Étude des changements de conformation du cotransporteur de Na⁺/glucose (SGLT1) à l'aide de mesures électrophysiologiques et de marqueurs fluorescents

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Yerba Mate (Ilex paraguariensis) Aqueous Extract Decreases Intestinal SGLT1 Gene Expression but Does Not Affect Other Biochemical Parameters in Alloxan-Diabetic Wistar Rats

Yerba mate (Ilex paraguariensis) is rich in polyphenols, especially chlorogenic acids. Evidence suggests that dietary polyphenols could play a role in glucose absorption and metabolism. The aim of this study was to evaluate the antidiabetic properties of yerba mate extract in alloxan-induced diabetic Wistar rats. Animals (n = 41) were divided in four groups: nondiabetic control (NDC, n = 10), nondiabetic yerba mate (NDY, n = 10), diabetic control (DC, n = 11), and diabetic yerba mate (NDY, n = 10). The intervention consisted in the administration of yerba mate extract in a 1 g extract/kg body weight dose for 28 days; controls received saline solution only. There were no significant differences in serum glucose, insulin, and hepatic glucose-6-phosphatase activity between the groups that ingested yerba mate extract (NDY and DY) and the controls (NDC and DC). However, the intestinal SGLT1 gene expression was significantly lower in animals that received yerba mate both in upper (p = 0.007) and middle (p < 0.001) small intestine. These results indicate that bioactive compounds present in yerba mate might be capable of interfering in glucose absorption, by decreasing SGLT1 expression.

Na plus -Glucose Cotransporter SGLT1 Protein in Salivary Glands: Potential Involvement in the Diabetes-Induced Decrease in Salivary Flow

Oral health complications in diabetes include decreased salivary secretion. The SLC5A1 gene encodes the Na(+)-glucose cotransporter SGLT1 protein, which not only transports glucose, but also acts as a water channel. Since SLC5A1 expression is altered in kidneys of diabetic subjects, we hypothesize that it could also be altered in salivary glands, contributing to diabetic dysfunction. The present study shows a diabetes-induced decrease (p < 0.001) in salivary secretion, which was accompanied by enhanced (p < 0.05) SGLT1 mRNA expression in parotid (50%) and submandibular (30%) glands. Immunohistochemical analysis of parotid gland of diabetic rats revealed that SGLT1 protein expression increased in the luminal membrane of ductal cells, which can stimulate water reabsorption from primary saliva. Furthermore, SGLT1 protein was reduced in myoepithelial cells of the parotid from diabetic animals, and that, by reducing cellular contractile activity, might also be related to reduced salivary flux. Six-day insulin-treated diabetic rats reversed all alterations. In conclusion, diabetes increases SLC5A1 gene expression in salivary glands, increasing the SGLT1 protein content in the luminal membrane of ductal cells, which, by increasing water reabsorption, might explain the diabetes-induced decrease in salivary secretion.

SGLT1 protein expression in plasma membrane of acinar cells correlates with the sympathetic outflow to salivary glands in diabetic and hypertensive rats

Salivary gland dysfunction is a feature in diabetes and hypertension. We hypothesized that sodium-glucose cotransporter 1 (SGLT1) participates in salivary dysfunctions through a sympathetic- and protein kinase A (PKA)-mediated pathway. In Wistar-Kyoto (WKY), diabetic WKY (WKY-D), spontaneously hypertensive (SHR), and diabetic SHR (SHR-D) rats, PKA/SGLT1 proteins were analyzed in parotid and submandibular glands, and the sympathetic nerve activity (SNA) to the glands was monitored. Basal SNA was threefold higher in SHR (P < 0.001 vs. WKY), and diabetes decreased this activity (similar to 50%, P < 0.05) in both WKY and SHR. The catalytic subunit of PKA and the plasma membrane SGLT1 content in acinar cells were regulated in parallel to the SNA. Electrical stimulation of the sympathetic branch to salivary glands increased (similar to 30%, P < 0.05) PKA and SGLT1 expression. Immunohistochemical analysis confirmed the observed regulations of SGLT1, revealing its location in basolateral membrane of acinar cells. Taken together, our results show highly coordinated regulation of sympathetic activity upon PKA activity and plasma membrane SGLT1 content in salivary glands. Furthermore, the present findings show that diabetic- and/or hypertensive-induced changes in the sympathetic activity correlate with changes in SGLT1 expression in basolateral membrane of acinar cells, which can participate in the salivary glands dysfunctions reported by patients with these pathologies.

