Expression of Islet Amyloid Polypeptide - Localization and regulation in the pancreatic islets, gastrointestinal tract and sensory nervous system.

Abstract

Islet amyloid polypeptide (IAPP; also named ”amylin”) is a member of the calcitonin superfamily of peptides, displaying the closest structural relationship to the neuropeptide calcitonin gene-related peptide (CGRP). It is expressed in islet beta-cells and forms islet amyloid in type 2 diabetic patients. IAPP may restrain release and peripheral actions of insulin. Thus, IAPP has been implicated in the pathogenesis of type 2 diabetes. By examinations of tissue-specific expression of IAPP and its regulation under normal and experimental conditions, we aimed to illuminate a possible role of IAPP.



IAPP was expressed in islet beta-cells in nearly all species examined; in some species IAPP occurred also in delta-cells. IAPP expression was of early onset during embryonic islet development. In vivo, we found a parallel regulation of IAPP and insulin expression by administration of glucose. These findings agree with a role for IAPP in glucose homeostasis by autocrine/paracrine regulation of islet function as well as by endocrine secretion.



Following dexamethasone treatment of rats, a model for type 2 diabetes, we found a non-parallel expression of IAPP and insulin; in relative terms, IAPP was over-expressed compared with insulin. In rodents given streptozotocin or alloxan, conferring beta-cell depletion reminiscent of type 1 diabetes, IAPP expression was consistently less impaired than that of insulin. These studies show that IAPP and insulin gene expression are differentially regulated. Apparently, beta-cell stress, regardless of ethiology, results in over-expression of IAPP.



IAPP was also found to be expressed in the gastrointestinal tract in a region- and species-dependent manner; when present, IAPP expression was most abundant proximally, occurring in somatostatin and gastrin cells. Also gastrointestinal IAPP expression was of early embryonic onset. In vitro, IAPP relaxed pre-contracted gut musculature.



In the sensory nervous system IAPP was expressed in CGRP neurons and displayed a distribution typical of sensory neuropeptides. Upon sciatic axotomy, IAPP and CGRP expression were co-ordinately downregulated. In contrast, following adjuvant-induced rat paw inflammation, IAPP expression was upregulated in innervating neurons, indicating that IAPP may play a role in neurogenic inflammation.



In conclusion, our studies have expanded the view of IAPP as an exclusive islet hormone to become a ”classical” neurohormonal peptide, with several endocrine and neuronal expression sites. The studies on the regulation of islet IAPP and insulin expression in response to glucose and in experimental diabetes may form the basis for an understanding of the role of IAPP in diabetes. Provided that the amyloidogenic mechanisms and metabolic effects of IAPP are elucidated, an over-expression of IAPP may prove to be relevant for diabetes development.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Därför får man sockersjuka (Felix Mulder, 6 år): ”Det är inte bra att äta för mycket socker. Socker är vasst och skär sönder blodkropparna. Då kan man inte göra insulin och man blir sjuk.”



Islet amyloid polypeptide (förkortat: IAPP) är ett medelstort äggviteämne - peptid - som upptäcktes 1986 av Per Westermark i Uppsala. Denna upptäckt har en intressant bakgrund. Det har varit känt sedan seklets början att individer med typ 2 diabetes, även kallad åldersdiabetes, har inlagringar av amyloid kring sina insulin-producerande celler; dessa celler är belägna i cellöar i bukspottkörteln som kallas Langerhanska öar. Amyloidos innebär att äggviteämnen på ett onormalt sätt blir olösliga och inlagras på olika platser. Amyloidbildningen sker ofta på den plats där äggviteämnet produceras och tros skada celler. Westermark lyckades extrahera amyloid ur vävnad från en insulin-producerande tumör och kunde därefter identifiera äggviteämnet som utgjorde amyloiden. Det var en peptid, som sedermera döptes till IAPP och som produceras i insulin cellerna. Vidare fann man att den till hälften var identisk med en tidigare känd peptid, calcitonin gen-relaterad peptid. Calcitonin gen-relaterad peptid tillhör en grupp av peptider som benämns neuropeptider. Neuropeptider är en typ av budbärarämnen (transmittor eller hormon) som finns i neuroendokrina celler; dessa celler förekommer, som namnet antyder, både i nervsystemet och i det endokrina systemet och insulin cellerna tillhör dessa.



