Genetic and epigenetic influence on oxidative phosphorylation, islet function and type 2 diabetes in humans

Abstract

The prevalence of type 2 diabetes (T2D) is increasing worldwide. T2D is a heterogeneous disease caused by a complex interplay between multiple genetic, epigenetic and non-genetic factors. The disease is characterised by impaired insulin secretion from pancreatic β-cells and insulin resistance in peripheral tissues. Mitochondrial ATP production by oxidative phosphorylation (OXPHOS) is known to play a critical regulatory role in glucose stimulated insulin secretion (GSIS). The overall aim of this thesis was to explore the influence of genetic and epigenetic variation on OXPHOS, islet function and T2D in humans.



In study I, we identified a single nucleotide polymorphism (SNP) in TFB1M, a nuclear-encoded factor involved in the translational control in mitochondria, that is associated with decreased insulin secretion in response to glucose, increased future risk of T2D, and reduced expression of TFB1M in human pancreatic islets. In mice with a heterozygous deficiency of Tfb1m and in clonal β-cells where Tfb1m had been silenced, we found that reduced levels of TFB1M caused impaired OXPHOS and, consequently, reduced insulin secretion. This study concludes that deficiency in TFB1M contributes to the pathogenesis of T2D by causing impaired insulin secretion.



In study II, we showed that SNPs located adjacent to OXPHOS genes are nominally associated with decreased GSIS. Therefore, we cannot rule out the possibility that SNPs in or near genes involved in OXPHOS may influence β-cell function.



In study III, we demonstrated that a set of OXPHOS genes is down-regulated in pancreatic islets from patients with T2D compared to donors not diagnosed with diabetes. Islet expression of multiple OXPHOS genes correlated positively with GSIS. This result suggests that decreased expression of OXPHOS genes in pancreatic islets may contribute to T2D by impaired GSIS.



In study IV, we performed a genome-wide methylation quantitative trait locus (mQTL) analysis to assess the effects of SNPs on DNA methylation in human pancreatic islets. Our results demonstrate that DNA methylation in pancreatic islets is under the control of genetic variability, suggesting the importance of integrating genetic and epigenetic mechanisms when studying the underlying biological effects on complex human diseases, such as T2D.



Taken together, genetic and epigenetic influence on pancreatic islet function and mitochondrial OXPHOS may be involved in the pathogenesis of T2D by affecting insulin secretion.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Diabetes är en grupp av sjukdomar som kännetecknas av förhöjda halter av glukos (socker) i blodet. Förekomsten av diabetes ökar i snabb takt i hela världen. År 2011 var 366 miljoner människor drabbade av diabetes, och denna siffra beräknas till 522 miljoner år 2030 om ingen avgörande åtgärd genomförs. Typ 2 diabetes är den vanligaste formen av diabetes och utgör ungefär 90 % av alla diabetesfall. En ökad förekomst av typ 2 diabetes är starkt förknippad med ökad grad av fetma, en konsekvens av en livsstilstrend med högre energiintag och mindre motion. Kroniskt höga blodglukoshalter som ses vid diabetes kan leda till utveckling av en rad komplikationer, till exempel njurproblem, synfel och kardiovaskulära sjukdomar, varav den sistnämnda är en av de största dödsorsakerna vid typ 2 diabetes.



Människokroppen strävar efter att hålla blodglukoshalten på en jämn nivå. Stigande glukoshalter i blodet, till exempel efter en måltid, regleras med hjälp av hormonet insulin. Insulin utsöndras från beta-celler som finns i de Langerhanska öarna i bukspottskörteln. Insulins målvävnader är skelettmuskler och fettväv, där det stimulerar glukosupptag från blodet, samt levern där det minskar glukosproduktion. Glukos som tas upp av kroppens celler används för att producera energi. Typ 2 diabetes uppstår på grund av defekter i insulinfrisättningen från beta-cellerna och/eller minskad effekt av insulin i målvävnaderna, vilket leder till förhöjda nivåer av glukos i blodet. Allt fler bevis tyder dock på att försämrad insulinfrisättning är den stora boven i sjukdomsprocessen.



Frisättning av insulin är en komplicerad process där beta-cellerna fungerar som glukossensorer. Vid ökade halter av glukos i blodet tas detta upp av beta-cellerna och spjälkas till energi i form av ATP-molekyler. Denna energiproduktion sker i cellernas mitokondrier, vars viktigaste funktion är att producera ATP. Mitokondriell ATP-produktion är i sin tur den huvudsakliga utlösaren av insulinfrisättning från beta-cellerna. Om energiproduktionen i mitokondrien inte fungerar optimalt kan frisättningen av insulin försämras, vilket leder till ökad risk för typ 2 diabetes.