Increased SGLT1 expression in salivary gland ductal cells correlates with hyposalivation in diabetic and hypertensive rats

Abstract Background: Oral health complications in diabetes and hypertension include decreased salivary secretion. The sodium-glucose cotransporter 1 (SGLT1) protein, which transports 1 glucose/2 Na+/264 H2O molecules, is described in salivary glands. We hypothesized that changes in SGLT1 expression in the luminal membrane of ductal cell may be related to an altered salivary flow. Findings: By immunohistochemistry, we investigated SGLT1 expression in ductal cells of parotid and submandibular glands from Wistar Kyoto rats (WKY), diabetic WKY (WKY-D), spontaneously hypertensive rats (SHR) and diabetic SHR (SHR-D), as well as in parotid glands from WKY subjected to sympathetic stimulation, with or without previous propranolol blockade. Diabetes and hypertension decreased the salivary secretion and increased SGLT1 expression in the luminal membrane of ductal cells, and their association exacerbated the regulations observed. After 30 min of sympathetic stimulation, SGLT1 increased in the luminal membrane of ductal cells, and that was blocked by previous injection of propranolol. Conclusions: SGLT1 expression increases in the luminal membrane of salivary gland ductal cells and the salivary flow decreases in diabetic and hypertensive rats, which may be related to sympathetic activity. This study highlights the water transporter role of SGLT1 in salivary glands, which, by increasing ductal water reabsorption, may explain the hyposalivation of diabetic and hypertensive subjects.

Increased SGLT1 expression in salivary gland ductal cells correlates with hyposalivation in diabetic and hypertensive rats

Background Oral health complications in diabetes and hypertension include decreased salivary secretion. The sodium-glucose cotransporter 1 (SGLT1) protein, which transports 1 glucose/2 Na+/264 H2O molecules, is described in salivary glands. We hypothesized that changes in SGLT1 expression in the luminal membrane of ductal cell may be related to an altered salivary flow. Findings By immunohistochemistry, we investigated SGLT1 expression in ductal cells of parotid and submandibular glands from Wistar Kyoto rats (WKY), diabetic WKY (WKY-D), spontaneously hypertensive rats (SHR) and diabetic SHR (SHR-D), as well as in parotid glands from WKY subjected to sympathetic stimulation, with or without previous propranolol blockade. Diabetes and hypertension decreased the salivary secretion and increased SGLT1 expression in the luminal membrane of ductal cells, and their association exacerbated the regulations observed. After 30 min of sympathetic stimulation, SGLT1 increased in the luminal membrane of ductal cells, and that was blocked by previous injection of propranolol. Conclusions SGLT1 expression increases in the luminal membrane of salivary gland ductal cells and the salivary flow decreases in diabetic and hypertensive rats, which may be related to sympathetic activity. This study highlights the water transporter role of SGLT1 in salivary glands, which, by increasing ductal water reabsorption, may explain the hyposalivation of diabetic and hypertensive subjects

Caractérisation du co-transporteur Na+/myo-inositol SMIT2 dans les membranes en bordure en brosse de rein de lapin et d’intestin de rat

