Molecular mechanisms of insulin resistance in glucagon-producing alpha cells
Molekulare Mechanismen der Insulinresistenz in Glukagon-produzierenden Alphazellen
by Miranda González Aguirre
Date of Examination:2006-11-02
Date of issue:2006-11-22
Advisor:Prof. Dr. Willhart Knepel
Referee:Prof. Dr. Rüdiger Hardeland
Referee:Prof. Dr. Detlef Doenecke
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-1294
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Description:Dissertation
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Abstract
English
Type II diabetes mellitus is a chronic disease, affecting more than 150 million people worldwide. Type II diabetes mellitus is characterized by insulin resistance of peripheral tissues (liver, muscle and fat), β-cell dysfunction, as well as by the elevation in the concentration of glucagon in plasma. Considering that insulin inhibits glucagon secretion and gene transcription, the hyperglucagonemia and hyperinsulinemia in type II diabetes mellitus suggests that there is insulin resistance also in the glucagon-producing pancreatic α-cells. Hyperglucagonemia contributes to hepatic glucose production and to elevated glucose levels in type II diabetes mellitus. However, the molecular mechanisms of insulin resistance at pancreatic islet α-cells are unknown. In the present work the effect of molecules, implicated in conferring insulin resistance in some other tissues, was investigated on the regulation of glucagon gene transcription by insulin at the level of the pancreatic islet α-cell. Insulin inhibition of glucagon gene transcription in the glucagon-producing α-cell InR1G9 provided a suitable model for this study. The results of this work indicate that elevated levels of insulin or the proinflammatory cytokine interleukin 1-beta are able to reverse the insulin-induced inhibition of glucagon gene transcription. Functional studies with a constitutively active form of protein kinase B showed that protein kinase B still inhibited glucagon gene transcription after a chronic insulin treatment; together with a markedly reduced phosphorylation of PKB, this demonstrates that targets upstream of PKB within the insulin signaling pathway are affected by chronic insulin treatment. Indeed, it was found that chronic insulin treatment blocked insulin signaling at the level of the activation of the insulin receptor and at the level of the insulin receptor substrate 1. After chronic insulin treatment, the activity and expression of the insulin receptor and of the insulin receptor substrate 1 were reduced. Downregulation of the receptor was found to be a reversible, time-dependent process. In addition, further results suggested that the downregulation was due to an enhanced degradation. Degradation of the insulin receptor was neither mediated through proteasomal nor β-arrestin-associated degradation mechanisms. Instead, insulin receptor downregulation appears to be mediated through lysosomal degradation. Taken together the results of the present study suggest that elevated insulin and interleukin 1-beta levels lead to the development of an insulin resistant state at the level of the pancreatic islet α-cells in type II diabetes mellitus.
Keywords: Insulin resistance; Glucagon-producing alpha cells; Insulin; Insulin receptor; Insulin receptor substrate 1
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Typ II Diabetes mellitus ist eine chronische
Krankheit, die weltweit etwa 150 Millionen Menschen
betrifft. Typ II Diabetes ist gekennzeichnet durch
periphere Insulinresistenz der Zielgewebe (Leber,
Muskel, Fett), Funktionsstörung der Beta-Zellen und
durch einen Anstieg sowohl der Glukagon- als auch der
Insulinkonzentration im Plasma. Da Insulin die
Sekretion von Glukagon und die Transkription des
Glukagon-Gens hemmt, könnten die Hyperglukagonemie und
Hyperinsulinemie im Typ II Diabetes mellitus auf einer
Insulinresistenz auch in den Glukagon-produzierenden
Alpha-Zellen beruhen. Die erhöhten
Plasma-Glukagonspiegel tragen beim Typ II Diabetes
mellitus zu verstärkter hepatischer Glukoseproduktion
und zu erhöhten Blutglukosespiegeln bei. Die
molekularen Mechanismen der Insulinresistenz in
pankreatischen Alphazellen in den Langerhans-Inseln
sind jedoch noch völlig unbekannt.
In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, welche
Auswirkung Botenstoffe, die Insulinresistenz in anderen
Gewebe auslösen, auf die Insulin-induzierte Hemmung der
Glukagongen-Transkription in Glukagon-produzierende
Alpha-Zellen haben. Dazu wurde die pankreatische
Alpha-Zellinie InR1G9 eingesetzt, in der zuvor gezeigt
wurde, dass Insulin die Glukagongen-Transkription um 50
% hemmen kann. Diese Untersuchungen zeigten, dass
Insulin in hoher Konzentration (100 nM) und
subchronischer Anwendung (46 h) oder das
proentzündliche Cytokin Interleukin 1-beta (20 ng/ml;
24 h) zu einer Aufhebung der Insulin-induzierten
Hemmung der Glukagongen-Transkription führten. Der
Insulin-Effekt wurde im weiteren Verlauf der Arbeit auf
Ebene der Signalkette aufgeklärt. Bei Kotransfektion
einer konstitutiv aktiven Form der Proteinkinase B
wurde die Hemmung der Glukagongen-Transkription durch
subchronische Insulinbehandlung weiterhin aufgehoben.
Gleichzeitig wurde PKB vermindert phosphoryliert. Diese
Ergebnisse zeigen, dass subchronische Insulinbehandlung
die Insulin-Signalkette oberhalb von PKB beeinflusst.
In der Tat konnte gezeigt werden, dass nach
subchronischer Insulinbehandlung der Insulinsignalweg
auf der Ebene des Insulinrezeptors (IR) und des
Insulinrezeptor Substrates 1 (IRS1) gehemmt wurde.
Westernblot-Analysen mit spezifischen Antikörpern gegen
die phosphorylierte und die nicht-phosphorylierte Form
des jeweiligen Proteins zeigten, dass sowohl die
Phosphorylierung am Tyrosin 1150/1151 des IR und am
Tyrosin 612 des IRS als auch die Expression beider
Signalproteine stark vermindert wurden. Die Abnahme des
IR war ein reversibler, zeitabhängiger Prozess. Weitere
Untersuchungen wiesen darauf hin, dass die Abnahme des
IR durch verstärkten Abbau bedingt war. An diesem Abbau
schienen weder Proteasom- noch β-Arrestin-vermittelte
Mechanismen beteiligt zu sein. Dagegen zeigten
Experimente mit Inhibitoren der lysosomalen
Degradation, dass der IR vermutlich im Lysosom abgebaut
wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass erhöhte
Insulinkonzentration und erhöhte Interleukin
1-beta-Spiegel zu der Entwicklung eines
insulinresistenten Zustandes in Glukagon-produzierenden
Alphazellen der Langerhans-Inseln führen, der auf eine
Herunter-Regulation des IR zurückzuführen ist.
Schlagwörter: Insulinresistenz;Glukagon-produzierenden Alphazellen; Insulin; Insulinrezeptor; Insulinrezeptor Substrate 1