Signalling and proinsulin gene regulation by Leptin in pancreatic beta-cells

Das Fettgewebshormon Leptin hemmt in Beta-Zellen des endokrinen Pankreas die Insulinbiosynthese und –sekretion. Insulin dagegen als adipogenes Hormon fördert die Leptinproduktion, so dass ein Regelkreis, die so genannte “Adipoinsuläre Achse“ entsteht. Fehlregulationen dieser Achse werden vor allem bei übergewichtigen Menschen mit einer Hyperleptinämie im Rahmen der Pathogenese des Diabetes mellitus Typ 2 diskutiert. Die genauen molekularen Mechanismen über die die transkriptionellen Effekte von Leptin auf die Proinsulingen Expression erfolgen sind bis dato nicht ausreichend verstanden. Die Signalübertragung von Leptin erfolgt über den JAK-STAT-Signalübertragungsweg. Dieser Signalübertragungsweg kann durch Moleküle aus der Familie der Suppressors of Cytokine Signalling (SOCS) gehemmt werden. Ziel dieser Arbeit war die Leptin vermittelte Signaltransduktion in Beta-Zellen des endokrinen Pankreas sowie die Insulingen Expression näher zu charakterisieren. Stimulation mit Leptin führt zu einer JAK2 abhängigen Phosphorylierung und zeitabhängigen nukleären Translokation von STAT3 und STAT5b in INS-1 Zellen. Sowohl STAT3 als auch STAT5b aktivieren den Proinsulingen Promotor in INS-1 Zellen. Für STAT5b konnte in INS-1 Zellen gezeigt werden, dass diese Aktivierung durch Interaktion mit PDX-1, dem zentralen Regulator der -Zelldifferenzierung und –funktion, und Koaktivator CBP/p300 erfolgt. Diese synergistische Aktivierung ist abhängig von der PDX-1 Bindungsstelle, dem A3/A4 Element im Ratten-Insulingenpromotor 1. Weiterhin konnte in INS-1 Zellen in vitro gezeigt werden, dass Leptin die mRNA Expression von SOCS3 induziert. Eine Aktivierung des Ratten SOCS3 Promotors konnte sowohl durch Leptin, als auch durch STAT3 und STAT5b nachgewiesen werden. Diese Aktivierung erfolgt über spezifische Bindung von STAT3 und STAT5b an bekannte STAT-Bindungsstellen im SOCS3 Promotor, was durch EMSAs mit Kernextrakten von INS-1 Zellen demonstriert werden konnte. SOCS3 wiederum hemmt sowohl die basale als auch die STAT3 und STAT5b vermittelte Aktivierung des Ratten-Insulinpromotors 1 in INS-1 Zellen. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass SOCS3 ein Leptin induzierter Inhibitor der Proinsulingen Expression in pankreatischen Beta-Zellen ist, im Sinne einer negativen Rückkoppelung. SOCS3 ist somit ein direkter Vermittler der Leptin Signalübertragung distal von JAK-STAT in Beta-Zellen des endokrinen Pankreas.Leptin is an adipocyte-derived hormone that inhibits insulin secretion and proinsulin gene expression in pancreatic beta cells. Insulin, in contrast, is adipogenic and stimulates leptin secretion from the adipose tissue thereby establishing an adipoinsular feedback loop, the so called adipoinsular axis. Dysregulation of this adiposinsular axis with the establishment of leptin resistance in pancreatic beta cells may lead to hyperinsulinemia, which could contribute to obesity and insulin resistance. The molecular mechanism by which leptin exerts transcriptional effects on proinsulin gene expression has yet to be shown. Leptin signal transduction through the leptin receptor is intracellularly coupled to the JAK-STAT signalling pathway. This pathway can be inhibited by a family of molecules, named suppressors of cytokine signalling (SOCS). Aim of this study was to analyse leptin mediated signal transduction and proinsulin gene regulation at the molecular level in pancreatic beta cells. Leptin stimulation lead to JAK2-dependent phosphorylation and time-dependent nuclear translocation of the transcription factors STAT3 and STAT5b in INS-1 beta cells. Both STAT3 and STAT5b activate the rat proinsulin promoter 1 in INS-1 beta cells. Furthermore STAT5b activates the rat proinsuin promoter 1 via interaction with PDX-1, a central regulator of beta cell differentiation and function, and the cofactor CBP/p300 in synergism. This synergism is dependent of the A3/A4 element in the rat insulin 1 promoter. The A3/A4 element is a PDX-1 binding site. In addition, leptin induced mRNA expression of the JAK-STAT inhibitor SOCS3 in vitro in INS-1 beta cells. Transcriptional activation of the rat SOCS3 promoter was observed with leptin, STAT3 and STAT5b. In EMSA´s Leptin induced STAT3 and STAT5b DNA binding to specific STAT responsive binding sites in the SOCS3 promoter was demonstrated. Finally, SOCS3 inhibited basal and both STAT3 and STAT5b-dependent rat insulin 1 gene promoter activity in INS-1 cells. These results suggest that SOCS3 is a leptin-induced inhibitor of proinsulin gene expression in pancreatic beta cells. SOCS3 is a mediator of leptin signalling distal of JAK-STAT in pancreatic beta cells. Leptin-mediated SOCS3 expression in pancreatic beta cells may contribute to the inhibitory effects of leptin on proinsulin gene expression and insulin biosynthesis that has been demonstrated previously