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Investigations of Trace Amines and Fatty Acids as Essential Endogenous Signaling Factors for β-Cell Activity and Insulin Secretion

Hauke, Sebastian

German Title: Untersuchungen von Trace Amines und Fettsäuren als essentielle endogene Signalfaktoren für β-Zellaktivität und Insulinsekretion

[img] PDF, English
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Abstract

Secretion of insulin in response to extracellular stimuli, such as elevated glucose levels and small molecules that act on G-protein coupled receptors (GPCRs), is the hallmark of β-cell physiology. Sufficiently high blood insulin levels are ensured by the coupling of the secretory activity within pancreatic islets. Intercellular and inter-islet coordination are partly mediated by small diffusible ligands of GPCRs within the extracellular space of pancreatic islets. Therefore, insulin release is considered a synchronized multi-cellular process. We show herein that β-cell activity and insulin secretion essentially rely on the presence of extracellular endogenous (autocrine) signaling factors, exemplified by two classes of small cellular metabolites. Trace amines (TAs) are small aromatic metabolites that were identified as low-abundant ligands of the trace amine-associated receptor 1 (TAAR1) in the central nervous system (CNS). In the presented work, we identify TAs as essential autocrine signaling factors that maintain and regulate oscillations of the intracellular Ca2+ concentration ([Ca2+]i oscillations) along with insulin secretion from β-cells via TAAR1. We found that the modulation of endogenous TA levels by the selective inhibition of TA biosynthetic pathways directly translated into changes of [Ca2+]i oscillations and insulin secretion. Application of aromatic amine-withdrawing β-cyclodextrin temporarily reduced [Ca2+]i oscillations. This demonstrates the essential role of TAs for β-cell activity as well as their high metabolic turnover rates. Notably, herein applied inhibitors and synthetic TAAR1 (ant-)agonists are partly approved for the therapeutic modulation of biogenic amine levels within the CNS, and hence for the treatment of common neurological disorders. According to our findings, these drugs even affect β-cell activity and insulin secretion through pancreatic TAAR1. With the discovery of the free fatty acid (FA) receptor GPR40 in β-cells, FAs have come into focus as exogenous insulin secretagogues. However, the role of FAs as endogenous (local) signaling factors of β-cells has not been considered so far. We show herein that lowering endogenous FAlevels in the presence of FA-free bovine serum albumin (FAF-BSA) immediately reduced [Ca2+]i oscillations and insulin secretion. [Ca2+]i oscillations resumed upon exchange of FAF-BSA by buffer or upon restoration of extracellular FA pools. The latter was accomplished by the photolysis of caged FAs on plasma membranes, by the addition of a recombinant lipase or of FA-loaded BSA. Our approach to subordinate β-cell activity and insulin secretion to the presence of autocrine signaling factors of the yet underestimated receptors TAAR1 and GPR40 in the pancreas contributes to a more detailed and complete understanding of the fundamental regulation of β-cell activity and insulin secretion.

Translation of abstract (German)

Ein Merkmal der Physiologie von β-Zellen besteht in der Sekretion von Insulin als Antwort auf extrazelluläre Stimuli, wie erhöhte Blutzuckerspiegel und niedermolekulare Liganden von GProtein gekoppelten Rezeptoren (GPCRs). Angepasste Blutinsulinspiegel werden durch die gekoppelte sekretorische Aktivität zwischen pankreatischen Inseln ermöglicht. Die Koordination unter pankreatischen Zellen und Inseln wird teilweise durch niedermolekulare, diffusible Liganden von GPCRs im extrazellulären Bereich von pankreatischen Inseln vermittelt. Insulinausschüttung wird daher als ein synchronisierter multi-zellulärer Prozess angesehen. In dieser Arbeit zeigen wir, am Beispiel zweier Klassen niedermolekularer zellulärer Metabolite, dass β-Zellaktivität und Insulinsekretion vom Vorhandensein extrazellulärer, endogener (autokriner) Signalfaktoren abhängen. ‚Trace amines (TAs)‘ sind kleine, aromatische Metabolite, die als niederabundante Liganden des ‚trace amine-associated receptor 1 (TAAR1)‘ im zentralen Nervensystem (ZNS) entdeckt wurden. In dieser Arbeit identizifieren wir TAs als essentielle autokrine Signalfaktoren, die Oszillationen der intrazellulären Ca2+ Konzentration ([Ca2+]i Oszillationen), sowie Insulinsekretion von β-Zellen durch Stimulation des TAAR1 aufrecht erhalten und modulieren. Wir stellten fest, dass sich die Modulation endogener TA Konzentrationen durch selektive Inhibition von TA Biosynthesewegen sofort in veränderten [Ca2+]i Oszillationen und Insulinsekretion niederschlug. [Ca2+]i Oszillationen wurden durch Verabreichung von β-Cyclodextrin zeitweise reduziert, das aromatische Amine von Zellen bindet und diese entzieht. Dies zeigt die essentielle Rolle von TAs für die β-Zellaktivität, sowie ihren hohen metabolischen Umsatz. Bemerkenswerterweise sind die hier verwendeteten Inhibitoren und synthetischen TAAR1 (Ant-)Agonisten teilweise für die therapeutische Modulation der Konzentrationen biogener Amine im ZNS und daher auch für die Behandlung von verbreiteten neurologischen Erkrankungen zugelassen. Unsere Beobachtungen zeigen, dass diese Therapeutika auch β-Zellaktivität und Insulinsekretion durch TAAR1 im Pankreas beeinflussen. Durch die Entdeckung des freien Fettsäure- (FA-)rezeptors GPR40 in β-Zellen rückten FAs als exogene Stimuli für Insulinsekretion in den Fokus. Jedoch wurden FAs bisher nicht in der Rolle endogener (lokaler) Signalfaktoren von β-Zellen betrachtet. In dieser Arbeit zeigen wir, dass eine Verringerung endogener FA Konzentrationen in Gegenwart von FA-freiem bovinem Serumalbumin (FAF-BSA) mit einer unverzüglichen Reduktion von [Ca2+]i Oszillationen und Insulinsekretion einhergeht. Der Austausch von FAF-BSA durch Puffer oder die Wiederherstellung von extrazellulären FA-Pools bewirkte die Wiederaufnahme von [Ca2+]i Oszillationen. Letzteres wurde ermöglicht durch Photolyse von photogeschützten FAs an Plasmamembranen, durch Zugabe von rekombinanter Lipase oder FA-geladenem BSA. Der hier präsentierte Ansatz, β-Zellaktivität und Insulinsekretion dem Vorhandensein autokriner Signalfaktoren der bislang unterschätzten pankreatischen Rezeptoren TAAR1 und GPR40 unterzuordnen, trägt zu einem detailierterem und vollständigerem Verständnis fundamentaler Regulation von β-Zellaktivität und Insulinsekretion bei.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Gavin, Dr. Anne-Claude
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 6 February 2019
Date Deposited: 19 Feb 2019 11:26
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
540 Chemistry and allied sciences
570 Life sciences
Controlled Keywords: autocrine signaling, insulin secretion, calcium imaging, beta cells, cell synchronization, fatty acids, bovine serum albumin
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