Cellular Mechanism of High Glucose/Palmitate-induced INS-1 Beta Cell Death

Abstract

Type 2 diabetes is considered to be in most cases a polygenic disease with a strong involvement of environmental factors, such as diet and exercise. Chronic exposure of high glucose and free fatty acids (FFAs) induces pancreatic beta cell dysfunction and death, which may contribute to the development of type 2 diabetes. A deficiency of insulin through loss of beta cell mass, and subsequent impaired compensation against insulin resistance is believed to be a pathogenic cause of type 2 diabetes. Pancreatic β-cell mass is regulated by at least four independent mechanisms(i) β-cell replication (i.e., the mitogenic division of existing β cells), (ii) β-cell size, (iii) β-cell neogenesis and (iv) β-cell apoptosis. The sum of the rates of β-cell replication, size, and neogenesis, minus the rate of β-cell apoptosis gives the net rate of β-cell growth(Rhodes et al, 2005). Increased free fatty acid (FFAs), in conjunction with hyperglycemia, have been proposed to provide stimuli triggering the insulin deficiency in type 2 diabetes, since several in vitro studies demonstrated that long-term exposure to saturated FFAs and could induce cell death in cultured beta cells and also in isolated islets. The cellular injury, through excess FFA accompanied by triglyceride accumulation, was termed beta cell glucolipotoxicity. The cellular mechanisms involved in FFA-induced beta cell apoptosis are not fully understood. FFAs are usually non-toxic to beta cells if they are oxidized. However, the accumulation of long chain acyl-CoAs or lipid derivatives, such as, diacylglycerol, lysophosphatidic acid, and sphingolipids, are thought to promote beta cell apoptosis (Assimacopulos et al, 2004). Ceramide has been suggested to be an important mediator of FFA-induced beta cell death (Lupi et al, 2002; Maedler et al, 2001; Shimabukuro et al, 1998; Okuyama et al, 2003). Nuclear translocation and activation of PKC-δ were reported to be necessary for saturated fatty acid-induced beta cell apoptosis (Eitel, 2003). Elevated concentrations of FFAs were found to produce reactive oxygen species (ROS) (Wang et al, 2004) and therefore, ROS and oxidative stress were believed to be involved in FFA-induced beta cell death. On the other hand, inhibition of the IRS/PI3 kinase/Akt signaling pathway was reported to be critical in FFA-induced beta cell apoptosis (Lingohr et al, 2003; Wrede et al, 2002). Recently, endoplasmic reticulum (ER) stress was postulated to be a critical mediator of FFA-induced beta cell apoptosis (Kharroubi et al, 2004; Karaskov et al, 2006) and the involvement of calcium-mediated apoptotic signals was also reported (Choi et al, 2007). To investigate the mechanisms of HG/PA-induced INS-1 beta cells death, we tested the effect of several pharmacological inhibitors. Chronic exposure of free fatty acids (FFAs) in conjunction with high glucose (HG) has been reported to be cytotoxic to beta cells. These works were initiated to elucidate how lipid metabolism elicits glucose/palmitate-induced beta cell cytotoxicity. When the INS-1 beta cells were exposed to 0.4 mM palmitate (PA) in the presence of 25 mM glucose (high glucose: HG) for 24 hrs, cell viability was reduced due to apoptotic death. TOFA and celurenin, inhibitors of acetyl CoA carboxylase (ACC) and fatty acid synthase (FAS), respectively, did not inhibit HG/PA-induced viability reduction and T0901317, a LXR agonist, protected HG/PA-induced INS-1 cell death, suggesting that lipogenesisitself may not be a force for induction of HG/PA-induced cytotoxicity. On the other hand, anaplerotic input through leucine/glutamine, a-ketoisocaproic acid/methyl succinate, or aminobicyclo-heptane-2-carboxylic acid (BCH) and cataplerotic block through benzene tricarboxylate (BTA), an inhibitor of mitochondrial tricarboxylate carrier, significantly protected HG/PA-induced beta cell death. Furthermore, intracellular ATP as well as Krebs cycle intermediates was significantly decreased in HG/PA-treated cells, and the reduced ATP level was restored by anaplerotic input or cataplerotic block. The protective effect by anaplerotic input and cataplerotic block on HG/PA-induced cytoxicity was also observed in primary islet beta cells isolated from Zuker Diabetic Fatty (ZDF) or Otsuka Long-Evans Tokushima Fatty (OLETF) rats. These works suggest that energy depletion, by shortage of Krebs intermediates, may play a critical role for HG/PA-induced beta cell death.

