The regulation of insulin secretion by beta-cells lacking ATP-sensitive K channels
(2007)
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- Henquin, Jean-Claude
- Abstract
- Current models of the pancreatic beta-cell ascribe the control of insulin secretion by glucose to the interaction of two pathways. The triggering pathway critically depends on the closure of ATP-sensitive K channels (KATP channels), which leads to depolarization, opening of voltage-dependent Ca2+ channels, influx of Ca2+ and rise in the cytosolic free Ca2+ concentration ([Ca2+]c). The amplifying, or KATP channel-independent, pathway augments insulin secretion provided [Ca2+]c is elevated, but without increasing it further. The existence of the amplifying pathway, originally identified by pharmacological approaches, was questioned by experiments using mice lacking KATP channels in their beta-cells because of a knockout of sulphonylurea receptor 1 (Sur1 KO mice), the regulatory subunit of the channels. In my work, I have studied islets from Sur1 KO mice to determine if and how glucose and other nutrients can control insulin secretion in the absence of KATP channels and to test the validity of the model of beta-cell function. Methods: Islets were isolated by collagenase digestion of the pancreas from adult and 2 week-old control and Sur1 KO mice. The islets were used, freshly after isolation or after ~18 h culture in 5 or 10 mM glucose, for measurement of islet [Ca2+]c, insulin secretion, membrane potential, glucose oxidation, or cAMP content. Results: As predicted by the model, continuous Ca2+ influx raises basal [Ca2+]c in Sur1 KO islets compared to controls. In fresh islets, basal insulin secretion is only moderately increased and the secretory response to high glucose is unexpectedly poor despite evidence of a well functioning amplifying pathway. However, overnight culture augments basal insulin secretion and unmasks a large, concentration-dependent, increase in glucose-induced insulin secretion. In the steady state, this effect of glucose is mainly exerted via the amplifying pathway, indicating that SUR1, also present in the insulin granule membrane, plays no role in the process. The unmasking of excellent insulin secretion is not due to an increase of glucose metabolism but, against all predictions, to improvement of the triggering Ca2+ signal. Glucose exerts unanticipated acute effects on [Ca2+]c in islets lacking KATP channels. In fresh and cultured adult islets, these effects are quantitatively modest (transient rise above prestimulatory elevated levels), but qualitatively consistent (increase in the frequency and decrease in the duration of [Ca2+]c oscillations). The essential observations made with adult islets were confirmed in islets from 2 week-old Sur1 KO mice. However, the impact of glucose on [Ca2+]c is even more spectacular. Overnight culture of these young islets in 5 mM glucose decreases basal [Ca2+]c and insulin secretion rate to low levels, as in controls, and discloses biphasic increases in [Ca2+]c and insulin secretion in response to an acute glucose stimulation. I also show that glucose depolarizes beta-cells lacking KATP channels, probably by closing K+ channels of another type, and thereby promotes Ca2+ influx through voltage-dependent Ca2+ channels, leading to biphasic secretion of insulin. Conclusions: My experiments with Sur1 KO islets validate the concept of a dual regulation of insulin secretion by triggering and amplifying pathways in beta-cells. I provide an explanation for controversies in the literature concerning the responsiveness of Sur1 KO islets to glucose. I show that the triggering Ca2+ signal can also be regulated by high glucose, acutely and in the longer term, in the absence of KATP channels, and speculate that novel K+ channels might subserve this metabolic control. My results do not challenge the preeminent role of KATP channels in normal beta-cells, but call for an investigation of the contribution of this second mechanism. / Les modèles actuels de la cellule beta pancréatique attribuent le contrôle de la sécrétion d'insuline par le glucose