Effets du GLP-1 sur les cellules pancréatiques – Effects of

12 Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition (XII), n° 1, janvier-février 2008
thématique
Dossier
L
e glucagon-like peptide-1
(GLP-1) est une puissante
hormone insulinotropique glu-
codépendante. Cette hormone pré-
sente d’autres propriétés intéressan-
tes pour l’homéostasie gluci dique,
induisant un ralentissement de la
vidange gastrique, la suppression
du taux plasmatique de glucagon
et un meilleur contrôle de la prise
alimentaire. L’ensemble de ses pro-
priétés fait du GLP-1 une molécule
à fort potentiel thérapeutique dans le
diabète de type 2 et justifie l’intérêt
croissant que lui portent les labora-
toires de recherche et de l’industrie
pharmaceutique. D’ailleurs, la litté-
rature médicale actuelle, anglophone
ou francophone, est particulièrement
riche en articles rapportant les béné-
fices de cette molécule sur l’homéos-
tasie glucidique. Pour autant, les
mécanismes précis de transduction
du signal GLP-1 au niveau des cel-
lules endocrines de l’îlot de Lange-
rhans sont multiples et souvent peu
détaillés. Ils méritent cependant que
l’on s’y intéresse.
Récepteur au GLP-1
Les actions physiologiques du
GLP-1 reflètent la fonction des
organes dans lesquels son récepteur
spécifique est exprimé. En effet, le
GLP-1 exerce son activité insuli-
notrope après liaison au récepteur
localisé sur la membrane plasmique
des cellules bêta-pancréatiques.
Le récepteur au GLP-1 (GLP-1R)
a été cloné chez l’homme et chez le
rat (1). Il se compose de 463 acides
aminés et appartient à la famille des
récepteurs couplés aux protéines G.
Il est actuellement reconnu que la
liaison du GLP-1 à son récepteur
stimule les adénylates cyclases et
donc la production de 3’,5’-adéno-
sine monophosphate cyclique
(AMPc). L’AMPc active des voies
de signalisation dépendantes de la
protéine kinase A (PKA), mais aussi
PKA-indépendantes, impliquant
notamment un nouvel intervenant
dans la signalisation AMPc-dépen-
dante : Epac2 (exchange protein
directly activated by cAMP), encore
dénommé AMPc/GEFII (cAMP-
regulated guanine nucleotide
exchange factor II) [2].
Effet du GLP-1
sur les cellules
bêta-pancréatiques
GLP-1 et sécrétion de l’insuline
par les cellules bêta
L’une des caractéristiques princi-
pales de l’effet du GLP-1 sur l’exo-
cytose des granules d’insuline est sa
Effets du GLP-1 sur les cellules pancréatiques
Effects of GLP-1 on pancreatic cells
Manuel Dolz*
* Service d’endocrinologie-diabétologie et mala-
dies métaboliques pôle vasculaire, hôpital de la
Cavale-Blanche, CHU de Brest, UBO, Brest.
Le glucagon-like peptide-1 (GLP-1) est un amplificateur de la sécrétion
d’insuline préalablement stimulée par le glucose.
Cette propriété implique des effets sur les étapes proximales (couplages
des phénomènes métaboliques et ioniques…) et distales (sensibilisation
des processus terminaux de l’exocytose induite par le calcium…) de l’exo-
cytose d’insuline.
Le GLP-1 agit en se liant à son récepteur spécifique, couplé à des
protéines Gαs et à une production d’adénosine monophosphate cyclique
(AMPc).
Étudier les effets pancréatiques du GLP-1, c’est principalement
comprendre la signalisation AMPc-dépendante, qui engage des voies de
signalisation dépendantes des protéines kinases A (PKA), mais aussi PKA-
indépendantes liées à AMPc/GEFII.
Le GLP-1 est un facteur de croissance pour les cellules bêta.
Le GLP-1 est également une puissante hormone glucagonostatique
glucodépendante. Un contrôle direct par le GLP-1 de la sécrétion du
glucagon en situation postprandiale est peu probable. Au contraire, les
effets paracrines de l’insuline ont une place centrale dans l’inhibition de la
sécrétion de glucagon.
Mots-clés : GLP-1 – AMPc – Exocytose – Insuline.
Keywords: GLP-1 – cAMP – Exocytosis – Insulin.
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13 Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition (XII), n° 1, janvier-février 2008
Dossier
thématique
Figure 1. La voie de signalisation PKA-dépendante en réponse au GLP-1.
GLP-1
Gαs
GLP-1R
Glut
Navettes
mitochondriales ➚ [Ca2+]
[ATP]
[ADP]
➚ [Glucose]
➚ [Glucose]
G6P
Pyruvate
K+
ATP
AMPc
PKA
(phosphorylations)
Ca2+
VOC-L
K+-ATP
AC
glucodépendance. En effet, le GLP-1
potentialise la sécrétion de l’insuline
induite par le glucose, mais n’a pas
d’effet sécrétoire en l’absence d’une
concentration de glucose par elle-
même stimulante de l’exocytose. La
compréhension de cette propriété est
facilitée par un rappel de la signali-
sation intracellulaire impliquée dans
la transduction du signal glucose au
niveau des cellules bêta (figure 1).
Le processus de détection du
glucose en tant qu’insulinosecréta-
gogue commence par son passage au
travers de la membrane plasmique,
par diffusion facilitée, grâce à des
transporteurs spécifiques du glucose.
Le transporteur permet un équilibre
quasiment immédiat et permanent
des concentrations intracellulaire et
extracellulaire de l’hexose. Une fois à
l’intérieur de la cellule bêta, la phos-
phorylation en glucose-6-phosphate
(G6P) est catalysée, non seulement
par une hexokinase à haute affinité
(Km 0,1 mM), ubiquiste, mais égale-
ment par une glucokinase à faible
affinité (Km 7,9 mM). Cette dernière
est capable d’augmenter la produc-
tion de G6P dans la gamme physio-
logique de la glycémie. Enfin, dans la
cellule bêta, pour des concentrations
croissantes de glucose, la stimulation
préférentielle des processus d’oxy-
dation mitochondriale, par rapport
au flux glycolytique total, augmente
considérablement le rendement de
la production d’ATP couplée au
métabolisme du glucose. L’éléva-
tion du rapport des concentrations
ATP/ADP constitue une étape clé
dans le lien entre les phénomènes
métaboliques et les phénomènes
ioniques. Elle provoque la ferme-
ture de canaux potassiques sensibles
à l’ATP au niveau de la membrane
plasmique (canaux K+-ATP). La
diminution de la perméabilité aux
ions K+ conduit à la dépolarisation
de la cellule bêta. La dépolarisation
membranaire, au-delà d’un potentiel
seuil, induit l’ouverture de canaux
calciques dépendants du voltage de
type L (VOC-type L, pour voltage
operated channels), ce qui entraîne
un flux entrant de calcium dans la
cellule bêta et déclenche par consé-
quent la sécrétion de l’insuline.
Ainsi, on comprend aisément pour-
quoi le GLP-1, agissant en aval du
signal déclencheur de la sécrétion
d’insuline (le Ca2+), n’est pas un
stimulateur primaire de la sécrétion
de l’insuline, mais un amplifica-
teur de la sécrétion préalablement
stimulée par le glucose (figure 1).
Sans glucose, pas de calcium ; sans
calcium, pas de sécrétion !
Effets PKA-dépendants
du GLP-1
L’effet potentialisateur du GLP-1
engage de nombreux événements,
parmi lesquels on retrouve des phos-
phorylations dépendantes de la PKA,
qui favorisent l’inhibition des canaux
K+-ATP, l’ouverture des VOC-type L
(et donc l’influx de Ca2+), l’inhibition
des canaux K+ repolarisants voltage-
dépendants, mais aussi la transloca-
tion de granules depuis les pools de
réserve et donc l’augmentation de
la taille du pool de granules direc-
tement libérable (RRP) par accélé-
ration de leur taux de remplissage
(3-5). En plus de ce renforcement
des effets du glucose sur les étapes
dites proximales de l’exocytose, les
phosphorylations PKA-dépendantes
de protéines de l’exocytosome (le
complexe SNARE) permettent au
GLP-1 de sensibiliser à l’influx de
calcium le complexe d’accostage et
de fusion des granules d’insuline.
Les cibles de ces phosphorylations
“distales” PKA-dépendantes sont en
fait très nombreuses (CSP, Snapine,
αSNAP, Rab3a…).
Effets du GLP-1 sur Epac2
Cette nouvelle protéine liant l’AMPc
(appelée initialement le cAMP
sensor) fut découverte dans la lignée
bêta-cellulaire MIN6, à l’occasion de
la recherche d’une molécule se liant
directement à SUR1 (la sous-unité
régulatrice des canaux K+-ATP),
puis fut reconnue comme étant
l’analogue de AMPc-GEFII/Epac2.
Cette molécule était connue comme
ayant une activité GEF (guanine

14 Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition (XII), n° 1, janvier-février 2008
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Figure 2. La voie de signalisation AMPc/GEFII-dépendante en réponse au GLP-1.
GLP-1
Gαs
GLP-1R
Glut
Navettes
mitochondriales
➚ [Ca2+]
[ATP]
[ADP]
➚ [Glucose]
➚ [Glucose]
G6P
Pyruvate
K+
ATP
AMPc
AMPc/GEFII
Ca2+
VOC-L
K+-ATP
AC
SUR1
Rim2
Piccolo
Rab3a
nucleotide exchange factor) sur
Rap1, mais son rôle physiologique
restait inconnu (2). Par la suite, il fut
démontré que AMPc-GEFII/Epac2
se liait à Rim2 (figure 2) et que l’in-
troduction d’un mutant de Rim2 ne
pouvant interagir avec Epac2 inhi-
bait la sécrétion de l’insuline (6).
Rim2 est localisée au niveau à la fois
de la membrane plasmique et de la
membrane des granules d’insuline,
et a la propriété d’interagir avec la
petite protéine G Rab3a, qui parti-
cipe à l’exocytose calcium-dépen-
dante. Du fait du rôle de Rab3a dans
la formation du complexe SNARE,
l’interaction de AMPc-GEFII/Epac2
avec Rim2 indiquait que AMPc-
GEFII/Epac2 pouvait être impliqué
dans l’exocytose régulée, et notam-
ment dans le conditionnement des
granules d’insuline de façon AMPc-
régulée. La suppression du domaine
de liaison à Rab3a de Rim2 induit
une localisation préférentielle de
Rim2 dans le cytoplasme, empê-
chant ainsi la sécrétion de l’insuline
médiée par AMPc-GEFII/Epac2
dans la lignée MIN6. Les preuves
pharmacologiques de l’implication
de AMPc-GEFII/Epac2 dans l’exo-
cytose régulée furent apportées en
2001 par le groupe de S. Seino,
qui démontra que, dans les cellules
bêta-pancréa tiques de souris, le H89
(un inhibiteur de PKA) réduisait
significativement – mais seulement
de façon partielle – la potentiali-
sation de la sécrétion de l’insuline
induite par les incrétines (GIP et
GLP-1) [7]. Enfin, l’invalidation
d’Epac2 dans ces cellules altérait la
sécrétion de l’insuline après stimu-
lation par le GLP-1. Et, dans ces
conditions, l’ajout de H89 réduisait
encore davantage la potentialisation
de la sécrétion de l’insuline induite
par les incrétines. Enfin, AMPc-
GEFII/Epac2 interagit également
avec Piccolo, protéine dont la struc-
ture est proche de Rim2. Piccolo
forme un homodimère ou un hété-
rodimère avec Rim2, par un méca-
nisme calcium-dépendant (8). Ainsi,
Piccolo pourrait fonctionner comme
un détecteur de calcium, et l’inter-
action entre AMPc-GEFII/Epac2,
Rim2, Piccolo et Rab3a participe à
la sécrétion de l’insuline régulée par
l’AMPc.
La sécrétion de l’insuline en
réponse à une forte concentration
de glucose est biphasique, et les
ligands membranaires qui augmen-
tent la concentration intracellulaire
d’AMPc potentialisent à la fois la
première et la seconde phases de la
sécrétion de l’insuline induite par
le glucose. En 2003, le groupe de
P. Rorsman démontra la participation
de la molécule AMPc-GEFII/Epac2
dans les deux phases de la sécrétion
de l’insuline potentialisée par AMPc
(9). Par la mesure de la “capaci-
tance” membranaire, ce groupe
établit que le GLP-1 augmentait le
RRP et facilitait l’exocytose rapide
Ca2+-dépendante mais indépendante
des PKA. Cette phase implique la
molécule AMPc-GEFII/Epac2 et
nécessite son interaction avec SUR1.
En effet, dans les îlots de souris défi-
cientes en SUR1, la sécrétion de
l’insuline PKA-indépendante induite
par le GLP-1 est sévèrement réduite.
De même, la phase précoce de l’exo-
cytose PKA-indépendante disparaît
dans les cellules bêta invalidées pour
SUR1. Ces données suggèrent ainsi
un rôle modulateur pour SUR1 dans
la régulation par l’AMPc de l’exo-
cytose calcium-dépendante. Enfin,
Epac2 induit une mobilisation du
calcium depuis des stocks calciques
sensibles à la ryanodine et l’acti-
vation de canaux cationiques non
sélectifs sensibles au calcium. Dans
la lignée cellulaire MIN6, l’activa-
tion Epac2-dépendante des récep-
teurs endoplasmiques à la ryanodine
augmente la production mitochon-
driale d’ATP (2). Les effets du GLP-
1 sur l’exocytose de l’insuline par la
cellule bêta non diabétique font donc
intervenir l’ensemble de ces méca-
nismes PKA-dépendants et Epac2-
dépendants. Ces derniers nécessitent
à la fois la présence de Ca2+ et celle
d’AMPc.

15 Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition (XII), n° 1, janvier-février 2008
Dossier
thématique
Effet du GLP-1
sur le gène de l’insuline
Une des particularités du GLP-1 est
de restaurer les stocks d’insuline en
en stimulant la synthèse. Cet effet est
lié à l’augmentation de la transcrip-
tion du gène de la pro-insuline et à la
stabilisation de son ARNm, de façon
AMPc-dépendante mais PKA-indé-
pendante (10). Le facteur de trans-
cription PDX-1 est un intermédiaire
important dans l’action du GLP-1
sur l’expression du gène de l’insuline
(11). Même si l’importance physio-
logique de ces propriétés reste incer-
taine, elles permettent au GLP-1
de se distinguer des autres molécules
insulino-sécrétagogues.
Effet du GLP-1
sur la masse cellulaire bêta
Différents travaux ont également mis
en évidence un effet important du
GLP-1 sur l’expansion de la masse
des cellules bêta-pancréatiques (12).
Ces études, utilisant notamment des
injections répétées de GLP-1 ou de
l’agoniste du GLP-1R, l’exendine-4,
ont été réalisées dans différents
modèles expérimentaux : des rats
témoins ou ayant subi une pancréa-
tectomie partielle, des rats traités
par la streptozotocine à la naissance
(n0-STZ), ou encore des souris
diabétiques ob/ob. Dans toutes ces
conditions expérimentales, le traite-
ment par le GLP-1 ou l’agoniste était
associé à une augmentation de la
masse cellulaire bêta, en raison soit
d’une stimulation de la néo genèse
à partir de la région ductale, soit
d’une prolifération des cellules bêta
préexistantes, soit d’une diminu-
tion de l’apoptose. De plus, l’acti-
vation du GLP-1R dans des lignées
cellulaires exocrines de rongeur ou
d’homme, initie un programme de
différenciation vers un phénotype
endocrino-mimétique, associé à
l’augmentation de l’expression de
gènes tels que PDX-1, glucokinase
et Glut-2 (13). Les effets prolifératifs
et antiapoptotiques du GLP-1 sont
dépendants de l’expression de PDX-1.
Cependant, de nombreuses autres
voies de signalisation sont impli-
quées : réduction de l’expression de
la caspase-3, protection PI3K-dépen-
dante vis-à-vis de l’apoptose induite
par le stress oxydatif, augmentation
de l’expression de Bcl-2 et de Bcl-xl,
augmentation de l’expression de
CREB et stimulation d’IRS2, résis-
tance au stress du réticulum… La
plupart des données obtenues chez le
rongeur ont été confirmées avec des
îlots humains, suggérant des effets
bénéfiques prometteurs de préven-
tion du déclin de la masse cellulaire
bêta au cours du diabète de type 2.
Effets du GLP-1
sur les cellules
alpha-pancréatiques
Les cellules alpha des îlots de
Langerhans du pancréas endo-
crine synthétisent et sécrètent une
hormone essentielle pour l’homéos-
tasie glucidique : le glucagon. Cette
hormone, principal contrepoids à
l’effet de l’insuline, est sécrétée en
réponse à une hypoglycémie pour
stimuler la production hépatique de
glucose. Le contrôle de sa sécré-
tion est multifactoriel (métabolique,
hormonal et neuronal). Au cours
du diabète de type 2, il existe une
hyperglucagonémie basale et une
absence de diminution de la sécré-
tion de glucagon après charge orale
en glucose ou prise d’un repas. L’ar-
chitecture et la vascularisation insu-
laires permettent de comprendre le
contrôle de la sécrétion du glucagon
et l’intérêt d’une approche thérapeu-
tique par le GLP-1 dans la correction
de ces anomalies.
Il est actuellement admis que les
cellules bêta sont principalement
situées au centre des îlots, à l’excep-
tion de quelques cellules au contact
de la capsule insulaire, là où pénè-
trent les artérioles afférentes. Les
cellules bêta sont donc les premières
cellules en contact avec les diffé-
rents stimuli atteignant l’îlot via le
flux sanguin artériel. À l’inverse, les
cellules non bêta (dont les cellules
alpha) sont situées à la périphérie des
îlots et sont irriguées par les veinules
postcapillaires intra-insulaires. Elles
sont donc sous la dépendance endo-
crine mais aussi paracrine (interac-
tion via l’interstitium) des cellules
bêta. De par cette organisation archi-
tecturale, et sur la base des données
actuelles de la littérature, un contrôle
direct par le GLP-1 de la sécrétion
du glucagon en situation postpran-
diale est peu probable.
Dans les cellules alpha humaines,
l’expression du GLP-1R n’a pas
encore été étudiée. Chez le rat, les
résultats des travaux relatifs à son
expression sont contradictoires :
certaines études ne retrouvent ni le
GLP-1R, ni son transcrit ; d’autres
suggèrent que les cellules alpha pour-
raient exprimer le GLP-1R. Dans les
premières, la stimulation par le GLP-
1 des cellules alpha ne s’accompagne
d’aucune modification de la sécrétion
du glucagon, mais peut induire une
production nette d’AMPc (14, 15).
Dans les autres, au contraire, le
GLP-1 induit une production nette
d’AMPc et même une augmentation
de l’exocytose de glucagon par les
cellules alpha isolées (16). La signa-
lisation AMPc-dépendante dans les
cellules alpha vient d’être précisée et
fait également intervenir des méca-
nismes PKA-dépendants et Epac2-
dépendants.
