Decrease in beta-Cell Proliferation Precedes Apoptosis during Diabetes Development in Bio-Breeding/Worcester Rat: Beneficial Role of Exendin-4

In autoimmune type 1 diabetes mellitus, proinflammatory cytokine-mediated apoptosis of beta-cells has been considered to be the first event directly responsible for beta-cell mass reduction. In the Bio-Breeding (BB) rat, an in vivo model used in the study of autoimmune diabetes, beta-cell apoptosis is observed from 9 wk of age and takes place after an insulitis period that begins at an earlier age. Previous studies by our group have shown an antiproliferative effect of proinflammatory cytokines on cultured beta-cells in Wistar rats, an effect that was partially reversed by Exendin-4, an analogue of glucagon-like peptide-1. In the current study, the changes in beta-cell apoptosis and proliferation during insulitis stage were also determined in pancreatic tissue sections in normal and thymectomized BB rats, as well as in Wistar rats of 5, 7, 9, and 11 wk of age. Although stable beta-cell proliferation in Wistar and thymectomized BB rats was observed along the course of the study, a decrease in beta-cell proliferation and beta-cell mass from the age of 5 wk, and prior to the commencement of apoptosis, was noted in BB rats. Exendin-4, in combination with anti-interferon-gamma antibody, induced a near-total recovery of beta-cell proliferation during the initial stages of insulitis. This highlights the importance of early intervention and, as well, the possibilities of new therapeutic approaches in preventing autoimmune diabetes by acting, initially, in the insulitis stage and, subsequently, on beta-cell regeneration and on beta-cell apoptosis.

MicroRNAs contribute to compensatory β cell expansion during pregnancy and obesity.

Pregnancy and obesity are frequently associated with diminished insulin sensitivity, which is normally compensated for by an expansion of the functional β cell mass that prevents chronic hyperglycemia and development of diabetes mellitus. The molecular basis underlying compensatory β cell mass expansion is largely unknown. We found in rodents that β cell mass expansion during pregnancy and obesity is associated with changes in the expression of several islet microRNAs, including miR-338-3p. In isolated pancreatic islets, we recapitulated the decreased miR-338-3p level observed in gestation and obesity by activating the G protein-coupled estrogen receptor GPR30 and the glucagon-like peptide 1 (GLP1) receptor. Blockade of miR-338-3p in β cells using specific anti-miR molecules mimicked gene expression changes occurring during β cell mass expansion and resulted in increased proliferation and improved survival both in vitro and in vivo. These findings point to a major role for miR-338-3p in compensatory β cell mass expansion occurring under different insulin resistance states.

Quelques mécanismes moléculaires impliqués dans la pathogenèse du diabète de type II et leur importance thérapeutique potentielle [Various molecular mechanisms involved in the pathogenesis of type II diabetes and their potential therapeutic importance]

The pancreatic beta cell presents functional abnormalities in the early stages of development of non-insulin dependent diabetes mellitus (NIDDM). The disappearance of the first phase of insulin secretion induced by a glucose load is a early marker of NIDDM. This abnormality could be secondary to the low expression of the pancreatic glucose transporter GLUT2. Together with the glucokinase enzyme, GLUT2 is responsible for proper beta cell sensing of the extracellular glucose levels. In NIDDM, the GLUT2 mRNA levels are low, a fact which suggests a transcriptional defect of the GLUT2 gene. The first phase of glucose-induced insulin secretion by the beta pancreatic cell can be partly restored by the administration of a peptide discovered by a molecular approach, the glucagon-like peptide 1 (GLP-1). The gene encoding for the glucagon is expressed in a cell-specific manner in the A cells of the pancreatic islet and the L cells of the intestinal tract. The maturation process of the propeptide encoded by the glucagon gene is different in the two cells: the glucagon is the main hormone produced by the A cells whereas the glucagon-like peptide 1 (GLP-1) is the major peptide synthesized by the L cells of the intestine. GLP-1 is an incretin hormone and is at present the most potent insulinotropic peptide. The first results of the administration of GLP-1 to normal volunteers and diabetic patients are promising and may be a new therapeutic approach to treating diabetic patients.

Incrétines, sécrétion d'insuline et diabète

Nutrient ingestion triggers a complex hormonal response aimed at stimulating glucose utilization in liver, muscle and adipose tissue to minimize the raise in blood glucose levels. Insulin secretion by pancreatic beta cells plays a major role in this response. Although the beta cell secretory response is mainly controlled by blood glucose levels, gut hormones secreted in response to food intake have an important role in potentiating glucose-stimulated insulin secretion. These gluco-incretin hormones are GLP-1 (glucagon-like peptide-1) and GIP (gluco-dependent insulinotropic polypeptide). Their action on pancreatic beta cells depends on binding to specific G-coupled receptors linked to activation of the adenylyl cyclase pathway. In addition to their effect on insulin secretion both hormones also stimulate insulin production at the transcriptional and translational level and positively regulate beta cell mass. Because the glucose-dependent insulinotropic action of GLP-1 is preserved in type 2 diabetic patients, this peptide is now developed as a novel therapeutic drug for this disease.

