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 151 millions en 2000 221 millions en 2010 ? + de 1.2 millions en France Fréquent et en augmentation Coûts importants + de 2000 $ + 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

Diabète de Type 2 Syndrome multifactoriel Susceptibilité génétique: ~100% de concordance chez des jumeaux identiques prevalence variable dans différents groupes ethniques Des facteurs d'environnement (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, cellule bêta Défaut insulino-sécrétoire (absolu ou relatif) Défauts primaires inconnus Hyperglycémie chronique : 60 syndromes DT2 Insulino-résistance Insulino-sécrétion GÉNÉTIQUE ENVIRONNEMENT

Variabilité de la sécrétion d’insuline chez l’homme 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 TIME (min) INSULIN (mU/L) HYPERGLYCEMIC CLAMP [10 mM glucose] Normal OGTT; 20-35 yr; 19.7-24.6 kg/m2 Facteurs génétiques Facteurs d’environnement alimentation, état nutritionnel Sensibilité à l’insuline Facteurs génétiques Facteurs d’environnement activité physique corpulence

Diabète de Type 2 Hétérogénéité génétique du diabète de type 2 Maladie polygénique: combinaison de plusieurs défauts génétiques ou de l’action simultanée de plusieurs allèles défavorables. Maladie multigénique: différentes combinaisons de défauts génétiques. Le nombre de "loci de susceptibilité majeurs ou mineurs" n’est pas connu. Formes monogéniques: MODY, MIDD

Monogenic forms of type 2 diabetes Rare mutations with major effects A C One Gene Diabetes C T A G

Polygenic forms of type 2 diabetes Several frequent gene variants contributing small individual effects expression of diabetes environmental factors

Les formes monogéniques représentent ~5% des diabètes Quelques résultats (1) Les formes monogéniques représentent ~5% des diabètes Mody(s) Diabète mitochondrial Diabète néonatal Diabètes associés à certains syndromes rares (Lipodystrophies, Wolfram, Wollcott-Rallison…)

Maturity Onset Diabetes of the Young définition initiale Diabète de survenue précoce (< 25 ans) Non insulino-dépendant, non cétosique Transmission autosomique dominante anomalie primitive de l'insulinosécrétion 2-5% des "DNID" affection hétérogène (génétique et clinique)

Hérédité autosomique dominante du MODY w.t.

Hétérogénéité génétique du MODY Mody 1 HNF4A rare Mody 2 Glucokinase 20%-50% Mody 3 HNF1A 25%-50% Mody 4 IPF1 (PDX1) rare Mody 5 HNF1B fréquent Mody 6 NEUROD1 rare Mody 7 INS rare Mody "X" ??? ~15%

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

Glucokinase and glucose metabolism GLUT2 GLUT2 ATP sensitive K+ channels glucose glucose glucokinase glucokinase X ATP + G-6-P G-6-P K+ glycogen Ca++ pyruvate insulin voltage sensitive Ca++ channel hepatocytes pancreatic beta-cells plus effects in pancreatic alpha-cells and glucose-sensing cells of the CNS

Clinical phenotypes associated with glucokinase mutations GLUCOSE Voltage-dependent Ca++ channel insulin ATP G-6-P K+ Ca++ pyruvate ATP-sensitive K+ channel K’ SUR1 Kir6.2 tolbutamide diazoxide glucokinase Heterozygous mutations: mody type 2 Homozygous or double heterozygous mutations: permanent neonatal diabetes Heterozygous activating mutation: hyperinsulinemic hypoglycemia

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

Threshold for insulin release Relative Glucose-Phosphorylation EFFECT OF GLUCOKINASE MUTATIONS ON INSULIN RELEASE Peak insulin release Threshold for insulin release WT / WT E70K / WT V203A / WT Plasma Glucose (mM) Relative Glucose-Phosphorylation Capacity (%) V445M / WT Fajans et al.: N Engl J Med 345: 971-980, 2001 Glaser et al.: N Engl J Med 338: 226-230, 1998

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

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 HNF-1 (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 G42P43fs CC>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

Insulin secretion in response to glucose and arginine in HNF-1 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

Hétérogénéité clinique des MODYs Sévérité et évolutivité du défaut d'insulinosécrétion Degré d'hyperglycémie Présentation clinique et complications du diabète Anomalies associées au diabète Pénétrance de la maladie

Différences entre les deux formes les plus fréquentes de MODY Apparition de l’hyperglycémie Mody 2: très précoce, pendant l’enfance Mody 3: moins précoce, à la puberté ou après Sévérité du diabète Mody 2: hyperglycémie à jeun modérée, intolérance au glucose Mody 3: tolérance au glucose sévèrement altérée Evolution Mody 2: très lente Mody 3: aggravation régulière avec le temps Traitement Mody 2: Les 3/4 des patients sont traités par un régime seul Mody 3: 70 % des patients aux anti-diabétiques oraux, 20% à l’insuline Complications (microangiopathie) Mody 2: rares, moins de 5% des patients Mody 3: fréquence comparable à celle dans le diabète de type 2

