GLP-1 et sécrétion d’insuline
aperçu de la voie sensible à L’ATP.
la sécrétion d’insuline stimulée par le Glucose (GSIS) est régulée par un certain nombre de voies de signalisation ioniques et non ioniques, également appelées voies dépendantes et indépendantes du KATP (34,35). Le mécanisme KATP-dépendant du couplage stimulus-sécrétion est examiné dans la Fig. 1., En général, la cellule β adapte la sécrétion d’insuline aux niveaux de glucose sanguin dominants par le métabolisme du glucose. Lorsque les niveaux de glucose augmentent, le taux de glycolyse augmente, ce qui génère des substrats (principalement du pyruvate) pour le métabolisme oxydatif mitochondrial, dont le résultat est la génération d’ATP, ou plus correctement une augmentation du rapport ATP-ADP (36). Cet événement fournit le lien fonctionnel entre un stimulus de glucose et la sécrétion d’insuline., L’augmentation de ce rapport provoque la fermeture des canaux KATP des cellules β, entraînant une dépolarisation de la membrane plasmique, l’activation des canaux Ca2+ voltage-dépendants (VDCCs) et une augmentation de la concentration intracellulaire de Ca2+ (i), le principal déclencheur de la sécrétion d’insuline. La repolarisation des cellules β est probablement médiée par des canaux K+ (Kv) Tension-dépendants et des canaux K+(KCa) tension-dépendants (37) sensibles au Ca2+, qui s’ouvrent en réponse à la dépolarisation membranaire induite par le glucose pour restaurer le flux extérieur de K+., Le GLP – 1 est proposé pour moduler le GSIS en régulant l’activité de plusieurs canaux ioniques impliqués dans la sécrétion D’insuline dépendante du KATP ainsi que des étapes distales à la modulation du canal.
canaux GLP-1 et β-cell KATP.
L’un des nombreux effets cellulaires observés du GLP-1 est l’inhibition des canaux KATP des cellules β (38-40). La dépolarisation membranaire résultante induite par la fermeture du canal KATP initie l’afflux de Ca2 + à travers les VDCCs et déclenche la libération exocytotique d’insuline., La Figure 2 montre l’effet excitateur du GLP-1 sur le potentiel membranaire et son effet inhibiteur à la fois sur les courants de canaux KATP natifs des cellules INS-1 et sur les courants médiés par les canaux KATP recombinants (SUR1/Kir6.2) coexprimés avec le récepteur GLP-1 dans une lignée cellulaire de mammifères. Les conséquences physiologiques de la fermeture du canal KATP facilitée par le GLP-1 seraient de 1) Augmenter l’excitabilité des cellules déjà au-dessus du seuil de libération d’insuline et 2) augmenter le pourcentage de cellules β sécrétant activement de l’insuline à des concentrations de glucose normalement inférieures au seuil de libération d’insuline.,
le consensus est que L’effet inhibiteur du GLP-1 sur les canaux KATP dépend de l’AMPc/PKA (38-41), bien qu’une étude utilisant des cellules β de rat ne soit pas d’accord (42). Cette affirmation de Suga et al. (42) est basé sur leur constatation que L’inhibiteur spécifique de la PKA, Rp-cAMPS (100 µmol/l), était incapable d’empêcher la dépolarisation cellulaire et la réduction du courant KATP à cellules entières provoquées par le GLP-1. L’exhaustivité de l’inhibition de la PKA par RP-cAMPS doit être remise en question car dans la même étude, la forskoline a induit une sécrétion significative d’insuline même en présence de RP-cAMPS. Deuxièmement, Suga et coll., suggèrent que le GLP – 1 provoque une légère augmentation de la sensibilité à l’ATP du canal KATP de telle sorte qu’à de faibles concentrations micromolaires D’ATP, le canal KATP sera plus susceptible de se fermer. Cependant, dans la cellule β pancréatique normale du rat, des niveaux millimolaires d’ATP sont présents (43), et à ces niveaux physiologiques D’ATP, des probabilités D’ouverture du canal KATP (Po) très similaires en l’absence et la présence de GLP-1 sont prédites comme suit. Nos calculs indiquent qu’avec un intracellulaire de 2 mmol/L, le canal KATP Po est réduit de 0,005 à 0,003 en présence de GLP-1., Il est plausible qu’un déplacement vers la gauche de la sensibilité à L’ATP se produise en présence de GLP-1. Cependant, l’amplitude observée de la réduction du courant KATP induite par le GLP-1 observée dans les enregistrements patch-clamp de cellules entières (Fig. 2) est probablement trop importante pour être expliquée uniquement par les faibles diminutions de Po calculées à partir des données de Suga et al. (42). Des travaux récents de notre laboratoire ont montré que L’inhibiteur PKA spécifique à la membrane perméante H-89 (44) est capable d’inhiber complètement la réduction du courant KATP par le GLP-1 (45)., De plus, d’autres ont montré des résultats similaires en utilisant RP-8-Br-cAMPS, un analogue plus perméable à la membrane de RP-cAMPS (38,41). Les actions du GLP-1 sur les canaux KATP peuvent également impliquer d’autres voies de signalisation car il a été démontré que l’inhibition du canal KATP par le GLP-1 dans les cellules β de souris dépendait de la calmoduline, en utilisant les inhibiteurs de la calmoduline W-7 et le calmidazolium (46).
