Diabètes monogéniques - Diabète de type 2 Déterminants Génétiques Gilberto Velho Inserm U695 Déterminants Génétiques du Diabète de Type 2 et de ses Complications Vasculaires Faculté de Médecine Xavier Bichat, Paris Mes comentaires

Le diabète sucré Définition Critères de diagnostic "une affection métabolique d'étiologie multiple, caractérisée par une hyperglycémie chronique avec perturbation du métabolisme des hydrates de carbone, des lipides et des protéines, et résultant des défauts de la sécrétion d'insuline, de l'action de l'insuline, ou de leur association.." (OMS.1998) Critères de diagnostic glycémie à jeun (plasma) ≥ 7,0 mmol/l ou glycémie 2 heures après charge orale en glucose supérieure à 11,1 mmol/l Définition Le diabète sucré est "une affection métabolique d'étiologie multiple, caractérisée par une hyperglycémie chronique avec perturbation du métabolisme des hydrates de carbone, des lipides et des protéines, et résultant des défauts de la sécrétion d'insuline, de l'action de l'insuline, ou de leur association.." (OMS.1998). Les critères du diagnostic sont une concentration en glucose dans la plasma à jeun (FPG) ≥ 7,0 mmol/l ou une glycémie 2 heures après charge en glucose supérieure à 11,1 mmol/l (the Expert Commette on the Diagnosis and Classification of Diabetes Millitus-ECDCDM, 1997).

Classification des diabètes sucrés - OMS 1998 Diabète de type 1 : 2 à 5% des diabètes Diabète de type 2 : 85 à 95% des diabètes Absence processus auto-immun Début tardif (> 40 ans) Souvent associé à une obésité Autres types spécifiques de diabète : 1 à 5% des diabètes Anomalies génétiques impliquant l'insulinosécrétion Mody (maturity onset diabetes of the young) Diabète néonatal Diabète d'origine mitochondriale Endocrinopathies, infections, autres syndromes génétiques ... Diabète gestationnel : chez 2 à 5 % des femmes enceintes

Le diabète sucré, problème majeur de santé publique + 102 % + 160 % + 180 % + 44 % + 130 % Global 2000: 171 million 2030: 366 million + 114 % WHO 2004 - http://www.who.int/entity/diabetes/actionnow/en/mapdiabprev.pdf

Le diabète sucré, problème majeur de santé publique Nombre estimé de personnes diabétiques WHO 2004 - http://www.who.int/entity/diabetes/actionnow/en/diabprev.pdf

Le diabète sucré, problème majeur de santé publique ~2,9 millions de diabétiques en France (prévalence : ~4,4%) en 2009 Fréquent et en augmentation Coûts importants + de 1000 € / patient / an Complications micro- et macro-vasculaires Cécité, insuffisance rénale, amputations membres inférieurs, maladies cardio-vasculaires ... Diabète Antidiabétiques oraux, insuline, régime ... Traitements Non curatifs

Plan Diabètes monogéniques x Diabète polygénique (mutation causale x allèles de susceptibilité) Déterminants génétiques des diabètes : voies physiopathologiques Quelques donnés cliniques Un peu de méthodologie

Diabète de Type 2 Syndrome multifactoriel Susceptibilité génétique: ~100% de concordance chez des jumeaux identiques prévalence variable dans différents groupes ethniques Des facteurs d'environnement (choix alimentaire, obésité, sédentarité) modulent l’expression de la susceptibilité génétique

Interaction of genes and environment in T2DM Physical Activity Diet GENES Stress Obesity

Obésité : problème majeur de santé publique

(physiopathologie en grande Le DT2 et les autres facteurs de risque cardiovasculaires sont intimement liées PRESSION ARTÉRIELLE MICROALBUMINURIE LIPIDES Lien épidémiologique (physiopathologie en grande partie méconnue) OBÉSITÉ GLYCÉMIE HÉMOSTASE

Hyperglycémie du DT2 : physiopathologie complexe Diminution de la sensibilité à l’insuline - muscles, foie, adipocytes Défaut insulino-sécrétoire (absolu ou relatif) Défauts primaires inconnus Hyperglycémie chronique : 60 syndromes DT2 Insulino-résistance Insulino-sécrétion GÉNÉTIQUE ENVIRONNEMENT

