Studies of TNF- α-induced -GSIS Inhibition in INS-1 β-cell

Abstract

BACKGRAUND AND AIMS: Pancreatic β-cell which produce and secrete insulin, is responsible for regulation of plasma glucose concentration. GSIS depends on coordinated glucose uptakes, oxidative metabolism nd Ca(2+)+-triggered insulin exocytosis. Imparied GSIS is a hallmark of type Ⅱ Diabetes. It has been reported that TNF-α, proinflammatory cytokine, was increased in obese type Ⅱ Diabetes states and it inhibits GSIS in INS-1 β-cell. This mechanism has not been examined in detail. So we investigated the mechanism which TNF-α inhibits GSIS in INS-1 β-cell. RESULT: TNF-α suppressed significantly GSIS on dose and time dependent manner. When TNF-α has been removed from medium, the decreased GSIS was recovered completely. Insulinotropic stimuli -aminoacid, sulfonylurea, imidazolin-induced insulin secretion was also decreased about 40-50% by TNF-α (10ng/ml) treatment for 24 hours. Bay K8644, Ca(2+)+ channel agonist, induced insulin secretion decreased about 50% by pretreatment of TNF-α in INS-1 cell. But KCl-induced insulin serection, evocked by depolarization, was decreased a little. And PMA, forskolin induced insulin secretion was not decreased by TNF-α. This indicates that insulin secretory machinary did not affect by TNF-α. After pretreatment of TNF-α for 24h, expression of insulin, GLUT2 and GK did not affect. ATP production didn't, neither. This indicates that insulin biosynthesis, glucose uptake and oxidative metabolism have no effect by TNF-α treatment. Glucose stimulated Ca(2+)+ influx and Ca(2+)+ oscillation was decreased by TNF-α treatment. Both DZX, KATP channel opener, and Nifedipine, L-type Ca(2+)+ channel blocker, markedly improved the decreased GSIS by TNF-α. This indicates that the decrease of Ca(2+)+ influx through L-type Ca(2+)+ channel could be involved in TNF-α-induced GSIS inhibition. Thus we investigated both expression and trafficking of channels but didn't change. We tested whether TNF-α activated signal molecule is related in the TNF-α-induced GSIS inhibition. Decreased GSIS was recoverd by SN50, NFkB inhibitor. TNF-α-induced NFkB activation is thought to be reponsible for TNF-α-induced GSIS inhibition. CONCLUSION: Glucose and insulinotropic stimuli-aminoacid, sulfonylurea, imidazolin-induced insulin secretion was significantly suppressed by TNF-α. TNF-α inhibited glucos-stimulated Ca(2+)+ influx and oscillation through L-type Ca(2+)+ channel. The decreased GSIS was recoverd by inhibition of NFkB. Thus TNF-α-induced NFkB activation decreased GSIS with abnormality of glucose-stimulated [Ca(2+)+]i influx in INS-1 cell. Our studies indicated that elevation of basal Ca(2+)+ and decrease of glucose induced Ca(2+)+ influx by TNF-α may contribute to insulin secretion deficiency, phathogenesis of type II Diabetes.

