Role of SGK1 in Salt Sensitivity of Blood Pressure and Peripheral Glucose Uptake: Studies in Knockout Mice

Abstract

Excess salt intake increases blood pressure particularly during states of hyperinsulinism and insulin resistance. Insulin is presumably effective through activation of ENaC. Excess salt intake further decreases peripheral glucose uptake thus impairing glucose tolerance. Stimulation of both, the epithelial Na+ channel ENaC and of cellular glucose uptake involves phosphatidylinositide 3-kinase (PI-3K) which signals through protein kinase B (Akt/PKB) and all three members of the serum and glucocorticoid inducible kinase (SGK) family of kinases SGK1, SGK2 and SGK3. All three kinases have been previously shown to modify a variety of transporters including ENaC and the glucose transporter SGLT1. To explore the role of SGK1 in salt sensitive hypertension and peripheral glucose uptake, experiments were performed in male or female SGK1 knockout mice (sgk1-/-) and their wild type littermates (sgk1+/+) which were subjected to standard diet, high-fat diet, high fructose diet or dexamethasone treatment and allowed free access to either tap water (control-salt) or 1% saline (high-salt). Under control diet fluid intake, blood pressure, urinary flow rate and urinary Na+, K+, Cl- excretion were similar in sgk1-/- and sgk1+/+mice, plasma aldosterone concentration was however significantly higher in sgk1-/- (1.22 ± 0.18 ng/ml) than in sgk1+/+mice (0.57 ± 0.11 ng/ml). Under standard diet, high-salt-intake (1% NaCl in drinking water for 25 days) increased fluid intake, urinary flow rate and urinary Na+, K+, Cl- excretion similarly in sgk1-/- and sgk1+/+mice without significantly altering blood pressure. High-fat-diet alone (17 weeks) did not significantly alter fluid intake, urinary flow rate, urinary Na+, K+, Cl- excretion or plasma aldosterone levels, but increased plasma insulin, total cholesterol and triglyceride concentrations as well as systolic blood pressure to the same extent in both genotypes. Additional high-salt-intake (1% NaCl in drinking water for 25 days) on top of high-fat-diet did not affect hyperinsulinemia nor hyperlipidemia but increased fluid intake, urinary flow rate and urinary NaCl excretion significantly more in sgk1-/- than in sgk1+/+mice. Furthermore, in animals receiving high fat diet, additional salt intake increased blood pressure only in sgk1+/+mice (132 ± 3 mmHg) but not in sgk1-/-mice (120 ± 4 mmHg). Renal SGK1 protein abundance of sgk1+/+ mice was significantly elevated following high fat diet. During control diet, fluid intake, urinary flow rate, urinary Na+, K+ and Cl- excretion and blood pressure were similar in sgk1-/- and sgk1+/+ mice. Addition of 10 % fructose to drinking water increased fluid intake and urinary flow rate in both genotypes and did not significantly alter urinary Na+, K+ and Cl- output in neither genotype. Additional high NaCl diet (4 % NaCl) did not significantly alter fluid intake and urine volume but markedly increased urinary output of Na+ and Cl-, approaching values significantly (p < 0.05) larger in sgk1-/- than in sgk1+/+ mice. Blood pressure was similar in sgk1+/+ and sgk1-/- mice at control diet or fructose alone but increased only in sgk1+/+ mice (115 ± 1 vs. 103 ± 0.7 mmHg, p < 0.05) following combined fructose and high salt intake. Renal SGK1 transcript levels of sgk1+/+ mice were significantly elevated following fructose diet. Acute intravenous insulin infusion (during glucose clamp) caused antinatriuresis in sgk1+/+ mice, an effect significantly blunted in sgk1-/- mice. The observations reveal a pivotal role of SGK1 in