Control of pancreatic β-cell mass and function by gluco-incretin hormones : identification of novel regulatory mechanisms for the treatment of diabetes

Summary : Control of pancreatic ß-cell mass and function by gluco-incretin hormones: Identification of novel regulatory mechanisms for the treatment of diabetes The ß-cells of islets of Langerhans secrete insulin to reduce hyperglycemia. The number of pancreatic islet ß-cells and their capacity to secrete insulin is modulated in normal physiological conditions to respond to the metabolic demand of the organism. A failure of the endocrine pancreas to maintain an adequate insulin secretory capacity due to a reduced ß-cell number and function underlies the pathogenesis of both type 1 and type 2 diabetes. The molecular mechanisms controlling the glucose competence of mature ß-cells, i.e., the magnitude of their insulin secretion response to glucose, ß-cell replication, their differentiation from precursor cells and protection against apoptosis are poorly understood. To investigate these mechanisms, we studied the effects on ß-cells of the gluco-incretin hormones, glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP) and glucagon-like peptide-1 (GLP-1) which are secreted by intestinal endocrine cells after food intake. Besides acutely potentiating glucose-stimulated insulin secretion, these hormones induce ß-cell differentiation from precursor cells, stimulate mature ß-cell replication, and protect them against apoptosis. Therefore, understanding the molecular basis for gluco-incretin action may lead to the uncovering of novel ß-cell regulatory events with potential application for the treatment or prevention of diabetes. Islets from mice with inactivation of both GIP and GLP-1 receptor genes (dK0) present a defect in glucose-induced insulin secretion and are more sensitive than control islets to cytokine-induced apoptosis. To search for regulatory genes, that may control both glucose competence and protection against apoptosis, we performed comparative transcriptomic analysis of islets from control and dK0 mice. We found a strong down-regulation of the IGF1 Rexpression in dK0 islets. We demonstrated in both a mouse insulin-secreting cell line and primary islets, that GLP-1 stimulated IGF-1R expression and signaling. Importantly, GLP-1induced IGF-1R-dependent Akt phosphorylation required active secretion, indicating the presence of an autocrine activation mechanism. We further showed that activation of IGF-1R signaling was dependent on the secretion of IGF-2 and IGF-2 expression was regulated by nutrients. Finally, we demonstrated that the IGF-Z/IGF-1R autocrine loop was required for GLP-1 i) to protect ß-cells against cytokine-induced apoptosis, ii) to enhance their glucose competence and iii) to increase ß-cell proliferation. Résumé : Contrôle de la masse des cellules ß pancréatiques et de leur fonction par les hormones glucoincrétines: Identification de nouveaux mécanismes régulateurs pour le traitement du diabète Les cellules ß des îlots de Langerhans sécrètent l'insuline pour diminuer l'hyperglycémie. Le nombre de cellules ß et leur capacité à sécréter l'insuline sont modulés dans les conditions physiologiques normales pour répondre à la demande métabolique de l'organisme. Un échec du pancréas endocrine à maintenir sa capacité sécrétoire d'insuline dû à une diminution du nombre et de la fonction des cellules ß conduit au diabète de type 1 et de type 2. Les mécanismes moléculaires contrôlant la compétence au glucose des cellules ß matures, tels que, l'augmentation de la sécrétion d'insuline en réponse au glucose, la réplication des cellules ß, leur différentiation à partir de cellules précurseurs et la protection contre l'apoptose sont encore peu connus. Afin d'examiner ces mécanismes, nous avons étudié les effets sur les cellules ß des hormones gluco-incrétines, glucose-dépendent insulinotropic polypeptide (G1P) et glucagon-like peptide-1 (GLP-1) qui sont sécrétées par les cellules endocrines de l'intestin après la prise alimentaire. En plus de potentialiser la sécrétion d'insuline induite par le glucose, ces hormones induisent la différentiation de cellules ß à partir de cellules précurseurs, stimulent leur prolifération et les protègent contre l'apoptose. Par conséquent, comprendre les mécanismes