Role of microRNAs and their machinery in hepatocytes and pancreatic beta cells Gaia Fabris
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Gaia Fabris. Role of microRNAs and their machinery in hepatocytes and pancreatic beta cells. Cell Behavior [q-bio.CB]. COMUE Université Côte d’Azur (2015 - 2019), 2019. English. NNT : 2019AZUR4030. tel-02855053
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THÈSE DE DOCTORAT
Rôle des microARNs et de leur machinerie dans les hépatocytes et les cellules béta pancréatiques Role of microRNAs and their machinery in hepatocytes and pancreatic beta cells
Gaia FABRIS IRCAN CNRS UMR 7284 – INSERM U1081
Présentée en vue de l’obtention Devant le jury, composé de : du grade de docteur en Sciences Francesco Beguinot, Professeur d’Université Côte d’Azur d’Endocrinologie, Università di Napoli Mention : interactions moléculaires et Federico II cellulaires Giulia Chinetti, Professeure de Biochimie, Dirigée par : Giulia Chinetti UCA Nice Co-encadrée par : Patricia Lebrun Magalie Ravier, CRCN, Inserm, IGF Soutenue le : 7 Juin 2019 Montpellier Emmanuel Van Obberghen, Professeur de Biochimie, UCA Nice
Rôle des microARNs et de leur machinerie dans les hépatocytes et les cellules béta pancréatiques
Jury :
Président de jury
Emmanuel Van Obberghen, Professeur de Biochimie, UCA Nice
Rapporteurs
F a es o Begui ot, P ofesseu d’Endocrinologie, Département de Médecine translationnelle Université de Naples Federico II, Italie
Magalie Ravier, CRCN, Inserm, Institut de Génomique Fonctionnelle Montpellier, France
Résumé
Da s le foie o al de l’adulte les h pato tes so t da s u tat de uies e e, sauf lo s d’u e situatio d’ag essio ph si ue ou to ique. Dans ces cas-là, afin de pouvoir ai te i leu ôle da s l’ho ostasie de l’o ga is e les h pato tes e do ag s ou sauvegardés vont proliférer. Un des facteurs limitants pour la prolifération est la p se e d’a ides a i s, ui so t essai es pour la synthèse des protéines au cours de la p olif atio et di isio ellulai e, et pou l’a ti atio de la oie TOR, ui joue un rôle clef dans la régulation de la prolifération cellulaire. Le ut de o p ojet de th se tait d’ tudie da s des h pato tes adultes le ôle des a ides a i s da s la gulatio de la t a sitio e t e l’ tat de uies e e et la croissance cellulaire. Pour cela nous avons utilisé comme modèle de foie partiellement reséqué des hépatocytes de rats adultes en culture primaire non- o flue te. J’ai d ou e t ue l’a se e d’a ides a i s i duit l’e t e des h pato tes da s u tat de quiescence couplée à une augmentation de la protéine Drosha; cet accroissement étant indépendant de la voie mTOR. Inversement, la réduction de Drosha permet aux hépatocytes de proliférer, et cet effet semble indépendant des microARNs, qui sont les pa te ai es lassi ues de D osha. L’e se le de os sultats le t da s les hépatocytes adultes l’e iste e d’effets o -classiques de Drosha dans le contrôle de la régulation de la croissance suite un stress nutritionnel. Un tel mécanisme pourrait t e i l pou la p e tio et/ou le t aite e t de l’i suffisa e h pati ue. Le second projet de ma thèse concerne le rôle du microARN-375 dans la régulation de la sécrétion de l’i suli e e po se au glu ose da s les îlots de La ge ha s de ats et d’o igi e hu ai e. Le ta olis e gl ol ti ue et o datif so t nécessaires pour la réponse sécrétoire au glucose. Alors que plusieurs microARNs sont connus pour odule l’ho ostasie des ellules ta, le microARN-375 se démarque par sa forte expression dans les cellules béta dans lesquelles il régule le fonctionnement, la prolifération et la différentiation. Sachant que le métabolisme du glucose est au centre de toutes les fonctions de la cellule béta, nous avons étudié son impact sur le métabolisme dans des îlots humains et murins. Notre approche a fait appel soit à la surexpression du microARN-375, soit à sa réduction dans de îlots humains ou murins. E suite ous a o s a al s la s tio de l’i suli e et le ta olis e. De plus, ous
a o s ega d l’e p essio du microARN-375 et la réponse sécrétoire au glucose dans des îlots de rats à différents stades de leur développement. Nous avons trouvé que la surexpression du microARN-375 dans les îlots murins et humains diminuait la sécrétion de l’i suli e e po se au glu ose, ais pas elle au α-cétoisocaproate ou au KCl. De plus, le microARN-375 duit la o so atio d’O2 engendrée par la glycolyse et le métabolisme du py u ate, ais pas elle e po se au α-cétoisocaproate. En même temps, la production de lactate est augmentée suggérant que le pyruvate est détourné des mitochondries. Enfin, la réduction du niveau du microARN-375 est associée à la atu atio des ellules ta de at foetal et l’appa itio d’u e po se s toi e au glucose. Pris dans leur ensemble nos résultants identifient le microARN-375 comme étant un régulateu e t al du ta olis e du glu ose et de la s tio de l’i suli e, et ainsi il pourrait être un rouage déterminant pour la maturation fonctionnelle de cellules béta.
