Expression and Regulation of Neuropeptide Y (NPY) in the Islets of Langerhans

Abstract

This thesis deals with the expression, localization and regulation of neuropeptide Y (NPY) in the pancreatic islets of Langerhans under normal and experimental conditions. NPY is widely distributed in the mammalian nervous system and belongs to a family of closely related petides also comprising peptide YY (PYY) and pancreatic polypeptide (PP). NPY exerts a variety of biological effects, such as stimulation of food intake, vasoconstriction, regulation of endocrine functions, and in the pancreas inhibition of insulin secretion. All three peptides occur in the mammalian pancreas; NPY in neuronal elements adrenergic as well as nonadrenergic, and PP and PYY in endocrine cells. Reinnervation of xenografts consisting of purified rat ß-cells and nonß-cells, respectively, transplanted beneath the kidney capsule of nude mouse revealed ingrowth of numerous sympathetic NPY-containing nerves into the ß-cell grafts while reinnervation of nonß-cell grafts was scarce, suggesting a neurotrophic action of the ß-cells. The islet expression and localization of NPY differed between species and was related to the developmental stage in rat. In islets of the hamster, NPY was detected in numerous nerve fibers as well as in somatostatin producing cells, while NPY was confined to nerve fibers within islets of the adult rat. During rat embryogenesis expression of NPY was detected in islet cells and co-localized with insulin. The expression of NPY in fetal rat ß-cells coincides with the known prepartal glucocorticoid surge, which rapidly declines after birth. At the same time the expression of NPY in the ß-cells disappears. Following treatment with the potent glucocorticoid dexamethasone of adult rats, a model for type 2 diabetes, NPY expression was re-induced in the ß-cells. The NPY expression in rat ß-cells rapidly declined after cessation of dexamethasone treatment, indicating that expression of NPY in rat ß-cells is dependent on continuous excessive levels of glucocorticoids. The glucocorticoid-induced expression of NPY in rat ß-cells was found to be markedly reduced by concomitant treatment with insulin or by sympathectomy. Culture of the insulin-producing cell line RINm5F with dexamethasone also induced expression of NPY. Stimulation of RINm5F cells with D-glyceraldehyde and depolarization with KCl increased the release of insulin Ca2+-dependently. However, the release of NPY was not affected by stimulation or removal of extracellular Ca2+, reflecting a constitutive release of NPY in contrast to the regulated release of insulin. Glucocorticoids induce peripheral insulin resistance with increased demands on the functional capacity of the ß-cells to produce and secrete insulin, as in type 2 diabetes. Our findings suggest that the expression of NPY in ß-cells could be part of the ß-cell activation upon the increased secretory demands induced by dexamethasone. Possibly, NPY, being a potent inhibitor of insulin secretion, could act by paracrine or autocrine mechanisms to prevent overwork of the ß-cells.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Bukspottkörteln består av exokrin och endokrin vävnad. Den exokrina vävnaden utsöndrar en bukspottsaft rik på enzymer som hjälper till att bryta ner vår föda i mindre beståndsdelar. Den endokrina vävnaden insöndrar hormoner som hjälper till att reglera sockernivåerna i blodet. Det främsta hormonet som reglerar blodsockret är insulin, som bildas och insöndras från insulinceller. Insulincellerna är belägna i små ö-lika ansamlingar av celler som ligger utspridda i den exokrina vävnaden. Dessa cellöar, som utgör den endokrina delen av bukspottkörteln har fått namnet Langerhans öar efter Paul Langerhans, som 1869 upptäckte dem. Förutom insulincellerna finns det i öarna tre ytterligare celltyper: glukagonceller, somatostatinceller och pankreaspolypeptidceller. Dessa tre celltyper ligger som en krans runt om de i mitten belägna insulincellerna. Frisättningen av insulin från insulincellerna styrs av flera faktorer i kroppen, bla halten av socker i blodet, andra hormoner och signaler från nerver. Dessa faktorer kan efter kroppens behov styra insulincellernas produktion och frisättning av insulin. Diabetes uppstår vid brist på insulin (typ 1 diabetes, även benämnt insulin beroende diabetes) eller minskad känslighet för insulin i perifera vävnader (typ 2 diabetes, även benämnt icke insulin beroende diabetes eller åldersdiabetes). De Langerhanska öarna tar emot olika typer av nerver som förmedlar signaler till och från öarna med omgivningen och på detta sätt reglerar frisättningen av insulin. Dessa nerver kan indelas i huvudsakligen sympatiska och parasympatiska nerver, med olika inverkan på insulincellernas frisättning av insulin. Sympatiska nerver hämmar och parasympatiska nerver stimulerar frisättningen av insulin. Nerverna utövar sina effekter på öarna genom att de från nervändarna frisätter olika neuropeptider. Neuropeptider är en typ av budbärare, som överför signaler från nerverna till öcellerna.



