Advanced

Studies in beta cells and adipocytes in the context of obesity and T2D - focusing on PDE3B, OPN and SCFAs

Heimann, Emilia LU (2014) In Lund University, Faculty of Medicine Doctoral dissertation Series 2014:73.
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Typ 2-diabetiker: söt som socker och rik på fett



Det finns flera olika varianter av diabetes och den mest förekommande är typ 2-diabetes (T2D). T2D kallades förr i dagligt tal åldersdiabetes, men numera drabbas individer i alla åldrar. Sjukdomen kännetecknas av förhöjda nivåer av socker och

fett i blodet, vilket beror på att kroppens celler har en nedsatt förmåga att tillgodose sitt energibehov. Bakomliggande orsaker förknippas med olika faktorer, till exempel genetisk bakgrund, ohälsosamma kostvanor och fysisk inaktivitet. Individer med fetma har en ökad fettansamling, som i vissa fall är förknippad med

allvarliga hälsoproblem, såsom nedsatt förmåga att ta... (More)
Popular Abstract in Swedish

Typ 2-diabetiker: söt som socker och rik på fett



Det finns flera olika varianter av diabetes och den mest förekommande är typ 2-diabetes (T2D). T2D kallades förr i dagligt tal åldersdiabetes, men numera drabbas individer i alla åldrar. Sjukdomen kännetecknas av förhöjda nivåer av socker och

fett i blodet, vilket beror på att kroppens celler har en nedsatt förmåga att tillgodose sitt energibehov. Bakomliggande orsaker förknippas med olika faktorer, till exempel genetisk bakgrund, ohälsosamma kostvanor och fysisk inaktivitet. Individer med fetma har en ökad fettansamling, som i vissa fall är förknippad med

allvarliga hälsoproblem, såsom nedsatt förmåga att ta upp socker i närvaro av insulin och uppkomst av T2D. Det är inte helt klarlagt vad som orsakar den starka kopplingen mellan fetma och T2D, men fettinlagring i vävnader som inte är ämnade att lagra fett, exempelvis lever och muskulatur, samt kronisk inflammation

och förändrade nivåer av cirkulerande hormoner som härrör från fettväven antas vara bidragande faktorer.

Betacellen fungerar som en sensor som känner av blodsockernivån och därefter frisätter en viss mängd insulin för att justera blodsockret efter en måltid. Insulin har en livsnödvändig roll då kroppens celler tillgodoser energibehovet genom att

understöjda energiupptag och lagring av socker som glykogen i lever och skelettmuskulatur, samt fett som triacylglyceroler i fettväven. Samtidigt som det sker en lagring av energi dämpar insulin nedbrytningen av de energilager som redan finns. Eftersom socker är en av de viktigaste energikällorna för kroppen, och

dessutom den enda energikällan för hjärnan, är det viktigt att upprätthålla en stabil sockernivå i blodet. När nivåerna av socker sjunker i blodet återställs sockerbalansen genom att alfacellerna i bukspottkörteln utsöndrar glukagon, som

stimulerar levern att frigöra lagrat socker till blodbanan. Hos diabetiker utsöndras inte insulin i tillräckliga mängder och det insulin som cirkulerar i blodbanan har en

försämrad verkan i fettväv, lever och muskulatur. Den ökade frisättningen av fettsyror och den vid fetma förändrade hormonella utsöndringen från fettväven bidrar till inflammation, och till att insulinkänsligheten försämras ytterligare.



Studier i de Langerhanska öarna och i betaceller



I bukspottkörteln finns det olika sorters celler som bildar grupperingar, så kallade Langerhanska öar. Betacellen är en av flera celltyper i de Langerhanska öarna och är som tidigare beskrivits den cell som producerar insulin. I första och andra

delarbetet har de Langerhanska öarna tagits ut från bukspottkörteln och använts för att bland annat studera hur ett flertal enzymer och proteiner påverkas under olika betingelser. Eftersom vi främst är intresserade av att studera betacellen, har vi även använt oss utav odlade celler som efterliknar betacellens förmåga att

producera insulin.