insulin mediated sodium retention and the salt sensitizing hypertensive effect of high fructose intake. Prior to dexamethasone treatment, the fluid intake, urinary flow rate, urinary Na+, K+ and Cl- excretion, plasma electrolyte and glucose concentrations as well as blood pressure were similar in sgk1-/- and sgk1+/+ mice. Dexamethasone treatment (3mg/kg, b.w. i.p. for 14 days) did not significantly alter renal Na+, K+ and Cl- excretion, but it tended to decrease renal Ca2+ excretion in sgk1+/+ mice but significantly increased renal Ca2+ excretion in sgk1-/- mice and significantly decreased renal phosphate excretion in sgk1+/+ mice. Dexamethasone treatment significantly increased fasting blood glucose concentrations in both genotypes. Dexamethasone treatment significantly increased blood pressure in sgk1+/+ mice, an effect significantly blunted in sgk1-/- mice. The subsequent replacement of the tap drinking water with saline increased the fluid intake, urinary flow rate and urinary NaCl excretion in both genotypes but increased plasma K+ concentration only in sgk1-/- mice. Saline loading increased blood pressure in both, sgk1-/- and sgk1+/+ mice and dissipated the difference between genotypes. Intraperitoneal injection of glucose (3g/kg/body-weight) into sgk1+/+ mice transiently increased plasma glucose concentration approaching significantly higher values ([glucose]p,max) in high-salt (281 ± 39 mg/dl) than in control animals (164 ± 23 mg/dl). DOCA did not significantly modify [glucose]p,max in control sgk1+/+ mice but significantly decreased [glucose]p,max in high-salt sgk1+/+ mice, an effect reversed by spironolactone (50 mg/kg/body-weight). [glucose]p,max was in sgk1-/-mice insensitive to high-salt and significantly higher than in control sgk1+/+mice. Uptake of 3H-deoxy-glucose into skeletal muscle and fat tissue was significantly smaller in sgk1-/- mice than in sgk1+/+ mice and decreased by high-salt in sgk1+/+ mice. According to Western blotting, high-salt decreased and DOCA (35 mg/kg/body-weight) increased SGK1 protein abundance in skeletal muscle and fat tissue of sgk1+/+ mice. Transfection of HEK293 cells with active S422DSGK1 but not inactive K127NSGK stimulated phloretin-sensitive glucose uptake. In conclusion, lack of SGK1 protects against the hypertensive effects of combined high-fat-diet/high-salt-intake or high fructose/high salt diet and mediates the salt sensitive peripheral glucose uptake. The present observations provide insight into prerequisites for the SGK1 dependent increase of blood pressure and thus may provide a clue to the increased blood pressure in those 5% of the common population carrying the SGK1 gene variant. The observations suggest that SGK1 plays a critical role in the hypertensive effect of hyperinsulinism. As a gain of function gene variant of SGK1 could simultaneously increase blood pressure and body mass index, SGK1 may indeed be one of the signalling molecules contributing to metabolic syndrome or syndrome X, a condition characterized by the coincidence of several disorders including hypertension, obesity, insulin resistance and hyperinsulinemia. Metabolic syndrome shares several attributes of Cushing´s syndrome, but does not require increased plasma cortisol levels. Instead, the disorder may be caused by inappropriate activity of downstream signaling elements which could well include the serum and glucocorticoid inducible kinase SGK1.

