Lipidmetabolit aktiverar ATP-känslig K+ -kanal
Av Robert Bränström
Bidragande orsak till nedsatt glukoskänslighet hos insulinproducerande b-celler?
Under normala betingelser finns det en absolut koppling mellan förändringar i blodglukosnivån och sekretion av insulin från endokrina pankreas b-celler. Vid inadekvat funktion i denna stimulerings-sekretions-koppling uppstår diabetes. Jag beskriver här kortfattat de komponenter som ingår i denna koppling. En av dessa, den ATP-känsliga K+-kanalen (KATP-kanalen), har på senare tid tillmätts en speciell betydelse för regleringen av insulinfrisättningen och kommer därför att belysas i detalj.
Den främsta signalen som förmår b-cellen att frisätta insulin är en höjt blodglukoskoncentration. I figur 1 ges en schematisk beskrivning av hur glukos medierar insulinsekretionen. Glukos transporteras över cellmembranet av specifika glukostransportörer och metaboliseras dels i glykolysen i cytosolen och dels i citronsyracykeln i mitokondrien. Som ett resultat av dessa metabola reaktioner påverkas koncentrationen av ett flertal aktiva metaboliter, av vilka adenosintrifosfat (ATP) och adenosindifosfat (ADP) är centrala för kontrollen av KATP-kanalen, där ATP stänger och ADP öppnar kanalen. Metabolismen av glukos leder till att ATP/ADP-kvoten ökar, vilken i sin tur stänger KATP-kanalen och leder till att b-cellen depolariseras från sin vilopotential runt -70 mV till -40 mV. Härigenom öppnas spänningsaktiverade Ca2+-kanaler. Detta resulterar i uppkomsten av Ca2+-beroende aktionspotentialer och en snabb ökning av koncentration fritt intracellulärt Ca2+. Denna aktivitet är en central del av den kaskad av händelser som inititeras av glukosmetabolismen och som ytterst leder till att insulin frisätts.
Glukos förmåga att inititera elektrisk aktivitet och därmed stimulera insulinsekretion delas med flera andra nutrienter samt med farmaka av vilka de hypoglykemiska sulfonylureapreparaten är viktigast. Dessa substanser (t ex glibenclamid och glipizid) stänger KATP-kanalen och stimulerar insulinsekretion genom att ‘kortsluta’ stimulerings-sekretions-kopplingen och således depolarisera b-cellen oberoende av glukosmetabolism (se tidigare sammanfattning (1)). Av detta framgår att KATP-kanalen utgör en central komponent i b-cellens insulinfrisättningsmekanism.
Kanalaktivitet
Registreringar av KATP-kanalaktivitet in vitro (s k inside-out patch) visar emellertid att ATP/ADP-kvoten inte korrelerar med den kanalaktivitet man observerat i intakta b-celler (2,3). Det torde således finnas ytterliggare endogena modulatorer som förmår öppna KATP kanalen. Nyligen har en grupp substanser genererade från lipidmetabolismen visat sig vara mycket potenta aktiverare av KATP-kanalen (4,5). Gruppen utgörs av acyl-CoA-estrar, vilka består av en fettsyra till vilken en coenzym A molekyl är kopplad (se figur 2). Endast acyl-CoA-estrar med en fettsyra med kedjelängd överstigande 12 kolatomer aktiverar KATP-kanalen, s k LC-CoA-estrar (eng. long-chain acyl-CoA). LC-CoA-estrar är till dags datum de mest potenta KATP-kanalaktiverarna, och är ca 100-1000 ggr mer potenta än ADP. Både mättade och omättade LC-CoA-estrar inducerar en snabb och reversibel aktivering av kanalen med dosberoende effekter mellan 10-1000x10-9 mol/l.
LC-CoA-estrar återfinns i såväl cytosolen som i mitokondrien där de också metaboliseras. Intransporten till mitokondrien sker med hjälp av enzymet karnitin-palmitoyl-transferas (CPT-1; figur 1). CPT-1 blockeras av malonyl-CoA, en intermediär i glukosmetabolismen, och CPT-1 kan därmed närmast ses som en ‘switch’ mellan glukos- och lipidmetabolism i b-cellen (6). Således, om glukoskoncentration ökar stiger malonyl-CoA koncentrationen i cytosolen, vilket blockerar CPT-1 och därmed intransporten av LC-CoA-estrar. Under dessa betingelser ansamlas LC-CoA-estrar i cytosolen med möjlighet att aktiverar KATP-kanalen. Den fysiologiska betydelsen av denna mekanism är emellertid långt ifrån klarlagd.
