Mice without the regulatory protein RS1 exhibit increased D-glucose reabsorption in small intestine and develop obesity

RS1 ist ein 67-68 kD großes, ubiquitär exprimiertes Protein, das sich an der Innenseite der Plasmamembran befindet und in den Zellkern wandern kann. Durch immunhistochemischen Untersuchungen an Dünndarmschnitten der Maus konnte RS1 das erste Mal in dieser Arbeit im Kern und an der Membran von Enterozyten gezeigt werden. RS1 wird von einem intronlosen Single Copy Gen kodiert und ist fähig Ubiquitin über eine Ubiquitin-assoziierte (UBA) Domäne zu binden. Es reduziert die Konzentration einiger Proteine in der Plasmamembran. Durch Expressionsversuche in Xenopus Oozyten wurde gezeigt, dass RS1 die Menge des Na+-D-Glukosekotransporters SGLT1 in der Plasmamembran transkriptionsunabhängig reduziert. Entsprechend seiner dualen Lokalisation beteiligt sich RS1 aber auch an der Transkriptionsregulation im Zellkern. In der vorliegenden Arbeit konnten Informationen über die physiologische Funktion des membranassoziierten Regulatorproteins RS1 gewonnen werden. Nach Erstellung einer RS1-knock-out Maus wurde sichergestellt, dass ein erfolgreiches Rekombinationsereignis stattgefunden hatte und RS1 tatsächlich nicht mehr exprimiert wurde. Die RS1-knock-out Mäuse waren postnatal lebensfähig, vermehrten sich gut und entwickelten eine Fettsucht mit 30 % mehr Körpergewicht, 80 % mehr Fett und um 40 % vergrößerten Fettzellen. Bei den transgenen Mäusen war weder die Nahrungsaufnahme gesteigert, noch die motorische Aktivität verringert. In der Bürstensaummembran des Dünndarmepithels konnte bei den RS1-knock-out Mäusen die siebenfache Menge an Protein des Na+-abhängigen D-Glukosekotransporters SGLT1 detektiert werden, während die Konzentration des passiven Glukosetransporters GLUT2 in der basolateralen Membran nicht verändert war. Die Zunahme der SGLT1-Proteinmenge war posttranskriptional bedingt. Bei der RS1-knock-out Maus wirkt sich der in Oozyten beobachtete Effekt an der Plasmamembran aus, während der an konfluenten LLCPK1 Zellen gezeigte Effekt im Zellkern nicht zum Tragen kommt. Die transgenen Tiere resorbierten die doppelte Menge an D-Glukose im Dünndarm. Das spricht dafür, dass bei der RS1-knock-out Maus der „turnover“ des SGLT1 beeinflusst sein muss, da die siebenfache SGLT1-Proteinmenge einem verdoppelten Transport über den SGLT1 gegenübersteht. Die RS1-knock-out Mäuse zeigten normale Insulinspiegel und reguläre oralen Glukosebelastungstests. Bei gefütterten Mäusen waren die Serumleptinspiegel ähnlich wie bei Wildtypmäusen, die typische Reduzierung des Serumleptinspiegel konnte bei den Mäusen ohne RS1 aber nicht beobachtet werden. Untersuchungen an Fettzellexplantaten ergaben, dass die Sekretion von Leptin bei RS1- knock-out-Explantaten erhöht war, während die Leptinsynthese und die insulinabhängige Regulation der Leptinsekretion nicht verändert waren. Mit der RS1-knock-out Maus wurde ein neues Fettsuchtmodell geschaffen. RS1 spielt eine physiologisch wichtige Rolle bei der Regulation der D-Glukoseaufnahme im Darm. Der visceralen Adipositas liegt wahrscheinlich eine gesteigerte Nahrungsutilisation durch die verbesserte Glukoseaufnahme über den SGLT1 im Darm zugrunde. Die gesteigerte Glukoseabsorption ist ursächlich für den Anstieg der Fettmasse. Die Fettzellen vergrößern sich und sezernieren dann mehr Leptin. Es ist davon auszugehen, dass die RS1-knock-out Mäuse eine veränderte Nahrungsutilisation aufgrund der verbesserten Glukoseaufnahme im Dünndarm aufweisen. Die Adipositas demzufolge ein sekundärer Effekt. Gleichzeitig kann aber nicht ausgeschlossen werden, dass RS1 direkt auf die Zellen des weißen Fettgewebes wirkt und bei Wildtypmäusen die Sekretion des Leptins aus Vesikeln hemmt.RS1 is a 67-68-kDa ubiquitously expressed protein, which is localized below the plasma membrane and within the nucleus. In this work, by immunohistochemistry on small intestine of wildtype mice, RS1 protein could be located to nucleus and plasma membrane of enterocytes the first time. An intronless single copy gene encodes RS1. RS1 is able to bind ubiquitin with an ubiquitin associated (UBA) domain, reduces concentration of some proteins in the plasma membrane. Coexpression experiments with RS1 and SGLT1 demonstrated that RS1 decreased the plasma membrane concentration of SGLT1 in Xenopus laevis oocytes. These effects were independent of transcription. In addition, consistent with the dual localization of RS1, transcriptional regulation has been observed in the nucleus. This work tries to elucidate the biological role of the plasma membrane–associated regulatory protein RS1. We generated RS1 knock-out mice and exploited them for experimental approaches. After generating RS1-knock-out mice, we verified correct homologous recombination and lack of expression of RS1 gene product. RS1-knock-out mice are viable, breed well, and are obese. Their body weight is increased by 30 %, body fat by 70 %, and mean fat cell volume by 40 % compared with wildtype animals. However, neither food intake was increased nor the motor activity was reduced in RS1-knock-out mice. In brush-border membranes of small intestine, the amount of protein of the Na+-dependent D-glucose transporter SGLT1 was increased sevenfold whereas protein expression of the glucose transporter GLUT2 did not differ. The increased amount of SGLT1 protein was not associated with higher expression of mRNA levels, indicating that regulation occurs on posttranscriptional level. At variance with the transcriptional upregulation of SGLT1 observed in confluent LLC-PK1 cells with reduced RS1 expression, the small intestinal upregulation of SGLT1 in RS1-knock-out mice is an effect at the plasma membrane, observed after expression in oocytes. The capacity of small intestinal D-glucose uptake in RS1-knock-out mice was 2fold increased compared to wildtype. This was due to a 7fold posttranscriptional upregulation of SGLT1 protein. The data suggest that the turnover of SGLT1 is changed. Plasma insulin levels were normal in RS1-knock-out mice. Plasma levels of glucose responded adequately upon oral glucose loading. In fed mice lacking RS1, serum leptin was similar as in wildtype, however, the typical starvation-induced reduction of serum leptin was not observed. In fat tissue explants of RS1-knock-out mice, leptin secretion was increased whereas expression of leptin as well as insulindependent regulation of leptin secretion were not changed. The RS1-knock-out mouse represents a novel model of obesity. RS1 plays a physiologically important role of regulation of D-glucose absorption in small intestine. Enhanced food utilization as a consequence of increased glucose absorption in the small intestine accounts for visceral type of adipositas of RS1-knock-out mice, probably. The increased glucose absorption leads to the rise in fat mass. The fat cells become larger and secret more leptin