Novel genes expressed in the pancreatic islets and regulated by IGF-I

Title: Novel genes expressed in the pancreatic islets and regulated by IGF-IInsulin-like growth factor (IGF)-I is mainly produced by hepatocytes and other tissues including pancreas at lower level. Acting through its receptor, IGF-IR, it promotes embryonic development, postnatal growth and maturation of major organ systems. To evaluate the effects of increased IGF-I level on islet growth and glucose homeostasis, our lab previously characterized MT-IGF mice which over express IGF-I gene under the metallothionine I promoter and found that its expression was highly concentrated to β-cells. IGF-I overexpression led to a significant hypoglycemia in fasted animals, hypoinsulinemia and improved glucose tolerance. Moreover, MT-IGF-I mice were significantly resistance to streptozotocin-induced diabetes, with diminished hyperglycemia and abolished weight loss and reduce mortality. Although IGF-I is known to stimulate protein synthesis, cell survival and proliferation, the specific target within the islets have not been screened in a systematic manner. In order to explore novel targets of IGF-I action, we performed a whole genome DNA microarray analysis on isolated islets from overexpressing IGF-I mice, and found 82 genes specifically up- or down-regulated. Prominent targets among those are HSD11B1 encoding 11β-hydroxysteroid dehydrogenase-1 (11β-HSD1) and CCN5/Wisp-2, previously not shown to be expressed in the pancreatic islets and regulated by IGF-I. In this study, we further checked 1) the localization of these targets in pancreatic islets both at the mRNA and protein level; 2) the effect of CCN5/Wisp2 in pancreatic islet proliferation and survival; 3) the effect of 11β-HSD1 under IGF-I regulation and assessed its functional relevance to type 2 diabetes. The studies described in chapter II demonstrates that CCN5/Wisp2 is normally expressed in mouse β-cells and IGF-I directly stimulated its expression. CCN5 over expression increases the proliferation of mouse insulinoma cells, activates Akt and ERK kinases, and inhibits streptozotocin-induced cell death. Furthermore, use of recombinant CCN5 protein seems to reproduce the proliferative effect and the stimulation on Akt phosphorylation. All these findings suggest that CCN5 can regulate islet cell proliferation and survival and its increased expression may contribute to IGF-I stimulated islet cell growth and/or survival.The study outlined in chapter III confirmed the presence of 11β-HSD1 exclusively on α-cells of the islet. We demonstrated an inhibitory effect of IGF-I on 11β-HSD1 expression and activity which may partially explain the observed increase in basal insulin levels in MT-IGF mice. The Inhibitory effect of IGF-I on 11β-HSD1 may render protection to islet cells by delaying apoptosis and thus can be proved beneficial for type 2 diabetes patients.Titre : Gènes novateurs exprimés dans les îlots pancréatiques et leur régulation par IGF-IIGF-I, le facteur de croissance analogue à l'insuline, est principalement produit par les hépatocytes, ainsi que par d'autres tissus incluant le pancréas à des niveaux plus bas. En interagissant avec son récepteur, IGF-IR, IGF-I promeut le développement embryonnaire, la croissance postnatale, et la maturation d'organes vitaux. Afin d'évaluer les effets d'une hausse des niveaux d'IGF-I sur la croissance des îlots pancréatiques et sur la régulation de l'homéostasie du glucose, le laboratoire du Dr Liu a précédemment caractérisé les souris transgéniques MT-IGF qui sur-expriment le gène du IGF-I sous le contrôle du promoteur métallothionéine I et a ainsi identifié l'expression d'IGF-I comme étant la plus concentrée aux cellules bêta. La surexpression d'IGF-I a mené à une hypoglycémie à jeûn significative, à l'hypoinsulinémie et à une amélioration de la tolérance au glucose. De plus, ces souris transgéniques MT-IGF-I étaient significativement résistantes au diabète induit par la streptozotocin, ce qui a par conséquence diminué l'hyperglycémie et aboli la perte de poids et la mortalité. Bien qu'IGF-I soit connu pour sa capacité de stimuler la synthèse protéique et de promouvoir la survie et la prolifération des cellules, la véritable nature de sa cible dans les îlots pancréatiques n'a pas encore été détectée d'une manière systématique. Afin de découvrir des cibles novatrices de l'action d'IGF-I, nous avons conduit une analyse micropuces ADN du génome entier d'îlots isolés des souris sur-exprimant IGF-I ce qui nous a mené à l'identification de 82 gènes dont l'expression est stimulée ou supprimée par l'activité de la voie IGF-I. Parmi les cibles retrouvées, les plus importantes incluent HSD11B1 qui encode 11β-hydroxystéroïde déhydrogénase1 (11β-HSD1 in vitro) et CCN5/Wisp-2 qui n'ont pas auparavant été démontrées d'être exprimées dans les îlots pancréatiques ni d'être régulées par IGF-I. Le but de cette étude est d'analyser davantage 1) la localisation de ces cibles dans les îlots pancréatiques en tant que mRNA et protéines; 2) les effets de CCN5/Wisp-2 sur la prolifération et la survie des îlots pancréatiques; 3) les effets de 11β-HSD1 sous la régulation d'IGF-I et l'évaluation de sa pertinence fonctionnelle dans le diabète type 2.Les études décrites dans le chapitre II démontrent que CCN5 /Wisp2 est habituellement exprimé dans les cellules bêta murines et IGF-I stimule directement son expression. La surexpression de CCN5 stimule la prolifération des cellules murines pancréatiques de l'insulinome, active les kinases Akt et ERK, et inhibe la mortalité cellulaire induite par la streptozotocine. D'ailleurs, l'utilisation de la protéine recombinante CCN5 semble reproduire l'effet prolifératif et stimuler la phosphorylation d'Akt. Ces résultats suggèrent que CCN5 peut réguler la prolifération et la survie des îlots pancréatiques, tandis que l'augmentation de son expression peut contribuer à l'action stimulatrice d'IGF-I sur la croissance cellulaire et/ou la survie des îlots. L'étude soulignée au chapitre III confirme la présence de 11β-HSD1 exclusivement dans les cellules alpha des îlots. Nous avons démontré un effet inhibiteur d'IGF-I sur l'expression et l'activité de 11β-HSD1, ce qui peut partiellement expliquer la hausse des niveaux d'insuline de base observés dans les souris transgéniques MT-IGF. Nous avons aussi constaté une baisse de sécrétion d'insuline par les cellules murines pancréatiques de l'insulinome qui sur-expriment 11β-HSD1. Il est possible que l'effet inhibitoire d'IGF-I sur 11β-HSD1 renforce la protection des cellules d'îlots pancréatiques en retardant l'apoptose démontrant ainsi des bénéfices potentiels aux patients souffrant du diabète de type 2