Search for molecular and metabolic mechanisms contributing to impaired β-cell function

Abstract

Type 2 Diabetes (T2D) prevalence is growing to pandemic proportions worldwide. The link between genotype, environment and β-cell function is still being investigated. I have devoted the work presented in this thesis to attempt to elucidate the coupling of β-cell metabolism to insulin secretion and to look for casual mechanisms underlying metabolic alterations disturbing insulin secretion.

In paper I, we showed that tight coupling between glycolysis and mitochondrial metabolism is required for robust insulin secretion from β-cells by comparing two insulin secreting β-cell lines with good and poor glucose responsiveness, respectably. The cell line with poor glucose responsiveness showed increased lactate production and glycolytic flux but decreased ATP production, suggesting a disturbed coupling between glycolytic flux and mitochondrial glucose metabolism. Several metabolic genes that differed between the cell lines were found to correlate with HbA1c in human islets, reflecting long term glucose control.

In paper II, a metabolic profiling analysis showed that a metabolic shift towards less glucose responsiveness and more anaerobic metabolism was characteristic for cells with poor glucosestimulated insulin secretion. Also, the hypoxia-induced transcription factor HIF-1α was found to be more stabilized in poorly responsive cells. A comparison between healthy and

T2D human islets showed that this mechanism may be occurring in T2D humans as well.

In paper III, we examined palmitate-induced lipotoxicity in β-cells and found that cellular stress introduced by lipotoxicity directs metabolism more towards metabolism of lipids than of glucose. Together with this, the cells exhibited poor glucose responsiveness in intracellular metabolic flux and insulin secretion. Changes in metabolic flux were accompanied by changes in gene expression and increased expression of genes in the pathways of steroid biosynthesis, cell cycle, fatty acid metabolism, DNA replication, and biosynthesis of unsaturated fatty acids. Histone-modifying enzyme activity and histone modifications on the genes Insig1, Lss, Peci, Idi1, Hmgcs1 and Casr were found to be altered in a manner consistent with gene expression. This suggests the involvement of epigenetic regulations.

In conclusion, this thesis suggests that the coupling between glycolytic and mitochondrial flux is essential for the glucose sensitivity of the β-cell. Alterations in transcription factors or gene expression could be underlying disturbances of this coupling. It also shows that a diabetogenic environment with increased concentrations of fatty acids affects metabolic flux in these cells, something that is paralleled by an altered expression of metabolic genes. Finally, it suggests that epigenetic mechanisms could be involved in the regulation of these alterations.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Diabetes är en endokrin sjukdom som också kallas sockersjuka. Den kännetecknas av förhöjda mängder socker i blodet. Halten av socker i blodet, blodsockret, styrs av hormonet insulin, som produceras av β-celler i Langerhanska öar i bukspottskörteln. När insulin frisätts stimuleras muskler, fettväv och lever till att ta upp glukos ur blodet och lagra det. På så sätt sänks blodsockret.

Det finns två huvudsakliga former av diabetes, typ 1 och typ 2. Typ 1 diabetes drabbar främst barn och unga. Den orsakas av att det egna immunsystemet förstör de insulin-producerande β-cellerna i bukspottskörteln. Den andra sortens diabetes, typ 2, kallades förut åldersdiabetes. Denna beskrivning har nu frångåtts, delvis för att förekomst av typ 2 diabetes börjar krypa nedåt i åldrarna. Det höga blodsockret hos typ 2 diabetiker orsakas av en kombination av två mekanismer. Dels blir kroppens vävnader insulinresistenta, vilket innebär att de reagerar sämre på insulin. Fetma, inaktivitet och stigande ålder minskar insulinkänsligheten. β-cellerna blir även sämre på att skicka ut insulin när blodsockret är högt. Resultatet blir att den drabbades blodsocker stiger mer och mer tills diabetes slutligen utvecklas.

