• Aucun résultat trouvé

Beta-cell-specific expression of NOX5 aggravates high fat diet-induced impairment of islet insulin secretion in mice

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Partager "Beta-cell-specific expression of NOX5 aggravates high fat diet-induced impairment of islet insulin secretion in mice"

Copied!
52
0
0

Texte intégral

(1)

Article

Reference

Beta-cell-specific expression of NOX5 aggravates high fat diet-induced impairment of islet insulin secretion in mice

BOUZAKRI, Karim, et al.

Abstract

NADPH oxidases (NOX-es) produce reactive oxygen species and modulate β-cell insulin secretion. Islets of Type2 diabetic subjects present elevated expression of NOX5. Here we sought to characterize regulation of NOX5 expression in human islets in vitro and to uncover the relevance of NOX5 in islet function in vivo using a novel mouse model expressing NOX5 in doxycycline-inducible, β-cell-specific manner (RIP/rtTA/NOX5 mice). In situ hybridization and immunohistochemistry employed on pancreatic sections demonstrated NOX5 mRNA and protein expressions in human islets. In cultures of dispersed islets NOX5 protein was observed in somatostatin-positive (δ) cells in basal (2.8mM glucose) conditions.

siRNA-mediated knock-down of NOX5 in human islets cultured in basal glucose concentrations resulted in diminished glucose-induced insulin secretion in vitro. However, when islets were preincubated in high (16.7mM) glucose media for 12 hours, NOX5 appeared also in insulin-positive (β) cells. In vivo, mice with β-cell NOX5 expression developed aggravated impairment of glucose-induced insulin secretion compared to control mice when [...]

BOUZAKRI, Karim, et al. Beta-cell-specific expression of NOX5 aggravates high fat

diet-induced impairment of islet insulin secretion in mice. Antioxidants & Redox Signaling, 2020

PMID : 31931619

DOI : 10.1089/ars.2018.7579

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:129173

Disclaimer: layout of this document may differ from the published version.

1 / 1

(2)

1

Antioxidants and Redox Signaling  Beta‐cell‐specific expression oNOX5 aggravatehigh fadiet‐induced impairment of islet insulin secretion in mice (DOI: 10.1089/ars.2018.7579 This paper has been peer‐reviewed anaccepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Original Research Communication 

Beta‐cell‐specific expression of NOX5 aggravates high fat diet‐

induced impairment of islet insulin secretion in mice 

Karim Bouzakri1,2, Christelle Veyrat‐Durebex3, Chet Holterman4, Caroline Arous1,3, Charlotte  Barbieux5, Domenico Bosco5, Jordi Altirriba6, Mohamed Alibashe5, Benjamin B. Tournier7,  Jenny E. Gunton8,9, Sarah Mouche3,12, William Bietiger2, Alexis Forterre2, Thierry Berney10

Michel Pinget2, Gerhard Christofori11, Christopher Kennedy4 and Ildiko Szanto12,13,§ 

1Department of Genetic Medicine and Development  

2Centre Européen d’Etude du Diabète, Strasbourg, France 

3Department  of  Cellular  Physiology  and  Metabolism,  University  of  Geneva,  Geneva,  Switzerland  

4Department  of  Medicine,  Division  of  Nephrology,  Kidney  Research  Centre,  Ottawa  Hospital Research Institute, Ottawa, Canada 

5Cell  Isolation  and  Transplantation  Center,  Department  of  Surgery,  Geneva  University  Hospitals and University of Geneva, Geneva, Switzerland 

6Laboratory of Metabolism, Department of Internal Medicine, Geneva University Hospitals,  Geneva, Switzerland  

7Vulnerability  Biomarkers  Unit,  Division  of  General  Psychiatry,  Department  of  Psychiatry,  University Hospitals of Geneva, 

8Centre  for  Diabetes,  Obesity  and  Endocrinology,  Westmead  Millennium  Institute,  The  University of Sydney, Sydney, Australia 

9Diabetes and Transcription Factors group, Garvan Institute of Medical Research, Sydney,  New South Wales, Australia   

10Division  of  Transplantation,  Department  of  Surgery,  University  Hospitals  of  Geneva,  Geneva, Switzerland  

11Department of Biomedicine, University of Basel, Basel, Switzerland 

12Department  of  Internal  Medicine,  University  Hospitals  of  Geneva  and  University  of  Geneva, Geneva, Switzerland  

13Diabetes Center of the Faculty of Medicine at the University of Geneva,  Geneva, Switzerland 

 

Downloaded by Université de Genève from www.liebertpub.com at 01/20/20. For personal use only.

(3)

Antioxidants and Redox Signaling  Beta‐cell‐specific expression of NOX5 aggravates high fat diet‐induced impairment of islet insulin secretion in mice (DOI: 10.1089/ars.2018.7579 This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

§Correspondence: 

Ildiko Szanto, 

Department of Internal Medicine  

Geneva University Hospitals and University of Geneva  1 Rue Michel Servet 

CH‐1211 Geneva4  Switzerland 

Phone: +(41)‐22‐379‐5238  ildiko.szanto@unige.ch 

Running title: NOX5‐induced beta cell dysfunction  Word count:  5351, Number of references: 66  Greyscale illustrations 3; Color illustrations 4 

Keywords: NOX5, NADPH oxidase, Beta cell, Insulin, Islet, Diabetes, Somatostatin 

Downloaded by Université de Genève from www.liebertpub.com at 01/20/20. For personal use only.

