Rolle von TRPM5 bei der Insulinsekretion
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Insulin Sekretion in β-pankreatischen Zellen aufgrund eines Glukosereizes erfordert die koordinierte Veränderung zellulärer Ionenkonzentrationen und eine substantielle Membrandepolarisation, um es Insulin gefüllten Vesikeln zu ermöglichen mit der äußeren Zellmembran zu fusionieren. Die Eckpunkte dieser Kaskade sind sehr gut charakterisiert, aber die Datenlage zu Beginn meines Heisenberg Stipendiums sprach für die Beteiligung weiterer Ionenkanäle in diesem Prozess. Der von mir klonierte und initial funktionell charakterisierte Ionenkanal TRPM5 wird in β-pankreatischen Zellen exprimiert, führt nach einer Aktivierung durch einen Ca2+ Anstieg zu einer transienten Membrandepolarisation und stellt somit einen solchen Kandidaten dar. Mit meinem Stipendium habe ich die Rolle von TRPM5 bei der Insulinsekretion anhand von Trpm5 knock-out Mäusen beschrieben. Dabei konnte ich zeigen, dass anders als initial vermutet TRPM5 nicht mit seinem nahe verwandten Protein TRPM4 zu hetero-multimerisieren scheint. Der TRPM5 Ionenkanal stellt nach den gewonnenen Daten einen essentiellen Regulator für die Insulinsekretion dar. Trpm5 defiziente Mäuse zeigen bei Glukosetoleranz-Tests eine längerfristig erhöhte Blutglukosekonzentration, obwohl ihre Insulinsensitivität normal ist. Auch in isolierten β-pankreatischen Inseln der Trpm5 knock-out Mäuse war die Glukose induzierte Insulinsekretion vermindert. In Kombination mit den TRPM5 Kanaleigenschaften ergibt sich dadurch folgendes Wirkszenario: Nach einem Glukose Anstieg wird der Zucker in der β-pankreatischen Zelle verstoffwechselt und ATP wird produziert. Der ATP Anstieg führt zur Inaktivierung der (KATP)-Kanäle und die Plasmamembran wird depolarisiert bis maximal zum Gleichgewichtspotential von K+. Dies aktiviert ineffektiv die Spannungsabhängigen Kalziumkanäle (VDCCs) und führt in dem sogenannten „triggering pathway“ vielleicht mit Unterstützung der Depolarisation durch TRPM4 zum zytoplasmatischen Anstieg von Ca2+ und folgender (ineffektiver) Insulin Vesikel Exocytose. Die ATP Produktion führt jedoch, möglicherweise nur bei anhaltend hoher Glukosekonzentration, daneben im sogenannten „amplifying pathway“ auch zur Synthese von cADPR und NAADP, worüber gespeichertes Ca2+ aus intrazellulären Lagern wie dem endoplasmatischen Reticulum freigesetzt wird. Dadurch wird wahrscheinlich TRPM5 aktiviert, was die beiden Signalwege der Insulinsekretion verbindet und in einer durch oszillierenden TRPM5 Aktivität getragenen effizienten Insulinfreisetzung resultiert. Dass die Rolle von TRPM5 bei der Insulinsekretion über eine reine Depolarisationskomponente hinausgeht zeigen meine Versuche, bei denen TRPM5 defiziente β-pankreatische Inseln auch nach Depolarisation der Plasmamembran mittels Arginin keine gesteigerte Insulinsekretion zeigten. Also nicht die bloße Depolarisation, sondern die transiente Natur der Depolarisation durch den TRPM5 Ionenkanal resultiert in einer effizienten Insulin Exocytose, gesteuert durch Oszillationen des Membranpotentials. Eine Funktionsstörung des TRPM5 Proteins könnte daher ein wichtiger Faktor in der Ätiologie einiger Erkrankungen wie bestimmter Typ 2 Diabetes mellitus Formen oder dem angeborenen Hyperinsulinismus sein, bei denen eine entsprechender Defekt der normalen oszillierenden Insulinsekretion beobachtet werden kann. Das macht TRPM5 zu einem möglichen Marker für die genannten Erkrankungen bzw. einem Kandidaten für entsprechende Therapieansätze zur Regulation der Insulinsekretion.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Adding efficiency: the role of the CAN ion channels TRPM4 and TRPM5 in pancreatic islets. Islets. 2010 Sep-Oct;2(5):337-8
Enklaar T, Brixel LR, Zabel BU, Prawitt D
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TRPM5 regulates glucose-stimulated insulin secretion. Pflügers Arch. 2010 Jun;460(1):69-76
Brixel LR, Monteilh-Zoller MK, Ingenbrandt CS, Fleig A, Penner R, Enklaar T, Zabel BU, Prawitt D