HNF-4 (Mody1) Known target genes: - HNF-1a (HNF-4a) - Aldolase B Ligand: long-chain Fatty acyl-CoA Thioesters ? HNF-4  cytoplasm nucleus GRE / Enhancer Promoter Known target genes: - HNF-1a (HNF-4a) - Aldolase B - Glyceraldehyde-3-P dehydrogenase - L-Piruvate kinase - Kir6.2 transcription Stoffel et al.: PNAS 1997 Gupta et al.: JCI 2005 Hertz et al.: Nature 392:512-516, 1998

Transcription factors and endocrine pancreas differentiation Endoderm IPF1 Endocrine progenitor Isl-1 Pax4 Pax6 Nkx2.2 Nkx6.1 NeuroD/BETA2 Committed Cells Cdx2 IPF1 Pax6 glucagon  Cells  Cells insulin

(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 (MODY5) GCK (MODY2) HNF-4a (MODY1) IPF-1 (MODY4) HNF-1a (MODY3) NEURO-D1 (MODY6)

Hepatocyte nuclear factor-1 Dimerisation domain (1-32) DNA-Binding domain (88-315) Transactivation domain (315-557) 1 32 88 178 231 315 557 POU-Motif Homeodomain Homeodomain-containing transcription factor Encoded by TCF2 gene (chromosome 17cen-q21.3) Structurally related to HNF-1a (MODY3) Function as a homodimer or as a heterodimer with HNF-1a Expressed in epithelial cells or diferentiating epithelia in many organs kidney, pancreas, liver, digestive tract, genital tract, lungs Role in early phases of differentiation

Mody5: heterogeneous molecular alterations 40 patients with "Mody5" phenotype DNA sequencing: 18 (45%) pacients with point mutations QMPSF: 10 (25%) pacients with large deletions Q136E Q136X G157fs K164Q R165H R181X Q192X IVS2+1G>T R276G G285D R295H R295C L48fs G76C R112P 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R235Q G370S Del P-9 (>1mb) Del 5 Bellanné-Chantelot et al. Diabetes 2005

Mody5 : large spectre clinique Diabète sévère : 40% avec symptômes au diagnostic; 71% à l'insuline (15 ans) Atrophie pancréatique : 85% des cas testés Insuffisance exocrine infraclinique Anomalies morphologiques rénales : 100% des cas Kystes rénaux, Agénésie rénale unilatérale, Diminution de la taille des reins avec atrophie corticale, Anomalies pyelocalicielles (dilatation), Néphrocalcinose IRC d'évolution lente, non expliquée par une ND Malformations du tractus génital: 80% des cas testés Utérus bicorne, Utérus dédoublé, Aplasie de l'utérus, Aplasie vaginale Kystes spermatiques, Agénésie des canaux déférents, hypospadias Anomalie des tests hépatiques: 78% des cas GT et transaminases entre 1,5 et 10 N Bellanné-Chantelot et al. Ann. Intern. Med. 2004 Bellanné-Chantelot et al. Diabetes 2005

Bellanné-Chantelot et al. Ann Intern Med 2004 Abdominal CT-Scan F3-II/2 (Lys 164 Gln): diffuse pancreas atrophy in a 38 year-old man with diabetes and renal failure Normal control pancreas Bellanné-Chantelot et al. Ann Intern Med 2004

Bellanné-Chantelot et al. Ann Intern Med 2004 mody5 : atteinte rénale Anomalies morphologiques : 12 / 12 Agénésie rénale unilatérale : 1 / 12 Diminution de la taille des reins avec atrophie corticale : 11 / 12 Anomalies pyelocalicielles (dilatation, aspect convexe) : 7 / 12 Kystes rénaux : 10 / 12 Néphrocalcinose : 1 / 12 Bellanné-Chantelot et al. Ann Intern Med 2004

Mitochondrial DNA  Complex I genes (NADH-ubiquinone dehydrogenase) Cyt b P E ND6 ND5 H S L ND4 ND4L R ND3 G COX III ATPase 8 ATPase 6 K COX II D COX I Y C N A W ND2 M I Q 16S RNA V 12S RNA F D-loop PL PH 16568 bp OH OL Mitochondrial DNA Complex I genes (NADH-ubiquinone dehydrogenase) Complex III genes (ubiquinol-cytochrome c oxireductase) Complex IV genes (cytochrome c oxidase) Complex V genes (ATP synthase) Transfer RNA genes Ribosomal RNA genes Displacement loop Q Cyt c NADH+H+ NAD e- FADH2 FAD H2O 1/2O2+2H+ H+ ADP + P ATP matrix intermembrane space -0.32V +0.82V Complex I II III IV V inner membrane 

Point mutations in mtDNA manifesting primarily as diabetes tRNA Leu (UUR): 3243A>G, 3252A>G, 3256C>T, 3271T>C, 3290T>C, 3291T>C NADH Dehydrogenase subunit 1: 3316G>A, 3348A>G, 3394T>C, 3396T>C, 3423G>T, 3434A>G, 3438G>A, 3447A>G, 3480A>G, 3483G>A, 4216T>C NADH Dehydrogenase subunit 2: 4917A>G tRNA Cys: 5780G>A tRNA Ser: 7476C>T Citochrome c Oxidase subunit II: 8245A>G, 8251G>A tRNA Lys: 8296A>G, 8344A>G ATPase 6: 8860A>G, 8894G>A, 8993T>G, 8993T>C NADH Dehydrogenase subunit 3: 10398C>T NADH Dehydrogenase subunit 4: 11778T>C tRNA Leu (CUN): 12308A>G tRNA Glu: 14709T>C tRNA Thr: 15904C>T, 15924A>G, 15927G>A, 15928G>A D-loop: 16069C>T, 16093T>C, 16126C>T Mathews et al.: Proc Soc Exp Biol Med 219: 97-108, 1998

Maternally Inherited Diabetes and Deafness MUTATION WILD TYPE UNTESTED HYPERGLYCEMIA Velho et al.: Diabetes 45: 478-487, 1996

Entrainment by glucose of insulin secretion oscillations in nondiabetic carriers of mtDNA 3243A>G mutation Wild type 200 GIR (ml/h) 2 4 6 8 10 12 14 16 GLUCOSE Voltage-dependent Ca++ channel insulin ATP G-6-P K+ Ca++ pyruvate ATP-dependent K+ channel K’ SUR1 Kir6.2 tolbutamide diazoxide mtDNA 150 100 15 GLYCEMIA (mM) 10 5 500 ISR (pM/min) 400 300 3243A>G 15 GLYCEMIA (mM) 10 5 500 ISR (pM/min) 400 300 TIME (hours) Velho et al.: Diabetes 45: 478-487, 1996

Polygenic forms of type 2 diabetes Several frequent gene variants contributing small individual effects expression of diabetes environmental factors

Quelques résultats (2) Des variants dans des gènes régulateurs de la sécrétion d'insuline modulent la susceptibilité au diabète de type 2

Pancreatic b-cell genes and diabetes Glucokinase Pyruvate-kinase Mitochondrial DNA Wolframine UCP2 ATP sensitive K+ channel Pancreatic EIF2-a kinase (PERK) Insulin (VNTR) Insulin receptor, IRSs KLF11, HNF1A, HNF4A, TCF7L2, IPF1… …………. Insulin secretion in response to glucose Bell et al. Nature, 2001

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

Pancreatic beta-cell ATP-sensitive K+ channel GLUCOSE Voltage-dependent Ca++ channel insulin ATP G-6-P K+ Ca++ pyruvate ATP-sensitive K+ channel K’ SUR1 Kir6.2 tolbutamide diazoxide Closing of ATP-sensitive K+ channels (IKATP) is a key step in the insulin exocytosis pathway IKATP is composed of two subunits: the sulfonylurea receptor (SUR), believed to be the ATP/ADP sensor of IKATP a small inwardly rectifier ion channel (KIR6.2) SUR and KIR6.2 genes are located 4.5 kb apart on chromosome 11p

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 Obésité HTA chez les diabétiques de type 2 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.

SUR1 gene and type 2 diabetes ABCC8 Exon 31: AGG>AGA (Arg 1272 Arg) A-allele frequency T2DM All subjects (308) Controls (143) T2DM age of diagnosis ≤45 years (103) A-allele Chi-square: p: Odds ratio: 95% CI: 37.1% 7.9 0.005 1.5 1.1 - 2.1 27.6% 43.2% 12.9 0.0003 2.0 1.4 - 2.9 Reis et al.: Hum Genet 107:138-144, 2000

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

Mutations in the SUR1 (ABCC8) gene causing Persistant Hyperinsulinemic Hypoglycemia of Infancy (PHHI) Glaser et al. Arch Dis Child Fetal Neonatal Ed 2000

SUR1 mutation and autosomal dominant diabetes E1506K Huopio et al. Lancet 2003

SUR1 mutation and autosomal dominant diabetes OGTT in diabetic and nondiabetic carriers of E1506K mutation Huopio et al. Lancet 2003

SUR1 mutation and autosomal dominant diabetes IVGT in diabetic and nondiabetic carriers of E1506K mutation Huopio et al. Lancet 2003

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 Polymorphismes (fréquents) DT2 polygénique Mutation C42R Diabète autosomique dominant 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 (KCNJ11) gene and type 2 diabetes METHODS: direct sequencing and PCR-RFLP assays POPULATION: 521 French, UK and Danish type 2 diabetic subjects and 367 normoglycemic controls Glu 23 Lys Glu/Glu Glu/Lys Lys/Lys 35% 45% 20% 44% 45% 11% 0.001 0.01 PATIENTS CONTROLS p* (co-dominant): p* (recessive) 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 * adjusted

Kir6.2 gene and type 2 diabetes KCNJ11: E23K Meta-analysis: KK vs EE genotype Van Dam et al. Diabetic Medicine 2005

Kir6.2 mutation and autosomal dominant diabetes *C42R 6 wk 22 yr 26 yr 3 yr age at diagnosis of diabetes Yorifuji et al. JCEM 2005

Neonatal diabetes associated with Kir6.2 (KCNJ11) mutations Transient neonatal diabetes mellitus Permanent neonatal diabetes mellitus DEND syndrome: developmental delay, motor (muscle) weakness, epilepsy, neonatal diabetes Kir6.2 is expressed in pancreatic b-cells, brain, nerves and muscle Intermediate DEND syndrome (iDEND): developmental delay, motor (muscle) weakness, neonatal diabetes Mutations in KCNJ11 causing neonatal diabetes TM: transmembrane domain Hattersley et al. Diabetes 2005

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

Hepatocyte Nuclear Factor 4 alpha (Mody1) Ligand: long-chain Fatty acyl-CoA Thioesters ? HNF-4  cytoplasm nucleus GRE / Enhancer Promoter Known target genes: - HNF-1a (HNF-4a) - Aldolase B - Glyceraldehyde-3-P dehydrogenase - L-Piruvate kinase - Kir6.2 transcription Hertz et al.: Nature 392:512-516, 1998 Stoffel et al.: PNAS 1997 Gupta et al.: JCI 2005

HNF-4 and type 2 diabetes Heike et al. Hum Mol Genet 2001; Silander et al. Diabetes 2004

HNF-4 and type 2 diabetes Haplotype Frequencies Silander et al. Diabetes 2004

TCF7L2 et Diabète de type 2 Nature Genetics 2006

Grant et al. Nature Genetics 2006 TCF7L2 & T2DM Grant et al. Nature Genetics 2006

TCF7L2 & T2DM Zhang et al. Diabetes 2006

TCF7L2 & T2DM Groves et al. Diabetes 2006 Cauchi et al. Diabetes 2006

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

Quelques résultats (3) Des variants dans des gènes modulateurs de l'action de l'insuline contribuent à la susceptibilité au diabète de type 2

Insulin sensitivity genes and T2DM Glucose metabolism in the liver Signal transduction in insulin action Saltiel et al. Nature, 2001 + Adiponectin, PGC1, PPARg, Resitin, TNFa, Leptin, Leptin receptor, IL2, IL6, UCP2, UCP3, SREBF1, FABP2, GLR….

Adiponectin, energy expenditure and insulin sensitivity Regulation of Adiponectin in adipocytes Fasshauer et al. Biochimie 2004

Adiponectin and insulin sensitivity

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

Adiponectin and type 2 diabetes Fumeron et al. Diabetes 2004

Quelques résultats (4) Des variants génétiques peuvent également conférer une protection contre le diabète de type 2

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)

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 Analyses génétiques: Linkage Sib-pairs Association m m m m m m

Genome wide association study for type 2 diabetes Sladek et al. Nature Genetics 2007

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

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

Genome wide association studies for type 2 diabetes Frayling TM: Nature Genetics 2007 CDKAL1: CDK5 regulatory subunit associated protein 1-like 1; CDKN2: cyclin-dependent kinase inhibitor 2A; FTO: fat mass and obesityassociated; HHEX: haematopoietically expressed homeobox; IDE: insulin-degrading enzyme; IGF2BP2: insulin-like growth factor 2 mRNAbinding protein 2; KCNJ11: potassium inwardly-rectifying channel, subfamily J, member 11; PPARG: peroxisome proliferator-activated receptor-γ; SLC30A8: solute carrier family 30 (zinc transporter), member 8; TCF2: transcription factor 2, hepatic; TCF7L2: transcription factor 7-like 2 (T-cell specific, HMG-box); WFS1: Wolfram syndrome 1

DT2: interactions entre facteurs génétiques et d'environnement b S.I. b S.I. b S.I. f_Env DT2 DT2 f_Env ND

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