Hétérogénéité génétique du Diabète de Type 2 Maladie polygénique : combinaison de plusieurs défauts génétiques ou de l’action simultanée de plusieurs allèles défavorables Différentes combinaisons de défauts génétiques d'un sujet diabétique à l'autre Le nombre de loci de susceptibilité n’est pas connu Formes monogéniques : ~5% des diabètes ? MODYs Diabète Mitochondrial Diabète Néonatal Diabètes associés à certains syndromes rares (Lipodystrophies, Wolfram, Wollcott-Rallison…)

Diabète de type 2 : maladie multifactorielle polygénique Plusieurs variants génétiques fréquents ayant des effets individuels mineurs expression du diabète Facteurs d'environnement

WFS1 gene and type 2 diabetes Frequency of rs10010131 genotypes (%) GG 37.1 41.4 GA 47.5 46.0 AA 15.4 12.6 Controls (n=3065) T2D subjects (n=4472) Odds Ratio (95% C.I.): 1.48 (1.24 - 1.76) p<0.0001 for G in a codominant model Cheurfa et al. Diabetologia 2011

Formes monogéniques de diabète Mutations rares à effet majeur A C un seul gène Diabète C T A G

Diabète monogénique à hérédité autosomique dominante ND +/- M / WT -/- WT / WT +/- +/- -/- +/- +/- +/- -/- +/- -/- +/- -/- +/- +/- +/- -/- +/- -/- +/- -/- +/-

Plan Diabètes monogéniques x Diabète polygénique (mutation causale x allèles de susceptibilité) Déterminants génétiques des diabètes : voies physiopathologiques Quelques donnés cliniques Un peu de méthodologie

3 1 5 2 4 Déterminants génétiques de la sécrétion d'insuline : voies impliquées dans les diabètes Sécrétion d'insuline en réponse au glucose 1 - Phosphorylation du glucose - GCK 2 - chaîne respiratoire mitochondrial - mtDNA, UCP2 3 - Canaux potassiques dépendants de l'ATP - Kir6.2, SUR1 4 - Facteurs de transcription - HNF1A, HNF1B, HNF4A, TCF7L2 … 5 - Stress du réticulum endoplasmique - Pancreatic EIF2-a kinase (PERK), Wolframine, Insuline Bell et al. Nature, 2001 1 2 3 4 5

Glucokinase activity and regulation of insulin secretion [ glucose ] glucose Km glucose GLUCOKINASE enzymatic activity G-6-P glycolysis metabolic flux K’ ATP production ATP insulin release Insulin release

Phénotypes cliniques associés aux mutations de la glucokinase [ glucose: 7 mM ] Km glucose activité enzymatique Hyperglycémie familiale de l'enfance (Mody2) : mutations hétérozygotes Diabéte néonatal : mutations homozygotes (ou deux mutations hétérozygotes en allèles différents) Hypoglycémie avec hyperinsulinisme : mutations activatrices hétérozygotes flux métabolique production d'ATP sécrétion d'insuline

RELATIVE SLOPE OF CURVE (% / mM) Graded glucose infusion in glucokinase-deficient (Mody2) subjects controls mody2 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 50 100 150 200 250 300 350 400 450 INSULIN SECRETION RATE (pmol/min) PLASMA GLUCOSE (mM) Dose-response curve 9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 20 40 60 80 100 GLUCOSE (mM) Glucose sensitivity of b-cells RELATIVE SLOPE OF CURVE (% / mM) Byrne et al.: J Clin Invest 93:1120-1130, 1994