Le myo-inositol (MI) est un soluté organique impliqué dans diverses fonctions physiologiques de la cellule dont la signalisation cellulaire. Il est également un osmolyte compatible reconnu. Trois co-transporteurs de type actif secondaire responsables de son absorption ont été identifiés. Deux d’entre eux sont couplés au transport du sodium (SMIT1 et SMIT2) et le troisième est couplé au transport de protons (HMIT). L’objectif de cette étude a été la caractérisation du transport du MI par SMIT2 dans des membranes en bordure en brosse (BBMv) issues du rein de lapin et de l’intestin de rat ainsi qu’après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis. La quantification de l’ARNm de SMIT1 et de SMIT2 dans le rein nous a appris que SMIT1 est majoritairement présent dans la médullaire alors que SMIT2 est principalement localisé dans le cortex. Ces résultats ont été confirmés par immunobuvardage en utilisant un anticorps dirigé contre SMIT2. Grâce à l’inhibition sélective de SMIT1 par le L-Fucose et de SMIT2 par le D-chiro-inositol (DCI), nous avons démontré que SMIT2 semble le seul responsable du transport luminal de MI dans le tubule contourné proximal avec un Km de 57 ± 14 µM. Pour ce qui est de l’intestin, des études de transport de MI radioactif ont démontré une absence de transport de MI chez le lapin alors que l’intestin de rat présente un transport de MI très actif. Une quantification par qRT-PCR nous a permis de constater que l’intestin de lapin ne semble pas posséder les transporteurs de MI nécessaires. Comme pour le rein, SMIT2 semble le seul transporteur de MI présent au niveau du pôle apical des entérocytes intestinaux chez le rat. Il est chargé du prélèvement du MI de l'alimentation avec un Km de 150 ± 40 µM. Les analyses fonctionnelles exécutées sur SMIT2 de rat en électrophysiologie après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis donnent sensiblement les mêmes résultats que pour les BBMv de rein de lapin et d’intestin de rat. Dans les ovocytes, SMIT2 présente une grande affinité pour le MI (270 ± 19 µM) et le DCI (310 ± 60 µM) et aucune affinité pour le L-fucose. Il est ii également très sensible à la phlorizine (16 ± 7 µM). Une seule exception persiste : la constante d’affinité pour le glucose dans les BBMv d’intestin de rat est 40 fois plus petite que celle observée sur les ovocytes de Xenopus laevis. Nous avons également testé la capacité de certains transporteurs de sucre présents à la surface des membranes apicales des entérocytes à prélever le MI. Vu que l'inhibition de ces transporteurs (SGLT1 et GLUT5) ne changeait rien au taux de MI radioactif transporté, nous en avons conclu qu'ils ne sont pas impliqués dans son transport. Finalement, l’efflux de MI à partir du pôle basolatéral des entérocytes n’est pas effectué par GLUT2 puisque ce dernier lorsqu'il est exprimé dans des ovocytes, est incapable de transporter le MI.

Inhibition de l’absorption intestinale du glucose par les produits naturels issus de la pharmacopée traditionnelle des Cris de la Baie James

Le diabète de type 2 et l'obésité sont des problèmes de santé majeurs et les peuples autochtones sont particulièrement à risque. Pour remédier à ce problème largement répandu dans les populations autochtones canadiennes pour qui la médication moderne n’est pas culturellement adaptée, notre équipe s’est donné comme objectif d’étudier les activités potentielles antidiabétique et anti-obésité de la pharmacopée traditionnelle des Cris de la Baie James. Le but de cette étude est de tester l’hypothèse selon laquelle certaines plantes médicinales pourraient inhiber l'absorption intestinale du glucose, une activité anti-hyperglycémique qui, par la même occasion, contribuerait à combattre l’obésité. Les extraits éthanoliques de dix-sept plantes médicinales de la forêt boréale ont été testés dans des cellules intestinales Caco-2 et comparés à l’effet d’inhibiteurs compétitifs connus, tels que la phlorizine et la phlorétine. Ces inhibiteurs sont des composés polyphénoliques qui partagent de nombreuses caractéristiques structurelles avec des constituants moléculaires de plusieurs plantes Cri. Les résultats démontrent que treize des dix-sept extraits de plantes ont inhibé de façon significative l'absorption intestinale du 3H-D-glucose. Pour valider ces effets in vivo, quatre extraits ont été administrés à des rats Wistar par gavage intragastrique (250 mg/kg) en même temps qu’un bolus de glucose (3 g/kg). Suite à ce gavage, deux de ces extraits ont restreint l’augmentation de la glycémie d'environ 40% par rapport à un contrôle sans extrait. Ces résultats indiquent qu’une inhibition compétitive de l'absorption intestinale du glucose peut être atteinte par des extraits bruts de plantes médicinales. La prise de ces plantes durant les repas aiderait à un meilleur contrôle post-prandial de la glycémie, particulièrement chez les personnes à risque.

