Résumé : The prevalence of type 2 diabetes is increasing dramatically and poses a major health and socio-economic burden worldwide. High levels of saturated free fatty acids (FFAs), associated with Western diets and obesity, contribute to insulin resistance and beta cell failure and are predictive of the future development of type 2 diabetes. Mitochondrial dysfunction and endoplasmic reticulum (ER) stress play central roles in FFA-mediated beta cell dysfunction and death. The synthesis and secretion of insulin in response to glucose, poses a challenge to beta cell ER function. The unfolded protein response (UPR) is triggered to cope with perturbations to ER homeostasis but can ultimately lead to beta cell apoptosis if ER stress is not resolved. Withal, the excessive production of reactive oxygen species as byproducts of oxidative metabolism leads to oxidative stress, mitochondrial dysfunction and further aggravates ER stress. Here we have explored the molecular mechanisms underlying beta cell loss due to mitochondrial and ER dysfunction and demonstrated the potential of relieving oxidative and ER stresses as therapeutic approach for type 2 diabetes. Palmitate and oleate are the most common saturated and unsaturated FFAs in the circulation and thus widely used in lipotoxicity studies. Because FFAs have low aqueous solubility, they are often conjugated to albumin. We show that this binding critically determines the fraction of unbound FFA accessible for cellular uptake and consequently the biological effect of these fatty acids. By comparing different preparations of FFAs and bovine serum albumin, we have set up an in vitro model of lipotoxicity in pancreatic beta cells. Using this model, we have shown that the beta-carboline alkaloid compound harmine holds potential in preventing lipotoxic beta cell ER stress by regulating key factors in the UPR and the intrinsic pathway of apoptosis. Together with the previously reported mitogenic effects of harmine on human beta cells, these data support the anti-diabetic potential of this drug. The loss of function of the mitochondrial protein frataxin is responsible for the clinical and morphological manifestations of the neurodegenerative disease Friedreich ataxia, including the high prevalence of diabetes. Using this model of monogenic diabetes, we showed that frataxin deficiency leads to mitochondrial dysfunction and oxidative stress-mediated apoptosis in neuronal and beta cells. Glucagon-like peptide-1 analogs are known to improve beta cell function and survival and are currently used for the treatment of type 2 diabetes. These effects are in part attributed to the modulation of the UPR and apoptosis signaling. Here we have shown that these agents are able to protect frataxin-deficient sensory neurons and beta cells by normalizing mitochondrial oxidative state and improve mitochondrial function. Altogether, these finding suggests that prevention of beta cell mitochondrial and ER dysfunction through modulation of specific factors and pathways that signal oxidative and ER stress, has therapeutic potential in type 2 diabetes. A better understanding of such mechanisms should pave the way for the development of novel and targeted approaches to prevent type 2 diabetes.
La prévalence du diabète de type 2 augmente considérablement et constitue un problème de santé publique et socio-économique majeur. Un niveau élevé d'acides gras libres saturés (AGL), associé a un régime alimentaire hautement calorique ainsi qu’à l'obésité, contribuent à la résistance à l'insuline, au dysfonctionnement des cellules bêta et sont liés au développement futur du diabète de type 2. Le dysfonctionnement mitochondrial et le stress du réticulum endoplasmique (RE) jouent un rôle central dans la défaillance et la mort des cellules bêta causée par les AGL. La synthèse et la sécrétion de l’insuline en réponse au glucose constituent un défi pour la fonction du RE des cellules bêta. La réponse aux protéines non repliées (unfolded protein response, UPR) est déclenchée pour faire face aux perturbations de l'homéostasie du RE mais elle peut finalement conduire à l'apoptose des cellules bêta si le stress du RE n'est pas résolu. En outre, la production excessive de dérivés réactifs de l'oxygène en tant que sous-produits du métabolisme oxydatif entraîne un stress oxydatif, un dysfonctionnement mitochondrial et aggrave davantage le stress du RE. Nous avons exploré les mécanismes moléculaires sous-jacents à la perte de cellules bêta due au dysfonctionnement mitochondrial et du RE et démontré le potentiel de réduction des stress oxydatifs et du RE comme approche thérapeutique du diabète de type 2.Le palmitate et l'oléate sont les acides gras libres saturés et insaturés les plus courants dans la circulation et sont donc largement utilisés dans les études de lipotoxicité. Comme les acides gras libres ont une faible solubilité dans l’eau, ils sont souvent conjugués à l’albumine. Nous démontrons que cette liaison détermine de manière critique la portion des AGL non liés accessibles pour l'absorption cellulaire et par conséquent l'effet biologique de ces acides gras. En comparant différentes préparations de AGL et d’albumine de sérum bovin, nous avons mis en place un modèle in vitro de lipotoxicité dans les cellules bêta du pancréas. À l'aide de ce modèle, nous avons montré que l'harmine, un alcaloïde bêta-carboline, peut prévenir le stress lipotoxique du RE dans les cellules bêta en régulant les facteurs clés de l'UPR et la voie intrinsèque de l'apoptose. Conjuguées aux effets mitogènes de l'harmine sur les cellules bêta humaines, ces données confirment le potentiel antidiabétique de cette substance. La déficience de la protéine mitochondriale frataxine est responsable des manifestations cliniques et morphologiques de la maladie neurodégénérative de l'ataxie de Friedreich, y compris la prévalence élevée du diabète. En utilisant ce modèle de diabète monogénique, nous avons montré que la carence en frataxine conduit au dysfonctionnement mitochondrial et à l’apoptose, induite par le stress oxydant, des cellules neuronales et cellules bêta. Les analogues du glucagon-like peptide-1 sont connus pour améliorer la fonction et la survie des cellules bêta. Ils sont actuellement utilisés pour le traitement du diabète de type 2. Ces effets sont en partie attribués à la modulation de la signalisation de l'UPR et de l'apoptose. Nous avons montré ici que ces substances sont capables de protéger les neurones sensoriels et les cellules bêta déficients en frataxine en normalisant l'état oxydatif mitochondrial et en améliorant la fonction mitochondriale. Dans l'ensemble, ces résultats suggèrent que la prévention du dysfonctionnement mitochondriale et du RE dans la cellule bêta, par la modulation de facteurs et de voies spécifiques qui signalent un stress oxydatif et du RE, a un potentiel thérapeutique du diabète de type 2. Une meilleure compréhension de ces mécanismes devrait ouvrir la voie à l'élaboration d'approches nouvelles et ciblées pour prévenir le diabète de type 2.