Exercise Increases Pancreatic β-cell Viability In A Model Of Type 1 Diabetes Through Il-6 Signaling.

Type 1 diabetes (T1D) is provoked by an autoimmune assault against pancreatic β cells. Exercise training enhances β-cell mass in T1D. Here, we investigated how exercise signals β cells in T1D condition. For this, we used several approaches. Wild-type and IL-6 knockout (KO) C57BL/6 mice were exercised. Afterward, islets from control and trained mice were exposed to inflammatory cytokines (IL-1β plus IFN-γ). Islets from control mice and β-cell lines (INS-1E and MIN6) were incubated with serum from control or trained mice or medium obtained from 5-aminoimidazole-4 carboxamide1-β-d-ribofuranoside (AICAR)-treated C2C12 skeletal muscle cells. Subsequently, islets and β cells were exposed to IL-1β plus IFN-γ. Proteins were assessed by immunoblotting, apoptosis was determined by DNA-binding dye propidium iodide fluorescence, and NO(•) was estimated by nitrite. Exercise reduced 25, 75, and 50% of the IL-1β plus IFN-γ-induced iNOS, nitrite, and cleaved caspase-3 content, respectively, in pancreatic islets. Serum from trained mice and medium from AICAR-treated C2C12 cells reduced β-cell death, induced by IL-1β plus IFN-γ treatment, in 15 and 38%, respectively. This effect was lost in samples treated with IL-6 inhibitor or with serum from exercised IL-6 KO mice. In conclusion, muscle contraction signals β-cell survival in T1D through IL-6.-Paula, F. M. M., Leite, N. C., Vanzela, E. C., Kurauti, M. A., Freitas-Dias, R., Carneiro, E. M., Boschero, A. C., and Zoppi, C. C. Exercise increases pancreatic β-cell viability in a model of type 1 diabetes through IL-6 signaling.

New insights into the role of microRNAs in pancreatic ß-cell maturation and plasticity

