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Drug repositioning for type 2 diabetes based on functional genomics of human islets

par Yi, Xiaoyan
Président du jury Verhoeven, Caroline
Promoteur Cnop, Miriam
Co-Promoteur Eizirik, Decio L.
Publication Non publié, 2023-09-21

Thèse de doctorat

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Résumé :

The prevalence of type 2 diabetes is increasing worldwide, and nearly 540 million people are already affected. This confers a significant burden on human health. The onset of type 2 diabetes is associated with genetic predisposition and environmental/lifestyle risk factors. Among the latter, a sedentary lifestyle and hypercaloric/ quality diets are crucial drivers of type 2 diabetes development. Type 2 diabetes is usually characterized by insulin resistance, in which the beta cells are exposed to an increased demand to secrete insulin. This increased demand causes stress on the beta cells and leads to compensation mechanisms in an attempt to maintain normal glucose levels. However, if these mechanisms fail, beta cell dysfunction will ultimately result in the onset of type 2 diabetes. This progressive beta cell failure leaves molecular footprints that account for the pathology of type 2 diabetes. Thus, I investigated the gene signatures of human islets from type 2 diabetes donors, from non-diabetic human islets upon exposure to metabolic stress (i.e., lipo- and/or glucolipotoxicity), and from human islets from type 2 diabetes patients manifesting functional recovery after culture in a non-diabetic milieu.Gene signatures related to augmented inflammatory responses and depressed beta cell function were identified in type 2 diabetes islets, in comparison with non-diabetic controls. These results were confirmed by comparing the global transcriptomes of type 2 diabetes with other inflammatory diseases, such as type 1 diabetes, Alzheimer’s disease and multiple sclerosis. Additionally, gene signatures of ER stress and inflammatory signaling were also observed in human islets exposed to lipo- and/or gluocolipotoxic conditions. Of particular interest, the ER function (i.e., protein folding and sorting) and mitochondrial function (i.e., TCA cycle, oxidative phosphorylation)-related genes are severely perturbed with opposite direction between type 2 diabetes islets and in vitro experimental models, i.e., these signatures were upregulated in metabolic conditions but depleted in type 2 diabetes. Based on these findings, we hypothesize that the ER and mitochondrial function is enhanced to cope with the metabolic stress or overcome a functional inhibition, but eventually fails over the course of progression of type 2 diabetes. Meanwhile, we observed that during the functional recovery of type 2 diabetes islets, there is an increase in the expression of genes associated with beta cell function, while genes related to inflammation are decreased. Our observations of these dysregulated gene signatures provide insight into the molecular mechanisms underlying the pathology of type 2 diabetes.Based on these dysregulated core gene signatures, we adopted a drug repurposing strategy to identify therapeutics that could rescue beta cell function and identified bromodomain inhibitors, SRC inhibitors, MEK inhibitors and JAK inhibitors. We experimentally confirmed in human beta cells that the bromodomain inhibitors i-BET151 and GSK046 prevent the inflammatory effects (i.e., reduce the mRNA expression of CXCL1 and IL8) induced by palmitate, a metabolic stressor in type 2 diabetes patients. We conclude that: 1) inflammatory responses, ER stress and mitochondrial dysfunction are associated with type 2 diabetes development; 2) human islets exposed to lipo- and/or glucolipotoxicity show global transcriptomic similarities to type 2 diabetes islets; 3) type 2 diabetes islets can regain function by removing them from the diabetic milieu, which is associated with the upregulation of beta cell function- related genes and the downregulation of inflammatory genes; 4) We identified potential drugs for type 2 diabetes treatment using core human islet gene signatures and validated one of them, namely bromodomain inhibitors, showing that they reduce inflammatory effects induced by metabolic stress.