la dépendance au glucose des actions du GLP-1 est bien établie, bien que les mécanismes précis de cette dépendance ne soient pas clairs (41,47)., Cependant, les actions cellulaires du PKA sur le canal KATP peuvent fournir un lien entre cette kinase et la sensibilité au glucose du GLP-1. D’autres groupes ont montré que l’addition de la sous-unité catalytique de PKA (cPKA) à des plaques excisées contenant des canaux KATP entraîne une augmentation du courant KATP (39,48). Notre laboratoire a récemment montré que l’effet de la cPKA sur le courant KATP dépend de L’ADP (45). Lorsque les niveaux D’ADP sont élevés, cPKA augmente le courant du canal KATP dans un système recombinant, conformément aux résultats de Lin et al. (39)., Inversement, à mesure que les niveaux D’ADP diminuent, la cPKA réduit le courant KATP (45). Physiologiquement, cela peut entraîner une amélioration négligeable de l’excitabilité des cellules β lorsque les niveaux de glucose sont faibles (élevés ), tandis que lorsque les niveaux de glucose augmentent (faibles ), la fermeture des canaux KATP médiée par le GLP-1, via une voie dépendante du PKA, conduit à une dépolarisation membranaire et à une augmentation ultérieure de l’excitabilité des cellules β., Une attention particulière doit être accordée au rapport ATP-ADP cellulaire lors de l’examen de L’activité des canaux KATP, car ce sont les changements de ce rapport, plus que simplement les changements intracellulaires en soi, qui régissent l’activité des canaux KATP dans la cellule β intacte. L’ATP libre est fortement tamponné à l’intérieur de la cellule par la membrane et les ATPases cytosoliques (43) et ne devrait pas changer de manière significative avec l’augmentation du métabolisme du glucose (36). En revanche, la variation réciproque de L’ADP, qui n’est pas tamponnée dans la même mesure, est plus significative et entraîne une modification du rapport ATP / ADP (36)., En effet, l’importance de L’ADP dans le contrôle de l’activité du canal KATP des cellules β a été démontrée parce que des mutations dans la région de détection de L’ADP du canal KATP humain entraînent une sécrétion incontrôlée d’insuline et une hypoglycémie (49). L’identité moléculaire du ou des sites de phosphorylation du PKA revêt une importance significative et est encore à l’étude. Les deux Kir6.,Les sous-unités 2 et SUR1 du canal KATP contiennent des séquences cibles présumées pour la phosphorylation médiée par le PKA (39,48), et la mutation systématique de ces résidus devrait clarifier les contributions relatives de ces sites à l’action du PKA sur le canal KATP.
GLP-1, vdccs et réserves intracellulaires de Ca2+.
