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Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Auswirkungen von Glucose- und Lipidtoxizität auf die Funktion der β-Zellen von Langerhans-Inseln in einem diabetesresistenten (B6.V-Lepob/ob, ob/ob) sowie diabetessuszeptiblen (New Zealand Obese, NZO) Mausmodell zu untersuchen. Es sollten molekulare Mechanismen identifiziert werden, die zum Untergang der β-Zellen in der NZO-Maus führen bzw. zum Schutz der β-Zellen der ob/ob-Maus beitragen. Zunächst wurde durch ein geeignetes diätetisches Regime in beiden Modellen durch kohlenhydratrestriktive Ernährung eine Adipositas(Lipidtoxizität) induziert und anschließend durch Fütterung einer kohlenhydrathaltigen Diät ein Zustand von Glucolipotoxizität erzeugt. Dieses Vorgehen erlaubte es, in der NZO-Maus in einem kurzen Zeitfenster eine Hyperglykämie sowie einen β-Zelluntergang durch Apoptose auszulösen. Im Vergleich dazu blieben ob/ob-Mäuse längerfristig normoglykämisch und wiesen keinen β-Zelluntergang auf. Die Ursache für den β-Zellverlust war die Inaktivierung des Insulin/IGF-1-Rezeptor-Signalwegs, wie durch Abnahme von phospho-AKT, phospho-FoxO1 sowie des β-zellspezifischen Transkriptionsfaktors PDX1 gezeigt wurde. Mit Ausnahme des Effekts einer Dephosphorylierung von FoxO1, konnten ob/ob-Mäuse diesen Signalweg aufrechterhalten und dadurch einen Verlust von β-Zellen abwenden. Die glucolipotoxischen Effekte wurden in vitro an isolierten Inseln beider Stämme und der β-Zelllinie MIN6 bestätigt und zeigten, dass ausschließlich die Kombination hoher Glucose und Palmitatkonzentrationen (Glucolipotoxizität) negative Auswirkungen auf die NZO-Inseln und MIN6-Zellen hatte, während ob/ob-Inseln davor geschützt blieben. Die Untersuchung isolierter Inseln ergab, dass beide Stämme unter glucolipotoxischen Bedingungen keine Steigerung der Insulinexpression aufweisen und sich bezüglich ihrer Glucose-stimulierten Insulinsekretion nicht unterscheiden. Mit Hilfe von Microarray- sowie immunhistologischen Untersuchungen wurde gezeigt, dass ausschließlich ob/ob-Mäuse nach Kohlenhydratfütterung eine kompensatorische transiente Induktion der β-Zellproliferation aufwiesen, die in einer nahezu Verdreifachung der Inselmasse nach 32 Tagen mündete. Die hier erzielten Ergebnisse lassen die Schlussfolgerung zu, dass der β-Zelluntergang der NZO-Maus auf eine Beeinträchtigung des Insulin/IGF-1-Rezeptor-Signalwegs sowie auf die Unfähigkeit zur β- Zellproliferation zurückgeführt werden kann. Umgekehrt ermöglichen der Erhalt des Insulin/IGF-1-Rezeptor-Signalwegs und die Induktion der β-Zellproliferation in der ob/ob-Maus den Schutz vor einer Hyperglykämie und einem Diabetes.
An insufficient adaptive beta-cell compensation is a hallmark of type 2 diabetes (T2D). Primary cilia function as versatile sensory antennae regulating various cellular processes, but their role on compensatory beta-cell replication has not been examined. Here, we identify a significant enrichment of downregulated, cilia-annotated genes in pancreatic islets of diabetes-prone NZO mice as compared with diabetes-resistant B6-ob/ob mice. Among 327 differentially expressed mouse cilia genes, 81 human orthologs are also affected in islets of diabetic donors. Islets of nondiabetic mice and humans show a substantial overlap of upregulated cilia genes that are linked to cell-cycle progression. The shRNA-mediated suppression of KIF3A, essential for ciliogenesis, impairs division of MINE beta cells as well as in dispersed primary mouse and human islet cells, as shown by decreased BrdU incorporation. These findings demonstrate the substantial role of cilia-gene regulation on islet function and T2D risk.
Current attempts to prevent and manage type 2 diabetes have been moderately effective, and a better understanding of the molecular roots of this complex disease is important to develop more successful and precise treatment options.
Recently, we initiated the collective diabetes cross, where four mouse inbred strains differing in their diabetes susceptibility were crossed with the obese and diabetes-prone NZO strain and identified the quantitative trait loci (QTL) Nidd13/NZO, a genomic region on chromosome 13 that correlates with hyperglycemia in NZO allele carriers compared to B6 controls.
Subsequent analysis of the critical region, harboring 644 genes, included expression studies in pancreatic islets of congenic Nidd13/NZO mice, integration of single-cell data from parental NZO and B6 islets as well as haplotype analysis.
Finally, of the five genes (Acot12, S100z, Ankrd55, Rnf180, and Iqgap2) within the polymorphic haplotype block that are differently expressed in islets of B6 compared to NZO mice, we identified the calcium-binding protein S100z gene to affect islet cell proliferation as well as apoptosis when overexpressed in MINE cells. In summary, we define S100z as the most striking gene to be causal for the diabetes QTL Nidd13/NZO by affecting beta-cell proliferation and apoptosis. Thus, S100z is an entirely novel diabetes gene regulating islet cell function.
Background The Berlin Fat Mouse Inbred line (BFMI) is a model for obesity and the metabolic syndrome. This study aimed to identify genetic variants associated with impaired glucose metabolism using the obese lines BFMI861-S1 and BFMI861-S2, which are genetically closely related, but differ in several traits. BFMI861-S1 is insulin resistant and stores ectopic fat in the liver, whereas BFMI861-S2 is insulin sensitive. Methods In generation 10, 397 males of an advanced intercross line (AIL) BFMI861-S1 x BFMI861-S2 were challenged with a high-fat, high-carbohydrate diet and phenotyped over 25 weeks. QTL-analysis was performed after selective genotyping of 200 mice using the GigaMUGA Genotyping Array. Additional 197 males were genotyped for 7 top SNPs in QTL regions. For the prioritization of positional candidate genes whole genome sequencing and gene expression data of the parental lines were used. Results Overlapping QTL for gonadal adipose tissue weight and blood glucose concentration were detected on chromosome (Chr) 3 (95.8-100.1 Mb), and for gonadal adipose tissue weight, liver weight, and blood glucose concentration on Chr 17 (9.5-26.1 Mb). Causal modeling suggested for Chr 3-QTL direct effects on adipose tissue weight, but indirect effects on blood glucose concentration. Direct effects on adipose tissue weight, liver weight, and blood glucose concentration were suggested for Chr 17-QTL. Prioritized positional candidate genes for the identified QTL were Notch2 and Fmo5 (Chr 3) and Plg and Acat2 (Chr 17). Two additional QTL were detected for gonadal adipose tissue weight on Chr 15 (67.9-74.6 Mb) and for body weight on Chr 16 (3.9-21.4 Mb). Conclusions QTL mapping together with a detailed prioritization approach allowed us to identify candidate genes associated with traits of the metabolic syndrome. In addition, we provided evidence for direct and indirect genetic effects on blood glucose concentration in the insulin-resistant mouse line BFMI861-S1.