Insuline - Insulin

INS
Insuline struct.png
Structures disponibles
APD Recherche orthologue : PDBe RCSB
Identifiants
Alias INS , IDDM, IDDM1, IDDM2, ILPR, IRDN, MODY10, insuline, PNDM4
Identifiants externes OMIM : 176730 MGI : 96573 HomoloGene : 173 GeneCards : INS
Orthologues
Espèce Humain Souris
Entrez
Ensemble
UniProt
RefSeq (ARNm)

NM_000207
NM_001185097
NM_001185098
NM_001291897

NM_001185083
NM_001185084
NM_008387

RefSeq (protéine)

NP_001172012
NP_001172013
NP_032413

Localisation (UCSC) Chr 11 : 2,16 – 2,16 Mo Chr 7 : 142,68 – 142,74 Mo
Recherche PubMed
Wikidata
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L'insuline est une hormone peptidique contenant deux chaînes réticulées par des ponts disulfure.

L' insuline ( / ɪ n . Sj ʊ . L ɪ n / , du latin insula , 'île') est une hormone peptidique produite par les cellules bêta des îlots pancréatiques ; elle est considérée comme la principale hormone anabolique du corps. Il régule le métabolisme des glucides , des graisses et des protéines en favorisant l'absorption du glucose du sang dans les cellules du foie , des graisses et des muscles squelettiques . Dans ces tissus, le glucose absorbé est converti en glycogène via la glycogénèse ou en graisses ( triglycérides ) via la lipogenèse , ou, dans le cas du foie, en les deux. La production et la sécrétion de glucose par le foie sont fortement inhibées par des concentrations élevées d'insuline dans le sang. L'insuline circulante affecte également la synthèse des protéines dans une grande variété de tissus. C'est donc une hormone anabolique, favorisant la conversion de petites molécules dans le sang en grosses molécules à l'intérieur des cellules. De faibles taux d'insuline dans le sang ont l'effet inverse en favorisant un catabolisme généralisé , notamment de la graisse corporelle de réserve .

Les cellules bêta sont sensibles aux taux de sucre dans le sang, de sorte qu'elles sécrètent de l'insuline dans le sang en réponse à un taux élevé de glucose ; et inhibent la sécrétion d'insuline lorsque les taux de glucose sont bas. L'insuline améliore l'absorption du glucose et le métabolisme dans les cellules, réduisant ainsi le taux de sucre dans le sang. Leurs cellules alpha voisines , en s'inspirant des cellules bêta, sécrètent du glucagon dans le sang de la manière opposée : augmentation de la sécrétion lorsque la glycémie est basse et diminution de la sécrétion lorsque les concentrations de glucose sont élevées. Le glucagon augmente la glycémie en stimulant la glycogénolyse et la néoglucogenèse dans le foie. La sécrétion d'insuline et de glucagon dans le sang en réponse à la concentration de glucose dans le sang est le principal mécanisme de l'homéostasie du glucose .

Une activité insulinique réduite ou absente entraîne un diabète sucré , un état de glycémie élevée (hyperglycémie). Il existe deux types de maladie. Dans le diabète sucré de type 1 , les cellules bêta sont détruites par une réaction auto-immune de sorte que l'insuline ne peut plus être synthétisée ou sécrétée dans le sang. Dans le diabète sucré de type 2 , la destruction des cellules bêta est moins prononcée que dans le type 1, et n'est pas due à un processus auto-immun. Au lieu de cela, il y a une accumulation d' amyloïde dans les îlots pancréatiques, ce qui perturbe probablement leur anatomie et leur physiologie. La pathogenèse du diabète de type 2 n'est pas bien comprise, mais la population réduite de cellules bêta des îlots de Langerhans, la fonction sécrétoire réduite des cellules bêta des îlots de Langerhans qui survivent et la résistance à l'insuline des tissus périphériques sont connues pour être impliquées. Le diabète de type 2 est caractérisé par une sécrétion accrue de glucagon qui n'est pas affectée par la concentration de glucose dans le sang et ne répond pas à celle-ci. Mais l'insuline est toujours sécrétée dans le sang en réponse à la glycémie. En conséquence, le glucose s'accumule dans le sang.

La protéine insulinique humaine est composée de 51 acides aminés et a une masse moléculaire de 5808 Da . C'est un hétéro dimère d'une chaîne A et d'une chaîne B, qui sont liées entre elles par des liaisons disulfure . La structure de l'insuline varie légèrement entre les espèces d'animaux. L'insuline d'origine animale diffère quelque peu en efficacité (en ce qui concerne les effets sur le métabolisme des glucides ) de l'insuline humaine en raison de ces variations. L' insuline porcine est particulièrement proche de la version humaine et a été largement utilisée pour traiter les diabétiques de type 1 avant que l'insuline humaine ne puisse être produite en grande quantité par les technologies de l' ADN recombinant .

L'insuline a été la première hormone peptidique découverte. Frederick Banting et Charles Herbert Best , travaillant dans le laboratoire de JJR Macleod à l' Université de Toronto , ont été les premiers à isoler l'insuline du pancréas de chien en 1921. Frederick Sanger a séquencé la structure des acides aminés en 1951, ce qui a fait de l'insuline la première protéine à être entièrement séquencé. La structure cristalline de l'insuline à l'état solide a été déterminée par Dorothy Hodgkin en 1969. L'insuline est également la première protéine à être synthétisée chimiquement et produite par la technologie de recombinaison de l'ADN . Il figure sur la liste modèle de l' OMS des médicaments essentiels , les médicaments les plus importants nécessaires dans un système de santé de base .

Évolution et distribution des espèces

L'insuline peut être apparue il y a plus d'un milliard d'années. Les origines moléculaires de l'insuline remontent au moins aussi loin que les plus simples eucaryotes unicellulaires . En dehors des animaux, des protéines analogues à l'insuline sont également connues pour exister dans les royaumes des champignons et des protistes.

L'insuline est produite par les cellules bêta des îlots pancréatiques chez la plupart des vertébrés et par le corps de Brockmann chez certains poissons téléostéens . Les escargots Conus geographus et Conus tulipa , des escargots de mer venimeux qui chassent les petits poissons, utilisent des formes modifiées d'insuline dans leurs cocktails de venin. La toxine insulinique, dont la structure est plus proche de celle des poissons que de celle des escargots, ralentit les proies en abaissant leur glycémie.

Gène

Le précurseur de la préproinsuline de l'insuline est codé par le gène INS , qui est situé sur le chromosome 11p15.5. Chez certains mammifères, tels que les rats et les souris, il existe deux gènes d'insuline, dont l'un est l'homologue de la plupart des gènes de mammifères ( Ins2 ), et l'autre est une copie rétroposée qui inclut la séquence du promoteur mais à laquelle il manque un intron ( Ins1 ). Les deux gènes d'insuline de rongeur sont fonctionnels.

Allèles

une variété d' allèles mutants avec des changements dans la région codante ont été identifiés. Un gène de lecture , INS-IGF2, chevauche ce gène dans la région 5' et avec le gène IGF2 dans la région 3'.

Régulation

Diagramme de la régulation de l'insuline en cas d'hyperglycémie

Dans les cellules β pancréatiques , le glucose est le principal stimulus physiologique pour la régulation de la synthèse de l'insuline. L'insuline est principalement régulée par les facteurs de transcription PDX1 , NeuroD1 et MafA .

Au cours d'un état de faible teneur en glucose, PDX1 (protéine homéoboîte pancréatique et duodénale 1) est localisée dans la périphérie nucléaire en raison de l'interaction avec HDAC1 et 2 , ce qui entraîne une régulation négative de la sécrétion d'insuline. Une augmentation des niveaux de glucose dans le sang provoque la phosphorylation de PDX1 , ce qui l'amène à subir une translocation nucléaire et à se lier à l'élément A3 dans le promoteur de l'insuline. Lors de la translocation, il interagit avec les coactivateurs HAT p300 et SETD7 . PDX1 affecte les modifications des histones par acétylation et désacétylation ainsi que par méthylation . On dit également qu'il supprime le glucagon .