Exzessive Salzaufnahme erhöht den Blutdruck, besonders unter Hyperinsulinämie und Insulinresistenz. Insulin wirkt vermutlich über Aktivierung des epithelialen Natriumskanals ENaC. Weiterhin vermindert exzessive Salzaufnahme die periphere Glucoseaufnahme und beeinträchtigt somit die Glucosetoleranz. Bei der Stimulation des epithelialen Natriumkanals ENaC als auch der zellulären Glucoseaufnahme ist die Phosphatidylinositol-3-kinase (PI-3K) beteiligt, deren Signalkaskade die Proteinkinase B (Akt/PKB) und alle drei Mitglieder der Serum- und Glukokortikoid-induzierbaren Kinase (SGK)-Familie SGK1, SGK2 und SGK3 einschließt. Für alle drei Kinasen wurde kürzlich gezeigt, dass sie eine Vielzahl von Transportern regulieren, darunter ENaC und den Glucosetransporter SGLT1. Um die Rolle von SGK1 bei salzabhängiger Hypertonie und peripherer Glucoseaufnahme zu untersuchen, wurden Experimente in SGK1-Knockout-Mäusen (sgk1-/-) und den Wildtyp-Geschwistern (sgk1+/+) durchgeführt, die einer Standard-Diät, einer fettreichen Diät, einer hohen Fructose-Diät und Dexamethasonbehandlung unterzogen wurden und die freien Zugang entweder zu Leitungswasser (Kontrolle) oder zu 1%iger NaCl-Lösung (hohe Salzzufuhr) hatten. Unter Kontrollbedingungen waren Flüssigkeitsaufnahme, Blutdruck, Harnflussrate und Ausscheidung von Na+, K+ und Cl- mit dem Urin bei sgk1-/-- und sgk1+/+-Mäusen ähnlich, die Plasma-Aldosteron-Konzentration war jedoch bei sgk1-/--Mäusen (1.22 ± 0.18 ng/ml) signifikant höher als bei sgk1+/+-Mäusen (0.57 ± 0.11 ng/ml). Unter Standarddiät erhöhte eine hohe Salzzufuhr (1% NaCl im Trinkwasser für 25 Tage) Flüssigkeitsaufnahme, Harnflussrate und Urin-Ausscheidung von Na+, K+ und Cl- bei sgk1-/-- und sgk1+/+-Mäusen in ähnlicher Weise ohne den Blutdruck signifikant zu ändern. Eine alleinige fettreiche Diät über 17 Wochen änderte Flüssigkeitsaufnahme, Harnflussrate, Urin-Ausscheidung von Na+, K+ und Cl- oder die Plasma-Aldosteron-Spiegel nicht signifikant, aber erhöhte bei beiden Genotypen die Plasmainsulinspiegel im gleichen Ausmaß, die Plasmakonzentrationen von Gesamtcholesterin und Triglyceriden ebenso wie den systolischen Blutdruck. Eine zur fettreichen Diät zusätzlich verabreichte Salzzufuhr (1% NaCl im Trinkwasser für 25 Tage) beeinflusste weder Hyperinsulinämie noch Hyperlipidämie, aber Flüssigkeitsaufnahme, Harnflussrate und Urin-Ausscheidung von Na+ und Cl-. Letztere waren bei sgk1-/--Mäusen im Vergleich zu sgk1+/+-Mäusen signifikant erhöht. Diese Behandlung erhöhte nur bei sgk1+/+-Mäusen den Blutdruck (132 ± 3 mmHg) nicht jedoch bei sgk1-/--Mäusen (120 ± 4 mmHg). Die Proteinexpression der SGK1 in der Niere war bei sgk1+/+-Mäusen nach einer fettreichen Diät signifikant erhöht. Ein Zusatz von 10% Fructose zum Trinkwasser erhöhte Flüssigkeitsaufnahme und Harnflussrate bei beiden Genotypen und änderte die Urin-Ausscheidung von Na+, K+ and Cl- nicht. Eine zusätzliche Salzbelastung in Form einer NaCl-reichen Diät (4% NaCl) änderte Flüssigkeitsaufnahme und Harnvolumen nicht signifikant, aber erhöhte deutlich die Urin-Ausscheidung von Na+ und Cl- und erreichte bei sgk1-/--Mäusen signifikant höhere Werte als bei sgk1+/+-Mäusen. Der Blutdruck war bei sgk1+/+- und sgk1-/--Mäusen unter Kontrolldiät oder alleiniger Fructosezugabe ähnlich und war nur bei sgk1+/+-Mäusen (115 ± 1 vs. 103 ± 1 mmHg) unter einer kombinierten Fructose- und hohen Salzaufnahme erhöht. Eine akute intravenöse Insulininfusion unter gleichzeitiger Glucoseinfusion bewirkte in sgk1+/+-Mäusen eine Antinatriurese. Dieser Effekt war bei sgk1-/--Mäusen signifikant abgeschwächt. Die Beobachtungen zeigten, dass SGK1 bei Insulin-vermittelter Natriumretention und bei salzabhängigen hypertensiven Effekten durch hohe Fructoseaufnahme eine zentrale Rolle spielt. Vor Behandlung mit Dexamethason waren Flüssigkeitsaufnahme, Harnflussrate, Urin-Ausscheidung von