Согласно новой гипотезе, выдвинутой группой исследователей из Пенсильвании, причиной инсулинозависимого постоянного диабета у новорожденных может быть дефицит фермента панкреатической эндоплазматической ретикулум-киназы (PERK) в критический период развития до рождения. Государственный университет.
При этом наиболее тяжелом типе диабета люди не могут нормально регулировать уровень глюкозы, потому что в их поджелудочной железе мало инсулин-продуцирующих бета-клеток, а остальные клетки не вырабатывают достаточно инсулина. Используя особые линии мышей, выведенных с дефицитом PERK, исследователи продемонстрировали, что недостаток этого фермента блокирует пролиферацию бета-клеток, препятствует нормальному функционированию бета-клеток, а также препятствует кластеризации бета-клеток в островки.
"То, что происходит во время внутриутробного развития, предрасполагает людей либо к нормальному поддержанию уровня глюкозы, либо к диабету," говорит руководитель группы Дуглас Кавенер, профессор и заведующий кафедрой биологии. Результаты исследования будут опубликованы в журнале Cell Metabolism 6 декабря 2006 г.
Команда, состоящая из аспирантов Вэй Чжан, Юлин Ли и Каори Иида, научного сотрудника Даоронга Фэна и научного сотрудника профессора Барбары МакГрат, использовала более раннее открытие лаборатории, что мыши с дефицитом PERK показывают много параллелей с людьми, страдающими болезнью Уолкотт-Раллисона. Синдром (WRS), при котором диабет сочетается с аномалиями скелета и роста. Исследование предоставило экспериментальную модель для изучения причин постоянного неонатального диабета, которая была более показательной, чем исследования клеточных культур.
"Возможность создания особых линий мышей с дефицитом PERK в определенных органах или тканях имела жизненно важное значение для наших исследований," говорит Кавенер. "Эти мыши позволили нам точно узнать, как PERK участвует в развитии и росте бета-клеток поджелудочной железы, которые секретируют инсулин. Такое использование генетики позволяет организму сказать вам, что важно для нормального функционирования."
Обычно бета-клетки поджелудочной железы реагируют на высокий уровень глюкозы в крови, производя предшественник инсулина – проинсулин – в эндоплазматическом ретикулуме. Внутри этой и других органелл проинсулин собирается и превращается в инсулин. Затем гормон выводится из клетки, чтобы стимулировать другие ткани поглощать глюкозу и генерировать энергию.
Мыши с дефицитом PERK значительно отличаются от нормальных мышей. При рождении мыши с дефицитом PERK имеют только половину массы бета-клеток, чем у нормальных мышей. В течение первых нескольких недель после рождения у мышей с дефицитом PERK все меньше и меньше бета-клеток по сравнению с нормальными мышами, а оставшиеся клетки не функционируют нормально, вырабатывая инсулин. Через три недели после рождения мыши с дефицитом PERK становятся полностью диабетическими и имеют только одну десятую массы бета-клеток, чем нормальные мыши.
До сих пор доминирующая гипотеза причины диабета у мышей и людей с дефицитом PERK была разработана Хизер Хардинг и Дэвидом Роном из Медицинского центра Нью-Йоркского университета в 2001 году. Они предположили, что слишком много проинсулина в эндоплазматическом ретикулуме вызывает стрессовую реакцию и вызывает гибель многих бета-клеток. Считалось, что нехватка бета-клеток у мышей с дефицитом PERK вызвана высокой смертностью этих клеток.
Данные, собранные командой Cavener, ставят под сомнение эту гипотезу. Во-первых, они обнаружили, что мыши с дефицитом PERK производили новые бета-клетки гораздо медленнее, чем нормальные мыши. Масса бета-клеток у мышей с дефицитом увеличилась только вдвое в течение первых нескольких недель жизни, в то время как у нормальных мышей она увеличилась в двадцать раз. Во-вторых, группа Penn State обнаружила, что скорость гибели бета-клеток у мышей с дефицитом PERK существенно не отличалась от таковой у нормальных мышей. Наконец, команда не обнаружила молекулярных маркеров стресса эндоплазматического ретикулума в бета-клетках своих мышей с дефицитом PERK.
Альтернативная гипотеза команды Penn State Team заключается в том, что дефицит PERK блокирует как пролиферацию бета-клеток после рождения, так и дифференцировку этих клеток в полностью функционирующие единицы. Они обнаружили, что от 30 до 40 процентов бета-клеток мышей с дефицитом PERK физически необычны. Наиболее очевидная аномалия заключается в том, что проинсулин обнаруживается в эндоплазматическом ретикулуме, а не в ядре или вокруг него. По-видимому, проинсулин вырабатывается как обычно, но нормальный процесс модификации блокируется, в результате чего большие количества проинсулина остаются внутри увеличенной и растянутой органеллы.
Еще одно важное открытие заключалось в том, что бета-клетки у этих мышей не развиваются в организованные кластеры или островки в поджелудочной железе. Обычно белок GLUT2 переносит глюкозу через плазматические мембраны между островками, вызывая секрецию инсулина в бета-клетках. Но без островковой архитектуры связь между бета-клетками нарушается, и клетки не могут реагировать на глюкозу, секретируя инсулин. Таким образом, дефицит PERK как препятствует межклеточной передаче сигналов уровня глюкозы, так и значительно снижает выработку инсулина на клеточном уровне.
Понимание командой штата Пенсильвания роли PERK было усовершенствовано дополнительными экспериментами, чтобы точно определить время во время разработки, когда требуется PERK. Команда Кавенера обнаружила, что PERK должен быть выражен в критический период между 13 и 13 годами.5 дней плода и 4 дня после рождения, если бета-клетки поджелудочной железы должны нормально регулировать глюкозу на протяжении всей оставшейся жизни животного. PERK может играть важную роль в распознавании среды плода и модуляции развития бета-клеток в ответ на это.
"Генетическая программа плода и внутриутробная среда работают вместе, создавая аппарат, регулирующий уровень глюкозы в послеродовой жизни," Кавенер объясняет.
Источник: Penn State