Human KCNQ1 mutations cause neonatal diabetes and hyperinsulinemic hypoglycemia: clinical and functional characterization

Abstract

The morbidity of diabetes mellitus (DM) is increasing all over the word. Diabetes mellitus is usually classified into type 1 diabetes (T1D), type 2 diabetes (T2D), gestational diabetes mellitus (GDM), and other specific types of insulin deficiency with developmental syndromes. In contrast, congenital hyperinsulinism (CHI) is the most common cause of persistent or recurrent hypoglycemia in infancy. The underlying pathogenesis of the defective insulin secretion involved in the two disorders remains obscure. Our research group mainly focuses on human inherited disorders of pancreatic β cell dysfunction, namely monogenic diabetes and hyperinsulinism. We set up a database of patients with β cell dysfunction, including sporadic and familial diabetes mellitus and congenital hyperinsulinism. We have performed molecular screening in this cohort, and detected mutations in 30% of the patients with known candidate genes, mutations in 30% of the patients with novel candidate genes, which are important in the regulation of insulin secretion. From that, we detected three KCNQ1 gene mutations in one neonatal diabetes patient (R397W, homozygous) and two congenital hyperinsulinism patients (CHI, heterozygous of G292D & E13 del), respectively. KCNQ1 encodes a potassium channel protein, Kv7.1, which is a voltage-gated potassium channel present in the cell membranes of cardiac tissue, pancreas, and in inner ear neurons, among other tissues. KCNQ1 was shown to be closely related to long QT syndrome (LQTS) and type 2 diabetes. We performed functional analysis of the three mutations detected in mouse pancreatic beta cells, and investigated the functional changing of the pancreas in Kcnq1 knock out mice. We detected defective insulin secretion caused by the three Kcqn1 mutations: decreased insulin secretion in the diabetic cellular models, and increased insulin secretion in the two CHI cellular models, which is consistent with the human phenotypes. The diabetic mutation (R397W) down-regulates the expression of Foxa2 and induces the conversion from beta cells to alpha cells, which is very likely the molecular mechanism involved in defective insulin secretion. By contrast, the beta cell maintenance and function are enhanced by the two CHI mutations (G292D & E13 del) through up-regulation of Pdx1 expression. In Kcnq1 KO mice, we found an obvious reduction of β cell mass and disrupted differentiation of both beta and alpha cells in the islets. Further deep investigation is necessary for better understanding the detail molecular pathways caused by the KCNQ1 mutations in pancreatic beta cell dysfunction.

Beim Menschen sind zwei wesentliche Störungen der Insulinausschüttung mit schwerem, klinischen Erkrankungsbild bekannt – Diabetes mellitus, charakterisiert durch erhöhten Blutzucker und relativen Insulinmangel, und hyperinsulinämische Hypoglykämie, verursacht durch eine fehlende Hemmung der Insulinsekretion bei niedrigen Bltrzuckerwerten und klinisch schweren Hypoglykämien mit schweren, neurologischen Schäden. Die Diabetesprävalenz und die Mortalität durch Diabetes-assoziierte Folgeerkrankungen nehmen weltweit zu. Diabeteserkrankungen werden in Diabetes mellitus Typ-1 (T1D), Typ-2 (T2D), Gestationsdiabetes (GDM), und andere, spezifische Diabetestypen (Typ-3), wie bekannte, monogene Diabetesformen oder Diabetessyndrome eingeteilt. Im Gegensatz dazu ist der angeborene Hyperinsulinismus (Congenital Hyperinsulinism, CHI) die häufigste Ursache für schwere und anhaltende Hypoglykämien im Neugeborenen- und Säuglingsalter. In einem Teil der Kinder mit seltenen Diabeteserkrankungen oder mit angeborenem Hyperinsulinismus ist die Pathogenese bisher nicht geklärt. Unsere Forschungsgruppe untersucht familiäre Störungen der Betazellfunktion beim Menschen, im Detail monogene Diabetesformen und Hyperinsulinismus unklarer Pathogenese. Wir haben eine Datenbank mit klinischen und anamnestischen Daten von Patienten mit ungeklärter Betazelldysfunktion etabliert, genauer mit sporadischem oder familiärem Diabetes, sowie mit hyperinsulinämischem Hyperinsulinismus. Wir hatten in dieser Kohorte mittels Sequenzierung von Kandidatengenen und anschliessend Next-Generation Sequenzierung in 30% der Patienten Mutationen in bekannten Diabetes- oder CHI-Genen gefunden und in weiteren 30% Mutationen in Genen, die sehr wahrscheinlich eine Schlüsselkrolle in der humanen Betazellfunktion oder Anlage endokriner Pankreaszellen spielen. Unter diesen neuen Mutationen hatten wir drei KCNQ1-Genmutationen in einem Kind mit neonatalem Diabetes ohne jede Insulinsekretion (R397W, homozygot) und in zwei Kindern mit Hyperinsulinämischer Hypoglykämie identifiziert (heterozygot, G292D & E13 del). KCNQ1 kodiert ein Kaliumkanalprotein (Kv7.1), das als spannungsabhängiger Kaliumkanal die Repolarisation an der Zellmembran u.a. von Herzmuskelzellen, Pankreaszellen und Kochlearzellen reguliert. Mutationen in KCNQ1 sind bisher heterozygot beim Long-QT-Syndrom (LQTS) und homozygot Jervell and Lange-Nielsen-Syndrom (LQT, Taubheit) beschrieben. Wir hatten unsere drei neuen Mutationen in Glukose-sensitiven Betazellen (Maus) überexprimiert und funktionell untersucht sowie Pankreasschnitte von Kcnq1 -Knockout-Mäusen histopathologisch ausgewertet. Die Insulinsekretion aller drei Mutationen war, verglichen mit dem Wildtyp, gestört: Die basale und stimulierte Insulinsekretion der Diabetes-Mutation (R397W) war reduziert, die der Hyperinsulinismusmutationen (G292D & E13 del) erhöht. Die diabetesassoziierte Mutation R397W supprimiert die Genexpression von Foxa2 und erhöht die Expression von Alphazell- 8 versus Betazellmakern, ein Hinweis auf den molekularen Mechnismus. Im Gegensatz dazu waren war Pdx1, als Marker differenzierter Betazellen, bei Transfektion mit den Hyperinsulinismusmutationen G292D & E13 del erhöht exprimiert. In den Kcnq1 KO Mäusen war die Betazellmasse deutlich reduziert und gibt einen Hinweis auf eine gestörte Differenzierung von endokrinen Pankreaszellen, zuallererst der Betazellen. Weitere Untersuchungen werden Aufschluss darüber geben, über welche Signalwege der Kaliumkanal KCNQ1 die Betazellmasse und die Insulinsekretion reguliert und Mutationen Betazelldysfunktionen beim Menschen auslösen.