β pancreatic cell metabolic and functional modifications during type 2 diabetes

L’insuline est une hormone contribuant à l’homéostasie du glucose dans le sang en favorisant son absorption par ces cellules cibles des tissus insulino-sensibles tels que le foie, le muscle et le tissu adipeux. Lors d’un diabète de type 2 (DT2) les tissus insulino-sensibles voient diminuer leur capacité à répondre à l’insuline mettant progressivement en place une hyperglycémie chronique. Pour répondre à la demande accrue en insuline découlant de l’insensibilité des tissus cibles, les cellules β pancréatiques insulino-sécrétrices libèrent davantage d’insuline jusqu’à s’épuiser. L’excès de substrats énergétiques circulants sous forme de glucose, induisant une glucotoxicité, et de lipides, induisant une lipotoxicité, mène à un défaut de renouvellement d’ATP, qui est substrat crucial pour la synthèse et la sécrétion régulée d’insuline par les cellules β pancréatiques. Les modifications de l’homéostasie métabolique intracellulaire sont des marqueurs du remodelage du métabolisme des cellules β au cours du DT2 mais les échanges entre ces cellules et leur environnement restent inconnus. En vue d’étudier la nature métabolique de ces échanges, nous avons soumis des îlots pancréatiques humains et un modèle de cellules β murines INS-1E à différentes concentrations de glucose et de palmitate pendant 48h afin de mimer les conséquences de la gluco-lipotoxicité associée au DT2. Une étude de métabolomique par résonance magnétique nucléaire du proton en complément d’analyses biochimiques nous ont permis de révéler des modifications majeures du métabolisme énergétique. Ces modifications sont associées à des altérations d’expressions et de régulations de déshydrogénases mitochondriales perturbant le cycle du citrate. La signature métabolomique en condition de glucolipotoxicité est proche entre les îlots humains et les INS-1E. Cependant, alors que le citrate est directement sécrété hors de la cellule dans le modèle des îlots humains, il apparait utilisé au profit de la synthèse de lipides supportant une sécrétion de triglycérides dans le modèle INS-1E. Ces résultats sont en cohérence avec les travaux précédemment réalisés par notre équipe montrant que des modifications des contacts entre la mitochondrie et le réticulum endoplasmique sont associées à une diminution de la respiration mitochondriale lors de conditions mimant la glucotoxicité. Ainsi nous proposons un modèle où, comme lors du DT2, les cellules β pancréatiques sont soumises à de fortes quantités de glucose et de lipides induisant un stress mitochondrial. Ce stress conduit à l’altération de l’axe glycolyse-cycle du citrate-sécrétion d’insuline associée à une secrétions importante de pyruvate, de citrate ou de triglycérides, ne permettant plus le renouvellement d’ATP nécessaire à la sécrétion d’insuline.Insulin is a hormone contributing to blood glucose homeostasis by promoting its absorption by targeted cells from insulin-sensitive tissues, in particular the liver, muscle, and adipose tissue. During type 2 diabetes (T2D), the capacity of insulin-sensitive tissues to respond to insulin decreases leading to the progressive development of chronic hyperglycemia. This creates a vicious cycle contributing to insulin-secreting β cells release more insulin to compensate for the lack of glycemic regulation until their exhaustion. Chronic hyperglycemia brings an excess of energetic substrate in form of circulating glucose, inducing a glucotoxicity but also into lipids, inducing a lipotoxicity. Altogether it results in ATP turnover defect which is crucial for β cell insulin synthesis and secretion. Intracellular metabolism homeostasis modifications are key markers of β cell metabolism reshaping occurring during T2D but the exchanges of metabolites between cells and their environment remain unknown. To characterize these exchanges, we have cultured for 48 h human pancreatic islets and INS-1E murine β cell line with different glucose and palmitate concentrations to mimic T2D-associated glucolipotoxicity. A metabolomic study through high-resolution proton nuclear magnetic resonance (1H-NMR) completed with biochemical analysis allowed us to reveal key energetic metabolism modifications. These modifications were associated with alterations of mitochondrial dehydrogenase expression and regulation perturbing the citric acid cycle (TCA). Human islets and INS-1E cells show a similar metabolomic signature led by glucolipotoxicity. However, citrate is directly secreted out of the cell in a human islets model while this metabolite may be used for lipid synthesis supporting a higher triglyceride secretion in the INS-1E model. These results are consistent with previous works done by our team showing modifications of mitochondria-endoplasmic reticulum contact sites associated with a decrease of mitochondrial respiration during chronic exposure to high glucose concentration. Thus, we propose a model where, as in T2D, β pancreatic cells exposition to high glucose and lipid concentrations lead to mitochondrial stress. This stress leads to a glycolysis-TCA cycle-insulin secretion axes modification where islets and β cells oversecrete pyruvate, citrate, or triglycerides, limiting ATP renewing required for insulin secretion