Role of gastrointestinal hormones in the metabolic dysfunction in obesity and associated diseases

Abstract

The worldwide obesity pandemia leads to persistent increase of type 2 diabetes mellitus and associated diseases. The gastrointestinal tract is the body´s largest endocrine organ and releases different peptide hormones that have important role in the nutritional sensing and regulation of appetite and energy expenditure. The work of the applicant focused on two topics: the role of gastrointestinal hormones GIP and ghrelin in obesity and the regulation of insulin degradation in obesity and T2DM. With respect to pathogenesis of obesity, the fat depot specifically expression and weight reduction dependent regulation of Glucose-dependent insulinotropic peptide (GIP) Receptor were analysed in two cohort of postmenopausal women. Decreased expression of the GIPR gene in subcutaneous fat tissue is associated with signs of insulin resistance in this cohort. Moreover, weight reduction in a moderate range, did not significantly change gene expression levels of GIP receptors in subcutaneous adipose tissue. Additionally we tested hypothesis, that GIP may influences all components of insulin handling: insulin secretion, insulin sensitivity and insulin degradation. In this second study, GIP infusion lead to significant reduction of hepatic insulin degradation in the healthy first degree relatives of diabetic subjects, but there was no general defect in insulin clearance in response to glucose and arginine in the hyperglycemic clamp. Thus, we propose that impairment in insulin secretion capacity and decreased insulin sensitivity is compensated for several mechanisms, one of which includes a GIP-dependent reduction of the insulin clearance that will increase peripheral insulin levels to maintain normoglycemia. Based on the growing evidence that GIP is involved in the control of fuel metabolism beyond its role as an incretin, we tested hypothesis that GIP may influences appetite and safety regulation via interactions with other gastro-intestinal hormones. We used extended 4-hours GIP-infusion protocol and hypothesized that GIP and/or insulin and their metabolites may affect ghrelin. Apart from analysis of plasma ghrelin and insulin levels, metabolic profiling with use of the GC- TOF/MS analysis was applied to decipher relevant metabolomic patterns from the same plasma samples. We created a hormone-metabolite network for each experiment and analysed the GIP and insulin effects on circulating ghrelin levels within the framework of those networks. GIP decreases circulating levels of the only hormone promoting food intake and may affect the ghrelin system via modification of circulating long-chain fatty acids pool. These observations were independent from insulin and offer potential mechanistic underpinnings for the involvement of GIP in systemic control of energy metabolism. The second focus of the applicant was the role of impaired insulin metabolism in the pathogenesis of obesity and type 2 diabetes mellitus. Decreased hepatic insulin degradation is the earliest phenotypical marker of disturbances in the insulin metabolism in obesity and may intensify the insulin resistance via chronically elevated circulating fasting and postprandial insulin levels. Insulin degrading enzyme (IDE) is a major enzyme responsible to insulin degradation in vivo. We performed the detailed analysis of the regulation of IDE functions by different concentrations of insulin and glucose in human hepatoma cells. In this liver cell model, IDE regulation was analysed at three levels: IDE transcription, IDE translation and IDE protein activity. Moreover, we proofed the regulation of IDE by different clamped glucose and insulin concentrations in vivo in man. Our data provide the first evidence of increase of IDE activity in hepatoma cells after insulin treatment in normal glucose conditions. Moreover, hyperglycemia suppress the insulin- induced change of IDE activity in vitro. The observed effects of the insulin and high glucose on the IDE activity may contribute to the regulation of insulin degradation in liver and to reduced hepatic extraction of insulin in T2DM. In the next step we validated and confirmed the association of IDE polymorphisms with T2DM risk in the prospective German cohort and provided novel evidence of influences of IDE genetic variants on insulin metabolism in the second cross-sectional German cohort of Berlin-Brandenburg region.

