Sphingosin-1-Phosphat in der β-Zelldysfunktion bei Typ 2 Diabetes

Abstract

Eine entscheidende Rolle im Fortschreiten des sich epidemieartig ausbreitenden Typ 2 Diabetes Mellitus (T2DM) kommt den freien Fettsäuren (FFA) zu. Besonders die gesättigte Fettsäure Palmitat ist hierbei ins Zentrum der Forschung gerückt, da sie in der Lage ist, den überlebenswichtigen Insulinsignalweg zu unterbrechen, welcher nach Andocken des anabolen und zellprotektiven Hormons an den Insulinrezeptor ausgelöst wird. Erhöhte Blutspiegel an FFA, insbesondere Palmitat, korrelieren demnach direkt mit dem Schweregrad der beim T2DM auftretenden Insulinresistenz, und Palmitat ist in der Lage, den Insulinsignalweg direkt durch negative Regulation der dem Insulinrezeptor nachgeschalteten PI3K / Akt- Signalkaskade zu unterbrechen. Es ist aber nicht nur das Palmitat selbst, das eine solche Hemmung auslösen kann, sondern auch aus Palmitat gebildete Metabolite wie Ceramid, ein Sphingolipid, sind zur Hemmung der Akt- Aktivität befähigt. Ebenfalls das weniger gut erforschte Sphingolipid Sphingosin-1-phosphat (S1P) ist in vielen Zellen in der Lage, hemmend auf den Insulinsignalweg einzuwirken. In der vorliegenden Arbeit sollte nun gezeigt werden, ob auch in pankreatischen Beta-Zellen eine solche Hemmung des Insulinsignalwegs durch S1P feststellbar ist und inwiefern eine derartige Wechselwirkung in Bezug auf Erkrankungen der pankreatischen Beta- Zellen wie T2DM von Bedeutung sein können. \\\ Zunächst interessant war, dass es besonders bei diabetischen Mäusen in Folge von fettreicher Nahrung zu einem starken Anstieg der S1P- Spiegel im Vergleich zu nicht- diabetischen Mäusen kam. Des Weiteren konnte bewiesen werden, dass in der Beta-Zelle die Umwandlung von Palmitat zu S1P in Abhängigkeit von der Serin-Palmitoyl- Transferase verläuft, dies aber nicht die einzige S1P-Quelle in der Beta-Zelle darstellt. Zusätzlich ist Palmitat in der Lage, die Expression der auf- und abbauenden Enzyme des S1P so zu regulieren, dass eine massive Akkumulation von S1P in den Beta-Zellen begünstigt wird. \\\ S1P ist ein elementarer Bestandteil der Zellmembranen, kann aber über intrazelluläre Wirkungen und seine fünf membranständigen, G-Proteingekoppelten Rezeptoren auch maßgeblich Einfluß auf viele Vorgänge in der Zelle nehmen. Eine besondere Rolle spielt S1P meist im Zellüberleben und in der Zellproliferation, wobei die Wirkungen aber stark vom Expressionsmuster der S1P- Rezeptoren auf der Zelloberfläche abhängig sind, da diese sehr unterschiedliche, teilweise sogar gegenläufige Effekte vermitteln können. \\\ Im Rahmen dieser Arbeit konnte in der pankreatischen Betazelllinie MIN-6 eine verhältnismäßig starke Expression des S1P2- Rezeptors belegt werden. Des Weiteren konnte eine über den S1P2- Rezeptor vermittelte, hemmende Wirkung des S1P auf die insulinvermittelte Akt- Phosphorylierung ermittelt werden. Auch die insulinvermittelten, zellprotektiven Mechanismen wie Proliferation und Apoptosehemmung konnten durch S1P über den S1P2- Rezeptor unterbrochen werden. Eine Beteiligung von S1P an der negativen Wirkung des Palmitats auf den Insulinsignalweg über den S1P2- Rezeptor konnte ebenfalls belegt werden. Bei Betrachtung dieser desaströsen Wirkungen von S1P auf die Beta-Zelle sollte aber nicht außer Acht gelassen werden, dass diese exklusiv über den S1P2- Rezeptor vermittelt werden. Über andere Rezeptoren wie S1P1 oder S1P3 kann S1P auch zellprotektiv wirken. Dies wird besonders in der Haut deutlich, wo innerhalb einer Versuchsreihe der vorliegenden Arbeit bewiesen werden konnte, dass S1P über eine erhöhte Bildung von Stickstoffmonoxid (NO) und eine Aktivierung der endothelialen NO-Synthase eNOS primäre Keratinozyten vor der Apoptose schützen kann. Dieser Mechanismus konnte aber exklusiv auf den S1P3- Rezeptor zurückgeführt werden. Die Abhängigkeit der in dieser Arbeit erforschten hemmenden Wirkungen des S1P vom S1P2- Rezeptor könnten einen Ansatzpunkt für zukünftige Therapien darstellen, indem über die therapeutische Verwendung von S1P- Agonisten, welche nicht an den S1P2-Rezeptor binden, die positiven Wirkungen des S1P über andere Rezeptoren wie den S1P1- und 3- Rezeptor in den Vordergrund gerückt werden.

