リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

大学・研究所にある論文を検索できる 「Functional adenosine triphosphate-sensitive potassium channel is required in high-carbohydrate diet-induced increase in β-cell mass」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。
リケラボ

コピーが完了しました

URLをコピーしました

論文の公開元へ論文の公開元へ
書き出し

Functional adenosine triphosphate-sensitive potassium channel is required in high-carbohydrate diet-induced increase in β-cell mass

Murase, Masatoshi 村瀨, 正敏 名古屋大学

2020.03.02

概要

【緒言】
インスリンは膵臓のβ細胞から分泌され、グルコース恒常性の維持に重要な役割を果たしている。膵臓のβ細胞量は、インスリン需要の増加を補うために増大することが知られている。

グルコースはグルコース輸送体を介して膵臓β細胞内に輸送され、その後代謝されてβ細胞内 ATP 濃度が増加する。ATP 濃度の増加により、Kir6.2 およびスルホニル尿素受容体 1（SUR1）サブユニットで構成される ATP 感受性 K +（KATP）チャネルが閉じる。 KATP チャネルの閉鎖は、β細胞膜の脱分極を誘発し、電位依存性カルシウムチャネルを通る Ca2 +の流入を引き起こしインスリン分泌が生じる。グルコースはβ細胞量を増加させることは知られているが、グルコース応答性インスリン分泌（GIIS）に必須の役割を果たす KATP チャネルが、グルコースによるβ細胞量増加に関与しているかどうかはよく知られていない。

一方、高炭水化物食を慢性的に摂取すると、高インスリン血症を伴う肥満を引き起こすことはよく知られているが、高炭水化物食の膵β細胞量に対する影響に関してはほとんど知られていない。今回、野生型マウス(WT)および KATP チャネル欠損マウス（Kir6.2KO）を用いて、高炭水化物食の膵β細胞量に対する影響に関して検討することを目的とした。

【方法】
WT、Kir6.2KO に通常食（NC：蛋白質 29.2%、脂質 12.6%、炭水化物 58.2%）または高スターチ食（ST：蛋白質 13.1%、脂質 12.6%、炭水化物 74.3%）を負荷し、体重の推移、血糖値、血清インスリン値を検討した。さらに餌負荷 22 週後に膵臓のインスリン含有量を測定するとともに免疫組織化学法によりβ細胞量と膵島数を解析し、単離膵島を用いた qPCR 法による遺伝子発現解析を行った。また MIN6-K8β細胞に、2.8 mmol/L グルコース(LG)、16.7 mmol/L グルコース(HG)、LG に KATP チャネル阻害薬(スルホニル尿素薬)であるグリメピリド 100 nmol/L を加えたもの、HG に Lタイプカルシウム拮抗薬であるニフェジピン 10 μmol/L を加えたものを添加し、４時間後に RNA を回収し qPCR 法による遺伝子発現解析を行った。

【結果】
まず NC または ST を負荷した WT の解析を行った。ST 群では、NC 群と比較して体重は、餌負荷後 12 週以降で有意に重かった（Figure 1a）。ST 群で NC 群と比較して、餌負荷 15 週後の随時血糖値ならびに血漿インスリン値（Figure 1b、c）、餌負荷 22 週後の膵臓インスリン含有量は、有意に高かった。膵島に対する高スターチ食の影響を検討するために、餌負荷 22 週後の膵島の形態解析を行った。ST 群では、NC 群と比較してβ細胞量と膵島数が有意に増加した（Figure 2a、b）。

さらに、膵島のサイズ別に膵島数を検討した所、大きなサイズの膵島（直径 200μ m 以上）数は、両群間で差は見られなかったが、小さなサイズの膵島（直径 200μmまで）数は、ST 群で NC 群と比較して有意な増加がみられた。膵島における遺伝子発現レベルを検討したところ、ST 群では、NC 群と比較して insulin1、insulin2、Irs2、 Pdk1、Akt1、cyclinD1、D2、cyclinE1 の mRNA の発現上昇がみられた（Figure 3）。