Glucokinase mutations associated with hyperglycemia IVS6-2A>T T228A T228R T228M N231fs M235T M238fs Q239R E248X M251V M251I C252R C252Y E256K W257R G258C A259T G261R G261E S263P G264S E265X E268X L271del22 R275C D278E E279Q E279X S281F Q26X L30P V33_K39dup R36W Q38P E40K R43H G44S G44D G44fs H50Y H50R A53S V62M V62A E70K IVS3-2A>G IVS3-1G>T L122V Y125del Y125_D132dup C129Y I130T S131P L134P H137R Q138P L146R T149P T149I F150del F150S F150L S151fs V154fs H156Y E157K K161N IVS4+2del10 IVS4+2del15 V203A T206M T206R T209M M210K M210T C213R Y215X E216X E220X E221K G223S M224T I225F I225M V226M V226fs G227C IVS6+2T>A IVS7-1G>A Q286X G294D G295fs M298K G299R E300Q E300K L304P L309P V310fs G318R F334fs S336L E339G IVS8+2T>G IVS9-7del11 IVS9-1G>C V427fs S433_I436del C434Y S441W S445fs G446R R447fs R447Q S453L S453X A454V A460fs G72R D73G D78H D78E G80S G80A G81S V89fs E93del10 Q98X W99X V101M T103N K104fs Y108H Y108C Y108F Y108X I110T P111L A119D IVS3+1G>A IVS3+1G>T G162fs L164P T168P K169fs K169N F171L A173S G175R G175E G175V G178R N180K V181A V182M R186X A188T A188E R191W R191Q G193R IVS5+1del33 T342P R358X S360X V367M R369P R377C A378V H380Q C382Y S383fs S383L S383X A384T G385V A387T A387V R392C E395_R403del V401fs I404fs I404S G407S S411F K414E L415V IVS9+1G>C IVS9+1G>T b-cell promoter Liver promoter 1a 1b 1c 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A10fs IVS1A+1G>T Velho et al. 2004

3 1 5 2 4 Déterminants génétiques de la sécrétion d'insuline : voies impliquées dans les diabètes Sécrétion d'insuline en réponse au glucose 1 - Phosphorylation du glucose - GCK 2 - chaîne respiratoire mitochondrial - mtDNA, UCP2 3 - Canaux potassiques dépendants de l'ATP - Kir6.2, SUR1 4 - Facteurs de transcription - HNF1A, HNF1B, HNF4A, TCF7L2 … 5 - Stress du réticulum endoplasmique - Pancreatic EIF2-a kinase (PERK), Wolframine, Insuline Bell et al. Nature, 2001 1 2 3 4 5

Mitochondries et ADN mitochondrial 100 à 1000 mitochondries / cellule 2 à 10 chaînes d'ADNmt / mitochondrie ADNmt Double brin 16 569 paires de bases 37 gènes Complèxes I, III, IV et V de la chaîne respiratoire (13 gènes) ARN de transfert (22 gènes) ARN ribosomiaux (2 gènes)

ADN mitochondrial Transmission maternelle Ségrégation aléatoire dans les tissus foetaux Risque élevé de mutations Absence de protection par les histones Absence de mécanismes nucléaires de réparation Chaîne en totalité codante Hétéroplasmie Présence dans les mitochondries d'une même cellule de l'ADNmt natif et muté Augmente avec l'âge Conditionne la pénétrance, le phénotype et la gravité de certaines maladies

m.3243 A>G tRNALeu(UUR) Mutation ponctuelle (A>G) en position 3243 de l'ADN mitochondrial, dans le gène de l'ARN de transfert de la leucine Deux phénotypes : MELAS (Mitochondrial Encephalomiopathy Lactic Acidosis Stroke-like episodes) MIDD (Maternally Inherited Diabetes ans Deafness) (Van den Ouweland et al. Nature Genetics 1992)

MIDD : Physiopathologie du diabète Déficit oxydation/phosphorylation (chaîne respiratoire) Déficit énergétique (insulaire) se manifeste principalement dans les tissus les plus métaboliquement actifs : pancréas, cochlée, muscles, reins, myocarde... Insulinopénie d'aggravation progressive (Kadowaki et al. NEJM 1994; Velho et al. Diabetes 1996) Corrélation positive entre le taux d'hétéroplasmie (lymphocytes) et l'HbA1c (Laloi-Michelin et al. JCEM 2009) Sensibilite à l'insuline normale (Kadowaki et al. NEJM 1994; Velho et al. Diabetes 1996)

3 1 5 2 4 Déterminants génétiques de la sécrétion d'insuline : voies impliquées dans les diabètes Sécrétion d'insuline en réponse au glucose 1 - Phosphorylation du glucose - GCK 2 - chaîne respiratoire mitochondrial - mtDNA, UCP2 3 - Canaux potassiques dépendants de l'ATP - Kir6.2, SUR1 4 - Facteurs de transcription - HNF1A, HNF1B, HNF4A, TCF7L2 … 5 - Stress du réticulum endoplasmique - Pancreatic EIF2-a kinase (PERK), Wolframine, Insuline Bell et al. Nature, 2001 1 2 3 4 5