NeuroD1 , également connu sous le nom de β2, régule l'exocytose de l'insuline dans les cellules β pancréatiques en induisant directement l'expression de gènes impliqués dans l'exocytose. Il est localisé dans le cytosol , mais en réponse à une glycémie élevée, il devient glycosylé par OGT et/ou phosphorylé par ERK , ce qui provoque une translocation vers le noyau. Dans le noyau β2 s'hétérodimérise avec E47 , se lie à l'élément E1 du promoteur de l'insuline et recrute le co-activateur p300 qui acétyle β2. Il est capable d'interagir avec d'autres facteurs de transcription ainsi que dans l'activation du gène de l'insuline.

La MafA est dégradée par les protéasomes en cas d' hypoglycémie . Des niveaux accrus de glucose rendent une protéine inconnue glycosylée . Cette protéine fonctionne comme un facteur de transcription pour MafA d'une manière inconnue et MafA est transportée hors de la cellule. MafA est ensuite transféré dans le noyau où il se lie à l'élément C1 du promoteur de l'insuline.

Ces facteurs de transcription fonctionnent en synergie et dans un arrangement complexe. L'augmentation de la glycémie peut au bout d'un certain temps détruire les capacités de liaison de ces protéines, et donc réduire la quantité d'insuline sécrétée, provoquant le diabète . La diminution des activités de liaison peut être médiée par le stress oxydatif induit par le glucose et on dit que les antioxydants empêchent la diminution de la sécrétion d'insuline dans les cellules pancréatiques glucotoxiques . Les molécules de signalisation du stress et les espèces réactives de l'oxygène inhibent le gène de l'insuline en interférant avec les cofacteurs liant les facteurs de transcription et les facteurs de transcription eux-mêmes.

Plusieurs séquences régulatrices de la région promotrice du gène de l'insuline humaine se lient aux facteurs de transcription . En général, les boîtes A se lient aux facteurs Pdx1 , les boîtes E se lient à NeuroD , les boîtes C se lient à MafA et les éléments de réponse AMPc à CREB . Il existe également des silencieux qui inhibent la transcription.

Séquences régulatrices et leurs facteurs de transcription pour le gène de l'insuline.
Séquence réglementaire facteurs de transcription de liaison
ILPR Par1
A5 Pdx1
élément régulateur négatif (NRE) récepteur des glucocorticoïdes , Oct1
Z (chevauchement NRE et C2) ISF
C2 Pax4 , MafA (?)
E2 USF1 / USF2
A3 Pdx1
CREB RE CREB , CREM
A2
Liaison de l'amplificateur CAAT (CEB) (chevauchant en partie A2 et C1)
C1
E1 E2A , NeuroD1 , HEB
A1 Pdx1
G1

Structure

La structure de l'insuline. Le côté gauche est un modèle remplissant l'espace du monomère d'insuline, censé être biologiquement actif. Le carbone est vert, le blanc hydrogène , le rouge oxygène et le bleu azote . Sur le côté droit se trouve un diagramme en ruban de l'hexamère d'insuline, que l'on croit être la forme stockée. Une unité monomère est mise en évidence avec la chaîne A en bleu et la chaîne B en cyan. Le jaune désigne les liaisons disulfure et les sphères magenta sont des ions zinc.

Contrairement à la croyance initiale selon laquelle les hormones seraient généralement de petites molécules chimiques, en tant que première hormone peptidique connue de sa structure, l'insuline s'est avérée être assez grande. Une seule protéine (monomère) de l'insuline humaine est composée de 51 acides aminés et a une masse moléculaire de 5808 Da . La formule moléculaire de l'insuline humaine est C 257 H 383 N 65 O 77 S 6 . Il s'agit d'une combinaison de deux chaînes peptidiques ( dimères ) appelées chaîne A et chaîne B, qui sont liées entre elles par deux liaisons disulfure . La chaîne A est composée de 21 acides aminés, tandis que la chaîne B est constituée de 30 résidus. Les liaisons disulfure de liaison (interchaînes) sont formées au niveau des résidus cystéine entre les positions A7-B7 et A20-B19. Il existe une liaison disulfure (intrachaîne) supplémentaire dans la chaîne A entre les résidus cystéine aux positions A6 et A11. La chaîne A présente deux régions -hélicoïdales à A1-A8 et A12-A19 qui sont antiparallèles ; tandis que la chaîne B a une hélice centrale (couvrant les résidus B9-B19) flanquée par la liaison disulfure de chaque côté et deux feuillets (couvrant B7-B10 et B20-B23).

La séquence d'acides aminés de l'insuline est fortement conservée et ne varie que légèrement entre les espèces. L' insuline bovine ne diffère de l'insuline humaine que par trois résidus d' acides aminés et l' insuline porcine par un seul. Même l'insuline de certaines espèces de poissons est suffisamment similaire à celle de l'homme pour être cliniquement efficace chez l'homme. L'insuline chez certains invertébrés est assez similaire en séquence à l'insuline humaine et a des effets physiologiques similaires. La forte homologie observée dans la séquence de l'insuline de diverses espèces suggère qu'elle a été conservée à travers une grande partie de l'histoire de l'évolution animale. Cependant, le peptide C de la proinsuline diffère beaucoup plus d'une espèce à l'autre ; c'est aussi une hormone, mais secondaire.

L'insuline est produite et stockée dans le corps sous forme d'hexamère (une unité de six molécules d'insuline), tandis que la forme active est le monomère. L'hexamère a une taille d'environ 36 000 Da. Les six molécules sont liées entre elles sous forme de trois unités dimères pour former une molécule symétrique. Une caractéristique importante est la présence d'atomes de zinc (Zn 2+ ) sur l'axe de symétrie, qui sont entourés de trois molécules d'eau et de trois résidus d'histamine en position B10.

L'hexamère est une forme inactive avec une stabilité à long terme, qui sert à protéger l'insuline hautement réactive, tout en étant facilement disponible. La conversion hexamère-monomère est l'un des aspects centraux des formulations d'insuline pour injection. L'hexamère est bien plus stable que le monomère, ce qui est souhaitable pour des raisons pratiques ; cependant, le monomère est un médicament à réaction beaucoup plus rapide car la vitesse de diffusion est inversement proportionnelle à la taille des particules. Un médicament à réaction rapide signifie que les injections d'insuline n'ont pas à précéder les repas de plusieurs heures, ce qui donne aux personnes atteintes de diabète plus de flexibilité dans leurs horaires quotidiens. L'insuline peut s'agréger et former des feuillets bêta interdigités fibrillaires . Cela peut provoquer une amylose par injection et empêche le stockage de l'insuline pendant de longues périodes.

Synthèse, effets physiologiques et dégradation

Synthèse

L'insuline est produite dans le pancréas et le corps de Brockmann (chez certains poissons) et libérée lorsque l'un des nombreux stimuli est détecté. Ces stimuli comprennent l'augmentation des concentrations plasmatiques d'acides aminés et de glucose résultant de la digestion des aliments. Les glucides peuvent être des polymères de sucres simples ou les sucres simples eux-mêmes. Si les glucides contiennent du glucose, alors ce glucose sera absorbé dans la circulation sanguine et la glycémie commencera à augmenter. Dans les cellules cibles, l'insuline initie une transduction du signal , qui a pour effet d'augmenter l' absorption et le stockage du glucose . Enfin, l'insuline est dégradée, mettant fin à la réponse.