次に KATP チャネルの関与を調べるために NC または ST を負荷した Kir6.2KO の 解析を行った。ST 群では、NC 群と比較して体重は、餌負荷後 13 週以降で有意に重かった（Figure 4a)。ST 群で NC 群と比較して餌負荷 15 週後の血漿インスリン値は高かった（Figure 4c）が随時血糖値（Figure 4b）、餌負荷 22 週後の膵臓インスリン含有量は、2 群間で差は見られなかった。また、β細胞量、膵島数、膵島のサイズ別膵島数は 2 群間で差を認めず（Figure 5a、b）、膵島の遺伝子発現も両群間で差がみられなかった（Figure 6）。

一方、MIN6K8 細胞において、グルコース刺激やグリメピリドによる刺激により CyclinD2mRNA 発現は上昇し、ニフェジピンの刺激によりグルコースによる CyclinD2mRNA 発現上昇が抑制されたが、Irs2mRNA 発現に関してはグルコースにより上昇するもののグリメピリドの刺激では上昇がみられなかった（Figure 7）。

【考察】
本研究では、恒常的にスターチを過剰摂取したマウスにおいて、サイズの小さい膵島数の増加によりβ細胞量の増加を示した。スターチの最終産物はグルコースであり、高スターチ食では体内に供給されるグルコース量が多いため膵島数が増加したと考えられる。cyclinD2 や Irs2 は各々の遺伝子欠損マウスの解析からβ細胞量の増加に重要な役割を果たしていることが知られているが、グルコース代謝の最初のステップに重要なグルコキナーゼの活性がげっ歯類の膵島の cyclinD2 や Irs2 の発現を上昇させることやグルコキナーゼを活性化する遺伝子異常患者では膵島のサイズが上昇していることから、グルコキナーゼは膵β細胞増殖に寄与していると考えられている。さらにジアゾキサイドによるKATP チャネルの活性化がグルコキナーゼによって引き起こされるβ細胞増殖を抑制することや、逆にスルホニル尿素薬により KATP チャネルを閉鎖するとβ細胞特異的なグルコキナーゼ欠損マウスにおいてもβ細胞の増殖が起こることが報告されており、KATP チャネルはグルコキナーゼと独立してβ細胞の増殖に関与すると考えられる。我々は、in vitro の実験系で KATP チャネルの閉鎖による細胞内カルシウム濃度の上昇が cyclinD2 発現に重要な役割を果たしていることを明らかにした。また、22 週のスターチの長期負荷マウスモデルにおいては、高脂肪食の長期負荷マウスモデルと同様に cyclinD2 が膵β細胞量の増加に寄与し、Kir6.2KO マウスの解析から高スターチ食による膵β細胞量の増加はKATP チャネル依存的に生じることも明らかとなった。

一方、Kir6.2KO マウスにおいても高スターチ食では高インスリン血症を伴う肥満が誘導されることから、高スターチ食による体重増加は KATP チャネル非依存性であることが分かった。高スターチによる KATP チャネル非依存性のインスリン分泌促進機構に関しては迷走神経による制御も含めて今後の解明が待たれる。

【結語】
恒常的にスターチを過剰摂取したマウスではKATP チャネル依存的にβ細胞量が増加する。

論文の公開元へ

この論文で使われている画像

関連論文

関連論文をもっと見る

参考文献

1. Sachdeva MM, Stoffers DA. Minireview: Meeting the demand for insulin: molecular mechanisms of adaptive postnatal beta-cell mass expansion. Mol Endocrinol 2009; 23: 747–758.

2. Hribal ML, Oriente F, Accili D. Mouse models of insulin resistance. Am J Physiol Endocrinol Metab 2002; 282: E977–E981.

3. Jetton TL, Liang Y, Cincotta AH. Systemic treatment with sympatholytic dopamine agonists improves aberrant beta- cell hyperplasia and GLUT2, glucokinase, and insulin immunoreactive levels in ob/ob mice. Metabolism 2001; 50: 1377–1384.