Le diabète est une maladie chronique caractérisée par une élévation du taux de sucre dans le sang aussi appelé « glycémie » reflétant un état pathologique. L'élévation de la glycémie au long cours a des répercussions délétères sur nombreux de nos tissus et organes d'où l'apparition de complications sévères chez les sujets diabétiques pouvant atteindre les yeux, les reins, le système nerveux, le système cardiovasculaire et les membres inférieurs. La carence en une hormone essentielle à notre organisme, l'insuline, est au coeur du développement de la maladie. L'insuline induit la captation du glucose circulant dans le sang en excès suite à une prise alimentaire riche en glucides et favorise son utilisation et éventuellement son stockage dans les tissus tels que le foie, le tissu adipeux et les muscles. Ainsi, l'insuline est vitale pour réguler et maintenir stable notre niveau de glycémie. Les cellules bêta du pancréas sont les seules entités de notre corps capables de produire de l'insuline et une perte de fonctionnalité associée à leur destruction ont été mises en cause dans le processus pathologique du diabète de type 2. Cependant la pleine fonctionnalité et la maturation des cellules bêta n'apparaissent qu'après la naissance lorsque le pancréas en développement a atteint sa masse adulte définitive. Enfin, une fois la masse des cellules bêta définitive établie, leur nombre et volume restent relativement constants au cours de la vie adulte chez un sujet sain. Néanmoins, au cours de périodes critiques les besoins en insuline sont augmentés tel qu'observé chez les femmes enceintes et les personnes obèses qui ont une perte de sensibilité à l'insuline qui se traduit par la nécessité de sécréter plus d'insuline afin de maintenir une glycémie normale. Dans l'hypothèse où la compensation n'a pas lieu ou n'est pas aboutie, le diabète se développe. Le processus de maturation postnatale ainsi que les événements compensatoires sont donc des étapes essentielles et de nombreuses questions sont encore non résolues concernant l'identification des mécanismes les régulant. Parmi les acteurs potentiels figurent de petites molécules d'ARN découvertes récemment appelées microARNs et qui ont été rapidement suggérées très prometteuses dans l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques dans le cadre du diabète et d'autres pathologies. Les microARNs vont réguler l'expression de notre génome sans en modifier la séquence, phénomène également appelé épigénétique, ce qui résulte en des différences de comportement et de fonction cellulaires. Les microARNs sont donc susceptibles de jouer un rôle clé dans l'ensemble des processus biologiques et notre environnement associé à nos prédispositions génétiques peuvent grandement modifier leur niveau et donc leur action, qui à son tour se répercutera sur notre état physiologique. En effet nous avons identifié des changements de microARNs dans les cellules d'îlots pancréatiques de modèles animaux (rats et souris) associés à un état de résistance à l'insuline (grossesse et obésité). Par le biais d'expériences in vitro sur des cellules bêta extraites de rats et conservées en culture, nous avons pu analyser de plus près l'implication des microARNs dans la capacité des cellules bêta à sécréter de l'insuline mais aussi à se multiplier et à survivre au sein d'un environnement toxique. Ainsi, nous avons identifié des microARNs qui participent positivement à la compensation des cellules bêta, sous la direction d'hormones telles les estrogènes ou d'une hormone libérée par l'intestin au cours de la digestion (l'inerétine GLP1) et qui est largement utilisée comme agent thérapeutique dans la médication contre le diabète. Dans un second temps nous avons utilisé une stratégie similaire afin de déterminer le rôle de microARNs préalablement détectés comme étant changés au cours du développement postnatal des cellules bêta chez le rat. Cette étude a également mené à l'identification de microARNs participant à la maturation et à l'expansion de la masse des cellules bêta sous l'influence de la composition du régime alimentaire et des besoins en insuline adéquats qui en dépendent. Ces études apportent la vision de nouveaux mécanismes moléculaires impliquant les microARNs et démontrant leur importance pour le bon fonctionnement des cellules bêta et leur capacité d'adaptation à l'environnement. -- Les cellules bêta sont une composante des îlots pancréatiques de Langerhans et sont des cellules hautement différenciées qui ont l'unique capacité de sécréter de l'insuline sous l'influence des nutriments suite à une prise alimentaire. L'insuline facilite l'incorporation de glucose dans ses tissus cibles tels le foie, le tissu adipeux et les muscles. Bien que les besoins en insuline soient relativement constants au cours de la vie d'un individu sain, certaines conditions associées à un état de résistance à l'insuline, telles la grossesse ou l'obésité, requièrent une libération d'insuline majorée. En cas de résistance à l'insuline, une dysfonction des cellules bêta plus ou moins associée à leur mort cellulaire, conduisent à une sécrétion d'insuline insuffisante et au développement d'une hyperglycémie chronique, caractéristique du diabète de type 2. Jusqu'à présent, les mécanismes moléculaires sous- jacents à la compensation des cellules bêta ou encore menant à leur dysfonction restent peu connus. Découverts récemment, les petits ARNs non-codant appelés microARNs (miARNs), suscitent un intérêt grandissant de par leur potentiel thérapeutique pour la prise en charge et le traitement du diabète. Les miARNs sont de puissants régulateurs de l'expression génique qui lient directement le 3'UTR de leurs ARN messagers cibles afin