Stimulus-Sekretions-Kopplung pankreatischer B-Zellen aus SUR1-/- Mäusen

Abstract

Die Bedeutung des KATP-Kanals für die Stimulus-Sekretions-Kopplung in pankreatischen B-Zellen ist ausführlich belegt worden. Er gilt als Bindeglied, um das metabolische Glucosesignal über die elektrische Aktivität auf die intrazelluläre Calciumkonzentration und damit letztlich auf die Insulinsekretion zu übertragen. Mutationen in Genen die für den KATP-Kanal der B-Zelle kodieren führen beim Menschen zu schweren Stoffwechselstörungen (PHHI). SUR1-/- Mäuse (ohne funktionelle KATP-Kanäle in B-Zellen) zeigen hingegen keinen auffälligen Phänotyp. Sie sind in der Lage trotz fehlender KATP-Kanäle auf einen Glucosereiz adäquate Mengen Insulin zu sezernieren und zeigen im Gegensatz zum Menschen keine übermäßige Insulinsekretion bei niedrigen Blutglucosespiegeln. Ziel dieser Arbeit war es die KATP-Kanal unabhängige Insulinsekretion in B-Zellen aus SUR1-/- Mäusen zu untersuchen. Hierbei wurden Membranpotentialmessungen mit der Mikroelektrodentechnik durchgeführt sowie Veränderungen der intrazellulären Calciumkonzentration fluoreszenzoptisch untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass B-Zellen ohne funktionelle KATP-Kanäle Oszillationen des Membranpotentials (Vm) zeigen, die sich durch Glucose modulieren lassen. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich durch Veränderungen des Membranpotentials die intrazelluläre Calciumkonzentration [Ca]c und damit die Insulinsekretion verändern lassen. Damit konnte die Existenz eines KATP-Kanal unabhängigen triggering pathway für B-Zellen belegt werden. Erstmals wurde nachgewiesen, dass eine Stimulus-Sekretions-Kopplung der B-Zelle ohne KATP-Kanäle möglich ist. Weiterhin wurde untersucht inwieweit sich Veränderungen in [Ca]c auf das Membranpotential auswirken. Das Erhöhen der extrazellulären Calciumkonzentration führt zu einer Zunahme der hyperpolarisierten Phasen in Vm. Ursache hierfür ist wahrscheinlich die Induktion eines calciumabhängigen Kaliumstromes, der bereits für die B-Zelle nachgewiesen wurde. Die Entleerung intrazellulärer Calciumspeicher hingegen führt zur Aktivierung eines depolarisierenden Stromes (ICRAC). Für B-Zellen gilt das endoplasmatische Retikulum (ER) als Hauptcalciumspeicher. Entfernt man der SUR1-UE des KATP-Kanals (SUR1-/-) bzw. blockiert man diese pharmakologisch durch Sulfonylharnstoffe führt dies zu einer Veränderung im Speicherverhalten der B-Zelle. Nun wird zusätzlich ein weiteres Kompartiment als das ER zur Calciumspeicherung rekrutiert. Die vorliegenden Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Mitochondrien vermehrt Calcium aufnehmen, wenn der KATP-Kanal in der Plasmamembran der B-Zelle fehlt oder durch Sulfonylharnstoffe blockiert wird.

The key role of KATP-channels in stimulus secretion coupling of pancreatic beta cells is widely accepted. They couple the metabolic glucose signal to the intracellular calcium concentration which leads to insulin secretion. Mutations of KATP-channel genes in human beings can lead to persistent hyperinsulinemic hypoglycaemia of infancy (PHHI). Surprisingly, mice lacking functional KATP-channels in beta cells (SUR1-/- mice) do not show any abnormal phenotype. They are able to maintain euglycemia and do not secrete massive amounts of insulin as human beings do even at low blood glucose levels. The aim of this thesis was to investigate the mechanisms of regulated insulin secretion in beta cells of SUR1-/- mice. Membrane potential was measured using microelectrodes and the intracellular calcium concentration was determined by fluorescence microscopy. For the first time it was proven that membrane potential (Vm) in beta cells which lack functional KATP-channels oscillate and that these oscillations are modulated by glucose. Furthermore, Vm is still coupled to the intracellular calcium concentration ([Ca2+]c) and to insulin secretion. Thus, a KATP-channel independent triggering pathway was shown for the first time. In addition, it was investigated whether changes in [Ca2+]c cause changes in Vm. Increasing extracellular calcium concentration levels leads to an increase in the length of the interburst phases (hyperpolarised phases) of Vm. Presumably, one the one hand this is caused by an activation of a calcium activated potassium current which was recently described in beta cells. On the other hand, depletion of intracellular calcium stores leads to activation of a depolarising calcium current (ICRAC) and therefore to an increase in insulin secretion. There is no doubt that the endoplasmic reticulum (ER) is the main calcium store in pancreatic beta cells. Either knocking out SUR1 or blocking it with sulfonylureas dramatically changes calcium storage behaviour in the cell. Calcium is now stored in a different compartment to ER. This leads to the hypothesis that mitochondria buffer much more calcium when SUR1 is knocked out or blocked pharmacologically.