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Diabètes monogéniques - Diabète de type 2 Déterminants Génétiques

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. Le diabète sucré. Définition

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Diabètes monogéniques - Diabète de type 2 Déterminants Génétiques

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

  2. Le diabète sucré • Définition • "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

  3. 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

  4. + 44 % + 180 % + 160 % + 102 % + 130 % Global 2000: 171 million 2030: 366 million + 114 % Le diabète sucré, problème majeur de santé publique WHO 2004 - http://www.who.int/entity/diabetes/actionnow/en/mapdiabprev.pdf

  5. 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

  6. Fréquent et en augmentation 151 millions en 2000 221 millions en 2010 ? Coûts importants + de 1.2 millions en France + de 2000 $ + de 1000 € / patient / an Complications micro- et macro-vasculaires Cécité, insuffisance rénale, amputations membres inférieurs, Traitements maladies cardio-vasculaires ... Non curatifs Antidiabétiques oraux, insuline, régime ... Le diabète sucré, problème majeur de santé publique Diabète

  7. 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

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

  9. Obésité : problème majeur de santé publique

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

  11. Hyperglycémie du DT2 : physiopathologie complexe DT2 • 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 Insulino-résistance Insulino-sécrétion GÉNÉTIQUE ENVIRONNEMENT

  12. HYPERGLYCEMIC CLAMP [10 mM glucose] 90 80 70 60 INSULIN (mU/L) 50 40 30 20 10 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 TIME (min) Normal OGTT; 20-35 yr; 19.7-24.6 kg/m2 Variabilité de la sécrétion d’insuline chez l’homme • Facteurs génétiques • Facteurs d’environnement • alimentation, état nutritionnel • Sensibilité à l’insuline • Facteurs génétiques • Facteurs d’environnement • activité physique • corpulence • Facteurs génétiques • Facteurs d’environnement

  13. 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

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

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

  16. 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…)

  17. 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)

  18. Hérédité autosomique dominante du MODY mody w.t.

  19. Hétérogénéité génétique du MODY Mody 1 HNF4A rare Mody 2 Glucokinase20%-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%

  20. 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 V203A T206M T206R T209M M210K M210T C213R Y215X E216X E220X E221K G223S M224T I225F I225M V226M V226fs G227C IVS6+2T>A 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 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

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

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

  23. 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

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

  25. 100 Dose-response curve Glucose sensitivity of b-cells 450 80 400 controls 350 60 300 250 40 200 mody2 INSULIN SECRETION RATE (pmol/min) RELATIVE SLOPE OF CURVE (% / mM) 150 100 20 50 0 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 PLASMA GLUCOSE (mM) GLUCOSE (mM) Graded glucose infusion in glucokinase-deficient (Mody2) subjects Byrne et al.: J Clin Invest 93:1120-1130, 1994

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

  27. Hepatocyte nuclear factor-1a proline rich activation domain II (281-318) serine rich activation domain I (547-628) DNA-binding domain (184-280) dimerisation domain (1-31) 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

  28. 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 S594I I618M E619K T620I M626K C241G C241R S247fsinC L254M V259D T260M R263C W267X R271W R272H R272C R272fsdelGC P291fsinsC P291fsdelC G292fsdelG A301T A301fsinsA IVS5nt+2T>A IVS7nt-6G>A H514R P519L R537T 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 A443fsdelCA P447L S/N487 T492I S498R Q7X L12H G20R I/L27 G31D G42P43fs CC>A R55G56fsdel GAGGG A/V98 L107R IVS5nt-2A>G P379fsdelCT P379fsdelT P379fsinsC T392fsdelA Q401fsdelC I414G415fsTCG>CC G415R S432C T433I T547E548fsdelTG A559fsinsA G/S574 R583Q R583G L584S585fsinsTC IVS9nt+1G>A

  29. 450 controls 400 nondiabetic MODY3 350 MODY-2 300 250 200 150 100 50 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Graded glucose infusion in Mody subjects Insulin secretion rate (pmol/min) Plasma glucose (mM) Byrne et al. 1994, 1996

  30. 900 600 300 0 0 5 10 15 20 25 30 Insulin secretion in response to glucose and arginine in HNF-1 deficient mice In situ perfused pancreas 20 mM arginine 15000 glucose perfusion + / - + / + + / + 10000 + / - INSULIN (pM) INSULIN (pM) 5000 -/- - / - 0 PERFUSATE GLUCOSE CONCENTRATION (mM) 26 26 PERFUSATE GLUCOSE CONCENTRATION (mM) Pontoglio et al. J Clin Invest 101: 2215-2222, 1998

  31. 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 3.9 * 17.6 * GLUT2 1.4 * 3.9 ** NBAT 3.4 * 31.6 * L-PK M2-PK 0.9 1.1 1.8 * Glucagon 0.7 1.7 * 2.5 * INS-1 Shih et al. Diabetes 2001 INS-2 1.3 1.5

  32. 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

  33. 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

  34. HNF-4 HNF-4 (Mody1) Ligand: long-chain Fatty acyl-CoA Thioesters ? 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

  35. 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 insulin  Cells

  36. Other unknown target genes SHP-1 (small heterodimer partner 1) IAPP Aldolase-B GLUT-2 Kir6.2 Glyceraldehyde-3-Phosphate Dehydrogenase INS-2 INS-1 L-Piruvate Kinase PCD/DCoH (pterin-4a-carbinolamine dehydratase) NBAT (neutral and basic amino acid transporter) Transcription factors associated with MODY and their target genes HNF-3b HNF-1b (MODY5) GCK (MODY2) HNF-4a (MODY1) IPF-1 (MODY4) HNF-1a (MODY3) NEURO-D1 (MODY6)

  37. 1 32 88 178 231 315 557 Hepatocyte nuclear factor-1 DNA-Binding domain (88-315) Dimerisation domain (1-32) Transactivation domain (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

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

  39. 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

  40. 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

  41. 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

  42. PH OH D-loop 12S RNA F T V Cyt b 16S RNA P PL E L ND6 I ND5 Q M 16568 bp ND2 L A W N S OL C H Y ND4 S ND4L COX I R D G ND3 COX II K COX III ATPase 8 intermembrane space H+ H+ H+ ATPase 6    +0.82V -0.32V Complex Cyt c Q IV Q I III V inner membrane II e- e- e- matrix NADH+H+ NAD 1/2O2+2H+ H2O ADP + P ATP FADH2 FAD H+ 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

  43. Point mutations in mtDNA manifesting primarily as diabetes • 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 • tRNA Leu (UUR):3243A>G, 3252A>G, 3256C>T, 3271T>C, 3290T>C, 3291T>C Mathews et al.: Proc Soc Exp Biol Med 219: 97-108, 1998

  44. Maternally Inherited Diabetes and Deafness F190 F303 D D N N D D D F254 F551 F66 D N D D D N N D N MUTATION WILD TYPE UNTESTED HYPERGLYCEMIA Velho et al.: Diabetes 45: 478-487, 1996

  45. GLUCOSE ATP-dependent K+ channel diazoxide GLUCOSE SUR1 K+ G-6-P Kir6.2 K+ pyruvate ATP tolbutamide K’ Ca++ insulin Voltage-dependent Ca++ channel mtDNA 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Entrainment by glucose of insulin secretion oscillations in nondiabetic carriers of mtDNA 3243A>G mutation Wild type 200 GIR (ml/h) 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

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

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

  48. 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

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

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