La prévalence du diabète de type 2 augmente dans le monde entier et près de 540 millions de personnes en sont déjà atteintes. Cela représente un fardeau important pour la santé humaine. L'apparition du diabète de type 2 est associée à une prédisposition génétique et à des facteurs de risque liés à l'environnement et au mode de vie. Parmi ces derniers, un mode de vie sédentaire et une alimentation hypercalorique/de qualité sont des facteurs cruciaux du développement du diabète de type 2. Le diabète de type 2 est généralement caractérisé par une résistance à l'insuline, dans laquelle les cellules bêta sont exposées à une demande accrue de sécrétion d'insuline. Cette demande accrue provoque un stress sur les cellules bêta et conduit à des mécanismes de compensation pour tenter de maintenir des niveaux de glucose normaux. Toutefois, si ces mécanismes échouent, le dysfonctionnement des cellules bêta entraînera finalement l'apparition d'un diabète de type 2. Cette défaillance progressive des cellules bêta laisse des empreintes moléculaires qui expliquent la pathologie du diabète de type 2. J'ai donc étudié les signatures génétiques d'îlots humains provenant de donneurs atteints de diabète de type 2, d'îlots humains non diabétiques exposés à un stress métabolique (c'est-à-dire à une lipo- et/ou glucolipotoxicité) et d'îlots humains provenant de patients atteints de diabète de type 2 et manifestant une récupération fonctionnelle après culture dans un milieu non diabétique.Des signatures génétiques liées à des réponses inflammatoires accrues et à une fonction déprimée des cellules bêta ont été identifiées dans les îlots de patients atteints de diabète de type 2, en comparaison avec des témoins non diabétiques. Ces résultats ont été confirmés par la comparaison des transcriptomes globaux du diabète de type 2 avec ceux d'autres maladies inflammatoires, telles que le diabète de type 1, la maladie d'Alzheimer et la sclérose en plaques. En outre, des signatures génétiques du stress du RE et de la signalisation inflammatoire ont également été observées dans les îlots humains exposés à des conditions lipo- et/ou gluocolipotoxiques. Il est particulièrement intéressant de noter que les gènes liés à la fonction du RE (pliage et tri des protéines) et à la fonction mitochondriale (cycle TCA, phosphorylation oxydative) sont gravement perturbés, avec une direction opposée entre les îlots de Langerhans du diabète de type 2 et les modèles expérimentaux in vitro, c'est-à-dire que ces signatures sont régulées à la hausse dans les conditions métaboliques, mais qu'elles sont réduites dans le diabète de type 2. Sur la base de ces résultats, nous émettons l'hypothèse que les fonctions du RE et des mitochondries sont améliorées pour faire face au stress métabolique ou pour surmonter une inhibition fonctionnelle, mais qu'elles finissent par échouer au cours de la progression du diabète de type 2. Parallèlement, nous avons observé que lors de la récupération fonctionnelle des îlots de diabète de type 2, il y a une augmentation de l'expression des gènes associés à la fonction des cellules bêta, tandis que les gènes liés à l'inflammation sont diminués. Nos observations de ces signatures génétiques dysrégulées nous permettent de mieux comprendre les mécanismes moléculaires qui sous-tendent la pathologie du diabète de type 2.Nous concluons que : 1) les réponses inflammatoires, le stress ER et le dysfonctionnement mitochondrial sont associés au développement du diabète de type 2 ; 2) les îlots humains exposés à la lipo et/ou glucolipotoxicité présentent des similitudes transcriptomiques globales avec les îlots de diabète de type 2 ; 3) les îlots diabétiques de type 2 peuvent retrouver leur fonction en les retirant du milieu diabétique, ce qui est associé à la régulation à la hausse des gènes liés à la fonction des cellules bêta et à la régulation à la baisse des gènes inflammatoires ; 4) nous avons identifié des médicaments potentiels utilisant les signatures génétiques des îlots humains et validé l'un d'entre eux, à savoir les inhibiteurs de la bromodomaine, en montrant qu'ils réduisent les effets inflammatoires induits par le stress métabolique.