Μελέτη του αποτελέσματος της γλυκόζης στην σηματοδότηση και την φυσιολογία παγκρεατικών β-κυττάρων

Abstract

Increasing evidence suggest that apart from insulin resistance, type 2 diabetes is also characterized by dysfunction of insulin secretion by the endocrine pancreas. Insulin secretion failure could be explained, at least in part, by the progressive β-cell dysfunction and apoptosis which leads the transition from glucose intolerance to over diabetes. Chronic hyperglycemia, chronic hyperlipidemia, oxidative stress, and inflammatory cytokines, disrupt and/or attenuate signal transduction pathways that promote normal β-cell turnover and survival, leading to the destruction of endocrine pancreas in type 1 and type 2 diabetes. Initiatory β-cell dysfunction mechanisms include mitochondrial dysfunction, oxidative stress, dysregulation of TG/FFA cycling and gluco-lipo-toxicity. Hyperglycemia, once established, promotes a further series of mechanisms such as inflammation, O-glycosylation and amyloid deposition, that under the umbrella of glucotoxicity, lead to severe phenotypical β-cell alterations and to β-cell mass reduction through apoptosis. Even though hyperglycemia is not the “primum movens” for β-cell dysfunction, it catalyzes, however, the transition from glucose intolerance to over type 2 diabetes through mechanisms collectively referred to as glucotoxicity. Activation of insulin signalling in pancreatic β-cells promotes proliferation, differentiation and survival and has been implicated in protection from apoptosis induced by several stimuli. The aim of this study was to investigate the effect of high glucose on the proximal events of insulin signalling in association with endogenous cytokine expression and β-cell survival in the mouse βTC-6 pancreatic β-cell line. Western blot analysis revealed that prolonged exposure of βTC-6 cells to increased glucose concentrations resulted in significant inhibition of insulin-induced tyrosine phosphorylation of the insulin receptor, and insulin receptor substrate-2 (IRS-2) as well as PI3-kinase activation. These changes were accompanied by annulment of Akt-mediated suppression of FOXO activation. The observed glucose-induced downregulation of insulin signalling also affected the protein synthesis branch of the pathway by abolishing insulin-induced mTOR activation and inhibition of insulin-induced downregulation of 4E-BP1. Suppressors of cytokine signalling (SOCS) were reported to be induced by several cytokines and inhibit insulininitiated signal transduction in insulin-sensitive tissues. We showed that attenuation of IRS- 2/Akt-mediated signalling was associated with increased IL-1β and SOCS-1 expression, as assessed by RT-PCR and immunoblotting analysis. The observed up-regulation of endogenous cytokine signalling and FOXO activation, were accompanied by enhanced caspase-3 activation and increased susceptibility of βTC-6 cells to apoptosis, as determined by TUNELFACS analysis. According to the obtained results, we propose a mechanism through which the observed glucose-induced endogenous IL-1β expression leads to increased βTC-6 cell apoptosis by inhibiting IRS-2/Akt-mediated signaling, through SOCS-1 up-regulation. These results, also suggest that impairment of the insulin survival pathway should contribute to β-cell apoptosis and to the onset of, or to the progression, to type 2 diabetes.