L'insuline subit une importante modification post-traductionnelle le long de la voie de production. La production et la sécrétion sont largement indépendantes ; l'insuline préparée est stockée en attente de sécrétion. Le peptide C et l'insuline mature sont tous deux biologiquement actifs. Les composants cellulaires et les protéines de cette image ne sont pas à l'échelle.

Chez les mammifères, l'insuline est synthétisée dans le pancréas au sein des cellules bêta. Un million à trois millions d'îlots pancréatiques forment la partie endocrine du pancréas, qui est principalement une glande exocrine . La partie endocrinienne ne représente que 2 % ou moins de la masse totale du pancréas. Dans les îlots pancréatiques, les cellules bêta constituent 70 à 90 % de toutes les cellules.

L'insuline se compose de deux chaînes polypeptidiques, les chaînes A et B, liées entre elles par des ponts disulfure. Il est cependant d'abord synthétisé sous la forme d'un seul polypeptide appelé préproinsuline dans les cellules bêta. La préproinsuline contient un peptide signal de 24 résidus qui dirige la chaîne polypeptidique naissante vers le réticulum endoplasmique rugueux (RER). Le peptide signal est clivé lorsque le polypeptide est transloqué dans la lumière du RER, formant la proinsuline . Dans le RER, la proinsuline se replie dans la bonne conformation et 3 liaisons disulfure sont formées. Environ 5 à 10 minutes après son assemblage dans le réticulum endoplasmique, la proinsuline est transportée vers le réseau trans-Golgi (TGN) où se forment des granules immatures. Le transport jusqu'au TGN peut prendre environ 30 minutes.

La proinsuline subit une maturation en insuline active par l'action d'endopeptidases cellulaires appelées prohormone convertases ( PC1 et PC2 ), ainsi que de l'exoprotéase carboxypeptidase E . Les endopeptidases se clivent en 2 positions, libérant un fragment appelé peptide C et laissant 2 chaînes peptidiques, les chaînes B et A, liées par 2 liaisons disulfure. Les sites de clivage sont chacun situés après une paire de résidus basiques (lysine-64 et arginine-65, et arginine-31 et -32). Après clivage du C-peptide, ces 2 paires de résidus basiques sont éliminées par la carboxypeptidase. Le peptide C est la partie centrale de la proinsuline, et la séquence primaire de la proinsuline va dans l'ordre "BCA" (les chaînes B et A ont été identifiées sur la base de la masse et le peptide C a été découvert plus tard).

L'insuline mature résultante est conditionnée à l'intérieur de granules matures en attente de signaux métaboliques (tels que la leucine, l'arginine, le glucose et le mannose) et la stimulation du nerf vagal pour être exocytosées de la cellule dans la circulation.

La production endogène d'insuline est régulée en plusieurs étapes le long de la voie de synthèse :

Il a été démontré que l'insuline et ses protéines apparentées sont produites à l'intérieur du cerveau, et des niveaux réduits de ces protéines sont liés à la maladie d'Alzheimer.

La libération d'insuline est également stimulée par la stimulation des récepteurs bêta-2 et inhibée par la stimulation des récepteurs alpha-1. De plus, le cortisol, le glucagon et l'hormone de croissance antagonisent les actions de l'insuline en période de stress. L'insuline inhibe également la libération d'acides gras par la lipase hormono-sensible dans le tissu adipeux.

Sortie

Les cellules bêta des îlots de Langerhans libèrent de l'insuline en deux phases. La libération de la première phase est rapidement déclenchée en réponse à l'augmentation de la glycémie et dure environ 10 minutes. La deuxième phase est une libération prolongée et lente de vésicules nouvellement formées déclenchée indépendamment du sucre, culminant en 2 à 3 heures. Les deux phases de la libération d'insuline suggèrent que les granules d'insuline sont présents dans diverses populations déclarées ou « pools ». Au cours de la première phase de l'exocytose de l'insuline, la plupart des granules prédisposant à l'exocytose sont libérés après l'internalisation du calcium. Ce pool est connu sous le nom de pool facilement libérable (RRP). Les granules RRP représentent 0,3 à 0,7 % de la population totale de granules contenant de l'insuline, et ils se trouvent immédiatement à côté de la membrane plasmique. Au cours de la deuxième phase de l'exocytose, les granules d'insuline nécessitent une mobilisation des granules vers la membrane plasmique et une préparation préalable pour subir leur libération. Ainsi, la deuxième phase de libération d'insuline est régie par la vitesse à laquelle les granules se préparent à être libérés. Cette réserve est connue sous le nom de réserve de réserve (RP). Le RP est libéré plus lentement que le RRP (RRP : 18 granules/min ; RP : 6 granules/min). La libération réduite d'insuline de première phase peut être le défaut détectable le plus tôt des cellules bêta prédisant l'apparition du diabète de type 2 . La libération de la première phase et la sensibilité à l'insuline sont des prédicteurs indépendants du diabète.

La description de la première phase de libération est la suivante :

  • Le glucose pénètre dans les cellules via les transporteurs de glucose , GLUT2 . Ces transporteurs de glucose ont une affinité relativement faible pour le glucose, garantissant que le taux d'entrée du glucose dans les cellules est proportionnel à la concentration de glucose extracellulaire (dans la plage physiologique). En cas d'hypoglycémie, très peu de glucose pénètre dans les cellules  ; à des concentrations élevées de glucose dans le sang, de grandes quantités de glucose pénètrent dans ces cellules.
  • Le glucose qui pénètre dans la cellule est phosphorylé en glucose-6-phosphate (G-6-P) par la glucokinase ( hexokinase IV ) qui n'est pas inhibée par le G-6-P comme les hexokinases dans d'autres tissus (hexokinase I – III) sont affectés par ce produit. Cela signifie que la concentration intracellulaire de G-6-P reste proportionnelle à la concentration de sucre dans le sang.
  • Le glucose-6-phosphate entre dans la voie glycolytique puis, via la réaction de la pyruvate déshydrogénase , dans le cycle de Krebs , où de multiples molécules d' ATP à haute énergie sont produites par l'oxydation de l' acétyl CoA (le substrat du cycle de Krebs), entraînant une augmentation de le rapport ATP:ADP dans la cellule.
  • Une augmentation de l' ATP intracellulaire: rapport d'ADP ferme le SUR1 ATP-sensible / Kir6.2 canal de potassium (voir récepteur de sulfonylurée ). Cela empêche les ions potassium (K + ) de quitter la cellule par diffusion facilitée, conduisant à une accumulation d'ions potassium intracellulaires. En conséquence, l'intérieur de la cellule devient moins négatif par rapport à l'extérieur, conduisant à la dépolarisation de la membrane de surface cellulaire.
  • Lors de la dépolarisation , les canaux des ions calcium voltage-dépendants (Ca 2+ ) s'ouvrent, permettant aux ions calcium de se déplacer dans la cellule par diffusion facilitée.
  • La concentration en ions calcium cytosolique peut également être augmentée par la libération de calcium des réserves intracellulaires via l'activation des récepteurs de la ryanodine.
  • La concentration en ions calcium dans le cytosol des cellules bêta peut également, ou en plus, être augmentée par l'activation de la phospholipase C résultant de la liaison d'un ligand extracellulaire (hormone ou neurotransmetteur) à un récepteur membranaire couplé à la protéine G. La phospholipase C clive le phospholipide membranaire, le phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate , en inositol 1,4,5-triphosphate et diacylglycérol . L'inositol 1,4,5-triphosphate (IP3) se lie ensuite aux protéines réceptrices de la membrane plasmique du réticulum endoplasmique (RE). Cela permet la libération d' ions Ca 2+ du RE via des canaux contrôlés par IP3, ce qui augmente la concentration cytosolique d'ions calcium indépendamment des effets d'une concentration élevée de glucose dans le sang. La stimulation parasympathique des îlots pancréatiques opère via cette voie pour augmenter la sécrétion d'insuline dans le sang.
  • La quantité significativement accrue d'ions calcium dans le cytoplasme des cellules provoque la libération dans le sang d'insuline préalablement synthétisée, qui a été stockée dans des vésicules sécrétoires intracellulaires .