d'action des gluco-incrétines permettrait de découvrir de nouveaux processus régulant les cellules ß avec d'éventuelles applications dans le traitement ou la prévention du diabète. Les îlots de souris ayant une double inactivation des gènes pour les récepteurs du GIP et du GLP-1 (dK0) présentent un défaut de sécrétion d'insuline stimulée par le glucose et une sensibilité accrue à l'apoptose induite par les cytokines. Afin de déterminer les gènes régulés, qui pourraient contrôler à la fois la compétence au glucose et la protection contre l'apoptose, nous avons effectué une analyse comparative transcriptomique sur des îlots de souris contrôles et dKO. Nous avons constaté une forte diminution de l'expression d'IGF-1R dans les îlots dKO. Nous avons démontré, à la fois dans une lignée cellulaire murine sécrétant l'insuline et dans îlots primaires, que le GLP-1 stimulait l'expression d'IGF-1R et sa voie de signalisation. Par ailleurs, la phosphorylation d'Akt dépendante d'IGF1-R induite parle GLP-1 nécessite une sécrétion active, indiquant la présence d'un mécanisme d'activation autocrine. Nous avons ensuite montré que l'activation de la voie de signalisation d'IGF-1R était dépendante de la sécrétion d'IGF-2, dont l'expression est régulée par les nutriments. Finalement, nous avons démontré que la boucle autocrine IGF-2/IGF-1R est nécessaire pour le GLP-1 i) pour protéger les cellules ß contre l'apoptose induite par les cytokines, ii) pour améliorer la compétence au glucose et iii) pour augmenter la prolifération des cellules ß. Résumé tout public : Contrôle de la masse des cellules ß pancréatiques et de leur fonction par les hormones gluco-incrétines: Identification de nouveaux mécanismes régulateurs pour le traitement du diabète Chez les mammifères, la concentration de glucose sanguine (glycémie) est régulée et maintenue à une valeur relativement constante d'environ 5 mM. Cette régulation est principalement contrôlée par 2 hormones produites par les îlots pancréatiques de Langerhans: l'insuline sécrétée par les cellules ß et le glucagon sécrété par les cellules a. A la suite d'un repas, l'augmentation de la glycémie entraîne la sécrétion d'insuline ce qui permet le stockage du glucose dans le foie, les muscles et le tissu adipeux afin de diminuer le taux de glucose circulant. Lors d'un jeûne, la diminution de la glycémie permet la sécrétion de glucagon favorisant alors la production de glucose par le foie, normalisant ainsi la glycémie. Le nombre de cellules ß et leur capacité sécrétoire s'adaptent aux variations de la demande métabolique pour assurer une normoglycémie. Une destruction complète ou partielle des cellules ß conduit respectivement au diabète de type 1 et de type 2. Bien que l'augmentation de la glycémie soit le facteur stimulant de la sécrétion d'insuline, des hormones gluco-incrétines, principalement le GLP-1 (glucagon-like peptide-1) et le GIP (glucose-dependent insulinotropic polypeptide) sont libérées par l'intestin en réponse aux nutriments (glucose, acides gras) et agissent au niveau des cellules ß, potentialisant la sécrétion d'insuline induite par le glucose, stimulant leur prolifération, induisant la différentiation de cellules précurseurs en cellules ß matures et les protègent contre la mort cellulaire (apoptose). Afin d'étudier plus en détail ces mécanismes, nous avons généré des souris déficientes pour les récepteurs du GIP et du GLP-l. Les îlots pancréatiques de ces souris présentent un défaut de sécrétion d'insuline stimulée par le glucose et une sensibilité accrue à l'apoptose par rapport aux îlots de souris contrôles. Nous avons donc cherché les gènes régulés pas ces hormones contrôlant la sécrétion d'insuline et la protection contre l'apoptose. Nous avons constaté une forte diminution de l'expression du récepteur à l'IGF-1 (IGF-1R) dans les îlots de souris déficientes pour les récepteurs des gluco-incrétines. Nous avons démontré dans un model de cellules ß en culture et d'îlots que le GLP-1 augmentait l'expression d'IGF-1R et la sécrétion de son ligand (IGF-2) permettant l'activation de la voie de signalisation. Finalement, nous avons montré que l'activation de la boucle IGF-2/IGF-1R induite par le GLP-1 était nécessaire pour la protection contre l'apoptose, l'augmentation de la sécrétion et la prolifération des cellules ß.

