Regulation of exocytosis by Ca2+ and cAMP - A study on pancreatic beta- and alpha-cells

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Glukos är den främsta energikällan för de flesta celler i kroppen. Det är av stor vikt att mängden glukos hålls på en jämn nivå, eftersom framförallt våra celler i hjärnan är mycket känsliga för stora variationer av glukoshalten i blodet. Regleringen av mängden glukos i blodet kontrolleras av hormonen insulin och glukagon. Insulin utsöndras från beta-celler och glukagon från alpha-celler, båda belägna i bukspottkörtels Langerhanska öar. Insulin sänker glukoshalten i blodet efter en måltid medan glukagon höjer glukoshalten då kroppen behöver tillskott av energi såsom då vi motionerar eller är under stress. Patienter med åldersdiabetes eller typ-2 diabetes har ofta en försämrad utsöndring av insulin samtidigt med en ökad sekretion av glukagon. Det vill säga kontrollen av mängden glukos i blodet är satt ur funktion. Normalt sker insulinsekretion i två faser, en första snabb fas som pågår 5-10 min följt av en långsam mer kontinuerlig fas. Patienter med åldersdiabetes saknar den första snabba fasen och den andra fasen är något reducerad. Insulin och glukagon befinner sig i små blåsor (granula) inne i repektive cell. Dessa blåsor smälter samman (fuserar) med cellens membran vid en given signal och innehållet kan komma ut i blodet. Signalen som initierar utsöndringen är ett ökat inflöde av kalcium-joner (Ca2+) genom speciella spänningskänsliga, vattenfyllda kanaler (jonkanaler) i cellens membran. Utsöndringen av hormonen kan vidare påverkas av andra substanser, ett sådan substans är cykliskt AMP (cAMP). Ett nytt läkemedel mot typ-2 diabetes som är under prövning, GLP-1, verkar bl.a. genom att öka cAMP-koncentrationen inne i cellen. I denna avhandling har de cellulära mekanismer varmed cAMP och Ca2+ påverkar utsöndringen av insulin och glukagon undersökts. Fusionen av granula med plasmamembran och därmed utsödringen av insulin (eller glukagon) har studerats på enskilda celler med en speciell teknik som kallas kapacitansmätningar. Denna teknik bygger på principen att cellens membran elektriskt kan likställas med en plattkondensator. Vidare gäller att då ytan på en kondensator ökar så ökar dess kapacitans. Detta kan utnyttjas eftersom när ett granula smälter samman med cellens membran ökar dess yta och även dess kapacitans. Det första delarbetet behandlar kopplingen mellan inflöde av Ca2+ och insulingranula. För att granula ska kunna fusera med cellmembranet krävs en hög koncentration av kalcium, mycket högre än medelkoncentrationen inuti cellen. Cellen löser detta genom att Ca2+-kanalen binder samman med insulingranula vid cellmembranet. På detta vis sker fusionen av granula snabbt samtidigt som energiåtgången för att återställa Ca2+-koncentrationen till sin vilonivå inne i cellen minimeras. I det andra delarbetet har en ny substans som utvunnits från en vattenlevande snigel, Conus Marmoreus, undersökts. Normalt är denna substans en del av snigelns gift, som används för att paralysera och fånga byten. Det visade sig att substansen blockerade de speciella Ca2+-kanaler som finns i beta-cellen. Substansen kan utnyttjas för att studera Ca2+-kanalens betydelse i olika system inte bara vid insulinsekretion. Vidare har betydelsen av cAMP för en ökad utsöndring av insulin studerats. Våra undersökningar visade på att cAMP stimulerar insulinsekretion både genom att aktivera ett protein som heter proteinkinas A (PKA) och genom att binda till ett annat protein, cAMP-GEFII. Proteinkinas A medverkar till att påskynda förflyttningen av insulingranula till cellens membran och påverkar framförallt den andra fasens insulinsekretion. Genom att binda till cAMP-GEFII stimulerar cAMP framförallt den snabba utsöndringen av insulin under den första fasen. Ett av de intressanta fynden i detta arbete berör den receptor, till vilken de antidiabetiska medicinerna sulfonylureas binder in på cellens membran. Genom att binda till denna receptor startas en kaskad som leder till utsöndring av insulin. Detta abete har visat att denna receptor också har en viktig funktion i ett av de avslutande stegen innan de insulininnehållande granula kan fusera med cellmembranet. Avslutningsvis behandlas alpha-cellen som utsöndrar glukagon. Det visade sig att cAMP förmår påverka glukagonsekretion på ett liknade sätt som i beta-cellen samt att glukagon har förmågan att stimulera sin egen sekretion åtminstone på enskilda celler. De mekanismer som har undersökts i denna avhandling påverkar framförallt första fasens insulinsekretion som saknas hos patienter med typ-2 diabetes. Dessa undersökningar är därför av stor betydelse för att förstå uppkomsten av denna sjukdom samt för att finna nya och bättre läkemedel.