Role of serum and glucocorticoid inducible kinase SGK1 in the regulatin of glucose transport

Abstract

Insulin stimulates glucose transport in hormone responsive tissues mainly by inducing the redistribution of the facilitated hexose carrier isoforms GLUT1 (SLC2A1) and GLUT4 (SLC2A4) from intracellular compartments to the plasma membrane. Previous studies have shown that phosphatidylinositol 3-kinase (PI-3K) inhibition disrupts the ability of insulin to stimulate GLUT1 and GLUT4 translocation into the cell membrane and thus glucose transport. The Serum and Glucocorticoid inducible Kinase 1 SGK1 is a protein kinase which regulates the function and expression of several ion channels and transporters. It was initially recognized as an immediate early gene whose mRNA level is increased in mammary tumour cell and fibroblast cell lines upon serum or glucocorticoids. The kinase is activated by phosphorylation in response to signals that stimulate phosphatidylinositol 3-kinase. The phosphorylation is mediated by 3-phosphoinositide-dependent protein kinase1 (PDK1) and PDK2/H-motif kinase. Once phosphorylated, the kinase regulates its targets activity directly through phosphorylation at the SGK1 consensus site or indirectly through phosphorylation of the ubiquitin ligase or binding to the scaffolding protein NHERF2.

GLUT4 contains a putative SGK1 consensus site at 274Ser for phosphorylation by SGK1 and GLUT1 at 95Ser. Thus, in the present work it was investigated whether SGK1 regulates GLUT1 and GLUT4. To this end, membrane proteins encoding the glucose transporter and the kinases were expressed heterologously in Xenopus laevis oocytes. Tracer flux studies with 2 De-oxy glucose as a substrate and uptake was determined as a measure of GLUT4 activity. The concerned studies in oocytes demonstrated that GLUT4 activity is enhanced by constitutively active SGK1. The effect requires the kinase catalytical activity since the inactive mutant K127NSGK1 failed to modulate the facilitative GLUT4. Deleting the SGK1 phosphorylation site on GLUT4 (S274AGLUT4) abrogated the kinase effects suggesting that the action of SGK1 occurs via direct phosphorylation. We also found that GLUT4 stimulation by S422DSGK1 is not due to de novo protein synthesis but rather to an increase of the transporter´s abundance in the plasma membrane. Kinetic analysis revealed that SGK1 enhances maximal transport rate without altering GLUT4 substrate affinity.

The effect of SGK1 on GLUT1 was examined in the mammalian renal cell line HEK 293. Cells were transfected with the empty vector or with SGK1 and 2-Deoxy-glucose uptake determined. Tracer flux studies in HEK-293 mammalian cells demonstrated that GLUT1 is regulated by the SGK1 kinase in its constitutively active form. The effect requires the catalytical activity since the inactive mutant form of SGK1 failed to upregulate GLUT1. Kinetic analysis in HEK-293 cells revealed that SGK1 upregulates the transporter activity by enhancing the maximal transport rate without altering its substrate affinity. In order to pursue the physiological relevance of SGK1 mediated regulation of glucose transport adipocytes were isolated from mice lacking SGK1 kinase and glucose uptake was measured. Results demonstrated that glucose transport is reduced in isolated adipocytes from SGK1 knockout mice as compared to wild type littermates.

In conclusion, the facilitated glucose transporters GLUT1 and GLUT4 are modulated by the serum and glucocorticoid inducible kinase SGK1. The kinase stimulates GLUT1 and GLUT4 by enhancing the transporter plasma membrane abundance. The SGK1 dependent regulation of these two glucose transporters GLUT1 and GLUT4 may participate in the PI3 K-dependent adjustment of cellular glucose uptake to the demand.

