Study of DNA methylation in human pancreatic islets

Abstract

Today type 2 diabetes is a common disease with a worldwide prevalence of 8.3%. The disease is characterised by hyperglycaemia which is a result of insufficient insulin secretion from the beta-cells in the pancreatic islets as well as an insulin resistance seen in the target tissues. Type 2 diabetes is a multifactorial disease with genetic, epigenetic and environmental background.

In study I we investigated the role of sex-specific DNA methylation in pancreatic islets from human organ donors. We found DNA methylation differences between the sexes for the average DNA methylation on the X chromosome, as well as site specific differences on both the X chromosome as well as the autosomes. We could also connect some of these differences to changes in gene expression and insulin secretion.

In study II we studied a specific gene, GLP1R, which is involved in the incretin effects seen on the pancreatic beta-cells. Using human pancreatic islets, we found correlations between DNA methylation of a specific site in the GLP1R promoter and gene expression of the same gene as well as with HbA1c and BMI. Furthermore, DNA methylation of the same site was also differentially methylated in FACS sorted human alpha- and beta-cells.

In study III we studied the role palmitate on human pancreatic islets. We treated the human islets in control media or media enriched with palmitate for 48 hours. We found a decreased glucose-stimulated insulin secretion in human islets treated with palmitate compared to controls, but no increase in apoptosis. Also we found differences of gene expression between groups as well as DNA methylation differences in genomic regions and specific genes.

In Study IV we investigated the role of high glucose on the human pancreatic islets and therefor treated the islets with either control medium or high glucose medium. We found that insulin secretion was perturbed in islets treated with high glucose compared to controls. Furthermore, we found gene expression differences of eight genes, with five of them also having DNA methylation differences.

In conclusion we find signs that sex, palmitate and high glucose treatment affect gene expression, DNA methylation and in some cases also beta-cell function in human pancreatic islets. Furthermore we find indications of that DNA methylation of the GLP1R promoter might affect gene expression and might be connected to HbA1c and obesity.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Diabetes är ett samlingsnamn för sjukdomar som ger förhöjt blodsocker (glukos) som gemensam nämnare. Diabetes ökar stort runt om i världen och ”International Diabetes Federation” (IDF) meddelade att det år 2014 fanns 387 miljoner individer med diabetes globalt och att denna siffra förväntas öka till 592 miljoner individer till år 2035. Ungefär 77% av alla som insjuknar i diabetes bor i låg- och medel-inkomstländer. Diabetes består av många olika sjukdomar där typ 2-diabetes är den vanligaste. Utöver det finns bland annat typ 1-diabetes som är en autoimmun sjukdom, samt graviditetsdiabetes som upptäcks hos gravida utan tidigare historia av diabetes.

Typ 2-diabetes är en sjukdom som påverkas av många olika faktorer, bland annat genetiska och miljö-faktorer, såsom kost och fysisk aktivitet. Vid förhöjt blodsocker svarar bukspottskörtelns insulinproducerande celler, betacellerna, genom att utsöndra hormonet insulin, vilket i sin tur signalerar till andra vävnader som muskel och fettväv att ta upp blodsocker (glukos). I typ 2-diabetes är det en otillräcklig utsöndring av insulin samt insulinresistens som leder till kroniskt förhöjt blodsocker. Även insulinresistens är ett gemensamt kännetecken för typ 2-diabetiker, där målvävnader för insulin, såsom muskler och fettvävnad, inte kan tillgodogöra sig insulinet på ett korrekt sätt och därmed har svårt att ta upp glukos. Olika riskfaktorer för diabetes är t.ex. åldrande, fetma och ärftliga faktorer, dvs. en familjehistoria av diabetes. Studier av den genetiska bakgrunden till sjukdomen har hittills bara lyckats förklara en bråkdel av ärftligheten vid diabetes.

Ordet ”epigenetik” härstammar från grekiskan och betyder ungefär ”ovanpå genetiken” och innebär att man studerar skillnader i hur arvsmassan, eller DNAt, uttrycks eller tolkas, utan att det finns en underliggande förändring i själva DNAt. Epigenetiken är också det som styr att alla celler i kroppen har sina speciella funktioner, trots att de alla har identisk genetiska kod. Det är alltså epigenetiken som styr att t.ex. en hjärtcell blir just en hjärtcell och uttrycker hjärtcellsgener och inget annat. Epigenetik innefattar olika mekanismer, som t.ex. DNA-metyleringar. DNA-metyleringar är små molekyler, så kallade metylgrupper (CH3), som binder till DNAt och kan påverka våra gener, och det är just denna mekanism jag framförallt har studerat i denna avhandling.

De insulinproducerande betacellerna finns i så kallade Langerhanska öar i bukspottskörteln. I alla studier i denna avhandling har vi använt oss av Langerhanska öar från organdonatorer.