I studier som utgör denna avhandling har vi undersökt uttrycket och lokalisationen av neuropeptiden NPY i Langerhans öar från olika djurslag, samt under utvecklingen av bukspottkörteln. I en djurexperimentell modell för typ 2 diabetes och i en insulin producerande cell linje har vi studerat hur aktiviteten i NPY genen (den kodande delen i arvsmassan för NPY) regleras. När en gen aktiveras skrivs den av (transkription) till ett budbärar ämne som kallas messenger RNA (mRNA). Detta mRNA används som en mall för produktion av protein (äggviteämne). I våra studier har vi huvudsakligen använt morfologiska (avbildande) tekniker med vars hjälp vi i vävnadssnitt från bukspottkörteln kunnat studera och bedöma lokalisation och uttryck av mRNA och protein i mikroskop.



NPY upptäcktes i hjärnvävnad från gris 1982 av svenska forskare (Tatemoto och medarbetare). NPY är medlem i en familj av peptider där även peptid YY (PYY) och pankreas polypeptid (PP) ingår. NPY återfinns framförallt i kroppens nervsystem och deltar i regleringen av en rad olika biologiska funktioner såsom, blodflöde, födointag, energibalans och frisättning av olika hormoner. I bukspottkörteln har NPY lokaliserats till sympatiska nerver kring blodkärl och i öar, medan de närbesläktade peptiderna PP och PYY finns i öceller. I tidigare studier har man visat att NPY hämmar frisättningen av insulin.



I arbete I studerade vi och jämförde inväxten av nerver i transplantat bestående av insulinceller med sådana som bestod av andra öceller. Vi fann att insulincelltransplantaten erhöll en riklig inväxt av ffa sympatiska, NPY-innehållande nerver medan transplantat bestående av andra öceller erhöll mycket få nerver. Detta tyder på att insulincellerna insöndrar ämnen som verkar attraherande på nervinväxten och att insulincellerna är viktiga för nervers förekomst i Langerhans öar.



I arbete II och IV undersökte vi lokalisationen av NPY i Langerhans öar från vuxen hamster och råtta. I båda djurslagen fann vi NPY-innehållande nerver i öarna. I hamster kunde vi dessutom visa att NPY bildas och lagras i somatostatinceller. Somatostatin hämmar frisättning av insulin och eftersom NPY kunde påvisas i dessa celler är det möjligt att NPY bidrar till denna hämning.



I arbete III följde vi uttrycket av NPY, PYY och PP i övävnad under råttans fosterutveckling. PYY återfanns på den 12:e dagen efter konception (djuren föds dag 21) i de första ursprungscellerna till Langerhans öar. Dag 16 började NPY uttryckas i ett mindre antal insulin producerande celler. Vi fann att antalet insulin- och NPY-innehållande öceller ökade kraftigt fram till födelsen. PP började bildas i öceller precis vid födelsen. Under denna senare del av fosterutvecklingen (dag 16-dag 21), då vi fann uttryck av NPY i öceller, är det sedan tidigare känt att nivåerna i blodet av glukokortikoid (ett steroid hormon) ökar kraftigt. Denna steroid är viktig för utmognaden av olika organ i kroppen. Exempelvis ger man till för tidigt födda barn glukokortikoider för att påskynda utmognaden av lungorna. Dessa höga nivåer av steroider sjunker emellertid snabbt efter födelsen. Med detta i åtanke fann vi intressant nog att NPY kort efter råttans födelse inte längre producerades i öceller utan återfanns enbart i nerver precis som i öarna hos vuxen råtta. Troligen kan produktionen av NPY i insulinceller under fosterutvecklingen ha betydelse för insulincellernas utmognad och för regleringen av insulin frisättning.