Il a été démontré que le GLP-1 améliore les courants à travers les VDCCs chez la souris, le rat et les cellules β humaines (38,50-52), bien que l’ampleur de cet effet varie et n’atteint souvent pas de signification statistique., Dans des cellules β humaines simples, il a été démontré que le GLP-1 augmentait l’activité VDCC de type L et l’amplitude des transitoires calciques intracellulaires évoqués par dépolarisation, un effet qui représentait 40% de l’augmentation de l’exocytose potentialisée par le GLP-1 (52). Bien que les Vdcc de type L soient classiquement considérés comme les principaux régulateurs de L’afflux de Ca2+ conduisant à la sécrétion d’insuline, les cellules β sont connues pour exprimer plusieurs isoformes de canal Ca2+ (53). Pereverzev et coll. (54) ont rapporté récemment que les souris dépourvues de L’isoforme A1E de Cav2.3 ont une tolérance réduite au glucose et une diminution des réponses insuliniques au glucose., Ils supposent que la régulation de la protéine G de ce canal peut moduler la sécrétion d’insuline en fonction de la régulation des récepteurs muscariniques de L’acétylcholine des VDCCs in vitro (55).
Nous avons trouvé dans les cellules D’insulinome HIT-T15 transfectées avec le récepteur GLP-1 que le GLP-1 provoque une augmentation des courants Ca2+ dépendants de la tension (voir 56 et Fig. 3A). Cela est dû, au moins en partie, à un déplacement vers la gauche de la dépendance de la tension d’activation qui rappelle l’effet de la phosphorylation VDCC par PKA (57,58)., Nous avons également observé un déplacement vers la droite de la dépendance en tension de l’inactivation à l’état stationnaire de telle sorte qu’en présence de GLP-1, moins de canaux étaient effectivement inactivés à un potentiel de maintien donné (50). Ceci est soutenu par Britsch et al. (50), qui suggèrent que le traitement GLP-1 des cellules β de souris ralentit l’inactivation des courants Ca2+ dépendants de la tension. De plus, le GLP-1 n’a entraîné une augmentation du calcium intracellulaire qu’après addition de glucose, un effet qui a été bloqué en partie par les antagonistes du VDCC (Fig. 3C)., La capacité de GLP-1 à améliorer les courants Ca2+ est, comme l’effet sur les canaux KATP, cAMP dépendante (51,52), basée sur la capacité de RP-cAMPS à empêcher une augmentation des courants. En effet, le traitement de cellules β de rat avec de l’AMP cyclique dibutyryle, un analogue de l’AMPc perméable à la membrane, a reproduit l’effet du GLP-1 sur les courants Ca2+ (51)., De plus, dans nos études (56), la réponse VDCC au GLP-1 a été perdue dans les cellules HIT-T15 exprimant un récepteur Mutant GLP-1 dépourvu de résidus critiques nécessaires au couplage à l’adénylyl cyclase, alors que L’activité VDCC pourrait encore être renforcée par L’agoniste indépendant de l’AMPc BAYK8644. Des preuves récentes suggèrent qu’une protéine d’ancrage de la a-kinase (AKAP), AKAP18, cible le PKA vers les VDCCs et que cette kinase pourrait être impliquée dans la modulation du GLP-1 de ces canaux (59).,
en plus des effets sur les VDCCs, le GLP-1 peut mobiliser les réserves de calcium intracellulaires de manière dépendante de l’AMPc (60,61), contribuant peut-être à la réponse oscillatoire i au GLP-1 observée dans les cellules HIT-T15 (Fig. 3 quater) (62). Nos études suggèrent que L’application de GLP-1 entraîne des oscillations en i dans les cellules HIT-T15 et que ces oscillations ne sont pas abolies (bien qu’elles soient diminuées en amplitude) par l’élimination du Ca2+ extracellulaire ou par le blocage de VDCC (Fig. 3C)., En effet, dans un certain nombre de types cellulaires, les oscillations de Ca2+ induites par un agoniste sont principalement causées par la libération de Ca2+ par l’inositol trisphosphate (IP3) et/ou par des réserves sensibles à la ryanodine (63-65). Dans les cellules β, LE GLP-1 mobilise les réserves de Ca2+ en grande partie en sensibilisant le récepteur de la ryanodine (probablement l’isoforme de type 2, RYR-2) au processus de libération de Ca2+induite par le Ca2+ (CICR) (61,66). Plusieurs études ont démontré que GLP – 1 peut augmenter i d’une