Impact des variants génétiques rares sur l'étiologie du diabète de type 2

Impact of rare genetic variants on the etiology of type 2 diabetes

• Auteur / Autrice : Sarah Meulebrouck
• Direction : Amélie Bonnefond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et moléculaire
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé (Lille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Metabolic functional (epi)genomics and molecular mechanisms involved in type 2 diabetes and related diseases - UMR 8199 - UMR 1283 / GI3M
• Jury : Président / Présidente : Miriam Cnop
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël Scharfmann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Magalie Ravier, Bertrand Blondeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fréquence d'allèle

Prédisposition génétique à une maladie

Variation génétique

Récepteurs couplés aux protéines G

génétique

étiologie

Diabète de type 2

Prédisposition (médecine)

Variabilité génétique

Récepteurs couplés aux protéines G

Génétique

Étiologie

Diabète non-insulinodépendant

Mots clés libres

Diabète

Génétique

RCPG

Diabetes

Genetics

GPCR

Résumé

Le DT2 est une maladie métabolique chronique incluant des formes monogéniques (MODY et diabète néonatal), dans lesquelles l’atteinte d’un seul gène est suffisante pour provoquer la maladie, et polygéniques, provoquées par la combinaison de plusieurs facteurs génétiques et environnementaux, et correspondant à la majorité des cas. Alors que l’investigation de l’étiologie génétique du DT2 monogénique a permis d’identifier plusieurs variants rares impliqués dans son développement, l’investigation du DT2 polygénique, principalement par études d’association pangénomiques (GWAS), a permis d’identifier surtout des variants fréquents situés dans des régions non-codantes du génome et n’ayant qu’un faible impact sur le risque de développer la maladie, expliquant faiblement son héritabilité. Des variants rares présents dans les régions codantes de certains gènes pourraient être associés au DT2 commun avec un effet plus important.Par séquençage de nouvelle génération (NGS) mené dans le cadre du projet RaDiO, 31 variants rares et 3 variants fréquents hétérozygotes du gène OPRD1, codant le récepteur δ aux opioïdes (DOP), ont été identifiés chez 6971 individus. En parallèle, 105 variants rares hétérozygotes du gène GLIS3, un facteur de transcription jouant un rôle majeur dans la cellule β pancréatique et impliqué dans développement du diabète néonatal, ont été identifiés chez 5471 individus.L’investigation des variants du gène OPRD1 par luciférase, suite à leur stimulation avec les agonistes de DOP deltorphin II et DPDPE, a permis d’identifier 7 variants gain de fonction (GoF), comprenant le variant I52V fréquent chez les Africains, ainsi que 12 variants rares perte de fonction (LoF). En parallèle, des expériences de western blot et d’immunofluorescence ont démontré que les variants LoF P14R et G36E altèrent l’expression et la localisation du récepteur DOP, qui n’est plus situé à la membrane mais est retenu dans la cellule. Des études d’association réalisées entre les clusters de variants rares GoF et LoF et différents traits métaboliques associés au DT2 chez les 6971 individus issus de l’étude RaDiO, puis répliquées chez 34 812 individus de l’Accelerated Medicine Partnership T2D Knowledge Portal et 187 242 individus de la UK Biobank ont mis en évidence des effets opposés de ces variants : alors que les variants GoF sont associés à une augmentation du risque de DT2 mais à une diminution de l’adiposité, les variants LoF sont associés à une diminution du risque de DT2 mais une augmentation de l’adiposité. Finalement, étant donné qu’OPRD1 est exprimé dans les cellules β pancréatiques humaines, son effet sur la sécrétion d’insuline a été étudié : la stimulation de cellules β humaines EndoCβH1 surexprimant OPRD1 avec du glucose, couplé à l’agoniste de DOP deltorphin II, inhibe la sécrétion d’insuline par les cellules β.L’investigation des variants rares du gène GLIS3 par luciférase a permis d’identifier 49 variants LoF. 18 d’entre eux ont été définis comme pathogènes ou probablement pathogènes selon les critères de l’American College of Medical Genetics and Genomics (ACMG). Les études d’association réalisées au sein de la cohorte issue de l’étude RaDiO ont mis en évidence une association entre ce cluster de variants et une augmentation du risque de DT2.La combinaison du séquençage NGS et de la génétique fonctionnelle a ainsi permis d’identifier 2 nouveaux gènes porteurs de variants GoF ou LoF associés au DT2 polygénique : le gène OPRD1 qui présente des effets opposés sur le DT2 et l’adiposité et inhibe la sécrétion d’insuline, et le gène GLIS3 qui en plus d’être associé au diabète néonatal est également associé au DT2 polygénique. Nous supposons que l’identification de nouveaux gènes associés au DT2 polygénique selon cette stratégie permettrait d’approfondir la compréhension de l’héritabilité de cette maladie, mais également d’évoluer vers une médecine de précision par adaptation du traitement des patients en fonction des gènes atteints.

