Que nous apprennent les souris génétiquement modifiées sur la physiopathologie du diabète de type 2 ?

Catherine Postic; Franck Mauvais-Jarvis; Jean Girard

Modifications des protéines impliquées dans la voie de signalisation de l'insuline

L'invalidation globale du récepteur de l'insuline est létale quelques jours après la naissance chez les souris homozygotes (IR^-/-) [1]. Ces souris présentent un retard de croissance et développent un diabète sévère avec acidocétose et une augmentation des triglycérides et des acides gras libres plasmatiques. Les souris hétérozygotes IR^+/- sont normoglycémiques mais 10 % d'entre elles développent un diabète à l'âge adulte. Ce premier exemple nous montre les précautions qu'il faut prendre avant de généraliser à l'homme les observations obtenues chez la souris. On sait en effet qu'il existe de très rares mutations du gène de l'insuline qui conduisent à l'absence de son récepteur comme dans le lépréchaunisme ou le syndrome de type A et Acanthosis nigricans, mutations associées à un phénotype est un syndrome d'insulinorésistance sévère [2]. Les patients souffrant de léprechaunisme ont un retard de croissance important comme le modèle animal correspondant, mais ne développent qu'une hyperglycémie modérée.

L'invalidation spécifique du récepteur de l'insuline dans le muscle par le système Cre-loxP (souris MIRKO) [3] entraîne une insulinorésistance sévère dans le muscle incubé in vitro ou lors d'un clamp euglycémique, mais curieusement un transport de glucose normal lors d'un test de tolérance au glucose. En revanche, la synthèse de glycogène musculaire est fortement diminuée chez les souris MIRKO suite à un clamp euglycémique-hyperinsulinémique ou à la suite d'un test de tolérance au glucose. L'insuline est donc nécessaire au stockage de glucose sous forme de glycogène dans le muscle, mais son action via son récepteur n'est pas essentielle au transport de glucose musculaire in vivo et au maintien de la glycémie postprandiale. La contraction musculaire [4] ou une action compensatrice via le récepteur d'IGF-1 pourraient expliquer le maintien du transport de glucose musculaire chez la souris MIRKO in vivo. En fait, les troubles majeurs observés chez la souris MIRKO sont une augmentation de la graisse corporelle, des triglycérides et des acides gras libres conduisant à une obésité à prédominance viscérale. L'augmentation de la masse grasse chez la souris MIRKO semble être due à une sensibilité à l'insuline accrue dans le tissu adipeux, secondaire à l'insulinorésistance musculaire, suggérant l'existence d'une communication entre les muscles squelettiques et le tissu adipeux, qui permettrait une redistribution du flux de glucose vers le tissu adipeux, conduisant ainsi au maintien de l'homéostasie glucidique in vivo.

Après liaison de l'insuline à son récepteur, la transmission des messages mitotiques et métaboliques de l'insuline est assurée en partie par les substrats intracellulaires tels que IRS-1 et IRS-2 (figure 2). Des mutations d'IRS-1, qui ont été retrouvées chez environ 10 % des patients diabétiques de type 2, peuvent entraîner une diminution de la phosphorylation de l'IRS-1 dans le muscle des diabétiques de type 2 [5]. L'invalidation globale d'IRS-1 chez la souris entraîne un retard de croissance mais pas de diabète franc [6]. Les souris IRS1^-/- développent une hyperplasie des cellules beta du pancréas, causant une augmentation compensatrice de la sécrétion d'insuline. IRS-1, dont la distribution est ubiquitaire, jouerait donc un rôle central dans deux actions majeures de l'insuline dans le muscle : le transport de glucose et la synthèse des protéines. L'insulinorésistance des souris IRS-1^-/- pourrait être liée au seul défaut de leur expression dans le muscle squelettique. En fait, l'organisme de ces souris s'adapte à l'absence d'IRS-1 et compense en surexprimant IRS-2. L'invalidation d'IRS-2 entraîne quant à elle une insulinorésistance périphérique et un déficit de l'insulinosécrétion [7]. Il existe chez les souris IRS-2^-/- une détérioration précoce et sévère de l'homéostasie glucidique liée à une insulinorésistance hépatique majeure et à l'absence d'insulinosécrétion compensatoire par les cellules beta du pancréas. Le tout conduit à un diabète hyperosmolaire non cétosique [7]. Bien qu'aucune mutation de IRS-2 n'ait été mise en évidence chez l'homme, il s'agit du seul exemple de mutation monogénique entraînant un diabète franc chez la souris, causé à la fois par une anomalie de l'action de l'insuline et de sa sécrétion.

L'activité de certaines tyrosine phosphatases (figure 2), LAR (Leucocyte antigen-related phosphatase), SHP2 (Scr homology phosphatase-2) et PTP-1B, est augmentée dans le muscle et le tissu adipeux de patients ou d'animaux obèses.