manière indépendante de PKA (67-69)., Ce mécanisme a récemment été attribué au CICR à partir de réserves sensibles à la ryanodine via le facteur d’échange nucléotidique guanine régulé par l’AMPc II (GEF-II ou Epac2) et son interaction avec la petite protéine G Rap1 liée au Ras ou avec le petit effecteur de protéine G Rab3 Rim2 (68). L’importance du cAMP-GEF-II-Rim2 a été démontrée, car l’inactivation de ce complexe (par des oligonucléotides antisens ou des constructions mutantes) a atténué la réponse sécrétoire des îlots de souris ou des cellules d’insulinome MIN6 au GLP-1 (67)., Étant donné que l’affinité du cAMP pour le PKA est beaucoup plus élevée (∼100 nmol/l) par rapport au cAMP-FEM-II (cAMP 10 mmol/L), il est intéressant de supposer que la voie du camp-FEM-II stimulée par les BPL-1 pourrait opérer sur une augmentation du cAMP local plutôt que sur des changements globaux., Bien que la signalisation du récepteur GLP-1 stimule la production D’IP3 dans les cellules COS exprimant le récepteur GLP-1 (70), un rôle pour les réserves de Ca2+ sensibles à L’IP3 dans global i est mis en doute parce que la production d’IP3 stimulée par le GLP-1 dans les cellules β primaires serait minime (71,72) et Cependant, la libération de Ca2+ régulée par IP3 par les granules d’insuline a été suggérée par les études de Nakagaki et al., (62), qui suggèrent que le GLP-1 peut réguler de manière unique la libération temporelle et spatiale du calcium intracellulaire par la signalisation IP3 locale. Ainsi, la libération médiée par le GLP-1 des réserves intracellulaires, ainsi que la potentialisation de L’entrée de Ca2+ par les VDCCs, contribuent probablement à l’effet insulinotrope du GLP-1.
canaux GLP-1 et β-cell Kv.
Les courants K+ dépendants de la tension, tels que ceux médiés par les canaux Kv ou KCa, médient la repolarisation des cellules β après un stimulus dépolarisant, tel que le glucose (37)., Récemment, nous avons rapporté que les canaux de la famille Kv1 et Kv2 régulent la sécrétion d’insuline, car le knockout fonctionnel dominant-négatif de l’une ou l’autre de ces familles de canaux a amélioré le GSIS (73). Les canaux Kv2.1 médient la majorité de cet effet (>60%), dont le mécanisme implique une dépolarisation membranaire stimulée par le glucose et une entrée de Ca2+ (observations non publiées). Étant donné que les courants kV des cellules β sont de puissants régulateurs dépendants du glucose de la sécrétion d’insuline, nous avons émis l’hypothèse que les sécrétagogues physiologiques, tels que le GLP-1, peuvent réguler la fonction du canal Kv., En effet, nous rapportons ailleurs dans ce supplément que l’agoniste du récepteur GLP-1, l’exendine 4, inhibe les courants K+ externes voltage-dépendants dans les cellules β De rat serrées en tension dans la configuration de la cellule entière de 40% et prolonge significativement le déroulement temporel de la repolarisation des cellules β après dépolarisation transitoire par injection de courant. Cela se compare à une réduction de 86% des courants K+ vers l’extérieur obtenue avec le tétraéthylammonium, antagoniste général du canal Kv. Le GLP-1 a antagonisé les courants K+ externes dépendants de la tension dans les cellules β de rat en l’absence de glucose., Cependant, cet effet peut encore contribuer à la dépendance au glucose de L’effet insulinotrope du GLP-1, car les canaux Kv ne devraient normalement être actifs qu’après une dépolarisation induite par le glucose de la membrane cellulaire (37). De plus, et de manière similaire à l’effet du GLP-1 sur les autres canaux ioniques mentionnés ci-dessus, l’inhibition médiée par l’exendine 4 des canaux kV des cellules β dépend de la signalisation de l’AMPc. Une étude récente, cependant, a suggéré que la signalisation de l’AMPc n’était pas suffisante en soi pour antagoniser les courants K+ dépendants de la tension dans une lignée cellulaire sécrétant de l’insuline (INS-1) (74).,