Protein kinase A-dependent phosphorylation of GLUT2 in pancreatic beta cells.

In pancreatic beta cells, cyclic AMP-dependent protein kinase regulates many cellular processes including the potentiation of insulin secretion. The substrates for this kinase, however, have not been biochemically characterized. Here we demonstrate that the glucose transporter GLUT2 is rapidly phosphorylated by protein kinase A following activation of adenylyl cyclase by forskolin or the incretin hormone glucagon-like peptide-1. We show that serines 489 and 501/503 and threonine 510 in the carboxyl-terminal tail of the transporter are the in vitro and in vivo sites of phosphorylation. Stimulation of GLUT2 phosphorylation in beta cells reduces the initial rate of 3-O-methyl glucose uptake by approximately 48% but does not change the Michaelis constant. Similar differences in transport kinetics are observed when comparing the transport activity of GLUT2 mutants stably expressed in insulinoma cell lines and containing glutamates or alanines at the phosphorylation sites. These data indicate that phosphorylation of GLUT2 carboxyl-terminal tail modifies the rate of transport. This lends further support for an important role of the transporter cytoplasmic tail in the modulation of catalytic activity. Finally, because activation of protein kinase A stimulates glucose-induced insulin secretion, we discuss the possible involvement of GLUT2 phosphorylation in the amplification of the glucose signaling process.

Incrétines, secretion d'insuline et diabète

Nutrient ingestion triggers a complex hormonal response aimed at stimulating glucose utilization in liver, muscle and adipose tissue to minimize the raise in blood glucose levels. Insulin secretion by pancreatic beta cells plays a major role in this response. Although the beta cell secretary response is mainly controlled by blood glucose levels, gut hormones secreted in response to food intake have an important role in potentiating glucose-stimulated insulin secretion. These gluco-incretin hormones are GLP-1 (glucagon-like peptide-1) and GIP (gluco-dependent insulinotropic polypeptide). Their action on pancreatic beta cells depends on binding to specific G-coupled receptors linked to activation of the adenylyl cyclase pathway. In addition to their effect on insulin secretion both hormones also stimulate insulin production at the transcriptional and translational level and positively regulate beta cell mass. Because the glucose-dependent insulinotropic action of GLP-1 is preserved in type 2 diabetic patients, this peptide is now developed as a novel therapeutic drug for this disease.

A Dose-Response Strategy Reveals Differences between Normal-Weight and Obese Men in Their Metabolic and Inflammatory Responses to a High-Fat Meal.

A dose-response strategy may not only allow investigation of the impact of foods and nutrients on human health but may also reveal differences in the response of individuals to food ingestion based on their metabolic health status. In a randomized crossover study, we challenged 19 normal-weight (BMI: 20-25 kg/m(2)) and 18 obese (BMI: >30 kg/m(2)) men with 500, 1000, and 1500 kcal of a high-fat (HF) meal (60.5% energy from fat). Blood was taken at baseline and up to 6 h postprandially and analyzed for a range of metabolic, inflammatory, and hormonal variables, including plasma glucose, lipids, and C-reactive protein and serum insulin, glucagon-like peptide-1, interleukin-6 (IL-6), and endotoxin. Insulin was the only variable that could differentiate the postprandial response of normal-weight and obese participants at each of the 3 caloric doses. A significant response of the inflammatory marker IL-6 was only observed in the obese group after ingestion of the HF meal containing 1500 kcal [net incremental AUC (iAUC) = 22.9 ± 6.8 pg/mL × 6 h, P = 0.002]. Furthermore, the net iAUC for triglycerides significantly increased from the 1000 to the 1500 kcal meal in the obese group (5.0 ± 0.5 mmol/L × 6 h vs. 6.0 ± 0.5 mmol/L × 6 h; P = 0.015) but not in the normal-weight group (4.3 ± 0.5 mmol/L × 6 h vs. 4.8 ± 0.5 mmol/L × 6 h; P = 0.31). We propose that caloric dose-response studies may contribute to a better understanding of the metabolic impact of food on the human organism. This study was registered at clinicaltrials.gov as NCT01446068.