(4)

Antioxidants and Redox Signaling  Beta‐cell‐specific expression of NOX5 aggravates high fat diet‐induced impairment of islet insulin secretion in mice (DOI: 10.1089/ars.2018.7579 This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

ABSTRACT 

NADPH  oxidases  (NOX‐es)  produce  reactive  oxygen  species  and  modulate  β‐cell  insulin  secretion. Islets of Type2 diabetic subjects present elevated expression of NOX5. Here we  sought  to  characterize  regulation  of  NOX5  expression  in  human  islets  in  vitro  and  to  uncover  the  relevance  of  NOX5  in  islet  function  in  vivo  using  a  novel  mouse  model  expressing NOX5 in doxycycline‐inducible, β‐cell‐specific manner (RIP/rtTA/NOX5 mice). In  situ  hybridization  and  immunohistochemistry  employed  on  pancreatic  sections  demonstrated    NOX5  mRNA  and  protein  expressions  in  human  islets.  In  cultures  of  dispersed  islets  NOX5  protein  was  observed  in  somatostatin‐positive  (δ)  cells  in  basal  (2.8mM  glucose)  conditions.  siRNA‐mediated  knock‐down  of  NOX5  in  human  islets  cultured  in  basal  glucose  concentrations  resulted  in  diminished  glucose‐induced  insulin  secretion  in  vitro.    However,  when  islets  were  preincubated  in  high  (16.7mM)  glucose  media for 12 hours, NOX5 appeared also in insulin‐positive (β) cells. In vivo, mice with β‐

cell  NOX5  expression  developed  aggravated  impairment  of  glucose‐induced  insulin  secretion  compared  to  control  mice  when  challenged  with  14  weeks  of  high‐fat  diet. 

Similarly,  in  vitro  palmitate  pre‐incubation  resulted  in  more  severe  reduction  of  insulin  release in islets of RIP/rtTA/NOX5 mice compared to their control littermates. Decreased  insulin  secretion  was  most  distinct  in  response  to  theophylline  stimulation  suggesting  impaired  cAMP‐mediated  signaling  due  to  increased  phophodiesterase  activation.  Our  data  provide  the  first  insight  into  the  complex  regulation  and  function  of  NOX5  in  islets  implying an important role for NOX5 in δ‐cell mediated intra‐islet crosstalk in physiological  circumstances  but  also  identifying  it  as  an  aggravating  factor  in  β‐cell  failure  in  diabetic  conditions.   

   

Downloaded by Université de Genève from www.liebertpub.com at 01/20/20. For personal use only.

(5)

Antioxidants and Redox Signaling  Beta‐cell‐specific expression of NOX5 aggravates high fat diet‐induced impairment of islet insulin secretion in mice (DOI: 10.1089/ars.2018.7579 This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Introduction 

Reactive oxygen species (ROS) are key modulators of islet insulin production and release. 

As for the sources of these radicals, the members of the NADPH oxidase family (NOX‐es)  emerged  as  of  particular  interest  due  to  their  strict  intracellular  compartmentalization,  regulated  ROS  production,  and  their  capacity  to  provide  a  link  between  cellular  metabolism/energy state (NADPH) and ROS production (45,59). NOX enzymes are essential  regulators of physiological insulin secretion but may exert harmful effects when chronically  overactivated (2,18,38,42‐45). The NOX family comprises of five isoforms (NOX1‐5) and 2  dual  oxidases  (DUOX1‐2)  (35).  In  rodent  and  human  pancreatic  islets  the  expressions  of  NOX1,  NOX2  and  NOX4,  and  the  accessory  subunits  NOXA1,  p22phox,  p47phox  and  p67phox  have been confirmed (2,23,38,53,64). NOX5 is a particular member of the NOX family as it  is expressed in diverse human tissues and cell lines but lacks a homologue in rats and mice  (4,5,7,11,16,25). The presence of NOX5 mRNA in human islets has been reported by recent  studies using RT‐PCR, real‐time PCR and RNA sequencing, however, these studies did not  conduct  any  follow‐up  investigations  to  establish  the  cell‐type  specific  expression  or  the  pathophysiological  significance  of  NOX5  (2,38).  A  possible  link  between  NOX5  and  islet  function  was  suggested  by  gene  expression  profiling  that  showed  elevated NOX5  mRNA  levels  in  islets  of  Type2  diabetic  patients  compared  to  islets  of  non‐diabetic  subjects  (Geoprofiles GDS3882 / 220641_at). 

The  molecular  structure  and  the  characterictics  of  its  enzymatic  activity  renders  NOX5  a  particularly intriguing molecule in islet function. Indeed, NOX5 contains four Ca2+ binding  elements  and  several  phosphorylation  sites  that  control  NOX5  activity  in  a  concerted  fashion  (20,46).  Calcium‐binding  is  essential  for  NOX5  superoxide  production  while  phosphorylation of specific residues increases the Ca2+ sensitivity of the EF‐hands allowing  NOX5  to  respond  to  regulatory  cues  at  physiological  (10‐100nM)  Ca2+  concentrations  (4,6,20,46,48). Calcium signals, NADPH and ROS form a complex network to modulate islet  glucose  sensing  and  insulin  secretion  (40).  Increase  in  glucose  concentrations  leads  to  cytosolic Ca2+  accumulation that triggers a biphasic wave of ‐cell insulin release. NADPH  acts as one of the “amplifying factor” sustaining the second phase of insulin secretion (51). 

In line with these studies, insulin secretagogues increase the NADPH/NADP ratio in rodent 

Downloaded by Université de Genève from www.liebertpub.com at 01/20/20. For personal use only.

(6)

Antioxidants and Redox Signaling  Beta‐cell‐specific expression of NOX5 aggravates high fat diet‐induced impairment of islet insulin secretion in mice (DOI: 10.1089/ars.2018.7579 This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

islets and inhibition of NADPH formation reduces insulin secretion (3,27,39). Last but not  least, a transient elevation in cellular ROS was identified as an essential second messenger  promoting  insulin  secretion  (45,50).  NOX5  produces  ROS  through  NADPH  oxidation  in  a  Ca2+‐dependent  manner  but  its  potential  physiological  role  or  pathological  effect  in  islet  insulin secretion has not yet been investigated. 

The lack of substantial data concerning NOX5 in islet function  urged us to i) characterize  the expression of NOX5 in situ in human pancreatic sections and in vitro in isolated islets,  ii)  to  assess  its  role  in  insulin  secretion  in  human  islets  by  employing  siRNA‐mediated  knock‐down  of  NOX5  and  iii)  to  assess  the  potential  of  NOX5  role in  vivo  in  diabetes‐

related  impairment  of ‐cell  function  using  a  novel  mouse  model.  To  achieve  this  latter  goal  we  generated  mice  with  doxycycline‐inducible, ‐cell  specific  NOX5  expression  and  evaluated their islet insulin secretory capacity in chow‐diet (CD)‐fed condition and after 14  weeks of a high‐fat diet (HFD) regime.  