à l'interaction de deux voies de signalisation. La voie déclenchante dépend de la fermeture des canaux K sensibles à l'ATP (canaux K-ATP), qui provoque une dépolarisation, l'ouverture de canaux Ca2+ voltage-dépendants, un influx de Ca2+ et une augmentation de la concentration du Ca2+ ionisé dans le cytosol ([Ca2+]c). La voie d'amplification, indépendante des canaux K-ATP, augmente la sécrétion d'insuline sans provoquer d'élévation supplémentaire de la [Ca2+]c. L'existence de cette voie amplificatrice, initialement identifiée par des approches pharmacologiques, a été mise en question par des expériences utilisant des souris sans canaux K-ATP dans leurs cellules beta en raison d'un knock-out du récepteur pour les sulfonylurées de type 1 (Sur1KO). Dans mon travail, j'ai étudié les îlots de ces souris Sur1KO afin de déterminer si et comment le glucose et les autres nutriments peuvent contrôler la sécrétion d'insuline en l'absence de canaux K-ATP. Par cette approche, j'ai donc testé la validité du modèle des cellules beta. Méthodes : Les îlots ont été isolés du pancréas de souris contrôles et Sur1KO âgées de 2 semaines ou de 1 an. Ils ont ensuite été testés fraîchement après l'isolement ou après 18h de culture en présence de 5 ou 10 mM glucose. J'ai mesuré la [Ca2+]c, la sécrétion d'insuline, le potentiel de membrane, l'oxydation du glucose et le contenu en AMPc. Résultats : En accord avec le modèle, la [Ca2+]c basale est plus élevée dans les îlots Sur1KO que les contrôles, en raison d'un influx constant de Ca2+. Dans les îlots fraîchement isolés la sécrétion basale d'insuline n'est que modérément augmentée et la réponse à une stimulation par le glucose est étonnamment faible malgré le fonctionnement de la voie amplificatrice. Toutefois, une nuit de culture augmente la sécrétion basale et démasque un effet majeur, dose-dépendant, du glucose. A l'état stable, cet effet du glucose est surtout dû à la voie amplificatrice, ce qui indique que la présence de SUR1 dans la membrane des granules d'insuline ne joue pas de rôle dans ce processus. Ce démasquage d'une excellente sécrétion d'insuline n'est pas attribuable à une amélioration du métabolisme du glucose mais, contre toute attente, à une augmentation du signal déclenchant, la [Ca2+]c. Le glucose exerce des effets inattendus sur la [Ca2+]c dans des cellules beta dépourvues de canaux K-ATP. Dans des îlots adultes, frais ou cultivés, ces effets sont quantitativement modestes mais qualitativement reproductibles (augmentation de la fréquence et diminution de la durée des oscillations de [Ca2+]c). Les observations principales faites avec les îlots de souris Sur1KO adultes ont été confirmées avec des îlots de souris âgées de 2 semaines. Cependant l'effet du glucose sur la [Ca2+]c y est plus spectaculaire. Après une nuit de culture en présence de 5 mM glucose, la [Ca2+]c et la sécrétion d'insuline basales des îlots Sur1KO jeunes sont aussi basses que celles d'îlots contrôles. De plus, une stimulation par le glucose y provoque des augmentations biphasiques tant de la [Ca2+]c que de la sécrétion d'insuline. J'ai également mis en évidence une dépolarisation de ces cellules sans canaux K-ATP sous l'effet du glucose, probablement à la suite de la fermeture de canaux K d'un autre type. Conclusions : Mes expériences avec des îlots Sur1KO valident le modèle d'une régulation de la sécrétion d'insuline par des voies de déclenchement et d'amplification. J'apporte une explication aux controverses de la littérature concernant la sensibilité des îlots Sur1KO au glucose. Je montre que le signal déclenchant, la [Ca2+]c, peut être contrôlé par le glucose même en l'absence de canaux K-ATP et je propose que d'autres canaux K, également sensibles au métabolisme, permettent ce contrôle. Mes résultats ne remettent pas en question le rôle essentiel des canaux K-ATP dans les cellules beta normales, mais suggèrent la participation d'un second mécanisme
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Citations
Szollosi, A. (2007). The regulation of insulin secretion by beta-cells lacking ATP-sensitive K channels. https://hdl.handle.net/2078.5/112126