Étude fonctionnelle du cotransporteur Na+/glucose (hSGLT1) : courant de fuite, vitesse de cotransport et modélisation cinétique

Les résultats présentés dans cette thèse précisent certains aspects de la fonction du cotransporteur Na+/glucose (SGLT1), une protéine transmembranaire qui utilise le gradient électrochimique favorable des ions Na+ afin d’accumuler le glucose à l’intérieur des cellules épithéliales de l’intestin grêle et du rein. Nous avons tout d’abord utilisé l’électrophysiologie à deux microélectrodes sur des ovocytes de xénope afin d’identifier les ions qui constituaient le courant de fuite de SGLT1, un courant mesuré en absence de glucose qui est découplé de la stoechiométrie stricte de 2 Na+/1 glucose caractérisant le cotransport. Nos résultats ont démontré que des cations comme le Li+, le K+ et le Cs+, qui n’interagissent que faiblement avec les sites de liaison de SGLT1 et ne permettent pas les conformations engendrées par la liaison du Na+, pouvaient néanmoins générer un courant de fuite d’amplitude comparable à celui mesuré en présence de Na+. Ceci suggère que le courant de fuite traverse SGLT1 en utilisant une voie de perméation différente de celle définie par les changements de conformation propres au cotransport Na+/glucose, possiblement similaire à celle empruntée par la perméabilité à l’eau passive. Dans un deuxième temps, nous avons cherché à estimer la vitesse des cycles de cotransport de SGLT1 à l’aide de la technique de la trappe ionique, selon laquelle le large bout d’une électrode sélective (~100 μm) est pressé contre la membrane plasmique d’un ovocyte et circonscrit ainsi un petit volume de solution extracellulaire que l’on nomme la trappe. Les variations de concentration ionique se produisant dans la trappe en conséquence de l’activité de SGLT1 nous ont permis de déduire que le cotransport Na+/glucose s’effectuait à un rythme d’environ 13 s-1 lorsque le potentiel membranaire était fixé à -155 mV. Suite à cela, nous nous sommes intéressés au développement d’un modèle cinétique de SGLT1. En se servant de l’algorithme du recuit simulé, nous avons construit un schéma cinétique à 7 états reproduisant de façon précise les courants du cotransporteur en fonction du Na+ et du glucose extracellulaire. Notre modèle prédit qu’en présence d’une concentration saturante de glucose, la réorientation dans la membrane de SGLT1 suivant le relâchement intracellulaire de ses substrats est l’étape qui limite la vitesse de cotransport.

Impact de l’insuffisance rénale chronique sur les transporteurs de glucose et les effets subséquents sur la résistance à l’insuline