Pourtant, in vivo, un effet glucago-
nostatique direct du GLP-1 a été
suggéré par des études cliniques
chez des diabétiques de type 1. Chez
ces patients, à jeun, W.O. Creutzfeldt
et al. ont démontré une diminution
des taux plasmatiques de glucagon
après administration intraveineuse
de GLP-1 (17). Cependant, une
discrète élévation de peptide C fut
également détectée, de sorte qu’un
effet indirect du GLP-1 via l’acti-
vation d’une activité résiduelle des
cellules bêta ne peut être formelle-
ment exclu. De plus, les preuves de
l’effet primaire de la régulation para-
crine viennent des souris Knock-out

16 Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition (XII), n° 1, janvier-février 2008
thématique
Dossier
Temps (mn)
Glucagon (pmol/l)
C
****
p = 0,0009
0060
5
120 180 240
10
15
20
Insuline (mUI/l)
B
*
*
*
*****
p < 0,0001
0060
5
120 180 240
10
15
20
25
30
35
40
Glucose (mg/dl)
A
*******
p < 0,0001
0060
50
120 180 240
150
100
200
250
300
GLP-1 i.v. (1,2 pmol/kg/mn)
Figure 3. Actions insulinotrope et glucagonostatique chez des patients diabétiques de type 2
(d’après Nauck MA et al. [20]).
Douze patients atteints d’un diabète de type 2 (DT2) [HbA1c : 10,6 %] ont été perfusés pendant
4 heures soit avec du GLP-1 (ronds oranges) soit avec du sérum physiologique (cercles verts).
Lors du DT2, l’activité insulinosécrétrice du GLP-1 s’exerce uniquement en présence d’une
hyperglycémie. L’effet glucagonostatique du GLP-1 est aussi régulé de façon glucodépendante.
Ainsi, quand le taux de glucose redescend dans les valeurs normales (180-240 mn) ou basses,
on observe que la stimulation de la sécrétion de l’insuline chute et que l’inhibition sur la cellule
alpha est levée, ce qui limite ainsi le risque d’hypoglycémie.
pour PDX-1 (sélectivement dans les
cellules bêta), qui après stimulation
par l’exendine-4 présentent un défaut
d’inhibition de l’activité des cellules
alpha (18). Ainsi, il paraît clair que
les effets paracrines de l’insuline et
du zinc, libérés par les cellules bêta
lors d’une stimulation par le GLP-1
en présence de glucose, ont une place
centrale dans l’inhibition de la sécré-
tion de glucagon (19). L’inhibition
indirecte de la sécrétion de glucagon
participe donc à l’action hypoglycé-
miante du GLP-1. Il est intéressant
de noter d’un point de vue théra-
peutique que l’effet glucagonosta-
tique du GLP-1 est régulé de façon
glucodépendante : quand le taux de
glucose redescend dans les valeurs
normales ou basses, la stimulation
de la sécrétion de l’insuline chute et
l’inhibition sur la cellule alpha est
levée (perte de l’effet “switch off”
de la cellules bêta), réduisant ainsi le
risque d’hypoglycémie (20).
Effet du GLP-1
sur les cellules
delta-pancréatiques
Les cellules delta expriment le GLP-1R,
et le GLP-1 stimule fortement la
sécrétion de somatostatine chez
le rat. Cet effet participerait au
contrôle paracrine de la sécrétion de
glucagon.
GLP-1 et traitement
du diabète de type 2
L’effet incrétine endogène est connu
pour être réduit chez les patients
diabétiques, ce qui conduit à une
réduction de la sécrétion de l’insu-
line à la suite de l’ingestion de nutri-
ments. Des études récentes montrent
que le taux plasmatique de GLP-1 est
diminué chez les patients diabétiques
de type 2, comparativement aux sujets
normaux. Les mécanismes impliqués
dans cette altération de la sécrétion de
GLP-1 restent indéterminés. Cepen-
dant, l’intérêt du GLP-1 dans le trai-
tement du diabète de type 2 est lié à
deux éléments. En premier lieu, le
GLP-1 conserve une forte action insu-
linotrope et glucagonostatique chez
les patients diabétiques de type 2 (20)
[figure 3]. En cas de diabète de type 2,
l’activité insulinosécrétrice du GLP-
1 s’exerce uniquement en présence
d’une hyperglycémie et porte sur les
deux phases de l’insulinosécrétion. Le
second bénéfice du GLP-1 tient à son
rôle intégré au niveau de l’organisme,