Role and Regulation of Ion Channels in Insulin Secreting Cells

Abstract

A large number of ion channels and transporters contribute to regulation of electrical excitability in pancreatic beta cells. Activities of these ion channels control transportation of ions and determine the membrane potential, eventually regulate insulin secretion and cell survive. Hormones and peptides are very important regulators in channel activities in insulin secreting cells. In this study we demonstrated, leptin (100 nM), IGF-1(50 ng/ml) and adrenaline (1 µM) induce outward current and hyperpolarization in cell membrane which result in inhibition of insulin secretion in mouse islet cells. Application of PI 3-kinase inhibitors like LY294002 and/or wortmannin reverse the hyperpolarization-induced effect by these hormones. It indicates, the effect of leptin, IGF-1and adrenaline act as inhibitors of insulin secretion through PI 3-kinase signaling pathway. In the contrast, exogenous insulin (1 µM) failed to affect channel activity under the same condition like leptin, IGF-1 and adrenaline. Amyloid peptides are known to stimulate apoptosis in a wide variety of cells, an effect partially mediated by formation of ceramide. Specifically, amyloid is known to interfere with survival of pancreatic beta cells. As in some cells apoptotic death is paralleled by ceramide dependent alterations of plasma membrane ion channel activity, the present study elucidated the effects of amyloid on ceramide formation and ion channel activity in mouse islets. Mouse islet cells were isolated and treated in cell culture with amyloid peptide Aß1-42 at concentrations between 1 and 10 µM or C2 ceramide (20-60 µM) for 1 – 2 days. As disclosed by TUNEL staining, both, amyloid peptide and C2-ceramide, significantly stimulated apoptotic death of pancreatic islet cells. According to patch clamp experiments, administration of islet associated polypeptide amyloid IAPP (5 µM) within 15 minutes significantly decreased outwardly rectifying whole cell current. The effect of amyloid was mimicked by N-acetyl-D-sphingosine (C2-ceramide, 20 µM), whereas inactive di-ceramide (20 µM) did not significantly modify islet cell outward currents. According to immune fluorescent staining for ceramide, amyloid peptide Aß1-42 increased ceramide formation. Induction of apoptosis and decrease of KV channel current by amyloid was abolished in islet cells from mice deficient in acid sphingomyelinase. In conclusion, amyloid induces apoptotic islet cell death presumably through activation of acid sphingomyelinase that results in elevated production of ceramide and subsequent inhibition of ion channel activity.

Eine große Anzahl von Ionenkanälen und Transportern tragen zur Regulation der elektrischen Aktivität in pankreatischen B-Zellen bei. Die Aktivitäten dieser Kanäle kontrollieren die Ionentransportation, entscheiden sich das Membranpotential und regulieren die Sekretion des Insulins und das Überleben der Zellen. Die Hormone und die Peptide sind wichtige Regulatoren in den Kanalaktivitäten in den Insel-Zellen. In diesem Studium, demonstrieren wir, dass das Leptin (100 nM), der IGF-1 (50 ng/ml) und das Adrenaline (1 µM) den auswärts Strom anregen und die Zellmembranen hyperpolarizieren. Dadurch hemmt es die Sekretion des Insulins in den Mäuseinsel-Zellen. Die Anwendungen von den Hemmer der PI3-kinase wie LY294002 und Wortmannin kehren die Wirkung der Hyperpolarization um. Es deutet darauf hin, dass die hemmende Wirkungen der Insulinsekretion vom Leptin, IGF-1 und Adrenaline durch PI3-Kinase Signaling Pathway sind. Das exogene Insulin (1 µM) dagegen hat keinen Einfluss an der Kanalaktivität. Das Amyloid-Peptid ist bekannt in vielen verschiedenen Zellen, die Apoptose zu stimulieren. Die apoptotische Wirkung vermittelt zum Teil durch die Bildung des Ceramids. Das Amyloid beeinflusst besonders mit dem Überleben der pankreatischen B-Zellen. Dieses Studium zeigt, dass das Amyloid und das Ceramid auf die Aktivitäten der Ionkanäle wirkt und das Amyloid auf die Bildung des Ceramids wirkt. Die Mäuseinsel-Zellen werden isoliert und mit Amyloid A-Beta1-42 (1-10 µM) oder C2-ceramid (20-60 µM) 1-2 Tagen behandelt. Die Färbung vom TUNEL zeigt, dass das Amyloid und C2 die Apoptose der Insel-Zellen signifikant stimuliert. Die Patch-Clamp-Experimente zufolge werde die Anwendung vom Islet-associated-Polypeptid (IAPP) 5 µM innen 15 Min. den Strom von den KV-Kanäle der Whole-Zelle deutlich verringert. Die Wirkung des Amyloids werde vom C2 20 µM nachgemacht, hingegen das inactive Di-C2 (20 µM) keine deutlichen Wirkung auf dem auswärts Strom in den Insel-Zellen hat. Laut die Färbung der Immunofluorezenz für das Ceramid, das Amyloid A-Beta1-42 vermehrt die Bildung des Ceramids. Die Einführung von der Apoptose und der Verringerung des Strom von den KV-Kanäle bei dem Amyloid werde in acid-Sphingomyelinase-Knockout (ASM-KO) Insel-Zellen aufgehoben. Schließlich, das Amyloid führt die Insel-Zellen zu der Apoptose. Der Effekt ist vermutlich durch die Aktivität von der ASMase, die sich die vermehrten Bildung des Ceramids und die Hemmung der Aktivität der Ionkanäle ergibt.