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The role of mitochondrial fission protein Drp1 in pancreatic islets and beta cells.
Die Rolle des mitochondrialen Fragmentierungsproteins Drp1 in pankreatischen Inseln und Betazellen.
München, Technische Universität, Fakultät für Medizin, Diss., 2017, 88 S.
The development of Type 2 Diabetes (T2D) is often associated with impaired mitochondrial dynamics and bioenergetics, particularly in pancreatic beta (β) cells. In this thesis, I show that alteration in mitochondrial dynamics affects mitochondrial bioenergetics and subsequently glucose-stimulated insulin secretion (GSIS) in pancreatic β-cells and islets. The transient phosphorylation of Drp1, a mitochondrial fission regulator, at its serine residues 616 and 637 in response to glucose indicates involvement of Drp1 during GSIS. Genetic silencing of Drp1 altered mitochondrial morphology, increased mitochondrial proton leak and decreased GSIS in mouse insulinoma MIN6 cells, consistent with another study in INS-1E cell line. Acute pharmacological inhibition of Drp1 by mitochondrial division inhibitor (mdivi-1) mimicked genetic knockdown effects not only in MIN6 cells but also in mouse and human pancreatic islets. Surprisingly, comprehensive analysis of bioenergetics in MIN6 cells and islets revealed that Drp1 deficiency attenuated GSIS by lowering glucose-fuelled respiration linked to ATP production, instead of its effect on proton leak as suggested previously. Strikingly, the impaired ATP output and insulin secretion was rescued by supplying fission-deficient cells and islets with pyruvate. It thus transpires that Drp1-dependent mitochondrial dynamics influences mitochondrial function and GSIS, both by controlling mitochondrial substrate delivery upstream of oxidative phosphorylation. Furthermore, transient Drp1 overexpression rescued the impaired insulin secretion triggering in Drp1 knockdown MIN6 cells. In the last part of my thesis, I explore bioenergetics of islets from diet-induced obese (DIO) and chow fed mice using respirometry as a tool to predict pancreatic β-cell function. Although there were no apparent pathologies in absolute GSIS values, I found high-fat diet-induced increase in insulin content and marked decrease in glucose-stimulated respiration, resulting in reduced ATP-linked respiration. Normalizing GSIS to insulin content uncovered compromised insulin secretion triggering in DIO islets. Additionally, I also disclose that plotting mitochondrial respiratory parameters vs. GSIS classifies dysfunctional properties of pancreatic insulin secretion. Using this prediction model, the data of DIO islets suggested defects in or upstream of oxidative phosphorylation. Moreover, internally standardizing mitochondrial respiration as coupling efficiency (CE) reveals a bioenergetic threshold for insulin triggering that can be used to address mitochondrial failure across independent studies.
Die Entwicklung der Krankheit Typ 2 Diabetes mellitus (T2D) wird oft mit gestörten morphologischen Dynamiken und Bioenergetik der Mitochondrien assoziert, insbesondere in pankreatischen beta (β) Zellen. In dieser Doktorarbeit zeige ich, daß Änderungen in der Mitochondriendynamik sowohl die mitochondrielle Bionergetik als auch die Glukose-stimulierte Insulinsekretion (glucose-stimulated insulin secretion = GSIS) von pankreatischen β-Zellen und Inseln beeinflussen. Das Protein Drp1, welches die Fragmentierung von Mitochondrien (mitochondrial fission) reguliert, wird transient an seinen Serinen 616 und 637 bei Glukosegabe phosphoryliert und impliziert dadurch eine direkte Beteiligung des Proteins während der Glukoseaktivierung der β-Zellen. Die genetische manipulierte Reduktion des Drp1 Proteins zeigt Änderungen der Mitochondrienmorphologie, Erhöhungen des mitochondriellen Protonenlecks, sowie eine Reduktion von GSIS in murinen Insulinoma Zellen (MIN6), und bestätigt somit die Befunde einer früheren Studie an einer Ratten-Zellinie (INS-1E). Akute pharmakologische Inaktivierung von Drp1 durch den Mitochondrien-Teilungs-Inhibitor 1 (mitochondrial division inhibitor = mdivi-1) rekapituliert die Effekte des genetischen knockdowns sowohl in MIN6 Zellen, als auch in murinen und humanen pankreatischen Langerhansschen Inseln. Meine umfangreiche Analyse der Bioenergetik von MIN6 Zellen und pankreatischen Inseln zeigt, dass Drp1 Defizienz die Glukose-stimulierte Insulinsekretion abschwächt, und zwar durch die Erniedrigung der Glukose-abhängigen Atmung, welche an ATP Produktion gekoppelt ist, aber nicht durch Effekte auf das Protonenleck, wie in früheren Studien gezeigt. Dieser Mechanismus wurde eindeutig erörtert, da in fragmentierungs-defizienten beta Zellen und pankreatischen Inseln die komprimierte ATP Produktion und Insulinsekretion durch Zugabe von Pyruvat wiederhergestellt werden kann. Somit konnte ich eindeutig zeigen, daß Drp1-abhängige Mitochondriendynamiken die Mitochondrienfunktion und GSIS beeinflussen, beides durch die Kontrolle der mitochondriellen Substratzulieferung oberhalb der oxidativen Phosphorylierung. Zusätzlich zeige ich, daß die transiente Überexpression von Drp1 in Drp1 knockdown MIN6 Zellen das Auslösen (triggering) der Insulinsekretion retten kann. Im letzten Teil meiner Arbeit evaluiere ich, ob mit der bioenergetischen Analyse durch Respirometrie die Funktionalität der pankreatischen Inseln von diät-induzierten gegen normalgefütterten Mäusen vorhergesagt werden kann. Obwohl die absoluten Insulinsekretionswerte keine Pathologien zeigen, gibt es eine diät-induzierte Erhöhung des Insulingehaltes und eine signifikanter Erniedrigung der Glukose-induzierten Atmung, welche in reduzierter ATP-produzierender Atmung resultiert. Durch die konventionelle Normalisierung der Insulinsekretion zum Insulingehalt ist erkenntlich, daß der Auslöser von Insulinsekretion in der Tat kompromittiert ist. Ich zeige, daß die Korrelationen von Atmungsparametern genutzt werden können, um Störungen der pankreatischen Insulinsekretion zu klassifizieren. Dieses Klassifizierungsmodell prognostiziert, daß DIO Effekte insbesondere oberhalb oder innerhalb der oxidativen Phosphorylierung zu finden sind. Des Weiteren zeigen diese Modellanalysen, daß der intern standardisierende Faktor Kopplungseffizienz (CE = coupling efficiency) einen bioenergetischen Schwellwert für das Auslösen der Insulinsekretion bestimmt, welcher benutzt werden kann um mitochondrielle Dysfunktionen aufzuzeigen, und zwar vergleichend über unabhängige Studien.
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Publikationstyp
Sonstiges: Hochschulschrift
Typ der Hochschulschrift
Dissertationsschrift
Quellenangaben
Seiten: 88 S.
Hochschule
Technische Universität
Hochschulort
München
Fakultät
Fakultät für Medizin
Nichtpatentliteratur
Publikationen
Institut(e)
Institute of Diabetes and Obesity (IDO)