L'invalidation globale du gène LAR chez la souris a donné un phénotype complexe [8]. A jeun, les souris LAR^-/- sont hypoglycémiques et hypoinsulinémiques et ont une production de glucose diminuée suggérant une hypersensibilité à l'insuline. En revanche, lors d'un clamp euglycémique, elles sont résistantes à l'insuline. La complexité de ce phénotype a conduit à générer des souris transgéniques surexprimant LAR spécifiquement dans le muscle [9]. Chez ces souris, l'autophosphorylation de la sous-unité beta du récepteur de l'insuline et la phosphorylation d'IRS-1 en réponse à l'insuline sont inchangées. En revanche, la phosphorylation d'IRS-2 est réduite de 40 % ainsi que son associationà la PI 3-kinase. Ces souris ont une glycémie normale, une insulinémie augmentée et une diminution de 45 % de l'utilisation musculaire du glucose. L'invalidation de la tyrosine phosphatase Syp est létale [10]. La surexpression d'un dominant négatif de Syp (amputée du domaine tyrosine phosphatase) entraîne une diminution de l'association d'IRS-1 avec la tyrosine phosphatase dans les tissus sensibles à l'insuline (muscle, foie, tissu adipeux). La réduction de la phosphorylation d'IRS-1 conduit à une diminution de l'activité PI 3-kinase, de l'Akt et de la MAP kinase en réponse à l'insuline. Ces souris sont intolérantes au glucose administré par voie orale, et insulinorésistantes. In vitro, les muscles et les adipocytes sont résistants à l'action de l'insuline : une diminution de la synthèse de glycogène dans le muscle et une diminution du transport de glucose dans l'adipocyte [11].

La tyrosine phosphatase 1B (PTP-1B) est fortement exprimée dans les tissus sensibles à l'insuline. L'invalidation du gène PTP-1B induit une légère hypoglycémie postprandiale, une hypo-insulinémie, une hypersensibilité à l'insuline et une résistance à l'induction de l'obésité en réponse à un régime hyperlipidique [12]. Ces études établissent clairement le rôle modulateur des tyrosine phosphatases dans la réponse physiologique à l'insuline et suggèrent que le développement d'inhibiteurs spécifiques de la PTP1B par exemple pourrait être utile dans le traitement du diabète de type 2.

Une des étapes essentielles à l'action de l'insuline est l'activation de la PI 3-kinase (figure 2). La PI 3-kinase est une lipide kinase dont l'activation par l'insuline entraîne la production de phosphoinositides phosphorylés PIP3 qui agissent comme seconds messagers. Elle est composée d'une sous-unité régulatrice ayant 3 isoformes (p85alpha, p55alpha et p50alpha) et d'une sous-unité catalytique (p110). La PI 3-kinase occupe un rôle central dans la plupart des effets métaboliques de l'insuline, en particulier le transport de glucose (figure 2). Les souris spécifiquement déficientes en p85alpha [13] ou globalement déficientes dans les 3 isoformes développent une hypoglycémie liée à l'augmentation de l'action de l'insuline [14]. Ainsi, dans les conditions normales, p85alpha présente en excès dans la cellule empêche l'activation de la sous-unité régulatrice (p110) et par conséquent l'action de l'insuline. La levée de cette inhibition améliore alors l'action de l'insuline. Il pourrait s'agir d'un mécanisme physiologique de protection contre une stimulation trop forte et prolongée de la PI 3-kinase par les facteurs de croissance potentiellement générateurs de tumeurs.

La S6 kinase 1 est une sérine/thréonine kinase activée par la PI 3-kinase et impliquée dans la traduction des ARNm codant les composantes de la machinerie contrôlant la synthèse protéique (figure 2). Les souris invalidées pour le gène codant la S6 kinase 1 (S6K1) sont viables et fertiles mais elles sont hypoglycémiques, hypoinsulinémiques et intolérantes au glucose [15]. In vitro, les muscles isolés de ces souris ont une sensibilité normale à l'insuline, ce qui conforte l'idée que la S6K1 n'est pas impliquée dans la régulation de l'homéostasie glucidique. En revanche, la sécrétion d'insuline en réponse au glucose par les cellules beta est réduite. Ceci n'est pas dû à un défaut de synthèse d'insuline ou des mécanismes de reconnaissance de glucose comme agent secrétagogue, mais à une diminution de la masse des cellules beta. Ce modèle animal ressemble au diabète de type 2 dans sa phase pré-clinique lorsque la malnutrition entraîne une hypoinsulinémie et une intolérance au glucose.