IAPP blev tidigt föremål för ett stort forskningsintresse av flera anledningar. Eftersom man har spekulerat i att amyloiden kring insulin cellerna vid typ 2 diabetes kan ingå i uppkomstmekanismerna till sjukdomen, är det angeläget att ta reda på hur denna amyloid uppkommer. Vidare, eftersom IAPP produceras i insulin celler har man antagit att den också är ett budbärarämne i insulin cellen. En sådan budbärare kan dels verka lokalt kring insulin cellerna - auto/parakrina mekanismer - eller insöndras till blodet - endokrina mekanismer - och verka som ett hormon genom att påverka andra vävnader i kroppen. Även om alla resultat inte är entydiga, har många studier visat att IAPP kan motverka vissa av insulins effekter; man har funnit en minskad frisättning av insulin när IAPP tillsätts och man har observerat en minskad effekt av insulin i närvaro av IAPP. Man skulle kunna uttrycka det som att IAPP är en ”inbyggd broms” för insulin. Om en sådan ”broms” är för hårt åtdragen hos en individ som löper risk att utveckla typ 2 diabetes kan det var negativt.



Studierna som utgör denna avhandling har koncentrerats på två aspekter av IAPP. Vi har undersökt i vilka vävnader och celler IAPP produceras och lagras. Sådan kunskap utgör en grund för att förstå hur och varför IAPP har effekter. I försöksdjur har vi studerat hur aktiviteten i IAPP genen regleras under normala och sjukliga förhållanden; en aktivering av en gen resulterar oftast i att det protein, för vilket genen innehåller koden, produceras av den aktiverade cellen. För att göra dessa studier har vi i huvudsak använt avbildande (morfologiska) metoder och vi har analyserat våra resultat i mikroskop. IAPP - äggviteämnet - har identifierats och lokaliserats i vävnadssnitt med antikroppar som binder till IAPP. Aktiviteten av IAPP genen har bestämts med in situ hybridisering. När en gen aktiveras ”skrivs den av” (transkription) till ett budbärarämne i cellen som kallas messenger RNA (mRNA). Ett unikt mRNA skrivs av från varje gen och används som mall för produktion av det tillhörande äggviteämnet; med in situ hybridisering kan mRNA lokaliseras och mätas i vävnadssnitt.



I arbete I visar vi att IAPP produceras och lagras i insulin celler i de Langerhanska öarna hos råtta. Dessutom produceras och lagras IAPP i celler som finns i periferin av öarna, s.k. delta-celler eller somatostatin celler. Somatostatin hämmar frisättning av insulin och eftersom IAPP nu kan visas också i dessa celler är det möjligt att IAPP bidrar till denna hämning. I arbete II har vi studerat förekomsten av IAPP i Langerhanska öar hos en rad olika arter. Således fann vi förekomst av IAPP hos kyckling, mus, råtta, hamster, marsvin, iller, kanin, katt, hund, gris och människa. Hos groda, padda och får kunde vi inte påvisa IAPP i öar; vi tror att det beror på att våra antikroppar inte känner igen formen av IAPP hos får. Groda, men inte padda, hade IAPP i mag-tarmkanalen, och därför är det mera troligt att dessa djur verkligen saknar IAPP i Langerhanska öar. Vi undersökte också när IAPP börjar produceras under fosterutvecklingen hos råtta. IAPP fanns på den 12:e dagen (djuren föds dag 21) efter konception i de första ursprungscellerna till Langerhanska öar, som man finner precis efter att de två anlagen till bukspottkörteln har smält samman. Att IAPP förekommer hos nästan alla arter vi har undersökt samt uppträder tidigt under fosterutvecklingen styrker att den är viktig för insulin cellen och dess funktion.



I arbete III-VII har vi studerat hur IAPP genen regleras av socker (glukos) och vid diabetes hos försöksdjur. Om råttor fastas i 48 h minskar mRNA för IAPP och insulin parallellt. Injiceras glukos i dessa djur ses en parallell ökning av mRNA för IAPP och insulin (arbete III). Dessa resultat visar att glukos reglerar aktiviteten i generna för IAPP och insulin på ett likartat sätt och är förenligt med att IAPP är viktigt för sockerbalansen i kroppen. I arbete IV behandlade vi råttor med dexamethasone, som är ett starkt kortisonpreparat. En sådan behandling minskar känsligheten för insulin i perifera vävnader och lever och belastningen på insulin cellerna ökar; detta liknar mycket situationen vid typ 2 diabetes. Vi fann en kraftigare ökning av IAPP mRNA än av insulin mRNA; samma fenomen påträffades när vi mätte innehållet av IAPP och insulin (äggviteämnen) i bukspottkörtelvävnad. Detta betyder att svaret från IAPP genen är förhållandevis kraftigare än det från insulin genen. I arbete V-VII har vi studerat regleringen av IAPP genen i försöksdjur där vi har inducerat diabetes genom att ge ett cellgift som förstör insulin celler; denna model påminner om typ 1 diabetes. Vi fann att IAPP mRNA, relativt sett, var högre i de kvarvarande insulin cellerna än insulin mRNA. Det innebär att IAPP mRNA minskar totalt sett mindre än insulin mRNA. Dessa förändringar sker oberoende om man studerar djuren i en akut eller kronisk fas av diabetes; förändringarna accentueras om man behandlar råttorna med insulin. Således, eftersom IAPP kan minska känsligheten för och frisättningen av insulin är detta ogynnsamt vid diabetes. Därför kan den reglering av IAPP genen vi har beskrivit vara delaktig i utveckling av diabetes.