d'inhiber leur traduction ou d'induire leur dégradation, ce qui leur permet de contrôler des fonctions biologiques multiples. Ainsi, nous avons pris pour hypothèse que les miARNs pourraient jouer un rôle essentiel en maintenant la fonction des cellules bêta et des processus compensatoires afin de prévenir le développement du diabète. Lors d'une première étude, une analyse transcriptomique a permis l'identification de miARNs différemment exprimés au sein d'îlots pancréatiques de rattes gestantes. Parmi eux, le miR-338-3p a démontré la capacité de promouvoir la prolifération et la survie des cellules bêta exposées à des acides gras saturés et des cytokines pro-inflammatoires, sans altérer leur propriété sécrétrice d'insuline. Nous avons également identifié deux hormones reconnues pour leurs propriétés bénéfiques pour la physiologie de la cellule bêta, l'estradiol et l'incrétine GLP1, qui régulent les niveaux du miR-338-3p. Ce miARN intègre parfaitement les voies de signalisation de ces deux hormones dépendantes de l'AMP cyclique, afin de contrôler l'expression de nombreux gènes conduisant à son action biologique. Dans un projet ultérieur, notre objectif était de déterminer la contribution de miARNs dans l'acquisition de l'identité fonctionnelle des cellules bêta en période postnatale. En effet, directement après la naissance les cellules bêta sont reconnues pour être encore immatures et incapables de sécréter de l'insuline spécifiquement en réponse à l'élévation de la glycémie. Au contraire, la réponse insulinique induite par les acides aminés ainsi que la biosynthèse d'insuline sont déjà fonctionnelles. Nos recherches ont permis de montrer que les changements de miARNs corrélés avec l'apparition du phénotype sécrétoire en réponse au glucose, sont régis par la composition nutritionnelle du régime alimentaire et des besoins en insuline qui en découlent. En parallèle, le taux de prolifération des cellules bêta est considérablement réduit. Les miARNs que nous avons étudiés coordonnent des changements d'expression de gènes clés impliqués dans l'acquisition de propriétés vitales de la cellule bêta et dans la maintenancé de son identité propre. Enfin, ces études ont permis de clairement démontrer l'importance des miARNs dans la régulation de la fonction des cellules bêta pancréatiques. -- Beta-cells are highly differentiated cells localized in the pancreatic islets and are characterized by the unique property of secreting insulin in response to nutrient stimulation after meal intake. Insulin is then in charge of facilitating glucose uptake by insulin target tissues such as liver, adipose tissue and muscles. Despite insulin needs stay more or less constant throughout life of healthy individuals, there are circumstances such as during pregnancy or obesity which are associated to insulin resistance, where insulin needs are increased. In this context, defects in beta-cell function, sometimes associated with beta-cell loss, may result in the release of inappropriate amounts of insulin leading to chronic hyperglycemia, properly defined as type 2 diabetes mellitus. So far, the mechanisms underlying beta- cell compensation as well as beta-cell failure remain to be established. The recently discovered small non-coding RNAs called microRNAs (miRNAs) are emerging as interesting therapeutic targets and are bringing new hope for the treatment of diabetes. miRNAs display a massive potential in regulating gene expression by directly binding to the 3'UTR of messenger RNAs and by inhibiting their translation and/or stability, enabling them to modify a wide range of biological functions. In view of this, we hypothesized that miRNAs may play an essential role in preserving the functional beta-cell mass and permitting to fight against beta-cell exhaustion and decompensation that can lead to diabetes development. In a first study, global profiling in pancreatic islets of pregnant rats, a model of insulin resistance, led to the identification of a set of differentially expressed miRNAs. Among them, miR-338- 3p was found to promote beta-cell proliferation and survival upon exposure of islet cells to pro- apoptotic stimuli such as saturated fatty acids or pro-inflammatory cytokines, without impairment in their capacity to release insulin. We also discovered that miR-338-3p changes are driven by two hormones, the estradiol and the incretin GLP1, both well known for their beneficial impact on beta- cell physiology. Consistently, we found that miR-338-3p integrates the cAMP-dependent signaling pathways regulated by these two hormones in order to control the expression of numerous genes and execute its biological functions. In a second project, we aimed at determining whether miRNAs contribute to the acquisition of beta-cell identity. Indeed, we confirmed that right after birth beta-cells are still immature and are unable to secrete insulin specifically in response to elevated concentrations of glucose. In contrast, amino acid-stimulated insulin release as well as insulin biosynthesis are already fully functional. In parallel, newborn beta-cells are proliferating intensively within the expanding pancreas. Interestingly, we demonstrated that the miRNA changes and the subsequent acquisition of glucose responsiveness is influenced by the diet composition and the resulting insulin needs. At the same time, beta-cell proliferation declines. The miRNAs that we have identified orchestrate expression changes of essential genes involved in the acquisition of specific beta-cell properties and in the maintenance of a mature beta-cell identity. Altogether, these studies clearly demonstrate that miRNAs play important roles in the regulation of beta-cell function.