de nombreuses études ont décrit les effets des altérations hormonales des courants K+ tension-dépendants, à la fois excitateurs et inhibiteurs. Le mieux caractérisé de ces effets est la régulation à la baisse du courant K+ dépendant de la tension dans les lymphocytes et la régulation à la hausse dans les myocytes cardiaques (75,76). Dans ces deux tissus, la voie de signalisation cAMP/PKA a été impliquée dans la régulation de ces canaux (76,77)., Les rapports suggèrent que l’AMPc peut réduire les courants K + dépendants de la tension dans les lymphocytes murins (76) et une lignée cellulaire hypophysaire (78), mais augmenter les courants K+ dépendants de la tension dans les myocytes cardiaques (77), une découverte qui a été confirmée au niveau du canal unique dans les myocytes auriculaires de grenouille (79) et l’axone, La Phosphorylation peut se produire directement sur le canal, car la phosphorylation PKA d’un canal kV auriculaire près de l’activité accrue du canal NH2-terminus (81), et la phosphorylation des sous-unités α Du Canal Kv1 régule l’étendue de l’inhibition de ces canaux conférée par une sous-unité β régulatrice (82). La Phosphorylation des sous-unités β elles – mêmes peut également moduler l’interaction régulatrice avec les sous-unités α (83) poreuses. Il a été récemment démontré que la régulation d’un canal kV cardiaque (KvLQT) par l’AMPc nécessite L’expression D’AKAP15/18 ou D’AKAP79 (84)., De plus, une augmentation du courant K+ dépendant de la tension est impliquée dans l’inhibition induite par l’épinéphrine de l’augmentation dépendante du glucose de i dans les cellules β de souris ob/ob et + / + (85) puisque l’effet a été inversé par le tétraéthylammonium. Fait intéressant, l’effet inhibiteur de l’adrénaline sur j’ai aussi été renversée par l’adénylyl cyclase la forskoline (85). Par conséquent, nous pensons qu’il existe de plus en plus de preuves suggérant que la modulation hormonale des courants Kv est physiologiquement importante. Plus précisément, L’inhibition du GLP-1 de ces courants devrait conduire à une excitabilité accrue des cellules β.,
GLP-1 et autres canaux ioniques à cellules β.
on sait depuis longtemps que les augmentations de l’AMPc intracellulaire augmentent les courants Na+ (86), un effet qui peut être médié par la phosphorylation directe des canaux par le PKA (87). Une réponse transitoire Na+ actuelle à l’AMPc a été décrite pour la première fois dans des neurones de gastéropodes et appelée INA(AMPc) (88)., Dans les cellules sécrétrices d’insuline, l’expression de L’ARN des gènes cationiques non sélectifs mSTRPC4 et LTRPC2 a récemment été détectée dans les cellules d’insulinome et les îlots humains, respectivement (89), et l’AMPc a été rapporté pour induire l’expression du gène mNSC1, qui code un canal cation non spécifique de souris (NSCC) (90). On pense que GLP-1 améliore un NSCC portant principalement des courants Na+ (91,92). Cet effet se produit par l’activation de la signalisation de l’AMPc par le GLP-1 et la libération de réserves intracellulaires de Ca2+ et peut servir de voie modulatrice importante pour le GLP-1 dans la cellule β (40)., Il n’est pas clair si les NSCC activés par GLP-1 correspondent au courant de cation non sélectif produit par l’activation du récepteur de détection Ca2+(93), mais ce dernier effet n’impliquerait pas l’activation de la sous-unité Gs et pourrait donc ne pas impliquer la voie cAMP/PKA.
Les effets du GLP-1 sur d’autres canaux ioniques sont peu connus. Des courants Cl activés par le gonflement cellulaire ont été détectés dans les cellules sécrétrices d’insuline (94), mais le rôle de ces canaux dans la sécrétion d’insuline n’est pas clair., Les canaux Cl tels que le régulateur de conductance transmembranaire de la fibrose kystique et les canaux Cl rectifiant vers l’extérieur sont activés par la signalisation cAMP/PKA (95). S’il se produit dans la cellule β, cet effet aurait tendance à favoriser la dépolarisation. Un rapport suggère que le GLP-1 active un courant Cl sensible au Ca2+dans les ovocytes de Xenopus exprimant le récepteur GLP− 1 (96), un effet dépendant de la mobilisation du Ca2+ intracellulaire dépendant de L’Ins(1,4,5)P3 (96). Il reste à déterminer, cependant, si le GLP – 1 peut stimuler les courants Cl dans les cellules sécrétrices d’insuline.
