Funktionelle Untersuchung des microRNA-Signalweges in pankreatischen Beta- Zellen während der Insulinresistenz

In summary, two critical aspects of the β-cell biology have been addressed in this thesis. We have shown that loss of Ago2 from β-cells potentiated the release of β-cell secretome, besides insulin, as a result of de-repression of miR-375-targeted genes. The β-cell secretome led to the identification of several proteins that are important for optimal β-cell function. Interestingly, several proteins within the β-cell secretome were previously shown to be associated with bone physiology. Their release by the β-cells is intriguing and future investigations could shed novel light on the β-cell-bone interactions. On the other hand, we also established that silencing of miR-184 in vivo promoted the expression of its target Ago2 in the islets of several mouse models of insulin resistance. In mouse models that overexpress Ago2 (dox-Ago2) or mice genetically ablated for miR-184 (miR-184KO), increased expression of Ago2 resulted in increased β-cell proliferation. Elevated levels of Ago2 in the islets of ob/ob mice enhanced miRNA function via increased suppression of genes targeted by miR-375 such as Cadm1, Gphn, Rasd1, Ywhaz, and HuD. These target genes are implicated in cellular growth and insulin secretion pathways. Importantly, the miRNA pathway in the β-cell is able to effectively sense nutrient changes and adjusts its activity accordingly. This is demonstrated by the fact that restoration of insulin sensitivity by ketogenic diet in ob/ob mice promoted the expression of miR-184 in the islets. This in turn restored the levels of Ago2, Cadm1, and ultimately the β-cell mass. Lastly, the levels of miR-184 were found to be downregulated in the islets of T2D human donors, demonstrating the functional relevance of miR-184 in human disease. In addition, the expression of Ago2 inversely correlated to that of miR-184 in islets across the entire cohort of human subjects. These observations clearly indicate that feedback mechanisms exist within the miRNA pathway so as to adjust the optimal release of β-cell secretome, besides insulin, and β-cell proliferation according to insulin sensitivity. Future studies to further dissect this pathway in the β-cell would shed novel light into mechanisms of T2D in humans.Die hier vorgelegte Arbeit adressiert zwei kritische funktionelle Aspekte der β-Zellbiologie. Wir konnten zeigen, dass der Verlust von Ago2 in β-Zellen zur verstärkten Freisetzung von Insulin führt, bedingt durch die Derepression von miR-375-Zielgenen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass Ago2 auch das β-Zell- Sekretom reguliert. Durch die erstmalige Identifizierung aller von β-Zellen freigesetzter/sezernierter Proteine, waren wir auch in der Lage, einige Proteine zu identifizieren, die eine wichtige Rolle für die normale Funktion von β-Zellen spielen. Besonders interessant dabei ist, dass eine Reihe von Proteinen, die von β-Zellen freigesetzt werden auch in der Physiologie von Knochenzellen eine Rolle spielen. Dieser Umstand ist überraschend und zusätzliche Untersuchungen könnten bisher unbekannte Verbindungen zwischen Knochen- und β-Zellen aufzeigen. Zusätzlich haben wir in in-vivo Experimenten gezeigt, dass die Expression von miR-184 in Langerhansschen Inseln bei verschiedenen Mausmodellen der Insulin-Resistenz reduziert ist und zur verstärkten Expression des miR-184-Zielgens Ago2 führt. Eine erhöhte Expression von Ago2, sowohl in transgenen Mäusen, bei denen entweder Ago2 überexprimiert (dox-Ago2) oder miR-184 (miR-184KO) fehlte, führte zur verstärkten β-Zellproliferation. Die verstärkte Expression von Ago2 in Langerhansschen Inseln von ob/ob Mäusen führte zur einer erhöhten Unterdrückung von miR-375 Zielgenen, wie Cadm1, Gphn, Rasd1, Ywhaz und HuD. Diese Zielgene sind an der Regulation von Zellteilung und der Ausschüttung von Insulin beteiligt. Wir konnten außerdem zeigen, dass der miRNA Signalweg massgeblich auf Veränderungen im Nährstoffhaushalt reagiert und die Aktivität entsprechend anpasst. Dies konnte durch die Gabe einer ketogenen Diät bei ob/ob Mäusen beobachtet werden, die die Insulin-Resistenz verbessert und zu einer erhöhten Expression von miR-184 führt. Infolgedessen normalisierte sich die Expression von Ago2 und Cadm1 und letztlich die β-Zellmasse. Darüber hinaus konnte eine inverse Korrelation von miR-184 und Ago2 Expression auch in humanen Langerhansschen Inseln von gesunden und Typ 2 Diabetes erkrankten Patienten beobachtet werden. Diese Beobachtungen weisen auf Rückkopplungsmechanismen im miRNA Signalweg hin, die eine Anpassung der Insulinsekretion und der Kontrolle der β-Zellteilung in Abhängigkeit von dem Grad der Insulin-Resistenz ermöglichen. Zukünftige Studien zur Aufklärung dieses Mechanismus in β-Zellen führt möglicherweise zur neuen Erkenntnissen über die Entwicklung von Typ 2-Diabetes beim Menschen