Förekomsten av typ 2 diabetes ökar just nu väldigt mycket över hela världen, så mycket att man nu talar om det som en hotande pandemi. Denna väldiga ökning diabetes beror paradoxalt nog på att levnadsstandarden blir högre i många delar av världen. Man talar ofta om en ”Western life style” vilket kännetecknas av ett stillasittande arbete, inaktivitet på fritiden och en kaloririk diet med mycket kolhydrater och fett. En sådan livsstil ökar risken för att drabbas av typ 2 diabetes.

Exakt vad som leder fram till att man utvecklar typ 2 diabetes är ännu inte helt klarlagt. De bakomliggande orsakerna är en kombination av ärftliga (genetiska) faktorer och miljöfaktorer, såsom diet och fysisk aktivitet. Generna är ritningarna till alla kroppens protein och de finns i vår genetiska kod, vårt DNA. När dessa ritningar kopieras för att proteiner skall kunna bildas säger man att generna uttrycks. De senaste fem åren har forskningen kring genetiska faktorer som ligger bakom typ 2 diabetes gjort stora framsteg. Man har identifierat 60 genetiska risktyper som går att koppla till ökad risk att utveckla diabetes. Men ännu finns mycket kvar att göra. Man vet till exempel att hur man lever kan påverka ens gener genom så kallade epigenetiska förändringar. Dessa förändrar genutrycket utan att ändra den genetiska koden men man vet inte hur det styrs eller hur mycket det påverkar. Man vet ännu inte hur den minskade förmågan att frisätta insulin uppstår eller ens exakt vilka faktorer som styr frisättningen av insulin. I min avhandling utforskar jag de mekanismer som styr frisättningen av insulin och faktorer som kan ligga bakom en rubbad insulinfrisättning. Jag har också fördjupat mig i de effekter som en diabetesframkallande (diabetogen) miljö kan ha på β-cellen. I samband med det har jag utforskat förändringar i uttryck av gener samt epigenetiska förändringar som kan ligga bakom dessa.

I delarbete I har jag tittat närmare på mekanismer som styr insulinfrisättning, och på vilka störningar som kan ligga bakom en minskad förmåga att frisätta insulin genom att jämföra två β-cell linjer. Den ena av dessa linjer är mycket bra på att frisätta insulin när man stimmulerar den med socker. Det sker på ett sätt som liknar det som händer i kroppen när man precis ätit något sött. Den andra är dålig på detta trots att de båda cellinjerna är nära besläktade. Eftersom det är svårt att få tag på mänsklig vävnad och eftersom det är mycket lättare att kontrollera miljön fullständigt när man studerar celler är cellinjer en bra modell att arbeta med.

Resultaten från delarbete I visar att en ökad anaerob (syreoberoende) ämnesomsättning (metabolism) ligger bakom den dåliga insulinfrisättningen. Detta tycks vara kopplat till att gener som gör det lättare att metabolisera socker är mera aktiva. Från detta kan vi sluta oss till att det är viktigt för β-cellen att den anaeroba delen av metabolismen är direkt kopplad till den aeroba (syreberoende) delen. När detta störs blir känsligheten för socker lägre. Vi visade att detta sker tillsammans med ändrat genuttryck av vissa metabola gener och att vissa av dessa gener även påverkade blodsockerkontroll i människor.

I delarbete II utökade vi jämförelsen av bra och dåliga β-celler med att försöka undersöka samtliga molekyler i ämnesomsättningen (metabolomet). Metabolomet omfattar de metaboliter, det vill säga ämnen, som utgör metabola vägar i cellerna. I detta arbete mätte vi halterna av 164 metaboliter samtidigt. Det visade sig att de celler som var bra på att frisätta insulin när sockerhalten ökade även ökade sina halter av metaboliter vid högt socker. Detta var särskilt tydligt för metaboliter i aerob metabolism. Vi visade att en faktor som kunde ligga bakom detta var proteinet HIF1α; det uttrycktes och reglerades i våra celler. HIF1α får cellerna att tro att det råder syrebrist och slå om till en ämnesomsättning som inte kräver syre, en anaerob metabolism. Genom att jämföra gener som är uttryckta i mänskliga Langerhanska öar från friska och från typ 2 diabetiker kunde vi se att HIF1α även kan finnas i ökade mängder i β-celler hos människor med typ 2 diabetes.