Mekanismer
I cellkulturer är det visat att exponering av b-celler för förhöjda lipidnivåer under ett dygn eller längre tid resulterar i minskad glukoskänslighet med minskad insulinfrisättning som följd (7). Liknande resultat har rapporterats från in vivo-studier på människa (8).
Figur 1.
Modell över hur glukos stimulerar insulinfrisättning från b-cellen. Glukos transporteras in i b-cellen via specifika glukostransportörer. Därefter bryts glukos ner via en serie enzymreaktioner, dels i glykolysen i cytoplasman, dels i mitokondriens citronsyracykel.
Vid metabolismen av glukos påverkas koncentrationerna av ett flertal aktiva metaboliter, av vilka ATP och ADP är av central betydelse för kontrollen av KATP-kanalen. Den ökade ATP/ADP-kvoten resulterar i att KATP-kanalen stängs, vilket leder till en depolarisering av b-cellen från vilopotentialen runt -70 mV till ca -40 mV. Vid denna potential öppnas spänningsberoende Ca2+-kanaler (främst L-typ Ca2+-kanaler), varvid den intracellulära koncentrationen fritt Ca2+ ([Ca2+]i) ökar och aktiverar insulinfrisättningen.
Delar av lipidmetabolismen återfinns till vänster i figuren. Fri fettsyra tas upp i cellen och aktiveras av enzymet fettsyrasyntetas till fettsyra-coenzyme A (acyl-CoA). Intransport av LC-CoA-estrar i mitokondrien sker med hjälp av CPT-1. Rutan ner till höger visar en schematisk bild av några av de substanser som reglerar KATP-kanalen i b-cellen. Medan ATP effektivt hämmar kanalaktiviteten, så aktiverar ADP och LC-CoA-estrar kanalen, medan sulfonylureapreparat blockerar kanalen och diazoxid öppnar den.Flera mekanismer har föreslagits ligga bakom denna ‘lipotoxicitet’, av vilka en del diskuterats i tidigare artiklar publicerade i bl a DiabetologNytt (6,9,10). Vi har nyligen visat att LC-CoA-estrar ansamlas i b-cellen till följd av långtidsexponering för fria fettsyror (4).
Vidare kunde vi rapportera att LC-CoA estrar motverkar ATPs hämmande effekt på kanalen och minskar förmågan hos glukos att stimulera insulinsekretion. En möjlighet att belysa den fysiologiska relevansen av LC-CoA-estrars förmåga att aktivera KATP-kanalen i b-cellens stimulerings-sekretions-koppling vore att konstruera en transgen djurmodell där förmågan hos denna grupp lipidmetaboliter att stimulera kanalen saknas. Som ett första steg i denna process har vi studerat var på KATP-kanalkomplexet LC-CoA estrarna utövar sin effekt. Kanalen är uppbyggd av en kaliumkanal (Kir6.x) och sulfonylureareceptorn (SURx).
En model av KATP-kanalens struktur framgår av figur 3. I b-cellen består KATP-kanalen av Kir6.2 och SUR1 (11). I expressionsstudier har vi och andra nyligen visat att LC-CoA-estrarna utövar sin effekt via en direkt interaktion med Kir6.2 [12;13]. Då Kir6.2 återfinns i majoriteten av KATP-kanaler som beskrivits i hjärtmuskel, glattmuskel och vissa neuron (11), kan LC-CoA-estrar potentiellt även aktivera kanalerna i dessa vävnader.
Betydelse i andra vävnader
Ursprungligen upptäcktes KATP-kanalen i hjärtmuskelceller, och har senare - som redan nämnts - beskrivits i stort sett alla elektriskt excitabla celler. Kartläggningen av substanser som reglerar KATP-kanalen har således inte bara betydelse för b-cellsforskning utan kan ha betydelse för andra cellsystem. En intensiv debatt har pågått länge angående KATP-kanalens roll vid ischemisk prekonditionering och myocardskada. Ischemisk prekonditionering är ett fenomen där hjärtmuskelcellernas möjlighet att tolerera ischemisk stress avsevärt förbättras om upprepade korta ischemiattacker föregår en senare mer slutgiltig ischemi. Ett flertal studier har visat att KATP-kanalen öppnas, med minskad kontraktilitet som följd, som svar på kortvarig ischemisk stress och att aktivieringen av kanalen bidrar till att minska post-infarktutbredningen (14).
