New insight into insulin secretion and blood glucose homeostasis in mice lacking islet non-β-cells

Abstract

The pancreas is an accessory gland of the digestive system. It fulfils two functions, exocrine and endocrine. The exocrine compartment (95-99%) consists of acinar and ductal cells producing and secreting enzymes involved in food digestion. The endocrine part is organized in cell clusters scattered throughout the exocrine parenchyma called islet of Langerhans (1-5%). In humans, islets contain five hormone-releasing cell types: • • α-cells secrete glucagon in response to low blood glucose levels, • • β-cells secrete insulin in response to high circulating glucose levels, • • δ-cells secrete somatostatin, which modulates insulin and glucagon release, • • γ-cells secrete pancreatic polypeptide (PPY), which regulates both endocrine and exocrine functions, • • ε-cells secrete ghrelin; these cells are mainly present during pancreas development. Insulin promotes glucose uptake in most tissues, thus lowering blood sugar levels. Defects in insulin secretion are at the core of nutrient metabolism impairment and diabetes onset. Intraislet local communication between islet cells takes place through direct cell-cell contacts or via the release of soluble factors. It is assumed that a complex network of interactions exists between the different islet cell types, which would be essential to assure a proper regulation of insulin secretion. However, it is unclear whether α-, δ-, and γ-cell-derived signals are a requisite for proper β-cell function and thus for the homeostasis of blood glucose. To address this question, we generated a new transgenic mouse model, named nonβ-DTR, in which the ablation of islet α-, δ- and γ-cells can be induced with diphtheria toxin (DT) administration. We found that the lack of islet nonβ-cells has no detrimental impact on β-cell function nor on the regulation of circulating glucose levels in adult mice. We instead observed a moderate amelioration of glucose tolerance and insulin sensitivity, as well as a resistance to gain body weight under high-fat diet. We also report that both β-cell identity and transcriptome were preserved after nonβ-cell loss in DT-treated nonβ-DTR mice. Moreover, the dynamics of insulin secretion in islets devoid of non-β-cells remained unchanged relative to intact islets. All these observations constitute a notable gain in fundamental knowledge and represent a valuable proof-of-principle supporting current research in Type 1 diabetes. This includes the development of treatments based on the generation of transplantable functional cell clusters containing surrogate β-like cells only, and lacking non-β-cells.Le pancréas est une glande du système digestif composée de deux compartiments, l’un exocrine (95%-99%) et l’autre endocrine (1-5%). Le compartiment exocrine est constitué, entre autres, de cellules acinaires qui produisent et secrètent les enzymes impliquées dans la digestion de la nourriture. Pour sa part, le compartiment endocrine est organisé en amas denses de cellules connus sous le nom d’îlots de Langerhans. Dans notre espèce, les îlots contiennent 5 types de cellules productrices d’hormones : • • Les cellules α secrétant du glucagon en réponse à un faible taux sanguin de glucose ; • • Les β, secrétant de l’insuline en réponse à un taux élevé de glucose dans le sang ; • • Les δ secrétant de la somatostatine pour inhiber les sécrétions d’insuline et glucagon ; • • Les cellules γ secrétant le polypeptide pancréatique qui régule les fonctions endocrine et exocrine ; • • Les cellules ε qui sont surtout présente pendant le développement du pancréas et qui secrètent la ghréline. L’insuline permet l’absorption du glucose par les tissus, réduisant ainsi le taux de sucre sanguin. Les défauts de sécrétion d’insuline sont au centre de perturbations métaboliques comme c’est le cas dans le développement du diabète. Il est admis qu’un ensemble complexe d’interactions entre les différents types cellulaires présents au sein des îlots est essentiel pour assurer une régulation adéquate de la sécrétion d’insuline. Ces communications intra-îlots se font par l’intermédiaire de facteurs solubles secrétés ou par interactions directes entre les différents types de cellules. Cependant, il n’a jamais été formellement démontré que la présence des cellules α, δ et γ au sein des îlots était un prérequis indispensable pour assurer non seulement la bonne fonction des cellules β mais aussi pour l’homéostasie du glucose. Afin de répondre à cette question, nous avons développé un nouveau modèle de souris transgénique, nommé nonβ-DTR, permettant l’ablation inductible des cellules α, δ et γ des îlots par injection de la toxine diphtérique (DT). Ainsi, nous avons pu montrer que l’absence de cellules non β insulaires n’a pas d’effet délétère sur la fonction des cellules β ni sur l’homéostasie du glucose chez les souris adultes. Bien au contraire, nous avons pu constater une amélioration de la tolérance au glucose, à la sensibilité à l’insuline et une résistance à la prise de poids suite un régime riche en lipides. Des analyses transcriptomiques ont montré que l’intégrité de l’identité des cellules β était préservée en l’absence des cellules α, δ et γ. De plus, nos études in vitro ont révélé que les îlots isolés de souris nonβ-DTR possèdent un profil et une cinétique de sécrétion d’insuline similaires à ceux d’îlots intacts possédant des cellules nonβ. Ces résultats représentent un gain significatif de connaissance fondamentale sur la biologie des îlots et apportent aussi une preuve de concept importante en faveur des recherches actuelles visant à générer in vitro des amas de cellules β dépourvus de cellules nonβ