4. Peshavaria M, Larmie BL, Lausier J, et al. Regulation of pancreatic beta-cell regeneration in the normoglycemic 60% partial-pancreatectomy mouse. Diabetes 2006; 55: 3289–3298.

5. Parsons JA, Brelje TC, Sorenson RL. Adaptation of islets of Langerhans to pregnancy: increased islet cell proliferation and insulin secretion correlates with the onset of placental lactogen secretion. Endocrinology 1992; 130: 1459–1466.

6. Kim H, Toyofuku Y, Lynn FC, et al. Serotonin regulates pancreatic beta cell mass during pregnancy. Nat Med 2010; 16: 804–808.

7. Seino S, Shibasaki T, Minami K. Dynamics of insulin secretion and the clinical implications for obesity and diabetes. J Clin Invest 2011; 121: 2118–2125.

8. Bonner-Weir S, Deery D, Leahy JL, et al. Compensatory growth of pancreatic beta-cells in adult rats after short-term glucose infusion. Diabetes 1989; 38: 49–53.

9. Jetton TL, Everill B, Lausier J, et al. Enhanced beta-cell mass without increased proliferation following chronic mild glucose infusion. Am J Physiol Endocrinol Metab 2008; 294: E679–E687.

10. Stamateris RE, Sharma RB, Kong Y, et al. Glucose induces mouse b-cell proliferation via IRS2, MTOR, and Cyclin D2 but not the insulin receptor. Diabetes 2016; 65: 981–995.

11. Lipsett M, Finegood DT. Beta-cell neogenesis during prolonged hyperglycemia in rats. Diabetes 2002; 51: 1834–1841.

12. Maekawa R, Seino Y, Ogata H, et al. Chronic high-sucrose diet increases fibroblast growth factor 21 production and energy expenditure in mice. J Nutr Biochem 2017; 49: 71–79.

13. Niwa Y, Ishikawa K, Ishigami M, et al. Effect of hyperglycemia on hepatocellular carcinoma development in diabetes. Biochem Biophys Res Commun 2015; 463: 344–350.

14. Maekawa R, Ogata H, Murase M, et al. Glucose-dependent insulinotropic polypeptide is required for moderate high fat diet, but not high carbohydrate diet-induced weight gain. Am J Physiol Endocrinol Metab 2018; 314: E572–E583.

15. Miki T, Nagashima K, Tashiro F, et al. Defective insulin secretion and enhanced insulin action in KATP channel- deficient mice. Proc Natl Acad Sci USA 1998; 95: 10402–10406.

16. Miki T, Minami K, Shinozaki H, et al. Distinct effects of glucose-dependent insulinotropic polypeptide and glucagon-like peptide-1 on insulin secretion and gut motility. Diabetes 2005; 54: 1056–1063.

17. Ogata H, Seino Y, Harada N, et al. KATP channel as well as SGLT1 participates in GIP secretion in the diabetic state. J Endocrinol 2014; 222: 191–200.

18. Iwasaki M, Minami K, Shibasaki T, et al. Establishment of new clonal pancreatic b-cell lines (MIN6-K) useful for study of incretin/cyclic adenosine monophosphate signaling. J Diabetes Investig 2010; 1: 137–142.

19. Seino Y, Ogata H, Maekawa R, et al. Fructose induces glucose-dependent insulinotropic polypeptide, glucagon- like peptide-1 and insulin secretion: role of adenosine triphosphate-sensitive K(+) channels. J Diabetes Investig 2015; 6: 522–526.

20. Iida A, Seino Y, Fukami A, et al. Endogenous GIP ameliorates impairment of insulin secretion in proglucagon- deficient mice under moderate beta cell damage induced by streptozotocin. Diabetologia 2016; 59: 1533–1541.

21. Fukami A, Seino Y, Ozaki N, et al. Ectopic expression of GIP in pancreatic b-cells maintains enhanced insulin secretion in mice with complete absence of proglucagon-derived peptides. Diabetes 2013; 62: 510–518.