Parmi l’ensemble des désordres métaboliques retrouvés en insuffisance rénale chronique (IRC), la résistance à l’insuline demeure l’un des plus importantes à considérer en raison des risques de morbidité et de mortalité qu’elle engendre via les complications cardiovasculaires. Peu d’études ont considéré la modulation de transporteurs de glucose comme mécanisme sous-jacent à l’apparition et à la progression de la résistance à l’insuline en IRC. Nous avons exploré cette hypothèse en étudiant l’expression de transporteurs de glucose issus d’organes impliqués dans son homéostasie (muscles, tissus adipeux, foie et reins) via l’utilisation d’un modèle animal d’IRC (néphrectomie 5/6e). La sensibilité à l’insuline a été déterminée par un test de tolérance au glucose (GTT), où les résultats reflètent une intolérance au glucose et une hyperinsulinémie, et par les études de transport au niveau musculaire qui témoignent d’une diminution du métabolisme du glucose en IRC (~31%; p<0,05). La diminution significative du GLUT4 dans les tissus périphériques (~40%; p<0,001) peut être à l’origine de la résistance à l’insuline en IRC. De plus, l’augmentation de l’expression protéique de la majorité des transporteurs de glucose (SGLT1, SGLT2, GLUT1; p<0,05) au niveau rénal en IRC engendre une plus grande réabsorption de glucose dont l’hyperglycémie subséquente favorise une diminution du GLUT4 exacerbant ainsi la résistance à l’insuline. L’élévation des niveaux protéiques de GLUT1 et GLUT2 au niveau hépatique témoigne d’un défaut homéostatique du glucose en IRC. Les résultats jusqu’ici démontrent que la modulation de l’expression des transporteurs de glucose peut être à l’origine de la résistance à l’insuline en IRC. L’impact de la parathyroïdectomie (PTX) sur l’expression du GLUT4 a été étudié étant donné que la PTX pourrait corriger l’intolérance au glucose en IRC. Nos résultats démontrent une amélioration de l’intolérance au glucose pouvant être attribuable à la moins grande réduction de l’expression protéique du GLUT4 dans les tissus périphériques et ce malgré la présence d’IRC. L’excès de PTH, secondaire à l’hyperparathyroïdie, pourrait alors être à l’origine de la résistance à l’insuline en IRC en affectant l’expression du GLUT4. L’IRC partage de nombreuses similitudes avec le prédiabète quant aux défaillances du métabolisme du glucose tout comme l’hyperinsulinémie et l’intolérance au glucose. Aucune étude n’a tenté d’évaluer si l’IRC pouvait ultimement mener au diabète. Nos résultats ont par ailleurs démontré que l’induction d’une IRC sur un modèle animal prédisposé (rats Zucker) engendrait une accentuation de leur intolérance au glucose tel que constaté par les plus hautes glycémies atteintes lors du GTT. De plus, certains d’entre eux avaient des glycémies à jeun dont les valeurs surpassent les 25 mmol/L. Il est alors possible que l’IRC puisse mener au diabète via l’évolution de la résistance à l’insuline par l’aggravation de l’intolérance au glucose.

Glucose-Induced Regulation of NHEs Activity and SGLTs Expression Involves the PKA Signaling Pathway

The effect of glucose on the intracellular pH (pH(i)) recovery rate (dpH(i)/dt) and Na(+)-glucose transporter (SGLT) localization was investigated in HEK-293 cells, a cell line that expresses endogenous NHE1, NHE3, SGLT1, and SGLT2 proteins. The activity of the Na(+)/H(+) exchangers (NHEs) was evaluated by using fluorescence microscopy. The total and membrane protein expression levels were analyzed by immunoblotting. In cells cultivated in 5 mM glucose, the pH(i) recovery rate was 0.169 +/- A 0.020 (n = 6). This value did not change in response to the acute presence of glucose at 2 or 10 mM, but decreased with 25 mM glucose, an effect that was not observed with 25 mM mannitol. Conversely, the chronic effect of high glucose (25 mM) increased the pH(i) recovery rate (similar to 40%, P < 0.05), without changes in the total levels of NHE1, NHE3, or SGLT1 expression, but increasing the total cellular (similar to 50%, P < 0.05) and the plasma membrane (similar to 100%, P < 0.01) content of SGLT2. Treatment with H-89 (10(-6) M) prevented the stimulatory effect of chronic glucose treatment on the pH(i) recovery rate and SGLT2 expression in the plasma membrane. Our results indicate that the effect of chronic treatment with a high glucose concentration is associated with increased NHEs activity and plasma membrane expression of SGLT2 in a protein kinase A-dependent way. The present results reveal mechanisms of glucotoxicity and may contribute to understanding the diabetes-induced damage of this renal epithelial cell.