I delarbete III använde vi den cellinje som var bäst på att frisätta insulin eftersom denna mest liknar en frisk β-cell. Sedan undersökte vi hur dessa celler reagerar på en diabetogen miljö. Diabetiker och människor, som är insulinresistenta, har förhöjda halter av fria fettsyror i blodet. Man har sett att höga halter av fria fettsyror stör β-cellernas funktion. Det är fortfarande oklart vilka mekanismer som ligger bakom detta som slutligen kan tänkas leda till att typ 2 diabetes utvecklas. För att undersöka om en förhöjd halt av fettsyror kan vara en bidragande orsak studerade vi mekanismer som ligger bakom denna försämrade funktion. Vi utsatte celler för höga halter av fria fettsyror i 48 timmar; vi studerade också celler som fick återhämta sig i normalt medium efter att ha utsatts för fettsyror. Detta gjordes för att undersöka om cellerna ”kom ihåg” att de varit utsatta för fettsyror, det vill säga om de gett upphov till ett metabolt minne. Sedan mätte vi aktivitet i metabola vägar, metabolomet, uttryck av gener samt epigenetiska modifikationer.

Resultaten tydde på att celler som utsätts för fria fettsyror slår om sin metabolism från en som främst är inriktad på att behandla socker till en inriktad på att behandla fett. Detta gör att insulinfrisättningen vid ökade sockerhalter störs. Cellen åstadkommer detta med hjälp av ett ändrat uttryck av gener som reglerar metabola vägar. Dessa regleringar åtföljs av ändrade epigenetiska markeringar, vilket tyder på att epigenetisk reglering på grund av miljöpåverkan kan vara en faktor som ligger bakom försämrad insulinfrisättning. Vi hittade inga tecken på metabolt minne i cellerna.

Våra övergripande mål var således att undersöka mekanismer som styr insulinfrisättning från β-celler samt att undersöka vad som kan ligga bakom en försämrad frisättning. Vi visade att aerob metabolism är oumbärlig för en fungerande insulinfrisättning samt att mekanismer som ligger bakom försämringar i cellinjer även kan göra det i människor. Vi visade vidare att en diabetogen miljö med höga halter av fria fettsyror påverkar metabola vägar och att detta sker parallellt med ett ändrat genuttryck. Slutligen visade vi att epigenetiska mekanismer till viss del kan ligga bakom dessa förändringar. Jag hoppas de upptäckter vi har gjort på sikt kan leda till nya behandlingar av typ 2 diabetes.

• author: Malmgren, Siri
• supervisor: Charlotte Ling; Hindrik Mulder
• opponent: Professor Bergsten, Peter, Department of Medical Cell Biology, Uppsala University, Uppsala, Sweden
• organization: Diabetes - Molecular Metabolism (research group); Diabetes - Epigenetics (research group); EXODIAB: Excellence of Diabetes Research in Sweden
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Endocrinology and Diabetes
• keywords: HIF-1α, oxygen consumption, β-cell, Insulin secretion, Type 2 Diabetes, mitochondrial metabolism, metabolic profiling, Lipotoxicity, Histone acetylation, Histone methylation
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2012:91
• pages: 162 pages
• defense location: Jubileumsaulan, Jan Waldenströms gata 1, SUS i Malmö
• defense date: 2012-11-30 13:15:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87189-54-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 35db9f3e-387f-44aa-b7ef-8a4a36848ce5 (old id 3162173)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:49:47
• date last changed: 2023-04-18 20:06:24