochondria following acute in vivo contraction in rat hindlimb

Contraction-mediated lipolysis increases the association of lipid droplets and mitochondria, indicating an important role in the passage of fatty acids from lipid droplets to mitochondria in skeletal muscle. PLIN3 and PLIN5 are of particular interest to the lipid droplet–mitochondria interaction because PLIN3 is able to move about within cells and PLIN5 associates with skeletal muscle mitochondria. This study primarily investigated: 1) if PLIN3 is detected in skeletal muscle mitochondrial fraction; and 2) if mitochondrial protein content of PLIN3 and/or PLIN5 changes following stimulated contraction. A secondary aim was to determine if PLIN3 and PLIN5 associate and whether this changes following contraction. Male Long Evans rats (n = 21;age, 52 days; weight = 317 6 g) underwent 30 min of hindlimb stimulation (10 msec impulses, 100 Hz/3 sec at 10–20 V; train duration 100 msec). Contraction induced a ~50% reduction in intramuscular lipid content measured by oil red-O staining of red gastrocnemius muscle. Mitochondria were isolated from red gastrocnemius muscle by differential centrifugation and proteins were detected by western blotting. Mitochondrial PLIN5 content was ~1.6-fold higher following 30 min of contraction and PLIN3 content was detected in the mitochondrial fraction, and unchanged following contraction. An association between PLIN3 and PLIN5 was observed and remained unaltered following contraction. PLIN5 may play a role in mitochondria during lipolysis, which is consistent with a role in facilitating/regulating mitochondrial fatty acid oxidation. PLIN3 and PLIN5 may be working together on the lipid droplet and mitochondria during contraction-induced lipolysis.

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.

Mécanismes moléculaires d’activation du récepteur A des peptides natriurétiques

Le récepteur A des peptides natriurétiques (NPRA) fait partie de la famille des guanylates cyclases membranaires. L’activation du NPRA par ses agonistes naturels, ANP et BNP, induit une production de GMPc qui est responsable de leur rôle dans l’homéostasie cardiovasculaire, l’inhibition de l’hypertrophie et de la fibrose cardiaques et la régulation de la lipolyse. Le NPRA est un homodimère non covalent composé d’un domaine extracellulaire de liaison du ligand (ECD), d’un unique domaine transmembranaire (TM), d’un domaine d’homologie aux kinases et d’un domaine guanylate cyclase. Bien que le NPRA ait un rôle physiologique important, les mécanismes moléculaires régissant son processus d’activation restent inconnus. Nous avons donc analysé les premières étapes du processus d’activation du NPRA. Nous avons d'abord étudié le rôle de la dimérisation des ECD dans l’activation du récepteur. Nous avons utilisé les techniques de liaison de radioligand, de FRET et de modélisation moléculaire, pour caractériser la liaison à l’ECD des agonistes naturels, d’un superagoniste et d’un antagoniste. L’ANP se lie à un dimère d’ECD préformé et la dimérisation spontanée est l’étape limitante du processus de liaison. De plus, comme le démontrent nos études de FRET, tous les peptides, incluant l’antagoniste, stabilisent le récepteur sous sa forme dimérique. Cependant, l’antagoniste A71915 stabilise le dimère d’ECD dans une conformation différente de celle induite par l’ANP. La dimérisation du NPRA semble donc nécessaire, mais non suffisante à l’activation du récepteur. L’état d’activation du NPRA dépend plutôt de l’orientation des sous unités dans le dimère. Nous avons ensuite étudié le mécanisme moléculaire de transduction du signal à travers la membrane. Plusieurs études ont suggéré que l’activation du NPRA implique un changement de conformation du domaine juxtamembranaire (JM). Cependant, les études de cristallographie de l’ECD soluble de NPRA n’ont pas permis de documenter la structure du JM et le changement de conformation impliqué dans la transduction du signal reste inconnu. Pour analyser ce changement de conformation, nous avons d’abord séquentiellement substitué les neuf acides aminés du JM par une cystéine. En étudiant la capacité des mutants à former des dimères covalents de façon constitutive ou induite par l’ANP, nous avons pu évaluer la proximité relative des résidus du JM, avant et après activation du NPRA. Ces résultats ont démontré la proximité élevée de certains résidus spécifiques et sont en contradiction avec les données cristallographiques. Nous avons également démontré que le domaine intracellulaire impose une contrainte conformationnelle au JM à l’état de base, qui est levée après liaison de l’ANP. En introduisant de 1 à 5 alanines dans l’hélice-α transmembranaire, nous avons montré qu’une rotation des TM de 40° induit une activation constitutive du NPRA. Le signal d’activation pourrait donc être transmis à travers la membrane par un mécanisme de rotation des TM. En utilisant nos données expérimentales, nous avons généré le premier modèle moléculaire illustrant la conformation active du NPRA, où les domaines JM et TM sont représentés. Dans son ensemble, cette étude apporte une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires régissant les premières étapes du processus complexe d’activation du NPRA.

Mécanismes contributifs au développement de la stéatose hépatique non alcoolique (SHNA) : effets de l'entraînement

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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.

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.