C'est le principal mécanisme de libération de l'insuline. D'autres substances connues pour stimuler la libération d'insuline comprennent les acides aminés arginine et leucine, la libération parasympathique d' acétylcholine (agissant via la voie de la phospholipase C), la sulfonylurée , la cholécystokinine (CCK, également via la phospholipase C) et les incrétines d' origine gastro-intestinale , telles que le glucagon- comme le peptide-1 (GLP-1) et le peptide insulinotrope glucose-dépendant (GIP).

La libération d'insuline est fortement inhibée par la noradrénaline (noradrénaline), ce qui entraîne une augmentation de la glycémie pendant le stress. Il semble que la libération de catécholamines par le système nerveux sympathique ait des influences contradictoires sur la libération d'insuline par les cellules bêta, car la libération d'insuline est inhibée par les récepteurs α 2 -adrénergiques et stimulée par les récepteurs β 2 -adrénergiques. L'effet net de la noradrénaline des nerfs sympathiques et de l' épinéphrine des glandes surrénales sur la libération d'insuline est une inhibition due à la dominance des récepteurs α-adrénergiques.

Lorsque le niveau de glucose descend à la valeur physiologique habituelle, la libération d'insuline par les cellules β ralentit ou s'arrête. Si le taux de glucose dans le sang chute plus bas, en particulier à des niveaux dangereusement bas, la libération d'hormones hyperglycémiques (principalement le glucagon des îlots de Langerhans alpha) force la libération de glucose dans le sang à partir des réserves de glycogène du foie, complétée par la gluconéogenèse si le glycogène les magasins s'épuisent. En augmentant la glycémie, les hormones hyperglycémiques préviennent ou corrigent l'hypoglycémie potentiellement mortelle.

Des preuves d'une diminution de la libération d'insuline de première phase peuvent être observées dans le test de tolérance au glucose , démontrée par une glycémie sensiblement élevée 30 minutes après l'ingestion d'une charge de glucose (75 ou 100 g de glucose), suivie d'une baisse lente les 100 minutes suivantes, pour rester au-dessus de 120 mg/100 ml deux heures après le début du test. Chez une personne normale, la glycémie est corrigée (et peut même être légèrement surcorrigée) à la fin du test. Un pic d'insuline est une «première réponse» à l'augmentation de la glycémie, cette réponse est individuelle et spécifique à la dose bien qu'elle ait toujours été précédemment supposée être spécifique au type d'aliment uniquement.

Oscillations

La libération d'insuline par le pancréas oscille avec une période de 3 à 6 minutes.

Même pendant la digestion, en général, une ou deux heures après un repas, la libération d'insuline par le pancréas n'est pas continue, mais oscille avec une période de 3 à 6 minutes, passant de la génération d'une concentration d'insuline dans le sang supérieure à environ 800 p mol / l à moins de 100 pmol/l (chez le rat). On pense que cela évite la régulation négative des récepteurs de l' insuline dans les cellules cibles et aide le foie à extraire l'insuline du sang. Cette oscillation est importante à prendre en compte lors de l'administration d'un médicament stimulant l'insuline, car c'est la concentration sanguine oscillante de la libération d'insuline qui devrait, idéalement, être atteinte, et non une concentration élevée constante. Ceci peut être réalisé en administrant de l'insuline de manière rythmique dans la veine porte , par une délivrance activée par la lumière ou par une transplantation de cellules d'îlots de Langerhans dans le foie.

Niveau d'insuline dans le sang

Le diagramme idéalisé montre la fluctuation de la glycémie (rouge) et de l' insuline, une hormone hypoglycémiante (bleue) chez l'homme au cours d'une journée contenant trois repas. De plus, l'effet d'un repas riche en sucre par rapport à un repas riche en amidon est mis en évidence.

Le taux d'insuline dans le sang peut être mesuré en unités internationales , telles que µUI/mL ou en concentration molaire , telle que pmol/L, où 1 µUI/mL équivaut à 6,945 pmol/L. Un taux sanguin typique entre les repas est de 8 à 11 μUI/mL (57 à 79 pmol/L).

Transduction du signal

Les effets de l'insuline sont initiés par sa liaison à un récepteur, le récepteur de l'insuline (IR) , présent dans la membrane cellulaire. La molécule réceptrice contient des sous-unités α et . Deux molécules sont jointes pour former ce qu'on appelle un homodimère. L'insuline se lie aux sous-unités de l'homodimère, qui fait face au côté extracellulaire des cellules. Les sous-unités ont une activité enzymatique tyrosine kinase qui est déclenchée par la liaison à l'insuline. Cette activité provoque l'autophosphorylation des sous-unités et par la suite la phosphorylation des protéines à l'intérieur de la cellule appelées substrats des récepteurs de l'insuline (IRS). La phosphorylation de l'IRS active une cascade de transduction de signal qui conduit à l'activation d'autres kinases ainsi que de facteurs de transcription qui interviennent dans les effets intracellulaires de l'insuline.

La cascade qui conduit à l'insertion de transporteurs de glucose GLUT4 dans les membranes cellulaires des cellules musculaires et adipeuses, et à la synthèse de glycogène dans le foie et les tissus musculaires, ainsi que la conversion du glucose en triglycérides dans le foie, les tissus adipeux et les seins en lactation. tissu glandulaire, fonctionne via l'activation, par IRS-1, de la phosphoinositol 3 kinase ( PI3K ). Cette enzyme convertit un phospholipide dans la membrane cellulaire sous le nom de phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2), en phosphatidylinositol 3,4,5-triphosphate (PIP3), qui, à son tour, active la protéine kinase B (PKB). La PKB activée facilite la fusion des endosomes contenant GLUT4 avec la membrane cellulaire, entraînant une augmentation des transporteurs de GLUT4 dans la membrane plasmique. La PKB phosphoryle également la glycogène synthase kinase (GSK), inactivant ainsi cette enzyme. Cela signifie que son substrat, la glycogène synthase (GS), ne peut pas être phosphorylé, et reste déphosphorylé, et donc actif. L'enzyme active, la glycogène synthase (GS), catalyse l'étape limitant la vitesse de la synthèse du glycogène à partir du glucose. Des déphosphorylations similaires affectent les enzymes contrôlant le taux de glycolyse conduisant à la synthèse de graisses via le malonyl-CoA dans les tissus pouvant générer des triglycérides , ainsi que les enzymes contrôlant le taux de néoglucogenèse dans le foie. L'effet global de ces déphosphorylations enzymatiques finales est que, dans les tissus qui peuvent effectuer ces réactions, la synthèse du glycogène et des graisses à partir du glucose est stimulée et la production de glucose par le foie par glycogénolyse et gluconéogenèse est inhibée. La décomposition des triglycérides par le tissu adipeux en acides gras libres et en glycérol est également inhibée.

Une fois que le signal intracellulaire résultant de la liaison de l'insuline à son récepteur a été produit, l'arrêt de la signalisation est alors nécessaire. Comme mentionné ci-dessous dans la section sur la dégradation, l'endocytose et la dégradation du récepteur lié à l'insuline est un mécanisme principal pour mettre fin à la signalisation. De plus, la voie de signalisation est également terminée par la déphosphorylation des résidus tyrosine dans les différentes voies de signalisation par les tyrosine phosphatases. Les sérine/thréonine kinases sont également connues pour réduire l'activité de l'insuline.

La structure de l'insuline du récepteur d'insuline complexe a été déterminée en utilisant des techniques de cristallographie aux rayons X .