Konsten att kontrollera PDE3B (delarbete I)



När sockernivån ökar i blodet, vilket sker efter en måltid, känner betacellerna av det, vilket resulterar i att en signaleringsväg aktiveras inne i cellen som slutligen leder till insulinutsöndring i blodet. I betacellen finns även andra signaleringsvägar

som ytterligare förstärker frisättningen av insulin. cAMP är en signalmolekyl som till exempel förstärker effekten av insulinfrisättningen genom att signalera till

andra molekyler i de olika signaleringsvägarna. Enzymer fungerar som

katalysatorer genom att öka eller minska hastigheten på kemiska reaktioner och på så vis omvandla ett ämne till ett annat i cellen. För att kontrollera nivåerna av cAMP, finns det särskilda enzymer, så kallade fosfodiesteraser (PDE), som har till

uppgift att ombilda cAMP till ett annat ämne. Fosfodiesteraser består av en stor grupp närbesläktade proteiner som är indelade i

elva olika familjer (PDE1-11). Ett särskilt fokus har tilldelats familjen PDE3 i betacellen, där den specifika familjemedlemmen PDE3B har studerats i detalj. Man har i tidigare studier konstaterat att PDE3B är involverat i regleringen av

insulinutsöndringen från betacellen. Det är därför betydelsefullt att ta reda på hur PDE3B kan styras för att det i sin tur ska kunna påverka nivåerna av signalmolekylen cAMP. I de studier vi har bedrivit fann vi att PDE3B aktiverades,

vilket leder till ökad ombildning av cAMP, i närvaro av bland annat socker, insulin och förhöjda nivåer av cAMP. Vi studerade vidare ifall aktivering av PDE3B var kopplat till fosforylering av enzymet, vilket innebär att en fosfatgrupp

sätts fast på specifika ställen på PDE3B. Det visade sig att aktivering av PDE3B sammanföll med varierande grad av fosforylering. Som tidigare omnämnts är PDE3B i sitt aktiva tillstånd benägen att bryta ner cAMP i betacellen. Att på ett

fördjupat plan förstå hur olika betingelser kan styra PDE3B till ett mer eller mindre aktivt läge är betydelsefullt, eftersom en dämpad aktivitet av PDE3B leder till en ökad frisättning av insulin. Vidare studier krävs för att utreda vilka specifika

proteiner som styr PDE3B eftersom det kan ha betydelse för regleringen av cAMP och därmed insulinfrisättningen.



PDE-familjernas existens i människans Langerhanska öar (delarbete I)



Tidigare studier har visat att andra medlemmar inom de olika PDE-familjerna har benägenhet att påverka insulinfrisättningen, eftersom en hämmad aktivitet av de olika PDE-medlemmarna ger en ökad utsöndring av insulin. Men med den begränsade tillgången till humant material, är det få studier som visar existensen

av PDE-familjerna i de Langerhanska öarna från enskilda individer. Genom tillgång till Langerhanska öar från det nordiska nätverket för klinisk ötransplantation,som forskarna inom ”Lund University Diabetes Centre” (LUDC) har ett nära samarbete med, fick vi möjlighet att studera ett urval av PDEfamiljerna

i material från människor. Vi fann att PDE1, PDE3 och PDE4 är i aktivt läge och att de mer specifika PDE-medlemmarna PDE4C, PDE7A, PDE8A och PDE10A existerar i de Langerhanska öarna. Vidare studier krävs för att utreda hur dessa PDE-medlemmar kan styras i betacellen.



Den sociala sfären för PDE3B (delarbete II)



Den roll som PDE3B har i betacellen har tidigare studerats i en specifik mus med förhöjda nivåer av PDE3B i betacellerna, vilket leder till att en mindre mängd insulin frisätts till blodet. I musens Langerhanska öar syns också en uttalad förändring med tanke på hur de olika celltyperna är lokaliserade, vilket kan påverka frisättningen av olika hormoner, t.ex. insulin, negativt. Musen är också mer benägen att utveckla insulinresistens (sämre verkan av insulin i målvävnaderna), och den har onormalt höga nivåer av socker i blodet efter att ha fått en diet rik på fett. Vi har studerat den information som behövs för tillverkning

av proteiner för att utreda hur förhöjda nivåer av PDE3B kan påverka den inre miljön i betacellen. Resultatet visade att den specifika informationen för proteinet osteopontin fanns i större mängder i möss med förhöjda nivåer av PDE3B. Osteopontin identifierades för första gången i ben (gr. osteon, ”ben” och lat. pons,”bro”). I andra studier har man visat att osteopontin är kopplat till olika komplikationer vid diabetes, och i betacellen skyddar den till exempel mot giftiga ämnen som kan påverka vår arvsmassa negativt. Att osteopontin just är ett brobyggande protein fick vi konstaterat i arbetet, osteopontin socialiserar nämligen

med PDE3B i ett stort nätverk av proteiner. Vi fann även att mängden PDE3B och OPN följdes åt i olika miljöer. Vidare studier krävs för att utreda hur väl PDE3B och OPN samverkar i betacellen.



