Une thérapie combinée GLP-1/GIP dans le diabète de type 2 présente-t-elle un avantage pour préserver la fonction et la survie de l’îlot pancréatique ?

Is there an interest of a combined GLP-1/GIP therapy in type 2 diabetes to preserve the function and survival of pancreatic islets?

• Auteur / Autrice : Nour Zaïmia
• Direction : Magalie Ravier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IGF - Institut de Génomique Fonctionnelle
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : THÉRAPEUTIQUES INNOVANTES POUR LE DIABÈTE : COMPRÉHENSION ET CORRECTION DU DYSFONCTIONNEMENT ET DE LA PERTE DE SÉCRÉTION D’INSULINE
• Jury : Président / Présidente : Eric Renard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Magalie Ravier, Matthieu Raoux, Mark Scott, Amelie Bonnefond, Bertrand Blondeau, Pierre Vincent, Jeremy Neasta
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthieu Raoux, Mark Scott

Mots clés

Mots clés libres

Β-arrestines

Îlot pancréatique

Récepteurs GLP-1 et GIP

Double agonistes

Signalisation cellulaire

Diabète de type 2

GLP-1 and GIP receptors

Dual agonists

Pancreatic islet

Β-arrestins

Cell signaling

Type 2 diabetes

Résumé

Les récepteurs du Glucagon-like peptide-1 (GLP-1R) et du Glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIPR) sont des récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) qui régulent l'homéostasie glucidique. En raison de sa pertinence thérapeutique dans le traitement du diabète de type 2 (DT2), la signalisation du GLP-1R a été étudiée de manière plus approfondie que celle du GIPR. Augmenter l’efficacité des agonistes du GLP-1R reste aujourd’hui un enjeu majeur des recherches sur le DT2. Une stratégie consiste à développer des agonistes doubles ciblant simultanément le GLP-1R et le GIPR afin de combiner en une seule molécule les effets bénéfiques des deux hormones. Ce regain d’intérêt révèle l’importance d’approfondir nos connaissances sur les signalisations du GLP-1R et du GIPR. Le GLP-1R et le GIPR sont couplés positivement à la production d'AMPc et à l'activation de la PKA/EPAC2. Ces deux RCPGs sont également capables de recruter la protéine d'échafaudage β-arrestin2 (ARRB2). Le premier objectif de ma thèse a donc été de comparer les signalisations engagées par le GLP-1 et le GIP dans les cellules β pancréatiques qui expriment de façon endogène les deux RCPGs, et d’évaluer l’implication d’ARRB2. Nous avons observé que les conditions diabétogènes diminuent l’expression d’ARRB2 dans les îlots pancréatiques humains. Dans les cellules β de souris, ARRB2 freine la sécrétion d'insuline en découplant partiellement la signalisation AMPc/PKA à des doses physiologiques de GLP-1, alors qu'à des doses pharmacologiques, c’est l'activation des ERK1/2 et de CREB qui nécessitent ARRB2. A l’inverse, la sécrétion d'insuline potentialisée par le GIP nécessite ARRB2 dans les îlots de souris et les îlots humains. L'axe GIPR/ARRB2 n'est pas impliqué dans la signalisation AMPc/PKA ou ERK1/2 dépendante, mais ARRB2 est nécessaire à la dépolymérisation de la F-actine induite par le GIP. Enfin, le TZP (double agoniste GLP-1/GIP récemment mis sur le marché pour le traitement du DT2) ne s’appuie pas sur ARRB2 pour la potentialisation de la sécrétion d'insuline. Ainsi, nous rapportons que ARRB2 joue des rôles distincts dans la régulation de la signalisation du GLP-1R et du GIPR. Cette première étude a permis de souligner l'importance d'évaluer les voies de signalisation engagées par les agonistes (biaisés/doubles) à des fins thérapeutiques. Le deuxième objectif a donc été d’étudier la signalisation de ces deux RCPGs en réponse à deux doubles agonistes GLP-1/GIP; le TZP et le MAR; afin de déterminer s’ils présentent des effets bénéfiques supérieurs, comparés aux agonistes du GLP-1R et du GIPR dans les cellules β. Pour stimuler la PKA et la sécrétion d’insuline, le GLP-1 (1-100pM) est plus puissant que le TZP (1nM-10nM) ou le MAR. L’activation de la PKA par le GLP-1, le TZP et le MAR perdure dans le temps après l’arrêt de la stimulation (>25min) à l’inverse du GIP (<5min), suggérant que le GLP-1, le TZP et le MAR produisent une signalisation durable via le GLP-1R. Néanmoins le GLP-1 et le MAR, mais pas le TZP, induisent une internalisation massive du GLP-1R qui est bloquée par l’Ex9-39 (antagoniste du GLP-1R). ARRB2 n’est pas responsable de l’internalisation du GLP-1R, mais son absence réduit la dépolymérisation de l’actine-F, l’activation de FAK et la sécrétion d’insuline en réponse au GIP, sans affecter les réponses au GLP-1, au TZP ou au MAR. Le GLP-1 active ERK1/2 et CREB uniquement en présence d’ARRB2, alors que l’activation des ERK1/2 et CREB par le GIP et le MAR est indépendante d’ARRB2. En absence d’ARRB2, le TZP active ERK1/2 mais pas CREB. En conclusion, nous rapportons qu’ARRB2 joue des rôles distincts dans la régulation de la signalisation du GLP-1R et du GIPR, et que sa diminution dans un contexte pathologique tel que le DT2, présente des conséquences sur la fonction des cellules β. Il est donc important d'évaluer les voies de signalisation engagées par les agonistes (biaisés/doubles) nouvellement générés pour des fins thérapeutiques.