배경 및 목적: 췌장 소도의 베타 세포는 인슐린을 합성, 분비하여 포도당 자극에 따라 혈당을 조절하는 역할을 한다. 베타 세포에서의 인슐린 분비는 포도당의 유입, 포도당 대사, TCA 회로, 산화적 인산화과정을 거쳐 ATP/ADP 비율이 증가되면 KATP channel이 닫히고 그에 따른 탈분극에 의해 전압 의존적인 Ca(2+)+ channel이 열려서 Ca(2+)+ 유입되는 경로와 증가한 [Ca(2+)+]i에 의한 인슐린 분비의 효율을 높이는 신호 전달 경로가 생성되어 이루어진다. 그런데 제 2형 당뇨병에서는 이러한 인슐린 분비가 감소되어있다. 포도당 자극 인슐린 분비(GSIS) 저하의 원인은 여러 가지로 생각되지만 비만형 제 2형 당뇨병 환자에게 증가되어 있는 Tumor necrosis factor-α (TNF-α)는 베타 세포에서 포도당 자극 인슐린 분비를 감소시키는 하나의 요인으로 생각되어지고 있다. 그러나 그 TNF-α가 어떻게 베타 세포의 포도당 자극 인슐린 분비 저하를 일으키는지 아직 자세히 연구되어 있지 않았다. 그래서 우리는 TNF-α에 의한 포도당 자극 인슐린 분비 저해 기작을 알아보고자 본 연구를 수행하였다. 결과: 우선 INS-1 베타 세포에 TNF-α를 전처리한 후, 인슐린 분비 저해 효과를 조사하여 보았다. INS-1 베타 세포에서 TNF-α를 농도별, 시간별로 전처리하였을 때, 포도당 자극 인슐린 분비는 농도, 시간에 따라 각각 감소하는 양상을 보였다. 감소한 포도당 자극 인슐린 분비는 TNF-α를 제거하면 정상으로 회복되었다. 에너지 합성 대체 물질인 Leucine과 Glutamine, KATP channel을 닫음으로서 인슐린 분비를 일으키는 것으로 알려져있는 sulfonylurea류 및 imidazolin류에 의한 인슐린 분비 정도도 TNF-α 전처리에 의해서 40~50% 까지 감소하는 것으로 나타났다. Ca(2+)+ channel을 열게하여 인슐린 분비를 일으키는 Bay K8644에 의한 인슐린 분비도 TNF-α 전처리에 의해서 50%까지 감소하였다. 탈분극을 일으켜 인슐린 분비를 일으키는 고농도의 KCl에 의한 인슐린 분비도 약간 감소하는 경향을 나타냈고, KATP channel과 독립적으로 인슐린 분비를 촉진하는 물질인 PMA, forskolin에 의한 인슐린 분비는 TNF-α의 전처리에도 불구하고 저해 받지 않았다. INS-1 베타 세포에 TNF-α를 24시간 동안 처리하였을 때 인슐린 및 GLUT2와 Glucokinase의 mRNA와 단백질 발현량은 감소하지 않았다. 그리고 KATP channel을 닫는데 필요한 ATP 합성량도 변화가 없었다. 이 결과로 TNF-α가 인슐린 생합성 및 포도당 유입, 포도당대사에 큰 영향을 끼치지 않았음을 확인하였다. TNF-α의 전처리는 베타 세포에서 포도당 자극 Ca(2+)+ 유입량과 박동성을 감소시켰다. INS-1 세포에서 TNF-α는 단독으로 세포 내 기저 Ca(2+)+ 농도를 약간 증가시키는 것으로 나타났다. TNF-α 전처리에 의해 감소된 포도당 자극 인슐린 분비가 L-type Ca(2+)+ channel blocker인 Nifedipine과 KATP channel opener인 Diazoxide에 의해서 100% 회복되었다. 이 결과로 TNF-α에 의한 기저 Ca(2+)+농도의 증가가 포도당 자극 Ca(2+)+ 유입량의 감소를 일으키는 것으로 생각되고 TNF-α에 의한 기저 Ca(2+)+농도의 증가는 L-type Ca(2+)+ channel을 통해 유입되는 것으로 생각된다. 그러나 Ca(2+)+유입량을 조절하는 KATP channel 과 L-type Ca(2+)+ channel의 mRNA 및 단백질 발현량은 TNF-α 전처리에 의해 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. TNF-α 에 의해 활성화되는 신호 전달 물질이 포도당 자극 인슐린 분비의 저하와 관련되어있는지 알아보고자 ERK, p38, JNK, NFkB의 활성화가 미치는 영향을 조사하여보았다. TNF-α 전처리에 의해 감소되었던 포도당 자극 인슐린 분비는 NFkB 저해제인 SN50에 의해서 회복되었다. TNF-α 에 의한 NFkB의 활성화가 포도당 자극 인슐린 분비를 저해하는데 일부 관여할 것으로 생각된다. 결론 및 의의: INS-1 베타 세포에서 TNF-α의 전처리는 포도당 자극 인슐린 분비 뿐 아니라 그 외 분비 자극 물질에 대한 인슐린 분비도 현저하게 감소시켰다. INS-1 베타 세포에서 이러한 인슐린 분비 감소 현상의 원인으로는 포도당 자극 Ca(2+)+유입량의 감소 때문으로 생각되며 TNF-α에 의해 활성화된 NFkB의 신호 전달 체계가 포도당 자극 인슐린 분비 저하에 관련된 것으로 생각된다. 우리의 연구를 통해서 NFkB의 활성화가 제 2형 당뇨병의 병인중 하나인 인슐린 분비 저해를 유도할 수 있음을 보여주었다.