Réduction du transport de glucose ou de la translocation des transporteurs de glucose

Les transporteurs de glucose GLUT4 sont exprimés spécifiquement dans les tissus adipeux blanc et brun et dans les muscles. En absence d'insuline, les transporteurs de glucose GLUT4 sont localisés à l'intérieur de la cellule dans des vésicules spécifiques. L'insuline induit la translocation de ces transporteurs vers la membrane plasmique, permettant ainsi d'augmenter de façon considérable le transport de glucose. La translocation et la fusion des vésicules à la membrane plasmique mettent en jeu de nombreuses protéines impliquées dans les mécanismes de l'exocytose, des protéines associées aux vésicules VAMP et des protéines associées à la membrane plasmique de type syntaxine-4 [16]. L'invalidation spécifique de GLUT4 dans le muscle n'est pas létale et entraîne une insulinorésistance in vivo [17]. L'invalidation de la syntaxine 4 (Syn4) est létale à un stade embryonnaire très précoce [18]. Bien que la distribution tissulaire de cette protéine ne soit pas restreinte aux tissus insulino-sensibles, le phénotype des souris hétérozygotes Syn4^+/- est dû principalement à une altération du métabolisme musculaire du glucose. La translocation des transporteurs de glucose GLUT4 ainsi que le transport du glucose en réponse à l'insuline sont réduits de 50 % dans les muscles squelettiques des souris Syn4^+/-. Aucune altération du transport de glucose n'a été mesurée dans le tissu adipeux blanc. Ces deux modèles animaux, invalidation spécifique dans le muscle de GLUT4 et de la syntaxine 4, démontrent clairement que la stimulation du transport de glucose musculaire en réponse à l'insuline est indispensable au maintien de l'homéostasie glucidique in vivo.

Bien que le tissu adipeux blanc soit responsable de 10 % du captage périphérique de glucose, il ne semble pas jouer un rôle essentiel dans la régulation du métabolisme énergétique. Des études récentes ont cependant montré que la cellule adipeuse n'est pas seulement une cellule de stockage des lipides mais aussi une cellule qui sécrète des facteurs impliqués dans le maintien de l'homéostasie glucidique et de l'équilibre énergétique, tels l'adipsine, le TNFalpha (Tumor necrosis factor alpha), la leptine et plus récemment la résistine et l'adiponectine (acrp30). L'expression et la sécrétion de ces molécules par la cellule adipeuse peuvent être modifiées dans des situations de dysfonctionnement métabolique comme le diabète de type 2 ou l'obésité [19]. L'invalidation spécifique du transporteur de glucose GLUT4 dans le tissu adipeux blanc entraîne une diminution du transport de glucose, basal et stimulé par l'insuline, mais elle altère également les effets de l'insuline sur le foie et les muscles squelettiques, renforçant ainsi l'importance de ce tissu dans le maintien de l'homéostasie du glucose in vivo [20] (figure 3). La nature du signal sécrété par la cellule adipeuse, mettant en communication les cellules musculaires et hépatiques, reste à être identifiée.

L'implication des acides gras libres dans le développement de l'insulinorésistance et du diabète de type 2 a été suggérée il y a plus de 35 ans par Randle [21]. Cette hypothèse a été de nouveau testée grâce à l'analyse de deux modèles de souris transgéniques surexprimant la lipoprotéine lipase, enzyme qui contrôle l'hydrolyse des triglycérides circulants et le captage des acides gras libérés, dans les muscles squelettiques et dans le foie. Les souris qui surexpriment la lipoprotéine lipase dans les muscles squelettiques sont résistantes à l'action de l'insuline [22] en raison d'une part, d'une réduction du transport de glucose stimulé par l'insuline et d'autre part d'une altération des mécanismes de signalisation de l'insuline [23]. L'insulinorésistance des souris qui surexpriment la lipoprotéine lipase dans le foie est causée par une diminution de l'action de l'hormone, en particulier au niveau du contrôle de la production hépatique de glucose. D'autre part, les accumulations paradoxales d'acides gras intracellulaires entraînent des altérations de la signalisation de l'insuline dans le foie. Il est intéressant de noter que l'insulinorésistance de ces souris se développe sans modification des concentrations circulantes des hormones dites adipocytaires, telle la leptine. Ces modèles animaux démontrent très clairement qu'il existe une relation directe entre accumulation excessive d'acides gras et résistance à l'insuline.

L'hyperglycémie à jeun rencontrée au cours du diabète de type 2 est causée par une augmentation de la production hépatique de glucose, liée à une néoglucogenèse non inhibée par l'insuline. L'importance du foie dans le maintien de la glycémie et dans le développement de l'hyperglycémie a été étudiée par différentes approches in vivo.