Die weltweite Pandemie der Adipositas führt zu drastische Zunahme des Typs 2 mellitus und diabetes- assoziierten Erkrankungen. Der Gastrointestinaltrakt ist das größte endokrine Organ des Körpers und ein Sekretionsort von verschiedenen Peptidhormonen, welche eine wichtige Rolle in der Regulierung des Appetits und Energieverbrauchs spielen. Die vorgelegte Arbeit konzentriert sich auf zwei Themen: die Rolle der gastrointestinalen Hormonen Glucose- dependent Insulinotropic Peptide (GIP) und Ghrelin in der Pathogenese der Adipositas und die Regulation der Insulinabbau in Adipositas und Typ 2 Diabetes mellitus (T2DM). In der ersten Studie wurde das fettdepotspezifische Expression des GIP Rezeptors Gene (GIPR) in zwei Kohorten der postmenopausalen Frauen analysiert. Die verminderte GIPR Genexpression im subkutanen und viszeralen Fettgewebe war mit allen Zeichen der Insulinresistenz verbunden. Außerdem führte die Gewichtsreduktion in dieser Gruppe zu nicht signifikanten Anstieg der GIPR Genexpression in dem subkutanen Fettgewebe. In nächstem Schritt prüften wir Hypothese, dass GIP die Einflüsse auf verschiedenen Komponenten des Insulinmetabolismus wie Insulinsekretion, Insulinempfindlichkeit und Insulindegradation ausüben konnte: In dieser Studie führte akute 1 sündige GIP-Infusion zur bedeutenden Verminderung der hepatischen Insulinabbau in den gesunden erstgrädigen Verwandten von Patienten mit T2DM. Zudem wiesen diese Personen keinen allgemeinen Defekt in der Insulinantwort während dreistufigen Glukoseklemmtests auf. Auf diesem Weg kann die GIP- abhängige Verminderung der Insulinabbau bei T2DM prädisponierten Personen die periphere Insulinresistenz überbrücken und somit zu Aufrechterhaltung der Normoglykämie führen. Gestützt auf die wachsenden Hinweise, dass GIP an der Kontrolle des Energie Metabolismus außer seiner Rolle als einer Inkretin beteiligt ist, prüften wir die Hypothese, dass GIP die Wechselwirkungen mit dem Ghrelin, einem appetitförderndes Hormon aus dem GIT, haben kann. Wir verwendeten erweitertes 4-Stunden GIP-Infusionsprotokoll und setzten voraus, dass GIP und/oder Insulin und ihre Metaboliten die zirkulierende Ghrelinspiegel bei übergewichtigen Personen beeinflussen können. Abgesondert von der Analyse der Ghrelin- und Insulin-Konzentrationen in Plasma, der GC-TOF/MS-basierte Bestimmung der Plasmametaboliten wurde angewandt, um relevante Metabolitenmustern von der unterschiedlichen Experimenten mit und ohne GIP zu entziffern. Wir verwendeten so genanntes „Hormon-Metabolite-Netzwerk“ für jedes Experiment und analysierten den GIP und Insulin-Wirkungen auf die Ghrelinspiegel innerhalb des Fachwerks jedes Netzwerkes. Akute GIP-infusion führte zur signifikanten Senkung der Ghrelinspiegel, warscheinlich über die Modifizierung der zirkulierenden Fettsäuremuster. Diese Beobachtungen waren vom Insulin unabhängig und bieten potenzielle Erklärung des bekannten Phänomens der postprandiale Absenkung der Ghrelinspiegel. Somit ist GIP indirekt in der Regulation des Energie Metabolismus beteiligt. Der zweite Fokus der vorliegenden Arbeit befand sich in der Erforschung die Bedeutung der verminderten Insulinabbau in der Entstehung und Progression der Adipositas und T2DM. Verminderte hepatische Insulinabbau ist der frühste phenotypische Marker der Adipositas und kann die Insulinresistenz über das chronische Hyperinsulinämia verstärken. Wir führten die ausführliche Analyse der Funktionsregulierungen des Insulin Degrading Enzyms (IDE), welches eine zentrale Rolle bei Insulindegradation spielt, durch verschiedene Konzentrationen des Insulins und Glukose in vitro und in vivo Experimenten. Unsere Daten stellen die ersten Beweise dass Insulin die Aktivität der IDE in der Normoglykämie erhöht. Die Hypoglykämie führt zu Verminderung der IDE Aktivität und kann über diesen Weg zur chronischen Hyperinsulinämie und periphere Insulinresistenz in T2DM führen. In unsere nächste Studie konnten wir die Assoziationen der IDE Genpolymorphismen und Risiko für T2DM in dem prospektiven EPIC-Potsdam Studie beweisen. Zudem beeinflussen die Genpolymorphismen im Bereich des IDE-Gene das Insulinabbau in den Personen mit normale Glukosetoleranz in unserem cross-sektionalem MESYBEPO-Kohort.