Mechanismen für geschlechtsabhängige Unterschiede bei der Insulinfreisetzung

Die Ätiologie von Typ-2-Diabetesmellitus (T2DM)beinhaltet die Dysregulation und Desynchronisation der Insulinfreisetzung durch ß-Zellen im Pankreas und der Insulinsensitivität in peripheren Geweben. Die T2DM Inzidenz im Menschen zeigt einen klaren Sexualdimorphismus bei dem Diabetes und abnorme Nüchternglukose in der Altersgruppe 30 bis 69 Jahre häufiger bei Männern auftreten. In älteren Menschen (> 70 Jahre) jedoch dreht sich die Situation um. Ein ähnlicher Sexualdimorphismus bei Diabetes wurde auch in Nager-Tiermodellen beschrieben, bei dem Weibchen eine höhere Insulinsensitivität aufweisen als Männchen. Nur wenige Mausmodelle deuteten auf einen direkten Effekt der Sexualhormone auf die Funktion der ß-Zellen des Pankreas hin, allerdings wurde noch keine gründliche Studie zu den Mechanismen, die für eine höhere Insulinfreisetzung verantwortlich sind, veröffentlicht. Die Insulinfreisetzung aus den ß-Zellen hängt vom Ca2+-Einstrom durch spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle mit hoher Aktivierungsschwelle (high voltage-gated Ca2+ channels, HVCC) ab. Der Ca2+-Einstrom durch HVCC reguliert ebenfalls die Insulinsynthese und die Bereitstellung von Insulingranuli an der Zellmembran und trägt zur elektrischen Aktivität der ß-Zellen bei. Vor Kurzem haben wir gezeigt, dass die genetische Deletion der a2d-1 HVCC Ca2+-Kanal- Untereinheit in Mäusen in geschlechtsabhängiger Weise zu Diabetes führt (Mastrolia et al. 2017, Diabetes). Obwohl die Insulinsensitivität in Männchen und Weibchen vergleichbar war, milderte die höhere Insulinfreisetzung in Weibchen den Diabetesphänotyp teilweise in a2d-1-/- Mäusen. Wir beabsichtigen die molekularen Mechanismen zu identifizieren, die für die höhere Insulinfreisetzung in Wildtyp und a2d-1-/- Weibchen im Vergleich zu Männchen verantwortlich sind. Wir werden eine Reihe von state-of-the-art Methoden anwenden um die geschlechtsspezifischen Unterschiede in der elektrischen Aktivität der ß-Zellen zu charakterisieren. Diese Methoden umfassen Elektrophysiologie, Konfokalmikroskopie, fluorescence recovery after photo bleaching (FRAP) und elektrische Kapazitätsmessungen an Einzelzellen. Die elektrische Aktivität der ß-Zellen wird in Abhängigkeit von Glukose, der Ca2+-Dynamik der Langerhansschen Inseln, der Konnektivität der ß-Zellen in den Langerhansschen Inseln und der Insulingranuli-Bereitstellung und -freisetzung untersucht. Die erfolgreiche Durchführung dieses Projekts wird unmittelbare wissenschaftliche Relevanz haben, da molekulare Mechanismen aufgedeckt werden, die eine Steigerung der Insulinfreisetzung aus ß-Zellen ermöglichen. Darüber hinaus können die Daten helfen ein besseres Verständnis der Rolle der a2d-1 Untereinheit im Besonderen und von HVCC im Allgemeinen bei der Insulinfreisetzung aus ß-Zellen zu erreichen. Mehrere Patienten die Loss-of-function Mutationen in a2d-1 tragen wurden bereits identifiziert. In Anbetracht unserer kürzlich veröffentlichten Daten prognostizieren wir, dass diese Patienten, insbesondere Männer, ein hohes Risiko tragen Diabetes zu entwickeln. Der vorliegende Antrag wird die Risikostufe für die weiblichen Patienten identifizieren und die möglichen molekularen Signalwege aufklären, die pharmakologisch verstärkt werden könnten um die Insulinfreisetzung sowohl in Frauen als auch in Männern zu steigern.