Les canaux potassiques dépendants de l'ATP des cellules β-pancréatiques (IKATP) GLUCOSE Voltage-dependent Ca++ channel insulin ATP G-6-P K+ Ca++ pyruvate ATP-sensitive K+ channel K’ SUR1 Kir6.2 tolbutamide diazoxide La fermeture des canaux potassiques dépendants de l'ATP des cellules β-pancréatiques (IKATP) est une étape clé de la régulation de la sécrétion d'insuline IKATP est composé de deux sous-unités : Un élément de la famille des canaux ioniques qui forme le pore (Kir6.2) Un élément régulateur, le récepteur des sulfamides de type 1 (SUR1) Les gènes codant pour SUR1 (ABCC8) et Kir6.2 (KCNJ11) sont proches (4.5 kb) sur le chromosome 11p

PANCREATIC b-CELL KATP GLUCOSE Voltage-dependent Ca++ channel insulin ATP G-6-P K+ Ca++ pyruvate ATP-dependent K+ channel K’ SUR1 Kir6.2 tolbutamide diazoxide S S K K K K S S SUR1 Kir6.2 outside inside NBD1 NBD2 Ashcroft and Gribble, 1999

Phénotypes associés aux variants moléculaires de Kir6.2 (KCNJ11) GLUCOSE Voltage-dependent Ca++ channel insulin ATP G-6-P K+ Ca++ pyruvate ATP-sensitive K+ channel K’ SUR1 Kir6.2 tolbutamide diazoxide Mutation C42R (rare) Diabète autosomique dominant Polymorphismes (fréquents) DT2 polygénique Mutations (rares) Hyperinsulinisme-Hypoglycémie néonatal persistent. Transmission autosomique récessive. Hyperplasie diffuse des cellules b pancréatiques. Diabète néonatal: formes transitoires et permanentes. Transmission autosomique dominante

Kir6.2 mutation and autosomal dominant diabetes *Cys42Arg 6 wk 22 yr 26 yr 3 yr age at diagnosis of diabetes Yorifuji et al. JCEM 2005

Kir6.2 (KCNJ11) gene and type 2 diabetes Meta-analysis: KK vs EE genotype Glu 23 Lys (E23K) Glu/Glu Glu/Lys Lys/Lys 35% 45% 20% 44% 45% 11% 0.001 T2DM CONTROLS p Van Dam et al. Diabetic Medicine 2005 Hani et al. Diabetologia 41: 1511-1515, 1998 Inoue et al. Diabetes 46: 502-507, 1997 Sakura et al. Diabetologia 39: 1223-1236, 1996 Hansen et al. Diabetes 46: 508-512, 1997

Relationship between phenotype, genotype and functional severity of Kir6.2 (KCNJ11) mutations and polymorphisms Hattersley et al. Diabetes 2005

Phénotypes associés aux variants moléculaires de SUR1 (ABCC8) GLUCOSE Voltage-dependent Ca++ channel insulin ATP G-6-P K+ Ca++ pyruvate ATP-sensitive K+ channel K’ SUR1 Kir6.2 tolbutamide diazoxide Polymorphismes (fréquents) DT2 polygénique Mutation E1506K Hyperinsulinisme Hypoglycémie et/ou diabète autosomique dominant Mutations activatrices (rares) Hyperinsulinisme-Hypoglycémie néonatal persistent. Transmission autosomique récessive. Hyperplasie diffuse des cellules b pancréatiques. Mutations activatrices dans l'allèle paterne + perte focale de l'allèle materne Hyperinsulinisme-Hypoglycémie néonatal persistent. Forme sporadique. Hyperplasie focale des cellules b pancréatiques.