Autocrine secretion of IGF2 regulates adult ß cell functional plasticity

In the pathogenesis of type 2 diabetes, hyperglycemia appears when ß cell mass and insulin secretory capacity are no longer sufficient to compensate for insulin resistance. The reduction in ß cell mass results from increased apoptosis. Therefore, finding strategies to preserve ß cell mass and function may be useful for the treatment or prevention of diabetes. Glucagon-like peptide-1 (GLP-1) protects ß cells against apoptosis, increases their glucose competence, and induces their proliferation. Previous studies in the lab of Prof. Bernard Thorens showed that the GLP-1 anti- apoptotic effect was mediated by robust up-regulation of IGF-1R expression, and this was paralleled with an increase in Akt phosphorylation. This effect was dependent not only on increased IGF-1R expression but also on the autocrine secretion of insulin-like growth factor 2 (IGF2). They also demonstrated that GLP-1 up-regulated IGF-1R expression by a protein a kinase A-dependent translational control mechanism. The main aim of this PhD work has been to further investigate the role of the IGF2/IGF-1 Receptor autocrine loop in ß cell function and to determine the physiological role of IGF2 in ß cell plasticity and its regulation by nutrients. This PhD thesis is divided in 3 chapters. The first chapter describes the role of IGF2/IGF-1R autocrine loop in ß cell glucose competence and proliferation. Here using MIN6 cells and primary mouse islets as an experimental model we demonstrated that the glucose competence of these cells was dependent on the level of IGF-1R expression and on IGF2 secretion. Furthermore, we showed that GLP-1-induced primary ß cell proliferation was significantly reduced by Igf-lr gene inactivation and by IGF2 immunoneutralization or knockdown. In the second chapter we examined the role of this IGF2/IGF-1R autocrine loop on the ß cell functional plasticity during ageing, pregnancy, and in response to acute induction of insulin resistance using mice with ß cell-specific inactivation of ig/2. Here we showed a gender-dependent role of ß cell IGF2 in ageing and high fat diet-induced metabolic stress; we demonstrated that the autocrine secretion of IGF2 is essential for ß cell mass adaptation during pregnancy. Further we also showed that this autocrine loop plays an important role in ß cell expansion in response to acute induction of insulin resistance. The aim of the third chapter was to investigate whether we can modulate the expression and secretion of IGF2 by nutrients in order to increase the activity of autocrine loop. Here we showed that glutamine induces IGF2 biosynthesis and its fast secretion through the regulated pathway, a mechanism enhanced in the presence of glucose. Furthermore, we demonstrated that glutamine-mediated Akt phosphorylation is dependent on IGF2 secretion, indicating that glutamine controls the activity of the IGF2/IGF1R autocrine loop through IGF2 up-regulation. In summary, this PhD work highlights that autocrine secretion of IGF2 is required for compensatory ß cell adaptation to ageing, pregnancy, and insulin resistance. Moreover IGF2/IGF1R autocrine loop is regulated by two feeding-related cues, GLP-1 to increase IGF-1R expression and glutamine to control IGF2 biosynthesis and secretion. -- Dans le diabète de type 2, lorsque la sécrétion d'insuline des cellules Beta du pancréas n'est plus suffisante pour compenser la résistance à l'insuline, une hyperglycémie est observée. Cette baisse de sécrétion d'insuline est Causée par la diminution de la masse de cellules Beta suite à l'augmentation du phénomène de mort cellulaire ou « apoptose ». En diabétologie, une des stratégies médicales concerne la préservation des cellules Beta du pancréas. Une des protéines intervenant dans cette fonction est GLP-1 (Glucagon-like peptide-1). GLP-1 est capable de protéger les cellules Beta contre la mort cellulaire et d'induire leur prolifération. Des études précédemment menées dans le laboratoire du Professeur Bernard Thorens ont montrées que l'activité « anti-apoptotique » de GLP-1 est le résultat l'une augmentation de l'expression du gène IGF-1R sous la dépendance de la sécrétion autocrine d'IGF2 (Insulin-Like Growth Factor). Le but de mon travail de thèse aura été d'étudier le mécanisme de la régulation de GLP-1 par IGF2 et plus précisément de déterminer le rôle physiologique d'IGF2 dans la plasticité des cellules ß ainsi que sa régulation par les nutriments. Ce manuscrit est ainsi divisé en trois chapitres : Le premier chapitre décrit la fonction d'IGF2/IGF- R1 dans la réponse des cellules Beta au glucose ainsi que dans leur capacité à proliférer. Dans ce chapitre nous avons montré l'importance du niveau d'expression d'IGFR-1 et de la sécrétion d'IGF2 dans la régulation du métabolisme du glucose. Dans un deuxième chapitre, nous étudions la boucle de régulation IGF2/IGF-R1 sur la plasticité des cellules Beta lors du vieillissement, de la grossesse ainsi que dans un modèle de souris résistantes à l'insuline. Cette étude met en évidence un dimorphisme sexuel dans le rôle d'IGF2 lors du vieillissement et lors d'un stress métabolique. Nous montrons également l'importance d'IGF2 pour l'adaptation des cellules Beta tout au long de la grossesse ou lors du phénomène de résistance à l'insuline. Dans un troisième chapitre, nous mettons en évidence la possibilité de moduler l'expression et la sécrétion d'IGF2 par les nutriments. En conclusion, ce travail de thèse aura permis de mettre en évidence l'importance d'IGF2 dans la plasticité des cellules ß, une plasticité indispensable lors du vieillissement, de la grossesse ou encore dans le cas d'une résistance à l'insuline.

Neuropeptide Y expression and regulation in a differentiated rat insulin-secreting cell line.