Contrairement au phénotype modéré associé à l'invalidation du récepteur de l'insuline dans le muscle squelettique [3], l'invalidation tissu-spécifique du récepteur de l'insuline dans le foie (souris LIRKO) entraîne des anomalies sévères de la tolérance au glucose et une résistance à l'insuline injectée à doses physiologiques (figure 4AB) [24]. Ces résultats indiquent que le foie joue un rôle primordial, plus important que précédemment suggéré, dans le maintien de la glycémie postprandiale et qu'une partie importante de l'effet hypoglycémiant de l'insuline est due à une suppression de la production hépatique de glucose [24] plutôt qu'à une augmentation du captage musculaire [3]. Le foie semble donc être important dans la genèse du diabète de type 2, du moins chez la souris. Ce modèle animal démontre d'autre part que la capacité des cellules beta à inhiber la production hépatique de glucose, même en l'absence d'anomalie génétique affectant l'insulinosécrétion, est limitée. Par ailleurs, l'hyperinsulinémie compensatrice qui se développe au cours des syndromes d'insulinorésistance pourrait aggraver l'insulinorésistance hépatique en diminuant l'expression (mécanisme de downregulation) des molécules impliquées dans la cascade de signalisation de l'insuline, comme c'est le cas pour les souris LIRKO. Ainsi, des souris qui surexpriment le gène de l'insuline dans le foie se caractérisent par une hyperinsulinémie mais développent avec l'âge une intolérance au glucose causée par une diminution de l'expression du récepteur hépatique de l'insuline sans anomalie d'insulinosécrétion [25].

La surexpression de la phosphoénolpyruvate carboxykinase (PEPCK) ou de la glucose-6-phosphatase (G6Pase) chez la souris, deux enzymes clefs de la néoglucogenèse, entraîne une augmentation de la production hépatique de glucose non régulée par l'hyperinsulinémie, confirmant le rôle central du foie dans le développement de l'hyperglycémie à jeun du diabétique de type 2 [26, 27]. Néanmoins, ces souris ne deviennent jamais diabétiques. Ceci est en accord avec l'idée que le diabète ne se développe que lorsqu'il existe à la fois une résistance musculaire ou hépatique à l'insuline et un défaut d'insulinosécrétion.

La glucokinase (GK) joue un rôle clef dans le maintien de l'homéostasie glucidique en catalysant la première étape du métabolisme du glucose, la phosphorylation du glucose en glucose 6-phosphate (G-6-P) dans les hépatocytes et les cellules beta du pancréas (figure 5) où elle est principalement exprimée. La surexpression de GK dans le foie corrige le diabète de la souris injectée de streptozotocine [28]. De plus, le développement de l'hyperglycémie et de la résistance hépatique à l'insuline, en réponse à une alimentation riche en lipides, est prévenu par la surexpression de la GK dans le foie [29].

Le diabète de type 2 se caractérise par une diminution quantitative et qualitative (phase précoce) de la sécrétion d'insuline. Certains des modèles animaux discutés dans ce paragraphe ont permis de mettre en évidence certains des gènes impliqués dans le défaut de sécrétion compensatoire de l'insuline caractéristique du diabète de type 2.

Invalidation du récepteur de l'insuline dans les cellules beta du pancréas

L'invalidation spécifique du récepteur de l'insuline dans les cellules beta du pancréas (souris betaIRKO) cause un phénotype sévère chez la souris, se caractérisant par une altération de la tolérance au glucose et par la perte de la première phase de la sécrétion de l'insuline lors d'un test de tolérance au glucose [30]. La sécrétion d'insuline en réponse à l'arginine est normale, indiquant que le récepteur de l'insuline est indispensable au sensing du glucose dans les cellules beta du pancréas (figure 6). Ce modèle animal démontre que l'insuline joue donc un rôle très important dans la fonction de la cellule beta et suggère qu'une insulinorésistance présente au niveau de la cellule beta, peut elle-même contribuer à l'altération caractéristique de la sécrétion d'insuline du diabète de type 2. Les souris betaIRKO qui présentent une intolérance au glucose en rapport avec une perte du pic d'insulinosécrétion précoce n'évoluent pas vers le diabète si elles restent maigres et sensibles à l'insuline [30]. En revanche, chez les animaux qui deviennent obèses, l'hyperplasie beta insulaire et la sécrétion d'insuline sont insuffisantes pour faire face à l'insulinorésistance, et un diabète franc se développe chez 20 % des animaux.

La régulation de la sécrétion d'insuline stimulée par le glucose est liée à l'activité électrique de la cellule beta contrôlée par différents canaux ioniques présents à la surface membranaire de la cellule (figure 5). En particulier, les canaux potassiques dépendants de l'ATP présents dans la cellule beta sont indispensables à la bonne corrélation entre métabolisme du glucose et activité électrique de la cellule. Ces canaux potassiques dépendants de l'ATP sont composés de deux unités : une sous-unité beta (Kir6.2) et le récepteur aux sulfonylurées (SUR-1).