Low levels of sex hormone-binding globulin and hyperproinsulinemia as markers of increased pancreatic ß-cell demand in men

Low levels of sex hormone-binding globulin (SHBG) are considered to be an indirect index of hyperinsulinemia, predicting the later onset of diabetes mellitus type 2. In the insulin resistance state and in the presence of an increased pancreatic ß-cell demand (e.g. obesity) both absolute and relative increases in proinsulin secretion occur. In the present study we investigated the correlation between SHBG and pancreatic ß-cell secretion in men with different body compositions. Eighteen young men (30.0 ± 2.4 years) with normal glucose tolerance and body mass indexes (BMI) ranging from 22.6 to 43.2 kg/m2 were submitted to an oral glucose tolerance test (75 g) and baseline and 120-min blood samples were used to determine insulin, proinsulin and C-peptide by specific immunoassays. Baseline SHBG values were significantly correlated with baseline insulin (r = -0.58, P<0.05), proinsulin (r = -0.47, P<0.05), C-peptide (r = -0.55, P<0.05) and also with proinsulin at 120 min after glucose load (r = -0.58, P<0.05). Stepwise regression analysis revealed that proinsulin values at 120 min were the strongest predictor of SHBG (r = -0.58, P<0.05). When subjects were divided into obese (BMI >28 kg/m2, N = 8) and nonobese (BMI £25 kg/m2, N = 10) groups, significantly lower levels of SHBG were found in the obese subjects. The obese group had significantly higher baseline proinsulin, C-peptide and 120-min proinsulin and insulin levels. For the first time using a specific assay for insulin determination, a strong inverse correlation between insulinemia and SHBG levels was confirmed. The finding of a strong negative correlation between SHBG levels and pancreatic ß-cell secretion, mainly for the 120-min post-glucose load proinsulin levels, reinforces the concept that low SHBG levels are a suitable marker of increased pancreatic ß-cell demand.

Berberine induces apoptosis via ROS generation in PANC-1 and MIA-PaCa2 pancreatic cell lines

Pancreatic cancer is the fourth leading cause of cancer death. Gemcitabine is widely used as a chemotherapeutic agent for the treatment of pancreatic cancer, but the prognosis is still poor. Berberine, an isoquinoline alkaloid extracted from a variety of natural herbs, possesses a variety of pharmacological properties including anticancer effects. In this study, we investigated the anticancer effects of berberine and compared its use with that of gemcitabine in the pancreatic cancer cell lines PANC-1 and MIA-PaCa2. Berberine inhibited cell growth in a dose-dependent manner by inducing cell cycle arrest and apoptosis. After berberine treatment, the G1 phase of PANC-1 cells increased by 10% compared to control cells, and the G1 phase of MIA-PaCa2 cells was increased by 2%. Whereas gemcitabine exerts antiproliferation effects through S-phase arrest, our results showed that berberine inhibited proliferation by inducing G1-phase arrest. Berberine-induced apoptosis of PANC-1 and MIA-PaCa2 cells increased by 7 and 2% compared to control cells, respectively. Notably, berberine had a greater apoptotic effect in PANC-1 cells than gemcitabine. Upon treatment of PANC-1 and MIA-PaCa2 with berberine at a half-maximal inhibitory concentration (IC50), apoptosis was induced by a mechanism that involved the production of reactive oxygen species (ROS) rather than caspase 3/7 activation. Our findings showed that berberine had anti-cancer effects and may be an effective drug for pancreatic cancer chemotherapy.

