Delta cell reprogramming during mouse pregnancy

Diabetes Mellitus umfasst eine weit verbreitete Gruppe von Stoffwechselerkrankungen, die durch chronisch erhöhte Blutzuckerspiegel und Glukose Intoleranz gekennzeichnet sind. Den Krankheitsformen liegen unterschiedliche Mechanismen zugrunde, jedoch haben alle Formen einen Mangel an Insulin produzierenden Beta Zellen gemein. Bis heute gibt es keine Heilung und existierenden Behandlungsmöglichkeiten sind meist begleitet von Nebeneffekten. Ein vielversprechender Ansatz für die neuartige Diabetestherapie bietet die Wiederherstellung der körpereigenen Betazellmasse durch induzierte Regeneration. Als notwendige Voraussetzung für die Entwicklung einer Zellbasierten Therapie wird das umfassende Verständnis der körpereigenen Mechanismen zur Erneuerung dieser Zellen vorausgesetzt. Es ist bekannt, dass Beta Zellen in ihrer Funktion anpassungsfähig sind und so kurzzeitig auf eine veränderte Stoffwechselsituation reagieren können. Schwangerschaft repräsentiert einen solchen physiologischen Zustand, da der mütterliche Körper sich enormen Anpassungen unterzieht um den Fetus optimal zu versorgen. Während der Schwangerschaft wächst die funktionell wirksame Betazellmasse um dem gesteigerten Insulin Bedarf gerecht zu werden. Obwohl diese Leistungssteigerung schon lang bekannt sind, konnten die zugrundeliegenden Mechanismen bisher nicht vollständig aufgeklärt werden. Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung der unterschiedlichen Mechanismen der Anpassung von Betazellmasse und Funktion während der Trächtigkeit von Mäusen. Hierbei sollte besonders die Rolle der Zellerneuerung unter Aktivierung embryonaler Signalwege eingehender untersucht werden. Ergebnisse Die Charakterisierung der Stoffwechselveränderungen während der Trächtigkeit in Mäusen konnte den aktuellen Wissensstand der Literatur bestätigen. So wurde eine gestörte Glukosetoleranz, erhöhte Insulin Ausschüttung und vermehrte Zellproliferation von Beta Zellen festgestellt. Auch die Gesamtmasse der endokrinen Zellen war zum Ende der Trächtigkeit signifikant erhöht. Eine Erniedrigung innerhalb der ersten vier Wochen nach Trächtigkeit konnte im Gegensatz zur Literatur nicht festgestellt werden. Obwohl die erhöhte Zellteilung während der Trächtigkeit zum Großteil für den Massenzuwachs verantwortlich ist, kann der Einfluss anderer Mechanismen, wie Neogenese oder Dedifferenzierung existierender Inselzellen nicht ausgeschlossen werden. So wurde eine Teilpopulation innerhalb den Langerhans´schen Inseln erkannt, die während des ersten Trimesters der Trächtigkeit den Transkriptionsfaktor Neurogenin 3 (Ngn3) exprimiert. Die Mehrheit dieser Zellen wurde als Somatostatin sezernierenden Deltazellen identifiziert. Die höchste Ngn3 Aktivität ging mit einer Erhöhung der Hormon negativen Zellen einher und legt die Vermutung eines Vorläuferzellstatus nahe. Rückverfolgung der Zellidentität mittels transgener Mäuse ergab eine prozentuale Erniedrigung der Deltazellen im ersten Trimester, gefolgt von der Differenzierung entgegen einer Betazellidentität zum Ende der Trächtigkeit. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der Anstieg an Ngn3 Aktivität mit einem erhöhten Steroid und Insulin Hormonspiegel korreliert. Kulturexperimente mit isolierten Inseln konnten Progesteron als möglichen Auslöser für den partiellen Verlust an Deltazellidentität und gesteigerter Insulin Sekretion identifizieren. Schlussfolgerung Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit weisen möglicherweise auf eine neue funktionelle Rolle von Deltazellen während der Trächtigkeit hin. Im ersten Trimester führt eine Erniedrigung der Somatostatin produzierenden Zellmasse durch Aktivierung von Ngn3 und zur Umwandlung in einen Hormon negativen Zellstatus und später zur Differenzierung von Beta Zellen. Als möglicher Auslöser für diesen Mechanismus wurde eine erhöhte Progesteron Konzentration im Blut identifiziert. Obwohl die funktionelle Relevanz dieses Prozesses nicht vollständig aufgeklärt wurde, wird die gesteigerte Betazellfunktion durch eine verringerte Somatostatin vermittelte Hemmung vermutet.Diabetes mellitus is a set of metabolic diseases with common characteristics such as chronic hyperglycemia and glucose intolerance caused by insulin deficiency, defects in insulin secretion and action, or both. Up to now, there is no cure for this disease types as existing treatment possibilities are still limited and accompanied by long-term side effects. A promising approach in this regard would be the restoration of endogenous beta cell mass by induced regeneration. A requirement for the development of such an approach is to understand the regenerative capacities of endogenous beta cells and uncover the underlying signaling factors of this mechanism. It is well established that functional beta cell mass is capable of dynamic adaptations to compensate changing metabolic conditions. Pregnancy represents a physiological setting for adaptive beta cell mass expansion and increased function as the maternal body undergoes enormous physiological adaptations in order to provide sufficient nutrients to the developing fetus. Although these compensatory changes are known for decades, the mechanisms involved are still not completely clarified. The objective of this thesis was to study the mechanisms involved in the compensatory response of beta cell mass and function during pregnancy. Especially the role of non-beta cell sources, indicated by the re-activation of the developmental transcription factor neurogenin 3 (Ngn3) was investigated. Results Characterization of mouse pregnancy confirmed current knowledge from literature that pregnancy induces insulin resistance, increased insulin secretion and beta cell proliferation resulting in elevated endocrine mass. Mass expansion gradually increased from the second trimester leading to a two fold increase by the end of pregnancy and remained elevated even post-partum. Increased proliferative rates were visualized already in the first trimester and declined with pregnancy at term. Although, proliferation seemed to play a major role in the compensatory response during pregnancy, it might not be the only mechanism involved in this process. A subpopulation of islet cells was identified to initiate transient Ngn3 promoter activity during the first trimester of pregnancy. A majority of these cells was characterized as somatostatin secreting delta cells. Interestingly, peak occurrence of Ngn3 activity, lead to an increase in hormone negative, Ngn3 expressing cells, indicating an endocrine progenitor cell state. Lineage tracing experiments revealed a fractional loss of delta cells and might be followed by differentiation towards a beta cell identity throughout the duration of pregnancy. Notably, the onset of Ngn3 expression and consequent delta cell reprogramming correlated with changes in plasma steroid hormone levels, whereas delta cell dedifferentiation coincides with increased plasma insulin levels. In vitro culture of isolated islets demonstrated that indeed the presence of elevated progesterone concentrations in the media lead to a partial delta cell identity loss. Moreover, functional characterization revealed that progesterone also increased glucose stimulated insulin secretion after a 5 day culture period. Conclusion These findings provide evidence for a functional role of delta cells in the early compensatory adaptations during pregnancy. During early gestation a considerable amount of somatostatin expressing delta cells reprogram and might differentiate towards a beta cell identity. This process seemed to involve the re-expression of the developmental transcription factor Ngn3 reinforced by plasma progesterone levels. Although the functional relevance of delta cell conversion needs further investigation, a major implication on early compensation to increase insulin secretion via less somatostatin mediated inhibition is suggested