ABCC8 exon 18 : ACC>ACT Thr775Thr Allelic variation of SUR1 and insulin-secretion Graded glucose infusion in non diabetic subjects 8 6 (mg/kg/min) Glucose 4 ABCC8 exon 18 : ACC>ACT Thr775Thr 2 60 100 140 180 220 260 300 TEMPS (min) 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 3 5 7 9 11 13 15 GLUCOSE (mM) INSULIN SECRETION RATE (pmol/kg/min) CC CT p<0.03 450 400 350 300 250 200 150 100 50 1 2 3 4 5 INSULIN (pM) GLUCOSE CLEARANCE (ml / Kg b.w. / min) Insulin sensitivity CC CT Reis et al. 2002

3 1 5 2 4 Déterminants génétiques de la sécrétion d'insuline : voies impliquées dans les diabètes Sécrétion d'insuline en réponse au glucose 1 - Phosphorylation du glucose - GCK 2 - chaîne respiratoire mitochondrial - mtDNA, UCP2 3 - Canaux potassiques dépendants de l'ATP - Kir6.2, SUR1 4 - Facteurs de transcription - HNF1A, HNF1B, HNF4A, TCF7L2 … 5 - Stress du réticulum endoplasmique - Pancreatic EIF2-a kinase (PERK), Wolframine, Insuline Bell et al. Nature, 2001 1 2 3 4 5

Transcription factors and beta-cell function CIS elements 5' 3' Expression of Target Genes: Glucose transport Glucose metabolism Insulin secretion Islet development Nuclear Factors Glucose insulin release

Hepatocyte nuclear factor-1a proline rich activation domain II (281-318) serine rich activation domain I (547-628) dimerisation domain (1-31) DNA-binding domain (184-280) POU motif Homeodomain 21 aa loop Homeodomain-containing transcription factor Encoded by TCF1 gene (chromosome 12q) Structurally related to HNF-1b (MODY5) Function as a homodimer or as a heterodimer with HNF-1b Expressed in liver, pancreatic b-cells, kidney

Mutations and polymorphisms in HNF1A (Mody3) gene Exon 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promoter -267G>A HNF-4a site HNF-3 site C/EBP site Q7X L12H G20R I/L27 G31D G42P43fsCC>A R55G56fsdel GAGGG A/V98 L107R W113X K117E S121fsdelC Y122C DN127 I128N P129T R131Q R131W G132K V133M S142F H143Y K158N R159Q R159W A161T R171X V173fsdelTG IVS2nt-1 G>A G191D R200W R200Q R203H R203C K205Q R229Q R229X C241G C241R S247fsinC L254M V259D T260M R263C W267X R271W R272H R272C R272fsdelGC P291fsinsC P291fsdelC G292fsdelG A301T A301fsinsA IVS5nt+2T>A A443fsdelCA P447L S/N487 T492I S498R IVS7nt-6G>A H514R P519L R537T S594I I618M E619K T620I M626K IVS5nt-2A>G P379fsdelCT P379fsdelT P379fsinsC T392fsdelA Q401fsdelC I414G415fsTCG>CC G415R S432C T433I T547E548fsdelTG A559fsinsA G/S574 R583Q R583G L584S585fsinsTC IVS9nt+1G>A

Graded glucose infusion in Mody subjects 50 100 150 200 250 300 350 400 450 controls nondiabetic MODY3 MODY-2 Insulin secretion rate (pmol/min) 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 Plasma glucose (mM) Byrne et al. 1994, 1996

In situ perfused pancreas Insulin secretion in response to glucose and arginine in HNF1A deficient mice In situ perfused pancreas 20 mM arginine 15000 glucose perfusion 300 600 900 + / - + / + + / + 10000 + / - INSULIN (pM) INSULIN (pM) 5000 -/- - / - 30 25 20 15 10 5 PERFUSATE GLUCOSE CONCENTRATION (mM) 26 26 PERFUSATE GLUCOSE CONCENTRATION (mM) Pontoglio et al. J Clin Invest 101: 2215-2222, 1998

mRNA level of target genes in islets of HNF-1a deficient mice newborn pancreas adult pancreas wt / mut wt / mut +/+ +/- -/- +/+ +/- -/- Hprt +RT 0.7 0.9 Hprt -RT HNF-1a HNF-1b 1.0 1.0 3.9 * 11.5 * HNF-4a 1.9 * SHP-1 1.3 1.6 * 1.7 * DCOH 2.4 * 2.9 * PDX-1 2.5 * 2.1 * Neuro-D1 1.8 * GCK 0.7 GLUT2 3.9 * 17.6 * 1.4 * NBAT 3.9 ** 3.4 * 31.6 * L-PK M2-PK 0.9 1.1 Glucagon 0.7 1.8 * 1.7 * 2.5 * INS-1 INS-2 1.3 1.5 Shih et al. Diabetes 2001