Neuropeptide-Y (NPY) is a 36-amino acid peptide known to inhibit glucose-stimulated insulin secretion in various animal models in vitro and in vivo. NPY is thought to be one of the mediators of sympathetic action in the pancreas through nerve endings surrounding the islets, and it has recently been shown to be synthesized within the islets of Langerhans. To elucidate the potential role of NPY in the endocrine pancreas, we studied the expression and regulation of NPY secretion in a rat insulinoma cell line (INS-1). NPY mRNA and peptide are highly expressed and secreted by INS-1 cells. NPY levels were determined by a sensitive and specific two-site amplified enzyme-linked immunosorbent assay. Incubation of INS-1 cells with various glucose concentrations did not modify NPY secretion; however, stimulation of adenylate cyclase by forskolin induced a dose- and time-dependent increase in NPY release in the medium. The glucagon-like peptide-I-(7-36) amide (GLP-1), a known gluco-incretin in humans, induced at low concentration (10(-9) M) a similar expression of NPY mRNA and peptide secretion in INS-1 cells. On the other hand, the inhibition of cAMP accumulation by the alpha 2-adrenergic agonist clonidine decreased NPY secretion. In conclusion, 1) high levels of gene expression and secretion of NPY are found in a rat insulinoma cell line (INS-1). 2) Accumulation of cAMP induced by forskolin or a gluco-incretin (GLP-1) induces a further increase in NPY gene expression and release. 3) NPY secretion is not modulated by low or high glucose concentrations in the medium. 4) Induction of NPY, a known inhibitor of insulin secretion, may represent a novel counterregulatory mechanism of insulin secretion, limiting the stimulatory effect of GLP-1 on insulin secretion.

Double incretin receptor knock-out (DIRKO) mice present with alterations of trabecular and cortical micromorphology and bone strength.

A role for gut hormone in bone physiology has been suspected. We evidenced alterations of microstructural morphology (trabecular and cortical) and bone strength (both at the whole-bone - and tissue-level) in double incretin receptor knock-out (DIRKO) mice as compared to wild-type littermates. These results support a role for gut hormones in bone physiology. INTRODUCTION: The two incretins, glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP) and glucagon-like peptide-1 (GLP-1), have been shown to control bone remodeling and strength. However, lessons from single incretin receptor knock-out mice highlighted a compensatory mechanism induced by elevated sensitivity to the other gut hormone. As such, it is unclear whether the bone alterations observed in GIP or GLP-1 receptor deficient animals resulted from the lack of a functional gut hormone receptor, or by higher sensitivity for the other gut hormone. The aims of the present study were to investigate the bone microstructural morphology, as well as bone tissue properties, in double incretin receptor knock-out (DIRKO) mice. METHODS: Twenty-six-week-old DIRKO mice were age- and sex-matched with wild-type (WT) littermates. Bone microstructural morphology was assessed at the femur by microCT and quantitative X-ray imaging, while tissue properties were investigated by quantitative backscattered electron imaging and Fourier-transformed infrared microscopy. Bone mechanical response was assessed at the whole-bone- and tissue-level by 3-point bending and nanoindentation, respectively. RESULTS: As compared to WT animals, DIRKO mice presented significant augmentations in trabecular bone mass and trabecular number whereas bone outer diameter, cortical thickness, and cortical area were reduced. At the whole-bone-level, yield stress, ultimate stress, and post-yield work to fracture were significantly reduced in DIRKO animals. At the tissue-level, only collagen maturity was reduced by 9 % in DIRKO mice leading to reductions in maximum load, hardness, and dissipated energy. CONCLUSIONS: This study demonstrated the critical role of gut hormones in controlling bone microstructural morphology and tissue properties.

