Human glycogen synthase genes. Role in insulin resistance and hypoglycaemia

Abstract

Effective insulin-stimulated storage of excess glucose after a meal, and its rapid mobilisation in the fasting state provide basis of glucose homeostasis. Glycogen is the macromolecular storage form of glucose and glycogen synthase (GS) is the rate-limiting enzyme in glycogen synthesis. Skeletal muscle and liver are the major depots of glycogen. The present studies were undertaken to isolate and characterise the human skeletal muscle and liver GS genes (GYS1 and GYS2) and to study their role in diabetic insulin resistance and in severe childhood hypoglycaemia associated with glycogen storage disease type 0 (GSD-0). The GYS1 and GYS2 genes were composed of 16 exons and had identical exon-intron structures but differed in the size of the intronic regions. In a paired sibling analysis, the A2 allele of the XbaI polymorphism in the GYS1 gene conferred an increased susceptibility to different features of the metabolic syndrome and to type 2 diabetes. Several naturally occurring variants were identified in the GYS1 gene, but only the rare Pro442Ala mutation resulted in significantly decreased capability to synthesise glycogen when expressed in COS cells. Suggestive linkage of GSD-0 to the GYS2 gene was established in five families with 9 affected children. Mutation screening of the GYS2 gene revealed unique mutations in each family including a premature stop codon in exon 5, a 5´-donor splice site mutation of intron 6, and six missense mutations in exons 1, 7, 11 and 12. These mutations were not found in 200 healthy control subjects, and expression of the mutated enzymes in COS cells indicated severely impaired GS activity. In spite of extremely low or nil hepatic GS activity, the glycogen content in the liver was only moderately decreased in children with GSD-0. Conclusions: As the association between the XbaI polymorphism and type 2 diabetes could not be related to mutations in the GYS1 gene, it seems likely that the polymorphism is in linkage disequilibrium with another gene in the chromosome 19q13.3 region. The Pro442Ala is the first naturally occurring mutation in the GYS1 gene with functional consequences but it remains unclear whether it is enough to cause type 2 diabetes. The results demonstrate that GSD-0 is caused by different mutations in the GYS2 gene. The findings of only moderately decreased liver glycogen stores may point at a GS-independent pathway for glycogen formation in the liver. Finally, the inactivating missense mutations in the highly conserved exons 7, 11 and 12 pinpoint new sites and regions of importance for GS function.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Glukos (druvsocker) är den primära energikällan för människan. Därför är det viktigt att effektivt kunna lagra extra socker från blodcirkulationen efter måltider, och att snabbt kunna använda det upplagrade sockret mellan måltiderna. Glykogen är upplagringsformen av socker i cellerna och en glykogenmolekyl kan bestå av tiotusentals glukosmolekyler. Glykogensyntesen regleras av enzymet glykogensyntas (GS). Människan har två former av GS, en i levern och en i musklerna. De två formerna påminner om varandra till aminosyra sammansättning och funktion, men regleras på olika sätt och kodas av olika gener. Avhandlingen innehåller fyra vetenskapliga delarbeten (I-IV), som handlar om GS generna och deras betydelse vid två olika sjukdomstillstånd: insulinresistens vid typ 2 diabetes och hypoglykemi (för lågt blodsocker).



Insulinresistens och muskelns glykogensyntasgen (GYS1, kromosom 19) Insulinresistens kan definieras som nedsatt biologisk effekt av insulin i målvävnaden, mestadels nedsatt förmåga att metabolisera socker i skelettmuskel. Insulinresistens är karakteristisk för såväl typ 2 diabetes (vuxendiabetes), som för fetma och högt blodtryck (hypertension). Då en och samma individ uppvisar typ 2 diabetes eller nedsatt glukostolerans och minst två av följande tillstånd: hypertension, störningar i blodfetter (dyslipidemi), bukfetma eller övervikt, eller för hög utsöndring av albumin i urin (mikroalbuminuri), talar man om insulinresistenssyndromet, även kallat det metabola syndromet eller syndrom X. Både typ 2 diabetes och det metabola syndromet är vanliga i de industrialiserade länderna och är förenade med avsevärt ökad risk för kardiovaskulär sjukdom och död.



Epidemiologiska studier, tvillingsstudier och segregationsanalyser i familjer har visat att typ 2 diabetes är en multifaktoriell genetisk sjukdom med ett komplicerat nedärvningsmönster. För att sjukdomen skall bryta ut krävs troligen ett flertal gendefekter och dessutom ofördelaktiga omgivningsfaktorer. Vilka dessa gendefekter är och hur de leder till diabetes är okänt.



GS aktiveras av insulin i skelettmuskulatur. Flera tidigare studier har visat att denna aktivering av GS inte fungerar normalt hos insulinresistenta typ 2 diabetiker, och att deras glykogenproduktion i skelettmuskeln är nedsatt. Även släktingar till patienter med typ 2 diabetes har nedsatt GS aktivitet jämfört med personer utan ärftlig belastning för diabetes. Nedsatt GS aktivitet kan således vara ärftligt betingad och relaterad till defekter i muskelns GS gen (GYS1). GYS1 genen är således en viktig kandidatgen för insulinresistens vid typ 2 diabetes.



