Genetic study of glycemic control

Bien que le Diabète de Type 2 soit parfois considéré comme évitable, il est généralement irréversible et les traitements actuels sont communément inefficaces pour stopper la progression inexorable de la maladie vers un mauvais contrôle glycémique et des complications dégénératives micro- et macrovasculaires. Le DT2 est caractérisé par une altération de la sécrétion d’insuline par les cellules beta pancréatiques, combinée à une absence de réponse des organes cibles à l’insuline (insulino-résistance) incluant le foie, le tissu adipeux et le muscle squelettique. Malgré 40 ans de recherches intensives, les mécanismes moléculaires sous-jacents sont toujours largement débattus à ce jour. Le DT2 est une maladie à forte composante génétique, comme l’ont montré les études de jumeaux concordants en général pour le DT2. Au moins 2% des patients atteints de DT2 ont un diabète d’origine monogénique, survenant en général pendant l’enfance ou l’adolescence. L’une de ces formes survient spécifiquement à la naissance (diabète néonatal) et 50% de ses étiologies génétiques sont connus à ce jour. Les formes communes de DT2 survenant chez l’adulte sont polygéniques, liées à l’interaction entre des variants génétiques à effet modeste et faible pénétrance, et l’environnement ; en outre, des mécanismes « épigénétiques » seraient aussi en cause. L’identification des déterminants génétiques du DT2 a été dopée par les études d’association pangénomique (GWAS pour Genome Wide Association Studies) grâce à la mise au point de puces à ADN, qui permettent d’analyser conjointement plusieurs centaines de milliers de polymorphismes nucléotidiques simples (SNPs pour Single Nucleotide Polymorphisms) chez plusieurs centaines de milliers d’individus. Les GWAS ont permis d’identifier à ce jour une trentaine de gènes associées au risque de DT2. Le diagnostic du DT2 repose sur la mesure d’un trait continu, la glycémie à jeun. A partir de 1,25g/l, un individu est considéré diabétique. La glycémie à jeun, même chez des personnes non diabétiques, est fortement héritable, c’est-à-dire que ce paramètre métabolique est sous contrôle génétique. Nous avons ainsi utilisé la méthode des GWAS pour rechercher des loci régulant la glycémie dans des populations générales comme la population française DESIR. Nous avons mis en évidence la contribution du gène MTNR1B (codant le récepteur 2 de la mélatonine) dans la sécrétion d’insuline et la régulation de l’homéostasie glycémique. La mélatonine est l’hormone clef des rythmes circadiens de l’organisme, et il a été rapporté dans plusieurs études que la perturbation de ces rythmes est nuisible à l’homéostasie glycémique. Nous avons pu ensuite préciser quelles étaient les séquences d’ADN ayant un effet dans ce contrôle glycémique. Nous avons ainsi mis en évidence des mutations non-synonymes rares qui annihilaient la voie de signalisation de la mélatonine et qui sont associées à un risque élevé de DT2. Par ailleurs, via le consortium international MAGIC, nous avons contribué à l’identification de 16 marqueurs génétiques de la glycémie à jeun, de cinq marqueurs de la glycémie après charge de glucose, et de 10 loci intervenant dans la variance de l’hémoglobine glyquée (HbA1c, qui est un marqueur communément utilisé pour évaluer le contrôle glycémique d’un diabète traité). Ce faisant, nous avons montré que si le gène HK1 codant l’hexokinase 1 est le facteur génétique ayant le plus d’effet sur les valeurs d’HbA1c, il n’intervient pas sur les mécanismes physiologiques de la régulation de la glycémie. C’est uniquement de par les effets des variants d’HK1 sur la fonction des globules rouges (et sur le risque d’anémie) que ce gène modifie indirectement l’HbA1c.Type 2 Diabetes is a major health care problem responsible for early morbidities and mortality. T2D prevalence inexorably increases due to dramatic changes in our way of life. T2D is preventable but no generally curable and present medications fail to prevent the worsening of glucose control and the development of complications. T2D is a systemic disease characterized by both insulin secretion defects and by insulin resistance at the levels of several tissues. Despite more than 40 years of research the aetiologies of T2D are still elusive. T2D is a multifactorial disease with a significant genetic component. However, T2D is a polygenic disorder with the effects of multiple DNA variants having a modest effect and a weak penetrance interaction with environmental factors. The identification of T2D susceptibility genes has been transformed by Genome Wide Association Studies (GWAS) which allow the analysis of hundred of thousands Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) in thousands of samples. Case/control GWAS have identified about 30 loci/genes, so far. However, these loci only explain a small part of T2D inheritance. T2D is defined by the measurement of the continuous trait “glycemia”. A fasting plasma glucose (FPG) higher than 7mM is considered to be abnormal. FPG is highly genetically determined and we have reanalyzed our GWAS data obtained in non diabetic general populations to identify genes that control (normal) glucose values. We first found that SNPs at MTNR1B (encoding the melatonin 2 receptor) locus regulate both FPG and insulin secretion. Melatonin is the hormone of darkness that plays a major role in circadian rhythms. The alteration of these physiological rhythms has been shown to impair glucose homeostasis. Subsequently we have screened and functionally analysed the coding part of MTNR1B in thousands of T2D cases and controls for rare lack of function mutations that strongly increase the risk for T2D. In addition via our contribution to the international consortium MAGIC we have identified 16 genetic markers modulating FPG, five controlling blood glucose after oral glucose load, and ten involved in the variance of glycated haemoglobin (HbA1c, a clinical marker of glucose control in treated diabetic patients). In this respect, we have demonstrated that if HK1 (encoding hexokinase 1) is the most potent gene controlling HbA1c, it was not at all involved in the physiology of glucose homeostasis. Instead, variant at HK1 locus act on red cell function, increase risk for anemia, and only indirectly perturb HbA1c measurement. This study shows that GWAS findings don’t mean causality and it is always mandatory to question the physiological validity of any association found through GWAS before implying a gene as causal. In this respect, the MAGIC consortium showed that among all the genes that regulate HbA1c, a large proportion is indeed directly related to red cell function. In conclusion, during my PhD, I have contributed to achieve a map of frequent SNPs regulating the major glucose control quantitative traits that define T2D. I also showed that rare DNA variants with a stronger biological impact also contribute to T2D risk. Although still of limited value for the prediction of T2D, GWAS have proven extremely useful to make progress in T2D physiology