GLP-1 et exocytose.,
Le Glucose peut exercer un effet stimulant sur l’exocytose de l’insuline, indépendamment de ses actions bien caractérisées initiées par l’inhibition des canaux KATP. L’importance de cette voie peut en partie être réalisée par le fait que les souris présentant une perturbation ciblée du KATP (Kir 6.2 ou SUR1) ne présentent pas d’anomalies manifestes de la tolérance au glucose (97,98). La sécrétion D’insuline indépendante du KATP n’est pas bien comprise et on pense qu’elle implique plusieurs signaux qui agissent sur des cibles non ioniques, en particulier les étapes distales de l’exocytose., Il a été proposé que le métabolisme du glucose est nécessaire pour cet effet stimulant et que les signaux probables incluent L’ATP, l’AMPc, le glutamate et le malonyl-CoA (Rév.dans 99 et 100). Étant donné que L’ATP, l’AMPc et le PKA sont tous impliqués dans le processus exocytotique, il est plausible de penser que le GLP-1 peut avoir des effets distaux sur les canaux ioniques, augmentant encore la sécrétion d’insuline. Il est bien connu que les actions qui suppriment l’accumulation d’AMPc induite par le GLP-1 et l’activation de la PKA inhibent la sécrétion d’insuline, ce qui suggère que l’AMPc et/ou la PKA sont les effecteurs plausibles (101)., Dans les cellules β de souris, seule une fraction de l’exocytose peut être expliquée par des actions sur le couplage stimulus-sécrétion (102). D’après des études montrant que l’AMPc induit la sécrétion en présence d’i faible et élevé, il est suggéré que l’AMPc sensibilise la machinerie exocytotique. Des études utilisant l’AMPc photoreleasable et les inhibiteurs de la PKA démontrent que l’AMPc évoque des effets dépendants et indépendants de la PKA sur l’exocytose. L’augmentation de l’AMPc, indépendamment de l’activation de la PKA, semble accélérer l’exocytose du pool facilement libérable dans les cellules β (103)., La mobilisation dépendante de la PKA des granules sécrétoires, contrairement à la génération d’AMPc elle-même, semble nécessiter un métabolisme du glucose (augmentation de L’ATP/ADP) et implique la translocation des granules (103,104). Un tel effet augmenterait la taille du bassin facilement libérable, augmenterait le taux de reconstitution du bassin et augmenterait l’exocytose. Étant donné que le GLP – 1 peut augmenter à la fois l’AMPc et la PKA, des effets sur l’exocytose peuvent être impliqués à partir de ces données., Il existe plusieurs protéines cibles potentielles pour les actions du GLP-1, y compris les protéines (105) solubles dans les cellules β Du récepteur de la protéine de fixation du facteur sensible au n-éthylmaléimide (SNARE).
GLP-1 et homéostasie de l’énergie intracellulaire.
des études récentes sur des cellules β clonales suggèrent que les actions insulinotropes du GLP-1 sont en partie médiées par une stimulation PKA-dépendante de la lipase hormono-sensible (HSL) (106). Il est proposé que les actions lipolytiques du GLP-1 provoquent la dégradation des trigycérides en acides gras libres dans les cellules β, qui sont ensuite converties en CoA à longue chaîne., Une augmentation des acides gras libres pourrait alors fournir un substrat pour l’oxydation mitochondriale et la production D’ATP, conduisant à une augmentation plus importante du rapport ATP-ADP intracellulaire et à une inhibition supplémentaire des canaux KATP. De plus, parce que L’ATP peut lui-même influencer l’exocytose, certaines des actions de GLP-1 peuvent être de cibler les étapes distales de l’exocytose, comme mentionné ci-dessus. Il a été démontré dans plusieurs études que L’ATP facilite nettement l’exocytose indépendamment de la dépolarisation cellulaire, mais dépend du Ca2+ (99)., Ainsi, un autre mécanisme potentiel pourrait expliquer la sécrétion d’insuline induite par le GLP-1.