Des mutations des gènes de SUR-1 ou de Kir6.2 sont à l'origine d'un syndrome d'hyperinsulinisme et d'hypoglycémie chez l'enfant (PHHI) qui se caractérise par une sécrétion importante d'insuline malgré une hypoglycémie persistante [31]. Afin de déterminer le rôle des canaux potassiques dépendants de l'ATP dans le maintien de l'homéostasie glucidique et dans la régulation de la sécrétion d'insuline, Takashi et al. ont crée deux modèles de souris génétiquement modifiées : des souris qui expriment spécifiquement dans les cellules b du pancréas une forme dominante négative du Kir6.2 (Kir6.2_G132s) et des souris invalidées pour ce même gène (souris Kir6.2^-/-). Les souris qui surexpriment Kir6.2_G132s sont hypoglycémiques à la naissance mais développent au cours du temps une hyperglycémie secondaire à la destruction des cellules beta [32]. Les souris Kir6.2^-/- développent une intolérance au glucose modérée car elles maintiennent une sensibilité normale à l'insuline et ceci malgré des anomalies sévères de l'insulinosécrétion induite par le glucose [33]. En revanche, chez les souris qui deviennent obèses avec l'âge et donc insulinorésistantes, un diabète de type 2 apparaît [34]. Ce modèle de souris génétiquement modifiées est typique du diabète de type 2 au cours duquel l'hyperglycémie résulte d'une interaction entre un déficit de l'insulinosécrétion génétiquement déterminé et une insulinorésistance acquise due à des facteurs environnementaux. L'influence néfaste de l'environnement et en particulier de la sédentarité et de l'obésité joue un rôle majeur dans le développement du diabète de type 2. L'obésité, par le biais de l'insulinorésistance et de l'hyperlipidémie qui lui sont associées, peut précipiter l'évolution vers le diabète. Les souris SUR1^-/-ont une sensibilité à l'insuline diminuée due à une perte du pic précoce d'insulinosécrétion [35]. En conditions post-absorptives, ellessont normoglycémiques mais sont en revanche plus hyperglycémiques que les témoins après une charge de glucose.

En raison de ses caractéristiques cinétiques, un K_m de 20 mM pour le glucose, GLUT2 a été considéré comme un des glucose-sensor des cellules beta, pouvant être impliqué dans la régulation de la sécrétion d'insuline (figure 5). L'invalidation globale du transporteur de glucose GLUT2 entraîne chez les souris un diabète qui se caractérise par une hyperglycémie, une hypoinsulinémie et des concentrations élévées de glucagon, entraînant la mort des souris 3 semaines après la naissance [36]. Leur hypoinsulinémie est causée par une perte de la première phase de la sécrétion de l'insuline des cellules beta en réponse au glucose [37]. La composition cellulaire des îlots de Langerhans est également modifiée, avec une inversion du rapport entre le nombre de cellules beta et de cellules alpha. La ré-expression sélective du transporteur de glucose ubiquitaire, GLUT1 au K_m pour le glucose plus faible que celui de GLUT2, dans les cellules beta du pancréas des souris GLUT2^-/-restaure la viabilité des souris et leur capacité à sécréter de l'insuline en réponse au glucose [38]. La composition cellulaire du pancréas endocrine reste cependant altérée. Bien que vital, le transporteur de glucose GLUT2 n'est donc pas indispensable aux fonctions de glucose sensor de la cellule beta.

Des mutations du gène de la GK chez l'homme sont à l'origine des formes modérées de diabète non insulinodépendant, le diabète MODY-2. Celui-ci se caractérise par un défaut primaire de l'insulinosécrétion. Une centaine de mutations du gène de la GK ont été identifiées chez environ 42 familles différentes. Afin d'élucider les bases de la physiopathologie de cette forme de diabète, le gène de la GK a été invalidé de manière globale ou spécifiquement dans les cellules beta du pancréas. L'inactivation de GK dans les cellules beta du pancréas est associée à un diabète sévère, causant la mort des souris quelques jours après la naissance. Les souris hétérozygotes pour la délétion de la GK pancréatique sont aussi hyperglycémiques et présentent un défaut d'insulinosécrétion en réponse au glucose, phénotype similaire au diabète MODY-2 de l'homme [39].

Les protéines découplantes (UCP) de la membrane interne des mitochondries permettent la fuite de protons à travers la membrane mitochondriale et découplent ainsi la synthèse d'ATP des phosphorylations oxydatives. Les UCP entraînent donc une diminution de la synthèse d'ATP. Il existe plusieurs isoformes des UCP. Contrairement à l'UCP1, principalement impliquée dans les processus de thermogenèse dans le tissu adipeux brun des rongeurs, l'UCP2 est exprimée dans de nombreux tissus et en particulier dans les cellules beta du pancréas et sa concentration est augmentée dans les cellules beta du pancréas des souris obèses et diabétiques ob/ob. La surexpression d'UCP2 dans les îlots de Langerhans pourrait par conséquent conduire à une diminution de la synthèse d'ATP en réponse au glucose et à une réduction de l'insulino-sécrétion liée à réduction de l'activité du canal potassique dépendant de l'ATP. L'invalidation de l'UCP2 produit une augmentation de la sécrétion de l'insuline en réponse au glucose et améliore le diabète chez la souris ob/ob [40]. En effet, les souris UCP2^-/- ont des concentrations d'ATP intracellulaire élevées dans les îlots [40]. L'autre fonction de l'UCP2 pourrait être la régulation de la production mitochondriale de radicaux libres et donc dans la régulation de l'apoptose des cellules beta du pancréas.