I delarbete I identifierade och karaktäriserade vi GYS1 genens exon-intron struktur för att möjliggöra mutationsscreening hos insulinresistenta patienter med typ 2 diabetes. Människans GYS1 gen består av 16 exoner och förekommer som en enkel kopia. Med SSCP-teknik och DNA sekvensering sökte vi mutationer hos 30 insulinresistenta patienter. Vi fann en aminosyramutation (Gly464Ser) i genen hos en patient med svår insulinresistens. Andra beskrivna mutationer omfattar Gln71His, Met416Val och Pro442Ala.



Syftet med delarbete II var att undersöka de biologiska konsekvenserna av de ovannämnda mutationerna i GYS1 genen. För detta ändamål gjorde vi med s.k "site-directed mutagenes" ovannämnda mutationer och uttryckte dem i COS celler samt bestämde GS aktiviteten. Pro442Ala mutationen visade sig ha markant försämrad förmåga att syntetisera glykogen och representerar den första mutationen i GYS1 genen med funktionella konsekvenser.



I delarbete III studerade vi betydelsen av en av oss tidigare beskriven XbaI polymorfism i GYS1 genen, för uppkomst av det metabola syndromet hos könsmatchade diskordanta syskonpar. Syskonen som var bärare av den s.k. A2 varianten av XbaI polymorfismen, visade sig oftare ha hypertoni, övervikt, dyslipidemi och mikroalbuminuri än syskonen med A1 varianten. Vidare hade syskonen med A2 varianten oftare insulin och/eller antihypertensiv behandling och tidigare debut av diabetes än syskonen utan A2 varianten. Vi kunde dessutom replikera det tidigare fyndet att XbaI polymorfin är associerad med typ 2 diabetes.



Hypoglykemi och leverns glykogensyntasgen (GYS2, kromosom 12) Den primära uppgiften för glykogen i levern är att motverka hypoglykemi vid fasta. Markant minskade glykogenförråd i levern och brist på GS är karaktäriskt vid en svår form av hypoglykemi i barndomen, den s.k. glykogeninlagringssjukdom typ 0 (GSD-0). Patienterna uppvisar dåsighet, trötthet och ibland kramper. Några barn växer dåligt och kan få hjärnskador. Under natten sjunker blodsockret, alanin- och laktatnivåerna (substrat för leverns glukosproduktion) är låga medan ketonnivåerna (alternativt bränsle för hjärnan) stiger. Efter måltider stiger blodsockret onormalt högt (nedsatt glukostolerans), laktat- och alaninnivåerna stiger och ketonnivåerna sjunker. Sjukdomen har föreslagits ha ett recessivt nedärvningsmönster men den molekylära defekten har hittills varit okänd.



I delarbete IV testade vi hypotesen att mutationer i leverns glykogensyntasgen (GYS2) förorsakar GSD-0. För att möjliggöra genetiska kopplingsstudier i familjer med GSD-0 och mutationsscreening av GYS2 genen, identifierade vi en ny polymorf mikrosatellit markör och bestämde genens exon-intron struktur. En recessiv modell visade koppling av GSD-0 till GYS2 genen i fem familjer med nio sjuka barn. GSD-0 diagnostiserades med hjälp av leverbiopsi; GS aktiviteten i levern var mycket låg, likaså var mängden glykogen låg. GYS2 genen visade sig liksom GYS1 genen bestå av 16 exoner. Med hjälp av SSCP-analys identifierade vi olika mutationer i alla de fem familjerna. De muterade GS enzymerna hade en närmast 100%:igt nedsatt förmåga att syntetisera glykogen.



Sammanfattning och slutsatser:



1. Eftersom inga vanliga funktionella mutationer kunde påvisas i GYS1 genen hos typ 2 diabetiker trots association mellan XbaI polymorfismen och typ 2 diabetes (och de olika delkomponenterna av det metabola syndromet), är det sannolikt att en annan gen i närheten av GYS1 på kromosom 19 är orsak till associationen. Vi identifierade dock en ovanlig mutation i GYS1 genen som markant försämrar enzymets förmåga att syntetisera glykogen, och kan vara orsaken till typ 2 diabetes hos mutationsbäraren. 2. Ärftliga störningar i GYS2 genen på kromosom 12 förorsakar en svår form av hypoglykemi i barndomen, den s.k. glykogeninlagringssjukdom typ 0. Upptäckten att små mängder glykogen syntetiseras i levern även hos barnen utan GS aktivitet tyder på att det finns en alternativ metabol väg för glykogensyntes i levern. 3. Människans två GS gener består av 16 exoner och har identisk exon-intron struktur. De identifierade mutationerna i GYS1 och GYS2 generna kan ge ny information om funktionellt viktiga aminosyror i proteinet.

• author: Orho-Melander, Marju
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Sir Cohen, Philip, Dundee University
• organization: Translational Muscle Research (research group); Diabetes - Cardiovascular Disease (research group)
• publishing date: 1999
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Endocrinology and Diabetes
• keywords: mutation, GYS2, GYS1, glycogen synthase, glycogen, insulin resistance, hypoglycaemia, liver glycogen synthase deficiency, glycogen storage disease type 0, Type 2 diabetes, metabolic syndrome, expression, chromosome 19, 19q13.3, Endocrinology, secreting systems, diabetology, Endokrinologi, sekretion, diabetologi
• pages: 162 pages
• defense location: Medical Research Centre (Jubileumsaulan), Malmö University Hospital
• defense date: 1999-04-08 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEEK--99/1007-SE
• ISBN: 91-628-3453-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 9cb3d2a3-376d-4f35-bc2c-300fbc958a67 (old id 39395)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:54:39
• date last changed: 2023-04-18 18:22:13