Dokument: Identification of protein targets for natural anti-diabetic active compounds

Titel:	Identification of protein targets for natural anti-diabetic active compounds
Weiterer Titel:	Identifizierung von Protein-Targets für natürliche antidiabetische Wirkstoffe
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=73083
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20260508-134817-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Bassalat, Najlaa [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 1,80 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 28.04.2026 / geändert 28.04.2026
Beitragende:	Prof. Dr. Labahn, Jörg [Gutachter] Prof. Dr. Weiergräber, Oliver H. [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	Natural bioactive compounds have gained increasing attention for their potential to modulate metabolic disorders such as diabetes; however, their effects on key insulin-signaling mediators in skeletal muscle cells remain insufficiently characterized. Accordingly, this study evaluated the antidiabetic potential of selected natural compounds using an integrated experimental approach that included cytotoxicity assessment, GLUT4 translocation analysis, insulin-signaling and gene expression profiling, and in vivo validation in a streptozotocin-induced diabetic mouse model. The results demonstrated that both crude plant extracts and isolated natural compounds significantly stimulated GLUT4 translocation in L6-GLUT4myc skeletal muscle cells, although the magnitude, insulin dependence, and temporal responses varied among treatments. Notably, extracts from Cichorium intybus and Abelmoschus esculentus enhanced GLUT4 translocation even under insulin-free conditions, suggesting the involvement of alternative or complementary regulatory mechanisms beyond canonical insulin signaling. Furthermore, phenolic compounds and benzoic acid derivatives exhibited a clear capacity to enhance GLUT4 translocation, with several phenolic acids inducing pronounced increases under insulin-stimulated conditions, while selected benzoic acid derivatives produced moderate yet consistent effects. Importantly, some phenolic compounds, including ferulic acid and chlorogenic acid, promoted GLUT4 translocation independently of insulin, highlighting their potential to modulate glucose uptake through insulin-independent pathways. In contrast, most tested fatty acids showed minimal or no effect on GLUT4 trafficking, underscoring a degree of structural specificity in the regulation of glucose transporter dynamics. However, palmitic acid transiently augmented GLUT4 translocation to the plasma membrane in L6-GLUT4myc cells following short-term exposure of up to 1 hour. To elucidate the molecular basis of enhanced GLUT4 translocation, this study evaluated the effects of selected natural compounds on key insulin-signaling mediators, including IRS1, AKT, AS160, and PTEN, using integrated transcriptional and protein-level analyses. The results demonstrated a consistent potentiation of AKT activation under insulin-stimulated conditions, with the compounds caffeic acid, ferulic acid, and selected benzoic acid derivatives increasing AKT expression and phosphorylation. However, these compounds fails to induce AKT activation in the absence of insulin, thereby indicating an insulin-sensitizing rather than insulin-mimetic mode of action. This enhanced AKT signaling was mechanistically linked to increased AS160 expression and phosphorylation, counteracting insulin-associated transcriptional suppression and reinforcing downstream signaling required for GLUT4 vesicle mobilization. In parallel, several compounds promoted insulin-dependent upregulation of GLUT4 and IRS1 gene expression, suggesting a synergistic interaction with insulin that supports sustained glucose uptake capacity. The strong concordance between gene expression and protein signaling data indicates that these natural compounds exert multilayered regulatory effects, acting acutely through phosphorylation-dependent signaling events and chronically through transcriptional modulation. This dual mode of regulation is likely essential for achieving sustained metabolic improvements, particularly under insulin-resistant conditions. Collectively, these coordinated transcriptional and post-translational actions demonstrate that natural compounds enhance insulin signaling efficiency through an integrated regulatory mechanism, ultimately promoting effective GLUT4 trafficking in skeletal muscle cells. While in vitro experiments provided mechanistic insight into the ability of selected natural compounds to enhance GLUT4 translocation and insulin signaling in skeletal muscle cells, the physiological relevance of these effects was confirmed using a streptozotocin-induced diabetic mouse model. Compounds that promoted GLUT4 trafficking in L6-GLUT4myc cells, including caffeic acid, ferulic acid, isovanillic acid, benzoic acid derivatives, and selected fatty acids, also led to significant reductions in blood glucose levels in diabetic mice compared with untreated controls. These antihyperglycemic effects became evident within the first week of administration and were sustained throughout the treatment period, indicating a close concordance between the cellular enhancement of glucose uptake mechanisms and improved systemic glycemic control in vivo. Overall, the in vivo findings validate the cellular observations and demonstrate that selected natural compounds exert biologically relevant antidiabetic effects, supporting their potential for further preclinical investigation and translational development. Natürliche bioaktive Verbindungen rücken aufgrund ihres Potenzials zur Modulation von Stoffwechselstörungen wie Diabetes zunehmend in den Fokus der Forschung. Ihre Wirkung auf wichtige Mediatoren der Insulin-Signalübertragung in Skelettmuskelzellen ist jedoch noch unzureichend charakterisiert. Daher untersuchte diese Studie das antidiabetische Potenzial ausgewählter Naturstoffe mittels eines integrierten experimentellen Ansatzes. Dieser umfasste Zytotoxizitätsbestimmungen, GLUT4-Translokationsanalysen, Insulin-Signal- und Genexpressionsprofilierung sowie eine In-vivo-Validierung in einem Streptozotocin-induzierten diabetischen Mausmodell. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl rohe Pflanzenextrakte als auch isolierte Naturstoffe die GLUT4-Translokation in L6-GLUT4myc-Skelettmuskelzellen signifikant stimulierten. Ausmaß, Insulinabhängigkeit und zeitliche Reaktionen variierten jedoch zwischen den Behandlungen. Extrakte aus Cichorium intybus und Abelmoschus esculentus verstärkten die GLUT4-Translokation sogar unter insulinfreien Bedingungen, was auf die Beteiligung alternativer oder komplementärer Regulationsmechanismen jenseits der kanonischen Insulin-Signalübertragung hindeutet. Phenolverbindungen und Benzoesäurederivate zeigten zudem eine deutliche Fähigkeit zur Steigerung der GLUT4-Translokation. Mehrere Phenolsäuren induzierten unter insulininduzierten Bedingungen einen ausgeprägten Anstieg, während ausgewählte Benzoesäurederivate moderate, aber konsistente Effekte hervorriefen. Bemerkenswerterweise förderten einige Phenolverbindungen, darunter Ferulasäure und Chlorogensäure, die GLUT4-Translokation unabhängig von Insulin, was ihr Potenzial zur Modulation der Glukoseaufnahme über insulinunabhängige Wege unterstreicht. Im Gegensatz dazu zeigten die meisten getesteten Fettsäuren nur einen minimalen oder gar keinen Effekt auf den GLUT4-Transport, was auf eine gewisse strukturelle Spezifität bei der Regulation der Glukosetransporterdynamik hinweist. Palmitinsäure steigerte jedoch nach einer kurzzeitigen Exposition von bis zu einer Stunde vorübergehend die GLUT4-Translokation zur Plasmamembran in L6-GLUT4myc-Zellen. Um die molekularen Grundlagen der verstärkten GLUT4-Translokation aufzuklären, untersuchte diese Studie die Wirkung ausgewählter Naturstoffe auf wichtige Mediatoren der Insulin-Signalübertragung, darunter IRS1, AKT, AS160 und PTEN, mittels integrierter Transkriptions- und Proteinanalysen. Die Ergebnisse zeigten eine konsistente Potenzierung der AKT-Aktivierung unter insulininduzierten Bedingungen. Kaffeesäure, Ferulasäure und ausgewählte Benzoesäurederivate erhöhten die AKT-Expression und -Phosphorylierung. Diese Verbindungen induzierten jedoch keine AKT-Aktivierung in Abwesenheit von Insulin, was auf einen insulin-sensibilisierenden und nicht auf einen insulin-mimetischen Wirkmechanismus hindeutet. Diese verstärkte AKT-Signalübertragung war mechanistisch mit einer erhöhten AS160-Expression und -Phosphorylierung verknüpft, wodurch die insulinbedingte Transkriptionshemmung aufgehoben und die für die GLUT4-Vesikelmobilisierung notwendige nachgeschaltete Signalübertragung verstärkt wurde. Parallel dazu förderten mehrere Verbindungen die insulinabhängige Hochregulierung der GLUT4- und IRS1-Genexpression, was auf eine synergistische Wechselwirkung mit Insulin hindeutet, die eine anhaltende Glukoseaufnahmekapazität unterstützt. Die starke Übereinstimmung zwischen Genexpressions- und Proteinsignaldaten deutet darauf hin, dass diese Naturstoffe vielschichtige regulatorische Effekte ausüben, die akut durch phosphorylierungsabhängige Signalereignisse und chronisch durch transkriptionelle Modulation wirken. Dieser duale Regulationsmechanismus ist wahrscheinlich essenziell für nachhaltige metabolische Verbesserungen, insbesondere unter insulinresistenten Bedingungen. Zusammengenommen zeigen diese koordinierten transkriptionellen und posttranslationalen Wirkungen, dass Naturstoffe die Effizienz der Insulinsignalisierung durch einen integrierten Regulationsmechanismus steigern und letztendlich den effektiven GLUT4-Transport in Skelettmuskelzellen fördern. Während In-vitro-Experimente mechanistische Einblicke in die Fähigkeit ausgewählter Naturstoffe zur Steigerung der GLUT4-Translokation und Insulin-Signalgebung in Skelettmuskelzellen lieferten, wurde die physiologische Relevanz dieser Effekte mithilfe eines Streptozotocin-induzierten diabetischen Mausmodells bestätigt. Verbindungen, die den GLUT4-Transport in L6-GLUT4myc-Zellen förderten, darunter Kaffeesäure, Ferulasäure, Isovanillinsäure, Benzoesäurederivate und ausgewählte Fettsäuren, führten im Vergleich zu unbehandelten Kontrolltieren auch zu einer signifikanten Senkung des Blutzuckerspiegels bei diabetischen Mäusen. Diese blutzuckersenkenden Effekte zeigten sich innerhalb der ersten Behandlungswoche und hielten während des gesamten Behandlungszeitraums an. Dies deutet auf eine enge Korrelation zwischen der zellulären Steigerung der Glukoseaufnahme und der verbesserten systemischen Blutzuckerkontrolle in vivo hin. Insgesamt bestätigen die In-vivo-Befunde die zellulären Beobachtungen und zeigen, dass ausgewählte Naturstoffe biologisch relevante antidiabetische Wirkungen entfalten. Dies unterstreicht ihr Potenzial für weitere präklinische Untersuchungen und die translationale Entwicklung.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	08.05.2026
Dateien geändert am:	08.05.2026
Promotionsantrag am:	12.02.2026
Datum der Promotion:	20.04.2026