Evaluation of a Rare Glucose-Dependent Insulinotropic Polypeptide Receptor Variant in a Patient with Diabetes

Abstract

Introduction: The glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP) is an incretin hormone produced in the K cells of the gastrointestinal tract. In the target organs, GIP binds to its corresponding receptor (GIPR). The activation of GIPR in the β cells of the pancreas increases insulin secretion into the blood. Genome-wide association studies have recently identified the association of single nucleotide polymorphism (SNV) rs1800437 in the GIPR encoding gene (GIPR) with obesity and insulin resistance. In the present study we investigated whether GIPR variants occur more frequently in patient groups selected according to these criteria and whether a rare variant is functionally characterized in GIPR. Materials and methods: We screened two study populations with in total 244 pediatric patients for variants in GIPR. Study population 1 consisted of 164 children with obesity and insulin resistance and Study population 2 of 80 children with pediatric-onset diabetes of unknown origin. 8320 adults of the SHIP cohort (The Study of Health in Pomerania) were screened for the GIPR variant Arg217Leu. Arg217Leu, GIPR variants were expressed in COS-7 cells and cAMP production was measured upon stimulation with GIP. Cell surface expression was determined by ELISA. Protein homology modelling of the GIPR variants was performed to extract three-dimensional information of the receptor. Results: The missense variant Arg217Leu (rs200485112) was heterozygously identified in a child of Asian descent from patient group 2. In functional characterization Arg217Leu showed reduced surface expression and production of cAMP after stimulation with GIP. The homology model of the GIPR structure supports the functional findings of Arg217Leu for receptor function. Arg217Leu was not present in the SHIP cohort. The frequency of other SNV was the same in the investigated patient groups as in the normal population. Conclusion: The in vitro function studies and the modelling of protein homology indicate the relevance of the GIPR variant Arg217Leu for receptor function. In the affected family, the heterozygous variant of Arg217Leu showed partial co-segregation with diabetes. Based on these results, we assume that GIPR variants play a role in impaired glucose homeostasis and may be of clinical relevance in homozygous patients. The exact role of the GIP/GIPR axis and the influence of variants in GIPR must be clarified in further studies.

Einführung Das glukoseabhängige insulinotrope Polypeptid (GIP) ist ein Inkretin-Hormon, welches in den K-Zellen des Magen-Darm-Traktes produziert wird. In den Zielorganen bindet GIP an seinen zugehörigen Rezeptor (GIPR). Durch Aktivierung von GIPR in den β-Zellen der Bauchspeicheldrüse wird die Insulinsekretion ins Blut verstärkt. Genomweite Assoziationsstudien haben zuletzt die Assoziation des Einzelnukleotid-Polymorphismus (SNP) rs1800437 im GIPR kodierenden Gen (GIPR) mit Adipositas und Insulinresistenz identifiziert. In der vorliegenden Studie haben wir untersucht, ob GIPR-Varianten in nach diesen Kriterien ausgesuchten Patientengruppen gehäuft auftreten und eine seltene Variante in GIPR funktionell charakterisiert. Materialien und Methoden Die kodierenden Regionen von GIPR wurden in 164 Kindern mit Adipositas und Insulinresistenz (Patientengruppe 1) und in 80 Kindern mit Diabetes unbekannter Genese (Patientengruppe 2) sequenziert. Zusätzlich wurde die 8320 Personen umfassende SHIP-Kohorte (Study of Health in Pomerania) auf die GIPR-Variante Arg217Leu untersucht. Ausgewählte GIPR-Varianten wurden in COS-7-Zellen exprimiert und nach Stimulation mit GIP wurde die Produktion von cyclischem Adenosinmonophosphat (cAMP) gemessen. Die Expression des Rezeptors an der Zelloberfläche wurde durch ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay) bestimmt. Ein Homologie-Modell von GIPR mit Arg217Leu, Wildtyp und verschiedenen GIPR-Varianten wurde erstellt, um dreidimensionale Informationen über den Rezeptor zu erhalten. Ergebnisse Die missense Variante Arg217Leu (rs200485112) wurde heterozygot bei einem Kind asiatischer Abstammung aus der Patientengruppe 2 identifiziert. Bei der funktionellen Charakterisierung zeigte Arg217Leu nach Stimulation mit GIP eine reduzierte Oberflächenexpression und eine verminderte Produktion von cAMP. Das Homologie-Modell der GIPR-Struktur unterstützt die gefundenen funktionellen Ergebnisse der Variante Arg217Leu. In der SHIP-Kohorte lag Arg217Leu nicht vor. Die Häufigkeit der anderen SNP war in den untersuchten Patientengruppen und der durchschnittlichen Bevölkerung gleich. Fazit Die In-vitro-Funktionsstudien und die Modellierung der Proteinhomologie weisen auf eine Relevanz der GIPR-Variante Arg217Leu für die Rezeptorfunktion hin. In der betroffenen Familie zeigte die heterozygote Variante von Arg217Leu eine partielle Co-Segregation mit Diabetes. Auf Grund dieser Ergebnisse gehen wir davon aus, dass GIPR-Varianten bei gestörter Glukosehomöostase eine Rolle spielen und von klinischer Relevanz bei homozygoten Patienten sein können. Die genaue Rolle der GIP/GIPR-Achse und den Einfluss von Varianten in GIPR müssen weitere Studien klären.