Effets physiologiques

Effet de l'insuline sur l'absorption et le métabolisme du glucose. L'insuline se lie à son récepteur (1), ce qui déclenche de nombreuses cascades d'activation des protéines (2). Ceux-ci comprennent la translocation du transporteur Glut-4 vers la membrane plasmique et l'afflux de glucose (3), la synthèse du glycogène (4), la glycolyse (5) et la synthèse des triglycérides (6).
La voie de transduction du signal de l'insuline commence lorsque l'insuline se lie aux protéines réceptrices de l'insuline. Une fois la voie de transduction terminée, les vésicules de stockage GLUT-4 ne font plus qu'un avec la membrane cellulaire. En conséquence, les canaux protéiques GLUT-4 s'incrustent dans la membrane, permettant au glucose d'être transporté dans la cellule.

Les actions de l'insuline sur le métabolisme humain global comprennent :

  • Augmentation de l'apport cellulaire de certaines substances, principalement le glucose dans les muscles et le tissu adipeux (environ les deux tiers des cellules du corps)
  • Augmentation de la réplication de l' ADN et de la synthèse des protéines via le contrôle de l'absorption des acides aminés
  • Modification de l'activité de nombreuses enzymes .

Les actions de l'insuline (indirecte et directe) sur les cellules comprennent :

  • Stimule l'absorption de glucose – L'insuline diminue la concentration de glucose dans le sang en induisant l' absorption de glucose par les cellules. Ceci est possible car l'insuline provoque l'insertion du transporteur GLUT4 dans les membranes cellulaires des tissus musculaires et adipeux, ce qui permet au glucose d'entrer dans la cellule.
  • Augmentation de la synthèse des graisses – l'insuline force les cellules graisseuses à absorber le glucose sanguin, qui est converti en triglycérides ; diminution de l'insuline provoque l'inverse.
  • Estérification accrue des acides gras – force le tissu adipeux à fabriquer des graisses neutres (c'est-à-dire des triglycérides ) à partir d'acides gras ; diminution de l'insuline provoque l'inverse.
  • Diminution de la lipolyse – force la réduction de la conversion des réserves lipidiques des cellules adipeuses en acides gras sanguins et en glycérol ; diminution de l'insuline provoque l'inverse.
  • Induire la synthèse du glycogène - Lorsque les niveaux de glucose sont élevés, l'insuline induit la formation de glycogène par l'activation de l'enzyme hexokinase, qui ajoute un groupe phosphate dans le glucose, entraînant ainsi une molécule qui ne peut pas sortir de la cellule. Dans le même temps, l'insuline inhibe l'enzyme glucose-6-phosphatase, qui élimine le groupe phosphate. Ces deux enzymes sont essentielles à la formation du glycogène. De plus, l'insuline active les enzymes phosphofructokinase et glycogène synthase qui sont responsables de la synthèse du glycogène.
  • Diminution de la gluconéogenèse et de la glycogénolyse - diminue la production de glucose à partir de substrats non glucidiques, principalement dans le foie (la grande majorité de l'insuline endogène arrivant au foie ne quitte jamais le foie); diminution de l'insuline provoque la production de glucose par le foie à partir de substrats variés.
  • Diminution de la protéolyse – diminution de la dégradation des protéines
  • Diminution de l' autophagie - diminution du niveau de dégradation des organites endommagés. Les niveaux postprandiaux inhibent complètement l'autophagie.
  • Augmentation de l'absorption des acides aminés - force les cellules à absorber les acides aminés circulants ; la diminution de l'insuline inhibe l'absorption.
  • Tonus musculaire artériel – force le muscle de la paroi artérielle à se détendre, augmentant le flux sanguin, en particulier dans les micro-artères ; diminution de l'insuline réduit le débit en permettant à ces muscles de se contracter.
  • Augmentation de la sécrétion d'acide chlorhydrique par les cellules pariétales de l'estomac.
  • Augmentation de l'absorption du potassium - force les cellules synthétisant le glycogène (une substance très spongieuse et "humide", qui augmente la teneur en eau intracellulaire et les ions K + qui l' accompagnent ) à absorber le potassium des fluides extracellulaires ; le manque d'insuline inhibe l'absorption. L'augmentation de l'absorption cellulaire de potassium par l'insuline abaisse les niveaux de potassium dans le plasma sanguin. Cela se produit probablement via la translocation induite par l'insuline de la Na + /K + -ATPase à la surface des cellules musculaires squelettiques.
  • Diminution de l'excrétion rénale de sodium.

L'insuline influence également d'autres fonctions corporelles, telles que la compliance vasculaire et la cognition . Une fois que l'insuline pénètre dans le cerveau humain, elle améliore l'apprentissage et la mémoire et profite en particulier à la mémoire verbale. L'amélioration de la signalisation cérébrale de l'insuline au moyen de l'administration intranasale d'insuline améliore également la réponse thermorégulatrice et glucorégulatrice aiguë à la prise alimentaire, suggérant que l'insuline du système nerveux central contribue à la coordination d'une grande variété de processus homéostatiques ou régulateurs dans le corps humain. L' insuline a également des effets stimulants sur l' hormone de libération des gonadotrophines de l' hypothalamus , favorisant ainsi la fertilité .

Dégradation

Une fois qu'une molécule d'insuline s'est amarrée au récepteur et a effectué son action, elle peut être libérée dans l'environnement extracellulaire, ou elle peut être dégradée par la cellule. Les deux principaux sites de clairance de l'insuline sont le foie et les reins. Le foie évacue la majeure partie de l'insuline pendant le transit de premier passage, tandis que le rein évacue la majeure partie de l'insuline dans la circulation systémique. La dégradation implique normalement l' endocytose du complexe insuline-récepteur, suivie de l'action d' une enzyme dégradant l'insuline . On estime qu'une molécule d'insuline produite de manière endogène par les cellules bêta est dégradée dans l'heure qui suit sa libération initiale dans la circulation ( demi-vie de l' insuline ~ 4 à 6 minutes).

Régulateur du métabolisme des endocannabinoïdes

L'insuline est un régulateur majeur du métabolisme des endocannabinoïdes (EC) et il a été démontré que le traitement à l'insuline réduit les EC intracellulaires , le 2-arachidonoylglycérol (2-AG) et l' anandamide (AEA), qui correspondent aux changements d'expression sensibles à l'insuline dans les enzymes du métabolisme EC. . Dans les adipocytes résistants à l'insuline , les schémas d'expression enzymatique induite par l'insuline sont perturbés d'une manière compatible avec une synthèse élevée des CE et une dégradation réduite des CE. Les résultats suggèrent que les adipocytes résistants à l'insuline ne parviennent pas à réguler le métabolisme des CE et diminuent les niveaux de CE intracellulaires en réponse à la stimulation par l' insuline, les individus obèses résistants à l'insuline présentant des concentrations accrues de CE. Ce dérèglement contribue à une accumulation excessive de graisse viscérale et à une libération réduite d' adiponectine du tissu adipeux abdominal, ainsi qu'à l'apparition de plusieurs facteurs de risque cardiométaboliques associés à l'obésité et au diabète de type 2 .

Hypoglycémie

L'hypoglycémie , également connue sous le nom d'« hypoglycémie », se produit lorsque la glycémie diminue en dessous des niveaux normaux. Cela peut entraîner une variété de symptômes, notamment une maladresse, des troubles de la parole, de la confusion, une perte de conscience , des convulsions ou la mort. Une sensation de faim, de transpiration, de tremblements et de faiblesse peut également être présente. Les symptômes apparaissent généralement rapidement.

