Lars Romfeld

• Ein möglicher Ansatz neuer Therapiestrategien für Diabetes mellitus besteht zum einen in der Differenzierung von Stammzellen zu insulinproduzierenden Zellen und zum anderen in der Beschleunigung der Zellproliferation ebensolcher Zellen. In zahlreichen Studien wurden bereits mitogene Signaltransduktionswege in beta-Zellen des endokrinen Pankreas unter dem Einfluss diverser Nährstoffe untersucht. Das Protein p8, ursprünglich im Umfeld einer experimentell induzierten akuten Pankreatitis im Rattenmodell als Stressantwort beschrieben, ist an einemEin möglicher Ansatz neuer Therapiestrategien für Diabetes mellitus besteht zum einen in der Differenzierung von Stammzellen zu insulinproduzierenden Zellen und zum anderen in der Beschleunigung der Zellproliferation ebensolcher Zellen. In zahlreichen Studien wurden bereits mitogene Signaltransduktionswege in beta-Zellen des endokrinen Pankreas unter dem Einfluss diverser Nährstoffe untersucht. Das Protein p8, ursprünglich im Umfeld einer experimentell induzierten akuten Pankreatitis im Rattenmodell als Stressantwort beschrieben, ist an einem glukoseabhängigen Zellwachstum in der insulinproduzierenden beta-Zelle des endokrinen Pankreas beteiligt. Insofern ist es nur schlüssig, die Rolle des Proteins p8 im Rahmen der proliferationsassoziierten Signaltransduktion zu untersuchen. Zur näheren Charakterisierung von p8 wurden von unserer Arbeitsgruppe Wildtyp-INS-1-Zellen (WT-INS-1), als Modell für die beta-Zelle des endokrinen Pankreas, mit einem durch IPTG induzierbaren, p8-exprimierenden System ausgestattet (p8-INS-1). Dieses System wurde in der vorliegenden Arbeit zunächst auf seine Funktionalität hin überprüft. Unter anderem konnte p8-cDNA in den stabil transfizierten p8-INS-1-Zellen und in den mit obigem Plasmid transient transfizierten WT-INS-1-Zellen dargestellt werden, wobei letztere WT-INS-1-Zellen stärker signalisierten und somit ein höheres „output“ an p8 zu generieren scheinen. In Immunoblotanalysen ergab sich ein ähnliches Bild. Durch p8-Überexpression kommt es zu einem zunehmenden Signal des Proteins p8 innerhalb der p8-INS-1-Zellen. Jedoch erscheint dieses Signal in WT-INS-1-Zellen noch stärker. Ebenso ließen sich mehrfach Doppelbanden sowohl bei p8-INS-1-Zellen als auch bei WT-INS-1-Zellen bei 14 kDa und 22 kDa darstellen. Das differenzierte Expressionsmuster beider Zelllinien im Rahmen dieser Immunoblotanalysen legt den Schluss nahe, dass eine Erhöhung des p8-Levels, sei es nun durch Induktion per IPTG-Gabe oder durch Wachstumsfaktoren, zu einem veränderten Molekulargewicht des Proteins p8 führt. Das Protein p8 unterliegt somit ständigen Veränderungen im Rahmen der Protein-Protein-Interaktion. Im Vordergrund stehen Phosphorylierungen als Aktivierungsinitiatoren und Ubiquitinierung mit synergistischer Proliferationszunahme unter p8-Überexpression und gleichzeitiger Proteasomhemmung. Gerade in Phasen erhöhten Zellstresses (Hypo- und Hypernutrition) lassen sich durch p8-Überexpression erhöhte Wachstumsraten nachweisen, während im physiologischen Bereich nur bei gleichzeitiger Proteasomhemmung Wachstumssteigerungen durch p8-Überexpression erreicht werden können. Dies unterstreicht einmal mehr die Rolle von p8 als Stressprotein. Nichtsdestotrotz übertreffen die Proliferationsraten der p8-INS-1-Zellen die der WT-INS-1-Zellen unter den verschiedensten Stimulationsbedingungen bei weitem. So konnte gezeigt werden, dass in den p8-INS-1-Zellen eine progrediente, glukoseabhängige Proliferation vorliegt, welche sich durch Gabe von IGF-1 oder foetalem Kälberserum (FBS) zu einem signifikanten synergistischen Wachstum ausweiten lässt. Und auch hier erzeugt p8 als Stressprotein bei p8-INS-1-Zellen im glukosefreiem Medium bei alleiniger Stimulation mit Wachstumsfaktoren signifikante Wachstumsraten im Vergleich zu WT-INS-1-Zellen. Die Umsetzung der Stimulation durch Glukose und Wachstumsfaktoren auf die p8-vermittelte Proliferation vollzieht sich innerhalb der Signaltransduktion. Mit Phosphatidylinositol-3´-Kinase (PI3´K) als Schlüsselprotein innerhalb der mitogenen Signaltransduktion und Proteinkinase C (PKC alpha, beta, gamma) konnten durch Co-Immuno-präzipitationen, GST-Pull-Downs, Immunoblotanalysen aber auch Inhibitionsversuche wichtige Interaktionspartner von p8 identifiziert werden. Weitere Bindungspartner des Proteins p8 resultierten durch Inhibitionsversuche mit Proteinkinasen wie PKCzeta und PKA, aber auch p38 MAPK als Vertreter des MAPK-Signalweges. Dabei zeigt sich ein relativ gleiches Bild mit tendenziell eher mäßigen Proliferationshemmung im niedrigen bis normalen Glukosebereich, welche sich unter p8-Überexpression verstärkt. Verschiedene Regelkreise zur Feinsteuerung der p8-vermittelten Proliferation scheinen hier denkbar. Sollte p8 neben der Zellproliferation auch zu einer Aktivierung der genannten Proteine führen, könnte die Inhibition dieser Proteine ihrerseits die p8-vermittelte Proliferation hemmen. Auf Proteinebene ließ sich die Verbindung zwischen p8 und MAPK p38, PKCzeta, PKA und PKB nicht nachweisen, erscheint aber wegen der Primärstrukturen der Proteine, sowie Erkenntnissen aus der bisherigen Literatur und auch aufgrund der Versuche mit Proteininhibitoren im Rahmen dieser Arbeit wahrscheinlich. Weitergehende Untersuchungen sollten daher noch erfolgen. Die vorgestellten Ergebnisse sind ein Beitrag zum besseren Verständnis der Rolle des Proteins p8 innerhalb der mitogenen Signaltransduktion als eine Voraussetzung für einen kurativen Ansatz des Diabetes mellitus Typ I.…
