Dokument: Skeletal muscle alternative splicing of TBC1D1 gene encoding a Rab GTPase activating protein: A functional insight

Titel:	Skeletal muscle alternative splicing of TBC1D1 gene encoding a Rab GTPase activating protein: A functional insight
Weiterer Titel:	Skeletal muscle alternative splicing of TBC1D1 gene encoding a Rab GTPase activating protein: A functional insight
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=69746
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20250602-110131-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Humpert, Awovi Didi Tolo (geb.Bedou) [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 10,76 MB in 3 Dateien [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 28.05.2025 / geändert 30.05.2025
Beitragende:	Prof. Dr. Al-Hasani, Hadi [Gutachter] Prof. Dr. rer. nat. Gödecke, Axel [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Die Aufrechterhaltung des Energiegleichgewichts und der physiologischen Funktionen des Körpers ist ein komplexer und fein abgestimmter Prozess, der maßgeblich vom effizienten Glukosestoffwechsel in den Zellen abhängt. Dieser Stoffwechsel umfasst eine Reihe ineinandergreifender Schritte, darunter die Aufnahme, den Abbau und die Verwertung von Glukose zur Energiegewinnung für zelluläre Aktivitäten. Eine zentrale Rolle spielt dabei der Glukosetransporter 4 (GLUT4), der essenziell für die Glukoseaufnahme in insulinempfindlichen Geweben wie dem Skelettmuskel ist. Störungen in der Regulierung der GLUT4-Funktion im Skelettmuskel können den Glukosestoffwechsel erheblich beeinträchtigen und Insulinresistenz fördern, ein charakteristisches Merkmal von Typ-2-Diabetes mellitus (T2DM). Dies unterstreicht die Schlüsselrolle von GLUT4 für die Stoffwechselgesundheit und die Prävention von Krankheiten. Ein entscheidender distaler Regulator der GLUT4-Translokation und damit der Glukoseaufnahme ist das Protein TBC1D1, ein Rab-GTPase-aktivierendes Protein (RabGAP). Frühe Studien an Mausmodellen zeigten, dass das Fehlen von TBC1D1 mit einem gestörten Glukosestoffwechsel einhergeht. Während der mRNA-Reifung eines Gens entstehen durch den alternativen Spleißprozess (AS) verschiedene mRNA-Transkriptvarianten desselben Gens, die sich durch unterschiedliche Kombinationen eingeschlossener oder ausgeschlossener Exons auszeichnen. Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, die Rolle der verschiedenen TBC1D1-Spleißvarianten bei der GLUT4-vermittelten Glukoseaufnahme im Skelettmuskel zu untersuchen, insbesondere im Kontext der Regulation durch die beiden zentralen Kinasen AKT2 und AMPK. Im Rahmen dieser Studie wurden drei annotierte und validierte Spleißvarianten des menschlichen TBC1D1 Gens identifiziert: TBC1D1-LONG, TBC1D1-SHORT und TBC1D1-LONG-GAPdel. TBC1D1-LONG und TBC1D1-SHORT unterscheiden sich durch das Vorhandensein beziehungsweise Fehlen von zwei Exons in einer Region mit bislang unbekannter regulatorischer Funktion. TBC1D1-LONG-GAPdel hingegen weist eine Deletion eines Teils des Exons 20 in der funktionellen GTPase-aktivierenden (GAP) Domäne auf. Diese Deletion führt zu einem verkürzten Protein, das keine GTP-Hydrolyseaktivität mehr zeigt, unabhängig von den Substraten der Rab-GTPasen Rab8a und Rab10. Die Expressionsmuster der Varianten zeigen zudem eine unterschiedliche zelluläre Verteilung: Während TBC1D1-LONG und TBC1D1-LONG-GAPdel ausschließlich in Myotuben exprimiert werden, findet sich TBC1D1-SHORT sowohl in Myoblasten als auch in Myotuben. Die Varianten TBC1D1-LONG und TBC1D1-LONG-GAPdel dienen als Substrate für die Kinasen AKT2 und AMPK, die sie an unterschiedlichen Stellen phosphorylieren. Diese spezifischen Phosphorylierungsstellen deuten auf unterschiedliche regulatorische Funktionen der beiden Isoformen hin. Zudem zeigt die Dissertation, dass beide Isoformen mit dem zytoplasmatischen Schwanz der insulinregulierten Aminopeptidase (cIRAP) interagieren, einem Co-residenten Protein, das wesentlich zur Translokation intrazellulärer, GLUT4-haltiger Vesikel (GSVs) zur Plasmamembran beiträgt. Trotz der Trunkierung bei TBC1D1-LONG-GAPdel bleibt die Fähigkeit zur Interaktion mit cIRAP erhalten, jedoch ist seine GTPase-Aktivität beeinträchtigt. Zusätzlich kann TBC1D1-LONG-GAPdel Oligomere mit TBC1D1-LONG bilden, was die Gesamtaktivität der Proteine moduliert. Diese Oligomerisierung wird durch die Kinasen AKT2 und AMPK reguliert und beeinflusst die Funktion der Proteine maßgeblich. Zusammenfassend unterstreicht diese Dissertation die zentrale Rolle des alternativen Spleißens (AS) bei der funktionellen Modulation von TBC1D1 und dessen Bedeutung für die Regulierung des Glukosestoffwechsels im Skelettmuskel. Durch alternatives