Die Expression der mitochondrialen Teilungsproteine Fis1 und Drp1 ist für die Glukoseresponsivität von Beta-Zellen essentiell

Fragestellung: Mitochondrien bilden in der Zelle ein dynamisches Netzwerk welches durch ständige Fusions- und Teilungsprozesse aufrechterhalten wird. Die Teilung von Mitochondrien wird wesentlich durch zwei Proteine reguliert, das Dynamin-Related Protein1 (Drp1) und das Fission Protein1 (Fis1). Ob beide Proteine für die Aufrechterhaltung der glukosestimulierten Insulinsekretion der Beta-Zelle essentiell sind, wird aktuell kontrovers diskutiert. Daher war es das Ziel dieser Studie, Struktur und Funktion des mitochondrialen Netzwerks sowie die Insulinsekretion von INS1 Beta-Zellen nach verminderter Expression der Teilungsproteine Fis1 und Drp1 zu untersuchen und zu vergleichen.

Methodik: Es wurden glukoseresponsive INS1 823/13 Beta-Zellen verwendet. Eine verminderte Expression von Fis1 (shFis1) und Drp1 (shDrp1) wurde mithilfe eines lentiviralen Expressionssystems erreicht. Zunächst wurde die Expression von Drp1 und Fis1 in den Zellen untersucht. Dazu wurde aus den Zellen RNA isoliert, cDNA generiert und die Genexpression mithilfe der quantitativen Real-Time PCR untersucht. Die Expression auf Proteinebene wurde mithilfe von Western Blot Analyse und Immunfluoreszenz untersucht. Das mitochondriale Membranpotential wurde mittels TMRE Fluoreszenz analysiert. Für die Darstellung der Mitochondrienstruktur wurde MitoTracker Green verwendet. Die glukosestimulierte Insulinsekretion wurde mittels ELISA bestimmt.

Ergebnisse: Nach Behandlung mit spezifischer shRNA war die Genexpression von Fis1 und Drp1 in den INS1-Zellen im Vergleich zu mit Kontroll-shRNA infizierten Zellen signifikant vermindert. Dieser Befund konnte auf Proteinebene mittels Western Blot und Immunfluoreszenz bestätigt werden. Das mitochondriale Membranpotential war in den shFis1 INS1-Zellen gegenüber den kontrollinfizierten Zellen signifikant um 40% vermindert, während das Membranpotential der shDrp1 INS1-Zellen um 20% reduziert war. Die kontrollinfizierten Zellen zeigten eine homogene mitochondriale Netzwerkstruktur. Die shFis1 INS1-Zellen hatten eine signifikant höhere durchschnittliche Mitochondrienfläche im Vergleich zur Kontrolle. Es konnten in diesen Zellen ein ausgeprägtes tubuläres Netzwerk detektiert werden. In den shDrp1 INS1-Zellen zeigte sich ein anderes Bild des mitochondrialen Netzwerks. Die durchschnittliche Mitochondrienfläche war erniedrigt und elongierte Mitochondrien dominierten. Die kontrollinfizierten INS1-Zellen zeigten eine glukosestimulierte Insulinsekretion. Sowohl in den shFis1 als auch in den shDrp1 INS1-Zellen konnte hingegen kein Anstieg der Insulinsekretion auf einen Glukosestimulus festgestellt werden.

Schlussfolgerung: Sowohl Fis1 als auch Drp1 sind für die Aufrechterhaltung der glukosestimulierten Insulinsekretion in Beta-Zellen essentiell. Eine verminderte Expression der Proteine wirkt sich unterschiedlich auf die mitochondriale Netzwerkstruktur aus, was auf unterschiedliche Funktionen von Fis1 und Drp1 im Teilungsprozess der Mitochondrien hindeutet.