Results 

Glucose‐induced upregulation of NOX5 expression in human islet ‐cells 

Conventional RT‐PCR validated the presence of NOX2, NOX4 and NOX5 mRNAs in isolated  whole  human  islets  (Fig.  1A  and  Supplementary  Fig.  S1). NOX5  mRNA  can  undergo  differential  splicing  giving  rise  to  different  NOX5  isoforms.  The  two  major  forms  are  termed NOX5 and ,  and  have  been  cloned  from  the  spleen  and  testis,  respectively  (4,20).  Primers  selectively  recognizing  either  the    or    isoform  demonstrated  the  presence of Nox5 mRNA in islets (Fig. 1B and Supplementary Fig. S1). The functionality of  RT‐PCR reactions for NOX5 was confirmed by the amplicon obtained in the reaction using  human  spleen  cDNA.  The  correct  identity  of  the  band  obtained  in  islets  with  the NOX5  isoform‐specific  primers  was  validated  by  gel  purification  of  the  band  and  subsequential  sequencing. In  situ  hybridization  using  pancreatic  sections  confirmed  the  presence  of  NOX5 mRNA in the majority of islet cells with occasional cells displaying more prominent  signal  intensity.  Exocrine  pancreas  was  devoid  of  NOX5  labeling.  No  signal  was  obtained  when using the negative control NOX5 sense probe (Fig. 1C). NOX5 protein expression was  then evaluated by immunohistochemistry and immunofluorescence using human paraffin‐

embedded pancreatic sections. For immunohistochemistry a previously tested monoclonal  NOX5‐specific  antibody  was  employed  (1,11)  revealing  prominent  immunodetectable 

Downloaded by Université de Genève from www.liebertpub.com at 01/20/20. For personal use only.

(7)

Antioxidants and Redox Signaling  Beta‐cell‐specific expression of NOX5 aggravates high fat diet‐induced impairment of islet insulin secretion in mice (DOI: 10.1089/ars.2018.7579 This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

NOX5 protein in numerous islet cells (Fig. 2A). Identification of islet cells with the highest  NOX5  protein  expression  was  then  achieved  by  immunofluorescence  employing  an  unrelated  NOX5  antibody  (HPA019362;  Atlas  Antibodies).  The  specificity  of  the  antibody  was  established  by  Western  blot  and  immunofluorescence  comparing  WT  and  NOX5‐

overexpressing  HEK293  cells.  This  antibody  detected a  prominent  band  of  approximately  72kDa  in  the  NOX5‐transfected  but  not  in  WT  HEK293  cells.  By  confocal  immunofluorescence  NOX5  transfected  cells  displayed  dispersed  cytoplasmic  labeling  while no signal was observed in WT HEK293 cells (Supplementary Fig. S2A). The specificity  of the NOX5 antibody in immunofluorescence application using paraffin‐embedded tissues  was ascertained on human pancreas serial sections that were incubated either with a non‐

relevant  isospecific  IgG  (Control)  or  with  NOX5  antibody  (NOX5).  Images  taken  in  brightfield  light  were  superposed  to  NOX5‐stained  sections  for  islet  identification  (NOX5+Brightfield).  In  addition,  serial  sections  were  used  for  Hematoxylin‐eosin  staining  (HE)  (Fig.  2B).  Next,  NOX5‐expressing  cells  in  human  islets  were  identified  by  immunofluorescence  co‐staining  with  the  aforementioned  NOX5  antibody  in  conjuction  with antibodies recognizing the three major islet hormones: somatostatin (SST), glucagon  and  insulin.  High  NOX5  expression  was  detected  in  cells  that  were  also  positive  for  SST. 

Glucagon  and  insulin‐positive  cells  did  not  show  NOX5‐positivity  detectable  by  this  antibody  (Fig.  2C).  Next,  we  employed  immunofluorescence  on  dispersed  whole  human  islets  in  order  to  investigate  the  regulation  of  NOX5  expression.  Dispersed  islet  cells  incubated under basal (2.8 mM) glucose concentrations revealed prominent NOX5 labeling  in SST‐positive () cells and in colocalization with somatostatin‐containing vesicles. At this  basal  glucose  concentration  no  NOX5  staining  was  observed  in  insulin‐positive  ()  cells  (Fig.  2D).  Next,  immunofluorescence  was  applied  to  islets  subjected  to  16.7mM  glucose  media for 12 and 24 hours. Upon high‐glucose insults, a lower intensity, punctuated NOX5  labeling  was  visible  in  insulin‐positive  cells,  though  not  in  colocalization  with  insulin‐

containing vesicles (Fig. 2E). Glucagon‐positive () cells were devoid of NOX5 signal in both  basal  (2.8mM)  and  high  glucose  (16.7mM)  conditions  (Supplementary  Fig.  S2B).  NOX5  expression is mainly controlled at the protein level through proteasomal degradation (15). 

In line with a postranscritional regulation we did not observe any changes in NOX5 mRNA  levels assessed by real‐time PCR in whole islets incubated with 16.7mM glucose for 12 and 

Downloaded by Université de Genève from www.liebertpub.com at 01/20/20. For personal use only.

