Dokument: Molecular investigations into the effects of the insulin secretagogue dextrorphan on pancreatic islet cell function and viability

Titel:	Molecular investigations into the effects of the insulin secretagogue dextrorphan on pancreatic islet cell function and viability
Weiterer Titel:	Molekulare Untersuchungen zur Wirkung des Insulin-Sekretagogums Dextrorphan auf die Funktion und Lebensfähigkeit von Langerhans-Inseln
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=53509
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20210713-112229-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Mrugala, Jessica [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 7,15 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 22.06.2020 / geändert 22.06.2020
Beitragende:	Prof. Dr. Eckhard Lammert [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Thomas Meissner [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Ein charakteristisches Merkmal, welches zu Diabetes mellitus führt, ist der stetige Verlust funktioneller Betazellen. Zurzeit sind viele Medikamente zur Behandlung von Diabetes mellitus Typ 2 auf dem Markt erhältlich. Eine Klasse von Antidiabetika bilden die Insulinsekretagoga, die direkt auf die Betazellen wirken und die Insulinsekretion fördern. Diese Wirkstoffe bergen jedoch das Risiko, die Funktion der Betazellen zu erschöpfen, was bei den behandelten Patienten zu Funktionsstörungen der Betazellen führen kann. Dextrorphan (DXO) ist ein kürzlich entdecktes Insulin-Sekretagogum, welches als Antagonist des N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptors auf Betazellen wirkt. Während meiner Promotion habe ich mich auf die Funktion und den schützenden Effekt von DXO auf Inselzellen konzentriert. Ich konnte erste Hinweise auf den molekularen Mechanismus sammeln, der zur Betazell-Fehlfunktion durch das Insulin-Sekretagogum DXO führen könnte. Da entzündliche Prozesse eine Schlüsselrolle in der Pathogenese des Typ 2 Diabetes spielen, analysierten wir die Wirkung von DXO auf Pankreasinseln während der Behandlung mit Zytokinen. Wir fanden heraus, dass DXO die Inselzellen vor Zytokin-induzierter Apoptose schützt. Darüber hinaus zeigten in vitro Experimente mit isolierten Inseln von NMDA-Rezeptor-defizienten Mäusen, dass die protektive Wirkung von DXO nicht ausschließlich durch eine NMDA-Rezeptorblockade vermittelt wird, sondern zusätzliche Signalwege am Schutz durch DXO beteiligt sein müssen. Um die Langzeitwirkung des Insulin-Sekretagogums DXO auf die Funktion der Inselzellen zu untersuchen, inkubierten wir pankreatische Inseln von Mäusen für 24 - 48 Stunden unter kontinuierlicher Glukosestimulation mit DXO. Nach der Behandlung war die Glukose-stimulierte Insulinsekretion (GSIS) in den Inseln gestört. Um den zugrundeliegenden Mechanismus aufzudecken, analysierten wir das Transkriptom mittels RNA-Sequenzierung und fanden heraus, dass neben Genen, die für die Dedifferenzierung verantwortlich sind, auch Gene differentiell exprimiert wurden, die für Kernenzyme des mitochondrialen Ein-Kohlenstoff-Metabolismus kodieren. Das mitochondrial lokalisierte Enzym Aldehyd Dehydrogenase 1 Familienmitglied L2 (ALDH1L2) wurde auf mRNA- und Proteinebene in Pankreasinseln von Mäusen und menschlichen Spendern unter Stimulation mit DXO hochreguliert. Funktionelle Untersuchungen zeigten, dass die adenovirale ALDH1L2-Überexpression dieses Enzyms die GSIS reduziert, während die genetische Deletion von Aldh1l2 die GSIS erhöht. Die Glukosehomöostase wurde in in vivo Experimenten untersucht. Die genetische Deletion von Aldh1l2 in Mäusen erhöhte die Insulinkonzentration im Plasma und die Glukosetoleranz im Vergleich zu Kontrollmäusen. Im Gegensatz dazu beeinflusst weder die Überexpression von ALDH1L2 noch die Deletion von Aldh1l2 den Zytokin-induzierten Inselzelltod. Des Weiteren beobachteten wir, dass eine niedrigere DXO-Konzentration nach längerer Inkubationszeit keine schädliche Auswirkung auf die Insulinsekretion der Betazelle hat. Unter diesen Bedingungen ist Aldh1l2 ebenfalls hochreguliert, jedoch zu einem geringeren Maß. Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass eine übermäßige Insulinsekretion mit einer verstärkten Expression der Kernenzyme des mitochondrialen Ein-Kohlenstoff-Metabolismus einhergeht. Insbesondere das Enzyms ALDH1L2 ist ein kritischer Regulator, der die GSIS verringert und die Glukosetoleranz senkt. One characteristic feature leading to diabetes mellitus is the progressive loss of functional beta cell mass. Currently, many drugs are available on the market to treat diabetes mellitus type 2. Insulin secretagogues are one class of antidiabetic drugs, acting directly on the beta cells to enhance the secretion of insulin. These agents harbor the risk to exhaust beta cells, leading to beta cells dysfunction in treated patients. One recently discovered new insulin secretagogue is dextrorphan (DXO) acting as an antagonist of the N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors on beta cells. During my PhD thesis, I focused on the effects of DXO on islet cell function as well as viability and give first evidence about the molecular mechanism which could lead to beta cell dysfunction induced by an insulin secretagogue. As inflammation plays a key role in the pathogenesis of type 2 diabetes, we analyzed the effect of DXO on mouse pancreatic islets during treatment with cytokines. We figured out that DXO is beneficial for islet survival because it protects islet cells from cytokine-induced apoptosis. Additionally, in vitro experiments with isolated islets of NMDA receptor deficient mice revealed that the protective effect of DXO is not exclusively mediated by NMDA receptor blockade, but rather additional pathways have to participate in the protective effect. To investigate the long-term effect of the insulin secretagogue DXO on islet cell function, we incubated mouse islets for 24 - 48 hours with DXO under continuous glucose stimulation. After incubation, we recognized impaired glucose-stimulated insulin secretion (GSIS). To reveal the underlying mechanism, we analyzed the transcriptome via RNA sequencing and found out that besides genes, responsible for islet dedifferentiation, genes coding for core enzymes of the mitochondrial one-carbon metabolism are differentially expressed compared to control. The mitochondrial localized enzyme aldehyde dehydrogenase 1 family member L2 (ALDH1L2) was shown to be upregulated on mRNA and protein level in mouse and human pancreatic islets upon treatment with DXO. Functional characterization revealed that adenoviral ALDH1L2 overexpression of this enzyme reduced GSIS, while genetic deletion of Aldh1l2 enhanced GSIS. Glucose homeostasis was investigated during in vivo experiments. Aldh1l2 genetic deletion in mice increased plasma insulin concentrations and glucose tolerance when compared to control mice. In contrast, neither overexpression of ALDH1L2 nor deletion of Aldh1l2 affected cytokine-induced islet cell death. Furthermore, we observed that lower concentrations of DXO did not show deleterious effects on beta cell function, consistent with lesser upregulation of Aldh1l2. Our results indicate that excessive insulin secretion is accompanied by an upregulation of the core enzymes of the mitochondrial one carbon metabolism, in particular, the enzyme ALDH1L2, a critical regulator which attenuates GSIS and lowers glucose tolerance.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Zoophysiologie
Dokument erstellt am:	13.07.2021
Dateien geändert am:	13.07.2021
Promotionsantrag am:	30.01.2020
Datum der Promotion:	08.05.2020