Spleißen entstehen spezifische Proteinisoformen, die gezielte regulatorische Funktionen bei der Glukoseaufnahme ausüben. Dies trägt entscheidend zur Aufrechterhaltung der Glukosehomöostase und zur Sicherstellung der Energieversorgung für zelluläre Prozesse bei. Die Ergebnisse legen nahe, dass ein vertieftes Verständnis der molekularen Funktionen der TBC1D1-Isoformen und ihrer Auswirkungen auf die Glukosehomöostase die Entwicklung verbesserter therapeutischer Ansätze für Typ-2-Diabetes mellitus (T2DM) erheblich voranbringen könnte. Zukünftige Forschungsarbeiten sollten sich dabei auf umfassende In-vivo- und In-vitro-Studien der TBC1D1-Spleißvarianten bei T2DM-Patienten konzentrieren, um gezielte Behandlungsstrategien zu entwickeln und deren klinische Anwendung zu fördern. Maintaining the body's energy balance and physiological functions is a delicate and complex process that relies heavily on the efficient metabolism of glucose in cells. Glucose metabolism encompasses a series of intricate processes, including the uptake, breakdown, and utilisation of glucose to produce energy for cellular activities. The glucose transporter 4 (GLUT4) is at the heart of this process. It is a crucial player in glucose metabolism, as it facilitates glucose uptake into the cells in insulin-sensitive tissues like skeletal muscle. Disruptions in regulating GLUT4 function in skeletal muscle consequently lead to impaired glucose metabolism, which is associated with insulin resistance, a hallmark of type 2 diabetes mellitus (T2DM). The latter is an indicator of the critical role of GLUT4 in metabolic health and disease prevention. A distal regulator of GLUT4 translocation, and consequently glucose uptake, is the protein TBC1D1, a Rab GTPase activating protein (RabGAP). Early studies in mouse models have demonstrated that the absence of TBC1D1 is associated with impaired glucose metabolism. During mRNA maturation of a gene, the alternative splicing (AS) process produces different forms of mRNA transcripts from the same gene through various combinations of exons included or excluded. The current dissertation aims to elucidate the role of different TBC1D1 splice variants in GLUT4-mediated glucose uptake in skeletal muscle, particularly under the control of the two significant kinases, AKT2 and AMPK. Three annotated and validated splice variants of the human TBC1D1 gene were identified: TBC1D1-LONG, TBC1D1-SHORT, and TBC1D1-LONG-GAPdel. TBC1D1-LONG and TBC1D1-SHORT, are characterised by the presence or absence of two exons in a region of unknown regulatory function, while TBC1D1-LONG-GAPdel lacks part of the exon 20 in the functional GTPase-activating (GAP) domain. This deletion in TBC1D1-LONG-GAPdel results in a truncated protein demonstrating a loss of GTP hydrolysis activity, regardless of the Rab GTPase substrates: Rab8a and Rab10. TBC1D1-LONG and TBC1D1-LONG-GAPdel are expressed exclusively in myotubes, whereas TBC1D1-SHORT is expressed in both myoblasts and myotubes. The variants TBC1D1-LONG and TBC1D1-LONG-GAPdel serve as substrates for AKT2 and AMPK, which phosphorylate them at different sites, suggesting distinct regulatory functions. The dissertation also reveals that these two isoforms interact with the cytoplasmic tail of insulin-regulated aminopeptidase (cIRAP), a co-resident protein involved in intracellular GLUT4-containing vesicles (GSVs) translocation to the plasma membrane of the cells. Although the truncation of TBC1D1-LONG-GAPdel does not impair its ability to interact with cIRAP, it compromised its GTP hydrolysis activity. Furthermore, TBC1D1-LONG-GAPdel can form oligomers with TBC1D1-LONG, altering the overall activity of these proteins. This oligomerization is regulated by AKT2 and AMPK kinases and may influence the protein activity. In conclusion, this dissertation emphasises the critical role of AS in modulating the functions of TBC1D1 and, by extension, in regulating glucose metabolism in skeletal muscle. The AS of TBC1D1 allows for generating different protein isoforms with specific regulatory roles in glucose uptake. This plays a vital role in maintaining glucose homeostasis and providing energy for cellular functions. The findings suggest that a deeper understanding of the molecular functions of TBC1D1 isoforms on glucose homeostasis could lead to improved therapeutic strategies for T2DM, with research focusing on in vivo and in vitro investigations on TBC1D1 splice variants in T2DM patients to guide the development of corresponding treatments.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	02.06.2025
Dateien geändert am:	02.06.2025
Promotionsantrag am:	21.01.2025
Datum der Promotion:	16.05.2025