Studier i fettceller



I kroppen finns det olika sorters fettdepåer, som antingen är belägna under huden (underhudsfett) eller kring de inre organen och i bukhålan (visceralt fett). Fettdepåer utgör både ett isolerande och mekaniskt skydd samt tillgodogör

kroppen med den energi som finns lagrad i fettcellerna (även kallade adipocyter). I delarbete III har vi tagit ut fettdepån runt bitestikeln från råtta och isolerat fettceller för att studera hur olika komponenter från födan kan påverka kroppens energireserv.



Rätt fett gör dig nätt (delarbete III)



Överviktiga med ökade nivåer av fettsyror i blodbanan har ofta en försämrad verkan av insulin vid sockerupptag till cellerna, och löper därför större risk att utveckla T2D. Men med förbättrade levnadsvanor, där en balanserad kost och aktivt liv står i fokus, kan man förbättra hälsan avsevärt och till och med i vissa

fall utesluta medicinering och tillförsel av insulin.

Det är till exempel väl etablerat att ett högt kostfiberintag förbättrar ämnesomsättningen genom att till exempel sänka socker- och kolesterolnivåerna i blodet. Kostfiber består av kolhydrater som inte är tillgängliga för nedbrytning i tunntarmen. I tjocktarmen däremot tas kostfiber väl om hand av bakterier, vilket

resulterar i att kortkedjiga fettsyror produceras. Det finns ett flertal varianter på kortkedjiga fettsyror, men de vanligaste är ättiksyra, propionsyra och smörsyra. Ett flertal studier indikerar att det är de korta fettsyrorna som har de hälsobringande

effekterna på kroppen, snarare än kostfiber i sin helhet. Det har till exempel visats sig att de kortkedjiga fettsyrorna skyddar mot djurfetma, vilket även åtföljs av lägre nivåer av socker och fett i blodbanan. Huruvida de kortkedjiga fettsyrorna

påverkar olika målvävnader, såsom muskulatur och fettväv i kroppen är inte helt klarlagt. I delarbete III har vi därför studerat effekterna av propionsyra och smörsyra på fettcellens förmåga att hantera sockerupptag och mobilisera energi i form av fettsyror. Våra fynd visar att kortkedjiga fettsyror hämmar både

produktion av långa fettsyror och nedbrytning av triacylglyceroler, vilket i det långa loppet skulle ge lägre nivåer av fettsyror i blodbanan. Att öka förmågan hos

fettcellerna att hämma nedbrytningen av fett är viktigt med tanke på att ökade nivåer av fettsyror i blodbanan försämrar kroppens insulinkänslighet och leder till fettansamling i andra organ än i fettväven. De kortkedjiga fettsyrorna förbättrade

även insulinets förmåga att stimulera upptag av socker till fettcellerna, en mekanism som är försämrad hos individer med fetma och T2D. Det kvarstår att utreda hur de kortkedjiga fettsyrorna på ett mer detaljerat plan påverkar fettcellens förmåga att lagra och mobilisera energi till kroppens övriga vävnader. De gynnsamma effekterna som uppvisats för de kortkedjiga fettsyrorna inger däremot en förhoppning att i framtiden kunna utveckla läkemedel för att förhindra uppkomst av övervikt och T2D.



