Eine neue Variante im menschlichen KCNA3-Gen wird mit niedriger Insulinsensitivität und eingeschränkter Glukosetoleranz in Verbindung gebracht

Abstract

Der spannungsabhängige Kaliumkanal Kv1.3 (KCNA3) kann in vielen verschiedenen Geweben einschließlich der insulinsensitiven Gewebe Skelettmuskel, Fettgewebe, Leber und Gehirn nachgewiesen werden. Im Tiermodell wiesen die Knockout-Mäuse ein reduziertes Körpergewicht, eine erhöhte Insulinsensitivität, eine gesteigerte Glukosetoleranz und zusätzlich dazu einen „super-smeller-Phänotyp“ mit niedrigerer Wahrnehmungsschwelle und verbesserter Diskriminationsfähigkeit für Gerüche auf. Diese im Tierversuch erhobenen Daten lassen eine bedeutende Rolle des Kv1.3-Kanals in der Glukosehomöostase des Menschen mit wesentlichem Einfluss auf die Insulinsensitivität und Glukosetoleranz vermuten.

Im Rahmen der Tübinger Familienstudie für Diabetes mellitus Typ 2 (TÜF) wurde bei 50 Nichtdiabetikern ein etwa 4.5 kb großer Teil des Chromosom 1 sequenziert und auf vorhandene Mutationen im KCNA3-Gen geprüft. Die dabei identifizierten SNPs wurden im Folgenden mittels einer Genotyp-Phänotyp-Assoziationsstudie in einer Kohorte von 552 Probanden bezüglich ihrer funktionellen Relevanz im Glukosemetabolismus untersucht. Die 552 nicht an Diabetes mellitus erkrankten Probanden wurden mithilfe des oralen Glukosetoleranztests, eine Untergruppe von 304 Probanden zusätzlich mit dem hyperinsulinämischen euglykämischen Clamp in Hinsicht auf Glukosetoleranz und Insulinsensitivität getestet.

In der Promotorregion des KCNA3-Gens identifizierten wir fünf SNPs (T-548C, G-697T, A-845G, T-1645C und G-2069A) mit einer Frequenz des seltenen Allels von jeweils 26, 23, 9, 41 und 16%. In Bezug auf anthropometrische Daten und Insulinsekretion ließ keiner der fünf Polymorphismen eine Verbindung erkennen. Die Polymorphismen T-548C (rs2840381), G-697T (rs2821555), A-845G (rs7528937) und G-2069A (rs3762379) zeigten auch bezüglich der Zielparameter Insulinsensitivität und Glukosetoleranz keine signifikanten Unterschiede. Der T-1645C-Polymorphismus (rs2821557) ging mit reduzierter Insulinsensitivität und eingeschränkter Glukosetoleranz einher: Wir fanden das -1645C-Allel assoziiert mit einer erhöhten Plasmaglukose im 2-Stunden-OGTT (p = 0.03), unabhängig von Geschlecht, BMI und Alter (p = 0.002) und einer eingeschränkten Insulinsensitivität (p = 0.01 bei CC vs. TX, nach Anpassung an die Kovariaten Geschlecht, BMI und Alter). Zusätzlich ließen funktionelle Analysen in vitro mithilfe des EMSAs ein verändertes Bindungsverhalten von Transkriptionsfaktoren am synthetisierten Oligonukleotid mit C-Allel erkennen.

Eine gain-of-function-Mutation im KCNA3-Gen könnte durch eine erhöhte Aktivität des Kv1.3-Kanals zu oben beschriebenen Veränderungen im Glukosemetabolismus führen. Die genauen Mechanismen sind bislang allerdings unklar. Laut bisheriger Studien scheint die Aktivität des Kv1.3-Kanals sowohl auf den Glukosetransport in insulinsensitive Gewebe als auch auf die Zytokinsynthese und -sekretion und den Geruchssinn Einfluss zu haben.

Zusammenfassend legen die Ergebnisse dieser Studie nahe, dass das menschliche KCNA3-Gen ein potenzielles Kandidatengen bei der Suche nach genetischen Ursachen des Typ-2-Diabetes darstellt. Nun ist es daran, die zugrunde liegenden Mechanismen zu klären und das KCNA3-Gen weiter zu erforschen, um die Ursachen des Diabetes mellitus Typ 2 besser verstehen und frühzeitiger eingreifen zu können.

The voltage-gated potassium channel Kv1.3 (KCNA3) can be detected in a variety of tissues including the insulin-sensitive tissues such as skeletal muscle, adipose tissue, liver and brain. In animal models the Kv1.3 knockout mice showed lower body weight, higher insulin sensitivity, improved glucose tolerance and additionally a super-smeller phenotype with reduced threshold for perception of odors as well as an increased ability to discriminate between similar odors. These effects detected in animal models suggest an important role of the Kv1.3 channel in human glucose homeostasis with critical influence on insulin sensitivity and glucose tolerance.

In 50 nondiabetic participants of the Tübingen Familiy Study for type 2 diabetes (TÜF) approximately 4.5 kb of chromosome 1 were screened for mutations in the human KCNA3 gene by direct sequencing. Subsequently, the identified single-nucleotide polymorphisms (SNPs) were analysed in 552 nondiabetic subjects using a genotype-phenotype association study. These subjects underwent an oral glucose tolerance test (OGTT) and 304 of them additionally underwent a hyperinsulinemic euglycemic clamp. Postprandial blood glucose and insulin sensitivity were assessed.

We identified five SNPs in the promoter region of the KCNA3 gene (T-548C, G-697T, A-845G, T-1645C und G-2069A) with allelic frequencies of the minor allele of 26, 23, 9, 41 and 16%, respectively. None of the polymorphisms was associated with obesity parameters or insulin secretion. Neither did the polymorphisms T-548C (rs2840381), G-697T (rs2821555), A-845G (rs7528937) and G-2069A (rs3762379) show any effect on the relevant metabolic parameters insulin sensitivity and glucose tolerance. The T-1645C polymorphism was accompanied by reduced insulin sensitivity and impaired glucose tolerance: The -1645C allele was associated with higher plasma glucose concentrations in the 2-h OGTT (p = 0.03) even after adjustment for sex, age and body mass index (p = 0.002). In addition, it was associated with lower insulin sensitivity (p = 0.01, adjusted for sex, age and body mass index). Functional in vitro analysis using EMSA showed differential transcription factor binding to the T-1645C polymorphism.

A gain-of-function mutation in the KCNA3 gene could lead to described alterations in glucose metabolism by increased activity of the Kv1.3 channel. The exact mechanism, however, is unknown so far. Previous studies suggest that activity of the Kv1.3 channel affects glucose transport as well as cytokine synthesis and secretion and olfactory sense.

In summary, the results of this study indicate that the human KCNA3 gene represents a potential candidate gene for type 2 diabetes. It is necessary to investigate the underlying mechanisms to each a better understanding of the pathogenesis of type 2 diabetes and enable earlier intervention.