Transepithelial transport of glucose and mRNA of glucose transporters in the small intestine of rats with iron-deficiency anemia

Objective: To evaluate the transepithelial transport of sodium, glucose, potassium, and water and the mRNA level of the sodium-glucose cotransporter (SGLT1) and the facilitated sugar transporter (GLUT2) in the small intestine of iron-deficient rats. Methods: After 6 wk of receiving diets with low or normal iron content, rats (Wistar-EPM) were subjected to two experiments: 1) evaluation of the transepithelial transport of sodium, glucose, potassium, and water by an ""in vivo"" experimental model of intestinal perfusion and 2) determination of relative SGLT1 and GLUT2 mRNA levels in the proximal, intermediate, and distal portions of the small intestine by the northern blotting technique. Results: Hemoglobin and hepatic iron levels were statistically lower in the anemic rats. The mean transepithelial transports of sodium (-33.0 mu Eq . min(-1) . cm(-1)), glucose (426.0 mu M . min(-1) . cm(-1)), and water (0.4 mu L . min(-1) . cm(-1)) in the small intestine of the anemic rats were significantly lower than in the control group (349.1 mu Eq . min(-1) cm(-1), 842.6 mu M . min(-1) . cm(-1), and 4.3 mu l . min(-1) cm(-1), respectively, P < 0.05). The transepithelial transport of potassium was similar for both groups. The relative SGLT1 mRNA levels of the anemic rats in the intermediate (1.796 +/- 0.659 AU) and distal (1.901 +/- 0.766 AU) segments were significantly higher than the values for the control rats (intermediate 1.262 +/- 0.450 AU, distal 1.244 +/- 0.407 AU). No significant difference was observed for the relative SLGT1 mRNA levels in the proximal segment or for the GLUT2 mRNA levels in all segments. Conclusion: Iron deficiency decreases the absorption of glucose, sodium, and water and increases SGLT1 mRNA in the intermediate and distal segments of the small intestine of rats. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Maternal protein restriction during pregnancy affects gene expression and immunolocalization of intestinal nutrient transporters in rats

Intrauterine dietary restriction may cause changes in the functioning of offspring organs and systems later in life, an effect known as fetal programming. The present study evaluated mRNA abundance and immunolocalization of nutrient transporters as well as enterocytes proliferation in the proximal, median and distal segments of small intestine of rats born to protein-restricted dams. Pregnant rats were fed hypoproteic (6% protein) or control (17% protein) diets, and offspring rats were evaluated at 3 and 16 weeks of age. The presence of SGLT1 (sodium-glucose co-transporter 1), GLUT2 (glucose transporter 2), PEPT1 (peptide transporter 1) and the intestinal proliferation were evaluated by immunohistochemical techniques and the abundance of specific mRNA for SGLT1, GLUT2 and PEPT1 was assessed by the real-time PCR technique. Rats born to protein-restricted dams showed higher cell proliferation in all intestinal segments and higher gene expression of SGLT1 and PEPT1 in the duodenum. Moreover, in adult animals born to protein-restricted dams the immunoreactivity of SGLT1, GLUT2 and PEPT1in the duodenum was more intense than in control rats. Taken together, the results indicate that changes in the small intestine observed in adulthood can be programmed during the gestation. In addition, they show that this response is caused by both up-regulation in transporter gene expression, a specific adaptation mechanism, and intestinal proliferation, an unspecific adaptation mechanism.

Flexibilidade fenótipica do trato digestório: efeitos da restrição alimentar e realimentação em frangos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Uso de probiótico e óleos essenciais na ração sobre a microbiota intestinal, atividade de enzimas digestivas e a expressão de genes relacionados aos processos de digestão e absorção de nutrientes em frangos

Pós-graduação em Zootecnia - FCAV