Étude des voies de signalisation en aval du récepteur FFA1/GPR40 dans la cellule bêta pancréatique

Abstract

Le diabète de type 2 est caractérisé par une incapacité de la cellule bêta pancréatique à produire suffisamment d’insuline pour maintenir la glycémie à des concentrations physiologiques. Le récepteur couplé aux protéines G GPR40 est une cible thérapeutique potentielle pour le diabète de type 2 puisque son activation par les acides gras de moyenne à longue chaîne potentialise la sécrétion d’insuline. Les molécules effectrices en aval de ce récepteur qui sont responsables de la potentialisation de la sécrétion d’insuline demeurent cependant inconnues. Le but de cette thèse était donc d’identifier les molécules effectrices de la voie de signalisation du récepteur GPR40 et étudier comment ces molécules influencent la sécrétion d’insuline. Plusieurs mécanismes sont impliqués dans le transport et la sécrétion d’insuline en réponse au glucose, dont le remodelage des filaments d’actine qui facilite le recrutement des granules d’insuline à la membrane. Nous avons observé que la protéine kinase D1 (PKD1) joue un rôle important pour le remodelage des filaments d’actine qui résulte de l’activation du récepteur GPR40 par les acides gras. Nous avons aussi démontré que PKD1 est essentielle pour la potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Nos résultats ont aussi permis de mettre en évidence le rôle important du diacylglycérol comme second messager en aval du récepteur GPR40. Nous avons ensuite étudié le rôle que joue la kinase 4 activée par p21 (PAK4) dans la potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras puisqu’elle est une cible de PKD1 connue dans d’autres modèles cellulaires. Nous avons observé que PAK4 est phosphorylée en réponse aux acides gras dans les îlots de Langerhans humains et que sa phosphorylation en réponse aux acides gras dépend de la présence du récepteur GPR40. Tout comme PKD1, l’absence de PAK4 réduit significativement la potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Comme le récepteur GPR40 est essentiel à l’augmentation compensatoire de la sécrétion d’insuline durant une diète riche en lipides, nous avons étudié le rôle que joue PKD1 dans les îlots de Langerhans de souris qui sont nourries une diète riche en lipides. L’absence de PKD1 dans les cellules bêta pancréatiques accélère le développement de l’hyperglycémie et de l’hyperinsulinémie associées à une diète riche en lipides. La sécrétion d’insuline en réponse au glucose durant un clamp hyperglycémique à la suite d’une diète riche en lipides est aussi significativement réduite chez les souris déficientes pour PKD1 dans les cellules bêta pancréatiques comparativement aux souris contrôles. Ainsi, nous avons conclu que PKD1 est impliquée dans l’augmentation compensatoire de la sécrétion d’insuline induite par une diète riche en lipides chez la souris. Dans son ensemble, les résultats présentés dans cette thèse exposent de nombreuses composantes essentielles à la potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Cette thèse explore aussi l’impact de la dysfonction de la cellule bêta pancréatique sur l’augmentation compensatoire de la sécrétion d’insuline durant une diète riche en lipides. Enfin, cette thèse discute du potentiel de GPR40 comme cible thérapeutique pour le traitement du diabète de type 2.

Type 2 diabetes is characterized by the pancreatic beta cells’ incapacity to secrete sufficient insulin to maintain normal physiological glycaemia. The G-protein coupled-receptor GPR40 (GPR40) is a potential pharmaceutical target to treat type 2 diabetes since its activation by medium to long chain fatty acids potentiates glucose-induced insulin secretion. However, the effector molecules downstream GPR40’s signalling pathway that are responsible for the potentiation of insulin secretion remain unknown. The aim of this thesis is therefore to identify these effector molecules and determine how they influence insulin secretion. Many mechanisms are involved in the transport and the exocytosis of insulin granules in response to glucose. An important step during insulin secretion is actin filament remodeling which facilitates the recruitment of insulin granules at the membrane. A decrease in expression of a single molecule involved in actin remodeling is sufficient to significantly reduce insulin secretion in response to glucose. We observed that the protein kinase D1 (PKD1) plays an essential role for the actin remodeling resulting from GPR40’s activation by fatty acids. We also demonstrated that PKD1 is essential for the potentiation of insulin secretion by fatty acids without affecting insulin secretion induced by glucose alone. Our results have also shown that diacylglycerol acts as an important second messenger downstream of GPR40, and the GPR40-mediated potentiation mainly results from increasing the second phase of insulin secretion. We also investigated the role of p21-activated kinase 4 (PAK4) in the potentiation of insulin secretion by fatty acids since PAK4 is known to be a PKD1 substrate in other cell models. We observed that PAK4 is phosphorylated in response to fatty acids in human Langerhans islets and that its phosphorylation in response to fatty acids depends on GPR40’s presence in mice islets. Similarly to PKD1, a reduction in PAK4 protein significantly alters the potentiation of insulin secretion by fatty acids without affecting insulin secretion in response to glucose itself. As GPR40’s activation is essential for the compensatory increase in insulin secretion during high-fat feeding in mice, we investigated the role of PKD1 in Langerhans islets when mice are fed a high-fat diet. PKD1’s absence in pancreatic beta cells accelerated the apparition of high-fat diet induced hyperglycemia and hyperinsulinemia. We also noticed following a high-fat diet that the insulin secretion in response to glucose during a hyperglycemic clamp is significantly reduced in mice deficient for PKD1 in pancreatic beta cells compared to control mice. We therefore concluded PKD1 is implicated in the compensatory increase in insulin secretion during high-fat feeding in mice. The results presented in this thesis therefore elucidate essential components involved in the potentiation of insulin secretion by fatty acids. This thesis also explores the impact of pancreatic beta cell dysfunction on the compensatory increase in insulin secretion during a high-fat diet and also discusses the potential of GPR40 as a drug target for type 2 diabetes following the unsuccessful clinical trials of GPR40 agonists.