Type 2 diabetes (T2D) is a chronic metabolic disorder that includes monogenic forms (e.g. MODY and neonatal diabetes), in which a single mutation in only one gene is sufficient to cause the disease, and polygenic forms, in which the disease is caused by an interaction between multiple genetic and environmental factors, corresponding to the majority of cases. Whereas the investigation of the genetic etiology of monogenic forms has enabled the identification of many rare genetic variants involved in this disorder, the investigation of the polygenic forms (mainly through genome-wide association studies [GWAS]) led to the identification of frequent variants that are located in non-coding regions of the genome, and presenting with a small effect size on the disease risk, weakly explaining the heritability of the pathology. Rare variants, located in coding regions of some genes, could be associated with common T2D with a stronger effect size.By Next Generation Sequencing (NGS) performed in the context of the RaDiO project, 31 rare variants and 3 frequent variants that are heterozygous have been identified in the coding regions of the OPRD1 gene, encoding the δ opioid receptor (DOP) in a cohort of 6,971 individuals. Moreover, 105 rare heterozygous variants of the GLIS3 gene, that is a key regulator in the pancreatic β cell involved in the development of neonatal diabetes, have been identified in a cohort of 5,471 individuals.By investigating the genetic variants of OPRD1 through luciferase assays following DOP activation by the 2 DOP agonists deltorphin II and DPDPE, 7 gain-of-function (GoF) (among them the variant I52V that is frequent in the African population) and 12 rare loss-of-function (LoF) variants have been identified. In parallel, western blotting and immunofluorescence experiments showed that the rare LoF variants P14R and G36E decrease the expression and the localization of DOP, that is not located at the membrane like the wild-type DOP but retained inside the cells. Association studies performed between the clusters of rare GoF and LoF variants and various metabolic traits associated with T2D, followed by a replication in 34,812 individuals from the Accelerated Medicine Partnership T2D Knowledge Portal and 187,242 individuals from the UK Biobank highlighted opposite effects of these variants : whereas GoF variants are associated with an increase in T2D risk but with a decrease in adiposity, LoF variants are associated with a decreased T2D risk, but an increased adiposity.Finally, as OPRD1 is expressed in human pancreatic β cells, we studied its effect on insulin secretion. The stimulation of EndoCβH1 cells (that are a model of human β cell) overexpressing OPRD1 with glucose, coupled with the DOP agonist deltorphin II, inhibits insulin secretion from β cells.The investigation of rare heterozygous variants of GLIS3 through luciferase assays enabled the identification of 49 LoF variants. 18 of them have been defined as pathogenic or likely pathogenic following the application of the American College of Medical Genetics and Genomics (ACMG). Association studies conducted between this cluster of 18 variants and T2D in the individuals from the RaDiO study showed that these variants are associated with an increased risk to develop T2D.By combining NGS and functional genetic experiments, 2 new genes carrying rare GoF or LoF variants have been found to be associated with common T2D during my thesis: OPRD1, presenting with opposite effects on T2D risk and adiposity and inhibiting insulin secretion, and GLIS3, that is associated with common T2D in addition to be involved in neonatal diabetes. The identification of new genes associated with common forms of T2D following this strategy would lead to a better understanding of its heritability, but could also contribute to the development of precision medicine by adapting the treatment depending of the genes that are altered.