β細胞Ca3.1チャネルの発現亢進はインスリン放出とグルコースホメオスタシスを損なう

Enhanced expression of β cell Ca3.1 channels impairs insulin release and glucose homeostasis.

• Jia Yu
• Yue Shi
• Kaixuan Zhao
• Guang Yang
• Lina Yu
• Yuxin Li
• Eva-Marie Andersson
• Carina Ämmälä
• Shao-Nian Yang
• Per-Olof Berggren

抄録

電位ゲーテッドカルシウム3.1（Ca3.1）チャネルは、健康なマウスβ細胞には存在せず、健康なラットおよびヒトβ細胞ではマイナーなT型Ca電流を媒介するが、糖尿病条件下では明らかになる。より活性なCa3.1チャネルがインスリン分泌とグルコースホメオスタシスに影響を与えるかどうかは謎に包まれたままである。我々は、β細胞のCa3.1チャネルのde novo発現を増強し、その結果として動的なインスリン分泌とグルコースホメオスタシスへの影響、およびその基礎となる分子機構をin vitroおよびin vivoの一連のアプローチを用いて探索することで、この問題に取り組んでいる。我々は今、強化緑色蛍光タンパク質Ca3.1サブユニット（Ad-EGFP-Ca3.1）をコードする組換えアデノウイルスがラットおよびヒト膵島、ならびに分散膵島細胞に効率的に導入されたことを実証した。その結果、Ca3.1チャネルは典型的なT型Ca電流を流し、基底部の細胞質自由Ca濃度（[Ca]）の向上につながった。Ad-EGFP-Ca3.1を導入した膵島は、グルコース刺激後の基底期と第一期の両方でインスリンの放出量が有意に少なく、ストレプトゾトシン処理により糖尿病になったレシピエントラットの高血糖を正常化することができなかった。さらに、Ad-EGFP-Ca3.1導入は、INS-1E細胞の細胞質内でリン酸化されたFoxO1を減少させ、FoxO1の核保持を上昇させ、シンタキシン1A、SNAP-25、およびシナプトタグミンIIIを減少させた。これらの効果は、Ca3.1チャネルまたはCa依存性ホスファターゼであるカルシニューリンを阻害することによって阻止された。従って、β細胞のCa3.1チャネルの発現が亢進すると、最初の過剰なCa流入、その後のカルシニューリンの活性化、その結果としてのFoxO1の脱リン酸化と核内滞留、そして最終的にFoxO1を介したβ細胞外サイトーシスタンパク質のダウンレギュレーションによって、インスリン放出とグルコースの恒常性が損なわれることになる。このように、Ca3.1チャネルの発現亢進が糖尿病発症に重要な役割を果たしていることが示唆された。

Voltage-gated calcium 3.1 (Ca3.1) channels are absent in healthy mouse β cells and mediate minor T-type Ca currents in healthy rat and human β cells but become evident under diabetic conditions. Whether more active Ca3.1 channels affect insulin secretion and glucose homeostasis remains enigmatic. We addressed this question by enhancing de novo expression of β cell Ca3.1 channels and exploring the consequent impacts on dynamic insulin secretion and glucose homeostasis as well as underlying molecular mechanisms with a series of in vitro and in vivo approaches. We now demonstrate that a recombinant adenovirus encoding enhanced green fluorescent protein-Ca3.1 subunit (Ad-EGFP-Ca3.1) efficiently transduced rat and human islets as well as dispersed islet cells. The resulting Ca3.1 channels conducted typical T-type Ca currents, leading to an enhanced basal cytosolic-free Ca concentration ([Ca]). Ad-EGFP-Ca3.1-transduced islets released significantly less insulin under both the basal and first phases following glucose stimulation and could no longer normalize hyperglycemia in recipient rats rendered diabetic by streptozotocin treatment. Furthermore, Ad-EGFP-Ca3.1 transduction reduced phosphorylated FoxO1 in the cytoplasm of INS-1E cells, elevated FoxO1 nuclear retention, and decreased syntaxin 1A, SNAP-25, and synaptotagmin III. These effects were prevented by inhibiting Ca3.1 channels or the Ca-dependent phosphatase calcineurin. Enhanced expression of β cell Ca3.1 channels therefore impairs insulin release and glucose homeostasis by means of initial excessive Ca influx, subsequent activation of calcineurin, consequent dephosphorylation and nuclear retention of FoxO1, and eventual FoxO1-mediated down-regulation of β cell exocytotic proteins. The present work thus suggests an elevated expression of Ca3.1 channels plays a significant role in diabetes pathogenesis.

Copyright © 2020 the Author(s). Published by PNAS.