Neuronal degeneration in streptozotocin induced diabetic rats: Effect of Aegle marmelose and pyridoxine in pancreatic cell proliferation and neuronal Surviva

This thesis Entitled Neuronal degeneration in streptozotocin induced diabetic rats: effect of aegle marmelose and pyridoxine in pancreatic B cell proliferation and neuronal survival. Diabetes mellitus, a chronic metabolic disorder results in neurological dysfunctions and structural changes in the CNS. Antioxidant therapy is a challenging but necessary dimension in the management of diabetes and neurodegenerative changes associated with it. Our results showed regional variation and imbalance in the expression pattern of dopaminergic receptor subtypes in diabetes and its role in imbalanced insulin signaling and glucose regulation. Disrupted dopaminergic signaling and increased hyperglycemic stress in diabetes contributed to the neuronal loss. Neuronal loss in diabetic rats mediated through the expression of pattern of GLUT-3, CREB, IGF-1, Akt-1, NF,B, second messengers- cAMP, cGMP, IP3 and activation of apoptotic factors factors- TNF-a,caspase-8. Disrupted dopaminergic receptor expressions and its signaling in pancreas contributed defective insulin secretion in diabetes. Activation of apoptotic factors- TNF- a,caspase-8 and defective functioning of neuronal survival factors, disrupted second messenger signaling modulated neuronal viability in diabetes. Hyperglycemic stress activated the expression of TNF-a,caspase-8, BAX and differential expression of anti oxidant enzymes- SOD and GPx in liver lead to apoptosis. Treatment of diabetic rats with insulin, Aegle marmelose and pyridoxine significantly reversed the altered dopaminergic neurotransmission, GLUT3, GLUT2, IGF-1 and second messenger signaling. Antihyperglycemic and antioxidant activity of Aegle marmelose and pyridoxine enhanced pancreatic B cell proliferation, increased insulin synthesis and secretion in diabetic rats. Thus our results conclude the neuroprotective and regenerating ability of Aegle marmelose and pyridoxine which in turn has a novel therapeutic role in the management of diabetes.

Reduced pancreatic β-cell mass is associated with decreased FoxO1 and Erk1/2 protein phosphorylation in low-protein malnourished rats

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Pancreatic β-cell defects in women at risk of type 2 diabetes

We evaluated insulin release and insulin sensitivity in women with basal and/or postprandial hyperglycemia but normal oral glucose tolerance test (OGTT) in previous pregnancy (GHG). These women were individually matched with females without previous hyperglycemia (NGT). Both groups consisted of normal glucose-tolerant women at the time of this study. They underwent OGTT (75g; n= 32 pairs) and hyperglycemic clamp experiments (10mmoll-1; n=27 pairs) with plasma glucose, insulin, and C-peptide measurements and calculation of insulinogenic index, first- and second-phase insulin release, and insulin sensitivity index (ISI). The GHG group showed higher glycosylated hemoglobin levels (6.2±0.6% versus 5.8±0.8%; P<0.05); lower insulinogenic index at 30min (134.03±62.69pmolmmol-1 versus 181.59±70.26pmolmmoll-1; P<0.05) and diminished C-peptide response in relation to glucose (4.05±0.36nmolmmol-1 versus 4.23±0.36nmolmmol-1; P<0.05) at OGTT. Both groups did not show difference in insulin secretion and ISI by hyperglycemic clamp technique. We concluded that in up to 12 years from index pregnancy, women with previous GHG, presenting normal glucose tolerance and well-matched with their controls, showed β-cell dysfunction without change in ISI. As women with previous GHG are at risk of type 2 diabetes, β-cell dysfunction may be its primary defect. © 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

