Regulation of lipid metabolism in rat and 3T3-L1 adipocytes; Cross-talk between Insulin, the neuro-peptides PACAP/VIP and with B1-integrins

Abstract

Type 2 Diabetes is a disorder that increases globally, but mainly in the western world. One of the hallmarks of Type 2 diabetes is insulin resistance in the target tissues of insulin action (adipose tissue, liver and skeletal muscle). In addition, most patients with Type 2 diabetes are obese. Increased release of free fatty acids from the enlarged and/or dysfunctional adipose tissue is suggested to be a direct cause of insulin resistance. Understanding regulation of adipocyte metabolism and intracellular signaling is therefore of great importance for further understanding of the development and treatment of insulin resistance and Type 2 diabetes. Results presented in this thesis demonstrate that the neuro-peptide pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide (PACAP) is able to act directly on adipocytes in dual manners, depending on the presence or absence of insulin. In the absence of insulin, PACAP is able to efficiently stimulate lipolysis in a protein kinase A (PKA)-dependent manner. However, when insulin is present, PACAP-induced lipolysis is abolished and PACAP switches to potentiate insulin-induced lipogenesis. Furthermore, the lipolytic effects mediated by PACAP and the related vasoactive intestinal polypeptide (VIP) were shown to be mediated by VPAC2-R, one of three PACAP/VIP receptors expressed on rat adipocytes. However, activation of VPAC1-R and VPAC2-R resulted in activation of PKA, although only VPAC2-R stimulation resulted in lipolysis. It is conceivable to hypothesize that lipolysis and lipogenesis might be mediated via different PACAP-receptors and that PACAP signaling pathways are able to stimulate independent pools of cAMP and PKA. The potential impact of β1-integrin activation on insulin signaling was also studied in this thesis. Most cells cannot survive unless they are properly connected to the extracellular matrix. It has been hypothesized that insulin and growth factor signaling is closely integrated. The preliminary results presented in this thesis indicate that β1-integrins may act to potentiate phosphorylation of insulin signaling components in 3T3-L1 adipocytes, but not in primary adipocytes. However, further studies in this matter are needed. Taken together, this thesis has contributed to further understanding of PACAP/VIP effects and the signaling mechanisms whereby these peptides exert their effects in adipocytes. Furthermore, the importance of cross-talk between the insulin signaling pathways and those elicited by G-protein coupled receptors (GPCRs) and integrins has been emphasized.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Populärvetenskaplig sammanfattning Insulin är ett hormon som utsöndras från bukspottkörteln när koncentrationen av näringsämnen stiger i blodet. Insulinet transporteras via blodbanan till sina målvävnader; levern, skelettmusklerna och fettväven. Där binder det till insulinreceptorer på cellernas yta och insulinet medierar på så vis en rad olika effekter. Främst stimulerar insulinet upptag av socker (glukos) i sina målvävnader och ser även till att näringsämnen lagras i cellerna. Om behovet av näring/energi vid något tillfälle ökar, kan andra hormoner stimulera förbränningen av de lagrade näringsämnena. De kemiska processer som leder till att näringsämnen förbränns eller lagras kallas för metabolism. Hur förmedlas insulinsignalerna inuti cellerna? Insulinreceptorerna aktiveras när insulinet binder till dem. Aktivering av insulinreceptorn är starten på en kedjereaktion som i sin tur aktiverar en rad olika enzymer. Oftast aktiveras enzymer genom att en fosfatgrupp sätts på enzymet, sk fosforylering. Signalkedjan resulterar i ett biologiskt svar. På samma vis kan andra hormoner stimulera sina egna biologiska svar. Fettväven som energikälla Fettvävens främsta uppgift är att lagra energi i form av fetter (triglycerider). När kroppens behov av energi är stort kan dessa triglycerider förbrännas till fettsyror och glycerol. Fettsyrorna transporteras till andra vävnader där de förbränns vidare för att utvinna energi. Förbränning av triglycerider stimuleras av exempelvis katekolaminer som binder till så kallade β-adrenerga receptorer. Detta är en process som kallas för lipolys. Insulinet hämmar lipolysen samtidigt som glukosupptaget till fettväven ökar. Dessutom kan insulin även stimulera uppbyggnaden av triglycerider (lipogenes) från glukos. Insulinresistens och Typ 2-diabetes Insulinresistens är ett tillstånd som innebär att målvävnaderna inte svarar på insulinstimulering. Exakt varför insulinresistens utvecklas är ännu okänt. Eftersom personer med inuslinresistens ofta är överviktiga, tros dock fettväven spela stor roll. En teori är att insulinets förmåga att hämma lipolysen är nedsatt. Detta innebär att fettväven utsöndrar höga nivåer av fettsyror. Dessa fettsyror leder till en rad oönskade effekter. Bland annat kan det leda till sänkt insulinkänslighet i andra vävnader. Dessutom leder insulinresistens till att 42 glukos stannar i blodet efter måltid. Eftersom insulinet utsöndras som svar på förhöjda nivåer av näringsämnen i blodet utsätts bukspottkörtelns insulinutsöndrande celler för höga påfrestningar. Till sist förmår inte cellerna att producera mer insulin och Typ 2-diabetes (åldersdiabetes) utvecklas. En annan form av diabetes är Typ 1-diabetes (ungdomsdiabetes). Detta innebär att kroppens eget immunförsvar har angripit de insulinproducerande cellerna. Personer med Typ 1-diabetes är därför beroende av insulininjektioner. Fetma och Typ 2-diabetes står i nära relation till varandra. Detta stärker misstankarna om att fettväven är den primära orsaken till insulinresistens. Det är därför av största intresse att utreda och förstå de signalvägar via vilka insulinet medierar sina effekter. Det är också mycket viktigt att hitta de ämnen, gärna kroppsegna, som bidrar till att öka insulinkänsligheten i insulinets målvävnader. En annan viktig aspekt är att förstå hur fettväven är sammansatt och hur fettceller kommunicerar med varandra. Syfte med avhandlingen PACAP och VIP är två hormoner som utsöndras främst från nerver. De har många olika effekter men en viktig effekt är att de ökar insulinutsöndringen (insulinsekretionen) från bukspottkörteln. Med tanke på den positiva effekten på insulinsekretionen är dessa två hormoner av stort intresse för behandling av Typ 2-diabetes. Ett av avhandlingens syften har därför varit att utreda vilka effekter PACAP och VIP har på metabolismen i fettceller. Vidare har det varit av stort intresse att undersöka vilka receptorer PACAP och VIP använder sig av för att mediera sina effekter på fettceller. Ytterligare ett syfte har varit att studera så kallade integriner (se förklaring under ”Arbete III”) och hur de interagerar med insulinreceptorn. Vilka effekter har PACAP på metabolism i fettceller? (Arbete I) Studier som utförts på möss som saknar genen för PACAP har visat att PACAP är viktigt för att olika metabola processer ska fungera normalt. Det har också visat sig att PACAP har positiva effekter på insulinsekretionen från bukspottkörteln. Därför var syftet i arbete I att visa vilka effekter PACAP har på fettceller. Vi visade att PACAP har effekter på både uppbyggnad och nedbrytning av triglycerider. Nedbrytningen av triglycerider ökade dramatiskt om fettcellerna stimulerades med enbart PACAP. Däremot ökade uppbyggnaden av triglycerider om fettcellerna stimulerades med PACAP och insulin samtidigt. Detta innebär att PACAP har olika effekter beroende på om insulinreceptorn stimuleras samtidigt eller ej. En möjlig 43 förklaring är att PACAPs receptorer samverkar med insulinreceptorn för att skapa olika biologiska svar. Hur medierar PACAP och VIP sina signaler i fettceller? (Arbete II) PACAP och VIP medierar sina effekter via tre olika receptorer (PAC1-R, VPAC1-R och VPAC2-R). Huvudmålet med detta arbete var att utreda vilken eller vilka av dessa receptorer som medierar de lipolytiska effekter som PACAP och VIP har på fettceller. Med tre olika metoder visade vi att alla tre receptorerna finns på fettcellernas yta. Genom att stimulera fettcellerna med receptorspecifika hämmare och aktivatorer (antagonister och agonister) kunde vi visa att den receptor som aktiveras av PACAP och VIP är VPAC2-R. Vilka effekter de andra två receptorerna har på fettceller är ännu okänt. Hur påverkar integriner insulinsignalering? (Arbete III) De flesta av kroppens celler är beroende av att vara förankrade till proteiner eller till andra celler. Detta förhindrar också celler från att dela sig okontrollerat. Celler omges av stora proteiner som binder till särskilda receptorer på cellernas yta. En typ av sådana receptorer kallas för integriner. På senare tid har man börjat förstå vikten av att integriner samarbetar med insulinreceptorer för att cellerna ska fungera på rätt sätt. Bland annat har studier visat att integriner ökar aktiviteten hos de enzymer som insulin aktiverar och vice versa. I detta arbete kunde vi påvisa något sådant samarbete mellan signalvägarna i fettceller från rätta. Däremot kunde vi visa att integrinaktivering antagligen har sådan effekt på odlade celler från mus (3T3-L1 fettceller). Slutsatser I den här avhandlingen poängteras vikten av att flera signalsystem samarbetar för att uppnå optimal effekt av diverse stimuli. Resultaten som presenteras har bidragit till ökad förståelse för hur fettmetabolismen regleras i fettceller. Detta är viktigt inte minst med tanke på det nära sambandet mellan fetma, insulinresistens och Typ 2-diabetes. PACAP visade sig öka insulinets effekter på fettväven. Dessutom har det tidigare visats att PACAP ökar insulinsekretionen från bukspottkörteln. Detta innebär att PACAP kan vara intressant för behandling av insulinresistenes och Typ 2-diabetes.