Sammanfattning



Sammanfattningsvis har studier bedrivits för att utreda uttryck och reglering av olika PDE-medlemmar samt för att finna kopplingar mellan PDE3B och andra proteiner som inverkar på betacellens funktion, vilken är att upprätthålla en fungerande insulinfrisättning. Vidare gjordes studier i fettceller för att utreda kortkedjiga fettsyrornas effekter på mobilisering och lagring av energi. Detta är framför allt aktuellt för många överviktiga och diabetiker, eftersom de är i allra

högsta grad ”söta som socker och rika på fett” och därmed i första hand behöver förbättra sitt energiupptag. (Less)
Abstract
Type 2 diabetes (T2D) is a heterogeneous disease characterized by altered lipid

parameters and elevated glucose levels, as a direct consequence of impaired

insulin signaling in target tissues and reduced insulin exocytosis from pancreatic

β-cells. Obesity, which dramatically increases worldwide, is associated with

insulin resistance and T2D. In this thesis, we elucidate the effects of hormones and

nutrients on biological responses and regulatory mechanisms in pancreatic β-cells

and adipocytes. The information is scarce with regard to the regulation of cyclic

nucleotide phosphodiesterase 3B (PDE3B) in pancreatic β-cells. We show that

PDE3B is activated in response to... (More)
Type 2 diabetes (T2D) is a heterogeneous disease characterized by altered lipid

parameters and elevated glucose levels, as a direct consequence of impaired

insulin signaling in target tissues and reduced insulin exocytosis from pancreatic

β-cells. Obesity, which dramatically increases worldwide, is associated with

insulin resistance and T2D. In this thesis, we elucidate the effects of hormones and

nutrients on biological responses and regulatory mechanisms in pancreatic β-cells

and adipocytes. The information is scarce with regard to the regulation of cyclic

nucleotide phosphodiesterase 3B (PDE3B) in pancreatic β-cells. We show that

PDE3B is activated in response to glucose, insulin and forskolin, which is coupled

to a decrease, no apparent change or an increase in total phosphorylation of the

enzyme in rat pancreatic β-cells. Furthermore, PDE1A, PDE3, PDE4C, PDE5A,

PDE7A, PDE7B, PDE8A, PDE10A and PDE11A are detected in human

pancreatic islets. Islets from RIP-PDE3B mice, exhibiting β-cell specific

overexpression of the cAMP-degrading enzyme phosphodiesterase 3B (PDE3B)

and dysregulated insulin secretion, show induced OPN protein expression. In

addition, in silico and functional approaches demonstrate that PDE3B and OPN

are connected and follow a similar protein expression pattern in response to e.g.

cAMP-elevating agents and insulin. Little is known regarding the direct effects of

short-chain fatty acids (SCFAs), produced through bacterial fermentation of

dietary fibers, on glucose and lipid metabolism in adipocytes. We show that the

SCFAs propionic acid and butyric acid inhibit cAMP-stimulated lipolysis, a

mechanism that is not dependent on the cAMP-degrading enzyme PDE3B.

Moreover, both SCFAs inhibit basal and insulin-stimulated de novo lipogenesis,

which is associated with increased phosphorylation of acetyl CoA carboxylase, the

rate-limiting enzyme in fatty acid synthesis. Propionic acid and butyric acid are

also able to potentiate insulin-stimulated glucose uptake.

In summary, we demonstrate that agents relevant for β-cell function regulate

PDE3B activity and phosphorylation levels. Based on several strategies, we

demonstrate a connection between PDE3B and OPN, the latter having a protective

role in pancreatic β-cells. Further investigations are required to identify

downstream targets of PDE3B that are involved in the regulation of insulin

exocytosis and also to elucidate the relationship with OPN. Moreover, several

PDEs are present in human pancreatic islets. The majority of these PDEs have

been described as insulin secretagogues in animal models and it is thus promising

to also confirm their presence in humans, as it can be advantageous for the

8

treatment of T2D. SCFAs inhibit fatty acid mobilization and potentiates insulininduced

glucose uptake; observed effects that might be beneficial for preventing

ectopic lipid accumulation, lipotoxicity and insulin resistance. Thus, it remains to