• One possible approach for new strategies in therapy of diabetes mellitus is on one side the differentiation of stem cells to insulin producing cells and on the other side the acceleration of cell proliferation in such cells. There have been many studies in which mitogenic signal transduction in pancreatic beta cells under the influence of various nutrients and growth factors was examined. Protein p8, first described as overexpressed in experimentally induced acute pancreatitis, is involved in glucose dependent cell proliferation in theOne possible approach for new strategies in therapy of diabetes mellitus is on one side the differentiation of stem cells to insulin producing cells and on the other side the acceleration of cell proliferation in such cells. There have been many studies in which mitogenic signal transduction in pancreatic beta cells under the influence of various nutrients and growth factors was examined. Protein p8, first described as overexpressed in experimentally induced acute pancreatitis, is involved in glucose dependent cell proliferation in the pancreatic beta cell. So it is quite logical to examine the role of protein p8 in proliferation-associated signal transduction. For more detailed characterization of p8 we transfected in our working group wild type-INS-1-cells (WT-INS-1), as a model for the pancreatic beta cell, with an IPTG-inducable and p8-overexpressing system (p8-INS-1). In the present study, this system was first controlled with regard to functionality. It worked to detect the p8-overexpressing plasmide p8pOPRSVI and the LAC-repressor in p8-INS-1-cells. In addition, p8-cDNA has been displayed in stable transfected p8-INS-1-cells and also in transiently transfected WT-INS-1-cells (with the plasmide p8pOPRSVI), whereas transiently transfected WT-INS-1-cells showed stronger signal and seemed to generate more “output” of p8. In immunoblot analysis there was a similar pattern. With p8-overexpression you see a progressive signal of protein p8 in p8-INS-1-cells. In WT-INS-1-cells this signal was even stronger. Furthermore there have been multiple double bands both in p8-INS-1-cells and WT-INS-1-cells at 14 kDa and 22 kDa. That differentiated pattern of expression of both cell lines allows the conclusion that an enlargement of p8-level by IPTG-induction or growth factors leads to a change in molecular weight of protein p8. Thus protein p8 is subject to permanent change in context of protein-protein-interaction. The focus is thereby on phosphorylation as an initiator of activation and ubiquitination with synergistic augmentation of proliferation under p8-overexpression and inhibition of proteasome at the same time. While episodes of higher cell stress (hypo- and hypernutrition) increased proliferation rates can be demonstrated, at a physiological level increased growth rates can only be achieved by p8-overexpression and concomitant inhibition of proteasome. This underlines once more the role of protein p8 as stress protein. Nevertheless, proliferation rates of p8-INS-1-cells exceed those of WT-INS-1-cells by far relating to the most different conditions of stimulation. Therefore it could be demonstrated that there is a progressive glucose-dependant proliferation in p8-INS-1-cells which can be enlarged by IGF-1 or foetal bovine serum (FBS) to a significant synergistic growth. Moreover, p8 as a stress protein induces significant growth rates in p8-INS-1-cells versus WT-INS-1-cells by only stimulation with growth factors and without any glucose. The transposition of the stimulation by glucose and growth factors to a p8-mediated proliferation is subsequently performed within the signal transduction. By using co-immunoprecipitation, GST-pull-downs and immunoblot analysis Phosphatidylinositol-3´-kinase (PI3´K), as a key protein in mitogenic signal transduction, and proteinkinase C (PKC alpha, beta, gamma) have been identified as important interaction partners of p8. Further binding partners of protein p8 resulted by experimental inhibition of proteinkinases like PKCzeta and PKA, but also p38 MAPK as representative of the MAPK-mediated signal transduction. Thereby you can see a quite homogeneous image of a rather moderate inhibition of proliferation at lower or physiological glucose levels which is increased when overexpressing p8. Different regulator circuits for fine tuning of the p8-mediated proliferation seem to be thinkable. If the activation of p8 should lead to an activation of the named proteins, apart from cell proliferation, the inhibition of these proteins could also inhibit the p8-mediated proliferation. Unfortunately, the direct protein-protein-connection between p8 and MAPK p38, PKCzeta, PKA or PKB couldn´t be verified in this present examination. But due to the primary structure of these proteins as well as findings in previous literature and also because of the experiments with proteininhibitors in the present examination, this aspect seems to be most likely. In this regard further studies should be carried out. The presented results contribute to a better understanding of the role of protein p8 within the mitogenic signal transduction as a requirement for a curative therapy of diabetes mellitus type I.…