Intestin et défauts métaboliques dans la résistance à l'insuline

En lien avec l’augmentation constante de l’obésité, de plus en plus de personnes sont atteintes de résistance à l’insuline ou de diabète de type 2. Ce projet doctoral s’est surtout intéressé à l’une des conséquences majeures des pathologies cardiométaboliques, soit la dyslipidémie diabétique. À cet égard, les gens présentant une résistance à l’insuline ou un diabète de type 2 sont plus à risque de développer des perturbations lipidiques caractérisées essentiellement par des taux élevés de triglycérides et de LDL-cholestérol ainsi que de concentrations restreintes en HDL-cholestérol dans la circulation. Les risques de maladies cardiovasculaires sont ainsi plus élevés chez ces patients. Classiquement, trois organes sont connus pour développer l’insulino-résistance : le muscle, le tissu adipeux et le foie. Néanmoins, certaines évidences scientifiques commencent également à pointer du doigt l’intestin, un organe critique dans la régulation du métabolisme des lipides postprandiaux, et qui pourrait, conséquemment, avoir un impact important dans l’apparition de la dyslipidémie diabétique. De façon très intéressante, des peptides produits par l’intestin, notamment le GLP-1 (glucagon-like peptide-1), ont déjà démontré leur potentiel thérapeutique quant à l’amélioration du statut diabétique et leur rôle dans le métabolisme intestinal lipoprotéinique. Une autre évidence est apportée par la chirurgie bariatrique qui a un effet positif, durable et radical sur la perte pondérale, le contrôle métabolique et la réduction des comorbidités du diabète de type 2, suite à la dérivation bilio-intestinale. Les objectifs centraux du présent programme scientifique consistent donc à déterminer le rôle de l’intestin dans (i) l’homéostasie lipidique/lipoprotéinique en réponse à des concentrations élevées de glucose (à l’instar du diabète) et à des peptides gastro-intestinaux tels que le PYY (peptide YY); (ii) la coordination du métabolisme en disposant de l’AMPK (AMP-activated protein kinase) comme senseur incontournable permettant l’ajustement précis des besoins et disponibilités énergétiques cellulaires; et (iii) l’ajustement de sa capacité d’absorption des graisses alimentaires en fonction du gain ou de la perte de sa sensibilité à l’insuline démontrée dans les spécimens intestinaux humains prélevés durant la chirurgie bariatrique. Dans le but de confirmer le rôle de l’intestin dans la dyslipidémie diabétique, nous avons tout d’abord utilisé le modèle cellulaire intestinal Caco-2/15. Ces cellules ont permis de démontrer qu’en présence de hautes concentrations de glucose en basolatéral, telle qu’en condition diabétique, l’intestin absorbe davantage de cholestérol provenant de la lumière intestinale par l’intermédiaire du transporteur NPC1L1 (Niemann Pick C1-like 1). L’utilisation de l’ezetimibe, un inhibiteur du NPC1L1, a permis de contrecarrer cette augmentation de l’expression de NPC1L1 tout comme l’élévation de l’absorption du cholestérol, prouvant ainsi que le NPC1L1 est bel et bien responsable de cet effet. D’autre part, des travaux antérieurs avaient identifié certains indices quant à un rôle potentiel du peptide intestinal PYY au niveau du métabolisme des lipides intestinaux. Toutefois, aucune étude n’avait encore traité cet aspect systématiquement. Pour établir définitivement l’aptitude du PYY à moduler le transport et le métabolisme lipidique dans l’intestin, nous avons utilisé les cellules Caco-2/15. Notre étude a permis de constater que le PYY incubé du côté apical est capable de réduire significativement l’absorption du cholestérol et le transporteur NPC1L1. Puisque le rôle de l'AMPK dans l'intestin demeure inexploré, il est important non seulement de définir sa structure moléculaire, sa régulation et sa fonction dans le métabolisme des lipides, mais aussi d'examiner l'impact de l’insulino-résistance et du diabète de type 2 (DT2) sur son statut et son mode d’action gastro-intestinal. En employant les cellules Caco-2/15, nous avons été capables de montrer (i) la présence de toutes les sous-unités AMPK (α1/α2/β1/β2/γ1/γ2/γ3) avec une différence marquée dans leur abondance et une prédominance de l’AMPKα1 et la prévalence de l’hétérotrimère α1/β2/γ1; (ii) l’activation de l’AMPK par la metformine et l’AICAR, résultant ainsi en une phosphorylation accrue de l’enzyme acétylCoA carboxylase (ACC) et sans influence sur l'HMG-CoA réductase; (iii) la modulation négative de l’AMPK par le composé C et des concentrations de glucose élevées avec des répercussions sur la phosphorylation de l’ACC. D’autre part, l’administration de metformine au Psammomys obesus, un modèle animal de diabète et de syndrome métabolique, a conduit à (i) une régulation positive de l’AMPK intestinale (phosphorylation de l’AMPKα-Thr172); (ii) la réduction de l'activité ACC; (iii) l’augmentation de l’expression génique et protéique de CPT1, supportant une stimulation de la β-oxydation; (iv) une tendance à la hausse de la sensibilité à l'insuline représentée par l’induction de la phosphorylation d'Akt et l’inactivation de la phosphorylation de p38; et (v) l’abaissement de la formation des chylomicrons ce qui conduit à la diminution de la dyslipidémie diabétique. Ces données suggèrent que l'AMPK remplit des fonctions clés dans les processus métaboliques de l'intestin grêle. La preuve flagrante de l’implication de l’intestin dans les événements cardiométaboliques a été obtenue par l’examen des spécimens intestinaux obtenus de sujets obèses, suite à une chirurgie bariatrique. L’exploration intestinale nous a permis de constater chez ceux avec un indice HOMA élevé (marqueur d’insulinorésistance) (i) des défauts de signalisation de l'insuline comme en témoigne la phosphorylation réduite d'Akt et la phosphorylation élevée de p38 MAPK; (ii) la présence du stress oxydatif et de marqueurs de l'inflammation; (iii) la stimulation de la lipogenèse et de la production des lipoprotéines riches en triglycérides avec l’implication des protéines clés FABP, MTP et apo B-48. En conclusion, l'intestin grêle peut être classé comme un tissu insulino-sensible et répondant à plusieurs stimuli nutritionnels et hormonaux. Son dérèglement peut être déclenché par le stress oxydatif et l'inflammation, ce qui conduit à l'amplification de la lipogenèse et la synthèse des lipoprotéines, contribuant ainsi à la dyslipidémie athérogène chez les patients atteints du syndrome métabolique et de diabète de type 2.