(8)

Antioxidants and Redox Signaling  Beta‐cell‐specific expression of NOX5 aggravates high fat diet‐induced impairment of islet insulin secretion in mice (DOI: 10.1089/ars.2018.7579 This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

24  hours.  However,  glucose‐induced  upregulation  of NOX5  expression  was  observed  in  islets  subjected  to  high‐glucose  media  for  48  hours  (Fig.  2F).  Transcription  of  other  NOX  isoforms detected in islets (Nox2 and Nox4) remained unchanged in the same conditions  while Duox2 mRNA levels showed a tendency towards a non‐significant decrease after 48  hours  of  high‐glucose  media  incubation  (Supplementary  Fig.  S2C).  To  substantiate  the in  vivo relevance of NOX5 upregulation we compared NOX5 expression in samples of islets of  a previously described cohort of control and Type2 diabetic (T2DM) subjects (24). Islets of  T2DM subjects displayed significantly increased NOX5 mRNA expression compared to non‐

diabetic controls (Fig. 2G). Expressions of NOX1, 2, 3, 4 and DUOX2 were statistically not  different between control and T2DM subjects (Table 1). 

siRNA‐mediated  knock‐down  of  NOX5  in  human  islets  abrogates  glucose‐induced  insulin  secretion  

To gain further insight into the relevance of NOX5 in islet insulin secretion we performed  siRNA‐mediated  knock‐down  of  NOX5  in  dispersed  human  islet  cell  cultures  (Fig.  3). 

Efficiency  of  the  NOX5  siRNA  was  verified  in  cultures  of  primary  human  skeletal  muscle  myotubes showing a suppression of NOX5 mRNA levels of approximately 35% of scrambled  RNA  transfected  cells  (Supplementary  Fig.  S3).  For  the  human  islet  transfection  experiments,  islets  were  dispersed  and  cultured  in  5.6  mM  glucose  media  overnight  and  transfected by NOX5‐specific or control (scrambled) siRNAs and further kept in culture for  48  hours  in  low  (5.6  mM,  LG)  or  high  (16.7  mM,  HG)  glucose  media.  At  the  end  of  the  incubation period a GIIS assay was performed using 16.5mM glucose as stimulatory agent. 

Islets  transfected  with  scrambled  siRNA  displayed  an  average  1.8‐fold  increase  in  insulin  secretion in response to glucose stimulation (S) compared to their basal (B) secretion when  cultured in LG media (Fig. 3A, scrambled, LG). 48 hours preincubation in HG media led to  an increase in basal secretory rate with a blunted secretory response to glucose (Fig. 3A,  scrambled, HG). Islets transfected with NOX5‐specific siRNA (siNOX5) displayed a tendency  towards lower basal insulin secretion and an abrogated glucose‐induced insulin secretory  response compared to scrambled siRNA transfected islets (Fig. 3A, siNOX5, LG). Upon HG  preincubation,  siNOX5  transfected  islets  also  responded  by  an  increase  in  basal  insulin  secretion  but  failed  to  reach  the  levels  observed  in  control  transfected  islets.  Similar  to  control islets, glucose stimulation did not further increase their insulin secretion (Fig. 3A, 

Downloaded by Université de Genève from www.liebertpub.com at 01/20/20. For personal use only.

(9)

Antioxidants and Redox Signaling  Beta‐cell‐specific expression of NOX5 aggravates high fat diet‐induced impairment of islet insulin secretion in mice (DOI: 10.1089/ars.2018.7579 This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

siNOX5,  HG).  Insulin  contents  were  similar  between  scrambled  and  siNOX5  transfected  islets (Fig. 3B). 

Creation of mice with inducible ‐cell‐specific expression of NOX5 

The in  vitro  human  islet  experiments  suggested  that  NOX5  is  indeed  involved  in  the  regulation  of  islet  insulin  secretion  and  the  adaptation  to  high  glucose  conditions. 

However, these experiments could not properly distinguish between the effects of the lack  of NOX5 in ‐ or ‐cells and could not provide information concerning the role of NOX5 in  islet function in vivo. The Nox5 gene is present in the human genome, yet rats and mice,  the  most  frequently  employed  species  in  islet  function  research,  are  natural NOX5  gene  knockouts (4). Thus, in order to study NOX5 function in vivo, diverse mouse models with  cell‐specific knock‐in of Nox5  were created. These models have successfully been used to  characterize  the  role  of  NOX5  in  diabetic  kidney  disease,  hypertension  and  in  stroke  (12,28,61).  To  distinguish  the  role  of  NOX5  between  islet ‐  or ‐cells in  vivo,  two  novel  NOX5‐expressing  mouse  models  with  RIP  or  SST‐promoter  driven  knock‐in  of  the Nox5  gene  needed  to  be  generated.  In  our  first  set  of  investigations  that  we  present  in  this  paper,  we  set  out  to  examine  the  direct  role  of  NOX5  in ‐cell  insulin  secretion  by  employing  mice  with  doxycycline‐inducible  ‐cell‐specific  expression  of  NOX5  (RIP/rtTA//NOX5) mice. For this purpose, TetO/NOX5  transgenic FVB mice were crossed  with RIPrtTA C57Bl6/CBA mice that express the tetracycline‐activated transcription factor  rtTA  under  the  direction  of  the  rat  insulin  2  promoter  (RIP)  (41).  In  the  presence  of  doxycyline  (Dox)  the  rtTA  transcriptional  activator  binds  the  TetO  promoter  triggering  NOX5 expression in islet ‐cells. (Fig. 4A). NOX5 and rtTA transgene transmissions were  verified  by  PCR  (Fig.  4B  and  Supplementary  Fig.  S4A).  Then,  5‐week‐old  male  mice  with  similar  transgene  intensity  signals  were  provided  drinking  water  with  (Dox+)  or  without  (Dox‐) 1mg/ml doxycycline for 6 weeks. Induction of NOX5 mRNA expression was verified  by RT‐PCR in isolated islets. Dox+ mice displayed a strong NOX5 amplicon while no signal  was detected in Dox‐ mice (Fig. 4C Supplementary Fig. S4B). Besides islet ‐cells, the RIP  promoter is also known to induce gene expression in selected hypothalamic neurons (32). 

In line with these data, NOX5 mRNA was also detected in the hypothalamus of Dox+ mice  whereas  other  organs  (spleen  and  liver)  remained  devoid  of  NOX5  (Fig.  4D  and  Supplementary  Fig.  S4C).  Immunohistochemistry  confirmed  NOX5  expression  in  the 

Downloaded by Université de Genève from www.liebertpub.com at 01/20/20. For personal use only.