Environ 0,5 à 1 % des diabètes sont dus à des mutations de l'ADN mitochondrial mais les mécanismes responsables de ces diabètes restent encore mal connus. Les patients qui présentent un diabète mitochondrial sont porteurs de mutations ponctuelles ou de délétions de l'ADN mitochondrial et ont une hétéroplasmie avec une fréquence importante dans des îlots de Langerhans [41]. Des études récentes réalisées sur des souris dont l'ADN mitochondrial a été invalidé spécifiquement dans les cellules beta du pancréas [42] ont apporté des informations importantes sur le diabète mitochondrial humain. Le gène invalidé est le facteur de transcription Tfam, codé par un gène nucléaire et importé dans la mitochondrie où il est essentiel à la réplication de l'ADN mitochondrial [43]. L'analyse en microscopie électronique des cellules beta des souris Tfam^-/- révèle une accumulation anormale de mitochondries de taille importante avec des cristae tubulaires, signe typique de mitochondries présentes dans les tissus d'animaux souffrant d'un dysfonctionnement de la chaîne respiratoire. Les souris Tfam^-/-sont également intolérantes au glucose administré intrapéritonéalement et développent un diabète franc à partir de 5 semaines (hyperglycémie, hypoinsulinémie). Comme ces souris présentent une sensibilité à l'insuline normale, le défaut de sécrétion de l'insuline observé semble être l'unique raison de l'apparition de leur diabète. Ces études mettent en évidence le rôle crucial de la chaîne respiratoire dans les mécanismes de couplage entre le métabolisme du glucose et la sécrétion d'insuline.

Le diabète MODY-3 chez l'homme est dû à des mutations du facteur de transcription HNF-1alpha (Hepatocyte nuclear factor-1alpha) [44] et se caractérise par des hyperglycémies franches et un défaut de l'insulinosécrétion. Les souris déficientes en HNF-1alpha présentent un déficit de l'insulinosécrétion en réponse au glucose et à l'arginine mais sécrètent de l'insuline normalement en réponse à des insulinosécrétagogues non métaboliques comme le chlorure de potassium [45, 46]. Ces anomalies ne s'accompagnent pas d'altération de la masse des cellules beta suggérant que le diabète de type MODY-3 se caractérise par un déficit majeur de l'insulinosécrétion, sans anomalie, au moins initialement, de la masse des cellules beta.

Chez l'homme, des mutations du gène du facteur de transcription PDX-1 causent le diabète de type MODY-4 [47]. L'invalidation globale du gène de PDX-1 chez la souris [48] entraîne une absence totale de développement du pancréas, indiquant le rôle crucial joué par ce facteur de transcription dans le développement de l'organe. La délétion sélective de PDX-1 dans les cellules beta du pancréas entraîne un diabète lié à une diminution de l'expression de l'insuline et du transporteur de glucose GLUT-2 chez les souris invalidées hétérozygotes [49]. Il en résulte une détérioration progressive de la tolérance au glucose liée à des anomalies de plasticité des cellules beta. Contrairement aux diabétiques de type MODY-3, les patients atteints de MODY-4 développent un diabète caractérisé par un déficit de l'insulinosécrétion, associé à défaut du nombre des cellules beta.

1. Joshi R., Lamothe B., Cordonnier N., et al. 1996. Targeted disruption of the insulin receptor gene in the mouse results in neonatal lethality. EMBO J 15 : 1542-1547.

2. Kadowaki T., Bevins C.L., Cama A., et al. 1988. Two mutant alleles of the insulin receptor gene in a patient with extreme insulin resistance. Science 240 : 787-790.

3. Bruning J.C., Michaël M., Winney J., et al. 1998. A muscle-specific insulin receptor knockout exhibits features of the metabolic syndrome of NIDDM without altering glucose tolerance. Mol Cell 2 : 559-569.

4. Wojtaszewski J.F., Higaki Y., Hirshman M.F., et al. 1999. Exercise modulates postreceptor insulin signaling and glucose transport in muscle-specific insulin receptor knockout mice. J Clin Invest 104 : 1257-1264.

5. Virkamaki A., Ueki K., Kahn C.R. 1999. Protein-protein interaction in insulin signaling and the molecular mechanisms of insulin resistance. J Clin Invest 103 : 931-943.

6. Araki E., Lipes M.A., Patti M.E., et al. 1994. Alternative pathway of insulin signalling in mice with targeted disruption of the IRS-1 gene. Nature 372 : 186-190.

