Eine veränderte mitochondriale Netzwerkstruktur korreliert mit einem Verlust der Glucoseresponsivität in INS1 Beta-Zellen

Fragestellung: Mitochondrien generieren den wesentlichen Anteil des zellulären ATP. Ihnen kommt daher in der Stimulus-Sekretionskopplung der Beta-Zellen des Pankreas eine wesentliche Aufgabe zu. Die Funktionalität der Mitochondrien wir durch ständige Fusions- und Teilungsprozesse aufrechterhalten. Die Dynamik dieses mitochondrialen Netzwerkes wird durch das Protein Optic atrophy 1 (OPA1), die Mitofusin homologen Proteine Mfn1 und Mfn2 sowie das Dynamin-Related Protein1 (Drp1) und Fis1 reguliert. Es wird postuliert, dass eine Dysfunktion des mitochondrialen Netzwerks in den Beta-Zellen des Pankreas die Glucoseresponsivität vermindert. Daher war es das Ziel dieser Studie, die mitochondriale Dynamik in glucoseresponsiven insulinsezernierenden INS1-Zellen mit der von INS1-Zellen zu vergleichen, deren glucoseinduzierte Insulinsekretion beeinträchtigt ist.

Methodik: Es wurden die klonalen Beta-Zelllinien INS1 823/13 (glucoseresponsiv, GR) und INS1 823/2 (nicht glucoseresponsiv, NGR) verwendet. Die zelluläre ATP/ADP Ratio wurde luminometrisch und die Insulinsekretion mittels ELISA bestimmt. Aus den Zellen wurde RNA isoliert, cDNA generiert und die Genexpression von Fis1, Drp1, OPA1, Mfn1 und Mfn2 durch quantitative Real-Time PCR untersucht. Mittels Western Blot und Immunfluoreszenz Analysen wurde die Expression auf Proteinebene analysiert.

Ergebnisse: Die GR INS1 Zellen zeigten nach Inkubation bei 20 mM Glucose im Vergleich zu 2,8 mM Glucose eine Verdoppelung der ATP/ADP Ratio und einen signifikanten Anstieg der Insulinsekretion. Im Gegensatz dazu war die ATP/ADP Ratio und die Insulinsekretion in den NGR INS1 Zellen nach Inkubation für eine Stunde bei 2,8 oder 20 mM Glucose gleich. Die Genexpression der die mitochondriale Dynamik vermittelnden Proteine war bei den NGR INS1 Zellen geringer als bei den GR INS1 Zellen. Insbesondere Fis 1 sowie Mfn1 und Mfn2 waren um bis zu 40% signifikant vermindert. Dieser Befund konnte auch auf Proteinebene bestätigt werden. Um den Einfluss von Fettsäuren zu charakterisieren, wurden die Zellen für 48 Stunden mit 0,25 mM Palmitinsäure behandelt. In den NGR INS1 Zellen führte dies zu einer weiteren nicht signifikanten Abnahme von Fis1, Drp1, OPA1, Mfn1 und Mfn2. Interessanterweise wurde durch die Fettsäurebehandlung die Expression von Fis 1 sowie Mfn1 und Mfn2 in den GR INS1 Zellen auf das Niveau der NGR INS1 Zellen herabgesenkt.

Schlussfolgerung: In den glucoseunresponsiven INS1 Zellen führt ein Glucosestimulus nicht zu einem ATP Anstieg und einer Insulinsekretion. Die verminderte Expression von Fis1 sowie Mfn1 und Mfn2 und das daraus resultierende veränderte mitochondriale Netzwerk könnte eine Ursache dieser Sekretionsstörung sein. Mfn2 wird auch eine Funktion im Stoffwechsel zugeschrieben und könnte so einen direkten Effekt auf die Glucoseresponsivität haben, der möglicherweise durch Palmitinsäure vermindert wird. Dies gilt es weiterführend zu klären.