당뇨병은 인슐린이 부족하거나 인슐린이 제대로 작용하지 못하여 혈액내의 포도당 농도가 높아져서 발생하는 만성대사질환이다. 인슐린 저항성 이외에도 포도당자극인슐린분비(GSIS)의 감소, 인슐린 유전자 발현의 감소, 베타세포의 양적감소에 의한 베타세포의 기능이상이 제 2형 당뇨병을 유발시키는 중요한 병인으로 인식되고 있다. 이 중에서 베타세포의 양적감소는 베타세포의 복제 및 신생이 불충분하고 세포사가 상대적으로 많이 일어나서 나타나게 된다고 생각된다. 고혈당과 함께 높은 농도의 FFA는 베타세포의 양적 감소를 유발한다고 생각하고 있다. 포도당과 지방산에 의한 베타세포의 양적 감소의 기작은 첫 번째로 베타세포가 지속적으로 포도당에 노출되게 되면 ROS가 생성되고, 이로 인해 산화적 스트레스가 유발되어 지방산독성이 나타난다고 알려져 있다. 두 번째로 베타세포가 지속적으로 FFA에 노출되면 JNK, NF-κB, p38과 같은 여러 가지 stress 신호와 ER stress의 유발, 생존 신호인 AKT 신호의 감소 등에 의해서 베타세포에 지방산독성이 나타난다고 알려져 있다. 세 번째로 포도당과 FFA가 동시에 지속적으로 존재하게 될 때 ceramide의 합성, PKC 신호의 활성에 의한 포도당/지방산독성이 나타나게 된다. 본 연구에서는 INS-1 베타 세포에서 포도당/지방산독성이 나타나는지 확인하고, 이때 어떤 기작으로 세포사멸이 유도되는지를 연구하였다. INS-1 베타세포에서 palmitate의 농도를 400 μM로 고정하고 포도당 농도를 25 mM로 처리한 경우 INS-1 세포의 생존율이 감소하였다. INS-1 세포의 생존율 감소는 DNA fragmentation의 증가, Caspase 3와 PARP의 활성화, DAPI 염색을 통하여 핵이 응축되는 현상을 확인하여 apoptosis를 통한 세포사라고 밝혔다. 산화적 스트레스와 스트레스 신호 관련 저해제에 의해서는 세포사 저해효과가 나타나지 않았고, ER 스트레스, Ca2+ 신호 관련 약제에 의해서는 세포사 저해효과가 나타났다. 베타산화를 촉진 시켜주는 bezafibrate 와 AICAR에 의해 INS-1 세포사멸 저해 효과가 가장 크게 나타난 사실을 확인하여 지방대사에 관점을 두었다. ACC 저해제인 TOFA에 의해 세포사멸이 더 촉진되었고 지방합성을 저해하는 FAS 저해제인 cerulenin에 의해 세포사 억제효과가 나타났다. 또한 지방합성을 촉진시키는 T0901317에 의해서는 오히려 세포사멸 억제효과가 가장 뛰어나게 나타났다. 이런 사실로 지방합성 자체가 HG/PA에 의해 유도되는 INS-1 세포사에 결정적인 역할을 하지 않는다고 생각된다. HG/PA에 의해서 TCA 회로 중간산물의 감소, palmitate와 pyruvate의 산화 감소, ATP 수준의 감소가 일어나는 것을 확인하여 에너지 부족에 의한 세포사로 생각되며 TCA 회로에서 anaplerosis의 유입을 증가시켜주는 Leu, BCH, KIC+MMS를 처리했을 때와 cataplerosis 유출을 저해하는 약제인 BTA를 처리 했을 때 세포사 저해효과가 나타났고, ATP의 감소를 회복시켰다. 당뇨병 동물 모델인 OLETF rat의 islets에서도 HG/PA에 의한 INS-1 세포사에 저해효과가 있었던 약제들에 의해 세포사 저해효과가 나타났고, ATP 또한 감소시키지 않았다. 결론적으로 지방합성은 HG/PA에 의한 INS-1 세포사멸에 결정적인 역할을 하지 않고, 지방산의 베타산화 감소와 미토콘드리아의 대사이상에 의한 에너지 부족이 초래되어 apoptosis를 통한 세포사를 유발 시키는 것으로 추측된다.