7. Withers D.J., Sanchez-Gutierrez J., Towery H., et al. 1998. Disruption of IRS-2 causes type 2 diabetes in mice. Nature 391 : 900-904.

8. Ren J.M., Li P.M., Zhang W.R., et al. 1998. Transgenic mice deficient in the LAR protein-tyrosine phosphatase exhibit profound defects in glucose homeostasis. Diabetes 47: 493-497.

9. Zabolotny J.M., Kim Y.B., Peroni O.D., et al. 2001. Overexpression of the LAR (leukocyte antigen-related) protein-tyrosine phosphatase in muscle causes insulin resistance. Proc Natl Acad Sci USA 98 : 5187-5192.

10. Arrandale J.M., Gorewillse A., Rocks S., et al. 1996. Insulin signaling in mice expressing reduced levels of Syp. J Biol Chem 271 : 21353-21358.

11. Maegawa H., Hasegawa M., Sugai S., et al. 1999. Expression of a dominant negative SHP-2 in transgenic mice induces insulin resistance. J Biol Chem 274 : 30236-30243.

12. Elchebly M., Payette P., Michaliszyn E., et al. 1999. Increased insulin sensitivity and obesity resistance in mice lacking the protein tyrosine phosphatase-1B gene. Science 283 : 1544-1548.

13. Terauchi Y., Tsuji Y., Satoh S., et al. 1999. Increased insulin sensitivity and hypoglycaemia in mice lacking the p85 alpha subunit of phosphoinositide 3-kinase. Nat Genet 21 : 230-235.

14. Fruman D.A., Mauvais-Jarvis F., Pollard D.A., et al. 2000. Hypoglycaemia, liver necrosis and perinatal death in mice lacking all isoforms of phosphoinositide 3-kinase p85 alpha. Nat Genet 26 : 379-382.

15. Pende M., Kozma S.C., Jaquet M., et al. 2000. Hypoinsulinaemia, glucose intolerance and diminished ß-cell size in S6K1-deficient mice. Nature 408 : 994-997.

16. Cheatham F. 2000. GLUT4 and company: SNARE ing roles in insulin-regulated glucose uptake. Trends Endocrinol Metab 11 : 356-361.

17. Zisman A., Peroni O.D., Abel E.D., et al. 2000. Targeted disruption of the glucose transporter 4 selectively in muscle causes insulin resistance and glucose intolerance. Nat Med 6 : 924-928.

18. Yang C., Coker K.J., Kim J.K., et al. 2001. Syntaxin 4 heterozygous knockout mice develop muscle insulin resistance. J Clin Invest 107 : 1311-1318.

19. Peraldi P., Spiegelman B. 1998. TNF-alpha and insulin resistance: summary and future prospects. Mol Cell Biochem 182 : 169-175.

20. Abel E.D., Peroni O., Kim J.K., et al. 2001. Adipose-selective targeting of the GLUT4 gene impairs insulin action in muscle and liver. Nature 409 : 729-733.

21. Randle P.J., Garland P.B., Hales C.N., Newsholme E.A. 1963. The glucose-fatty acid cycle : its role in insulin sensitivity and the metabolic disturbances of diabetes mellitus. Lancet i : 785-789.

22. Ferreira L.D., Pulawa L.K., Jensen D.R., Eckel R.H. 2001. Overexpressing human lipoprotein lipase in mouse skeletal muscle is associated with insulin resistance. Diabetes 50 : 1064-1068.

23. Kim J.K., Fillmore J.J., Chen Y., et al. 2001. Tissue-specific overexpression of lipoprotein lipase causes tissue-specific insulin resistance. Proc Natl Acad Sci USA 98 : 7522-7527.

24. Michael M.D., Kulkarni R.N., Postic C., et al. 2000. Loss of insulin signaling in hepatocytes leads to severe insulin resistance and progressive hepatic dysfunction. Mol Cell 6 : 87-97.

25. Marban S.L., Barr V., Roth J. 1990. Hyperinsulinemia in transgenic mice leads to insulin resistance, receptor downregulation and glucose intolerance. Diabetes 39 : 59A.

26. Valera A., Bosch F. 1994. Glucokinase expression in rat hepatoma cells induces glucose uptake and is rate-limiting in glucose utilization. Eur J Biochem 222 : 533-539.

27. Trinh K.Y., O'Doherty R.M., Anderson P., Lange A.J., Newgard C.B. 1998. Perturbation of fuel homeostasis caused by overexpression of the glucose-6-phosphatase catalytic subunit in liver of normal rats. J Biol Chem 273 : 31615-31620.

28. Ferré T., Pujol A., Riu E., Bosch F., Valera A. 1996. Correction of diabetic alterations by glucokinase. Proc Natl Acad Sci USA 93 : 7225-7230.

29. Shiota M., Postic C., Fujimoto Y., et al. 2001. Glucokinase gene locus transgenic mice are resistant to the development of obesity-induced type 2 diabetes. Diabetes 50 : 622-629.