Mots clés : hépatocytes, prolifération cellulaire, acides aminés, Drosha; diabète, métabolisme du glucose, s tio de l’i suli e, îlots pancréatiques, microARNs.
Abstract
In an adult healthy liver, hepatocytes are in a quiescent stage unless a physical injury, such as ablation, or a toxic attack occurs. However, to maintain their important organismal homeostatic role, the damaged or remaining hepatocytes will start proliferating to restore their functional mass. One of the limiting conditions for cell proliferation is amino acid (aa) availability, necessary both for the synthesis of proteins important for cell growth and division, and for the activation of the mTOR pathway, known for its considerable role in the regulation of cell proliferation. The aim of my main PhD project was to investigate the role of amino acids in the regulation of the switch between quiescence and growth of adult hepatocytes. To do so I used non- confluent primary adult rat hepatocytes as a model of partially ablated liver. I discovered that the absence of aa induces in primary rat hepatocytes the entrance in a quiescence state together with an increase in Drosha protein, which does not involve the mTOR pathway. Conversely, knockdown of Drosha allows the hepatocytes to proliferate and this effect appears to be independent of miRNAs, the canonical downstream partners of Drosha. Taken together, these observations reveal an intriguing non-canonical effect of Drosha in the control of growth regulation of adult hepatocytes responding to a nutritional strain, and they may help to design novel preventive and/or therapeutic approaches for hepatic failure. A side project of my PhD involved the role of microRNA-375 in the regulation of glucose-induced insulin secretion in rat and human pancreatic islets. Enhanced β-cell glycolytic and oxidative metabolism are necessary for glucose-induced insulin secretion. While several microRNAs modulate β-cell homeostasis, microRNA-375 stands out as it is highly expressed in β-cells where it regulates β-cell function, proliferation and differentiation. As glucose metabolism is central in all aspects of β- cell functioning, we investigated the role of microRNA-375 in this process using human and rat islets; the latter being an appropriate model for in depth investigation. We used forced expression and repression of microRNA-375 in rat and human primary islet cells followed by analysis of insulin secretion and metabolism. Additionally, microRNA- 375 expression and glucose-induced insulin secretion were compared in islets from rats at different developmental ages. We found that overexpressing of microRNA-375
in rat and human islet cells blunted insulin secretion in response to glucose, but not to
α-ketoisocaproate or KCl. Further, microRNA-375 reduced O2 consumption related to gl ol sis a d p u ate eta olis , ut ot i espo se to α-ketoisocaproate. Concomitantly, lactate production was augmented suggesting that glucose-derived pyruvate is shifted away from mitochondria. Finally, reduced microRNA-375 expression as asso iated ith atu atio of fetal at β-cells and acquisition of glucose-induced insulin secretion function. Altogether our findings identify microRNA-375 as an effi a ious egulato of β-cell glucose metabolism and of insulin secretion and could be dete i a t to fu tio al β-cell developmental maturation.
Keywords: hepatocytes, cell proliferation, amino acids, Drosha; diabetes, glucose metabolism, insulin secretion, pancreatic islets, microRNAs.
« Mientras el corazón suena y atrae la partitura de la mandolina,
allí adentro tú filtras
y repartes, separas y divides,
multiplicas y engrasas, subes
y recoges “ While the heart resounds and attracts los hilos y los gramos the music of the mandolin, de la vida, los últimos there, inside, you filter licores, and distribute, you separate las íntimas esencias. Víscera and divide, submarina, you multiply and lubricate, medidor you raise and gather de la sangre, the threads and the grams of life, the final vives distillate, lleno de manos the intimate essences. Submerged viscus, y de ojos, measurer of the blood, midiendo y trasvasando you live full of hands en tu escondida and full of eyes, cámara measuring and transferring in your hidden de alquimista. » alchemical chamber. “ Oda al hígado – Pablo Neruda Ode to the liver – Pablo Neruda
Contents
List of figures ...... 6
List of abbreviations ...... 8
Introduction ...... 13
Liver ...... 14
Anatomy ...... 14
From the macroscopic to the microscopic structure ...... 15
o An overview on hepatic cell populations ...... 15
Hepatocytes...... 18
Hepatocyte: a deeper look inside the cell ...... 21
Liver regeneration ...... 23
Liver regeneration: the pathways involved ...... 24
o The priming phase ...... 25
o The proliferation phase ...... 26
o The termination phase ...... 27
Liver-related diseases ...... 28
Liver metabolism ...... 31
Liver glucose metabolism ...... 31
Gluconeogenesis ...... 33
Glycogen metabolism: glycogenesis and glycogenolysis ...... 34
Glycolysis ...... 35
Liver fatty acid metabolism: from lipogenesis to fatty acid oxidation ...... 36
Liver amino acid metabolism ...... 38
Amino acids ...... 39
1 Amino acid regulatory mechanisms ...... 42
Intracellular amino acid sensing: the mTOR pathway ...... 43
Intracellular amino acid sensing: autophagy ...... 46
Metabolism in proliferative and quiescent cells ...... 48
Pancreas ...... 49
Both an exocrine and an endocrine organ ...... 49
The insulin secretion signaling pathway ...... 51
The importance of amino acid in insulin secretion ...... 53
The liver-pancreatic islets axis ...... 55
MicroRNAs ...... 56
MiRNAs in the liver ...... 56
MiRNAs and hepatocyte metabolism ...... 59
MiRNAs and pancreatic beta cells ...... 60