Les médicaments utilisés pour traiter le diabète sucré, tels que l'insuline et les sulfonylurées, sont la cause la plus fréquente d'hypoglycémie . Le risque est plus grand chez les diabétiques qui ont mangé moins que d'habitude, fait plus d'exercice que d'habitude ou ont bu de l' alcool . D'autres causes d'hypoglycémie comprennent l' insuffisance rénale , certaines tumeurs , telles que l' insulinome , une maladie du foie , l' hypothyroïdie , la famine , une erreur innée du métabolisme , des infections graves , une hypoglycémie réactive et un certain nombre de médicaments dont l'alcool. L'hypoglycémie peut survenir chez des bébés par ailleurs en bonne santé qui n'ont pas mangé depuis quelques heures.

Maladies et syndromes

Il existe plusieurs conditions dans lesquelles la perturbation de l'insuline est pathologique :

  • Diabète sucré – terme général désignant tous les états caractérisés par l'hyperglycémie. Il peut être des types suivants :
    • Type 1 - destruction à médiation auto-immune des cellules β productrices d'insuline dans le pancréas, entraînant une carence absolue en insuline
    • Type 2 - soit une production d'insuline inadéquate par les cellules , soit une résistance à l'insuline ou les deux pour des raisons pas complètement comprises.
      • il existe une corrélation avec l' alimentation , la sédentarité, l' obésité , l'âge et le syndrome métabolique . La causalité a été démontrée dans plusieurs organismes modèles, y compris les souris et les singes; Surtout, les personnes non obèses contractent le diabète de type 2 en raison d'un régime alimentaire, d'un mode de vie sédentaire et de facteurs de risque inconnus, bien qu'il soit important de noter qu'il ne s'agit peut-être pas d'une relation causale.
      • il est probable qu'il existe une susceptibilité génétique à développer un diabète de type 2 dans certaines conditions environnementales
    • Autres types d'intolérance au glucose (voir Diabète )
  • Insulinome – une tumeur des cellules bêta produisant un excès d'insuline ou une hypoglycémie réactive .
  • Syndrome métabolique - une condition mal comprise d'abord appelée syndrome X par Gerald Reaven . Il n'est pas clair si le syndrome a une cause unique et traitable, ou est le résultat de changements corporels conduisant au diabète de type 2. Elle se caractérise par une pression artérielle élevée, une dyslipidémie (perturbations des formes de cholestérol sanguin et d'autres lipides sanguins) et une augmentation du tour de taille (au moins dans les populations d'une grande partie du monde développé). La cause sous-jacente fondamentale peut être la résistance à l'insuline qui précède le diabète de type 2, qui est une capacité réduite de réponse à l' insuline dans certains tissus (par exemple, les muscles, la graisse). Il est courant que des morbidités telles que l' hypertension essentielle , l' obésité , le diabète de type 2 et les maladies cardiovasculaires (MCV) se développent.
  • Syndrome des ovaires polykystiques - un syndrome complexe chez les femmes en âge de procréer où l' anovulation et l' excès d' androgènes se manifestent généralement par un hirsutisme . Dans de nombreux cas de SOPK, une résistance à l'insuline est présente.

Utilisations médicales

Deux flacons d'insuline. Ils ont reçu les noms commerciaux Actrapid (à gauche) et NovoRapid (à droite) par les fabricants.

L' insuline humaine biosynthétique (insuline ADNr humain, DCI) à usage clinique est fabriquée par la technologie de l' ADN recombinant . L'insuline humaine biosynthétique a une pureté accrue par rapport à l'insuline animale extractive, une pureté améliorée réduisant la formation d'anticorps. Des chercheurs ont réussi à introduire le gène de l'insuline humaine dans des plantes comme autre méthode de production d'insuline ("biopharming") dans le carthame . Cette technique devrait permettre de réduire les coûts de production.

Plusieurs analogues de l'insuline humaine sont disponibles. Ces analogues de l'insuline sont étroitement liés à la structure de l'insuline humaine et ont été développés pour des aspects spécifiques du contrôle glycémique en termes d'action rapide (insulines prandiales) et d'action longue (insulines basales). Le premier analogue d'insuline biosynthétique a été développé pour une utilisation clinique au moment des repas (insuline prandiale), Humalog (insuline lispro), il est plus rapidement absorbé après injection sous-cutanée que l'insuline ordinaire, avec un effet 15 minutes après injection. D'autres analogues à action rapide sont NovoRapid et Apidra , avec des profils similaires. Tous sont rapidement absorbés en raison de séquences d'acides aminés qui réduiront la formation de dimères et d'hexamères (les insulines monomères sont plus rapidement absorbées). Les insulines à action rapide ne nécessitent pas l'intervalle injection-repas précédemment recommandé pour l'insuline humaine et les insulines animales. L'autre type est l'insuline à action prolongée; le premier d'entre eux était Lantus (insuline glargine). Ceux-ci ont un effet stable pendant une période prolongée de 18 à 24 heures. De même, un autre analogue prolongé de l'insuline ( Levemir ) est basé sur une approche d'acylation des acides gras. Une molécule d' acide myristique est attachée à cet analogue, qui associe la molécule d'insuline à l'abondante albumine sérique, ce qui à son tour prolonge l'effet et réduit le risque d'hypoglycémie. Les deux analogues prolongés ne doivent être pris qu'une seule fois par jour et sont utilisés pour les diabétiques de type 1 comme insuline basale. Une combinaison d'insuline à action rapide et prolongée est également disponible, ce qui augmente la probabilité pour les patients d'atteindre un profil d'insuline qui imite celui de la propre libération d'insuline par le corps.

L'insuline est généralement prise sous forme d'injections sous-cutanées à l'aide de seringues à usage unique avec aiguilles , via une pompe à insuline , ou par des stylos à insuline à usage répété avec des aiguilles jetables. L'insuline inhalée est également disponible sur le marché américain.

Contrairement à de nombreux médicaments, l'insuline ne peut pas être prise par voie orale car, comme presque toutes les autres protéines introduites dans le tractus gastro-intestinal , elle est réduite en fragments, après quoi toute activité est perdue. Des recherches ont été menées sur les moyens de protéger l'insuline du tube digestif, afin qu'elle puisse être administrée par voie orale ou sublinguale.

En 2021, l' Organisation mondiale de la santé a ajouté l'insuline à sa liste modèle de médicaments essentiels .

Histoire de l'étude

Découverte

En 1869, alors qu'il étudiait la structure du pancréas au microscope , Paul Langerhans , un étudiant en médecine à Berlin , a identifié des amas de tissus auparavant inaperçus dispersés dans la majeure partie du pancréas. La fonction des "petits tas de cellules", appelés plus tard les îlots de Langerhans , est d'abord restée inconnue, mais Édouard Laguesse a suggéré plus tard qu'ils pourraient produire des sécrétions jouant un rôle régulateur dans la digestion. Le fils de Paul Langerhans, Archibald, a également aidé à comprendre ce rôle régulateur.

En 1889, le médecin Oskar Minkowski , en collaboration avec Joseph von Mering , préleva le pancréas d'un chien sain pour tester son rôle supposé dans la digestion. En testant l'urine, ils ont trouvé du sucre, établissant pour la première fois une relation entre le pancréas et le diabète. En 1901, une autre étape importante est franchie par le médecin et scientifique américain Eugene Lindsay Opie , lorsqu'il isole le rôle du pancréas aux îlots de Langerhans : « Diabetes mellitus lorsque le résultat d'une lésion du pancréas est provoqué par la destruction de îles de Langerhans et ne se produit que lorsque ces corps sont partiellement ou totalement détruits".