22. Withers DJ, Gutierrez JS, Towery H, et al. Disruption of IRS-2 causes type 2 diabetes in mice. Nature 1998; 391: 900–904.

23. Georgia S, Bhushan A. Beta cell replication is the primary mechanism for maintaining postnatal beta cell mass. J Clin Invest 2004; 114: 963–968.

24. Terauchi Y, Takamoto I, Kubota N, et al. Glucokinase and IRS-2 are required for compensatory beta cell hyperplasia in response to high-fat diet-induced insulin resistance. J Clin Invest 2007; 117: 246–257.

25. Hennige AM, Burks DJ, Ozcan U, et al. Upregulation of insulin receptor substrate-2 in pancreatic beta cells prevents diabetes. J Clin Invest 2003; 112: 1521–1532.

26. Georgia S, Hinault C, Kawamori D, et al. Cyclin D2 is essential for the compensatory beta-cell hyperplastic response to insulin resistance in rodents. Diabetes 2010; 59: 987–996.

27. Alonso LC, Yokoe T, Zhang P, et al. Glucose infusion in mice: a new model to induce beta-cell replication. Diabetes 2007; 56: 1792–1801.

28. Salpeter SJ, Klochendler A, Weinberg-Corem N, et al. Glucose regulates cyclin D2 expression in quiescent and replicating pancreatic b-cells through glycolysis and calcium channels. Endocrinology 2011; 152: 2589–2598.

29. Moull´e VS, Vivot K, Tremblay C, et al. Glucose and fatty acids synergistically and reversibly promote beta cell proliferation in rats. Diabetologia 2017; 60: 879–888.

30. Pascoe J, Hollern D, Stamateris R, et al. Free fatty acids block glucose-induced b-cell proliferation in mice by inducing cell cycle inhibitors p16 and p18. Diabetes 2012; 61: 632–641.

31. Stamateris RE, Sharma RB, Hollern DA, et al. Adaptive b-cell proliferation increases early in high-fat feeding in mice, concurrent with metabolic changes, with induction of islet cyclin D2 expression. Am J Physiol Endocrinol Metab 2013; 305: E149–E159.

32. Tajima K, Shirakawa J, Okuyama T, et al. Effects of metformin on compensatory pancreatic b-cell hyperplasia in mice fed a high-fat diet. Am J Physiol Endocrinol Metab 2017; 313: E367–E380.

33. Levitt HE, Cyphert TJ, Pascoe JL, et al. Glucose stimulates human beta cell replication in vivo in islets transplanted into NOD-severe combined immunodeficiency (SCID) mice. Diabetologia 2011; 54: 572–582.

34. Metukuri MR, Zhang P, Basantani MK, et al. ChREBP mediates glucose-stimulated pancreatic b-cell proliferation. Diabetes 2012; 61: 2004–2015.

35. Lingohr MK, Briaud I, Dickson LM, et al. Specific regulation of IRS-2 expression by glucose in rat primary pancreatic islet beta-cells. J Biol Chem 2006; 281: 15884–15892.

36. Demozay D, Tsunekawa S, Briaud I, et al. Specific glucose- induced control of insulin receptor substrate-2 expression is mediated via Ca2+-dependent calcineurin/NFAT signaling in primary pancreatic islet b-cells. Diabetes 2011; 60: 2892–2902.

37. Shirakawa J, Togashi Y, Sakamoto E, et al. Glucokinase activation ameliorates ER stress-induced apoptosis in pancreatic b-cells. Diabetes 2013; 62: 3448–3458.

38. Heit JJ, Apelqvist AA, Gu X, et al. Calcineurin/NFAT signalling regulates pancreatic beta-cell growth and function. Nature 2006; 443: 345–349.

39. Srinivasan S, Bernal-Mizrachi E, Ohsugi M, et al. Glucose promotes pancreatic islet beta-cell survival through a PI 3- kinase/Akt-signaling pathway. Am J Physiol Endocrinol Metab 2002; 283: E784–E793.