In hormonsensitiven Epithelien wird eine Steigerung des Glukosetransports hauptsächlich durch vermehrten Transport der Hexosetransporter-Isoformen GLUT1(SLC2A1) und GLUT4(SLC2A4) von intrazellulären Kompartimenten zur Plasmamembran erreicht. Es ist bereits bekannt, daß die Inhibition der PI3K die Stimulation der GLUT1 und GLUT4 Translokation durch Insulin und damit eine Erhöhung des Glukosetransports unterbindet. Die Serum- und Glukokortikod-induzierbare Kinase (SGK) 1 ist eine weitere Kinase abwärts der PI3K.

Die SGK1 ist eine Proteinkinase, welche die Funktion und Expression einer Reihe von Ionenkanälen und Transportern reguliert. Sie wurde als ein Gen identifiziert, welches akut in Brusttumorzellen und Fibroblasten durch die Applikation von Serum- und Glukokortikoiden stimuliert wird. Die Kinase wird durch Faktoren phosphoryliert, welche die PI3K aktivieren. Die Phosphorylierung erfolgt durch die 3-Phosphoinositid-abhängigen Kinasen (PDK) 1 und PDK2. In der phosphorylierter Form reguliert die Kinase die Aktivität ihrer Ziele durch Phosphorylierung an der SGK Konsensusstelle (Arg-Xaa-Arg-Xaa-Xaa-Ser/Thr).

GLUT1 enthält eine Konsensusstelle (95Ser) für die Phosphorylierung durch SGK1. während sich die Phosphorylierungsstelle auf dem GLUT4 an der Position 274Ser befindet. Die vorliegende Studie untersucht die Hypothese, daß GLUT1 und GLUT4 durch die SGK1 reguliert werden. Zu diesem Zweck wurde die cRNA der Glukosetransporter und der Proteinkinase im heterologen Expressionssystem des Xenopus laevis Oocyten exprimiert. Die Quantifizierung der Transporteraktivität erfolgte durch die Bestimmung der Aufnahme von radioaktiver Deoxyglukose. In den betreffenden Studien in Xenopus laevis Oocyten und Adipocyten konnte nachgewiesen werden, dass die GLUT1 Aktivität durch die konstitutiv aktive SGK1 stimuliert wird.

Dieser Prozeß benötig eine intakte Katalysierungsstelle auf der SGK1, da die inaktive K127NSGK keinen Effekt auf den Transporter zeigt. Es konnte ebenfalls gezeigt werden, daß die Stimulierung des GLUT1 durch die S422DSGK1 nicht auf einer Erhöhung der GLUT1 de novo Synthese beruht sondern vielmehr auf einer Erhöhung der GLUT1-Abundanz an der Zelloberfläche. Die kinetische Analyse zeigte, daß die Stimulierung des GLUT1 zwar die maximale Transportrate, nicht aber dessen Affinität zum Substrat erhöht.

Durch Tracer-Flux-Studien in HEK-293 Zellen konnte gezeigt werden, dass GLUT1 durch die konstitutiv aktive SGK1 reguliert wird. Dieser Effekt benötigt eine intakte katalytische Aktivität der SGK1 da die inaktive SGK1 den Transporter nicht regulierte. Die kinetische Analyse in HEK-293 Zellen zeigte außerdem, daß die Aktivität des Transporters durch eine Erhöhung der maximalen Transportrate erreicht wird, die Substrataffinität aber unbeeinflusst bleibt. Außerdem konnte gezeigt werden, das der GLUT1-vermittelte Glukosetransport in Adipozyten von SGK1-knockout Mäusen verringert ist.

In der Zusammenfassung werden die Glukosetransporter GLUT1 und GLUT4 durch die Glukokortikod-induzierbare Kinase SGK1 moduliert. Die Kinase stimuliert den Transporter durch die Erhöhung seiner Zelloberflächenexpression. Die SGK1-abhängige Regulation der Glukosetransporter GLUT1 und GLUT4 könnte an der Anpassung der zellulären Glukoseaufnahme an den Bedarf der Zelle beteiligt sein.

Ergänzungen/Errata zur Dissertation Die Rolle der Serum- und Glukokortikoid-induzierbaren Kinase SGK1 in der Regulation des Glukosetransports des gleichnamigen Autors. Siehe http://hdl.handle.net/10900/49109