30. Kulkarni R.N., Bruning J.C., Winnay J.N., Postic C., Magnuson M.A., Kahn C.R. 1999. Tissue-specific knockout of the insulin receptor in pancreatic beta cells creates an insulin secretory defect similar to that in type 2 diabetes. Cell 96 : 329-339.

31. Aguilar-Bryan L., Bryan J., Nakazaki M. 2001. Of mice and men: K(ATP) channels and insulin secretion. Recent Prog Horm Res 56 : 47-68.

32. Miki T., Tashiro F., Iwanaga T., et al. 1997. Abnormalities of pancreatic islets by targeted expression of a dominant-negative KATP channel. Proc Natl Acad Sci USA 94 : 11969-11973.

33. Miki T., Nagashima K., Tashiro F., et al. 1998. Defective insulin secretion and enhanced insulin action in KATP channel-deficient mice. Proc Natl Acad Sci USA 95 : 10402-10406.

34. Seino S., Iwanaga T., Nagashima K., Miki T. 2000. Diverse roles of K(ATP) channels learned from Kir6.2 genetically engineered mice. Diabetes 49 : 311-318.

35. Seghers V., Nakazaki M., DeMayo F., Aguilar-Bryan L., Bryan, J. 2000. Sur1 knock-out mice. A model for K(ATP) channel-independent regulation of insulin secretion. J Biol Chem 275 : 9270-7.

36. Guillam M.-T., Hummler E., Schaerer E., et al. 1997. Early diabetes and abnormal postnatal pancreatic islet development in mice lacking Glut-2. Nat Genet 17 : 327-330.

37. Guillam M.T., Dupraz P., Thorens B. 2000. Glucose uptake, utilization, and signaling in GLUT2-null islets. Diabetes 49 : 1485-1491.

38. Thorens B., Guillam M.T., Beermann F., Burcelin R., Jaquet M. 2000. Transgenic reexpression of GLUT1 or GLUT2 in pancreatic beta cells rescues GLUT2-null mice from early death and restores normal glucose-stimulated insulin secretion. J Biol Chem 275 : 23751-23758.

39. Postic C., Shiota M., Niswender K.D., et al. 1999. Dual roles for glucokinase in glucose homeostasis as determined by liver and pancreatic beta cell specific gene knock-outs using Cre recombinase. J Biol Chem 274 : 305-315.

40. Zhang C.-Y., Baffy G., Perret P., et al. 2001. Uncoupling protein 2 negatively regulates insulin secretion and is a major link between obesity, beta cell dysfunction, and type 2 diabetes. Cell 105 : 745-755.

41. Kadowaki T. 2000. Maternally inherited diabetes mellitus and deafness. In: Diabetes mellitus. A fundamental and clinical text., ed. D. LeRoith, S. Taylor, and J.M. Olefsky., Philadelphia: Lippincott, Williams and Wilkins. 719-723.

42. Silva J.P., Kohler M., Graff C., et al. 2000. Impaired insulin secretion and beta-cell loss in tissue-specific knockout mice with mitochondrial diabetes. Nat Genet 26 : 336-340.

43. Sevin C., Girard J. 1999. La chaîne respiratoire et sa génétique. Médecine Thérapeutique Pédiatrie 2 : 227-234.

44. Yamagata K., Oda N., Kaisaki P.J., et al. 1996. Mutations in the hepatocyte nuclear factor-1alpha gene in maturity-onset diabetes of the young (MODY3). Nature 384 : 455-458.

45. Pontoglio M., Sreenan S., Roe M., et al. 1998. Defective insulin secretion in hepatocyte nuclear factor 1-alpha-deficient mice. J Clin Invest 101 : 2215-2222.

46. Dukes I. D., Sreenan S., Roe M.W., et al. 1998. Defective pancreatic beta-cell glycolytic signaling in hepatocyte nuclear factor-1 alpha-deficient mice. J Biol Chem 273 : 24457-24464.

47. Stoffers D.A., Ferrer J., Clarke W.L., Habener J.F. 1997. Early-onset type-II diabetes mellitus (MODY4) linked to IPF1. Nat Genet 17 : 138-139.

48. Jonsson J., Carlsson L., Edlund T., Edlund H. 1994. Insulin-promoter-factor 1 is required for pancreas development in mice. Nature 371 : 606-609.

49. Ahlgren U., Jonsson J., Jonsson L., Simu K., Edlund H. 1998. beta-cell-specific inactivation of the mouse Ipf1/Pdx1 gene results in loss of the beta-cell phenotype and maturity onset diabetes. Genes Dev 12 : 1763-1768.

50. Birnbaum M.J. 2001. Diabetes. Dialogue between muscle and fat. Nature 409 : 672-673.

51. Le Y., Sauer B. 2000. Conditional gene knockout using Cre recombinase. Methods Mol Biol 136 : 477-485.