• author: Åkesson, Lina
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Mode, Agneta
• organization: Celiac Disease and Diabetes Unit (research group)
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: diabetology, Endokrinologi, sekretion, diabetologi, secreting systems, Endocrinology, obesity, Insulin, diabetes
• pages: 90 pages
• defense location: Grubbsalen, BMC
• defense date: 2004-09-17 10:15:00
• ISBN: 91-628-6150-6
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Åkesson L., Ahrén B., Manganiello V.C., Stenson Holst L., Edgren G. and Degerman E. (2003) Dual Effects of Pituitary Adenylate Cyclase-Activating Polypeptide and Isoproterenol on Lipid Metabolism and Signaling in Primary Rat Adipocytes, Endocrinology. 144, 5293-5299II. Åkesson, L., Ahrén B., Edgren G. and Degerman E. VPAC2-R Mediates the Lipolytic Effects of Pituitary Adenylate Cyclase-Activating Polypeptide/Vasoactive Intestinal Polypeptide in Primary Rat Adipocytes, (Under revision for publication in Endocrinology)III. Åkesson L., Degerman E. and Edgren G. Integrin Impact on Insulin Signaling in 3T3-L1 Adipocytes and Isolated Primary Rat Adipocytes, (Manuscript)
• id: be5e7793-100e-4ea2-8d08-cdbb532ac191 (old id 467194)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:05:12
• date last changed: 2018-11-21 21:08:54