Dry matter intake is decreased more by abomasal infusion of unsaturated free fatty acids than by unsaturated Triglycerides

Previous experiments from our group have demonstrated that abomasal infusion of unsaturated free fatty acids (FFA) markedly decreases dry matter intake (DMI) in dairy cows. In contrast, experiments from other groups have noted smaller decreases in DMI when unsaturated triglycerides (TG) were infused postruminally. Our hypothesis was that unsaturated FFA would be more potent inhibitors of DMI than an equivalent amount of unsaturated TG. Four Holstein cows in late lactation were used in a single reversal design. Cows were fed a total mixed ration containing (DM basis) 23% alfalfa silage, 23% corn silage, 40.3% ground shelled corn, and 10.5% soybean meal. Two cows received soy FFA (UFA; 0, 200, 400, 600 g/d) and 2 received soy oil (TG) in the same amounts; cows then were switched to the other lipid source. Cows were abomasally infused with each amount for 5-d periods. The daily amount of lipid was pulse-dosed in 4 equal portions at 0600, 1000, 1700, and 2200 h; no emulsifiers were used and there was no sign of digestive disturbance. Both lipid sources linearly decreased DMI, with a significant interaction between lipid source and amount. Slope-ratio analysis indicated that UFA were about 2 times more potent in decreasing DMI than were TG. Decreased DMI led to decreased milk production. Milk fat content was increased linearly by lipid infusion. Milk fat yield decreased markedly for UFA infusion but was relatively unaffected by infusion of TG. Contents of short- and medium-chain fatty acids in milk fat decreased as the amount of either infusate increased. Contents of C-18:2 and C18: 3 in milk fat were increased linearly by abomasal infusion of either fat source; cis-9 C-18:1 was unaffected. Transfer of infused C18: 2 to milk fat was 35.6, 42.5, and 27.8% for 200, 400, and 600 g/d of UFA, and 34.3, 39.6, and 34.0% for respective amounts of TG. Glucagon-like peptide-1 (7-36) amide (GLP-1) concentration in plasma significantly increased as DMI decreased with increasing infusion amount of UFA or TG. Plasma concentration of cholecystokinin-octapeptide (CCK-8) was unaffected by lipid infusion. These results indicate that unsaturated FFA reaching the duodenum are more potent inhibitors of DMI than are unsaturated TG; the effect may be at least partially mediated by GLP-1.

Feeding rumen-inert fats differing in their degree of saturation decreases intake and increases plasma concentrations of gut peptides in lactating dairy cows

Our objective was to determine the effect of feeding rumen-inert fats differing in their degree of saturation on dry matter intake (DMI), milk production, and plasma concentrations of insulin, glucagon-like peptide 1 (7-36) amide (GLP-1), glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP), and cholecystokinin (CCK) in lactating dairy cows. Four midlactation, primiparous Holstein cows were used in a 4 x 4 Latin square experiment with 2-wk periods. Cows were fed a control mixed ration ad libitum, and treatments were the dietary addition (3.5% of ration dry matter) of 3 rumen-inert fats as sources of mostly saturated fatty acids (SFA), monounsaturated fatty acids (MUFA), or polyunsaturated fatty acids (PUFA). Daily DMI, milk yield, and composition were measured on the last 4 d of each period. Jugular vein blood was collected every 30 min over a 7-h period on d 12 and 14 of each period for analysis of plasma concentrations of hormones, glucose, and nonesterified fatty acids. Feeding fat decreased DMI, and the decrease tended to be greater for MUFA and PUFA compared with SFA. Plasma concentration of GLP-1 increased when fat was fed and was greater for MUFA and PUFA. Feeding fat increased plasma glucose-dependent insulinotropic polypeptide and CCK concentrations and decreased plasma insulin concentration. Plasma CCK concentration was greater for MUFA and PUFA than for SFA and was greater for MUFA than PUFA. Decreases in DMI in cows fed fat were associated with increased plasma concentrations of GLP-1 and CCK and a decreased insulin concentration. The role of these peptides in regulating DMI in cattle fed fat requires further investigation.