Na+, K+ and Cl-, Plasmaelektrolyt- und Glucosekonzentrationen ebenso wie Blutdruck bei sgk1-/-- und sgk1+/+-Mäusen ähnlich. Behandlung mit Dexamethason (3mg/kg Körpergewicht, i.p. für 14 Tage) veränderte die renale Na+-, K+- und Cl--Ausscheidung nicht signifikant, aber verringerte die renale Ca2+-Ausscheidung bei sgk1+/+-Mäusen tendenziell, bei sgk1-/--Mäusen kam es allerdings zu einer signifikanten Erhöhung der renalen Ca2+-Ausscheidung. Die Dexamethason-Behandlung erhöhte die Blutglucosekonzentration nach Fasten bei beiden Genotypen signifikant. Darüberhinaus, erhöhte die Dexamethason-Behandlung den Blutdruck bei sgk1+/+-Mäusen signifikant, dieser Effekt war bei sgk1-/--Mäusen signifikant abgeschwächt. Im folgenden wurde das Trinkwasser mit Salz versetzt, was Flüssigkeitsaufnahme, Harnflussrate und NaCl-Ausscheidung im Urin bei beiden Genotypen erhöhte, die Plasma-K+-Konzentration jedoch nur bei sgk1-/--Mäusen erhöhte. Die Salzlast erhöhte den Blutdruck sowohl bei sgk1-/-- als auch bei sgk1+/+-Mäusen und es gab keinen Unterschied zwischen beiden Genotypen. Während eines intraperitonealen Glucosetoleranztests (3g/kg/Körpergewicht) in sgk1+/+-Mäusen stieg die Plasmaglucosekonzentration vorübergehend an und erreichte dabei bei Mäusen unter NaCl-reichen Diät (281 ± 39 mg/dl) signifikant höhere Spitzenwerte als bei den Kontrolltieren (164 ± 23 mg/dl). DOCA (35 mg/kg/KG) alleine veränderte in der Kontrollgruppe der sgk1+/+-Mäuse die Spitzenwerte nicht signifikant, aber verminderte diese signifikant unter gleichzeitiger NaCl-reichen Diät. Dieser Effekt konnte durch Spironolacton (50 mg/kg/KG) umgekehrt werden. Die Spitzenwerte waren bei sgk1-/--Mäusen unabhängig von hoher Salzdiät signifikant höher als in der Kontrollgruppe der sgk1+/+-Mäuse. Die Aufnahme von 3H-desoxy-glucose in den Skelettmuskel und ins Fettgewebe war bei sgk1-/--Mäusen signifikant geringer als bei sgk1+/+-Mäusen und bei sgk1+/+-Mäusen durch eine hohe Salzdiät verringert. Im Western-Blot verminderte eine hohe Salzzufuhr die Proteinexpression der SGK1 im Skelettmuskel und im Fettgewebe von sgk1+/+-Mäusen, DOCA erhöhte diese. Die Transfektion von HEK293-Zellen mit aktivem S422DSGK1, aber nicht inaktivem K127NSGK stimulierte die Phloretin-abhängige Glucoseaufnahme. Schlussfolgernd kann man sagen, dass ein Mangel an SGK1 vor hypertensiven Effekten unter kombinierter hoher Fettdiät und hoher Salzzufuhr oder unter hoher Fructosezufuhr und hoher Salzdiät schützt und die salzabhängige periphere Glucoseaufnahme moduliert. Die aktuellen Beobachtungen ergeben Hinweise für die SGK1-abhängige Steigerung des Blutdrucks und stellen damit möglicherweise einen Erklärungsansatz für den erhöhten Blutdruck bei jenen 5% der Gesamtbevölkerung mit einem SGK1-Genpolymorphismus dar. Die Beobachtungen lassen vermuten, dass die SGK1 eine entscheidende Rolle im Hinblick auf hypertensive Effekte unter Hyperinsulinämie spielt. Da eine Überfunktion der SGK1-Genvariante gleichzeitig den Blutdruck und den Körpermassenindex BMI erhöhen könnte, ist SGK1 vermutlich in der Tat eines der Signalmoleküle, das zum metabolischen Syndrom oder Syndrom X führt, ein Zustand, der durch das Zusammenwirken mehrerer Funktionsstörungen charakterisiert ist, darunter Bluthochdruck, Übergewicht, Insulinresistenz und Hyperinsulinämie. Das metabolische Syndrom hat einige Merkmale mit dem Cushing-Syndrom gemeinsam, aber weist keinen erhöhten Plasma-Cortisolspiegel auf. Stattdessen wird die Störung vermutlich von unangemessen erhöhter Aktivität von "downstream"-Signalelementen verursacht, die durchaus die Serum- und Glukokortikoid-induzierbare Kinase SGK1 miteinschließen könnte.