Det är känt att det finns skillnader mellan män och kvinnor i t.ex. risk för olika sjukdomar såsom Alzheimers, kardiovaskulära sjukdomar, och ämnesomsättningen. I studie I tittade vi på könseffekten på DNA-metylering och hur gener uttrycks i Langerhanska öar. Vi fann en skillnad i insulinutsöndring mellan män och kvinnor, där kvinnorna utsöndrar mer insulin. Dessutom fann vi skillnader i regioner av DNAt där det binder metylgrupper. Vi fann att 8140 sådana regioner hade skillnad i DNA-metylering mellan män och kvinnor på X-kromosomen, och 470 regioner på de andra kromosomerna (Y-kromosomen exkluderad). Dessa regioner kunde kopplas till förändrad genaktivitet i 61 gener på X-kromosomen och 18 gener på de andra kromosomerna. Vi testade om någon av dessa gener direkt kunde påverka insulinutsöndring, vilket de kunde. Detta talar för att det finns epigenetiska skillnader mellan män och kvinnor som eventuellt påverkar insulinutsöndringen och möjligen också risken för typ 2-diabetes.

I studie II studerade vi en specifik gen, GLP1R, som är med och påverkar insulinutsöndringen i betacellerna. I denna studie tittade vi även på något som kallas HbA1c, vilket är ett mått på hur högt blodsockret varit under ca 3 månader. I ett område som reglerar genens aktivitet fann vi att DNA-metylering var korrelerat till genens aktivitet, där högre metylering gav lägre genaktivitet. Vi fann även en koppling mellan samma område och HbA1c och BMI, där högre DNA-metyleringen var korrelerad till både högre HbA1c och BMI. Detta skulle kunna innebära att epigenetisk reglering av denna gen möjligen kan påverka insulinutsöndring samt vara kopplad till HbA1c och BMI.

Det är känt att typ 2-diabetiker har ökade halter av fettsyror i blodet. Därför ville vi i studie III undersöka om en specifik fettsyra, kallad palmitat och den vanligaste fettsyran i blodet, kunde påverka DNA-metyleringar. Vi behandlade Langerhanska öar i 48 timmar i normala förhållande som kontroll, eller i höga nivåer av palmitat. Efter 48 timmar var det tydligt att de Langerhanska öarna behandlade med palmitat utsöndrade mindre insulin än kontrollerna. Dessutom hade 1860 gener ändrad aktivitet efter palmitatbehandlingen. Vi fann även att palmitat ökade mängden DNA-metylering i olika regioner i vår arvsmassa. Förutom detta fann vi att 290 gener hade ändrat genaktivitet samt ändrade nivåer av DNA-metylering. Några av dessa 290 gener har tidigare kopplats samman med typ 2-diabetes. Resultaten från denna studie visar att palmitat påverkar insulinutsöndring, samt pekar på att palmitat påverkar gener och DNA-metylering som skulle kunna kopplas till typ 2-diabetes.

Högt blodsocker är en allvarlig konsekvens av typ 2-diabetes, och därför ville vi i studie IV studera huruvida höga nivåer av glukos skulle kunna påverka genaktivitet och DNA-metylering i Langerhanska öar. Som i studie III behandlades de Langerhanska öarna i normala förhållande som kontroll eller i höga nivåer av glukos i 48 timmar. Det visade sig att de Langerhanska öarna behandlade med glukos var något sämre på att utsöndra insulin. Förutom detta hittade vi åtta gener som hade en förändrad genaktivitet på grund av behandlingen med glukos. För fem av dessa åtta gener fann vi även skillnader i DNA-metylering efter behandling med glukos. Dessa gener kan ha en roll i reglering av insulinutsöndring samt spela en roll i typ 2-diabetes, men ytterligare studier krävs för att stärka detta samband.

I denna avhandling har vi kunnat visa att DNA-metylering tycks ha ett samband med insulinutsöndring och typ 2-diabetes via många olika faktorer som t.ex. kön, fettsyror, högt glukos samt via specifika gener.

• author: Hall, Elin
• supervisor: Charlotte Ling; Tina Rönn; Marloes Dekker Nitert
• opponent: Professor Broberg, Karin, Institutet of Environmental Medicine, Karolinska Institutet
• organization: Diabetes - Epigenetics (research group); LUDC (Lund University Diabetes Centre)-lup-obsolete (research group); EXODIAB: Excellence of Diabetes Research in Sweden
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Endocrinology and Diabetes
• keywords: type 2 diabetes, epigenetics, DNA mehtylation, human pancreatic islets, insulin secretion
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2016:3
• pages: 59 pages
• defense location: Jubileumsaulan, Jan Waldenströms gata 5, Skånes Universitetssjukhus i Malmö
• defense date: 2016-01-22 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-7619-228-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: b909275e-4827-4f35-a4f7-742337ca024c (old id 8499657)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:43:28
• date last changed: 2019-05-21 21:12:19