I arbete IV-VI behandlade vi vuxna råttor med dexametason som är en syntetisk glukokortikoid. Behandling med glukokortikoider minskar känsligheten för insulin i perifera vävnader vilket gör att kroppen upplever att det är brist på insulin. Detta leder i sin tur till en ökad belastning på insulincellerna att producera och frisätta mer insulin för att kompensera "bristen" av insulin. Den här situationen liknar till stor del den vid typ 2 diabetes. Efter behandling av vuxna råttor med dexametason fann vi att NPY produceras och lagras i insulinceller till skillnad från normala råttor där NPY ses enbart i nerver. Denna produktion av NPY i insulinceller befanns vara snabbt reversibel efter avslutad behandling med dexametason (arbete V). Vidare fann vi att samtidig behandling med dexametason och insulin (arbete V) eller 6-hydroxydopamin (6-OHDA; ett neurotoxiskt ämne som förstör de sympatiska nerverna) (arbete VI) kraftigt minskade uttrycket av NPY i insulinceller. Eftersom NPY produceras i insulinceller är det troligt att NPY kan verka lokalt i öarna och påverka insulincellerna själva (autokrin effekt) eller andra öceller (parakrin effekt). Detta resonemang styrks av tidigare studier där man påvisat bindningsställen (receptorer) i öarna för NPY. Våra fynd tyder på att uttrycket av NPY i insulinceller är beroende av kontinuerligt höga nivåer av glukokortikoider och att minskad belastning på insulincellerna genom tilförsel av insulin eller genom att ta bort de sympatiska nerverna hämmar detta uttryck.



I arbete VII använde vi oss av en insulincell linje för att kunna se om insulinceller i en väl definierad miljö utan inverkan av andra hormoner insöndrade från andra öceller reagerar på glukokortikoider med produktion av NPY. Cellerna uppvisade en tidsberoende ökning av mängden NPY mRNA och av frisatt NPY efter behandling med dexametason. Dock var det endast ett fåtal celler som uppvisade lagring av NPY vilket tyder på en snabb frisättning av den bildade peptiden. NPY kunde inte påvisas i obehandlade celler. Vi fann att frisättningen av insulin och NPY skilde sig åt. Stimulering av insulincellerna uppvisade en ökad, kalciumberoende frisättning av insulin till skillnad från frisättning av NPY som inte ändrades vid stimulering och inte var beroende av kalcium. Detta tyder på att frisättning av NPY är kontinuerlig och inte reglerad som för insulin.



Sammanfattningsvis har våra studier visat att insulinceller är av betydelse för nervinväxt i Langerhans öar. Vidare har vi visat att NPY som tidigare påvisats endast i nerver i Langerhans öar även uttrycks i öceller under vissa betingelser. Vi har studerat aktiviteten av NPY genen och dess protein under fosterutvecklingen av bukspottkörteln och vid diabetes hos försöksdjur; dessa fynd styrker att NPY kan vara av betydelse för utmognaden av insulinceller och vid uppkomsten av typ 2 diabetes. I en insulincell linje har vi påvisat uttryck av NPY i dessa celler efter behandling med glukokortikoider samt att frisättningen av NPY och insulin skiljer sig åt.

• author: Myrsén Axcrona, Ulrika
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: MD, PhD Sandler, Stellan, Department of Medical Cell Biology, Biomedicum, Uppsala University, Uppsala, Sweden
• organization: Neuroendocrine Cell Biology (research group)
• publishing date: 1997
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cell and Molecular Biology
• keywords: Endocrinology, regulatory peptides, diabetes, glucocorticoids, beta cell, islet hormones, neuropeptide Y, insulin, secreting systems, diabetology, Endokrinologi, sekretion, diabetologi
• pages: 160 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neuroscience Center, Sölvegatan 17, Lund, Sweden
• defense date: 1997-10-03 09:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEFN--97/13--SE
• ISBN: 91-628-2614-X
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Neuroendocrine Cell Biology (013241501), Neuroendocrine Cell Biology (013212008)
• id: ae097819-80f4-446b-a3db-1a8687ee891a (old id 29493)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:12:06
• date last changed: 2018-11-21 20:57:24