40. Wang W, Walker JR, Wang X, et al. Identification of small- molecule inducers of pancreatic beta-cell expansion. Proc Natl Acad Sci USA 2009; 106: 1427–1432.

41. Porat S, Weinberg-Corem N, Tornovsky-Babaey S, et al. Control of pancreatic b cell regeneration by glucose metabolism. Cell Metab 2011; 13: 440–449.

42. Nakamura A, Togashi Y, Orime K, et al. Control of beta cell function and proliferation in mice stimulated by small- molecule glucokinase activator under various conditions. Diabetologia 2012; 55: 1745–1754.

43. Guiot Y, Henquin JC, Rahier J. Effects of glibenclamide on pancreatic beta-cell proliferation in vivo. Eur J Pharmacol 1994; 261: 157–161.

44. Namkung Y, Skrypnyk N, Jeong MJ, et al. Requirement for the L-type Ca(2 + ) channel alpha(1D) subunit in postnatal pancreatic beta cell generation. J Clin Invest 2001; 108: 1015–1022.

45. Futamura M, Yao J, Li X, et al. Chronic treatment with a glucokinase activator delays the onset of hyperglycaemia and preserves beta cell mass in the Zucker diabetic fatty rat. Diabetologia 2012; 55: 1071–1080.

46. Wei P, Shi M, Barnum S, et al. Effects of glucokinase activators GKA50 and LY2121260 on proliferation and apoptosis in pancreatic INS-1 beta cells. Diabetologia 2009; 52: 2142–2150.

47. Kassem S, Bhandari S, Rodr´ıguez-Bada P, et al. Large islets, beta-cell proliferation, and a glucokinase mutation. N Engl J Med 2010; 362: 1348–1350.

48. Cuesta-Mun~oz AL, Huopio H, Otonkoski T, et al. Severe persistent hyperinsulinemic hypoglycemia due to a de novo glucokinase mutation. Diabetes 2004; 53: 2164–2168.

49. Kulkarni RN, Bru€ning JC, Winnay JN, et al. Tissue-specific knockout of the insulin receptor in pancreatic beta cells creates an insulin secretory defect similar to that in type 2 diabetes. Cell 1999; 96: 329–339.

50. Otani K, Kulkarni RN, Baldwin AC, et al. Reduced beta-cell mass and altered glucose sensing impair insulin-secretory function in betaIRKO mice. Am J Physiol Endocrinol Metab 2004; 286: E41–E49.

51. Ueki K, Okada T, Hu J, et al. Total insulin and IGF-I resistance in pancreatic beta cells causes overt diabetes. Nat Genet 2006; 38: 583–588.

52. Okada T, Liew CW, Hu J, et al. Insulin receptors in beta-cells are critical for islet compensatory growth response to insulin resistance. Proc Natl Acad Sci USA 2007; 104: 8977–8982.

53. Hashimoto N, Kido Y, Uchida T, et al. Ablation of PDK1 in pancreatic beta cells induces diabetes as a result of loss of beta cell mass. Nat Genet 2006; 38: 589–593.

54. Tuttle RL, Gill NS, Pugh W, et al. Regulation of pancreatic beta-cell growth and survival by the serine/threonine protein kinase Akt1/PKBalpha. Nat Med 2001; 7: 1133–1137.

55. Bernal-Mizrachi E, Wen W, Stahlhut S, et al. Islet beta cell expression of constitutively active Akt1/PKB alpha induces striking hypertrophy, hyperplasia, and hyperinsulinemia. J Clin Invest 2001; 108: 1631–1638.

56. Seino Y, Miki T, Fujimoto W, et al. Cephalic phase insulin secretion is KATP channel independent. J Endocrinol 2013; 218: 25–33.

参考文献をもっと見る

全国の大学の
卒論・修論・学位論文
を
一発検索！

この論文の関連論文を見る