Au cours des deux décennies suivantes, les chercheurs ont tenté à plusieurs reprises d'isoler les sécrétions des îlots. En 1906, George Ludwig Zuelzer a obtenu un succès partiel dans le traitement des chiens avec de l'extrait pancréatique, mais il n'a pas pu continuer son travail. Entre 1911 et 1912, EL Scott de l' Université de Chicago essaie des extraits pancréatiques aqueux et constate « une légère diminution de la glycosurie », mais n'arrive pas à convaincre son directeur de l'intérêt de ses travaux ; il a été fermé. Israel Kleiner a démontré des effets similaires à l'Université Rockefeller en 1915, mais la Première Guerre mondiale a interrompu son travail et il n'y est pas revenu.

En 1916, Nicolae Paulescu a développé un extrait pancréatique aqueux qui, lorsqu'il est injecté à un chien diabétique , a un effet normalisant sur la glycémie . Il dut interrompre ses expériences à cause de la Première Guerre mondiale , et en 1921 il rédigea quatre articles sur son travail effectué à Bucarest et ses tests sur un chien diabétique. Plus tard cette année-là, il a publié "Recherche sur le rôle du pancréas dans l'assimilation alimentaire".

Le nom « insuline » a été inventé par Edward Albert Sharpey-Schafer en 1916 pour une molécule hypothétique produite par les îlots pancréatiques de Langerhans ( insula du latin pour îlot ou île) qui contrôle le métabolisme du glucose. À l'insu de Sharpey-Schafer, Jean de Meyer avait introduit le mot très similaire « insuline » en 1909 pour la même molécule.

Extraction et purification

En octobre 1920, le canadien Frederick Banting a conclu que les sécrétions digestives que Minkowski avait étudiées à l'origine dégradaient la sécrétion des îlots, rendant ainsi impossible l'extraction avec succès. Chirurgien de formation, Banting savait que les blocages du canal pancréatique entraîneraient l'atrophie de la majeure partie du pancréas, tout en laissant intacts les îlots de Langerhans. Il a estimé qu'un extrait relativement pur pourrait être fabriqué à partir des îlots une fois que la majeure partie du reste du pancréas aurait disparu. Il écrivit une note pour lui-même : "Ligaturez les canaux pancréatiques du chien. Gardez les chiens en vie jusqu'à ce que les acini dégénèrent en laissant les îlots. Essayez d'isoler la sécrétion interne de ceux-ci et de soulager la glycosurie."

Charles Best et Clark Noble ca. 1920

Au printemps de 1921, Banting se rend à Toronto pour expliquer son idée à JJR Macleod , professeur de physiologie à l' Université de Toronto . Macleod était initialement sceptique, car Banting n'avait aucune formation en recherche et n'était pas familier avec la littérature la plus récente, mais il a accepté de fournir un espace de laboratoire à Banting pour tester ses idées. Macleod a également pris des dispositions pour que deux étudiants de premier cycle soient les assistants de laboratoire de Banting cet été-là, mais Banting n'avait besoin que d'un seul assistant de laboratoire. Charles Best et Clark Noble ont lancé une pièce de monnaie; Best a remporté le tirage au sort et a pris le premier quart de travail. Cela s'est avéré malheureux pour Noble, car Banting a gardé Best pendant tout l'été et a finalement partagé la moitié de son prix Nobel et le crédit de la découverte avec Best. Le 30 juillet 1921, Banting et Best ont réussi à isoler un extrait (« îlot ») des îlots d'un chien attaché au conduit et l'ont injecté à un chien diabétique, constatant que l'extrait réduisait sa glycémie de 40 % en 1 heure.

Banting et Best ont présenté leurs résultats à Macleod à son retour à Toronto à l'automne 1921, mais Macleod a signalé des défauts dans la conception expérimentale et a suggéré que les expériences soient répétées avec plus de chiens et un meilleur équipement. Il a transféré Banting et Best dans un meilleur laboratoire et a commencé à payer à Banting un salaire provenant de ses subventions de recherche. Plusieurs semaines plus tard, la deuxième série d'expériences a également été un succès, et Macleod a aidé à publier leurs résultats en privé à Toronto en novembre. Entravé par la tâche fastidieuse de ligaturer les conduits des chiens et d'attendre plusieurs semaines pour extraire l'insuline, Banting a eu l'idée d'extraire l'insuline du pancréas du veau fœtal, qui n'avait pas encore développé de glandes digestives. En décembre, ils avaient également réussi à extraire l'insuline du pancréas de la vache adulte. Macleod a interrompu toutes les autres recherches dans son laboratoire pour se concentrer sur la purification de l'insuline. Il a invité le biochimiste James Collip à l'aider dans cette tâche, et l'équipe s'est sentie prête pour un test clinique dans un délai d'un mois.

Graphique pour Elizabeth Hughes, utilisé pour suivre le sang, l'urine, l'alimentation en grammes et les prescriptions alimentaires en grammes

Le 11 janvier 1922, Leonard Thompson , un diabétique de 14 ans mourant à l' hôpital général de Toronto , a reçu la première injection d'insuline. Cependant, l'extrait était si impur que Thompson a subi une grave réaction allergique et les injections supplémentaires ont été annulées. Au cours des 12 jours suivants, Collip a travaillé jour et nuit pour améliorer l'extrait de pancréas de bœuf. Une deuxième dose a été injectée le 23 janvier, éliminant complètement la glycosurie typique du diabète sans provoquer d'effets secondaires évidents. Le premier patient américain était Elizabeth Hughes , la fille du secrétaire d'État américain Charles Evans Hughes . Le premier patient traité aux États-Unis était le futur graveur sur bois James D. Havens ; Le Dr John Ralston Williams a importé de l'insuline de Toronto à Rochester, New York , pour traiter Havens.

Banting et Best n'ont jamais bien travaillé avec Collip, le considérant comme un intrus, et Collip a quitté le projet peu de temps après. Au printemps 1922, Best parvint à perfectionner ses techniques au point de pouvoir extraire de grandes quantités d'insuline à la demande, mais la préparation resta impure. La société pharmaceutique Eli Lilly and Company avait offert son aide peu de temps après les premières publications en 1921, et ils ont accepté l'offre de Lilly en avril. En novembre, le chimiste en chef de Lilly, George B. Walden a découvert la précipitation isoélectrique et a pu produire de grandes quantités d'insuline hautement raffinée. Peu de temps après, l'insuline a été proposée à la vente au grand public.

Brevet

Vers la fin de janvier 1922, les tensions montent entre les quatre "co-découvreurs" de l'insuline et Collip menace brièvement de breveter séparément son procédé de purification. John G. FitzGerald , directeur de l'institution de santé publique non commerciale Connaught Laboratories , est donc intervenu en tant que pacificateur. L'accord du 25 janvier 1922 qui en résulte établit deux conditions essentielles : 1) que les collaborateurs signent un contrat s'engageant à ne pas prendre de brevet auprès d'une société pharmaceutique commerciale pendant une première période de travail avec Connaught ; et 2) qu'aucun changement dans la politique de recherche ne serait autorisé à moins d'avoir été préalablement discuté entre FitzGerald et les quatre collaborateurs. Cela a aidé à contenir le désaccord et a lié la recherche au mandat public de Connaught.

Initialement, Macleod et Banting étaient particulièrement réticents à breveter leur procédé pour l'insuline pour des raisons d'éthique médicale. Cependant, des inquiétudes subsistaient quant au fait qu'un tiers privé détournerait et monopoliserait la recherche (comme Eli Lilly and Company l' avait laissé entendre), et qu'une distribution sûre serait difficile à garantir sans capacité de contrôle de la qualité. À cette fin, Edward Calvin Kendall a donné de précieux conseils. Il avait isolé la thyroxine à la Mayo Clinic en 1914 et breveté le procédé grâce à un accord entre lui-même, les frères Mayo et l' Université du Minnesota , transférant le brevet à l'université publique. Le 12 avril, Banting, Best, Collip, Macleod et FitzGerald ont écrit conjointement au président de l' Université de Toronto pour proposer un arrangement similaire dans le but d'attribuer un brevet au Conseil des gouverneurs de l'Université. La lettre soulignait que :

Le brevet ne serait pas utilisé à d'autres fins que d'empêcher l'obtention d'un brevet par d'autres personnes. Lorsque les détails de la méthode de préparation seront publiés, chacun sera libre de préparer l'extrait, mais personne ne pourra s'assurer un monopole rentable.