I arbete VIII visar vi att IAPP också produceras och lagras i endokrina celler i magslemhinnan hos mus och råtta. Förekomsten av IAPP i mag-tarmkanalen är mera varierande mellan olika arter än förekomsten i Langerhanska öar (arbete II). Vi fann IAPP i mag-tarmkanalen hos groda, kyckling, mus, råtta, hamster och människa. Under råttans fosterutvecklingen uppträder IAPP tidigt (dag 16). Vi fann att IAPP minskade den motoriska aktiviteten (tarmrörelser) i tarmmuskulatur. En möjlig funktion av IAPP i mag-tarmkanalen är att IAPP frisätts lokalt och hämmar motoriken i tarmen.



I arbete IX visar vi att IAPP produceras och lagras i nervceller. Dessa nervceller, som är neuroendokrina celler och tillhör det sensoriska nervsystemet, hittas i ganglier längs ryggmärgen. Cellerna innehåller också calcitonin gen-relaterad peptid. De tar emot känseltrådar (nervfibrer) från t.ex. hud, munnhåla, urinvägar och mag-tarmkanal; impulserna länkas till ryggmärgen och vidare till hjärnan. Man vet att bl.a. smärta förmedlas via dessa nervceller. För att ta reda på mer om vilken roll IAPP spelar i sensoriska nervceller har vi bestämt nivåer av IAPP mRNA efter nervskada (arbete X) och vid inflammation (arbete XI); i båda dessa situationer har neuropeptider visats vara av betydelse. Efter avskärning av ischias nerven hos råtta ser vi, i de ganglier som bidrar med nervtrådar till nerven, en minskning av såväl antalet nervceller som innehåller IAPP och calcitonin gen-relaterad peptid mRNA som nivåerna av mRNA i enskilda nervceller. Dessa förändringar ses redan efter tre dagar och kvarstår vid dag 30. Om man syr ihop nerven direkt efter nervavskärningen minskar dock inte nivåerna av mRNA i enskilda nervceller. Om man inducerar en inflammation kring ankelleden hos råtta ser man redan efter 12 h en ökning av antalet celler innehållande IAPP mRNA och deras nivåer av mRNA. Samma förändringar ses för calcitonin gen-relaterad peptid; förändringarna kommer något senare men kvarstår längre.



Sammanfattningsvis, våra studier över förekomsten av IAPP har vidgat bilden av denna peptid från att vara ett potentiellt insulin cellshormon till att vara en neuroendokrin peptid i vidare bemärkelse. Vi har studerat aktiviteten av IAPP genen som svar på förändringar i blodsockernivåerna i blodet och vid diabetes hos försöksdjur; dessa fynd styrker att IAPP spelar en roll i kontroll av sockerbalansen i kroppen och kan vara av betydelse för uppkomsten av typ 2 diabetes. Förekomsten av IAPP i sensoriska nervceller och ökningen av dess mRNA vid inflammation tyder på att IAPP är en neuropeptid som också kan spela en roll vid förnimmelse av smärta och vid inflammation.

• author: Mulder, Hindrik
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr Clark, Anne, University of Oxford, UK
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 1997
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cell and Molecular Biology
• keywords: sekretion, Endokrinologi, diabetologi, Endocrinology, secreting systems, diabetology
• pages: 179 pages
• defense location: Lecture room 6, Centralblocket, Lund University Hospital
• defense date: 1997-05-16 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEFN-08-SE
• ISBN: 91-628-2534-8
• 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 (013212008), Diabetes, Metabolism and Endocrinology (LUR000004)
• id: d5785830-8d4a-482f-a228-dedf81740be0 (old id 29287)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:31:40
• date last changed: 2020-04-30 02:20:14