Glucagon-like peptide-1 (GLP-1R) and Glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIPR) receptors are G protein-coupled receptors (GPCRs) involved in glucose homeostasis. Because of its therapeutic relevance in the treatment of type 2 diabetes (T2D), GLP-1R signaling has been studied more extensively than GIPR signaling. Increasing the efficacy of GLP-1R agonists remains a major challenge in T2D research. One strategy is to develop dual agonists targeting simultaneously GLP-1R and GIPR, in order to combine the beneficial effects of both hormones in a single molecule. This renewed interest underscores the importance of deepening our understanding of GLP-1R and GIPR signaling. GLP-1R and GIPR are positively coupled to cAMP production and PKA/EPAC2 activation. Both GPCRs are also able to recruit the scaffolding protein β-arrestin2 (ARRB2). The first aim of my thesis was therefore to compare the signaling engaged by GLP-1 and GIP in pancreatic  cells that endogenously express both GPCRs, and to assess the involvement of ARRB2. We observed that diabetogenic conditions decrease ARRB2 expression in human pancreatic islets. In mouse β-cells, ARRB2 inhibits insulin secretion by partially uncoupling cAMP/PKA signalling at physiological doses of GLP-1, whereas at pharmacological doses, ARRB2 is required for ERK1/2 and CREB activation. Conversely, GIP-potentiated insulin secretion requires ARRB2 in mouse and human islets. The GIPR/ARRB2 axis is not involved in cAMP/PKA or ERK1/2-dependent signaling, but ARRB2 is required for GIP-induced F-actin depolymerization. Finally, TZP (a recently approved dual GLP-1/GIP agonist for the treatment of T2D) does not require ARRB2 for the potentiation of insulin secretion. Thus, we report that ARRB2 plays distinct roles in the regulation of GLP-1R and GIPR signaling. This first study highlighted the importance of investigating the signalling pathways engaged by agonists (biased/dual) for therapeutic purposes. The second objective was therefore to study the signalling of these two GPCRs in response to two dual GLP-1/GIP agonists; TZP and MAR; to determine whether they show superior beneficial effects, compared to GLP-1R and GIPR agonists in β-cells. GLP-1 (1-100pM) is more potent than TZP (1nM-10nM) or MAR in stimulating PKA and insulin secretion. PKA activation by GLP-1, TZP and MAR persists over time after cessation of stimulation (>25min) in contrast to GIP (<5min), suggesting that GLP-1, TZP and MAR produce long-lasting signaling via the GLP-1R. Nevertheless, GLP-1 and MAR, but not TZP, induce massive GLP-1R internalization which is blocked by GLP-1R antagonist Ex9-39. ARRB2 is not responsible for GLP-1R internalization, but its absence reduces F-actin depolymerization, FAK activation and insulin secretion in response to GIP, without affecting responses to GLP-1, TZP or MAR. GLP-1 activates ERK1/2 and CREB only in the presence of ARRB2, whereas activation of ERK1/2 and CREB by GIP and MAR is independent of ARRB2. In the absence of ARRB2, TZP activates ERK1/2 but not CREB. In conclusion, we report that ARRB2 plays distinct roles in the regulation of GLP-1R and GIPR signaling, and that its decreased expression in a pathological context such as T2D, presents consequences for β-cell function. It is therefore important to assess the signaling pathways engaged by newly generated (biased/dual) agonists for therapeutic purposes.