Rôle de l’enzyme PAS kinase dans la régulation du facteur de transcription PDX-1 dans la cellule bêta pancréatique

Abstract

Le diabète de type 2 (DT2) se caractérise par une production insuffisante d'insuline par le pancréas ainsi qu'une résistance des tissus périphériques à l'action de l'insuline. Dans les cellules bêta pancréatiques, le glucose stimule la production de l'insuline en induisant la transcription de son gène et la traduction ainsi que la sécrétion de sa protéine. Paradoxalement, une exposition prolongée et simultanée de ces cellules à de hautes concentrations de glucose en présence d'acides gras conduit à la détérioration de la fonction bêta pancréatique et au développement du DT2. Toutefois, les mécanismes moléculaires responsables de ces effets du glucose ne sont que partiellement connus. L'objectif du travail décrit dans cette thèse est d'identifier les mécanismes responsables de la régulation de la transcription du gène de l'insuline.

PDX-1 (de l’anglais pour pancreatic and duodenal homeobox 1) est un facteur de transcription majeur et essentiel tant pour le développement du pancréas que pour le maintien de sa fonction à l'état adulte. En réponse au glucose, PDX-1 se lie au promoteur du gène de l'insuline et induit sa transcription. Ceci est inhibé par l'acide gras palmitate. Dans la première partie des travaux effectués dans le cadre de cette thèse, nous avons identifié deux mécanismes de régulation de la transcription du gène de l'insuline: le premier via ERK1/2 (de l'anglais pour extracellular-signal-regulated protein kinases 1 and 2) et le second par l’enzyme PASK (pour per-arnt-sim kinase). Nous avons également mis en évidence l'existence d'un troisième mécanisme impliquant l'inhibition de l'expression du facteur de transcription MafA par le palmitate. Nos travaux indiquent que la contribution de la signalisation via PASK est majeure. L'expression de PASK est augmentée par le glucose et inhibée par le palmitate. Sa surexpression dans les cellules MIN6 et les îlots isolés de rats, mime les effets du glucose sur l'expression du gène de l'insuline ainsi que sur l'expression de PDX-1 et prévient les effets délétères du palmitate. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons identifié un nouveau mécanisme par lequel PASK augmente la stabilité protéique de PDX-1, soit via la phosphorylation et l'inactivation de la protéine kinase GSK3 bêta (de l'anglais pour glycogen synthase kinase 3 beta).

Le glucose induit la translocation de PDX-1 du cytoplasme vers le noyau, ce qui est essentiel à sa liaison au promoteur de ses gènes cibles. L'exclusion nucléaire de PDX-1 a été observée dans plusieurs modèles ex vivo et in vivo de dysfonction de la cellule bêta pancréatique. Dans le dernier volet de cette thèse, nous avons démontré l'importance de l'utilisation de cellules primaires (îlots isolés et dispersés) pour étudier la translocation nucléaire de PDX-1 endogène étant donné que ce mode de régulation est absent dans les lignées insulino-sécrétrices MIN6 et HIT-T15.

Ces études nous ont permis d'identifier et de mieux comprendre les mécanismes régulant la transcription du gène de l'insuline via le facteur de transcription PDX-1. Les cibles moléculaires ainsi identifiées pourraient contribuer au développement de nouvelles approches thérapeutiques pour le traitement du diabète de type 2.

Mots-clés : Diabète, îlots de Langerhans, cellule bêta pancréatique, gène de l'insuline, PDX-1, PASK, GSK3 bêta, ERK1/2, PKB, glucose, palmitate.

Type 2 diabetes (T2D) is characterized by an impaired insulin secretion from the pancreas and a peripheral insulin resistance. In pancreatic beta cells, glucose stimulates insulin production by inducing its gene transcription, translation and secretion. Chronic and simultaneous exposure of pancreatic beta cells to elevated glucose concentrations in the presence of fatty acids lead to the deterioration of their function and the development T2D. However, the molecular mechanisms underlying this regulation are not completely known. The aim of this thesis is to identify the mechanisms involved in the regulation of insulin gene transcription.

PDX-1 is a major transcription factor that is essential for the development and function of the pancreas. In response to glucose, PDX-1 binds to the insulin gene promoter and triggers its transcription. This is inhibited by the fatty acid palmitate. In the first study, we identified two mechanisms of regulation of insulin gene transcription. An ERK1/2 (extracellular-signal-regulated kinase 1 and 2)- and a PASK (Per-Arnt-Sim kinase)-mediated pathways. We also show evidence of a third mechanism that involves inhibition of the expression of the transcription factor MafA by palmitate.

Our data indicate that PASK-mediated regulation of insulin gene transcription is a major pathway. PASK expression is induced by glucose and inhibited palmitate. Its overexpression in MIN6 cells and isolated rat islet mimics the effect of glucose on both insulin gene transcription and PDX-1 expression and it prevents the inhibitory effects of palmitate.

In the second part of this work, we identified a novel role of PASK in the pancreatic beta cell, by which it promotes PDX-1 protein stability, via phosphorylation and inactivation of GSK3 beta (glycogen synthase kinase 3 beta).

Glucose induces PDX-1 nuclear translocation which is required for its binding to the promoter of its target genes. Nuclear exclusion of PDX-1 has been observed in both ex vivo and in vivo models of beta cell dysfunction. Here, we demonstrate the importance of using isolated islets to study endogenous PDX-1 nuclear translocation as this regulation is absent in the insulin secreting cell lines MIN6 and HIT-T15.

This work has led us to identify and better understand the mechanisms of regulation of insulin gene transcription via PDX-1. The molecular targets herein identified, may contribute to the development of new therapeutic approaches T2D treatment.

Keywords : Diabetes, islets of Langerhans, pancreatic beta cells, insulin gene, PDX-1, PASK, GSK3 beta, ERK1/2, PKB, glucose, palmitate.