Transcription factors and downstream genes modulating TNF-gas + IFN-gcs induced beta cell apoptosis

TNF-α+IFN-γ induces beta cell apoptosis through the intrinsic pathway of cell death. This involved activation of the BH3 only proteins DP5, PUMA and Bim. Knockdown (KD) of either DP5 or PUMA or both led to a partial protection of INS-1E cells (12-20%), while silencing Bim led to about 60% protection against cytokine-induced apoptosis. Bim is transcriptionally induced by activated STAT1. TNF-α+IFN-γ also induces downregulation of Bcl-XL, an anti-apoptotic Bcl-2 gene which inhibits Bim. Knocking down Bcl-XL alone led to increase in apoptosis, but this was prevented by the parallel KD of Bim.

The ultimate goal of our research is to protect beta cells from the autoimmune assault. Previous data revealed that JunB inhibits ER stress and apoptosis in beta cells treated with IL-β+IFN-γ. Here, TNF-α+IFN-γ up-regulated the expression of JunB which was downstream of activated NF-ĸB. JunB KD exacerbated TNF-α+IFN-γ induced beta cell death in primary rat beta cells and INS-1E cells. The gene networks affected by JunB were studied by microarray analysis. JunB regulates 20-25% of the cytokine-modified beta cell genes, including the transcription factor ATF3 and Bcl-XL. ATF3 expression was increased in cytokine-treated human islets and in vitro silencing of JunB led to >60% reduction in ATF3 overexpression. We confirmed direct JunB regulation of the ATF3 promoter by its binding to an ATF/CRE site. Silencing of ATF3 aggravated TNF-α+IFN-γ induced cell death in beta cells and led to the downregulation of Bcl-XL expression in INS-1E cells. Pharmacological upregulation of JunB using forskolin led to upregulation of ATF3 and consistent protection of these cells against cytokine-induced cell death, while genetic overexpression of JunB in mice increased ATF3 expression in the pancreatic islets and reversed the pro-apoptotic effects of cytokines on beta cells (±40 % protection).

As a whole, our findings indicate that TNF-α+IFN-γ triggers beta cell apoptosis by the upregulation of the pro-apoptotic protein Bim and downregulation of the Bcl-XL protein. These deleterious effects are at least in part antagonized by JunB via activation of ATF3.

Dans le diabète de type 1 (DT1), la combinaison de facteurs génétiques de prédisposition et de l'environnement déclenche l'inflammation des îlots de Langerhans (insulite) conduisant à une destruction sélective et progressive des cellules bêta du pancréas. Les cellules bêta meurent principalement d’apoptose, déclenchée au moins en partie par les cytokines pro-inflammatoires sécrétées par les cellules immunitaires comme l’IL-β, le TNF-α l’IFN-γ. De récentes découvertes suggèrent que la voie mitochondriale de la mort cellulaire jouerait un rôle dans la mort de ces cellules. L'analyse de réseaux de gène utilisant les biopuces d’ADN indique que l’association TNF-α+IFN-γ induit l’activation de facteurs de transcription tels que NF-ĸB, STAT1 et AP-1 dans la cellule bêta. Dans ce contexte, nous avons cherché à examiner les voies de l'apoptose déclenchées par le TNF-α+IFN-γ dans la cellule bêta.

En présence de TNF-α+IFN-γ les cellules bêta meurent par apoptose via la voie intrinsèque. L’activation des protéines pro-apoptotiques « BH3-seulement » dont DP5, PUMA et Bim étaient en cause de cette apoptose. Le « knockdown »1 (KD), de DP5 ou de PUMA, ou des deux en même temps conduit à une protection partielle des cellules INS-1E (12-20%), tandis que le KD de Bim conduit à environ 60% de protection contre l’apoptose induite par cette combinaison de cytokines. La transcription de Bim est induite par STAT1 activé. Parallèlement à la régulation positive de Bim, TNF-α+IFN-γ conduit à la régulation négative de la protéine Bcl-XL. Bcl-XL est une protèine anti-apoptotique de la famille de protèines Bcl-2 qui en general inhibe Bim. Réduire l’expression de Bcl-XL seul induit une augmention de l'apoptose, alors que le KD de Bim et Bcl-XL en parallèle empêche l'apoptose.

Le but ultime de notre recherche est de protéger les cellules bêta des agressions autoimmunitaires. Les données antérieures ont révélé que JunB inhibe le stress du réticulum endoplasmique et l'apoptose dans les cellules bêta traitées avec IL-β+IFN-γ. Nous avons observé que TNF-α+IFN-γ induit l'expression de JunB qui se produit en aval de NF-ĸB activé. Il est important de noter que l’inactivation de JunB par des agents interférants de l’ARN (siRNA) exacerbe la mort des cellules primaires bêta de rat et de cellules INS-1E induite par les cytokines. Les réseaux de gènes touchés par JunB ont été étudiés grâce a l'analyse en microréseaux. JunB règule 20-25% des gènes modifiés par des cytokines dans les cellules bêta, y compris le facteur de transcription ATF3 et Bcl-XL. L’expression d’ATF3 est augmenté dans les îlots humains traités avec les cytokines et la répression in vitro de JunB conduit à une réduction de >60% de l’expression d’ATF3. Nous avons confirmé la régulation d’ATF3 par JunB en montrant que JunB est directement lié au promoteur d’ATF3 via le site ATF/CRE. La diminution d’expression d’ATF3 en presence de TNF-α+IFN-γ a aggravé la mort cellulaire induite dans les cellules bêta et a conduit à la régulation négative de l'expression de Bcl-XL dans les cellules INS-1E. L’augmentation pharmacologique de JunB dans les cellules INS-1E par l’utilisation de forskolin a conduit à la régulation positive en aval d’ATF3 et par conséquente à la protection de cellules bêta vis-a-vis de effets indésirables des cytokines. Dans cette optique, la surexpression génétique de JunB dans le modèle Ubi-JunB de souris transgénique a conduit à une surexpression d’ATF3 dans les îlots pancréatiques et a permir d’inverser les effets pro-apoptotiques de cytokines sur la cellule bêta (protection ± 40%).

Globalement, ces résultats indiquent que TNF-α+IFN-γ déclenche l'apoptose des cellules bêta par la régulation positive du gène pro-apoptotique Bim et la régulation négative du gène anti-apoptotique Bcl-XL. Ces effets indésirables sont inhibé en partie par JunB via l’activation de ATF3.

1Pas d’équivalent en français. Signifie la réduction de l’expression d’un gène via utilisation d’un siRNA (agent interférant de l’ARN).