THE MECHANISM OF TUMORIGENESIS IN THE IMMORTALIZED HUMAN PANCREATIC CELL LINES: CELL CULTURE MODELS OF HUMAN PANCREATIC CANCER

The mechanism of tumorigenesis in the immortalized human pancreatic cell lines: cell culture models of human pancreatic cancer Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is the most lethal cancer in the world. The most common genetic lesions identified in PDAC include activation of K-ras (90%) and Her2 (70%), loss of p16 (95%) and p14 (40%), inactivation p53 (50-75%) and Smad4 (55%). However, the role of these signature gene alterations in PDAC is still not well understood, especially, how these genetic lesions individually or in combination contribute mechanistically to human pancreatic oncogenesis is still elusive. Moreover, a cell culture transformation model with sequential accumulation of signature genetic alterations in human pancreatic ductal cells that resembles the multiple-step human pancreatic carcinogenesis is still not established. In the present study, through the stepwise introduction of the signature genetic alterations in PDAC into the HPV16-E6E7 immortalized human pancreatic duct epithelial (HPDE) cell line and the hTERT immortalized human pancreatic ductal HPNE cell line, we developed the novel experimental cell culture transformation models with the most frequent gene alterations in PDAC and further dissected the molecular mechanism of transformation. We demonstrated that the combination of activation of K-ras and Her2, inactivation of p16/p14 and Smad4, or K-ras mutation plus p16 inactivation, was sufficient for the tumorigenic transformation of HPDE or HPNE cells respectively. We found that these transformed cells exhibited enhanced cell proliferation, anchorage-independent growth in soft agar, and grew tumors with PDAC histopathological features in orthotopic mouse model. Molecular analysis showed that the activation of K-ras and Her2 downstream effector pathways –MAPK, RalA, FAK, together with upregulation of cyclins and c-myc were involved in the malignant transformation. We discovered that MDM2, BMP7 and Bmi-1 were overexpressed in the tumorigenic HPDE cells, and that Smad4 played important roles in regulation of BMP7 and Bmi-1 gene expression and the tumorigenic transformation of HPDE cells. IPA signaling pathway analysis of microarray data revealed that abnormal signaling pathways are involved in transformation. This study is the first complete transformation model of human pancreatic ductal cells with the most common gene alterations in PDAC. Altogether, these novel transformation models more closely recapitulate the human pancreatic carcinogenesis from the cell origin, gene lesion, and activation of specific signaling pathway and histopathological features.

Novel glucagon-like peptide-1 (GLP-1) analog (Val8)GLP-1 results in significant improvements of glucose tolerance and pancreatic β-cell function after 3-week daily administration in obese diabetic (ob/ob) mice

This study evaluates the antidiabetic potential of an enzyme-resistant analog, (Val8)GLP-1. The effects of daily administration of a novel dipeptidyl peptidase IV-resistant glucagon-like peptide-1 (GLP-1) analog, (Val8)GLP-1, on glucose tolerance and pancreatic β-cell function were examined in obese-diabetic (ob/ob) mice. Acute intraperitoneal administration of (Val8)GLP-1 (6.25-25 nmol/kg) with glucose increased the insulin response and reduced the glycemic excursion in a dose-dependent manner. The effects of (Val8)GLP-1 were greater and longer lasting than native GLP-1. Once-daily subcutaneous administration of (Val8)GLP-1 (25 nmol/kg) for 21 days reduced plasma glucose concentrations, increased plasma insulin, and reduced body weight more than native GLP-1 without a significant change in daily food intake. Furthermore, (Val8)GLP-1 improved glucose tolerance, reduced the glycemic excursion after feeding, increased the plasma insulin response to glucose and feeding, and improved insulin sensitivity. These effects were consistently greater with (Val8)GLP-1 than with native GLP-1, and both peptides retained or increased their acute efficacy compared with initial administration. (Val8)GLP-1 treatment increased average islet area 1.2-fold without changing the number of islets, resulting in an increased number of larger islets. These data demonstrate that (Val8)GLP-1 is more effective and longer acting than native GLP-1 in obese-diabetic ob/ob mice.