(small heterodimer partner 1) (pterin-4a-carbinolamine dehydratase) Transcription factors associated with MODY and their target genes HNF-3b SHP-1 (small heterodimer partner 1) Aldolase-B L-Piruvate Kinase PCD/DCoH (pterin-4a-carbinolamine dehydratase) IAPP GLUT-2 INS-2 INS-1 Glyceraldehyde-3-Phosphate Dehydrogenase NBAT (neutral and basic amino acid transporter) Other unknown target genes Kir6.2 HNF-1b GCK HNF-4a IPF-1 HNF-1a NEURO-D1

TCF7L2 & GLP-1 (Glucagon-Like Peptide 1) TCF7L2 (ou TCF-4) regulates the transcription of proglucagon gene that encodes GLP-1 GLP-1: peptide released from enteroendocrine cells of the small intestine in response to food intake. Actions of GLP-1 It acts on a specific receptor on pancreatic beta cells, stimulating insulin formation and release This action is glucose-dependent, occurring when blood glucose levels are high and decreasing as they drop It inhibits the release of glucagon from alpha cells, reducing glucose output from the liver It improves insulin sensitivity It slows the emptying of the stomach and produces a feeling of fullness, reducing the desire to eat.

TCF7L2 & T2DM Zhang et al. Diabetes 2006

TCF7L2 variants and insulin secretion (OGTT) Florez et al. NEJM 2006

3 1 5 2 4 Déterminants génétiques de la sécrétion d'insuline : voies impliquées dans les diabètes Sécrétion d'insuline en réponse au glucose 1 - Phosphorylation du glucose - GCK 2 - chaîne respiratoire mitochondrial - mtDNA, UCP2 3 - Canaux potassiques dépendants de l'ATP - Kir6.2, SUR1 4 - Facteurs de transcription - HNF1A, HNF4A, HNF4A TCF7L2 … 5 - Stress du réticulum endoplasmique - Pancreatic EIF2-a kinase (PERK), Wolframine, Insuline Bell et al. Nature, 2001 1 2 3 4 5

Stress du Réticulum Endoplasmique Situation où la surcharge sécrétoire épuise dans le temps la machinerie de maturation des protéines de sécrétion Une réponse dite UPR, permet à la cellule de retrouver un état physiologique : Répression de la synthèse protéique par atténuation de la traduction Induction de la transcription des gènes codant pour les protéines de la machinerie de maturation au niveau du RE et pour des enzymes de dégradation. SRE non compensé conduit à l'apoptose Base biochimique de maladies monogéniques associées à un diabète : Syndrome de Wolfram Syndrome de Wolcott-Rallison W Les différentes composantes de la réponse UPR. À l’état non induit, les protéines transmembranaires de la réponse UPR (PERK, ATF6 et IRE-1) sont maintenues inactives dans le RE grâce à leur interaction avec la protéine chaperon BiP/GRP78. L’accumulation de protéines mal conformées dans la lumière du RE entraîne une dissociation de BiP/GRP78 et l’ activation des trois protéines de la réponse UPR. PERK s’oligomérise ce qui entraîne une stimulation de son activité kinase. Elle phosphoryle alors la sous-unité α du facteur d’initiation de la traduction eiF2 entraînant une inhibition de la traduction. ATF6 migre du RE vers le Golgi où il subit un double clivage protéolytique par les protéases S1P et S2P. Le domaine amino-terminal d’ATF6 migre vers le noyau pour se fixer sur des séquences ERSE (ER stress response element). La protéine IRE-1 possède, une activité sérine/thréonine kinase et endoribonucléase dans son domaine cytoplasmique. Son activation lors de la dissociation de Bip/GRP78 entraîne une oligomérisation et une induction de l’activité kinase d’IRE-1. La protéine IRE-1 activée provoque l’épissage et la traduction de l’ARNm du facteur XBP-1. XBP-1 se lie sur des séquences ERSE des promoteurs cibles de la réponse UPR. F.Foufelle & P.Ferré, MEDECINE/SCIENCES 2007

