Rôle du réticulum endoplasmique dans le contrôle par le glucose du potentiel de membrane et de la concentration cytosolique de Ca2+ dans les cellules beta pancréatiques
(2006)
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- Gilon, Patrick
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- L'élévation de la concentration cytosolique de Ca2+ ([Ca2+]c) est le mécanisme déclenchant de la sécrétion d'insuline stimulée par le glucose dans les cellules beta pancréatiques. Cette élévation résulte essentiellement de l'influx de Ca2+ par les canaux calciques voltage-dépendants, mais de nombreuses études suggèrent qu'une mobilisation de Ca2+ intracellulaire y contribue ou l'amplifie. Dans plusieurs types cellulaires, il existe trois mécanismes de mobilisation de Ca2+ du réticulum endoplasmique (RE): le Ca2+-induced Ca2+-release (CICR), qui peut être médié par les recepteurs à la ryanodine (RyRs) ou les récepteurs à l'IP3 (IP3Rs), le depolarization-induced Ca2+-release (DICR), médié par le RyR1, et l'IP3-induced Ca2+-release (IICR), médié par les IP3Rs. Le but de ma première étude a été d'évaluer la contribution éventuelle du RE dans l'élévation de la [Ca2+]c induite par une dépolarisation ou par le glucose dans les cellules beta. Pour cela, j'ai mesuré les changements de la [Ca2+]c en réponse à la dépolarisation dans des cellules beta de souris. Dans le cas d'une dépolarisation forte et soutenue, une majorité de cellules présente une élévation transitoire superposée à l'élévation soutenue de la [Ca2+]c, qui reflète une mobilisation de Ca2+ intracellulaire puisqu'elle ne s'accompagne pas d'une accélération de l'influx de Ca2+. Cette mobilisation est abolie par l'inhibition des Sarco-endoplasmic Ca2+-ATPases (SERCA) par la thapsigargine, ce qui montre qu'elle provient du RE. La mobilisation n'apparaît pas dans les cellules de souris knock-out pour la SERCA3, ce qui montre qu'elle nécessite la capture du Ca2+ par la SERCA3, une des deux isoformes de la Ca2+-ATPase du RE, qui pompe le Ca2+ dans le RE, exprimées dans les cellules beta. La mobilisation est activée de façon répétitive par des cycles de dépolarisation et repolarisation, et apparaît toujours après le même délai dans une même cellule. Comme elle nécessite un influx de Ca2+, il s'agit d'un CICR. Mais ce CICR est atypique car il n'est médié ni par les RyRs ni par les IP3Rs. En effet, il n'est aboli ni par la ryanodine ni par l'héparine. De plus, les RyRs ne sont pas ou très peu exprimés dans les îlots, et seul le RyR3 est faiblement exprimé dans les cellules beta purifiées. On ignore si le CICR atypique implique un « leak channel » ou un autre canal. Plusieurs caractéristiques suggèrent que ce CICR est contrôlé plus par l'état de remplissage en Ca2+ du RE que par le niveau absolu de la [Ca2+]c atteinte. C'est un phénomène différent de la mobilisation de Ca2+ observée dans les cellules beta de souris ob/ob ou dans la lignée cellulaire insulino-sécrétrice INS-1. Ce CICR atypique a lieu également dans certaines cellules en réponse au glucose, mais plus rarement qu'en réponse à une forte dépolarisation. Son rôle physiologique n'est donc pas clair. Ces résultats sont en contradiction avec de nombreuses études suggérant la présence d'un CICR médié par les RyRs ou les IP3Rs dans les cellules beta. Cependant, toutes ces études utilisent des types cellulaires différents, et des conditions pas toujours physiologiques. Nos résultats montrent par des approches tant fonctionnelles que moléculaires que les RyRs et les IP3Rs ne semblent pas impliqués dans l'élévation de la [Ca2+]c en réponse à la dépolarisation dans les cellules beta de souris normales. De plus, dans des conditions physiologiques telles que la stimulation par le glucose, le CICR atypique ne joue qu un rôle mineur dans les oscillations de la [Ca2+]c, car seuls 30 % des amas cellulaires présentent un CICR en réponse au glucose. Lorsqu'ils sont stimulés par le glucose, les îlots présentent des oscillations de la [Ca2+]c. Ces oscillations peuvent être de trois types: simples et rapides, simples et lentes, ou mixtes, caractérisées par des oscillations rapides superposées aux lentes. Il est bien établi que les oscillations simples de la [Ca2+]c résultent d'oscillations synchrones du potentiel de membrane. Cependant, l'origine des oscillations mixtes n'est pas claire. Pour répondre à cette question, j'ai mesuré simultanément la [Ca2+]c dans un îlot entier et le potentiel de membrane dans une cellule betaau sein de l'îlot. Ainsi, j'ai observé que les oscillations mixtes de la [Ca2+]c sont dues à une activité électrique périodique, caractérisée par des séries d'oscillations rapides du potentiel de membrane séparées par des intervalles silencieux. Chaque oscillation rapide du potentiel de membrane induit une oscillation synchrone de la [Ca2+]c, et c'est la sommation des oscillations rapides de la [Ca2+]c qui est responsable de la lente phase ascendante des oscillations mixtes. Ces oscillations mixtes sont synchrones dans toutes les régions de l'îlot, et l'activité électrique périodique est présente dans toutes les cellules de l'îlot. Quelques désynchronisations dans les oscillations de la [Ca2+]c entre les différentes régions de l'îlot, et quelques rares dissociations entre les changements de la [Ca2+]c et ceux du potentiel de membrane ont été observées. Cependant, ces dissociations sont rares et n'expliquent jamais l'apparition des oscillations mixtes de la [Ca2+]c. J'ai ensuite étudié le rôle de la SERCA3, qui est active lorsque la [Ca2+]c augmente, et pourrait donc jouer un rôle dans des oscillations de la [Ca2+]c. Pour vérifier cela, j'ai utilisé des îlots de souris knock-out pour la SERCA3 (SERCA3-/-) et de souris contrôles. Dans les îlots de souris SERCA3-/-, les oscillations de la [Ca2+]c sont très différentes de celles des îlots de souris contrôles: leur amplitude est plus grande, leurs phases ascendante et descendante sont plus abruptes, et elles ne sont jamais mixtes. L'activité électrique des cellules beta de souris SERCA3 /- est également différente de celle des cellules beta de souris contrôles: elle n'est jamais périodique comme dans les îlots de souris contrôles, le pourcentage de dépolarisation et la durée des phases actives sont plus élevés, et la fréquence des oscillations plus basse. De plus, il n'y a pas de sommation des oscillations rapides dans les îlots de souris SERCA3-/-. La SERCA3 est impliquée de deux façons dans les oscillations mixtes: elle est responsable de la sommation des oscillations rapides de la [Ca2+]c, et de l'activité électrique périodique. Le mécanisme par lequel le RE influence le potentiel de membrane n'est pas connu.
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Citations
Beauvois, M. (2006). Rôle du réticulum endoplasmique dans le contrôle par le glucose du potentiel de membrane et de la concentration cytosolique de Ca2+ dans les cellules beta pancréatiques. https://hdl.handle.net/2078.5/112188