De bakomliggande orsakerna till typ 2 diabetes är ännu inte helt kända, men både ärftliga och miljöbaserade faktorer påverkar risken att utveckla sjukdomen. Trots att icke-genetiska faktorer såsom fetma och fysisk inaktivitet spelar roll i utvecklingen av typ 2 diabetes, utvecklar inte alla som är utsatta för dessa riskfaktorer sjukdomen. En stark familjehistoria av typ 2 diabetes tyder på att det finns en genetisk disposition för sjukdomen. Vårt arvsanlag är uppbyggt av en kedja av DNA-molekyler, där ordningen på beståndsdelarna i DNA-sekvensen utgör den genetiska koden. Koden är konstant över tid och likadan i alla kroppens celler. Kroppens celler innehåller två olika DNA. Cellkärnans DNA utgör den stora merparten av arvsmassan, medan mitokondriens DNA utgör en liten mängd. Mitokondriens DNA kodar 13 gener vilka är helt nödvändiga för att mitokondrien ska kunna tillverka cellernas ATP. Mitokondrien består även av ett flertal enheter som kodas av cellkärnans DNA. Flera genetiska variationer som kan öka risken för typ 2 diabetes har hittills hittats. Genom att identifiera genetiska riskfaktorer för typ 2 diabetes och utvärdera vilken funktionell roll genen har i kroppen kan man inhämta viktig information om de underliggande mekanismerna bakom sjukdomsutvecklingen.



I den här avhandlingen beskrivs fyndet av en genvariant vilken ökar risken för typ 2 diabetes. Genen kallas TFB1M och är en translationsfaktor som styr uttrycket av de tretton generna som det mitokondriella DNAt kodar. Därmed påverkar genen ATP-produktionen och vidare insulinfrisättningen från beta-cellerna i bukspottskörteln. Genom analyser i befolkningsstudier, studier i mänsklig vävnad, i försöksdjur samt i odlade celler kan vi påvisa effekten av genen och dess involvering i risken för utveckling av typ 2 diabetes.



Vi har ytterligare identifierat två genetiska variationer som verkar ha samband med försämrad insulinfrisättning hos människa. Båda dessa varianter finns i varsin region av vår arvsmassa. Dessa regioner innehåller gener som är involverade i mitokondriens ATP-produktion.



Vi har även studerat uttrycket av gener som är involverade i cellernas energiproduktion i de Langerhanska öarna. Både gener som kodas från cellkärnans DNA såväl som från mitokondriens DNA studerades. Genom att analysera till vilken nivå dessa gener är uttryckta i patienter med typ 2 diabetes och jämföra dem mot individer som inte har diagnosen diabetes kan man få en bättre förståelse för vad som reglerar dessa geners uttryck och till vilken del de är involverade i sjukdomsutvecklingen. Vi fann att ett flertal gener, som är involverade i mitokondriens ATP-produktion, har lägre genuttryck i de Langerhanska öarna hos patienter med typ 2 diabetes. Vi upptäckte också att ett minskat uttryck av dessa gener bidrog till försämrad insulinfrisättning. De Langerhanska öarna i bukspottskörteln innehåller beta-celler som utsöndrar insulin, och denna vävnad är därmed viktig att studera vid typ 2 diabetes.



Epigenetik är ett fenomen som kan påverka när och hur olika arvsanlag aktiveras. I kontrast till genetiken kan epigenetiska förändringar variera mellan olika celler och över tid. Epigenetiken ändrar inte den genetiska koden, utan involverar istället små ovanpåliggande kemiska förändringar av DNAt som gör att arvsmassan tolkas och uttrycks på olika sätt. DNA-metylering är ett exempel på en så kallad epigenetisk förändring. Det är en reversibel process, där en metylgrupp (-CH3) kan binda till DNA-sekvensen och tas bort igen. Beroende på när och i vilka celler i kroppen DNA-metyleringen sker kan denna epigenetiska förändring påverka hur arvsanlaget uttrycks.



För att få en djupare förståelse för regleringen av arvsanlaget, valde vi att studera hur genetisk variation påverkar DNA-metylering i de Langerhanska öarna hos människa. Vi undersökte hela arvsmassan, det vill säga helgenomsanalys, för att identifiera genetiska variationer som kan påverka bindningen av metylgrupper till DNA-sekvensen. Vi fann att sådan variation påverkar DNA-metylering av flera gener, vilket kan ha betydelse för genuttryck och insulinfrisättning i de Langerhanska öarna.



Sammantaget har vi studerat olika gener och mekanismer som är involverade i typ 2 diabetes, vilket har lett till ökad förståelse av den komplexa bakgrund som bidrar till utveckling av sjukdomen. Genom denna ökade förståelse vill vi bidra till att nya vägar för att behandla eller förebygga typ 2 diabetes utvecklas.

• author: Olsson, Anders H
• supervisor: Charlotte Ling; Leif Groop; Hindrik Mulder
• opponent: Professor Walker, Mark, Newcastle University, United Kingdom
• organization: Diabetes - Epigenetics (research group); EXODIAB: Excellence of Diabetes Research in Sweden
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Endocrinology and Diabetes
• keywords: Type 2 Diabetes, Genetics, Epigenetics, Human Pancreatic Islets, Oxidative Phosphorylation, Insulin Secretion
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2012:42
• pages: 66 pages
• defense location: Grand Hall at the Medical Research Centre, Entrance 59, Skåne University Hospital, Malmö
• defense date: 2012-06-01 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87189-04-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: c749e464-9881-454c-b02d-cbd5493664fa (old id 2539089)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:28:33
• date last changed: 2023-04-18 20:35:51