Typ-2-Diabetes mellitus (T2DM) ist eine chronische Stoffwechselstörung, bei der es zu einem erhöhten Blutzuckerspiegel (Hyperglykämie) kommt. Während eine periphere Insulinresistenz der Auslöser sein könnte, ist eine gestörte oder gänzlich fehlende Insulinfreisetzung aus den ß-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) die eigentliche Ursache. Beim Menschen ist die Inzidenz von T2DM bei prämenopausalen Frauen geringer als bei Männern - ein Phänotyp, der von vielen Nagetiermodellen rekapituliert wird. In einer früheren Studie haben wir gezeigt, dass pankreatische Langerhans-Inseln von weiblichen Wildtyp (WT) Mäusen signifikant mehr Insulin freisetzen als jene von männlichen (Mastrolia et al., 2017). Die Insulinfreisetzung ist ein fein abgestimmter Prozess, der durch die Aktivität einer Vielzahl von Ionenkanälen koordiniert wird. Spannungsabhängige Kalziumkanäle, welche bei hohen Spannungen aktiviert werden (high voltage-activated Ca2+-channels, Abk. HVCC), nehmen eine zentrale Rolle bei der Insulinausschüttung ein. Der HVCC-Komplex wird von der porenbildenden a1-Untereinheit und den akzessorischen ß und a2d Proteinen gebildet. Diese Hilfsuntereinheiten beeinflussen die Öffnungseigenschaften des Kanals und sind für den Transport des Komplexes an die Zelloberfläche wichtig. In Mastrolia et al. (2017) konnten wir zeigen, dass die genetische Deletion der a2d-1 Untereinheit in Mäusen (a2d-1-/-) den Einstrom von Kalzium in ß-Zellen beider Geschlechter gleichermaßen reduziert. Paradoxerweise stellten wir jedoch fest, dass die Insulinfreisetzung von Pankreasinseln bei weiblichen a2d-1-/- Mäusen signifikant höher war als bei männlichen. In dem vorliegenden Projekt fanden wir heraus, dass ß -Zellen von weiblichen WT Mäusen trotz ähnlicher Ca2+-, KATP-, Ca2+-abhängiger und K2P-K+- Ströme eine höhere glukose-induzierte Membrandepolarisation aufweisen als jene von männlichen. Hingegen zeigen männliche ß-Zellen eine signifikant größere KV2.1-Stromdichte, welche ein hyperpolarisiertes Membranpotenzial verursacht. Obwohl dieses zu einer kürzeren Abfolge von Aktionspotentialen (Bursts) führt, ist die HVCC-Verfügbarkeit und die intrazelluläre Ca2+-Konzentration erhöht. Im Gegensatz dazu verändert das höhere Membranpotenzial in weiblichen ß-Zellen den Signalweg zuständig für die Inkretinfreisetzung. ß-Zellen von männlichen und weiblichen a2d-1-/- Mäusen zeigen vergleichbare HVCC-Ca2+- , Ca2+-abhängige K+-, KATP-, KV- und NaV-Stromdichten, die folglich zu einer ähnlichen Glukose-induzierten Membrandepolarisation führen. Dennoch haben weibliche ß-Zellen von a2d-1-/- Mäusen eine höhere elektrische Aktivität, welche durch eine erhöhte Verfügbarkeit von KV-Kanälen bei physiologisch relevanten Membranpotentialen verursacht wurde. Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse zum ersten Mal, dass eine Modulation der KV- Kanaldichte oder Kanalverfügbarkeit die Glukose-induzierte elektrische Aktivität in weiblichen ß-Zellen erhöht, was zu einer höheren Insulinfreisetzung sowohl in gesunden als auch in DM erkrankten Mäusen führt. Die intrinsischen Eigenschaften der Inselzellen werden stark durch andere Hormone reguliert, unter denen Katecholamine eine Schlüsselrolle spielen. Adrenalin hemmt die Insulinsekretion und fördert die aus den a-Zellen Freisetzung von Glukagon, das den Blutzuckerspiegel erhöht. Hier zeigen wir, dass die genetische Deletion von a2d-1 auch den HVCC-Ca2+-Einstrom in chromaffinen Zellen der Maus (MCCs) reduziert, aber zu einem paradoxen Anstieg der induzierten elektrischen Aktivität führt. In Kombination mit einer ansonsten unveränderten Vesikelexozytose könnte dies möglicherweise den beobachteten DM-Phänotyp in a2d-1-/- Mäusen verschlimmern.