L'affectation au Conseil des gouverneurs de l'Université de Toronto a été achevée le 15 janvier 1923, pour le paiement symbolique de 1,00 $. L'arrangement a été félicité dans The World's Work en 1923 comme « un pas en avant dans l'éthique médicale ». Il a également reçu beaucoup d'attention des médias dans les années 2010 en ce qui concerne la question des soins de santé et de l'accessibilité des médicaments .

Suite à de nouvelles inquiétudes concernant les tentatives d'Eli Lilly de breveter séparément des parties du processus de fabrication, le directeur adjoint et chef de la division Insuline de Connaught, Robert Defries, a établi une politique de mise en commun des brevets qui obligerait les producteurs à partager librement toute amélioration du processus de fabrication sans compromettre l'abordabilité.

Analyse structurelle et synthèse

Diagramme en ruban noir et blanc d'un monomère d'insuline de porc.
Diagramme de Richardson d'un monomère d'insuline porcine , montrant sa structure secondaire caractéristique . C'est la forme biologiquement active de l'insuline.
Diagramme en ruban noir et blanc d'un hexamère d'insuline de porc, montrant sa structure quaternaire caractéristique.  Au centre se trouve une sphère bleu-gris pâle représentant un atome de zinc.
Diagramme de Richardson d'un hexamère d'insuline porcine. La sphère au centre est un atome de zinc stabilisant , entouré de résidus d' histidine coordonnants . C'est la forme sous laquelle l'insuline est stockée dans les cellules bêta. PDB : 4INS .

L'insuline d'origine animale purifiée était initialement le seul type d'insuline disponible pour les expériences et les diabétiques. John Jacob Abel a été le premier à produire la forme cristallisée en 1926. La preuve de la nature protéique a été donnée pour la première fois par Michael Somogyi , Edward A. Doisy et Philip A. Shaffer en 1924. Cela a été pleinement prouvé lorsque Hans Jensen et Earl A. Evans Jr. a isolé les acides aminés phénylalanine et proline en 1935.

La structure des acides aminés de l'insuline a été caractérisée pour la première fois en 1951 par Frederick Sanger , et la première insuline synthétique a été produite simultanément dans les laboratoires de Panayotis Katsoyannis à l' Université de Pittsburgh et Helmut Zahn à l' Université RWTH d'Aix-la-Chapelle au milieu des années 1960. L'insuline bovine cristalline synthétique a été réalisée par des chercheurs chinois en 1965. La structure tridimensionnelle complète de l'insuline a été déterminée par cristallographie aux rayons X dans le laboratoire de Dorothy Hodgkin en 1969.

La première insuline synthétique "humaine" génétiquement modifiée a été produite en utilisant E. coli en 1978 par Arthur Riggs et Keiichi Itakura à l' Institut de recherche Beckman de la Cité de l'espoir en collaboration avec Herbert Boyer à Genentech . Genentech, fondée par Swanson, Boyer et Eli Lilly and Company , a continué en 1982 à vendre la première insuline humaine biosynthétique disponible dans le commerce sous le nom de marque Humulin . La grande majorité de l'insuline utilisée dans le monde est de l'insuline « humaine » recombinante biosynthétique ou ses analogues. Récemment, une autre approche a été utilisée par un groupe pionnier de chercheurs canadiens, utilisant une plante de carthame facile à cultiver , pour la production d'insuline beaucoup moins chère.

L'insuline recombinante est produite soit dans la levure (habituellement Saccharomyces cerevisiae ) soit dans E. coli . Chez la levure, l'insuline peut être conçue comme une protéine à chaîne unique avec un site d'endoprotéase KexII (un homologue de levure de PCI/PCII) qui sépare la chaîne A d'insuline d'une chaîne B d'insuline tronquée à l'extrémité C. Une queue C-terminale synthétisée chimiquement est ensuite greffée sur l'insuline par protéolyse inverse en utilisant la protéase trypsine peu coûteuse ; typiquement, la lysine sur la queue C-terminale est protégée par un groupe protecteur chimique pour empêcher la protéolyse. La facilité de synthèse modulaire et la sécurité relative des modifications dans cette région expliquent les analogues courants de l'insuline avec des modifications C-terminales (par exemple lispro, aspart, glulisine). La synthèse Genentech et la synthèse complètement chimique telle que celle de Bruce Merrifield ne sont pas préférées car l'efficacité de recombinaison des deux chaînes d'insuline est faible, principalement en raison de la compétition avec la précipitation de la chaîne B de l'insuline.

prix Nobel

Frederick Banting (à droite) rejoint par Charles Best 1924

Le comité du prix Nobel en 1923 a attribué l'extraction pratique de l'insuline à une équipe de l' Université de Toronto et a décerné le prix Nobel à deux hommes : Frederick Banting et JJR Macleod . Ils ont reçu le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1923 pour la découverte de l'insuline. Banting, furieux que Best n'ait pas été mentionné, a partagé son prix avec lui, et Macleod a immédiatement partagé le sien avec James Collip . Le brevet de l'insuline a été vendu à l' Université de Toronto pour un dollar.

Deux autres prix Nobel ont été décernés pour des travaux sur l'insuline. Le biologiste moléculaire britannique Frederick Sanger , qui a déterminé la structure primaire de l'insuline en 1955, a reçu le prix Nobel de chimie en 1958 . Rosalyn Sussman Yalow a reçu le prix Nobel de médecine 1977 pour le développement du dosage radio - immunologique de l'insuline.

Plusieurs prix Nobel ont également un lien indirect avec l'insuline. George Minot , co-récipiendaire du prix Nobel 1934 pour le développement du premier traitement efficace de l'anémie pernicieuse , souffrait de diabète sucré . Le Dr William Castle a observé que la découverte en 1921 de l'insuline, arrivée à temps pour maintenir Minot en vie, était donc également responsable de la découverte d'un remède contre l'anémie pernicieuse . Dorothy Hodgkin a reçu un prix Nobel de chimie en 1964 pour le développement de la cristallographie , la technique qu'elle a utilisée pour déchiffrer la structure moléculaire complète de l'insuline en 1969.

Controverse

Les travaux publiés par Banting, Best, Collip et Macleod représentaient la préparation d'extraits d'insuline purifiés adaptés à une utilisation sur des patients humains. Bien que Paulescu ait découvert les principes du traitement, son extrait salin ne pouvait pas être utilisé sur l'homme ; il n'a pas été mentionné dans le prix Nobel de 1923. Le professeur Ian Murray a été particulièrement actif en travaillant à corriger "le tort historique" contre Nicolae Paulescu . Murray était professeur de physiologie à l'Anderson College of Medicine à Glasgow , en Écosse , chef du département des maladies métaboliques dans un hôpital de premier plan de Glasgow, vice-président de la British Association of Diabetes et membre fondateur de la Fédération internationale du diabète. . Murray a écrit :

Une reconnaissance insuffisante a été accordée à Paulescu, l'éminent scientifique roumain , qui, au moment où l'équipe de Toronto commençait ses recherches, avait déjà réussi à extraire l'hormone antidiabétique du pancréas et à prouver son efficacité pour réduire l'hyperglycémie chez les chiens diabétiques.

Dans une communication privée, le professeur Arne Tiselius , ancien directeur de l'Institut Nobel, a exprimé son opinion personnelle selon laquelle Paulescu méritait également le prix en 1923.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes