Regulation and functions of the transcription factor ChREBP in the gut
Régulation et fonctions du facteur de transcription ChREBP dans l'épithélium intestinal
Résumé
The transcription factor ChREBP (Carbohydrate response element binding protein) has been reported as a key player of glucose intracellular signaling in the liver and the adipose tissue. ChREBP is indeed activated in those tissues by glucose metabolites and regulate the expression of genes involved in glycolysis and de novo lipogenesis. Interestingly, ChREBP knockout mice, although intolerant to a peripheral glucose injection, are more tolerant to an oral glucose administration, suggesting an alteration of the incretin response and thus impaired potentiation of glucose induced insulin secretion. Therefore, the objectives of my thesis were: (1) to characterize the regulation of ChREBP expression and activity by dietary sugars in the gut, and (2) to identify ChREBP intestinal functions contributing to glycemic control. We first demonstrated that ChREBP is abundantly expressed in the proximal gut epithelium. Exposure to high disaccharide (sucrose, starch) or monosaccharide (glucose, fructose) challenges stimulates ChREBP intestinal expression via GLUT-2 and GLUT-5 transporters respectively, as compared to normal diet. Interestingly, the pharmacological inhibition of sugar receptors (TasR), potentiates the activation of ChREBP pathway in response to glucose and fructose, suggesting a negative regulation of sugar receptors on ChREBP activity. The use of non-metabolizable glucose and fructose analogues, or pharmacological and genetic inhibition of glycolytic or fructolytic metabolism lead to a drastic reduction of ChREBP mRNA levels and its target genes (G6Pase, TxNIP, LPK). Altogether, these data therefore highlight that absorption and intracellular metabolism of glucose and fructose are required for the activation of ChREBP in the intestinal epithelium. In mice, total (ChKO) or intestinal (ChKOgut) ChREBP deficiency is associated with decreased GLP-1 portal concentrations and intestinal content in response to oral glucose challenge and reduced gut Gcg gene (encoding GLP-1 precursor) expression levels without concomitant alteration of insulinemia. Interestingly, ChREBP expression is enriched in GLP-1 producing L cells and its pharmacological inhibition in the GLUTag entero-endocrine cell line or its genetic invalidation in isolated L cells leads to the downregulation of Gcg gene expression, underlying the role of ChREBP in GLP-1 production. Taken together, these data demonstrate that improved oral glucose tolerance in ChKO mice is independent of an increased incretin response. Therefore, we next evaluated the contribution of ChREBP to intestinal glucose absorption, another gut function contributing to glycemic control. By using radioactive tracers, we show that the glucose transepithelial intestinal transport is significantly decreased in ChKO or ChKOgut mice and triggers gut glucose malabsorption. This is associated with a decrease in the expression of monosaccharide transporters (SGLT-1, GLUT-2, GLUT-5) and disaccharide hydrolytic enzymes (sucrase isomaltase, lactase), suggesting that intestinal sugar digestion is also affected upon local ChREBP deficiency. Furthermore, ultrastructural analyses of intestinal mucosa from ChKO and ChKOgut mice demonstrate a significant reduction in microvilli length, as commonly observed during caloric restriction. Consistent with these results, intestinal ChREBP deficiency is accompanied by sugar intolerance (lactose, sucrose) due to impaired gut capacities to properly absorb fructose and galactose. In conclusion, our results show that ChREBP loss in the intestinal epithelium alters glucose uptake and delayed glucose distribution to peripheral tissues, contributing to a better tolerance to an oral glucose challenge. However, in the context of type 2 diabetes, intestinal ChREBP deficiency may lead to an accumulation of undigested sugars in the colon and may contribute to the development of sugar intolerance, as already observed upon anti-diabetic therapies (alpha-glucosidase inhibitors).
Jusqu'alors décrit principalement pour ses fonctions hépatiques et adipocytaires, le facteur de transcription ChREBP (Carbohydrate response element binding protein) est dans ces tissus activé par le glucose afin d'y adapter en réponse le métabolisme cellulaire en induisant notamment l'expression des gènes de la lipogenèse et de la glycolyse. De façon intéressante, les souris déficientes pour ChREBP, bien qu'intolérantes à une injection périphérique de glucose, présentent une meilleure tolérance au glucose administré oralement, suggérant que son expression intestinale puisse contribuer à l'amélioration de l'homéostasie glucidique. Les objectifs de ma thèse ont donc été de caractériser dans l'intestin (i) la régulation de l'activité transcriptionnelle de ChREBP par les sucres alimentaires et (ii) les fonctions de ChREBP participant à la régulation de l'équilibre glycémique. Nos résultats montrent que le facteur de transcription ChREBP est abondamment exprimé dans l'épithélium de l'intestin proximal. L'exposition de souris à des régimes enrichis en glucides (saccharose, amidon) ou à des monosaccharides (glucose, fructose) augmente l'expression intestinale de ChREBP via leur transport par GLUT-2 et GLUT-5 respectivement. De façon intéressante, l'inhibition pharmacologique des récepteurs aux sucres (TasR), potentialise l'activation de la voie de ChREBP en réponse au glucose et au fructose, suggérant une régulation négative des récepteurs aux sucres sur l'activité de ChREBP. L'utilisation d'analogues non métabolisables du glucose et du fructose, ainsi que l'inhibition des enzymes du métabolisme glucidique et fructolytique conduisent à une réduction drastique des quantités d'ARNm de ChREBP et de ses gènes cibles, soulignant donc que l'absorption et le métabolisme intracellulaire du glucose et du fructose sont nécessaires à l'activation de ChREBP dans l'épithélium intestinal. Chez la souris, la déficience totale (ChKO) ou intestinale (ChKOgut) de ChREBP s'accompagne d'une diminution des quantités plasmatiques et intestinales de GLP-1, et de la transcription de son gène (Gcg) en réponse à un bolus oral de glucose. De façon intéressante, l'expression de ChREBP est enrichie dans les cellules L produisant le GLP-1 et l'inhibition de ChREBP dans la lignée entero-endocrine GLUTag ou dans les cellules L, conduit à la diminution de l'expression de Gcg. L'amélioration de la tolérance au glucose en absence de ChREBP intestinal ne résultant pas d'une réponse incrétine augmentée, la contribution de ChREBP à l'absorption intestinale de glucose, une autre fonction de l'intestin dans la régulation glycémique a été étudiée. Ainsi, l'utilisation de traceurs radioactifs montrent que le transport transépithélial du glucose et l'expression des transporteurs des monosaccharides (SGLT-1, GLUT-2, GLUT-5) est significativement diminuée dans les souris ChKO et ChKOgut. Nos résultats suggèrent par ailleurs que la digestion des disaccharides est affectée en absence de ChREBP intestinal. En accord avec ces résultats, la déficience en ChREBP intestinal s'accompagne d'une intolérance aux sucres (lactose et saccharose) consécutive à un défaut d'assimilation du fructose et du galactose. En conclusion, nos résultats montrent que l'expression intestinale de ChREBP contribue à la réponse adaptative à l'exposition des sucres luminaux en régulant un programme génique assurant leur digestion et leur absorption efficace. Tandis que l'inhibition intestinale de ChREBP pourrait permettre d'améliorer les excursions glycémiques prandiales dans le contexte du diabète, l'accumulation luminale de sucres consécutive au blocage des fonctions dépendant de ChREBP pourrait contribuer à l'apparition d'une intolérance aux sucres, comme observé dans les thérapies anti-diabétiques inhibant les alpha-glucosidases.
Origine : Version validée par le jury (STAR)