Wolframine et Diabète Syndrome de Wolfram : atteinte neuro-dégénérative autosomique récessive : diabète insipide + diabète sucré + atrophie optique + surdité (DIDMOAD) + anomalies du tractus urinaire + ataxie + neuropathie périphérique + troubles psychiatriques. Mutations du gène WFS1 codant pour la Wolframine, glycoprotéine de la membrane du réticulum endoplasmique Augmentation de la prévalence du diabète sucré chez les apparentés de premier degré des patients : possible effet hétérozygote des mutations. Gène candidad du diabète de type 2 Délétion conditionnelle de WFS1 au niveau des cellules bêta-pancréatiques chez la souris : RE dilaté avec augmentation des marqueurs du stress du RE Apoptose avec perte des cellules bêta-pancréatiques Diabète sucré

Wolframin and T2DM Association of the major G-allele of R228R (rs7672995) with the incidence of DM in the DESIR cohort during follow-up Kaplan-Meier (disease-free) curve according to genotype Cox Proportional Hazards Survival Regression Analyses: Hazard Ratio: 1.43 95% C.I. 1.09-1.48 p=0.008 Recessive model (GX vs CC), adjusted for sex, age and BMI Absence of DM (%) Cheurfa et al. Diabetologia 2011

Des variants dans des gènes modulateurs de l'action de l'insuline contribuent à la susceptibilité au diabète de type 2

Adiponectine, dépense énergétique et sensibilité à l'insuline Regulation of Adiponectin in adipocytes Fasshauer et al. Biochimie 2004

Adiponectin and type 2 diabetes Prospectif study of 5200 French Caucasian subjects: 3 year follow-up Allelic associations (odds ratio 1.5 - 4.8) Increased BMI Increased abdominal fat Hyperglycemia Low adiponectin levels: predictive of IFG/T2DM Fumeron et al. Diabetes 2004

PPARg Pro12Ala polymorphism and risk of T2DM Meta-analyses PPARg Nuclear hormone receptor Regulator of adipogenesis Target for thiazoladinediones The rare 12Ala allele (2-10%): Decreased receptor activity Lower BMI Improved insulin sensitivity (Deeb et al. Nature Genetics, 1998) Decreased risk of type 2 diabetes (Altshuler et al. Nature Genetics, 2000)

Plan Diabètes monogéniques x Diabète polygénique (mutation causale x allèles de susceptibilité) Déterminants génétiques des diabètes : voies physiopathologiques Quelques donnés cliniques Un peu de méthodologie

Hétérogénéité clinique des diabètes monogéniques Sévérité et évolutivité du défaut d'insulinosécrétion Degré d'hyperglycémie Présentation clinique et complications du diabète Anomalies associées au diabète Pénétrance de la maladie Traitement et prise en charge

Classification clinique des diabètes monogéniques (défauts primaires d'insulinosécrétion) Hyperglycémie / Diabète familial précoce (enfance / puberté / adulte jeune) Diabètes avec manifestations extra-pancréatiques Diabète néonatal ou très précoce (avant 6 mois)

Classification clinique des diabètes monogéniques (défauts primaires d'insulinosécrétion) Hyperglycémie / Diabète familiale précoce Hyperglycémie familiale de l'enfance ou Mody2 (GCK) Diabète familial précoce (enfance/puberté/adulte jeune) : Mody3 (HNF1A) Autres facteurs de transcription : HNF4A (Mody1)… Diabètes avec manifestations extra-pancréatiques Diabète néonatal ou très précoce (avant 6 mois)

Classification clinique des diabètes monogéniques (défauts primaires d'insulinosécrétion) Hyperglycémie / Diabète familial précoce Hyperglycémie familiale de l'enfance ou Mody2 (GCK) Diabète familial précoce (enfance/puberté/adulte jeune) : Mody3 (HNF1A) Autres facteurs de transcription : HNF4A (Mody1)… Diabètes avec manifestations extra-pancréatiques Mody5 / RCAD (Renal Cysts and Diabetes) : HNF4A Diabète Mitochondrial (MIDD) : m.3243A>G Syndromes rares : Wolfram ou DIDMOAD (WFS1), Wolcott-Rallison (EIF2AK3), TRMA "thiamine-responsive megaloblastic anemia" (SLC19A2)… Diabète néonatal ou très précoce (avant 6 mois)