Free fatty acids (FFA) inherit a crucial role in the progression of the epidemic spreading disease type 2 diabetes mellitus (T2DM). Hereby, particularly the saturated fatty acid palmitate is placed at the center of research, since it is in a position to interrupt the insulin signaling, which is elemental for the survival of the cell. The insulin pathway is normally actived, if the anabolic and cellprotective hormone insulin binds to the insulin receptor. Elevated FFA levels, especially palmitate, directly correlate with the severity of insulinresistance and palmitate can directly inhibit the insulin pathway by negatively regulating the PI3K / Akt signaling cascade downstream of the insulin receptor. \\\ But it is not only palmitate itself, which can cause such an inhibition, but also metabolites built from palmitate like ceramide, a sphingolipid, which can also inhibit Akt activation. But also sphingosine-1-phosphate (S1P), a relatively less well researched sphingolipid, can negatively influence the insulin signaling pathway in many cell lines. \\\ In the present study it was to be shown, whether S1P is also able to inhibit the insulin signaling pathway in pancreatic beta cells and how such an interaction may be important in terms of pancreatic diseases of the beta-cell like T2DM. First it was of interest that, as a result of high fat feeding, it comes to a sharp increase in S1P levels in diabetic mice compared to non-diabetic littermates. It was also shown, that a palmitate oversupply in the beta-cell can lead to the generation of S1P, which is dependant on the serine palmitoyl transferase. But it was clear, that this is not the only source of S1P in the beta-cell. Additionally, palmitate can regulate the expression of S1P-building and S1P-degrading enzymes in a way that leads to a massive accumulation of S1P. S1P is an elementary component of the cell membrane, but it can also elicit intracellular effects as well as effects via its five membranebound G-proteincoupled receptors. It's effects are highly dependant on the expression pattern of the S1P receptors at the cell surface, because these receptors can mediate very different, sometimes even contrary effects. In this work, a relatively strong expression of the S1P2-receptor could be observed in the pancreatic beta-cell line MIN-6. Furthermore, an S1P2 dependant, inhibitory effect of S1P on the insulinmediated Akt- phosphorylation could be observed, as well as an inhibition of insulin mediated proliferative and antiapoptotic signalingm which was also mediated via the S1P2-receptor. A participation of S1P on the negative effects of palmitate on insulin signaling via the S1P2-receptor could also be assigned. In considering these disastrous effects of S1P on the beta- cell it should not be ignored, that these effects are exclusively mediated via the S1P2-receptor. But S1P can also be cellprotective via the S1P1 or the S1P3 receptor. This is particularly evident in the skin, where it could be proven in one series of experiments of the present study, that S1P can protect primary keratinocytes from apoptosis via the activation of the endothelial nitric oxide synthase eNOS and subsequent production of nitric oxide. This mechanism could be traced back exclusively to a signaling via the S1P3 - receptor. The dependence of the inhibitory effects of S1P on the S1P2 - receptor studied in this work could provide a starting point for future therapies. By using S1P agonists, which do not bind to the S1P2- receptor, the positive effects of S1P on other receptors such as the S1P1 - and the S1P3 - receptor could be brought to the fore.