Κατά τις δύο τελευταίες δεκαετίες, ολοένα αυξανόμενα δεδομένα οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι εκτός από την ινσουλινοαντοχή των περιφερικών ιστών, ο διαβήτης τύπου 2 (ΔΤ2) χαρακτηρίζεται επίσης από τη μείωση της εκκριτικής ικανότητας ινσουλίνης από την ενδοκρινή μοίρα του παγκρέατος. Η μείωση της ικανότητας του οργανισμού να παράγει και να εκκρίνει ινσουλίνη μπορεί να εξηγηθεί από την προοδευτική δυσλειτουργία και την απόπτωση των παγκρεατικών β-κυττάρων, η οποία οδηγεί στη μετάβαση από την κατάσταση της διαταραγμένης ανοχής στη γλυκόζη στο διαβήτη. Πολλοί παράγοντες εμπλέκονται στην αύξηση της απόπτωσης των β-κυττάρων στο ΔΤ2. Μεταξύ αυτών περιλαμβάνονται η χρόνια υπεργλυκαιμία, η υπερλιπιδαιμία, το οξειδωτικό στρες και οι κυτταροκίνες. Οι παράγοντες αυτοί αλλοιώνουν τα σηματοδοτικά μονοπάτια που είναι υπεύθυνα για την επιβίωση και τη φυσιολογική ανανέωση των β-κυττάρων, οδηγώντας έτσι στη σταδιακή μείωση της β- κυτταρικής μάζας. Οι “εναρκτήριοι” μηχανισμοί που διέπουν τα πρώτα στάδια της β- κυτταρικής δυσλειτουργίας περιλαμβάνουν τις μιτοχονδριακές δυσλειτουργίες, το οξειδωτικό στρες, τις μεταβολές του μεταβολισμού των τριγλυκεριδίων και των ελεύθερων λιπαρών οξέων καθώς και τη γλυκο-λιπο-τοξικότητα. Σταδιακά, με την εμφάνιση της υπεργλυκαιμίας, μηχανισμοί οι οποίοι ευθύνονται για την προοδευτική επιδείνωση της β-κυτταρικής λειτουργίας όπως είναι η φλεγμονή, η Ο-γλυκοζυλίωση και η εναπόθεση αμυλοειδούς, θα οδηγήσουν σε ακραίες φαινοτυπικές αλλοιώσεις και σε μείωση της β-κυτταρικής μάζας μέσω αυξημένης απόπτωσης των β-κυττάρων. Παρόλο που η υπεργλυκαιμία δεν αποτελεί “primum movens” της β-κυτταρικής δυσλειτουργίας, αποτελεί ωστόσο ένα από τα κύρια γνωρίσματα του ΔΤ2, καθώς “καταλύει” τη μετάβαση από το μεταβολικό σύνδρομο στο διαβήτη μέσω της προοδευτικής αλλοίωσης της φυσιολογίας των β-κυττάρων με τη δράση μηχανισμών οι οποίοι αναφέρονται συνολικά ως γλυκο-τοξικότητα. Στο πάγκρεας, η ενεργοποίηση του συστήματος της σηματοδότησης της ινσουλίνης έχει ως αποτέλεσμα την επαγωγή της πρωτεϊνοσύνθεσης, του κυτταρικού πολλαπλασιασμού, της διαφοροποίησης και της επιβίωσης των β-κυττάρων. Η παρούσα εργασία έχει σκοπό την μελέτη των επιπτώσεων των αυξανομένων συγκεντρώσεων της γλυκόζης στο σηματοδοτικό μονοπάτι της ινσουλίνης και στην κυτταρική επιβίωση σε ινσουλινο-παραγωγά παγκρεατικά β-κύτταρα ποντικού της κυτταρικής σειράς βTC-6. Η παρούσα μελέτη έδειξε ότι η χρόνια έκθεση βTC-6 κυττάρων σε υψηλές συγκεντρώσεις γλυκόζης οδήγησε σε μείωση της ινσουλινο-επαγόμενης φωσφορυλίωσης των καταλοίπων της τυροσίνης στην περιοχή της κινάσης του υποδοχέα της ινσουλίνης και στην αλλοίωση των πρώιμων σταδίων σηματοδότησης της ινσουλίνης μέσω μειωμένης φωσφορυλίωσης/ενεργοποίησης του IRS-2. Οι γλυκοζο-επαγόμενες αλλοιώσεις της ενεργοποίησης του IRS-2 συνοδεύτηκαν από δραματική μείωση της ενεργοποίησης της διασυνδεδεμένης με τον IRS-2 PI3 κινάσης και της ενεργοποίησης της Akt κινάσης, με αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση της αναστολής των μεταγραφικών παραγόντων FOXO1 ή/και FOXO3α. Η γλυκοζο-επαγόμενη μειωρύθμιση του σηματοδοτικού μονοπατιού της ινσουλίνης επεκτείνεται, μέσω της απώλειας της δράσης της Akt κινάσης, και στον σηματοδοτικό κλάδο της πρωτεινοσύνθεσης, οδηγώντας σε πλήρη αναστολή της ινσουλινο- επαγόμενης ενεργοποίησης της κινάσης mTOR και σε άρση της ανασταλτικής δράσης της ινσουλίνης στον αναστολέα της μεταγραφής 4E-BP1. ................................................................