(10)

Antioxidants and Redox Signaling  Beta‐cell‐specific expression of NOX5 aggravates high fat diet‐induced impairment of islet insulin secretion in mice (DOI: 10.1089/ars.2018.7579 This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

majority of islet cells in pancreatic sections of Dox+ mice with no signal observed in Dox‐ 

mice  (Fig.  4E).  Functionality  of  the  NOX5  protein  was  validated  in  isolated  islets  by  measuring  superoxide  production  using  the  nitroblue  tetrazolium  (NBT)  reduction  test. 

Islets derived from Dox+ mice showed approximately 2‐fold higher superoxide production  than Dox‐ mice (Fig. 4F). The ROS‐producing capacity of NOX5 is enhanced by increases in  calcium  concentrations.  Thapsigargine  is  a  non‐competitive  inhibitor  of  the  sarco/endoplasmic reticulum Ca2+ ATPase pump (SERCA) responsible for Ca2+ transport into  the ER. Blocking ER Ca2+ transport leads to ER storage depletion resulting in secondary Ca2+ 

influx through the plasma membrane triggering a raise in cytosolic Ca2+ concentrations. ER  Ca2+ store  depletion  leads  to  ER  stress  and  the  induction  of  Ca2+‐dependent  apoptotic  pathways in islets (29,49). In order to evaluate whether NOX5 is involved in the onset of  Ca2+‐mediated ER stress we compared Thapsigargin‐induced expressions of two ER stress  marker  proteins,  78‐kDa  glucose‐regulated  protein  (GRP78)  and  C/EBP  homologous  protein (CHOP), between islets derived from Dox‐ and Dox+ mice (Fig. 4G). Expressions of  these  two  proteins  were  comparable  between  mice  with  and  without  islet  NOX5  expression.  

Metabolic characterization of RIP/rtTA/NOX5 mice 

To investigate the potential role of NOX5 in relation to hypernutrition‐induced impairment  of  insulin  secretion  we  studied  four  groups  of  male  mice.  Mice  were  first  administered  drinking water for 2 weeks with or without Dox addition, and were subsequently provided  either  a  control  chow  (CD)  or  a  high‐fat  containing  diet  (HFD)  for  14  weeks  while  continuing  with  or  without  Dox  administration.  Two  weeks  of  Dox  application  had  no  effect  on  body  weight  gain  (3.70   0.42  g  and  3.30   0.33  g  in  Dox‐  and  Dox+  mice,  respectively).  14  weeks  of  HFD  feeding  resulted  in  elevated  body  weight  gain  and  fat  deposition compared to the CD‐fed groups but there was no difference between Dox‐ and  Dox+ mice within the same regime group (Fig. 5A‐B). Similarly, no difference was observed  in  fed  or  starved  glucose  levels  between  Dox‐  and  Dox+  mice  regardless  whether  they  were  kept  under  CD  or  HFD  regime  (Table  3).  A  detailed  metabolic  characterization  was  performed  in  calorimetric  cages.  Heat  production  and  locomotor  activity  was  similar  between Dox‐ and Dox+ mice in both diet regime (Fig. 5C). Interestingly, however, CD‐fed  Dox+ mice displayed increased diurnal food (p=0.054) and water intake (p=0.031), and an 

Downloaded by Université de Genève from www.liebertpub.com at 01/20/20. For personal use only.

(11)

10 

Antioxidants and Redox Signaling  Beta‐cell‐specific expression of NOX5 aggravates high fat diet‐induced impairment of islet insulin secretion in mice (DOI: 10.1089/ars.2018.7579 This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

increase  in  the  diurnal  respiratory  exchange  ratio  (RER)  reflecting  more  prominent  carbohydrate utilization (Fig. 5D). 24 hours cumulative food and water intake showed no  differences between CD‐fed Dox‐ and Dox+ mice, pointing towards disturbed daily rhythm  of  feeding  in  NOX5‐expressing  mice  (Fig.  5E).  HFD  feeding  resulted  in  attenuated  differences between light and dark period  food and water  intake, and in diminished  RER  values indicating prominent fat utilization in Dox‐ mice. HFD‐fed Dox+ mice were similar to  Dox‐  mice  in  respect  to  these  parameters  (Fig.  5D‐E).  In  order  to  evaluate  the  effect  of  differences in circadian rhytm on metabolic homeostasis we evaluated random fed glucose  and  insulin  levels  in  CD‐fed  control  and  NOX5  expressing  mice  between  2:30‐3:00  PM  when  their  food  intake  and  energy  utilization  showed  the  most  noticeable  differences. 

Glycemic  values  and  insulin  concentrations  between  control  and  NOX5  expressing  mice  showed  no  differences  (Fig.  5F).  At  the  same  daylight  period  we  also  evaluated  the  expressions  of  hypothalamic  orexigenic  (neuropeptide  Y,  NPY)  and  anorexigenic  (proopiomelanocortin,  POMC)  peptides  that  showed  no  difference  between  control  (C)  and  NOX5‐expressing  (NOX5)  mice  (Fig.  5G).  Similarly,  hypothalamic  mRNA  levels  of  the  circadian  rhythm‐regulating  Bmal  and  Reverba  genes  were  were  undistinguishable  between these two groups of mice (Fig. 5H). 