Figur 2.
Acyl-CoA-estrar består en fettsyra till vilken coenzyme A är kopplat. Endast acyl-CoA-estrar med en fettsyra med kedjelängd över 12 kolatomer (LC-CoA-ester) aktiverar KATP-kanalen.Vidare har man i djurmodeller visat att blockering av KATP-kanalen tar bort den skyddande effekten av kortvarig ischemi, medan farmakologisk aktivering av kanalen imiterar den skyddande effekten (15). Sulfonylureabehandlade pateinter skulle i detta hänseende möjligen ha ett sämre utgångsläge i samband med myocardischemi eftersom sulfonylureapreparat förhindrar KATP-kanalaktivering. Kliniska studier skulle kunna tyda på detta samband - DIGAMI och UKPDS (se kommentar av K. Malmberg, DiabetologNytt Nr 3 1999 (16)). Mekanismen varvid KATP-kanalen aktiveras i samband med ischemi är fortfarande till stor del okänd. En hittills oprövad förklaring kan vara att LC-CoA-estrarna, vilka har visats öka intracellulärt i såväl hjärtmuskelceller (17) som i CNS (18) i samband med ischemi, öppnar KATP-kanalen, minskar frekvensen av aktionspotentialer och därmed myocardiets Ca2+-belastning. Hurvida LC-CoA-estrarnas aktivering av KATP-kanalen har en funktionell betydelse vid ischemisk prekonditionering är ännu ej belagt.
Slutkommentar
KATP-kanalen är av central betydelse i b-cellens stimulerings-sekretions-koppling. Ett flertal substanser, både endogena och exogena, kan påverka KATP-kanalaktiviteten. Ur diabetesperspektiv är sulfonylureapreparat av störst intresse eftersom dessa preparat används av miljoner människor dagligen i behandlingen av typ 2 diabetes. Sulfonylureapreparaten stänger specifikt KATP-kanalen i b-cellen, resulterande i en kaskad av händelser vilket slutligen resulterar i insulinfrisättning. Tidigare studier av regleringen av KATP-kanalen har av tradition fokuserats på metaboliter härhörande från glukosmetabolismen. Vi har nyligen visat att även lipidmetaboliter - s k LC-CoA-estrar, är potenta aktiverare av kanalen. Denna mekanism kan även bidra till s k ‘lipotoxicitet’ med nedsatt glukoskänslighet hos b-cellen. Om så är fallet öppnas ett nytt målområde för farmakologisk intervention.
Robert Bränström, läkare/med.dr.
Rolf Luft Centrum för diabetesforskning
Institutionen för Molekylär Medicin L1:02
Karolinska Sjukhuset
171 76 Stockholm
e-mail: robert.branstrom@molmed.ki.se.
Referenser
Referenslista finns på www.diabetolognytt.com Dagens Diabetes.
Figur 3.
Schematiska bilder över KATP-kanalsubenheterna. Vänster, sulfonylureareceptorn (SUR) har 17 transmembrana regioner med totalt 1580 aminosyror. Två regioner i SUR markerad med NBF (eng. nucleotide binding fold), uppvisar stor homologi med andra ATP-bindande proteiner, speciellt inom två områden i varje NBF - s k Walker sites (WA och WB)(19). ADP, vilket aktiverar kanalen, binder till dessa domäner. ATP och LC-CoA-estrar däremot interagerar med Kir6.2 direkt. Den mycket mindre Kir6.2 (390 aminosyror) har två transmembrana regioner. Höger, KATP-kanalen är ett komplex sammansatt av totalt fyra Kir6.2 och fyra SUR, organiserade enligt figuren (20)
[Innehåll] [Redaktören] [Ordföranden] [Sett & Hört] [Aktuell Info] [Redaktionen]
[Arkivet] [Länkar] [Diskussionsforum] [Diabetes Update]