Glucolipotoxicity and the control of pancreatic ℓ-cell apoptosis

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Glucolipotoxicity and the control of pancreatic ℓ-cell apoptosis

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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.

Sustained insulin secretory response in human islets co-cultured with pancreatic duct-derived epithelial cells within a rotational cell culture system

Aims/hypothesis - Loss of the trophic support provided by surrounding non-endocrine pancreatic cell populations underlies the decline in beta cell mass and insulin secretory function observed in human islets following isolation and culture. This study sought to determine whether restoration of regulatory influences mediated by ductal epithelial cells promotes sustained beta cell function in vitro. Methods - Human islets were isolated according to existing protocols. Ductal epithelial cells were harvested from the exocrine tissue remaining after islet isolation, expanded in monolayer culture and characterised using fluorescence immunocytochemistry. The two cell types were co-cultured under conventional static culture conditions or within a rotational cell culture system. The effect of co-culture on islet structural integrity, beta cell mass and insulin secretory capacity was observed for 10 days following isolation. Results - Human islets maintained under conventional culture conditions exhibited a characteristic loss in structural integrity and functional viability as indicated by a diminution of glucose responsiveness. By contrast, co-culture of islets with ductal epithelial cells led to preserved islet morphology and sustained beta cell function, most evident in co-cultures held within the rotational cell culture system, which showed a significantly (p<0.05) greater insulin secretory response to elevated glucose compared with control islets. Similarly, insulin/protein ratio data suggested that the presence of ductal epithelial cells is beneficial for the maintenance of beta cell mass. Conclusions/interpretation - The data indicate a supportive role for ductal epithelial cells in islet viability. Further characterisation of the regulatory influences may lead to novel strategies to improve long-term beta cell function both in vitro and following islet transplantation.

Role for cell-to-cell communication in stem cell specification toward pancreatic progenitors: relevance to the design of novel therapies for diabetes.

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Pancreatic-specific expression of the glucose transporter type 2 gene: identification of cis-elements and islet-specific trans-acting factors.

A defect in glucose sensing of the pancreatic beta-cells has been observed in several animal models of type II diabetes and has been correlated with a reduced gene expression of the glucose transporter type 2 (Glut2). In a transgenic mouse model, expression of Glut2 antisense RNA in pancreatic beta-cells has recently been shown to be associated with an impaired glucose-induced insulin secretion and the development of diabetes. To identify factors that may be involved in the specific decrease of Glut2 in the beta-cells of the diabetic animal, an attempt was made to localize the cis-elements and trans-acting factors involved in the control of Glut2 expression in the endocrine pancreas. It was demonstrated by transient transfection studies that only 338 base pairs (bp) of the murine Glut2 proximal promoter are needed for reporter gene expression in pancreatic islet-derived cell lines, whereas no activity was detected in nonpancreatic cells. Three cis-elements, GTI, GTII, and GTIII, have been identified by DNAse I footprinting and gel retardation experiments within these 338 bp. GTI and GTIII bind distinct but ubiquitously expressed trans-acting factors. On the other hand, nuclear proteins specifically expressed in pancreatic cell lines interact with GTII, and their relative abundance correlates with endogenous Glut2 expression. These GTII-binding factors correspond to nuclear proteins of 180 and 90 kilodaltons as defined by Southwestern analysis. The 180-kilodalton factor is present in pancreatic beta-cell lines but not in an alpha-cell line. Mutation of the GTI or GTIII cis-elements decreases transcriptional activity directed by the 338-bp promoter, whereas mutation of GTII increases gene transcription. Thus negative and positive regulatory sequences are identified within the proximal 338 bp of the GLUT2 promoter and may participate in the islet-specific expression of the gene by binding beta-cell specific trans-acting factors.