be verified if anti-obesity properties can be conferred to SCFAs. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Barg, Sebastian, Uppsala University
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Obesity, type 2 diabetes, islets of Langerhans, adipocytes, PDE3B, OPN, SCFAs
in
Lund University, Faculty of Medicine Doctoral dissertation Series
volume
2014:73
pages
150 pages
publisher
Insulin Signal Transduction
defense location
Grubb lecture hall, BMC, Sölvegatan 19, Lund
defense date
2014-06-04 09:00
ISSN
1652-8220
ISBN
978-91-7619-002-9
language
English
LU publication?
yes
id
c3a53609-2361-455e-a5fc-810dabfac6f3 (old id 4437821)
date added to LUP
2014-05-20 14:04:17
date last changed
2016-09-19 08:44:47
@phdthesis{c3a53609-2361-455e-a5fc-810dabfac6f3,
  abstract     = {Type 2 diabetes (T2D) is a heterogeneous disease characterized by altered lipid<br/><br>
parameters and elevated glucose levels, as a direct consequence of impaired<br/><br>
insulin signaling in target tissues and reduced insulin exocytosis from pancreatic<br/><br>
β-cells. Obesity, which dramatically increases worldwide, is associated with<br/><br>
insulin resistance and T2D. In this thesis, we elucidate the effects of hormones and<br/><br>
nutrients on biological responses and regulatory mechanisms in pancreatic β-cells<br/><br>
and adipocytes. The information is scarce with regard to the regulation of cyclic<br/><br>
nucleotide phosphodiesterase 3B (PDE3B) in pancreatic β-cells. We show that<br/><br>
PDE3B is activated in response to glucose, insulin and forskolin, which is coupled<br/><br>
to a decrease, no apparent change or an increase in total phosphorylation of the<br/><br>
enzyme in rat pancreatic β-cells. Furthermore, PDE1A, PDE3, PDE4C, PDE5A,<br/><br>
PDE7A, PDE7B, PDE8A, PDE10A and PDE11A are detected in human<br/><br>
pancreatic islets. Islets from RIP-PDE3B mice, exhibiting β-cell specific<br/><br>
overexpression of the cAMP-degrading enzyme phosphodiesterase 3B (PDE3B)<br/><br>
and dysregulated insulin secretion, show induced OPN protein expression. In<br/><br>
addition, in silico and functional approaches demonstrate that PDE3B and OPN<br/><br>
are connected and follow a similar protein expression pattern in response to e.g.<br/><br>
cAMP-elevating agents and insulin. Little is known regarding the direct effects of<br/><br>
short-chain fatty acids (SCFAs), produced through bacterial fermentation of<br/><br>
dietary fibers, on glucose and lipid metabolism in adipocytes. We show that the<br/><br>
SCFAs propionic acid and butyric acid inhibit cAMP-stimulated lipolysis, a<br/><br>
mechanism that is not dependent on the cAMP-degrading enzyme PDE3B.<br/><br>
Moreover, both SCFAs inhibit basal and insulin-stimulated de novo lipogenesis,<br/><br>
which is associated with increased phosphorylation of acetyl CoA carboxylase, the<br/><br>
rate-limiting enzyme in fatty acid synthesis. Propionic acid and butyric acid are<br/><br>
also able to potentiate insulin-stimulated glucose uptake.<br/><br>
In summary, we demonstrate that agents relevant for β-cell function regulate<br/><br>
PDE3B activity and phosphorylation levels. Based on several strategies, we<br/><br>
demonstrate a connection between PDE3B and OPN, the latter having a protective<br/><br>
role in pancreatic β-cells. Further investigations are required to identify<br/><br>
downstream targets of PDE3B that are involved in the regulation of insulin<br/><br>
exocytosis and also to elucidate the relationship with OPN. Moreover, several<br/><br>
PDEs are present in human pancreatic islets. The majority of these PDEs have<br/><br>
been described as insulin secretagogues in animal models and it is thus promising<br/><br>
to also confirm their presence in humans, as it can be advantageous for the<br/><br>
8<br/><br>
treatment of T2D. SCFAs inhibit fatty acid mobilization and potentiates insulininduced<br/><br>
glucose uptake; observed effects that might be beneficial for preventing<br/><br>
ectopic lipid accumulation, lipotoxicity and insulin resistance. Thus, it remains to<br/><br>
be verified if anti-obesity properties can be conferred to SCFAs.},
  author       = {Heimann, Emilia},
  isbn         = {978-91-7619-002-9},
  issn         = {1652-8220},
  keyword      = {Obesity,type 2 diabetes,islets of Langerhans,adipocytes,PDE3B,OPN,SCFAs},
  language     = {eng},
  pages        = {150},
  publisher    = {Insulin Signal Transduction},
  school       = {Lund University},
  series       = {Lund University, Faculty of Medicine Doctoral dissertation Series},
  title        = {Studies in beta cells and adipocytes in the context of obesity and T2D - focusing on PDE3B, OPN and SCFAs},
  volume       = {2014:73},
  year         = {2014},
}