On Cholecystokinin and Phospholipase A2 in Insulin Secretion - an Experimental Study With Reference to the Development of Diabetes

Abstract

In view of unsolved issues regarding cellular events underlying the adaptation of insulin secretion to insulin resistance, together with the observation that insulin secretion induced by the gastrointestinal hormone and neuropeptide cholecystokinin (CCK) is not solely explained by phospholipase C-protein kinase C (PLC-PKC) pathway activation, this study aimed at delineate mechanisms responsible for the hyperinsulinemia in insulin resistance, with particular attention paid to the action of glucose vs. non-glucose secretagogues, such as CCK. In glucose-intolerant and insulin-resistant high-fat diet-fed C57BL/6J mice, glucose-stimulated insulin secretion was impaired both in vivo and in vitro, whereas non-glucose-stimulated insulin secretion, by CCK or carbachol, was potentiated, revealing an important role of non-glucose secretagogues in islet adaptation to insulin resistance. Furthermore, in isolated rat islets, CCK induced activation of phospholipase A2 (PLA2), both in the presence and absence of extracellular Ca2+, indicating that CCK activates both the Ca2+-dependent and the Ca2+-independent forms of PLA2. This ability differed from that of the cholinergic agonist carbachol, which was unable to stimulate PLA2 in the absence of Ca2+. Moreover, the PLA2-activating capacity of CCK was partially dependent on PKC, whereas it was independent of the cyclooxygenase and lipoxygenase pathways. In addition, the CCK-stimulated PLA2 stimulation was decreased by activation of the cyclic AMP-protein kinase A (cAMP-PKA) pathway, which also reduced an expected CCK-induced potentiation of insulin secretion. Finally, in islets from high-fat diet-fed C57BL/6J mice, CCK-induced activation of PLA2 was exaggerated. Thus, in conclusion, these studies suggest that (i) insulin resistance increases the islet sensitivity to non-glucose stimuli. such as CCK, (ii) that the islet PLA2 signalling pathway is involved in the insulinotropic action of CCK, and (iii) that insulin resistance causes an enhanced CCK-induced activation of islet PLA2 signalling.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Diabetes är en kronisk ämnesomsättningsrubbning, med en förhöjd nivå av cirkulerande blodsocker som ett av dess första kännetecken. Sjukdomen bygger på det faktum att kroppens olika celler är beroende av hormonet insulin för att kunna ta emot och tillgodogöra sig det näringsgivande sockret glukos. Således, för att kunna bibehålla en normal blodsockernivå krävs två förutsättningar; dels att kroppens produktion av hormonet insulin är intakt, dels att cellerna i kroppens olika vävnader har en bevarad känslighet för hormonet ifråga.



Ifall kroppsvävnadernas känslighet för insulin minskar, säger man att insulinresistens utvecklas. Balansen mellan insulinproduktion och insulinkänslighet är då störd, och måste korrigeras genom en kompenserade ökning av insulinproduktionen. Ansvarig för att så sker är den insulin-genererande "betacellen", d v s den celltyp som utgör huvuddelen av de s k "Langerhanska öar" som finns utspridda i kroppens bukspottkörtel, och som, framförallt via sin produktion av insulin, men också av ett antal andra hormoner, bär en avgörande roll för kroppens ämnesomsättning och överlevnad.



Problemet i detta sammanhang uppstår om insulinresistensen, exempelvis pga tilltagande ålder, fetma och olika genetiska störningar, ökar till en så hög nivå, att betacellens kompenserande förmåga överskrids. Då upphävs balansen mellan insulinproduktion och insulinbehov, och som följd av det, i takt med att bristen på erforderlig mängd insulin ökar, utvecklas diabetes.



Vår inledande målsättning i dessa studier var att undersöka de mekanismer som kan ligga bakom den ökade insulinsekretion som förekommer parallellt med utvecklandet av insulinresistens, med andra ord, studera betacellens kompenserande förmåga. Som experimentell modell valde vi att använda s k C57-möss, vilka är normalt sett friska djur som bär på en genetisk förutsättning att utveckla insulinresistens ifall de utsätts för en metabolisk provokation i form av fettrik kost. Med andra ord kan man säga att de, genom arv- och miljö-påverkan i förening, tämligen väl speglar den mänskliga diabetesutvecklingen.



När vi gav C57-mössen en fettrik kost konstaterade vi att när insulinresistensen utvecklades förändrades betacellens sätt att arbeta. Glukos, den i normalfallet mest framträdande faktorn bakom betacellens insulinfrisättning, förlorade successivt sin förmåga. Trots det kunde betacellen åstadkomma en förhöjd blodinsulinnivå, vilket antydde förekomsten av andra faktorer än glukos som griper in och åstadkommer den nödvändiga, kompenserande insulinproduktionen.



Därvid kunde vi notera att en bidragande orsak till detta var en ökad förmåga hos betacellen att stimuleras av det icke viljestyrda nervsystemet, samt, dessutom, att detta nervsystems aktivitetsgrad i sig själv var förhöjd. För att se om det fanns en generell förmåga hos betacellen att på detta sätt "överreagera" på andra stimuli än glukos, undersökte vi huruvida olika hormoner också hade en ökad förmåga att frisätta insulin. Våra resultat visade att så var fallet; inte minst för cholecystokinin (CCK), ett tarmhormon som frisläpps i cirkulationen i samband med måltid, och som föreslagits ha betydelse för betacellsarbetet under utvecklingen av diabetes.