Beta‐cell‐specific NOX5 expression aggravates diet‐induced impairment of insulin secretion  in vivo and in vitro 

 To  characterize  the  effect  of ‐cell  NOX5‐expression  on  islet  function we  compared  glucose‐induced  insulin  secretion  (GIIS)  between  CD‐  and  HFD‐fed  control  and  NOX5‐

expressing  mice  both in  vivo  and in  vitro.  CD‐fed  Dox‐  and  Dox+  mice  displayed  similar  serum insulin levels both in starved conditions (Basal, B) and  after 5 minutes of 2 mg/kg  intraperitoneal  glucose  injection  (Stimulated,  S)  (Fig.  6A;  left  panel).  Similarly,  islets  isolated from CD‐fed Dox‐ and Dox+ mice displayed comparable insulin secretion in basal  conditions (2.8mM, Basal, B) and in response to 16.7mM glucose challenge (Stimulated, S)  in  vitro.  Maximum  secretion  capacity  assessed  as  theophillyne‐induced  (Theo)  insulin  secretion  was  also  unaltered  between  control  and  NOX5‐expressing  mice  (Fig.  5A;  right  panel).  Islet  insulin  content  was  undistinguishable  between  CD‐fed  Dox‐  and  Dox+  mice  (data  not  shown).  After  nine  weeks  of  HFD  feeding  Dox‐  but  not  Dox+  mice  displayed  elevated  starved  serum  insulin  levels  (0.240.01  and  0.390.06  vs.  0.230.02  and 

Downloaded by Université de Genève from www.liebertpub.com at 01/20/20. For personal use only.

(12)

11 

Antioxidants and Redox Signaling  Beta‐cell‐specific expression of NOX5 aggravates high fat diet‐induced impairment of islet insulin secretion in mice (DOI: 10.1089/ars.2018.7579 This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

0.250.01 ug/L in CD and HFD‐fed Dox‐ vs. CD and HFD‐fed Dox+ mice, respectively) (Fig. 

6B; left panel). Intraperitoneal glucose injection led to a modest increase in insulin levels in  HFD‐fed  control  mice  but  failed  to  induce  any  detectable  increase  in  insulin  secretion  in  NOX5‐expressing mice. Islet number and size quantified on pancreatic sections revealed no  differences between HFD‐fed control and NOX5‐expressing mice (Supplementary Fig. S5). 

Abrogated  glucose‐induced  insulin  secretion  was  also  confirmed in  vitro  using  islets  isolated from Dox‐ and Dox+ mice sacrificed after 14 weeks of HFD (Fig. 6C; right panel). 

Indeed,  islets  of  Dox‐  mice  still  retained  an  approx.  30%  increase  in  insulin  release  upon  exposure to 16.7mM glucose. By contrast, islets of Dox+ mice lacked any glucose‐induced  insulin  secretory  response  and  their  theophylline‐induced  insulin  release  capacity  was  significantly diminished. Islet insulin content was unaltered between Dox‐ and Dox+ mice  (data not shown). Enhanced lipotoxicity‐associated ‐cell secretory defect related to NOX5  expression  was  also  implied  by  additional in  vitro  experiments.  7‐week‐old  male  mice  receving drinking water with or without Dox supplementation for 6 weeks were sacrificed,  the  islets  isolated  and  incubated  in  the  presence  of  0.5mM  palmitate  for  72  hours  and  subsequently  subjected to  GIIS  test.  Palmitate‐exposed  islets  displayed abrogated  insulin  secretory  response  to  16.7mM  glucose  challenge,  with  no  difference  between    islets  of  Dox‐  and  Dox+  mice.  However,  theophylline‐induced  insulin  secretion  was  significantly  lower in NOX5‐expressing compared to control islets (Fig. 6C). Theophylline induces cAMP  levels  through  inhibition  of  phosphodiesterase.  To  investigate  the  effect  of  NOX5  on  cAMP‐mediated insulin secretion from the opposite angle we compared the effect of the  GLP‐1 analogue exendin‐4, an activator of adenylcyclase. Surprisingly, exendin‐4 (Ex) raised  insulin secretion in Dox‐ and Dox+ islets to the same extent. Total islet insulin content was  similar between Dox‐ and Dox+ mice (data not shown). 

Discussion 

Reactive oxygen species are established bidirectional modulators of islet insulin secretion  and  survival  exerting  both  beneficiary  and  detrimental  effects  depending  on  the  amount  and the source of ROS (50). This dual role of ROS in islet function have been highlighted by  several  studies    (reviewed  in  (45)).  Indeed,  a  transient  increase  in ‐cell  ROS  production  after glucose administration has been attributed an essential function in insulin secretion  (38,44).  In  contrast,  sustained  ROS  elevation  has  been  linked  to  impaired  insulin  release 

Downloaded by Université de Genève from www.liebertpub.com at 01/20/20. For personal use only.

(13)

12 

Antioxidants and Redox Signaling  Beta‐cell‐specific expression of NOX5 aggravates high fat diet‐induced impairment of islet insulin secretion in mice (DOI: 10.1089/ars.2018.7579 This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

(19,36). NOX enzymes are major sources of cellular ROS. NOX‐es are expressed in a tissue‐ 

and  cell‐specific  manner,  regulated  by  particular  stimuli  and  act  as  crucial  mediators  of  various physiological cellular processes. On the other hand, chronic overactivation of NOX‐

derived  ROS  production  has  been  linked  to  the  onset  of  diverse  pathologies  (35,45). 

Concerning  islet  function  in  specific,  a  physiological  inhibitory  role  for  NOX2  in  glucose‐

induced insulin secretion was established by investigations conducted in NOX2‐knock‐out  mice employing both in vitro isolated islets and in vivo experiments (18,38,44). By contrast,  deregulated  activation  of  NOX2/NOX1  was  associated  with  hampered  islet  function  in  diabetic  or  inflammatory  conditions  (42,43).  A  similar  dual  modulatory  role  was  also  proposed for NOX4. Employing a chemical inhibitor of NOX4 Anvari et al. found that short‐

term activation of NOX4 was necessary for appropriate glucose‐induced insulin secretion,  however, prolonged overstimulation of NOX4 resulted in damaged ‐cell function (2). The  fact that in physiological conditions NOX enzymes can both exert antagonistic (NOX2) and  agonistic (NOX4) effects on insulin secretion highlights the necessity of further exploration  of their islet cell type (, , ) distribution, subcellular localization, regulation and signaling  mechanisms. Most organs and cell types express several NOXes but the function of each  NOX isoform seems to be unique and not replacable by other isoforms (6,16). In line with a  specific  regulatory  role  for  each  NOX  isoform,  no  report  has  suggested  a  compensatory  upregulation  of  other  NOX‐es  in  mice  rendered  NOX‐deficient  by  classical  gene  recombination, siRNA‐mediated gene silencing or chemical inhibition (2,18,37,38).  

