Uncovering the role of Tau protein in the regulation of glucose homeostasis
Exploration du rôle de la protéine Tau dans la régulation de l'homéostasie du glucose
Résumé
Tau is a microtubule-associated protein that plays a role in neuronal trafficking. Its dysfunctions (hyperphosphorylation, aggregation) have been involved in Alzheimer's Disease pathophysiology. Indeed, impaired glucose homeostasis was suggested to increase AD risk and a pathological loss of tau function. However, AD lesions were also suggested to favor the emergence of glucose homeostasis alterations. A study from the laboratory showed that constitutive tau knock-out (tau KO) exhibited glucose homeostasis impairments, characterized by hyperinsulinemia and impaired glucose tolerance. Conversely, neuronal overexpression of a human mutated tau protein was associated with improved glucose tolerance. Nonetheless, the links between tau loss of function and glucose homeostasis remain unclear. Tau is largely considered as a neuronal protein but is also expressed by other tissues, particularly pancreatic ß-cells. But again, its peripheral functions have been overlooked.In this context, the first aim of my PhD was to evaluate the metabolic phenotype of an original knock-in (KI) mice model expressing a human tau protein bearing a mutation, under the control of the murine tau promoter. This mouse model allowed us to evaluate the impact of expressing dysfunctional tau proteins at a physiological level, in the same tissues than native tau protein, without any bias of overexpression. Metabolic investigations revealed that, while under chow diet tau KI mice do not exhibit significant metabolic impairments, male but not female tau KI animals under High-Fat Diet (HFD) exhibited higher insulinemia as well as glucose intolerance, increased food intake, and body weight gain as compared to control littermates. Further, isolated islets from tau KI but also KO mice exhibited impaired glucose-stimulated insulin secretion (GSIS), an effect recapitulated by tau knockdown in a β pancreatic cell line using tau siRNA. Based on these data, tau loss of function is associated with impaired glucose homeostasis, which fits with the initial metabolic phenotype observed in tau KO mice. However, two mutually non-exclusive mechanisms could explain the metabolic alterations observed in both tau KO and tau KI mice: tau impacts peripheral glucose homeostasis by a central-based regulation possibly involving the hypothalamus; or, in non-mutually manner, tau regulates ß-cell function in the pancreas.The second main goal of my project was therefore to understand the basis of glucose homeostasis regulation by tau by investigating central (hypothalamus) and peripheral (pancreatic) mechanisms. To achieve this objective, an innovative transgenic tau floxed mice combined with different models/virus expressing CRE recombinase, was characterized and used. Our data revealed a hypomorphic status of homozygous tau flox mice in the absence of CRE. We thus used heterozygous tau flox animals that were combined with CRE approaches to knock-down tau from the mediobasal hypothalamus (cKO-Tauhyp) or pancreatic ß-cells (cKO-Tauβ animals). In these models, complete metabolic phenotyping was carried out under chow diet and HFD. Under both diets, cKO-Tauhyp animals exhibited significant metabolic impairments vs. controls. However, the conditional deletion of tau in cKO-Tauβ animals using tamoxifen was not associated significant metabolic impairments.In summary, despite some limitations of the different approaches used, my project thesis highlights that tau loss of function favors the development of glucose homeostasis impairments and also pancreatic ß-cell dysfunction, supporting not only a role of central tau pathology in the development of metabolic disturbances in AD patients but also providing new insights on the physiological role of tau in the control of peripheral metabolism by acting in pancreatic ß-cell and the hypothalamus.
Tau est une protéine associée au microtubule, bien caractérisée pour son rôle dans le trafic neuronal. Ses modifications (hyperphosphorylation, agrégation) sont impliquées dans la physiopathologie de la Maladie d'Alzheimer (MA). En effet, une altération de l'homéostasie glucidique est connue pour augmenter le risque de MA. Cependant, il a été rapporté que des lésions de MA pourraient favoriser l'émergence de perturbations de l'homéostasie glucidique.Une étude du laboratoire a montré que les souris tau-knock-out (tau KO) présentaient des altérations de l'homéostasie glucidique. Inversement, la surexpression neuronale d'une protéine tau humaine mutée a été associée à une meilleure tolérance au glucose. Néanmoins, les liens entre la perte de fonction de tau et l'homéostasie du glucose restent flous.Dans ce contexte, le premier objectif de ma thèse de science est d'évaluer le phénotype métabolique d'un modèle original de souris tau Knock-in (KI) exprimant, sous le contrôle du promoteur tau murin, une protéine tau humaine mutée. Ce modèle de souris a permis d'évaluer l'impact de l'expression d'une protéine tau dysfonctionnelle à un niveau physiologique, dans les mêmes tissus que la protéine tau native, sans biais de surexpression. Bien que les souris tau KI sous un régime contrôle ne présentent pas de troubles métaboliques significatifs, les évaluations métaboliques ont révélé qu'uniquement les animaux tau KI mâles nourris par un régime riche en graisses (HFD) présentaient une intolérance au glucose, une augmentation de la prise alimentaire, et de la masse pondérale par rapport aux témoins.De plus, des îlots isolés de souris tau KI et tau KO présentaient une altération de la sécrétion d'insuline en réponse à une stimulation par du glucose, un effet reproduit par la réduction de l'expression de tau dans une lignée de cellules β pancréatiques à l'aide d'un tau siRNA. Sur la base de ces données, la perte de fonction de tau est associée à une altération de l'homéostasie du glucose, qui correspond au phénotype métabolique observé chez les souris tau KO. Cependant, deux mécanismes mutuellement non exclusifs pourraient expliquer les altérations métaboliques observées chez les souris tau KO et tau KI : tau pourrait contrôler la régulation périphérique du glucose via une action centrale, en particulier hypothalamique ; ou bien, elle pourrait contrôler directement la fonction de la cellule ß pancréatique.Le deuxième objectif de mon projet thèse est donc de comprendre la base de la régulation de l'homéostasie glucidique par tau en étudiant les mécanismes centraux et périphériques. Pour atteindre cet objectif, une souris transgénique innovante tau floxée combinée avec différents modèles/virus exprimant la CRE recombinase, a été caractérisée et utilisée. La caractérisation initiale a révélé une réduction de l'expression de tau dans les souris tau flox homozygotes en l'absence de CRE. Nous avons donc utilisé des animaux tau flox hétérozygotes qui ont été combinés avec des approches CRE pour réduire l'expression de tau dans l'hypothalamus médiobasal (cKO-Tauhyp) ou les cellules ß pancréatiques (cKO-Tauβ).Dans ces modèles, un phénotypage métabolique complet a été réalisé sous un régime contrôle et un HFD. Sous les deux régimes, les animaux cKO-Tauhyp présentaient des altérations métaboliques importantes en comparaison aux animaux témoins. La délétion conditionnelle de tau chez les cKO-Tauβ n'a toutefois pas été associée à l'apparition d'altérations métaboliques significatives.En résumé, malgré certaines limites, mon projet de thèse souligne que la perte de fonction de tau favorise le développement de perturbations de l'homéostasie glucidique et aussi l'altération du fonctionnement des cellules ß, fournissant ainsi de nouvelles informations sur le rôle physiologique du tau dans le contrôle du métabolisme périphérique en agissant dans les cellules ß pancréatiques et l'hypothalamus.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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