I betacellens inre finns en rad "signalvägar", vilka har till uppgift att förmedla effekten av olika insulinfrisättande stimuli, som t ex glukos, nerver och hormoner. Vid sidan av signalvägarna knutna till glukosmetabolismen, respektive cykliskt AMP (cAMP) och protein kinas A (PKA), har även fosfolipaserna A2, C och D (PLA2, PLC och PLD) visats utgöra viktiga delar i denna signalering. Tidigare studier har visat att CCK utnyttjar signalvägen PLC för att åstadkomma sin insulinfrisättande effekt. Men eftersom det, å ena sidan, visats att denna effekt endast delvis kan förklaras genom PLC-aktivering, samtidigt som, å andra sidan, fosfolipaskollegan PLA2 börjat betraktas som ett allt viktigare inslag i betacellens signalering och insulinfrisättning, ville vi studera ifall CCK hade förmågan att också aktivera PLA2.



Vi fann då inte bara att CCK de facto aktiverade PLA2, utan också att detta skedde även när vi stoppade inflödet av kalcium genom cellens särskilda kalciumkanaler, eller när vi helt eliminerade kalcium från cellens omgivning. I frånvaron av kalcium, var, till yttermera visso, även CCKs egenskap att frisätta insulin, till viss del, bevarad. Av dessa fynd kan man dra slutsatsen att CCK äger förmågan att aktivera även kalciumoberoende PLA2 (iPLA2), vilken är den form av PLA2 som för närvarande drar till sig särskild uppmärksamhet.



Genom sitt oberoende av kalcium, och sin förmåga att aktiveras när glukos är förhindrad att utöva full effekt, har iPLA2 föreslagits som ett alternativt sätt för betacellen att åstadkomma insulinfrisättning även under de mest ogynnsamma yttre och inre omständigheter, som t ex under utvecklingen av insulinresistens och diabetes. CCKs förmåga att aktivera iPLA2 kan måhända ytterligare förstärka betacellens möjlighet att utnyttja detta "reservalternativ". Kanske kan CCK, genom denna möjlighet, t o m utgöra ett uppslag för framtida läkemedelsutveckling.



Vidare fann vi i våra studier en fascinerande interaktion mellan PLA2-signalvägen och den cAMP-PKA-knutna signalvägen, då det visade sig att aktivering av den senare ledde till en kraftfull reducering av CCKs förmåga att aktivera PLA2. Denna åtstramningseffekt, som uppstod med samma intensitet hur vi än valde att stimulera cAMP och PKA, innefattade inte bara PLA2-aktiveringen i sig, utan hade även en hämmande effekt på insulinsekretionen. Det är frestande att tänka sig denna funktion som något av ett "säkerhets-system", vars uppgift är att bromsa en alltför omfattande insulinsekretion och därigenom förhindra utvecklandet av en riskabelt låg blodglukosnivå. Likaså är det frestande att i detta fenomen se ytterligare uppslag till framtida läkemedel, genom vilka ett säkerhetssystem som detta skulle kunna "kopplas på eller av" utifrån den rådande glukosbalansen och diabetessituationen.



I ljuset av betacellens förhöjda förmåga att frisätta insulin efter CCK-stimulering, och det faktum att CCK har förmågan att aktivera PLA2-signalvägen, var vårt avslutande mål att se i vad mån denna CCK-inducerade PLA2 aktivering är inblandad i den generellt ökade insulinfrisättning som ses i samband med insulinresistensens utveckling. Vi fann då, parallellt med den allt svagare förmågan hos betacellen att reagera på glukos och den förhöjda förmågan att istället reagera på andra stimuli, att CCKs under friska förhållanden redan mycket potenta PLA2-stimulerande förmåga nu var närmast fördubblad.



I just detta sammanhang är det värt att påpeka PLA2-signalvägens enastående egenskap att å ena sidan bli aktiverad av en hel rad separata mekanismer med ursprung utanför och innanför cellen, och att, å andra sidan, genom sin slutprodukt, arakidonsyra, samtidigt utöva motsvarande antal olika effekter i syfte att främja insulinfrisättning. Att CCK inte bara har förmågan att aktivera PLA2, utan att denna PLA2-aktivering dessutom är förhöjd under utvecklingen av diabetes, öppnar närmast obegränsade perspektiv vad gäller CCKs funktion i betacellen.



Avslutningsvis, för att summera resultaten i denna avhandling, noterar vi (i) att utvecklingen av insulinresistens ger upphov till en ökad betacellskänslighet för andra insulinfrisättande faktorer än glukos, t ex CCK, (ii) att CCK har förmågan att aktivera den cellulära signalväg som formas av PLA2, att detta sker oberoende av kalciums eventuella närvaro, men att det är utsatt för en åtstramande verkan inducerad av cAMP-PKA-signalvägen, samt (iii) att utvecklingen av insulinresistens leder till att CCKs förmåga att stimulera PLA2-signalvägen förhöjs.

• author: Simonsson, Erik
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: MD, PhD Sjöholm, Åke, Karolinska Institute, Stockholm
• organization: Department of Clinical Sciences, Malmö
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Clinical Medicine
• keywords: Type 2 Diabetes, Insulin Resistance, Islet, Beta-cell, Insulin Secretion, Ca2+-Dependency, Intracellular Signalling, Phospholipase A2, Cholecystokinin, Non-glucose Secretagogues, Endocrinology, secreting systems, diabetology, Endokrinologi, sekretion, diabetologi
• pages: 152 pages
• defense location: Medical Research Center at the University Hospital of Malmö
• defense date: 2000-10-06 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEMM-1054-SE
• ISBN: 91-628-4346-X
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 8d8cbdd5-20fc-4122-9839-f6e6e178dbde (old id 40733)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:53:54
• date last changed: 2018-11-21 21:07:52