  Our study examined the role of one of the least investigated NOX isoforms, NOX5  in  islet  function.  Expression  of  NOX5  mRNA  in  human  pancreas  and  isolated  islets  was  previously  observed  by  RT‐PCR,  real‐time  PCR  and  RNA  sequencing  (2,21,38).  Employing  pancreatic sections we validated the presence of Nox5 mRNA and protein in human islets  in situ. Of note, that in situ hybridization detected Nox5 mRNA expression in the majority  of  islet  cells  implying  the  presence  of Nox5 mRNA  in ‐cells.  These  data  are  in  line  with  RNA sequencing analysis that reported Nox5 mRNA in human islet sorted islet ‐cells (9). 

Compared  to  the  more  ubiquitous  pattern  of Nox5 mRNA  expression  immunodetectable  NOX5 protein was observed in a more restricted number of cells scattered within the islet,  identified  by  co‐immunoflourescence  staining  as ‐cells.  This  divergence  between  mRNA  and protein detection pattern might either be related to different sensitivity between the 

Downloaded by Université de Genève from www.liebertpub.com at 01/20/20. For personal use only.

(14)

13 

Antioxidants and Redox Signaling  Beta‐cell‐specific expression of NOX5 aggravates high fat diet‐induced impairment of islet insulin secretion in mice (DOI: 10.1089/ars.2018.7579 This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

mRNA and protein detection methods, or alternatively, it might reflect a differential rate  of  hsp70/ubiquitin‐mediated  NOX5  protein  degration  between ‐  and ‐cells.  Expression  of NOX5 is regulated at the protein level through hsp70‐induced proteasomal degradation  allowing  upregulation  of  NOX5  protein  levels  without  concomitant  alterations  in  mRNA  transcription  in  diverse  cell  types  (13‐15).  In  line  with  this  well‐characterized  regulatory  mechanism of NOX5 expression, we showed divergent NOX5 mRNA and protein levels in  human  islet  cell  types.  Indeed,  our  in‐situ  hybridization  experiments  demonstrated  the  presence of NOX5 mRNA in the majority of islet cells implying the presence of NOX5 mRNA  in ‐cells (insulin‐positive cells) that make up more than 80% of islet cells. On the contrary,  NOX5 protein expression was below the detection level of the two antibodies employed on  both human pancreatic sections and on dispersed human islet ‐cells but was raised above  detection  level  once ‐cells  were  induced  by  high  glucose  concentrations. Of  additional  interest,  that  a  low  ability  of  ‐cells  to  increase  HSP70  expression  under  high  glucose/inflammatory challenges together with an increase of NOX activity has previously  been proposed as a key factor in ‐cell failure (34). Diminished proteasomal degradation of  NOX5  could  provide  an  explanation  for  the  detection  of  NOX5  protein  in ‐cells  in  islets  incubated in high‐glucose media and could also account for the  delay in the elevation of  NOX5  mRNA  levels  (48hours)  compared  to  protein  levels  (12  hours)  observed  in  these  islets.  A  similar  delayed  elevation  of Nox5  mRNA  compared  to  the    protein  amount  was  also observed in Angiotensin II‐treated human podocytes (28). NOX enzymes and NOX5 in  specific,  display  cell‐specific  expression  patterns  within  different  organs  with  cell‐specific  functions  and  related  pathologies  (61).  In  this  context  a  cell‐specific  (‐  and ‐cells)  expression and  regulation  for  NOX5  in  different  islet cell identities is in  line  with  current  knowledge  concerning  NOX5.  Our  current  study  established  this  dual  expression  pattern  and then proceeded to evaluate the lack of proper NOX5 function in human islets in vitro  using an siRNA approach. These experiments indicated that in human islets cultured under  low  glucose  conditions  NOX5‐mediated  signals  are  essential  for  proper  glucose‐induced  insulin secretion. Decreased expression of islet NOX5 also attenuated upregulation of basal  insulin  release  in  response  to  chronic  glucose  exposure.  Taken  together,  these  results  suggest dual roles for NOX5: a key mediator of insulin release in response to physiological  cues  and  a  mediator  in  the  islet  secretion  compensatory  mechanism  when  confronting 

Downloaded by Université de Genève from www.liebertpub.com at 01/20/20. For personal use only.

(15)

14 

Antioxidants and Redox Signaling  Beta‐cell‐specific expression of NOX5 aggravates high fat diet‐induced impairment of islet insulin secretion in mice (DOI: 10.1089/ars.2018.7579 This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

pathologically  elevated  glucose  levels.  Unbridled  insulin  release  is  a  hallmark  of  islets  of  Type 2 diabetic patients. Thus, the lack of chronic high glucose‐induced increase of basal  insulin  secretion  together  with  the  previously  observed  appearance  of  NOX5  protein  in  insulin‐positive  cells  might  suggest  a  negative  role  for  NOX5  in ‐cell  insulin  secretion  in  hyperglycemic conditions. The siRNA‐mediated knock‐down approach provides a suitable  mean for understanding the role of NOX5 in whole human islet insulin secretion however,  lacks the capacity to differentiate between the direct contribution of NOX5 in ‐cells and  the  indirect  regulatory  effects  originating  from  ‐cells.  In  addition,  while  these  experiments  highlighted  the  role  of  NOX5  in  islet  function in  vitro, they did  not  provide  proper information about the role of NOX5 in islet function in vivo. Therefore, in our next  set of investigations presented in this paper we focused our attention on the in vivo role of  NOX5 in ‐cells, the islet cell type direcly accountable for insulin secretion.  