Classification clinique des diabètes monogéniques (défauts primaires d'insulinosécrétion) Hyperglycémie / Diabète familial précoce Hyperglycémie familiale de l'enfance ou Mody2 (GCK) Diabète familial précoce (enfance/puberté/adulte jeune) : Mody3 (HNF1A) Autres facteurs de transcription : HNF4A (Mody1)… Diabètes avec manifestations extra-pancréatiques Mody5 / RCAD (Renal Cysts and Diabetes) : HNF4A Diabète Mitochondrial (MIDD) : m.3243A>G Syndromes rares : Wolfram ou DIDMOAD (WFS1), Wolcott-Rallison (EIF2AK3), TRMA "thiamine-responsive megaloblastic anemia" (SLC19A2)… Diabète néonatal ou très précoce (avant 6 mois) Transitoire : chr 6q24, KCNJ11, ABCC8, (INS, GCK) Permanent : KCNJ11, ABCC8, (INS, GCK)

Plan Diabètes monogéniques x Diabète polygénique (mutation causale x allèles de susceptibilité) Déterminants génétiques des diabètes : voies physiopathologiques Quelques donnés cliniques Un peu de méthodologie

Etapes d'une étude génétique Colecte et phénotypage des cohortes Choix (ou non) des gènes à étudier Génotypage Analyses statistiques

Types d'études génétiques Etudes familiales Linkage Transmission Disequilibrium Test Sib-pair Etudes de population/association

Deux approches d'étude génétique Gène candidat Fonction biologique connue : p/ex. sécrétion ou action de l'insuline Locus associé à un syndrome qui inclus une hyperglycémie Locus impliqué dans une pathologie associée au diabète Locus associé au diabète dans un modèle l'animal Aucun des précédents; intuition; mon petit doigt me dit, …. Exploration systématique du génome

Séquençage d'un gène candidat b c 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Met Val Gln ATG GTC CAA TAA stop codon

Etudes d'Association Basées sur la comparaison des fréquences alléliques chez des individus non-apparentés, atteints ou non-atteints d'une maladie donnée, au sein d'une population. Méthode appropriée pour détecter des contributions mineures ou faibles d'un allèle à la susceptibilité génétique dans un contexte polygénique Leur fiabilité dépend, néanmoins, du respect d'un certain nombre de conditions : homogénéité génétique entre patients et témoins et analyse statistique rigoureuse.

Etudes d'Association Une association positive entre un allèle et une maladie (ou un phénotype) peut intervenir pour trois raisons: 1. L'allèle A cause directement la susceptibilité à la maladie M. 2. L'allèle A est en déséquilibre de liaison avec la cause réelle de la maladie M. Le gène impliqué devrait être découvert près du locus A. 3. Un artefact de mélange de populations (stratification de population).

Hattersley et al.: Lancet, 2005 Association studies: sample size according to allele frequency and effect size Hattersley et al.: Lancet, 2005

Association studies: sample size according to statistical significance Hattersley et al.: Lancet, 2005

Limites de l'approche gènes candidats DMT2 Etude d'une région restreinte Gènes inconnus Gènes à priori non candidats Grand nombre de genes candidats Etude systématique du génome

Etude systématique du génome SNPs : n>500.000 Analyses génétiques: Linkage Sib-pairs Association (GWAS)

Genome wide association studies for type 2 diabetes

Genome wide association studies for type 2 diabetes Frayling TM: Nature Genetics 2007

Genome wide association studies for type 2 diabetes Hakonarson et al. Diab Metab Res Rev, 2011

Intérêts de l'étude génétique du DMT2 Dépister les sujets porteurs de la susceptibilité génétique Adopter précocément des mesures hygiéno-diététiques adaptées Mettre en œuvre des stratégies thérapeutiques adaptées à chaque groupe étiologique Etablir une classification plus étiologique du DTMT2 Développer de nouvelles thérapeutiques Mieux comprendre les mécanismes physiopathologiques en jeu