  To achieve this goal we generated mice with ‐cell specific expression of NOX5. A  similar transgenic approach was successfully employed to uncover the role of NOX5 in vivo  the  development  of  diverse  pathologies,  notably  diabetic  nephropathy,  high  blood  pressure  and  stroke  (12,28,33).    Using  our  novel  mouse  model  we  demonstrated  a  deteriorating effect for excess NOX5 on insulin release under hyperglycemic/diabetogenic  conditions  and  linked  this  effect  to  enhanced  degradation  of  cAMP,  a  critical  amplifying  component in insulin secretion. A previous study demonstrated NOX2‐immunoreactivity in  association with insulin‐secretory vesicles together with an antagonistic effect for NOX2 on  insulin  release  involving  the  cAMP‐mediated  pathway  (38).  In  our  investigations,  we  observed several critical differences between the islet effects of NOX5 compared to NOX2. 

First,  as  described  before,  NOX5  protein  became  detectable  in ‐cells  only  when  islets  were  cultured  in  high‐glucose  conditions.  Second,  in  line  with  the  appearance  of  immunodetectable  NOX5  in  high  glucose‐incubated ‐cells,  the  deteriorating  effect  of  NOX5  on  insulin  secretion  was  observed  only  when  islets  were  subjected  to  prior  diabetogenic  insults;  e.g.  islets  of  mice  with  diet‐induced  diabetes  were  used  or  when  isolated  islets  were  preincubated  with  palmitate in  vitro.  Third,  NOX5  immunoreactivity  was  not  observed  in  direct  colocalization  with  insulin‐containing  vesicles  suggesting  a  distinctive signaling pathway for NOX5 compared to NOX2. This observation is in line with  the high specificity of cellular localization and action for each NOX isoform (35). And last 

Downloaded by Université de Genève from www.liebertpub.com at 01/20/20. For personal use only.

(16)

15 

Antioxidants and Redox Signaling  Beta‐cell‐specific expression of NOX5 aggravates high fat diet‐induced impairment of islet insulin secretion in mice (DOI: 10.1089/ars.2018.7579 This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

but  not  least,  the  negative  effect  of  NOX5  was  most  prominently  observed  during  theophylline‐induced insulin secretion while no differences were noted upon the addition  of exendine‐4, a GLP‐1 receptor agonist. Both theophylline and exendine‐4 increase cAMP  levels but through different pathways: theophylline is an inhibitor of phosphodiesterases  (the  enzymes  degrading  cAMP),  while  exendine‐4  is  an  activator  of  adenylcyclase  (the  enzyme  generating  cAMP).  cAMP  is  a  critical  amplifying  signal  of ‐cell  insulin  secretion. 

NOX2‐derived  ROS  was  shown  to  act  as  an  inhibitor  of  physiological  glucose‐induced  insulin secretion by inhibiting adenylcyclase activation (38). In contrast, our results suggest  that  the  detrimental  effect  of  NOX5  on  insulin  release  is  relayed  through  activation  of  phosphodiesterases  (PDEs)  (52).  In  islets  different  PDE  isoforms  are  present  and  their  precise  isoform‐specific  implication  in  glucose‐induced  insulin  secretion  is  subject  of  intensive  investigations  (52).  The  identification  of  PDE  isoform  linked  to  NOX5  action  by  PDE  isoform‐specific  inhibitors  was  not  attempted  in  this  study.  Theophyllin  is  also  considered  as  an  agonist  of  adenosine  receptors  that  mediate  their  effects  through  modulation  of  intracellular  cAMP  levels  (58).  Inhibition  of  the  A1  adenosine  receptor  action increases cellular cAMP levels and insulin secretion (66). The potential involvement  of  Gi  coupled  adenosine  receptor  activation  in  the  observed  effect  of  Theophyllin  in  our  experiments  cannot  be  excluded  and  should  be  addressed  in  the  future.  Noteworthy  however, that in our mouse model NOX5‐linked modification of Theophyllin action occurs  only  under  diabetogenic  conditions  that  also  exert  an  enhancing  effect  on ‐cell  NOX5  expression  in  human  islets in  vitro.  The  physiological  relevance  of glucose‐induced  NOX5  expression  in ‐cells in  vitro was  underlined  by  our  data  demonstrating  elevated  NOX5  levels  in  Type2  diabetic  islets. The  latter  results  are  in  line  with  previously  reported  expression  profiling  data  comparing  control  and  Type2  diabetic  islets  (Geoprofiles  GDS3882  /  220641_at).  Islet  insulin  secretion  is  modulated  through  crosstalk  with  hypothalamic neurons (54). The RIP promoter employed in our mouse model is also known  to induce hypothalamic gene expression (32).  The results of in vivo insulin secretion assays  performed in the RIP‐NOX5 mice were in line with the in vitro experiments performed on  isolated islets. These results suggest (but does not completely exclude) that the effects of  hypothalamic  RIP  expression  did  not  directly  affect  islet  function  in  our  mouse  model. 

Hypothalamic  nuclei  are  major  regulators  of  food  intake  and  RIP‐expressing  neurons 

Downloaded by Université de Genève from www.liebertpub.com at 01/20/20. For personal use only.

Références

Documents relatifs

ruminantium proteins encoded by the map1 multigene family, expressed in vitro in 31.. bovine endothelial and tick

In this study, we report that: (1) CUGBP1 is present in both rodent islets and beta cell lines, and is overexpressed in the islets of diabetic mice; (2) CUGBP1 acts as

We investigated the ways in which maternal diet might influence imprinted gene expression and epigenetic DNA methylation at the whole-genome level and in imprinted gene DMRs in male

In Swiss mouse oocytes, HFD significantly increased mitochondrial inner membrane potential (MMP), reactive oxygen species concentrations, mitochondrial ultrastructural

Pour communiquer directement avec un auteur, consultez la première page de la revue dans laquelle son article a été publié afin de trouver ses coordonnées.. Si vous n’arrivez pas

L’accès à ce site Web et l’utilisation de son contenu sont assujettis aux conditions présentées dans le site LISEZ CES CONDITIONS ATTENTIVEMENT AVANT D’UTILISER CE SITE WEB.

19 N–R PUs were prepared with amino alcohol building blocks containing secondary amine functions 20 and the use of four monomers holding R chains of different

To directly test the T cell priming capabilities of DC3s, we per- formed 5-day cocultures of flow cytometry-sorted, activated DC3s, cDC2s, and monocytes (see the cell sorting